隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路已由早期的分立元件逐漸發(fā)展成集成電路，對(duì)電路設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。尤其是可編程邏輯器件的出現(xiàn)，使得以硬件為載體、以計(jì)算機(jī)軟件為開(kāi)發(fā)環(huán)境的現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法日趨成熟。可編程邏輯器件設(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大、可在線修改、效率高等優(yōu)點(diǎn)深受廣大電子設(shè)計(jì)人 員青睞。目前，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（ FPGA） 芯片是電壓敏感型芯片，基于可重構(gòu)CMOS-SRAM 單元結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)具有易失性，工作在低電壓狀態(tài)，易受干擾，尤其在工控、軍用場(chǎng)合，外界電磁環(huán)境惡劣，電路耦合、空間輻射的雜波脈沖均會(huì)對(duì)FPGA 工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
干擾脈沖和毛刺信號(hào)是影響FPGA 穩(wěn)定工作的主要因素，為了保證輸入信號(hào)每變化一次，電路只做出一次正確的響應(yīng)，必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波處理。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)電路中的信號(hào)濾波問(wèn)題。通過(guò)VHDL 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波功能，介紹了延時(shí)濾波法和判決濾波法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了上述兩種濾波方法的可靠性。
1 延時(shí)濾波
延時(shí)濾波法的濾波原理是對(duì)輸入信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行鑒別，對(duì)那些與真實(shí)信號(hào)的寬度相差很大的干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。具體的實(shí)現(xiàn)流程為在檢測(cè)到輸入信號(hào)的 狀態(tài)發(fā)生變化后，延時(shí)一段時(shí)間T，脈沖寬度小于延時(shí)時(shí)間T 的輸入信號(hào)被認(rèn)為是干擾信號(hào)，將其濾除; 脈沖寬度大于延時(shí)時(shí)間T 的輸入信號(hào)則被認(rèn)為是真實(shí)信號(hào)，將其輸出。針對(duì)不同脈沖寬度的干擾信號(hào)，可以通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)延時(shí)，從而達(dá)到有效濾波的目的。
1. 1 延時(shí)時(shí)間T 的確定
延時(shí)時(shí)間T 取決干擾信號(hào)的脈沖寬度T’。延時(shí)時(shí)間T 太短（ T ＜ T’） ，濾波不完整，脈沖寬度大于T 的干擾信號(hào)仍然會(huì)造成電路的誤動(dòng)作; 延時(shí)時(shí)間T 太長(zhǎng)（ T＞＞T’） ，會(huì)造成資源的浪費(fèi)，降低電路的工作效率。
這里以某型號(hào)的扭子開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)為例來(lái)介紹如何確定延時(shí)時(shí)間T。由于扭子開(kāi)關(guān)的機(jī)械觸點(diǎn)存在彈性作用，當(dāng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，都不可避免地要在觸點(diǎn)閉合及斷開(kāi)的 瞬間產(chǎn)生一連串的抖動(dòng)。為了能夠更準(zhǔn)確地估測(cè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的干擾脈沖寬度T‘，可以用示波器對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行多次測(cè)量，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)這種扭子開(kāi)關(guān)信號(hào)的抖動(dòng) 時(shí)間不會(huì)超過(guò)1． 5ms。圖1 為沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波處理的開(kāi)關(guān)信號(hào)波形。
圖1 中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每格代表50 μs，縱坐標(biāo)表示電壓，每格表示1 V。從圖中可以明顯看出，在開(kāi)關(guān)信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間不到1. 5 ms。這里根據(jù)實(shí)際情況，確定延時(shí)時(shí)間T = 2 ms。
1. 2 延時(shí)濾波程序設(shè)計(jì)
