摘 要：首先分析Chirp函數(shù)在頻域上的一般特性，提出利用FPGA的嵌入式軟核NiosⅡ處理器在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS－Ⅱ上實(shí)現(xiàn)Chirp的方法，即通過NiosⅡ處理器根據(jù)Chirp函數(shù)在頻域上頻率的跳變情況實(shí)時(shí)改變輸出DDS(直接數(shù)字合成序列)模塊的頻率步進(jìn)控制字的辦法，控制DDS模塊的頻率輸出，實(shí)現(xiàn)Chirp函數(shù)所要達(dá)到的掃頻輸出性的目的。通過在NiosⅡIDE編程環(huán)境中的Console窗口觀察，該設(shè)計(jì)能很好地實(shí)現(xiàn)Chirp函數(shù)功能。
關(guān)鍵詞：μC／OS－Ⅱ;SoPC；DDS；FPGA；Chirp函數(shù)

0 引 言
    SoC(System on(2hip)是20世紀(jì)90年代提出的概念，它是將多個(gè)功能模塊集成在一塊硅片上，提高芯片的集成度并減少外設(shè)芯片的數(shù)量和相互之間在PCB上的連接，同時(shí)系統(tǒng)性能和功能都有很大的提高。隨著FPGA芯片工藝的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員在FPGA中嵌入軟核處理器成為可能，Altera和Xilinx公司相繼推出了SoPC(System on a Programmable Chip)的解決方案，它是指在FPGA內(nèi)部嵌入包括(；PtJ在內(nèi)得各種IP組成一個(gè)完整系統(tǒng)，在單片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整地系統(tǒng)功能。與SoC相比，SoPC具有更高的靈活性，F(xiàn)PGA的可編程特性使之可以根據(jù)需要任意定制SoC系統(tǒng)；與ASIC相比，SoPC具有設(shè)計(jì)周期短，設(shè)計(jì)成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)開發(fā)難度也大大降低。由于電磁波在傳輸過程中，經(jīng)過色散介質(zhì)如不均勻的波導(dǎo)，高空電離層時(shí)會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象，Chirp函數(shù)在射電天文信號(hào)的消色散處理中發(fā)揮著重要的作用，研究在FPGA中實(shí)現(xiàn)Chirp函數(shù)是基于FPGA的射電宇宙信號(hào)處理的重要組成部分。

l 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    圖1為基于FPGA的射電宇宙信號(hào)處理框圖。

    該設(shè)計(jì)是基于SoPC技術(shù)設(shè)計(jì)的Chirp函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，該系統(tǒng)把微處理器模塊和DDS模塊集成到單片F(xiàn)PGA芯片內(nèi)部，通過在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ編寫的程序，實(shí)時(shí)控制微處理器對(duì)DDS的控制字輸出，DDS模塊根據(jù)頻率控制字的不同，輸出不同的數(shù)字化正弦波。使之符合Chirp函數(shù)的時(shí)變頻率特征。Chirp函數(shù)根據(jù)輸出頻率的遞變規(guī)律一般分為兩種：線性Chirp函數(shù)和非線性Chirp函數(shù)，以下是兩種Chirp函數(shù)在頻域上的表現(xiàn)圖如圖2，圖3所示。

    從圖2，圖3可以看出Chirp函數(shù)的頻率輸出與時(shí)間的f-t關(guān)系可以總結(jié)為：
    (1)對(duì)于線性Chirp函數(shù)
    在連續(xù)域時(shí)間域內(nèi)有關(guān)系式：

式中：k為常數(shù)；f0為初始輸出頻率；t為連續(xù)時(shí)間。
    在離散時(shí)間域有關(guān)系式：

   
    式中：k為常數(shù)；f0為初始輸出頻率；n為采樣點(diǎn)。
    (2)對(duì)于非線性Chirp函數(shù)
    在連續(xù)域時(shí)間域內(nèi)有關(guān)系式：
   
