FPGA數(shù)字信號處理頻率采樣問題

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今天給大俠帶來在FPAG技術(shù)交流群里平時討論的問題答疑合集（二十一），以后還會多推出本系列，話不多說，上貨。

Q：FPGA數(shù)字信號處理問題，這樣處理可行嗎？在做項目的時候遇到一個問題，求大佬們解答一下。

要求對頻率范圍為5Hz到5000Hz的三路振動信號進(jìn)行采集，打算用一塊AD復(fù)用三個通道來進(jìn)行采集，采樣頻率打算用60KHz，那么每通道的實際采樣頻率是不是就是20KHz呢？這樣是不是就能滿足每通道采樣頻率為信號頻率的4倍呢？

對采集到的信號進(jìn)行fft處理，以得到指定頻率點(diǎn)的幅度值，指定的頻率點(diǎn)都集中在200Hz以內(nèi)，且都精確到了小數(shù)點(diǎn)后一位，也就是說頻率分辨率得是0.1才能將這些信號區(qū)分出來，這樣的話fft點(diǎn)數(shù)得是20K*2/0.1 ,達(dá)到了40萬以上(不知道我這樣算對不對)，那么fpga是不是沒辦法做了呢，我看7系fpga的fft ip核最大點(diǎn)數(shù)也就到65536。

如果我將采集到的數(shù)據(jù)通過一個數(shù)字濾波器，將200Hz以上頻率的信號全部濾除，再做fft，這樣可處理可行嗎？

A：以下是對問題的分析以及給出的一些小建議，僅供參考：

一、關(guān)于采樣頻率分配

如果用一塊 AD 復(fù)用三個通道進(jìn)行采集，采樣頻率為 60kHz，理論上平均分配給三個通道時，每通道的實際采樣頻率約為 20kHz。但在實際應(yīng)用中，由于復(fù)用的方式可能會引入一些不確定性，不能簡單地認(rèn)為完全平均分配。對于頻率范圍為 5Hz 到 5000Hz 的信號，一般來說，采樣頻率為信號最高頻率的 2 倍以上就能較好地還原信號，但為了更好的效果通常取 4 倍及以上。在這種情況下，20kHz 的采樣頻率對于 5000Hz 的信號滿足了 4 倍的關(guān)系。

二、關(guān)于 FFT 點(diǎn)數(shù)計算

對于頻率分辨率的計算方法基本正確。如果要區(qū)分出精確到小數(shù)點(diǎn)后一位且集中在 200Hz 以內(nèi)的頻率點(diǎn)，頻率分辨率為 0.1Hz 時，根據(jù)采樣頻率和頻率分辨率的關(guān)系（采樣頻率/FFT 點(diǎn)數(shù) = 頻率分辨率），F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)確實需要達(dá)到 20kHz/0.1 = 200000，遠(yuǎn)超過一般 FPGA 的 FFT IP 核最大點(diǎn)數(shù)。

三、關(guān)于數(shù)字濾波后再做 FFT

這種方法在一定程度上是可行的。通過數(shù)字濾波器將 200Hz 以上頻率的信號濾除，可以降低數(shù)據(jù)量和處理復(fù)雜度。但需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 數(shù)字濾波器的設(shè)計要合理，確保能夠有效地濾除不需要的頻率成分，同時對 200Hz 以內(nèi)的信號影響最小。

2. 濾波后的信號可能會出現(xiàn)一些失真或相位變化，需要評估這些影響對最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3. 即使經(jīng)過濾波，F(xiàn)FT 的點(diǎn)數(shù)仍然可能比較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化算法或考慮其他處理方式，比如分段處理再拼接結(jié)果等。

總之，這種處理方法有一定的可行性，但需要仔細(xì)設(shè)計和驗證各個環(huán)節(jié)，以確保滿足項目的要求。

Q：IIC協(xié)議中如何校驗ACK?在學(xué)51單片機(jī)，使用到at24c02這塊EEPROM芯片存儲，iic與單片機(jī)通信。對于主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)給從機(jī)，從機(jī)應(yīng)答，SDA=0。主機(jī)怎么校驗這個應(yīng)答位呢？需要自己寫函數(shù)嗎？

