FPGA原理及其在石油勘探儀器中的應(yīng)用

雷小青 蔣立冬 潘中印

(1.貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州貴陽) (2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

FPGA原理及其在石油勘探儀器中的應(yīng)用

雷小青1蔣立冬2潘中印2

(1.貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州貴陽) (2.東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西西安)

隨著可編程邏輯器件的發(fā)展,FPGA的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛,且用可編程邏輯器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通集成電路已成為一種發(fā)展的趨勢?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA以其高集成度、高速度、開發(fā)周期短、穩(wěn)定性好而受到了人們的青睞,并得到了廣泛的應(yīng)用。文章介紹了FPGA的原理及實現(xiàn)技術(shù),并闡述了其在石油勘探儀器中的具體應(yīng)用。

FPGA;邏輯電路;408UL

0 引 言

FPGA(Field Programmable Gate Array)是在早期的可編程邏輯器件PAL、GAL等基礎(chǔ)上發(fā)展起來。它采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念,內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。與早期的可編程器件相比FPGA具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)FPGA器件的集成度高、功能強(qiáng)。目前單片F(xiàn)PGA的邏輯門數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十萬門,完全可以滿足芯片內(nèi)集成系統(tǒng)的要求;

(2)FPGA器件可靠性高、保密性好、重量輕、體積小、功耗低、速度快;

(3)FPGA器件具有可編程性和實現(xiàn)方案容易改動性,使得電路設(shè)計周期短,占領(lǐng)市場速度快;

(4)FPGA器件所設(shè)計的電子系統(tǒng),研制和開發(fā)成本相對較低。FPGA芯片在出廠前都做過測試,不需要設(shè)計人員承擔(dān)風(fēng)險和費(fèi)用。

正因為FPGA具有如此多的優(yōu)點(diǎn),使得它在各種電子設(shè)備中使用非常廣泛。目前的第五代數(shù)字石油勘探儀器中也普遍采用這一技術(shù),本文將以法國Sercel公司的408UL地震勘探儀器為例,介紹FPGA的組成結(jié)構(gòu)及技術(shù)的應(yīng)用,分析其工作機(jī)理,總結(jié)其設(shè)計思想和實現(xiàn)技巧[1]。

1 FPGA的組成和工作原理[2]

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,許多公司都開發(fā)出了多種類型的FPGA,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。但是在眾多的產(chǎn)品中,XILINX公司的系列產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上最具代表性。

XILINX公司的Spartan-II的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Xilinx Spartan-II芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Spartan-II主要包括CLBs,I/O塊,RAM塊和可編程連線(未表示出)。在Spartan-II中,一個CLB包括2個Slices,每個Slices包括2個LUT及2個觸發(fā)器和相關(guān)邏輯。Slices可以看成是SpartanII實現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu),如圖2所示。CLB(可編程邏輯模塊)是實現(xiàn)用戶所需邏輯的功能單元,以矩陣形式安排在器件的中心。

Spartan-II是基于查找表(LUT)結(jié)構(gòu)的。采用這種結(jié)構(gòu)的PLD芯片我們也可以稱之為FPGA:如Altera的ACEX,APEX系列,Xilinx的Spartan,Virtex系列等。查找表(Look-Up-Table)簡稱為LUT,LUT本質(zhì)上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的16x1的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言描述了一個邏輯電路以后,PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結(jié)果,并把結(jié)果事先寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個地址進(jìn)行查表,找出地址對應(yīng)的內(nèi)容,然后輸出即可。

圖2 CLB結(jié)構(gòu)圖

另外FPGA中還包括IOB(可編程輸入/輸出塊)和PI(可編程內(nèi)部連線)。IOB就是FPGA內(nèi)部邏輯塊與器件外部引腳之間的接口。PI是各個IO、CLB的連接通道,在編程數(shù)據(jù)控制下,它為FPGA芯片內(nèi)的CLB之間、CLB和IOB之間提供連接。

FPGA的工作狀態(tài)完全由編程數(shù)據(jù)來控制,它存放在FPGA片內(nèi)的獨(dú)立靜態(tài)存儲器中。由于停電后,靜態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)不能保存,因此每次接通電源后必須重新給靜態(tài)存儲器裝載編程數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)通常存放在EPROM中。FPGA加電后,從EPROM中加載程序,在程序的控制下實現(xiàn)一系列預(yù)先設(shè)定好的邏輯功能。

