Chirp函数的Nios Ⅱ嵌入式实现

摘 要：首先分析Chirp函数在频域上的一般特性，提出利用FPGA的嵌入式软核NiosⅡ处理器在嵌入式操作系统μC／OS－Ⅱ上实现Chirp的方法，即通过NiosⅡ处理器根据Chirp函数在频域上频率的跳变情况实时改变输出DDS(直接数字合成序列)模块的频率步进控制字的办法，控制DDS模块的频率输出，实现Chirp函数所要达到的扫频输出性的目的。通过在NiosⅡIDE编程环境中的Console窗口观察，该设计能很好地实现Chirp函数功能。
关键词：μC／OS－Ⅱ;SoPC；DDS；FPGA；Chirp函数
   
0 引 言
     SoC(System on(2hip)是20世纪90年代提出的概念，它是将多个功能模块集成在一块硅片上，提高芯片的集成度并减少外设芯片的数量和相互之间在PCB上的连接，同时系统性能和功能都有很大的提高。随着FPGA芯片工艺的不断发展，设计人员在FPGA中嵌入软核处理器成为可能，Altera和Xilinx公司相继推出了SoPC(System on a Programmable Chip)的解决方案，它是指在FPGA内部嵌入包括(；PtJ在内得各种IP组成一个完整系统，在单片FPGA中实现一个完整地系统功能。与SoC相比，SoPC具有更高的灵活性，FPGA的可编程特性使之可以根据需要任意定制SoC系统；与ASIC相比，SoPC具有设计周期短，设计成本低的优势，同时开发难度也大大降低。由于电磁波在传输过程中，经过色散介质如不均匀的波导，高空电离层时会发生色散现象，Chirp函数在射电天文信号的消色散处理中发挥着重要的作用，研究在FPGA中实现Chirp函数是基于FPGA的射电宇宙信号处理的重要组成部分。
   
l 系统总体设计
     图1为基于FPGA的射电宇宙信号处理框图。
   
       该设计是基于SoPC技术设计的Chirp函数信号发生器，该系统把微处理器模块和DDS模块集成到单片FPGA芯片内部，通过在嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ编写的程序，实时控制微处理器对DDS的控制字输出，DDS模块根据频率控制字的不同，输出不同的数字化正弦波。使之符合Chirp函数的时变频率特征。Chirp函数根据输出频率的递变规律一般分为两种：线性Chirp函数和非线性Chirp函数，以下是两种Chirp函数在频域上的表现图如图2，图3所示。
   
       从图2，图3可以看出Chirp函数的频率输出与时间的f-t关系可以总结为：
     (1)对于线性Chirp函数
     在连续域时间域内有关系式：
   
式中：k为常数；f0为初始输出频率；t为连续时间。
     在离散时间域有关系式：
      
     式中：k为常数；f0为初始输出频率；n为采样点。
     (2)对于非线性Chirp函数
     在连续域时间域内有关系式：
     
     式中：f为非线性函数；f0为初始输出频率；t为连续时间。
     在离散时间域有关系式：
      
     式中：f为非线性函数；f0为初始输出频率；n为采样点。
     因此该Chirp信号源的功能是：在NiosⅡ中建立的微控制器；使用嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ建立对DDS频率控制字输出实时改变的任务；根据线性和非线性Chirp函数的特点控制字的输出根据需要线性或者非线性输出，并且在此设计中将该任务的优先级设置为最高。利用VHDL语言编写DDS模块，首先根据Matlab计算出需要的正弦数据，然后将这些数据存储于ROM中供DDS模块调用，并且通过微控制器中的Jtag_uart传输模块在编程监视窗口实时观测当前输入频率的大小，具体结构如图4所示。
   
   2 DDS模块的设计
     数字式频率合成器(DDS)模块的工作原理是：将O～2π的正弦函数值分为N份，将各点的幅度值存入ROM中，再用一个相位累加器每次累加相位值ωT，得到当前的相位值，通过查找ROM得到当前的幅度值。其系统框如图5所示。
   
