利用MATLAB增強MAX+PLUSII的仿真功能

1、利用MATLAB增強MAX+PLUS II的仿真功能         摘 要： 介紹了一種利用工具軟件MATLAB強大的數(shù)學(xué)功能來增強ALTERA公司的可編程邏輯器件設(shè)計軟件MAX+PLUSII的仿真功能、提高設(shè)計品質(zhì)的方法，有較強的針對性。        隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，電子工程師在設(shè)計中越來越多地采用FPGA來實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字功能，不僅僅是簡單的時序邏輯，更多的是諸如數(shù)字濾波器、信號處理算法的實現(xiàn)等。這樣我們就必須要對FPGA

2、設(shè)計進(jìn)行全面的性能分析，而不僅僅是時序的驗證，這就對FPGA設(shè)計軟件的仿真功能提出了更高的要求。而現(xiàn)有的一些流行的FPGA設(shè)計工具并不能滿足這一要求。    MAX+PLUS II是ALTERA公司為自己的系列EPLD、FPGA提供的功能強大的設(shè)計及仿真軟件。在該軟件中，提供了從多種方法輸入、編譯一直到仿真的一系列配套功能，對于那些不是很復(fù)雜的時序邏輯設(shè)計來說，可以在一個軟件內(nèi)方便地完成所有的設(shè)計及仿真工作。而對于那些復(fù)雜的設(shè)計則顯得力不從心了。    舉一個例子：對一個基于FPGA設(shè)計的雷達(dá)信號處理機，我們關(guān)心其在給定發(fā)現(xiàn)概率和虛警

3、率的前提下的最小可檢測信噪比，或者在某一給定信噪比條件下其Pd、Pf是否能滿足要求。雖然在設(shè)計之前肯定已經(jīng)做了諸如可行性分析、性能分析等一系列的工作，但是由于數(shù)字實現(xiàn)必須考慮的一些問題，如字長效應(yīng)、算法簡化等，有可能使具體實現(xiàn)的性能比之理論分析有所下降，這個下降到底有多大？另外，采用的信號處理算法還有哪些沒有發(fā)現(xiàn)的缺陷？對設(shè)計者來說，能夠完全在軟件環(huán)境中通過仿真來解決這些問題遠(yuǎn)比在不成熟的硬件環(huán)境中反復(fù)地調(diào)試、修改來的有效率，且有更大的彈性，更容易進(jìn)行。    然而，當(dāng)我們想通過MAX+POUSII軟件自帶的仿真工具對復(fù)雜設(shè)計的性能作一個評估時，就會碰到許多困難。

4、一般來說簡單仿真的步驟如圖所示。其中，手工設(shè)置仿真輸入節(jié)點值只適用于輸入信號比較簡單的情況，而對于復(fù)雜的輸入信號就無能為力了。如上述雷達(dá)信號處理機的輸入信號，應(yīng)該是許多個周期的雷達(dá)同步信號、雷達(dá)回波信號加上取決于接收信道的帶限噪聲構(gòu)成的（后兩者應(yīng)有給定的信噪比關(guān)系）。這類輸入信號不僅必須經(jīng)嚴(yán)格計算得到，而且數(shù)量巨大，很難由手工輸入。    另外，一般我們對仿真結(jié)果的分析也僅限于直接觀察，只能對相對較簡單的結(jié)果作出判斷。而雷達(dá)信號處理機則必須做蒙特卡洛實驗（海量實驗）來統(tǒng)計其性能（如統(tǒng)計給定信噪比下的Pd、Pf），或?qū)μ幚斫Y(jié)果進(jìn)行各種分析（如時頻分析）來判斷處理器是

