基于fpga的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于FPGA數(shù)字電路設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的溫度計碼到二進 制碼的編碼轉(zhuǎn)換裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物理量的數(shù)字化一般是先由某一種機制將物理量轉(zhuǎn)化為一種中間數(shù)字碼字，再由 數(shù)字編碼技術(shù)將該中間碼字轉(zhuǎn)化為二進制碼（B:BinaryCode)輸出。一種常見的中間數(shù)字 碼字是溫度計碼（TMJhermometerCode)，將溫度計碼編碼為二進制碼（TM2B)是該類數(shù)字 化轉(zhuǎn)換器的必要組成部分。例如，閃速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（FlashADC)，使用電阻鏈構(gòu)成2n-1 個等間隔的基準(zhǔn)電壓，通過2N-1個比較器同時和輸入待轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號進行比較，比 較器輸出的結(jié)果即構(gòu)成溫度計碼。該溫度計碼有2Nfe，表現(xiàn)為連續(xù)若干個"1"（可想象為 溫度計的水銀柱）和剩余若干個"〇"組成，其中"1"的個數(shù)與被轉(zhuǎn)換模擬信號的值成正比。 TM2B編碼電路的功能就是將上述2"位的碼字編碼為N位的二進制碼，以方便轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸 出和應(yīng)用。對于實際的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，電路部件的非理想特性會造成轉(zhuǎn)換輸出的中間碼字是 非理想的溫度計碼，即"冒泡"現(xiàn)象。例如，理想的溫度計狀態(tài)序列應(yīng)該為…11110000…，但 由于實際電路缺陷的存在，溫度計碼有可能會出現(xiàn)…11010000…的狀態(tài)序列，即非理想的 溫度計碼，其中第一個0就是所謂的"冒泡"。實用的TM2B編碼電路必須具有一定的冒泡容 錯功能，以提高轉(zhuǎn)換器的抗噪聲和容錯能力。
[0003] 現(xiàn)有的TM2B編碼技術(shù)多是在ASIC芯片內(nèi)利用專門設(shè)計的電路實現(xiàn)。隨著 FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列：FieldProgrammableGateArray)技術(shù)的快速發(fā)展，基于FPGA 集成設(shè)計用戶特定需求的數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)越來越方便和可行。FPGA作為一種通用的數(shù) 字技術(shù)設(shè)計平臺越來越重要。由于FPGA芯片是由預(yù)先定義好的具有固定結(jié)構(gòu)的邏輯資源 組成的，將現(xiàn)有的TM2B編碼技術(shù)直接轉(zhuǎn)移到FPGA上實現(xiàn)，一般都會造成FPGA邏輯資源的 浪費或者是執(zhí)行效率的降低；前者對有效利用FPGA資源，提高用戶特定數(shù)字系統(tǒng)的集成度 不利，而后者則會造成數(shù)字轉(zhuǎn)換器的性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于FPGA芯片的，邏輯資源占用少、編碼速度快，并 具有足夠強的"冒泡"糾錯能力的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換裝置和方法。
[0006](二）技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明的一方面提出一種基于FPGA的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換方法， 所述溫度計碼具有2Nfe，所述二進制碼具有N位，N為自然數(shù)，所述方法包括：通過一個 逐位移動的窗口將所述溫度計碼切分得到2Nf窗口值，所述窗口的位寬為m，m為自然 數(shù)且2 <m< 2N，并通過依序排列所述窗口值所對應(yīng)的真值得到與所述溫度計碼對應(yīng)的 "one-hot"碼；以及將所述"one-hot"碼轉(zhuǎn)換為二進制碼。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，所有可能的窗口值與對應(yīng)的真值之間的轉(zhuǎn)換真值表 存儲于FPGA的邏輯資源LUT中。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，當(dāng)所述信號變化沿尋找電路用于尋找溫度計碼的上 升沿時，在所述真值表中，只有第一位是〇、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為1，其余窗 口值對應(yīng)的真值均為0 ;或者，只有第一位是0、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為0,其 余窗口值對應(yīng)的真值均為1 ;當(dāng)所述信號變化沿尋找電路用于尋找溫度計碼的下降沿時， 在所述真值表中，只有最后一位是〇、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為1，其余窗口值對 應(yīng)的真值均為〇 ;或者，只有最后一位是〇、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為〇,其余窗 口值對應(yīng)的真值均為1。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，所述"one-hot"碼到二進制碼轉(zhuǎn)換電路對于用" 1" 表示的"one-hot"碼，通過計算2N_i個"one-hot"碼字的邏輯"或"運算來得到二進制碼的 每一位的編碼；對于用"〇"表示的"one-hot"碼，通過計算2N4個"one-hot"碼字的邏輯 "與"運算來得到二進制碼的每一位的編碼。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，利用流水線結(jié)構(gòu)組合使用FPGA的LUT實現(xiàn)所述邏輯 "或"運算或者邏輯"與"運算，流水線的每一級是一個或若干個并行的依靠LUT而實現(xiàn)的邏 輯"或"運算或邏輯"與"運算。
