在當(dāng)今快節(jié)奏的世界中，技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展，FPGA設(shè)計也不例外。高級工具正在迅速出現(xiàn)，以前所未有的速度加速開發(fā)。傳統(tǒng)上，F(xiàn)PGA設(shè)計包括用硬件描述語言(hdl)編寫代碼，并使用合成工具來映射設(shè)計。雖然這些傳統(tǒng)方法仍然是必不可少的，但像Vitis Model Composer和HDL Coder這樣的工具已經(jīng)大大簡化了開發(fā)過程，特別是對于基于sdr和fpga的系統(tǒng)。BAE系統(tǒng)公司的一位高級官員表示：“一位擁有多年VHDL編程經(jīng)驗的工程師用我們的傳統(tǒng)設(shè)計流程手工編寫了一個功能齊全的SDR波形，耗時645小時。另一位經(jīng)驗有限的工程師使用Simulink和Xilinx System Generator在不到46小時內(nèi)完成了相同的項目。”

“一位擁有多年VHDL編程經(jīng)驗的工程師使用我們的傳統(tǒng)設(shè)計流程手工編寫了一個功能齊全的SDR波形，耗時645小時。另一位經(jīng)驗有限的工程師使用Simulink和Xilinx System Generator在不到46小時內(nèi)完成了相同的項目。”

今天的教程提供了創(chuàng)建自定義IP的分步指南，從算法開發(fā)到為IP生成準(zhǔn)備模型，包括資源和時序分析，最后將其添加到Vivado IP目錄。

介紹

在所有的信號處理應(yīng)用中，檢測噪聲中的信號是至關(guān)重要的，因為噪聲是幾乎所有數(shù)字系統(tǒng)的固有部分。準(zhǔn)確的檢測是確保可靠通信和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。在今天的教程中，我們將開發(fā)一種算法，用于確定頻率未知的信號中是否存在脈沖。在處理噪聲信號時，這種類型的檢測尤其重要，因為將脈沖與背景噪聲區(qū)分開來可能具有挑戰(zhàn)性。我們將通過所需的步驟來創(chuàng)建一個強(qiáng)大的算法，可以有效地識別脈沖的存在，無論信號的頻率，在一個嘈雜的環(huán)境。

環(huán)境設(shè)置

Vitis Model Composer是Vitis套件的一部分，它為基于fpga的加速提供了一個高級設(shè)計環(huán)境。要學(xué)習(xí)本教程，請確保在您的系統(tǒng)上安裝了Vitis套件，并且在您的終端中有正確的源代碼。執(zhí)行如下命令：

一旦獲得了Vitis，您就可以通過在終端中執(zhí)行以下命令來啟動Vitis Model Composer：

這將打開MATLAB與AMD工具箱啟用。在MATLAB中，打開Simulink，您現(xiàn)在就可以開始使用Vitis Model Composer設(shè)計和模擬您的模型。

信號一代

在Simulink中，我們嘗試模擬啁啾脈沖信號進(jìn)行分析。為了實現(xiàn)這一點，我們使用Chirp塊生成調(diào)頻信號，然后將其與脈沖發(fā)生器塊相乘，將其塑造成不同的脈沖。為了使模擬更真實，更接近現(xiàn)實世界的場景，我們在信號中引入了高斯白噪聲。該附加功能模擬了實際系統(tǒng)中不可避免的噪聲，使我們能夠分析在噪聲條件下檢測和處理信號的效果。

包絡(luò)檢波

在信號生成后，為了實現(xiàn)脈沖檢測，我們首先對信號進(jìn)行平方，以去除負(fù)值，然后進(jìn)行FIR抽取，然后進(jìn)行低通濾波器。simulink模塊設(shè)計如圖5所示。

包絡(luò)提取后的信號如圖8所示。

如圖8所示，應(yīng)用包絡(luò)檢測算法后，信號幅度明顯增大，有效地將其與噪聲區(qū)分開來。在噪聲區(qū)域內(nèi)，不存在不必要的過渡，使其更容易從背景中區(qū)分脈沖。這種增強(qiáng)提高了我們準(zhǔn)確確定信號中是否存在脈沖的能力，從而導(dǎo)致更可靠的檢測。

