基于FPGA的皮秒計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)*

唐海峰，趙建軍，吳光敏，吳亞平，趙　恩

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

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基于FPGA的皮秒計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)*

唐海峰，趙建軍，吳光敏，吳亞平，趙恩

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

摘要：在實(shí)際的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)中，對納秒以下的時間計(jì)數(shù)至今沒有很好的方法進(jìn)行處理。在以往的FPGA實(shí)現(xiàn)中，往往采用官方提供的DCM或PLL對時鐘信號進(jìn)行倍頻處理。上述方法由于受到硬件資源的約束，用戶不能隨心所欲地對時鐘信號進(jìn)行多次處理，原因在于器件內(nèi)部的DCM有限。提出了以IODELA原語為基礎(chǔ)的方法進(jìn)行時間計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)，采用Verilog HDL硬件描述語言對皮秒進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，以Xilinx官方的Zedboard開發(fā)板和Virtex5開發(fā)板、以IODELAY原語與IDELAY原語為基礎(chǔ)對納秒以下的時間進(jìn)行操作。經(jīng)過功能仿真與板級驗(yàn)證，成功地實(shí)現(xiàn)了對于75 ps～4 ns(主頻250 MHz的頻率)的高精度計(jì)數(shù)功能。皮秒計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn),對于時間測量電路中細(xì)時間(主頻頻率<4 ns的時間，即75 ps～4 ns的時間)的生成,以及對于進(jìn)行FPGA納秒級別以下的時鐘操作產(chǎn)生了巨大且深遠(yuǎn)的作用。目前，該單元已經(jīng)成功地應(yīng)用在了時間測量電路的設(shè)計(jì)上。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；原語；皮秒計(jì)數(shù)；功能仿真；倍頻

現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)中使用的晶振為MHz頻率，時鐘周期即為ns級別。在FPGA中要完成對一個信號的倍頻只能利用IP核對其進(jìn)行倍頻操作，而沒有辦法像分頻處理一樣利用Verilog/VHDL代碼對它直接進(jìn)行操作[1]；但是在FPGA中資源是有限的，PLL/DCM的IP核也是有限的，并不能一直對其進(jìn)行隨意次的倍頻操作。本設(shè)計(jì)利用Xilinx公司提供的原語直接對FPGA進(jìn)行ps級別的操作，完成了直接利用代碼進(jìn)行源時鐘的倍頻操作，根據(jù)需求的不同可以最大倍頻到75 ps。倍頻范圍為75 ps至主頻時鐘。

1基于Zedboard開發(fā)板的皮秒計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)

Zedboard開發(fā)板是近年Xilinx公司推出的產(chǎn)品。該開發(fā)板采用Xilinx 7系列芯片XC7Z020封裝為CLG484，等級速度為-1。Zedboard具有2個ARM9的硬核，用戶可以單獨(dú)對FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以與ARM進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)[2]。在視頻處理、電動機(jī)控制和以太網(wǎng)通信等方面得到了廣泛的應(yīng)用。Zedboard開發(fā)板的實(shí)物圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)因?yàn)橹贿M(jìn)行FPGA操作而不需要用到ARM，所以應(yīng)將JP7、JP8、JP9、JP10和JP11接到低電平，JP3和JP6不接短路帽[3]。

圖1　Zedboard開發(fā)板實(shí)物圖

在Xilinx官方提供的用戶手冊上可以找到關(guān)于IDELAY原語的介紹。在Artix 7系列芯片中，每個用戶I/O管腳的輸入通路都有一個IDELAY模塊。IDELAY具有可控制31個抽頭延遲線，每個抽頭的延遲為75 ps，且與進(jìn)程、電壓和溫度特性無關(guān)。IDELAY原語的RTL模塊圖如圖2所示。

