FPGA为测试测量仪器带来独特性能

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    　电子行业的设计工程师，在很多应用领域包括通信、国防、医疗和教育等等，都在使用FPGA。在调试FPGA电路的时候，他们可能不知道，安捷伦的测量仪器本身也使用了FPGA技术，并且和FPGA供应商在研发领域深入合作，甚至分享一些IP(知识产权)，双方从测量和调试的角度积累了大量的经验。实际的设计往往会综合使用FPGA和ASIC（专用芯片）来达到最佳效果，安捷伦在其示波器、逻辑分析仪、脉冲源、误码仪等产品中，正是采用这样的综合设计。

    　世上没有完美的仪器，其设计总是在某一方面优化、在某些方面作出妥协。以基于Windows平台的示波器为例，哪些功能通过软件实现、哪些功能通过硬件实现，硬件部分是采用专用芯片还是FPGA，这些都是开发者需要考虑的问题。本文给出两个例子，一是中端示波器技术创新集大成产品MSO9000A的设计，另一是MIPID-PHY协议分析设计。

    　MSO9000A是三合一仪器，集示波器、逻辑分析、协议分析于一体，其研发团队在设计前经多个回合讨论，最终达成共识。其中重要的两点是：1.示波器功能是基本核心，逻辑分析仪和协议分析仪是选件，每当有新的协议技术出现，该仪器必须可以升级以支持新的标准；2.协议触发必须实现实时性，保证不漏失信号。
　
  　  要实现协议触发的实时性，是决不可以用Windows甚至Linux软件来实现的，同时又要求产品支持不同的协议种类。因此，MSO9000A设计者在示波器的前端输入电路和触发电路之间加入了一个FPGA芯片，对串行总线提供实时时钟恢复，并检测串行数据包结构，将串行数据包内容馈送到示波器的触发电路，从而使得示波器可基于串行总线协议实现硬件触发，将来新的协议出现时，也可以通过升级来支持。用户设置特定的协议触发条件，MSO9000示波器通过硬件来确定何时进行触发，并执行重复测量或单次测量。

   　图中给出了该设计的照片，该产品采用20层电路板结构，用了27个专用芯片，3个FPGA，集成到一个采集板中，然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸显示屏后面，最终的MSO9000A产品很薄，集外观美观、灵活、多功能特点于一体。

    　图2给出MIPI-DPHY协议分析的N4851A硬件电路照片，该电路的作用是数据中转和转换中心，图中的FPGA是核心部分，N4851A中的FPGA负责捕获和处理MIPID-PHY串行数据，然后再转换成多路低速并行数据传送给逻辑分析仪。该FPGA能捕获和处理的数据速率高达800Mbps，而N4861A中的FPGA则负责将来自逻辑分析仪的并行数据转换成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信号。

    　FPGA在测量仪器，尤其是高性能仪器中的应用，越来越受到重视。要想让测量仪器具有独特之处，模拟电路部分固然重要，但在有些方面FPGA的应用可能会成为决定产品是否能为用户接受的关键。安捷伦已经在一些方面做出示范，由此可以看出FPGA在行业的应用趋势在如下几个方面。1.复杂触发电路的实现：如串行信号协议触发、频域触发等，先锋产品如MSO9000A的协议触发；2.深存储数据的处理：仪器的存储深度越来越深是必然趋势，用FPGA处理可兼顾实时性和可程控性，先锋产品如DSA90000A的深存储专用加速处理芯片；3.复杂运算的处理：均衡和去嵌入等技术在5Gbps及更快的信号测试是必然要考虑的数字处理技术。因其运算量大，必然影响仪器响应速度，适合用FPGA来处理，先锋产品如DSA90000A的N5465A和N5461A。

    　和其他器件一样，能否用好FPGA，往往取决于使用者对所用的FPGA芯片有多深入的了解。“我虽然对FPGA本身和我自身专业很熟悉，但公司多年和FPGA供应商研发部门合作，分享一些内部IP，极大地提高了我的开发效率。”负责MSO9000A的FPGA部分的开发工程师MikeBeyers说，“我在调试过程中使用的ATC是我们使用FPGA的团队自己开发，经多年和FPGA供应商一起反复优化的，该ATC和整个FPGA调试方案，我们也对其他使用FPGA的公司开放。”

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