2 FPGA在石油勘探儀器中的應(yīng)用

法國Sercel公司生產(chǎn)的408UL24位數(shù)字地震儀器以其良好的可靠性和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)而受到關(guān)注[3]。其野外電子設(shè)備更是體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。這與其具體實現(xiàn)技術(shù)是緊密聯(lián)系在一起的。其中FPGA產(chǎn)品的使用就極具代表性。在交叉站和電源站中則更是大量使用FPGA器件。FPGA器件的使用不但降低了系統(tǒng)成本,而且提高了可靠性,降低了功耗,最為重要的是可以通過軟件的升級來實現(xiàn)邏輯功能的升級,從而是整個儀器系統(tǒng)的靈活性大為提高,降低了維護(hù)成本,獲得了良好的可擴(kuò)展性。以408UL儀器中的交叉站LAUX為例進(jìn)行闡述。

圖3 408UL數(shù)字地震儀LAUX LIPX板結(jié)構(gòu)圖

408UL交叉站LAUX的數(shù)字板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。DSP,IBM微控制器和Xilinx FPGA通過內(nèi)部總線連接。共同完成對來自中心站的指令的處理,以及對FDU采集站發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處 理。其中大線數(shù)據(jù)和內(nèi)部總線間的邏輯接口功能由Xilinx FPGA完成。一共有2塊Xilinx芯片。它的程序存儲在一塊EEPROM存儲器中。

FPGA負(fù)責(zé)接收和發(fā)送大線數(shù)據(jù)。接收中心站發(fā)來的命令時,將交叉線上傳輸來的16.384 Mbps基帶雙極性曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單極性數(shù)據(jù),然后遵循內(nèi)部總線傳輸協(xié)議,將數(shù)據(jù)傳輸給IBM微處理器,同時也傳輸給另一給交叉口,以便傳輸給下一條測線。IBM根據(jù)指令的種類執(zhí)行相應(yīng)的程序,完成不同的功能(如發(fā)送給FDU建排命令,測試命令,采集指令等)。

在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時,也類似于這個過程。另外,接收數(shù)據(jù)時FPGA還要完成將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)的任務(wù),以便數(shù)據(jù)可以在內(nèi)部并行總線上傳輸,實現(xiàn)和IBM微處理器以及數(shù)字信號處理器之間的接口。交叉站發(fā)送數(shù)據(jù)時,則將微處理器的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù),通過FPGA發(fā)送給排列。

理論上講,這一系列復(fù)雜的邏輯功能也可以用分立的小規(guī)模集成電路或微處理器來實現(xiàn),但會占用過多的電路板空間,最主要的是速度上達(dá)不到要求。普通單片微處理器的核心工作頻率達(dá)不到16.384 Mbps數(shù)據(jù)傳輸與處理的要求,32位微處理器速度價格方面則不占優(yōu)勢。利用FPGA技術(shù),充分發(fā)揮其速度上和價格上的優(yōu)勢,簡化了電路設(shè)計,降低了耗電,性能更加可靠穩(wěn)定,這也是Sercel在儀器設(shè)計上的一貫特色。

除了在交叉站LAUX使用FPGA外,在電源站LAUL和中心站的大線接口板(LCI)上也使用了FPGA。在實現(xiàn)高速數(shù)字邏輯功能方面,發(fā)揮了重要作用。

3 結(jié)束語

近些年來,以FPGA和PLD技術(shù)為代表的大規(guī)模可編程邏輯器件技術(shù)發(fā)展迅猛,應(yīng)用也十分廣泛。通過介紹了FPGA的工作機(jī)制,并結(jié)合法國408UL數(shù)字地震儀器,闡述了FPGA的具體應(yīng)用。相信隨著設(shè)計方法的進(jìn)步和工程應(yīng)用對集成度要求的進(jìn)一步提升, FPGA的應(yīng)用范圍會越來越廣泛。

[1] 王有緒.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003

[2] 王 剛,張 瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與典型實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009

[3] Sercel.408UL Training Course.2003(資料)

P631.4+3

B

1004-9134(2010)04-0080-03

雷小青,女,1971年生,實驗師,貴州大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè),現(xiàn)為貴州大學(xué)通信與信息工程在職碩士。郵編:550003

2009-12-29 編輯:梁保江)

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