延時(shí)濾波程序采用一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器的模值N 取決于延時(shí)時(shí)間T 和采樣時(shí)鐘CLK 的周期TCLK。若計(jì)數(shù)器的初始值為0 時(shí)，則N = T /TCLK －1。圖2 為編寫(xiě)延時(shí)濾波程序的流程圖。
圖1 未經(jīng)過(guò)濾波處理的開(kāi)關(guān)信號(hào)
圖2 延遲濾波程序流程圖
當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（ 這里以由‘0’變到‘1’為例） ，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)到N 時(shí)，如果開(kāi)關(guān)信號(hào)仍保持為變化之后的狀態(tài)‘1’，則輸出‘1’，否則，認(rèn)為這是一個(gè)干擾脈沖，將其濾除。
當(dāng)采樣時(shí)鐘的頻率為5 kHz 時(shí)，TCLK = 0. 2 ms，要實(shí)現(xiàn)2 ms 的延時(shí)時(shí)間，若計(jì)數(shù)器初始值為0，那么計(jì)數(shù)器模值N = 9。具體的VHDL 語(yǔ)言程序進(jìn)程如下：
1. 3 延時(shí)濾波程序仿真
分別將開(kāi)關(guān)信號(hào)din 設(shè)置成理想信號(hào)和抖動(dòng)信號(hào)，利用QuartusⅡ8. 0 軟件進(jìn)行仿真，圖3 和圖4 分別為理想信號(hào)和抖動(dòng)信號(hào)的延時(shí)濾波仿真波形圖。
圖3 理想開(kāi)關(guān)信號(hào)延時(shí)濾波仿真波形
圖4 抖動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)延時(shí)濾波仿真波形
圖中clk 為采樣時(shí)鐘，glrn 為復(fù)位信號(hào)，din 為開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，dout 為延時(shí)濾波輸出信號(hào)。從圖3可以看出，從開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)生變化到輸出發(fā)生變化的時(shí)間延時(shí)為2 ms，從圖4 中可以看出，此延時(shí)濾波程序有效消除了扭子開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)干擾，驗(yàn)證了其理論可行性。
1. 4 延時(shí)濾波程序?qū)嶋H驗(yàn)證
為了驗(yàn)證此延時(shí)濾波程序的實(shí)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(cè)量經(jīng)過(guò)濾波后的開(kāi)關(guān)信號(hào)，得到圖5 所示的輸出信號(hào)波形。圖5 中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每格代表10 μs，縱坐標(biāo)表示電壓，每格表示1 V。從圖5 可以看出，經(jīng)過(guò)濾波后的開(kāi)關(guān)信號(hào)不再有抖動(dòng)現(xiàn)象，此延時(shí)濾波程序的實(shí)際可靠性得到驗(yàn)證。
圖5 延時(shí)濾波后的輸出信號(hào)波形
1. 5 延時(shí)濾波程序資源占用率
在電子電路的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA 的資源占用率是我們應(yīng)該考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。如果FPGA 的資源占用率太大，會(huì)加重FPGA 的負(fù)擔(dān)，影響整個(gè)電路的運(yùn)行速度。表1 為延時(shí)濾波程序在XC3S400 芯片中的資源占用情況。
表1 延時(shí)濾波程序的資源占用情況
1. 6 延時(shí)濾波的特點(diǎn)
延時(shí)濾波比較適合對(duì)脈沖寬度已知的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣可以更準(zhǔn)確地確定延時(shí)時(shí)間，既不會(huì)因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間太短而導(dǎo)致濾波不理想，又不會(huì)因?yàn)檠訒r(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng) 而導(dǎo)致資源浪費(fèi)。而且，延時(shí)程序不僅可以有效地消除開(kāi)關(guān)類信號(hào)的抖動(dòng)，還可以濾去干擾、噪音等其他尖峰波，抗干擾強(qiáng)，可靠性高。
如果電 路中存在多路輸入信號(hào)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到任意一路輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)即執(zhí)行延時(shí)程序，在執(zhí)行延時(shí)程序的過(guò)程中將檢測(cè)不到其他輸入狀態(tài)的變化，所以能夠識(shí)別的 動(dòng)作間隔不可能小于延時(shí)時(shí)間T，特別是當(dāng)多路輸入信號(hào)的狀態(tài)集中在短時(shí)間內(nèi)變化時(shí)，電路的性能會(huì)嚴(yán)重下降。并且，由于頻繁執(zhí)行延時(shí)程序，會(huì)影響系統(tǒng)的效率 和實(shí)時(shí)性。
2 判決濾波