       DDS的几个主要参数是：系统时钟频率，频率控制字长，频率分辨率，ROM单元数，ROM字长。该设计的DDS是32位的，时钟频率为50 MHz，频率控制字长为32位，ROM单元数为2的11次方，ROM字长为16位。而且有如下关系：
     频率分辨率=系统时钟频率／232；
     频率控制字(FTW)=f×232／T；
     其中：f为要合成的频率；T为系统时钟。
     DDS的工作过程为：每次时钟的上升沿到来时，相位累加器(32位)中的值累加上频率寄存器(32位)中的值，再利用累加器的高11位作为地址进行ROM查表，输出相应的幅值数字信号。
     如果是扫频工作，只需要根据一定的规律实时修改频率控制字，就可以达到扫频输出的目的。但是该系统的性能受到以下两个方面的制约：ROM单元数和ROM数值的有限字长。由于ROM大小的限制，ROM的单元地址位数一般都远小于相位累加器的位数，这样只能取相位累加器的高位作为ROM的地址进行查询，这就相当于引入了一个相位误差。而且ROM的有限字长，不能精确表示幅度值，相当于引入了一个量化误差。因此应根据系统的性能要求选择合理的ROM。为了解决ROM的受限问题，该设计采用ROM压缩技术。因为正弦函数存在对称和反转特性，即：
      
     对于O～2兀的幅度值，可以只存储O～π／2的部分。这样原本需要的2的11次方个单元的ROM现在只需要2的9次方个单元的ROM就可以实现。在MatIab中产生16位512点的O～π／2正弦波数据的命令如下：
      
     将Y数据依次存入Altera公司提供的Megawiz-ard宏单元实现的ROM中即可。
   
3 嵌入式微处理器的实现
     嵌入式微处理器的设计包括3个部分：利用SoPCBuilder定制的软核CPU，在QuartusⅡ环境下设计的电路和NiosⅡ编程。
     本设计的软核CPU采用NiosⅡ／S标准型内核，带有16 KB的Cache；集成了外部的FLASH和SDRAM控制器用于保存程序数据；Jtag_Hart电脑开发板传输接口用于建立良好的用户交互接口使用户能在console界面上观察程序运行情况；两个位宽分别为8位和3位的输出口作为输出DDS模块的控制字；定时器用于产生CPU系统时钟；LCD控制接口用于在LCD显示一些需要的信息。
     NiosⅡ的编程主要是基于嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ，μC／OS-Ⅱ是一个完整的、可移植、固化和剪裁的占先式实时多任务核(Kernel)。从1992年发布至今，μC／OS-Ⅱ已经有了上百个的商业应用案例，在40多种处理器上成功移植。其中Altera提供了对μCO/OS-Ⅱ的完整支持，非常容易使用。
     μC／OS-Ⅱ提供以下系统服务：任务管理(TaskManagement)；事件标志(Event Flag)；消息传递(Message Passing)；内存管理(Memory Management)；信号量(Semaphores)；时间管理(Time Management)。在应用程序中，用户可以方便地使用这些系统调用实现目标功能。
     在该设计中建立一个主函数和两个任务函数，主函数的功能：调用系统任务初始化函数OSTaskCreateExt()初始化两个任务函数：调用系统开始函数OSStart()启动系统开始工作。
     任务1：实时的改变DDS控制字的输出，并且保持一段时间，在遍历完所有的需要频率以后，延迟调用系统延迟函数OSTimeDlyHMSM()，延迟63 s将该使用权交付给任务2。
     任务2：为了保证该系统以后能有功能扩展，建立一个任务，其仅仅是通过函Jtag_uart接口使用函数printf()，向电脑发送一个任务2已经开始工作的提示信息，如果以后需要扩展功能则只需修改任务2即可。程序的具体流程图如图6所示。
   
       在任务1中实时改变变量i的值步进为1，通过定义的Chirp函数关于时间和输出频率控制字之间的关系函数function()，计算得到此时的频率控制字f，并且将f的值通过API函数IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()从I／O端口输出以控制DDS，然后延迟2 s使DDS保持该输出频率一段时间，并且通过Jtag_uart端口在Console调试界面向用户提示当前的信号源的输出频率，程序如下：
   
     图7为QuartusⅡ中生成的嵌入式软核示意图。
   
   4 结 语
     该设计在21controll公司提供的V4．O FPGA／SoPC开发学习套件上面通过仿真验证，该套件的核心芯片为CycloneⅡ系列：EP2C20F484C8，其具有18 752个逻辑单元(LE)和52个M4K RAM块，能够很好地设计存储需要的数据，完全符合设计要求。通过调试程序在NiosⅡIDE编程环境中的Console窗口观察如图8所示。证明该程序能够很好的完成Chirp函数的功能。