一种基于FPAA和FPGA技术的综合滤波系统.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103001604 A (43)申请公布日 2013.03.27 CN 103001604 A *CN103001604A* (21)申请号 201210509377.0 (22)申请日 2012.12.04 H03H 17/00(2006.01) (71)申请人 常州大学 地址 213164 江苏省常州市武进区滆湖路 1 号 (72)发明人 朱正伟 孙广辉 (74)专利代理机构 南京知识律师事务所 32207 代理人 卢亚丽 (54) 发明名称 一种基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统 (57) 摘要 本发明公开了一种基于 FPAA 和 FPGA 技术的。

2、 综合滤波系统， 由 FPGA 模块和 FPAA 滤波模块组 成。 FPGA模块主要完成数字滤波器设计和FPAA模 块所需的各种频率 ； FPAA 滤波器主要用来完成信 号调理电路。 本发明通过设计不同控制器IP核在 FPGA内部实现数字滤波功能， 通过对FPAA不同滤 波 CAB 块的组合实现各种类型和不同阶数的模拟 滤波， 对数字滤波和模拟滤波效果进行实时对比， 实现模拟滤波和数字滤波的双重滤波功能。本发 明充分利用 FPGA 技术在数字信号处理的优势和 FPAA 技术在模拟信号处理的优势， 实现数字滤波 和模拟滤波处理效果研究。本发明具有升级快捷 方便、 滤波器设计种类丰富等特点。 (5。

3、1)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统， 包括 FPGA 单元 （1） 和 FPAA 滤波单元 （2） ， 其特征在于 ： 所述 FPGA 单元 （1） 包括 FPGA 模块、 下载模块、 存储模块、 输入设备和输出 设备， 用于通过控制器IP核控制整个电路， 并提供分频给FPAA模块各种时钟频率以完成不 同种类滤波器 ； 所述 FPAA 滤波单元 （2） 包括 FPAA 滤波器模。

4、块、 信号预处理模块和信号后处 理模块， 用于实现模拟滤波器的不同性能， 并实现其他常用模拟电路功能。 2. 根据权利要求 1 所述的基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统， 其特征在于 ： 所述 FPGA 单元 （1） 利用其在数字信号处理的可编程特性实现各种数字电路， 包括分频器、 控制 器 IP、 数字滤波器算法。 3. 根据权利要求 1 所述的基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统， 其特征在于 ： 所述 FPAA 滤波单元 （2） 在不改变外围硬件电路的条件下， 实现不同类型、 不同种类的滤波电路。 4. 根据权利要求 1 至 3 中任意一项所述的基于 FPAA 。

5、和 FPGA 技术的综合滤波系统， 其 特征在于 ： 所述综合滤波系统将数字集成电路和模拟集成电路相互结合。 5. 根据权利要求 1 至 3 中任意一项所述的基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统， 其 特征在于 ： 所述 FPGA 单元 （1） 和 FPAA 滤波单元 （2） 中预留若干接口， 用于用户对芯片内部 的电路进行升级。 权 利 要 求 书 CN 103001604 A 2 1/3 页 3 一种基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统 技术领域 0001 本发明涉及滤波器设计和集成电路应用， 属于信号处理领域。 背景技术 0002 随着微传感器时代的到来， 对传感。

6、器微弱信号的高效处理越来越重要， 在微信号 的调理电路中对有用信号的提取显的更为重要。 目前的滤波电路主要分为两类模拟滤波和 数字滤波， 模拟滤波主要是分立元件和中集成规模电路构建， 这种电路的设计对设计者的 专业知识要求较多， 对设计的工作经验要求比较高， 同时调试比较困难 ； 数字滤波首先要将 信号进行模数转换， 这样不可避免的丢失许多有用信息， 同时数字滤波对算法要求比较高， 进而这对控制器的运算能力要求更高 ； FPAA 技术的出现很好的解决了上述问题。中国专利 201020685324.0 中介绍了一种程控滤波装置， 此专利中可以通过功能开关来实现低通、 高 通、 带通、 带阻四种滤。

7、波器， 但是其不同种滤波器的切换不灵活。 发明内容 0003 针对上述存在的技术问题， 本发明提供了一种可以灵活设计、 验证各种数字滤波 器和模拟滤波器的综合滤波系统。该综合滤波系统充分利用 FPGA 可编程特点， 在外围电路 不变的基础上， 对芯片内部电路进行不同的编程， 实现各项数字信号的处理功能。 结合FPAA 技术在线可重构技术， 在不断电的情况下， 对电路的参数和结构切换， 使电路灵活、 设计范 围更加广泛。 0004 本发明的技术方案是 ： 一种基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统， 包括 FPGA 单元和 FPAA 滤波单元。FPGA 单元包括 FPGA 模块、 下载。