5、否最佳等。這樣，對仿真結(jié)果的分析也不能簡單地判斷，必須經(jīng)專門的數(shù)學(xué)計算才能給出結(jié)論。   由此看來，MAX+PLUS II的仿真功能已經(jīng)不能滿足對復(fù)雜設(shè)計進(jìn)行仿真的要求，我們必須另找方法。當(dāng)然，如果有像這樣的軟件的話，就不存在上述問題了。但對于大多數(shù)設(shè)計者來說，他們一般很難有機會接觸到這些工作站上的大型軟件，更普及的是像MAX+PLUS II、MATLAB這樣的通用工具軟件。    我們知道，MATLAB是MathWorks公司推出的一種面向科學(xué)與工程計算的高級（語言）軟件，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體

6、，具有極高的編程效率。它可以極方便地產(chǎn)生各種信號，進(jìn)行各種變換、統(tǒng)計，另外它的繪圖功能也極為強大。它的這些特點正好可以彌補MAX+PLUS II在仿真功能上的缺陷。因此，本人在這里介紹一種利用MATLAB來產(chǎn)生復(fù)雜的仿真輸入信號，并對仿真輸出信號進(jìn)行分析的方法。     聯(lián)合仿真方法介紹     聯(lián)合仿真流程    我們先介紹MATLAB與MAX+PLUS II聯(lián)合仿真的流程，以使大家心中有一個概念。然后再分別介紹各部分的實現(xiàn)。聯(lián)合仿真流程為：   （）先

7、在MATLAB中產(chǎn)生原始信號，并轉(zhuǎn)換為2/16進(jìn)制序列；   （）利用自己編寫的MATLAB函數(shù)按一定格式生成向量文件（*.vec，純文本文件）；   （）在MAX+PLUS II中，打開你要仿真的FPGA源文件，設(shè)置為“當(dāng)前工程”并作編譯；   （）打開simulator，選“File/Inputs/Outputs”，輸入在MATLAB中生成的向量文件名，按：“確定”按鈕生成*.scf文件；   （）進(jìn)行仿真；   （）選菜單“File/Create T

8、able Files”，生成相應(yīng)的*.tbl文件（純文本文件）；   （）回到MATLAB下，運行自己編寫的函數(shù)，自動從Table文件提取需要的輸出數(shù)據(jù)、進(jìn)制轉(zhuǎn)換（變?yōu)槭M(jìn)制），生成仿真結(jié)果序列；   （）對結(jié)果序列進(jìn)行進(jìn)一步分析、處理。    .2 仿真輸入文件    在MAX+PLUS II的仿真輸入文件中有一種文本形式的向量文件（Vector File），其后綴名為“*.vec。這種文件是用一定格式的文本來描述仿真信號的。我們可以很方便地使用任何純文

9、本編輯器來書寫文件，定義仿真時間長度，以相對絕對時間單位來定義周期重復(fù)的輸入信號（如時鐘）和其它復(fù)雜輸入信號。下面給出一個該文件的簡單例子：    時間單位缺省為以    START 0； 定義仿真開始、結(jié)束時間    STOP 1000；    iNTERVAL 100； 定義時間步長：100ns    INPUTS CLOCK；    PATTERN   

10、; 01； 相對向量值定義：CLOCK     每100ns翻轉(zhuǎn)一次    INPUTS DATAINX DATAINY；    PATTERN 定義兩個輸入信號    %DATAINX和DATAINY%    0>00    220 10    320 11%絕對時間描述    5

11、70 01%大于號前為絕對時間值    720 11%大于號后為兩個輸入值    ；    INPUTS CLEAR；    PATTERN    01%產(chǎn)生寬度100ns的清零信號    1000%100ns后CLEAR信號保持高電平    在這個例子中，定義了一個周期為200ns的時鐘信號、一個100ns以前起作用的清零信號（高電平有效）以及兩個輸入信號DATAI

