两种基于FPGA的软件滤波方法（1）

基于FPGA的软件滤波算法设计及实现

随着数字电子技术的发展，数字电路已由早期的分立元件逐渐发展成集成电路，对电路设计的要求越来越高。尤其是可编程逻辑器件的出现，使得以硬件为载体、以计算机软件为开发环境的现代数字系统的设计方法日趋成熟。可编程逻辑器件设计灵活、功能强大、可在线修改、效率高等优点深受广大电子设计人员青睐。目前，大多数现场可编程逻辑阵列（ FPGA）芯片是电压敏感型芯片，基于可重构CMOS-SRAM单元结构，数据具有易失性，工作在低电压状态，易受干扰，尤其在工控、军用场合，外界电磁环境恶劣，电路耦合、空间辐射的杂波脉冲均会对FPGA工作的稳定性产生影响。


干扰脉冲和毛刺信号是影响FPGA稳定工作的主要因素，为了保证输入信号每变化一次，电路只做出一次正确的响应，必须对输入信号进行滤波处理。要实现信号滤波可以采用硬件滤波和软件滤波两种方法。与硬件滤波相比，软件滤波不需要硬件电路的支持，从而可以减少元器件的使用，降低成本，更重要的是软件滤波更易于修改，所以常采用软件滤波的方法来实现电路中的信号滤波问题。通过VHDL语言编程实现信号滤波功能，介绍了延时滤波法和判决滤波法，并通过实验证明了上述两种滤波方法的可靠性。


1延时滤波

延时滤波法的滤波原理是对输入信号的脉冲宽度进行鉴别，对那些与真实信号的宽度相差很大的干扰信号进行有效的抑制。具体的实现流程为在检测到输入信号的状态发生变化后，延时一段时间T，脉冲宽度小于延时时间T的输入信号被认为是干扰信号，将其滤除；脉冲宽度大于延时时间T的输入信号则被认为是真实信号，将其输出。针对不同脉冲宽度的干扰信号，可以通过设置不同的参数来实现相应的信号延时，从而达到有效滤波的目的。


1. 1延时时间T的确定

延时时间T取决干扰信号的脉冲宽度T‘。延时时间T太短（ T＜T’），滤波不完整，脉冲宽度大于T的干扰信号仍然会造成电路的误动作；延时时间T太长（ T＞＞T‘），会造成资源的浪费，降低电路的工作效率。


这里以某型号的扭子开关输入信号为例来介绍如何确定延时时间T.由于扭子开关的机械触点存在弹性作用，当拨动开关时，都不可避免地要在触点闭合及断开的瞬间产生一连串的抖动。为了能够更准确地估测拨动开关时产生的干扰脉冲宽度T'，可以用示波器对开关信号进行多次测量，经测量发现这种扭子开关信号的抖动时间不会超过1.5ms.图1为没有经过滤波处理的开关信号波形。


图1中，横坐标表示时间，每格代表50μs，纵坐标表示电压，每格表示1 V.从图中可以明显看出，在开关信号达到稳定状态之前，有一连串的抖动，抖动时间不到1. 5 ms.这里根据实际情况，确定延时时间T = 2 ms.


1. 2延时滤波程序设计

延时滤波程序采用一个计数器来实现，计数器的模值N取决于延时时间T和采样时钟CLK的周期TCLK.若计数器的初始值为0时，则N = T /TCLK－1.图2为编写延时滤波程序的流程图。

http://upload.semidata.info/new. ... 7/55b613404c7fc.jpg
图1未经过滤波处理的开关信号
http://upload.semidata.info/new. ... 7/55b613404c116.jpg
图2延迟滤波程序流程图

当检测到开关信号的状态发生变化时（这里以由‘0’变到‘1’为例），计数器开始计时，当计数器的计数值计到N时，如果开关信号仍保持为变化之后的状态‘1’，则输出‘1’，否则，认为这是一个干扰脉冲，将其滤除。


当采样时钟的频率为5 kHz时，TCLK = 0. 2 ms，要实现2 ms的延时时间，若计数器初始值为0，那么计数器模值N = 9.具体的VHDL语言程序进程如下：
                                                         elsif   clk'  event  and  clk  =1'then
                                                         if din=1'and cnt<9 and f_din=0'then----延时2mc程序
                                                         cnt:=cnt+1';
                                                         f_din<=1';
                                                         elsif din =0'and cnt<=9 and f_din=1'then
                                                         cnt:=cnt+1';
                                                         f_din<=1';
                                                         elsif din =0'and cnt<=9 and f_din=1'then
                                                         cnt:=cnt+0';
           if glrn=0'then                           f_din<=0';
                                                         else;
           f_din<=0'                                cnt:=0';
                                                         end if;
           cnt:=0';----计数器赋初值           end if;