8、模块、 存储模块、 输入设备和输 出设备， 用于通过控制器IP核控制整个电路， 并提供分频给FPAA模块各种时钟频率以完成 不同种类滤波器 ； FPAA 滤波单元包括 FPAA 滤波器模块、 信号预处理模块和信号后处理模 块， 用于实现模拟滤波器的不同性能， 并实现其他常用模拟电路功能。 0005 作为本发明的进一步改进， FPGA 单元利用其在数字信号处理的可编程特性实现各 种数字电路， 包括分频器、 控制器 IP、 数字滤波器算法。 0006 作为本发明的进一步改进， FPAA 滤波单元在不改变外围硬件电路的条件下， 实现 不同类型、 不同种类的滤波电路。 0007 作为本发明的进一步改进。

9、， 所述基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统将数字集 成电路和模拟集成电路相互结合。 0008 作为本发明的进一步改进， FPGA 单元和 FPAA 滤波单元中预留若干接口， 用于用户 对芯片内部的电路进行升级。 0009 与现有技术相比， 本发明有以下优点和有益效果。 0010 1、 本设计结构简单， 设计人性化， 可以根据用户的需求对滤波器的工作方式、 滤波 种类进行快捷设计， 以实现 FIR、 IIR、 脉冲成形、 巴斯沃什、 切比雪夫 I 类、 切比雪夫 II 类、 贝塞尔以及客户自己设计的各类低通、 高通、 带通、 带阻各种滤波功能。 说 明 书 CN 103001604。

10、 A 3 2/3 页 4 0011 2、 本发明设计可以既可以设计数字滤波器， 也可以设计模拟滤波器， 同时也可以 设计两者结合的滤波器， 这很好的为滤波器研究者提供了滤波器设计、 验证平台。 0012 3、 本发明充分利用了 FPGA 和 FPAA 可重构特点， 使得电路可以在不改变已有的硬 件电路的基础上对电路进行升级。 这在研发实验调试及高校实验系统方面有着广泛的市场 前景 4、 本发明紧紧跟随电子发展趋势。电子发展向着 FPMA 方向发展， ， 同时国内对 FPAA 技 术的研究比较少， 此平台对 FPAA 技术在国内的推广有着极其重要的意义。 附图说明 0013 图 1 为本发明基于。

11、 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统的整体结构框图 ； 图 2 为电源模块原理图 ； 图 3 为 FPGA 单元原理图 ； 图 4 为 FPAA 滤波单元原理图 ； 图 5 为本发明基于 FPAA 和 FPGA 技术的综合滤波系统的整体流程图。 0014 图中 ： 1、 FPGA 单元 ； 2、 FPAA 滤波单元。 具体实施方式 0015 下面结合附图对本发明进行进一步详细描述。 0016 本发明中 FPGA 模块可以设计常用的 FIR、 IIR、 脉冲成形滤波器等数字滤波器 ； 同 时 FPAA 模块可以设计低通、 高通、 带通、 带阻四类巴斯沃什、 切比雪夫 I 类、 切比雪夫 。

12、II 类、 贝塞尔以及客户自己设计的各种滤波器滤波功能， 可精确设置截止频率和放大增益， 适用 于幅值 5v 以下的信号的滤波系统。滤波器的设置参数主要依照设计者的需求进行相应的 设置即可实现。 0017 本发明的技术方案是 ： 如图 1 所示， 本系统主要有两部分组成， FPGA 单元和 FPAA 滤波单元。其中 FPGA 单元包括下载电路、 存储电路、 键盘输入电路、 LCD 显示电路， 本单元 主要通过控制器 IP 核的设计实现整个电路控制， 同时设计分频模块给 FPAA 模块各种时钟 频率以完成不同种类滤波器 ； FPAA 滤波单元， 主要是由 FPAA 最小系统构成， 它主要实现不 。

13、同性能模拟滤波器的设计， 同时此模块也可以实现其他常用模拟电路功能实现对带处理的 信号进行滤波， 同时它也可以实现其他的调理功能， 图 4 为 FPAA 滤波单元原理图。 0018 图 3 中 FPGA 模块载入存储模块 EPSC1 内已经设置好的控制器 IP 核及分频滤波等 相关初始化程序， 并且 LCD 液晶显示欢迎界面， 然后液晶提示相应的设置方式， 用户根据提 示进行相应操作。 通过按键进入数字滤波器、 模拟滤波器或者混合滤波器参数设置界面， 混 合滤波器中两种滤波器的设计思路一下， 下面对两类滤波器进行详细说明。 图3中， 引脚9、 25、 38、 49、 50、 54、 55、 6。

