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1、两种基于FPGA的软件滤波方法基于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。
2、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
3、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（ TT），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（ TT），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
4、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50s，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 /TCLK1.
5、图2为编写延时滤波程序的流程图。图1未经过滤波处理的开关信号图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：1. 3延时滤波程序仿真分别将开关信号din设置成理想信号和抖动信号，利用Quartus8. 0软件进行仿真，图3和图4分别为理想信号和抖动信号的延时滤波仿真波形图。
6、图3理想开关信号延时滤波仿真波形图4抖动开关信号延时滤波仿真波形图中clk为采样时钟，glrn为复位信号，din为开关输入信号，dout为延时滤波输出信号。从图3可以看出，从开关信号发生变化到输出发生变化的时间延时为2 ms，从图4中可以看出，此延时滤波程序有效消除了扭子开关的抖动干扰，验证了其理论可行性。1. 4延时滤波程序实际验证为了验证此延时滤波程序的实际滤波效果，将其下载到Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3S400中，用示波器多次测量经过滤波后的开关信号，得到图5所示的输出信号波形。图5中，横坐标表示时间，每格代表10s，纵坐标表示电压，每格表示1 V.从图5可以
7、看出，经过滤波后的开关信号不再有抖动现象，此延时滤波程序的实际可靠性得到验证。图5延时滤波后的输出信号波形1. 5延时滤波程序资源占用率在电子电路的设计中，FPGA的资源占用率是我们应该考虑的一个重要问题。如果FPGA的资源占用率太大，会加重FPGA的负担，影响整个电路的运行速度。表1为延时滤波程序在XC3S400芯片中的资源占用情况。表1延时滤波程序的资源占用情况1. 6延时滤波的特点延时滤波比较适合对脉冲宽度已知的干扰信号进行滤波，这样可以更准确地确定延时时间，既不会因为延时时间太短而导致滤波不理想，又不会因为延时时间过长而导致资源浪费。而且，延时程序不仅可以有效地消除开关类信号的抖动，还可以滤去干扰、噪音等其他尖峰波，抗干扰强，可靠性高。如果电路中存在多路输入信号时，当检测到任意一路输入信号状态发生变化时即执行延时程序，在执行延时程序的过程中将检测不到其他输入状态的变化，所以能够识别的动作间隔不可能小于延时时间T，特别是当多路输入信号的状态集中在短时间内变化时，电路的性能会严重下降。并且，由于频繁执行延时程序，会影响系统的效率和实时性。