兩種基于FPGA的軟件濾波方法基于FPGA的軟件濾波算法設計及實現隨著數字電子技術的發展，數字電路已由早期的分立元件逐漸發展成集成電路，對電路設計的要求越來越高。尤其是可編程邏輯器件的出現，使得以硬件為載體、以計算機軟件為開發環境的現代數字系統的設計方法日趨成熟。可編程邏輯器件設計靈活、功能強大、可在線修改、效率高等優點深受廣大電子設計人員青睞。目前，大多數現場可編程邏輯陣列（FPGA）芯片是電壓敏感型芯片，基于可重構CMOS-SRAM單元結構，數據具有易失性，工作在低電壓狀態，易受干擾，尤其在工控、軍用場合，外界電磁環境惡劣，電路耦合、空間輻射的雜波脈沖均會對FPGA工作的穩定性產生影響。干擾脈沖和毛刺信號是影響FPGA穩定工作的主要因素，為了保證輸入信號每變化一次，電路只做出一次正確的響應，必須對輸入信號進行濾波處理。要實現信號濾波可以采用硬件濾波和軟件濾波兩種方法。與硬件濾波相比，軟件濾波不需要硬件電路的支持，從而可以減少元器件的使用，降低成本，更重要的是軟件濾波更易于修改，所以常采用軟件濾波的方法來實現電路中的信號濾波問題。通過VHDL語言編程實現信號濾波功能，介紹了延時濾波法和判決濾波法，并通過實驗證明了上述兩種濾波方法的可靠性。1延時濾波延時濾波法的濾波原理是對輸入信號的脈沖寬度進行鑒別，對那些與真實信號的寬度相差很大的干擾信號進行有效的抑制。具體的實現流程為在檢測到輸入信號的狀態發生變化后，延時一段時間T，脈沖寬度小于延時時間T的輸入信號被認為是干擾信號，將其濾除；脈沖寬度大于延時時間T的輸入信號則被認為是真實信號，將其輸出。針對不同脈沖寬度的干擾信號，可以通過設置不同的參數來實現相應的信號延時，從而達到有效濾波的目的。1.1延時時間T的確定延時時間T取決干擾信號的脈沖寬度T‘。延時時間T太短（T＜T’），濾波不完整，脈沖寬度大于T的干擾信號仍然會造成電路的誤動作；延時時間T太長（T＞＞T‘），會造成資源的浪費，降低電路的工作效率。這里以某型號的扭子開關輸入信號為例來介紹如何確定延時時間T.由于扭子開關的機械觸點存在彈性作用，當撥動開關時，都不可避免地要在觸點閉合及斷開的瞬間產生一連串的抖動。為了能夠更準確地估測撥動開關時產生的干擾脈沖寬度T‘，可以用示波器對開關信號進行多次測量，經測量發現這種扭子開關信號的抖動時間不會超過1.5ms.圖1為沒有經過濾波處理的開關信號波形。圖1中，橫坐標表示時間，每格代表50μs，縱坐標表示電壓，每格表示1V.從圖中可以明顯看出，在開關信號達到穩定狀態之前，有一連串的抖動，抖動時間不到1.5ms.這里根據實際情況，確定延時時間T=2ms.1.2延時濾波程序設計延時濾波程序采用一個計數器來實現，計數器的模值N取決于延時時間T和采樣時鐘CLK的周期TCLK.若計數器的初始值為0時，則N=T/TCLK－1.圖2為編寫延時濾波程序的流程圖。圖1未經過濾波處理的開關信號圖2延遲濾波程序流程圖當檢測到開關信號的狀態發生變化時（這里以由‘0’變到‘1’為例），計數器開始計時，當計數器的計數值計到N時，如果開關信號仍保持為變化之后的狀態‘1’，則輸出‘1’，否則，認為這是一個干擾脈沖，將其濾除。當采樣時鐘的頻率為5kHz時，TCLK=0.2ms，要實現2ms的延時時間，若計數器初始值為0，那么計數器模值N=9.具體的VHDL語言程序進程如下：1.3延時濾波程序仿真分別將開關信號din設置成理想信號和抖動信號，利用QuartusⅡ8.0軟件進行仿真，圖3和圖4分別為理想信號和抖動信號的延時濾波仿真波形圖。圖3理想開關信號延時濾波仿真波形圖4抖動開關信號延時濾波仿真波形圖中clk為采樣時鐘，glrn為復位信號，din為開關輸入信號，dout為延時濾波輸出信號。從圖3可以看出，從開關信號發生變化到輸出發生變化的時間延時為2ms，從圖4中可以看出，此延時濾波程序有效消除了扭子開關的抖動干擾，驗證了其理論可行性。1.4延時濾波程序實際驗證為了驗證此延時濾波程序的實際濾波效果，將其下載到Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3S400中，用示波器多次測量經過濾波后的開關信號，得到圖5所示的輸出信號波形。圖5中，橫坐標表示時間，每格代表10μs，縱坐標表示電壓，每格表示1V.從圖5可以看出，經過濾波后的開關信號不再有抖動現象，此延時濾波程序的實際可靠性得到驗證。圖5延時濾波后的輸出信號波形1.5延時濾波程序資源占用率在電子電路的設計中，FPGA的資源占用率是我們應該考慮的一個重要問題。如果FPGA的資源占用率太大，會加重FPGA的負擔，影響整個電路的運行速度。表1為延時濾波程序在XC3S400芯片中的資源占用情況。表1延時濾波程序的資源占用情況1.6延時濾波的特點延時濾波比較適合對脈沖寬度已知的干擾信號進行濾波，這樣可以更準確地確定延時時間，既不會因為延時時間太短而導致濾波不理想，又不會因為延時時間過長而導致資源浪費。而且，延時程序不僅可以有效地消除開關類信號的抖動，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波，抗干擾強，可靠性高。如果電路中存在多路輸入信號時，當檢測到任意一路輸入信號狀態發生