基于信號的這種后處理，選擇一個恒定的閾值來確定脈沖的存在變得更加容易。該模塊輸出‘1’或‘0 ’，表示是否檢測到脈沖。然而，不使用固定的閾值，可以通過使用基于標(biāo)準(zhǔn)差的分析等方法使閾值自適應(yīng)來進(jìn)一步改進(jìn)檢測。該方法允許系統(tǒng)根據(jù)噪聲變化動態(tài)調(diào)整閾值，提高在不同信號條件下的檢測精度。最終的simulink模型如圖9所示。

最終結(jié)果

檢測結(jié)果如下所示

在針對多個測試用例成功驗證算法之后，下一步是使用Vitis Model Composer復(fù)制類似的結(jié)果。要生成IP并執(zhí)行其他相關(guān)功能，首先需要從Simulink庫中插入Vitis Model Composer Hub塊。這可以在下面找到：

Simulink庫瀏覽器→AMD工具箱→實用工具→代碼生成→Vitis模型編寫器中心

Vitis Model Composer Hub作為中心流程顧問，指導(dǎo)從設(shè)計到代碼生成的整個過程，確保與Vitis工具鏈的無縫集成。

板的選擇

對于本教程，我使用Zynq UltraScale+ MPSoC ZCU102板。但是，您可以選擇任何可用的主板，只要它來自AMD(以前的Xilinx)。

要選擇一個板，打開Vitis Model Composer Hub并按照下圖所示的步驟操作。單板選擇過程確保生成的IP和設(shè)計配置與您的特定硬件平臺兼容。

模型創(chuàng)建

對于IP核的生成，AMD給出了一些具體的指導(dǎo)方針。要學(xué)習(xí)本教程，請記住以下幾點。

網(wǎng)關(guān)輸入/輸出塊作為輸入/輸出進(jìn)行測試

這些端口之間的任何內(nèi)容都將被vitis模型編寫器中心自動識別，并可以轉(zhuǎn)換為ip。

為了使vitis模型編寫器中心能夠識別執(zhí)行功能的所需模塊轉(zhuǎn)換為子系統(tǒng)，AMD為IP核生成提供了具體的指導(dǎo)方針-因為，當(dāng)然，設(shè)計硬件還不夠復(fù)雜!要成功地遵循本教程，請記住以下幾點：

網(wǎng)關(guān)In/Out塊被視為輸入和輸出?？梢园阉鼈兛醋魇菙?shù)據(jù)的VIP入口和出口。

這些端口之間的任何內(nèi)容都將被Vitis Model Composer Hub自動檢測，并可以轉(zhuǎn)換為類似ip的魔法，但需要更多的調(diào)試。

為了正確識別，任何執(zhí)行功能的塊都必須轉(zhuǎn)換為子系統(tǒng)。如果您不這樣做，Vitis可能會假裝從未見過它們。

網(wǎng)關(guān)在/

現(xiàn)在是時候在您的模塊設(shè)計中插入兩個Gateway In和Gateway Out模塊了，因為很明顯，Simulink還不能讀取您的思想。

將信號產(chǎn)生分系統(tǒng)的輸出連接到網(wǎng)關(guān)In的輸入端。這確保了你精心制作的信號有一個合適的切入點。

如果您還沒有從信號生成過程中創(chuàng)建一個子系統(tǒng)，那么現(xiàn)在是時候這樣做了——因為手工勞動仍然是自動化世界中的一件事。

類似地，為信封檢測算法創(chuàng)建一個子系統(tǒng)，確保它只由通用的Simulink塊組成。這里沒有捷徑!

