用LabVIEW FPGA模块实现不同时钟域的数据连续传输

摘要：为了解决基于LabVIEWFPGA模块的DMAFIFO深度设定不当带来的数据不连续问题，结合LabVIEWFPGA的编程特点和DMA FIFO的工作原理，提出了一种设定FIFO深度的方法。对FIFO不同深度的实验表明，采用该方法设定的FIFO深度能够比较好地满足系统对数据连续传输的要求。研究结果对深入展开研究和工程设计具有一定的指导意义。
关键词：LabVIEW FPGA模块；FIFO数据连续传输；时钟域

0 引言
20世纪80年代中期，NI公司推出了一种图形化的编程语言LabVIEW，并于2003年推出FPGA模块。该模块用于对NI公司RIO设备中的FPGA进行编译，使得工程师无需了解VHDL或其他底层硬件设计工具，就可以使用FPGA技术进行系统的设计。本文使用LabVIEW FPGA和PXIe-5641R中
频收发卡设计了一套中频信号生成系统。中频卡上的FPGA接收来自主控计算机的数据，并将其发送到上变频器AD9857。数据进入FPGA的速率高于传出的速率，持续的传输会造成数据的溢出，断续的传输可能会造成数据不连续。使用基于LabVIEW FPGA的DMA FIFO作为主控计算机和FPGA之间的缓存，若DMAFIFO深度设置的合适，FIFO不会溢出和读空，那么就能实现数据输出FPGA是连续的。
本文在介绍了LabVIEW FPGA模块程序设计特点的基础上，结合DMA FIFO的工作原理，提出了一种设定FIFO深度的方法，解决了FIFO溢出、读空的问题，实现了数据的连续传输。实验结果表明该方法正确、可行，程序设计满足系统对数据传输连续性的要求。

1 LabVIEW FPGA模块
LabVIEW FPGA是LabVIEW的一个子模块，使用该模块可以通过图形化的编程对NI公司RIO(Reconfigurable I／O)设备上的FPGA进行配置。图形化的程序直接在硬件上实现，通过对RIO设备上的I／O接口的控制，可以灵活地对I／O信号进行分析和处理，表现出比固定I／O硬件更加优异的特性。使用LabVIEWFPGA模块开发出来的系统具有开发周期短、结构模块化、升级方便等优点。例如，图1表示了一个用LabVIEW FPGA模块设计的程序，在FPGA上实现方波发生器。该方波发生器通过数字接口DIO_1输出方波，其占空比和周期可调。LabVIEW FPGA模块在程序的设计与实现上都展现出了极大的灵活性。

1．1 LabVIEW FPGA程序开发流程
使用LabVIEW FPGA模块开发应用程序的流程如图2所示。首先创建FPGA vi，之后用FPGA设备仿真器在主控计算机上运行程序，反复地调试、修改，直至程序正确无误。然后编译FPGA vi，并把程序下载到FPGA上。FPGA部分的程序完成后，再根据需要在主控计算机上创建用户界面程序Host vi，最终就完成整个系统的设计。

FPGA设备仿真器的打开方法是：首先在“项目浏览器”窗口中的打开“我的电脑”子菜单，右击子菜单中的“FPGA Target”并在快捷菜单中选择“Execute vion”下一级子菜单中的“Development Computer with Simulated I／O”。然后再在FPGA vi中点击“Run”按钮，这时程序在FPGA的设备仿真器上运行。
1．2 开发FPGA vi
发应用程序的第一步是创建用于配置PXIe-5641R板载FPGA的程序。在FPGA vi中可以实现算法逻辑，包括信号同步，定制数字通信协议，板载控制和预警处理判决机制等功能。通过LabVIEW FPGA模块，可使用LabVIEW开发环境和许多类似的功能。但是由于FPGA不支持浮点操作，所以LabVIEW FPGA模块较之LabVIEW完整Windows版开发软件缺少了一些操作符和分析函数。另外，由于PXIe-5641R板卡没有硬盘和操作系统，因此不支持文件I／O和ActiveX功能。LabVIEW FPGA模块的函数面板如图3所示。

硬件对象不管是FPGA设备还是FPGA仿真器，都可以访问LabVIEW FPGA函数。仿真器使用RIO设备的I／O接口，可在主机处理器上执行逻辑算法。检验vi设计中的一些简单性错误，避免不必要的反复编译，尤其是在程序比较大的时候可节省大量的时间，提高编程效率。也可使用仿真器验证vi的执行流程，但无法验证硬件的确定性，若需要验证硬件性能的确定性，必须对FPGA vi进行编译。与其他FPGA开发工具一样，根据应用程序的复杂程度和计算机资源的不同，编译步骤可能要花上几分钟到几个小时的时间。