12、NX、DATAINY。在實際使用時，我們可以用同樣的方法方便地產(chǎn)生時鐘、復(fù)位等常用信號。而對于復(fù)雜的輸入信號，可以先用MATLAB來產(chǎn)生，然后以相對時間的方式寫入向量文件。    在產(chǎn)生復(fù)雜輸入信號之前，必須注意以下幾點：    第一，MATLAB產(chǎn)生的是浮點或整數(shù)信號，而數(shù)字模塊的輸入為N位二進(jìn)制數(shù)，這之間有一個進(jìn)制轉(zhuǎn)換的問題。因此，我們先要根據(jù)要采用的A/D位數(shù)對原始信號進(jìn)行量化。    第二，在MAX+PLUS II的仿真器中，數(shù)據(jù)可以采用2/8/10/16進(jìn)制顯示格式，但其十進(jìn)制顯示用的

13、是無符號數(shù)的方式，在表示那些補碼形式的2/8/16進(jìn)制數(shù)時會發(fā)生錯誤，因此必須把輸入信號轉(zhuǎn)換為2/16進(jìn)制數(shù)。    第三，進(jìn)制轉(zhuǎn)換程序必須自己編制。因為MATLAB是用字符串來表示2/8/16進(jìn)制數(shù)的，雖然有一些進(jìn)制變換的函數(shù)（如HEX2DEC、DEC2HEX等），但尚不能滿足需要，必須在此基礎(chǔ)上自己編制新的函數(shù)。    .3 仿真輸出文件    向量文件產(chǎn)生后，就可以進(jìn)行仿真了，仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換成Table文件輸出。Table 文件示例如下。   INPUTS cl

14、k reset din;   OUTPUTS y   UNIT ns 定義時間單位   RADIX HEX； 定義顯示進(jìn)制   PATIERN   r    e    csd    lei     ktny    0.0X 0 0000=0000   40.0X 1 0000=0000  

15、 50.00 1 0000=0000      1475.01 1 0000=0000   1500.0X X XXXX=XXXX    Table文件的構(gòu)成與向量文件大致相同。它的開始部分是注釋（同樣是以標(biāo)注的文字），接著是對輸入輸出信號、時間單位、顯示采用進(jìn)制的定義，第三部分就是對輸入輸出信號在仿真后的列表。其中，“”號以前的是時間值，“”號后面則是我們關(guān)心的仿真輸出結(jié)果了。根據(jù)Table文件的這些特點，我們可以編制MATLAB函數(shù)將關(guān)心的東西（如時間值、某輸出結(jié)果）提取

16、出來形成數(shù)據(jù)序列，以便后續(xù)處理。在這里要注意一個問題，就是Table文件中會對每一個信號的變化時刻都進(jìn)行記錄，我們用圖的一個簡單的D觸發(fā)器的部分仿真時序來作說明，圖中示出了觸發(fā)器的輸入信號D、時鐘，以及其輸出信號Q，在這一段仿真中，Table文件會記錄從T1T9的9個信號變化的時刻，這使得輸出信號的每一個值被記錄了多次。如果我們對此不加甄別就照單全收的話，就會對此后的分析工作帶來麻煩。因此，對于同步數(shù)字系統(tǒng)，我們只應(yīng)提取那些我們關(guān)心的時鐘上沿下沿時刻的輸出值。    應(yīng)用實例    本人在自己的設(shè)計工作中使用了以上介紹的這種方法。我設(shè)計的是一個單脈沖雷達(dá)回波信號處理機，基本原理是信號的能量積累后檢測，其中采用了較復(fù)雜的信號處理算法，在原理驗證階段采用的是固定門限檢測。在用MAX+PLUS II設(shè)計完該信號處理機后，現(xiàn)實的問題就是要在給定Pd、Pf的條件下，根據(jù)具體的算法確定檢測門限。我們先在接收機上對接收機噪聲用示波器進(jìn)行了測量并存儲了大量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果讀入MATLAB，形成一維數(shù)組。然后按以上介紹的方法對噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行兩種處理：一是產(chǎn)生模擬回波信號（或采用真實回波信號采樣序列）、信號噪聲按一定信噪比混合、加上同步脈沖后形成多個周期的“