判決濾波是一種基于概率統(tǒng)計(jì)的濾波方法。在采樣時(shí)鐘CLK 的控制下，每隔時(shí)間t 對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行一次采樣，并對(duì)時(shí)間T0內(nèi)采集到的n 個(gè)采樣值進(jìn)行判斷（ n = T0 /t） ，如果這n 個(gè)采樣值中高電平‘1’的個(gè)數(shù)百分比大于X，則輸出高電平; 相反，如果低電平‘0’的個(gè)數(shù)百分比大于X，則輸出低電平。
采用一個(gè)n 位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)判決濾波，寄存器各個(gè)位的值依次為采樣得到的n 個(gè)采樣值。寄存器的模型如圖6 所示。
圖6 寄存器模型
在圖6 中，n 個(gè)格子分別代表寄存器的n 個(gè)位，寄存器左側(cè)的數(shù)據(jù)為已經(jīng)處理過(guò)的數(shù)據(jù)，寄存器內(nèi)的n 個(gè)數(shù)據(jù)為正在處理的數(shù)據(jù)，寄存器右側(cè)的數(shù)據(jù)為即將處理的數(shù)據(jù)。每過(guò)一個(gè)采樣時(shí)間間隔t，數(shù)據(jù)依次向高位滑動(dòng)一位，最低位賦值為輸入信號(hào)當(dāng)前的狀態(tài)值。
如上述過(guò)程，寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)在不斷地更新，數(shù)據(jù)每滑動(dòng)一次，即對(duì)n 個(gè)采樣值進(jìn)行一次判斷，從而達(dá)到濾波的目的。由于干擾脈沖的隨機(jī)性，采到高電平和低電平的概率是相等的，所以，作為判斷依據(jù)的百分比X 不能小于50%。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使濾波更可靠，X 的取值一般都大于50%。
2. 1 判決濾波程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用一個(gè)9 位寄存器（ n = 9） ，每次判斷時(shí)只要‘1’的個(gè)數(shù)大于或等于5，則濾波輸出‘1’，否則輸出‘0’（ X = 5 /9） 。圖7 為判決濾波程序的流程圖。
圖7 判決濾波程序流程圖
主要的程序進(jìn)程如下：
2. 2 判決濾波程序仿真
同樣以開(kāi)關(guān)信號(hào)為例，在QuartusⅡ8. 0 軟件中仿真來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。圖8 和圖9 分別為對(duì)理想開(kāi)關(guān)信號(hào)和抖動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行判決濾波的仿真波形圖。
圖8 理想開(kāi)關(guān)信號(hào)判決濾波仿真波形
圖9 抖動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)判決濾波仿真波形
仿真結(jié)果顯示，此判決濾波程序也可以實(shí)現(xiàn)濾波目的。對(duì)比圖4 和圖9 可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)相同的抖動(dòng)脈沖進(jìn)行濾波，雖然兩種濾波方法都能有效濾除抖動(dòng)，但是濾波效果是不同的，判決濾波的實(shí)時(shí)性比較好。
2. 3 判決濾波程序?qū)嶋H驗(yàn)證
將此判決濾波程序同樣下載到XC3S400 芯片中去，用示波器多次測(cè)量，得到濾波后的開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)波形如圖10 所示。
圖10 判決濾波后的輸出信號(hào)波形
圖10 中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，每格代表5 μs，縱坐標(biāo)表示電壓，每格表示1 V。從圖中可以看出，開(kāi)關(guān)信號(hào)中的抖動(dòng)脈沖已被完全濾除，證明此判決濾波程序是實(shí)際可行的。
2. 4 判決濾波的特點(diǎn)
判決濾波既可以用來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)這類抖動(dòng)時(shí)間已知的信號(hào)進(jìn)行濾波，也可以對(duì)脈寬很窄的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波。在高速電路中，系統(tǒng)晶振常常在幾十兆赫茲左右，時(shí) 鐘寬度單位達(dá)到納秒級(jí)，這可以使判決濾波的采樣時(shí)間間隔t 達(dá)到納秒級(jí)，即寄存器的各個(gè)位可在幾十納秒內(nèi)重新賦值，從而達(dá)到消除窄脈沖干擾信號(hào)的目的。
2. 5 判決濾波程序的資源占用率
判決濾波程序在XC3S400 芯片中的資源占用情況如表2 所示。
表2 判決濾波程序的資源占用情況
對(duì)比表1 顯示的數(shù)據(jù)來(lái)看，兩種濾波方法的資源占用率都比較小，相對(duì)延時(shí)濾波程序而言判決濾波程序的資源占用率稍大一些。
3 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)證明延時(shí)濾波和判決濾波均能達(dá)到很好的濾波效果，在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)干擾信號(hào)的類型選擇合適的濾波方法。在實(shí)時(shí)性要求不是很高、干擾信號(hào) 脈沖寬度可估測(cè)的電路中，可以采用延時(shí)濾波法，既節(jié)省資源又能有效濾除干擾信號(hào); 在實(shí)時(shí)性要求比較高、運(yùn)行速度比較快、干擾信號(hào)脈沖寬度很窄的電路中，可以采用判決濾波法，既能有效濾波又能保證電路的效率。