    式中：f為非線性函數(shù)；f0為初始輸出頻率；t為連續(xù)時(shí)間。
    在離散時(shí)間域有關(guān)系式： 

   
    式中：f為非線性函數(shù)；f0為初始輸出頻率；n為采樣點(diǎn)。
    因此該Chirp信號(hào)源的功能是：在NiosⅡ中建立的微控制器；使用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ建立對(duì)DDS頻率控制字輸出實(shí)時(shí)改變的任務(wù)；根據(jù)線性和非線性Chirp函數(shù)的特點(diǎn)控制字的輸出根據(jù)需要線性或者非線性輸出，并且在此設(shè)計(jì)中將該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高。利用VHDL語(yǔ)言編寫DDS模塊，首先根據(jù)Matlab計(jì)算出需要的正弦數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ROM中供DDS模塊調(diào)用，并且通過微控制器中的Jtag_uart傳輸模塊在編程監(jiān)視窗口實(shí)時(shí)觀測(cè)當(dāng)前輸入頻率的大小，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 DDS模塊的設(shè)計(jì)
    數(shù)字式頻率合成器(DDS)模塊的工作原理是：將O～2π的正弦函數(shù)值分為N份，將各點(diǎn)的幅度值存入ROM中，再用一個(gè)相位累加器每次累加相位值ωT，得到當(dāng)前的相位值，通過查找ROM得到當(dāng)前的幅度值。其系統(tǒng)框如圖5所示。

    DDS的幾個(gè)主要參數(shù)是：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，頻率控制字長(zhǎng)，頻率分辨率，ROM單元數(shù)，ROM字長(zhǎng)。該設(shè)計(jì)的DDS是32位的，時(shí)鐘頻率為50 MHz，頻率控制字長(zhǎng)為32位，ROM單元數(shù)為2的11次方，ROM字長(zhǎng)為16位。而且有如下關(guān)系：
    頻率分辨率=系統(tǒng)時(shí)鐘頻率／232；
    頻率控制字(FTW)=f×232／T；
    其中：f為要合成的頻率；T為系統(tǒng)時(shí)鐘。
    DDS的工作過程為：每次時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)，相位累加器(32位)中的值累加上頻率寄存器(32位)中的值，再利用累加器的高11位作為地址進(jìn)行ROM查表，輸出相應(yīng)的幅值數(shù)字信號(hào)。
    如果是掃頻工作，只需要根據(jù)一定的規(guī)律實(shí)時(shí)修改頻率控制字，就可以達(dá)到掃頻輸出的目的。但是該系統(tǒng)的性能受到以下兩個(gè)方面的制約：ROM單元數(shù)和ROM數(shù)值的有限字長(zhǎng)。由于ROM大小的限制，ROM的單元地址位數(shù)一般都遠(yuǎn)小于相位累加器的位數(shù)，這樣只能取相位累加器的高位作為ROM的地址進(jìn)行查詢，這就相當(dāng)于引入了一個(gè)相位誤差。而且ROM的有限字長(zhǎng)，不能精確表示幅度值，相當(dāng)于引入了一個(gè)量化誤差。因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求選擇合理的ROM。為了解決ROM的受限問題，該設(shè)計(jì)采用ROM壓縮技術(shù)。因?yàn)檎液瘮?shù)存在對(duì)稱和反轉(zhuǎn)特性，即：

   
    對(duì)于O～2兀的幅度值，可以只存儲(chǔ)O～π／2的部分。這樣原本需要的2的11次方個(gè)單元的ROM現(xiàn)在只需要2的9次方個(gè)單元的ROM就可以實(shí)現(xiàn)。在MatIab中產(chǎn)生16位512點(diǎn)的O～π／2正弦波數(shù)據(jù)的命令如下：