[0012] 本發(fā)明的另一方面提出的是一種基于FPGA的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換裝 置，所述溫度計碼具有2^立，所述二進制碼具有N位，N為自然數(shù)，所述編碼轉(zhuǎn)換裝置包括信 號變化沿尋找電路和"one-hot"碼到二進制碼轉(zhuǎn)換電路，其中，所述信號變化沿尋找電路通 過一個逐位移動的窗口將所述溫度計碼切分得到2Nf窗口值，所述窗口的位寬為m，m為自 然數(shù)且2 <m< 2N，并通過依序排列所述窗口值所對應(yīng)的真值得到與所述溫度計碼對應(yīng)的 "one-hot"碼；所述"one-hot"碼到二進制碼轉(zhuǎn)換電路用于將所述"one-hot"碼轉(zhuǎn)換為二 進制碼。
[0013] (三）有益效果
[0014] 本發(fā)明充分利用FPGA所提供的邏輯資源及其結(jié)構(gòu)，高性能地實現(xiàn)了TM2B編碼，具 有很強的"冒泡"糾錯能力，而且使FPGA的資源利用率最高。本發(fā)明對提高物理量數(shù)字轉(zhuǎn) 換器的性能，同時提高FPGA上設(shè)計實現(xiàn)的數(shù)字處理系統(tǒng)的集成度有重要意義，具有重要的 應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的一個實施例的基于FPGA的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換裝置 的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016] 圖2為本發(fā)明所述實施例提供的Kintex-7FPGA基本查找表結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明所述實施例提供的使用滑動窗結(jié)構(gòu)尋找信號變化沿原理示意圖；
[0018] 圖4為本發(fā)明所述實施例提供的使用流水線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)128位邏輯"或"運算結(jié)構(gòu) 示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明提出一種基于FPGA的溫度計碼到二進制碼的編碼轉(zhuǎn)換方法和相應(yīng)的編碼 轉(zhuǎn)換裝置。在此，我們設(shè)溫度計碼具有2^立，二進制碼為N位，N為自然數(shù)。
[0020] 為避免"冒泡"現(xiàn)象的干擾，本發(fā)明采用滑動窗法先將溫度計碼轉(zhuǎn)換為一個 "one-hot"碼，然后，本發(fā)明將所述"one-hot"碼轉(zhuǎn)換為二進制碼。"one-hot"碼就是除了 其中的一個位、其他的位均相同的編碼，例如…00001000…，或者…111110111…。前者也可 稱為由" 1"表示的"one-hot"碼，后者也可稱為由"0"表示的"one-hot"碼。獲得與溫度 計碼對應(yīng)的"one-hot"碼的過程其實就是尋找信號變化沿的過程。因此，本發(fā)明的裝置可 通過一個信號沿變化尋找電路來實現(xiàn)該過程。
[0021] 具體來說，本發(fā)明的滑動窗法首先通過一個逐位移動的窗口將所述溫度計碼切分 得到2,窗口值，所述窗口的位寬為m，m為自然數(shù)且2彡m彡2 N，并通過依序排列所述窗 口值所對應(yīng)的真值得到與所述溫度計碼對應(yīng)的"one-hot"碼。
[0022] 為了消除"冒泡"的影響，本發(fā)明規(guī)定，當(dāng)所述信號變化沿尋找電路用于尋找溫度 計碼的上升沿時，只有第一位是0、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為1，其余窗口值對應(yīng) 的真值均為0 (對于由" 1"表示的"one-hot"碼）；或者，只有第一位是0、其余位均為1的 窗口值對應(yīng)的真值為0,其余窗口值對應(yīng)的真值均為1 (對于由"0"表示的"one-hot"碼）； 同樣的道理，當(dāng)所述信號變化沿尋找電路用于尋找溫度計碼的下降沿時，只有最后一位是 〇、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為1，其余窗口值對應(yīng)的真值均為〇(對于由"1"表示 的"one-hot"碼）；或者，只有最后一位是0、其余位均為1的窗口值對應(yīng)的真值為0,其余 窗口值對應(yīng)的真值均為1 (對于由"0"表示的"one-hot"碼）。所有可能的窗口值與對應(yīng)的 真值之間的轉(zhuǎn)換真值表存儲在FPGA邏輯資源的LUT中。
[0023] 本發(fā)明的轉(zhuǎn)換裝置可以通過一個"one-hot"碼到二進制碼轉(zhuǎn)換電路將"one-hot" 碼轉(zhuǎn)換為二進制碼。所述"one-hot"碼到二進制碼轉(zhuǎn)換電路對于用" 1"表示的"one-hot" 碼，通過計算個"one-hot"碼字的邏輯"或"運算來得到二進制碼