FPGA為測試測量儀器帶來獨特性能

電子行業的設計工程師，在很多應用領域包括通信、國防、醫療和教育等等，都在使用FPGA。在調試FPGA電路的時候，他們可能不知道，安捷倫的測量儀器本身也使用了FPGA技術，并且和FPGA供應商在研發領域深入合作，甚至分享一些IP(知識產權)，雙方從測量和調試的角度積累了大量的經驗。實際的設計往往會綜合使用FPGA和ASIC（專用芯片）來達到*佳效果，安捷倫在其示波器、邏輯分析儀、脈沖源、誤碼儀等產品中，正是采用這樣的綜合設計。
   
   世上沒有**的儀器，其設計總是在某一方面優化、在某些方面作出妥協。以基于Windows平臺的示波器為例，哪些功能通過軟件實現、哪些功能通過硬件實現，硬件部分是采用專用芯片還是FPGA，這些都是開發人需要考慮的問題。本文給出兩個例子，一是中端示波器技術**集大成產品MSO9000A的設計，另一是MIPID-PHY協議分析設計。

   MSO9000A是三合一儀器，集示波器、邏輯分析、協議分析于一體，其研發團隊在設計前經多個回合討論，*終達成共識。其中重要的兩點是：1.示波器功能是基本核心，邏輯分析儀和協議分析儀是選件，每當有新的協議技術出現，該儀器必須可以升級以支持新的標準；2.協議觸發必須實現實時性，保證不漏失信號。

   要實現協議觸發的實時性，是決不可以用Windows甚至Linux軟件來實現的，同時又要求產品支持不同的協議種類。因此，MSO9000A設計者在示波器的前端輸入電路和觸發電路之間加入了一個FPGA芯片，對串行總線提供實時時鐘恢復，并檢測串行數據包結構，將串行數據包內容饋送到示波器的觸發電路，從而使得示波器可基于串行總線協議實現硬件觸發，將來新的協議出現時，也可以通過升級來支持。用戶設置特定的協議觸發條件，MSO9000示波器通過硬件來確定何時進行觸發，并執行重復測量或單次測量。

   圖中給出了該設計的照片，該產品采用20層電路板結構，用了27個專用芯片，3個FPGA，集成到一個采集板中，然后垂直放置(注意不是水平放置)于15英寸顯示屏后面，*終的MSO9000A產品很薄，集外觀美觀、靈活、多功能特點于一體。

   圖2給出MIPI-DPHY協議分析的N4851A硬件電路照片，該電路的作用是數據中轉和轉換中心，圖中的FPGA是核心部分，N4851A中的FPGA負責捕獲和處理MIPID-PHY串行數據，然后再轉換成多路低速并行數據傳送給邏輯分析儀。該FPGA能捕獲和處理的數據速率高達800Mbps，而N4861A中的FPGA則負責將來自邏輯分析儀的并行數據轉換成高速串行MIPID-PHYCSI/DSI信號。

   FPGA在測量儀器，尤其是高性能儀器中的應用，越來越受到重視。要想讓測量儀器具有獨特之處，模擬電路部分固然重要，但在有些方面FPGA的應用可能會成為決定產品是否能為用戶接受的關鍵。安捷倫已經在一些方面做出示范，由此可以看出FPGA在行業的應用趨勢在如下幾個方面。1.復雜觸發電路的實現：如串行信號協議觸發、頻域觸發等，先鋒產品如MSO9000A的協議觸發；2.深存儲數據的處理：儀器的存儲深度越來越深是必然趨勢，用FPGA處理可兼顧實時性和可程控性，先鋒產品如DSA90000A的深存儲專用加速處理芯片；3.復雜運算的處理：均衡和去嵌入等技術在5Gbps及更快的信號測試是必然要考慮的數字處理技術。因其運算量大，必然影響儀器響應速度，適合用FPGA來處理，先鋒產品如DSA90000A的N5465A和N5461A。

   和其他器件一樣，能否用好FPGA，往往取決于使用者對所用的FPGA芯片有多深入的了解。“我雖然對FPGA本身和我自身專業很熟悉，但公司多年和FPGA供應商研發部門合作，分享一些內部IP，極大地提高了我的開發效率。”負責MSO9000A的FPGA部分的開發工程師MikeBeyers說，“我在調試過程中使用的ATC是我們使用FPGA的團隊自己開發，經多年和FPGA供應商一起反復優化的，該ATC和整個FPGA調試方案，我們也對其他使用FPGA的公司開放。”


FPGA為測試測量儀器帶來獨特性能