圖2　　　　IDELAY原語RTL模型

在圖2中，端口I為來自于IOB的串行輸入數(shù)據(jù)的單比特輸入信號，其中，端口I應(yīng)由外部信號輸入，不能由FPGA自身產(chǎn)生的信號作為I口的輸入。簡單而言，就是在頂層模塊端口I應(yīng)為input。輸入C端口為時鐘輸入信號。INC端口用于增加或減少延遲抽頭數(shù)。CE端口為是否能使延遲抽頭數(shù)量增加或減少的功能。RST端口為復(fù)位延遲鏈的延遲抽頭數(shù)。O端口為單比特輸出信號。IDELAY具有3種操作：1)零保持時間延遲模式(IDELAY_TYPE = DEFAULT)，在沒有DCM的情況下使用全局時鐘采集數(shù)據(jù)，用這種延時單元提供“非正保持時間”；2)固定延遲模式(IDELAY_TYPE = FIXED)，通過屬性值IDELAY_VALUE確定tap數(shù)從而確定延遲時間；3)可變延遲模式(IDELAY_TYPE = VARIABLE),通過控制信號CE和INC來改變延遲時間。本文采用固定延遲模式IDELAY = FIXED來進(jìn)行75 ps的計(jì)數(shù)。由于采用的時鐘頻率為2 ns，所以本文要到達(dá)由75 ps～2 ns的計(jì)數(shù)，設(shè)定IDELAY_VALUE的值為i，其中i值為0～26，當(dāng)i為26時，計(jì)數(shù)到1 950 ps。對IDELAY進(jìn)行完例化后，根據(jù)用戶手冊的要求還應(yīng)對原語IDELAYCTRL進(jìn)行例化。IDELAYVTRL原語的RTL模型如圖3所示。

圖3　　　　IDELAYCTRL原語的RTL模型

在圖3中，RST端口為復(fù)位端口，當(dāng)RST為高時，開始工作，REFCLK提供了一個參考時鐘，校準(zhǔn)IDELAY模塊在同一時鐘區(qū)域。RDY端口表示在特定區(qū)域的IODELAY模塊準(zhǔn)備就緒。在例化中RST置為高，其他2管腳懸空。完成上述所有設(shè)計(jì)后，應(yīng)用Modelsim軟件對其仿真產(chǎn)生波形(見圖4)。

由圖4可以觀察到第1位比第0位滯后75 ps，第2位比第1位滯后75 ps，依次類推直到第26位。

2基于Virtex5開發(fā)板的皮秒計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)

Virtex5開發(fā)板屬于Xilinx公司Virtex系列芯片，XC5VLX50T封裝為ff1136，等級速度為-1。此款開發(fā)板并沒攜帶硬核只能單獨(dú)進(jìn)行FPGA的設(shè)計(jì)，但這個開發(fā)板的IOB資源比Zedboard開發(fā)板資源多。采用時鐘頻率為250 MHz，所以要到達(dá)75 ps～4 ns的設(shè)計(jì)要求。Virtex5開發(fā)板的實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　Virtex5開發(fā)板實(shí)物圖

根據(jù)Xilinx官方提供的Virtex5系列的用戶手冊，可以觀察到IODELAY的原語介紹，V5開發(fā)板并沒有IDELAY的原語。其中，IODELAY原語相對于IDELAY原語而言，多了一種配置方式，可以將IODELAY配置成ODELAY的方式進(jìn)行延遲，其余的和IDELAY的無太大差別。在ODELAY的方式下，輸入管腳不再必須由外端輸入，可以由FPGA內(nèi)部的信號產(chǎn)生。在工程量很大的情況下，大大減少了外接輸入管腳的麻煩。IODELAY原語的RTL模型如圖6所示。

