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1 V.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. 5 ms.這里根據實際情況，確定延時時間T = 2 ms.

　　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5 kHz時，TCLK = 0. 2 ms，要實現2 ms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2 ms，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1 V.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變化時即執行延時程序，在執行延時程序的過程中將檢測不到其他輸入狀態的變化，所以能夠識別的動作間隔不可能小于延時時間T，特別是當多路輸入信號的狀態集中在短時間內變化時，電路的性能會嚴重下降。并且，由于頻繁執行延時程序，會影響系統的效率和實時性。