   
    將Y數(shù)據(jù)依次存入Altera公司提供的Megawiz-ard宏單元實(shí)現(xiàn)的ROM中即可。

3 嵌入式微處理器的實(shí)現(xiàn)
    嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：利用SoPCBuilder定制的軟核CPU，在QuartusⅡ環(huán)境下設(shè)計(jì)的電路和NiosⅡ編程。
    本設(shè)計(jì)的軟核CPU采用NiosⅡ／S標(biāo)準(zhǔn)型內(nèi)核，帶有16 KB的Cache；集成了外部的FLASH和SDRAM控制器用于保存程序數(shù)據(jù)；Jtag_Hart電腦開發(fā)板傳輸接口用于建立良好的用戶交互接口使用戶能在console界面上觀察程序運(yùn)行情況；兩個(gè)位寬分別為8位和3位的輸出口作為輸出DDS模塊的控制字；定時(shí)器用于產(chǎn)生CPU系統(tǒng)時(shí)鐘；LCD控制接口用于在LCD顯示一些需要的信息。
    NiosⅡ的編程主要是基于嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，μC／OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、固化和剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)核(Kernel)。從1992年發(fā)布至今，μC／OS-Ⅱ已經(jīng)有了上百個(gè)的商業(yè)應(yīng)用案例，在40多種處理器上成功移植。其中Altera提供了對(duì)μCO/OS-Ⅱ的完整支持，非常容易使用。
    μC／OS-Ⅱ提供以下系統(tǒng)服務(wù)：任務(wù)管理(TaskManagement)；事件標(biāo)志(Event Flag)；消息傳遞(Message Passing)；內(nèi)存管理(Memory Management)；信號(hào)量(Semaphores)；時(shí)間管理(Time Management)。在應(yīng)用程序中，用戶可以方便地使用這些系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。
    在該設(shè)計(jì)中建立一個(gè)主函數(shù)和兩個(gè)任務(wù)函數(shù)，主函數(shù)的功能：調(diào)用系統(tǒng)任務(wù)初始化函數(shù)OSTaskCreateExt()初始化兩個(gè)任務(wù)函數(shù)：調(diào)用系統(tǒng)開始函數(shù)OSStart()啟動(dòng)系統(tǒng)開始工作。
    任務(wù)1：實(shí)時(shí)的改變DDS控制字的輸出，并且保持一段時(shí)間，在遍歷完所有的需要頻率以后，延遲調(diào)用系統(tǒng)延遲函數(shù)OSTimeDlyHMSM()，延遲63 s將該使用權(quán)交付給任務(wù)2。
    任務(wù)2：為了保證該系統(tǒng)以后能有功能擴(kuò)展，建立一個(gè)任務(wù)，其僅僅是通過函Jtag_uart接口使用函數(shù)printf()，向電腦發(fā)送一個(gè)任務(wù)2已經(jīng)開始工作的提示信息，如果以后需要擴(kuò)展功能則只需修改任務(wù)2即可。程序的具體流程圖如圖6所示。

    在任務(wù)1中實(shí)時(shí)改變變量i的值步進(jìn)為1，通過定義的Chirp函數(shù)關(guān)于時(shí)間和輸出頻率控制字之間的關(guān)系函數(shù)function()，計(jì)算得到此時(shí)的頻率控制字f，并且將f的值通過API函數(shù)IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA()從I／O端口輸出以控制DDS，然后延遲2 s使DDS保持該輸出頻率一段時(shí)間，并且通過Jtag_uart端口在Console調(diào)試界面向用戶提示當(dāng)前的信號(hào)源的輸出頻率，程序如下：

    圖7為QuartusⅡ中生成的嵌入式軟核示意圖。

4 結(jié) 語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)在21controll公司提供的V4．O FPGA／SoPC開發(fā)學(xué)習(xí)套件上面通過仿真驗(yàn)證，該套件的核心芯片為CycloneⅡ系列：EP2C20F484C8，其具有18 752個(gè)邏輯單元(LE)和52個(gè)M4K RAM塊，能夠很好地設(shè)計(jì)存儲(chǔ)需要的數(shù)據(jù)，完全符合設(shè)計(jì)要求。通過調(diào)試程序在NiosⅡIDE編程環(huán)境中的Console窗口觀察如圖8所示。證明該程序能夠很好的完成Chirp函數(shù)的功能。