圖6　IODELAY原語的RTL模型

在圖6中，IDATAIN為來自IOB的IODELAY數(shù)據(jù)輸入信號，ODATAIN為來自O(shè)SERDES/OLOGIC的IODELAY模式的輸入信號，DATAIN為FPGA內(nèi)部資源的IODELAY數(shù)據(jù)輸入。DATAOUT為經(jīng)過IODELAY延遲后的輸出數(shù)據(jù)。T端口可以控制IODELAY是作為IDELAY模式還是作為ODELAY模式。CE為啟動遞增或遞減功能。INC為Tap延遲的遞增/遞減數(shù)。RST將IODELAY單元復(fù)位到預(yù)設(shè)定值。C為可變模式下使用的時鐘輸入。IODELAY仍選擇固定延遲模式，由ODATAIN進(jìn)行信號的輸入。在ODELAY模式下可以不必例化IDELAYVTRL原語。利用Modelsim進(jìn)行仿真后與圖4完全一樣。其中，應(yīng)注意在ODELAY模式下輸出DATAOUT端口在頂層模塊中應(yīng)作為輸出端口[4]。

3對原語延遲后進(jìn)行優(yōu)化處理

由圖4可以清楚地看出，后一位數(shù)據(jù)相對于前一位數(shù)據(jù)延遲了75 ps。利用后一位與前一位相異或處理，可以得到波形(見圖7)[5-6]。

圖7　進(jìn)過優(yōu)化后的皮秒計(jì)數(shù)

在圖7中可以清楚地看到，時鐘信號被分為了M等份，相當(dāng)于把時鐘信號倍頻了M等份，清楚表現(xiàn)了納秒以下的時鐘操作。

4總結(jié)

本文基于Zedboard和V5開發(fā)板進(jìn)行了納秒以下時間的計(jì)數(shù)，提出了一種基于原語的方式進(jìn)行皮秒計(jì)數(shù)的一種方式，為TDC等許多方面的設(shè)計(jì)提供了一種參考。本文完成了納秒級別以下的計(jì)數(shù)，為很多FPGA無法處理皮秒時鐘提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張澤，劉慧慧，田濤，等. 基于Verilog的FPGA整數(shù)分頻器設(shè)計(jì)[J]. 北京：新技術(shù)新工藝，2015(4)：40-42.

[2] 陸佳華，潘祖龍，彭競宇. 嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)指南[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

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[4] 何賓. Xilinx可編程邏輯器件設(shè)計(jì)技術(shù)詳解[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5] 夏宇聞. Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)交叉[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[6] 宋建. 基于Fpga的精密時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

* 國家自然基金資助項(xiàng)目(11103069)

責(zé)任編輯彭光宇

Picosecond Counting Design Based on FPGA

TANG Haifeng， ZHAO Jianjun， WU Guangmin， WU Yaping， ZHAO En

(Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China)

Abstract：In the actual FPGA design, there are not very good methods for counting under nanosecondtime. The implementation of the clock signal frequency doubling is usually used in official DCM or PLL.Due to the constraints of the hardware resources, the above method could not make the user deal with the clock signal for many times in free.The reason is that the numbers of DCM are limited in the internal device. Put forward a method to design time count based on the IODELA. Use hardware description language of Verilog HDL to count picosecond. Operate under nanosecond time based on IODELAY primitive and IDELAY primitive with Xilinx official Zedboard development board and Virtex5 development board. Propose a method of counting under nanosecond time based on primitive. Through the function simulation and board level validation, it is successful in implementation for 75 ps to 4 ns (main frequency 250 MHZ frequency) of high precision counting function. Implementation of picosecond count is very important for time measurement circuit of fine time (frequency frequency under 4 ns time is that time of the 75 ps to 4 ns), as well as for the FPGA nanosecond level below the clock operation. At present, the unit has been successfully used in the design of time measurement circuit.

Key words:field programmable gate array， primitive， picosecond count， functional simulation， frequency doubling

收稿日期：2015-06-23

通信作者：趙建軍

作者簡介：唐海峰(1988-)，男，碩士研究生，主要從事嵌入式等方面的研究。

中圖分類號：TN 40

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A