14、5、 73、 78、 85、 93、 100、 111、 124、 140、 153、 154、 156、 158、 159、 167、 174、 177、 184、 186、 104 接地 ； 引脚 51、 53、 66、 79、 155、 157、 178、 190 接 1.2V ； 引脚 7、 29、 42、 62、 71、 83、 91、 98、 109、 122、 136、 148、 166、 172、 183、 194、 202 接 3.3V。 0019 数字滤波器设置过程 ： 数字滤波器主要是将常用的滤波器模块化， 留有滤波器常 用参数接口， 如阶数、 种类、 类型等， 用户根据。

15、自己的需求对各个参数进行选择， 然后依据用 户选得参数调用已经设计好的程序模块以实现， 用户滤波要求。 说 明 书 CN 103001604 A 4 3/3 页 5 0020 模拟滤波器设置过程 ： 根据液晶提示按键进入分频设置， 此设置包括 FPGA 应用的 有源晶振的频率值及分频数值， 当设计好后控制器 IP 核内部程序自动调用分频计算函数 实时的计算出 FPGA 分频后供给 FPAA 模块的频率值并显示在 LCD 上。下一界面是对模拟滤 波器的各种参数的设置， 设计完成后确认后进入下一界面提示前面设置的参数， 再次确定 下用户所需要的各项滤波器的参数。确定键按后， 系统就通过控制器 IP。

16、 核依据设置的参数 对 FPAA 模块的进行配置。这样整个硬件模拟滤波器电路配置完成。 0021 FPGA 模块和 FPAA 模块中预留了许多接口， 用户可以根据自己的需要， 对芯片内部 的电路进行升级进而实现其他不同功能。 0022 下面以 FPGA 以 EP2C5Q208、 FPAA 以 AN221E04 为例进行说明， 芯片的选择依据需求 进行相应的修改。 0023 任何系统工作都离不开电源， 图 2 给出了本系统所需的各种电压电路， 本系统主 要应用到 1.2V、 3.3V 和 5V 三种电压， FPGA 采用 1.2V 供电的 EP2C5Q208、 FPGA 存储芯片采 用 3.3V。

17、 供电 EPCS1、 FPAA 芯片选择 Anadigm 公司的 5V 供电芯片 AN221E04 为例进行详尽的 说明。 0024 图 3 中 FPGA 模块载入存储模块 EPSC1 内已经设置好的控制器 IP 核、 分频器、 LCD 显示等相关初始化程序， 并且 LCD 液晶显示欢迎界面， 然后液晶提示相应的设置方式， 用户 根据提示进行相应操作。通过按键进入数字滤波器、 模拟滤波器或者混合滤波器参数设置 界面， 滤波器的整体设置流程图如图 5 所示， 下面对两类滤波器进行详细说明。 0025 进入数字滤波器设置过程后， 根据按键提示进入第二个界面是对数字滤波器的类 别进行设置， 主要有 。

18、FIR、 IIR、 脉冲成形三大类， 同时对滤波器的种类和阶数等参数的设置。 确认后进入数字滤波器具体参数设计界面。根据第二界面选择的滤波器参数， 对滤波器的 通带宽度、 截止频率、 通带衰减度、 阻带衰减度等参数的设置， 此部分数值的输入是通过 4*4 键盘完成。 第四界面是对上面设置进行汇总， 显示进一步确认所设计滤波器的各项参数， 确 认后调用内部算法配置相应电路， 完成数字滤波器的设计。 0026 进入模拟滤波器设置过程后， 根据液晶提示按键进入第二个界面对频率进行分频 设置， 此设置包括FPGA应用的有源晶振的频率值及分频数值， 当设计好后控制器IP核内部 程序自动调用分频计算函数实。

19、时的计算出 FPGA 分频后供给 FPAA 模块的频率值并显示在 LCD 上上以供用户参考。 0027 FPAA 频率设置好后， 接下来对 FPAA 电路进行设置。LCD 第三个界面是对滤波器各 个参数的设置， 这个界面包括滤波器的种类、 滤波器的类型、 滤波器阶数、 信号的增益值、 输 入信号的数量、 输入时钟的二次分频值、 滤波器 Fc 值的设置。根据提示确认后进入设置参 数提示界。 0028 第四个界面主要显示前面设置的参数， 再次确认下用户所需要的各项滤波器的参 数。确定键按后， 单片机根据选择滤波器的阶数以及其他功能用到的 CAB 块个数对电路的 基础块进行配置， 然后根据不同的参数对选择的 CAB 块的各个电容值进行配置。这个配置 都可以在不断电的前提下实现对电路的设计， 使得用户可以在快捷的设计和验证自己的滤 波电路。 说 明 书 CN 103001604 A 5 1/3 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103001604 A 6 2/3 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103001604 A 7 3/3 页 8 图 5 说 明 书 附 图 CN 103001604 A 8 。