根據(jù)下圖所示的設(shè)置修改Gateway In塊參數(shù)——因為默認(rèn)設(shè)置從來都不是我們所需要的，不是嗎?同時，保持Gateway Out塊不變，因為這一次，這個過程中的某些東西不需要額外的調(diào)整。

IP生成的算法復(fù)制

在Gateway In塊的輸出處，連接一個乘法塊來計算樣本的平方—因為很明顯，Vitis Model Composer不相信內(nèi)置的平方函數(shù)。

由于沒有直接的平方運算，下面是解決方法：

將相同的輸入輸入到第一個乘法塊的兩個端口。瞧!你用老辦法平方了這個值。

現(xiàn)在，為了進(jìn)行額外的數(shù)學(xué)練習(xí)，取另一個乘法塊，并將其輸出與前一個乘法塊的結(jié)果相加——因為沒有什么比為一個函數(shù)使用多個塊更“工程”的了。

最后，將第二個輸入連接到一個值為4的常量塊，有效地提高幅度水平。

這些塊的塊參數(shù)如下圖所示

此時，您的圖形模型應(yīng)該如圖16所示。

對于抽取，雖然預(yù)先構(gòu)建的抽取塊在Simulink的通用庫中可用，但它不包括在AMD工具箱中。然而，我們可以使用低通濾波器和下采樣器來實現(xiàn)相同的功能，兩者都可以在AMD工具箱中獲得。

要實現(xiàn)這一點：

在第二個乘法器的輸出端，在下采樣之前添加一個數(shù)字FIR濾波器來平滑信號。

然后使用AMD工具箱中的Downsample塊來降低采樣率。

為了設(shè)計過濾器，我們將使用FDA工具，它提供了一個用戶友好的界面來指定過濾器參數(shù)。

注意：將FDA工具放在設(shè)計的根級別(在更高的級別，而不是在任何子系統(tǒng)中)。它可以在下面找到：

Simulink庫瀏覽器→AMD工具箱→實用程序→工具→FDATool

FDAToolPulse檢測輸出模型作曲家流

雙擊FDA工具塊打開其配置窗口。修改如下圖所示的參數(shù)，以確保結(jié)果的精確復(fù)制。這些設(shè)置將定義適當(dāng)?shù)男盘柼幚硭璧臑V波器特性。

要在模型中使用設(shè)計好的濾波器，請打開我們之前插入的FIR濾波器的塊參數(shù)。在“系數(shù)向量”字段下，輸入如下一行：

這將FIR濾波器連接到FDA工具生成的系數(shù)，確保正確應(yīng)用設(shè)計的濾波器。此塊的確切配置如圖18所示。

應(yīng)用更改后，在繼續(xù)下一步之前，請驗證過濾器是否按預(yù)期運行。類似地，打開Downsample塊的塊參數(shù)，并根據(jù)圖19修改其設(shè)置，以確保正確的功能。這些調(diào)整將配置下采樣過程以匹配設(shè)計要求。

過濾

在抽取步驟之后，添加另一個低通濾波器以進(jìn)一步細(xì)化信號。在過濾器塊參數(shù)的系數(shù)向量字段中，輸入以下一行：

它使用Parks-McClellan算法定義濾波器，指定所需的頻率響應(yīng)。根據(jù)圖20配置其余參數(shù)，以確保正確實現(xiàn)。

最終框圖

最終的Simulink框圖如圖21所示。在濾波器的輸出端，使用一個關(guān)系運算符塊將過濾后的信號與一個常數(shù)閾值2.5進(jìn)行比較。該塊輸出1或0，表示信號是否超過閾值，有效地對脈沖檢測做出判斷。

如圖21所示，已經(jīng)創(chuàng)建了多個子系統(tǒng)來組織設(shè)計。您可以類似地構(gòu)建模型，也可以通過將從Gateway In到Gateway Out的所有內(nèi)容封裝到單個子系統(tǒng)中來簡化模型。

塊設(shè)計現(xiàn)在已經(jīng)完成，我們準(zhǔn)備繼續(xù)進(jìn)行代碼生成。在進(jìn)入下一步之前，請確保所有配置都設(shè)置正確。

最終結(jié)果(模型編輯器流程)

在這一點上模擬設(shè)計，如果兩個輸出正常的simulink流和模型編寫器流是相似的意味著你已經(jīng)成功地復(fù)制了算法。我的結(jié)果完全匹配如下所示。

代碼/ IP代

再次打開Vitis Model Composer Hub。如果正確地遵循了所有步驟，那么您的系統(tǒng)現(xiàn)在應(yīng)該在Code Generation選項卡下列出，并帶有綠色的復(fù)選標(biāo)記，表明它已準(zhǔn)備好進(jìn)行進(jìn)一步處理。

此外，在同一選項卡下，您將看到四個不同的部分：

設(shè)置：包含與時鐘配置和目標(biāo)語言選擇相關(guān)的一般設(shè)置。

分析：用于時間和資源分析，確保設(shè)計滿足硬件約束。

在硬件上驗證：此選項允許您在實際硬件上測試設(shè)計，驗證其實際性能。(我們不討論這個)

導(dǎo)出：允許導(dǎo)出生成的IP，使其可以集成到Vivado或其他工具中。

根據(jù)圖22所示的步驟配置所有這些設(shè)置。

分析

Analysis部分是一個非常有用的實用程序，它允許您在合成和實現(xiàn)之后執(zhí)行計時和資源分析。這有助于做出明智的設(shè)計決策、優(yōu)化資源利用和微調(diào)算法以獲得更好的性能。

要執(zhí)行分析，請遵循下圖所示的步驟。這將提供對時間限制、資源消耗和整體系統(tǒng)效率的洞察，允許您在最終部署之前根據(jù)需要改進(jìn)設(shè)計

在單擊Analyze之后，Vitis Model Composer將花費一些時間來處理設(shè)計，并根據(jù)您的選擇生成時序和資源分析報告。

時序分析報告提供了有關(guān)時鐘頻率、延遲和設(shè)置/保持違規(guī)的詳細(xì)信息，有助于確保您的設(shè)計滿足時序限制。

資源分析報告分解了lut、dsp、bram和ff的使用情況，提供了對硬件利用率和優(yōu)化機(jī)會的見解。

我們設(shè)計的時序和資源分析報告分別如圖24和25所示。檢查這些報告，以確認(rèn)您的設(shè)計滿足所需的性能和資源限制，然后再繼續(xù)。

出口

導(dǎo)出部分是我們?yōu)閂ivado完成和導(dǎo)出IP的地方。為了確保順利集成，請按照圖26所示的方式配置設(shè)置，然后單擊Export。這將花費一些時間，并將出現(xiàn)與圖27類似的消息。

這個過程將生成必要的IP文件，使它們準(zhǔn)備好在Vivado的IP Catalog中使用。導(dǎo)出后，您可以輕松地將自定義IP集成到Vivado設(shè)計流中，以便進(jìn)一步處理和實現(xiàn)。

添加自定義到Vivado

打開Vivado并創(chuàng)建一個新項目。項目設(shè)置完成后，導(dǎo)航到頂部欄，單擊Tools，然后選擇Settings。

按照圖28所示的步驟配置所需的設(shè)置。此步驟確保正確設(shè)置Vivado以識別導(dǎo)出的自定義IP并將其集成到您的項目中。

成功完成所有步驟后，您的自定義IP現(xiàn)在就可以集成到Vivado中了。該IP可以無縫地用于IP集成商和塊設(shè)計，使其成為FPGA開發(fā)工作流程的多功能補(bǔ)充。

將IP添加到您的模塊設(shè)計中：

?在Vivado中打開框圖。

?按CTRL + I調(diào)出IP搜索欄。

?鍵入自定義IP的名稱，選擇它，并將其添加到設(shè)計中。

?瞧!您的IP現(xiàn)在已經(jīng)完全集成，可以進(jìn)行進(jìn)一步的執(zhí)行和測試。

結(jié)論

隨著自定義IP的成功創(chuàng)建和集成，您已經(jīng)完成了FPGA開發(fā)的關(guān)鍵步驟。這種工作流程不僅簡化了IP設(shè)計過程，還提高了未來項目的效率、模塊化和可擴(kuò)展性。通過利用Vitis Model Composer和Vivado，您可以確保從算法開發(fā)到硬件實現(xiàn)的無縫過渡。

隨著您的發(fā)展，進(jìn)一步的優(yōu)化、硬件驗證和性能調(diào)優(yōu)將使您的設(shè)計更適合實際應(yīng)用程序。這標(biāo)志著更先進(jìn)的基于fpga的解決方案的基礎(chǔ)，為高性能，硬件加速系統(tǒng)鋪平了道路。

本文編譯自hackster.io