還有，在主機(jī)作為接收器，接收數(shù)據(jù)后應(yīng)答從機(jī)又是怎么檢驗的呢？

A：在 IIC 協(xié)議中，校驗 ACK（應(yīng)答位）的方法如下：

一、主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)后校驗從機(jī)應(yīng)答

1. 當(dāng)主機(jī)發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，會釋放 SDA 線（將其設(shè)置為輸入模式），并在 SCL 線上產(chǎn)生第 9 個時鐘脈沖。

2. 在這個時鐘脈沖期間，從機(jī)應(yīng)該將 SDA 線拉低以表示應(yīng)答（ACK），即 SDA = 0。如果從機(jī)拉低 SDA 線，主機(jī)可以讀取 SDA 線的狀態(tài)來判斷是否收到應(yīng)答。

3. 對于 51 單片機(jī)，可以通過編程設(shè)置相應(yīng)的 GPIO 口為輸入模式來讀取 SDA 線的狀態(tài)。如果讀取到的 SDA 值為 0，則表示從機(jī)應(yīng)答成功；如果為 1，則表示從機(jī)未應(yīng)答或出現(xiàn)錯誤。

在一些單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境中，可能已經(jīng)提供了 IIC 通信的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)通常會自動處理 ACK 的校驗。但如果沒有現(xiàn)成的庫函數(shù)，你可能需要自己編寫函數(shù)來實現(xiàn) ACK 的校驗。

二、主機(jī)作為接收器接收數(shù)據(jù)后應(yīng)答從機(jī)

1. 當(dāng)主機(jī)作為接收器接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)時，在接收到每個字節(jié)后，主機(jī)需要在 SCL 線上產(chǎn)生一個應(yīng)答脈沖。

2. 如果主機(jī)希望繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，它應(yīng)該在第 9 個時鐘脈沖期間將 SDA 線拉低以表示應(yīng)答；如果主機(jī)希望結(jié)束通信，它應(yīng)該將 SDA 線保持為高電平以表示非應(yīng)答（NACK）。

3. 同樣，對于 51 單片機(jī)，可以通過編程設(shè)置相應(yīng)的 GPIO 口為輸出模式，并根據(jù)需要將 SDA 線設(shè)置為低電平（應(yīng)答）或高電平（非應(yīng)答）。

校驗 ACK 的過程需要仔細(xì)考慮時鐘同步、數(shù)據(jù)傳輸的時序以及 GPIO 口的設(shè)置和讀取操作，以確保通信的準(zhǔn)確性和可靠性。

Q：這個Quartus軟件顯示問題怎么解決？我在Quartus上面進(jìn)行Verilog仿真，全編譯后查看RTL視圖，正常顯示應(yīng)該如圖1，但是我的電腦屏幕上面顯示的如圖2，有些內(nèi)容顯示不完整，看著很難受，這種問題應(yīng)該怎么解決？

A：這種情況可以嘗試以下幾種方法來解決：

一、調(diào)整軟件顯示設(shè)置

1. 嘗試調(diào)整 Quartus 軟件的窗口大小。有時候窗口過小過大可能會導(dǎo)致部分內(nèi)容顯示不完整?？梢允謩永齑翱谶吙颍词欠衲苁癸@示內(nèi)容完整呈現(xiàn)。

2. 檢查軟件的縮放設(shè)置。如果軟件支持縮放功能，可以嘗試調(diào)整縮放比例，看是否能改善顯示效果。通常可以在軟件的“視圖”或“設(shè)置”菜單中找到相關(guān)選項。

二、更新顯卡驅(qū)動

1. 過時的顯卡驅(qū)動可能會導(dǎo)致圖形顯示問題。訪問顯卡制造商的官方網(wǎng)站，下載并安裝最新版本的顯卡驅(qū)動程序。

2. 安裝完成后，重新啟動計算機(jī)，然后再次打開 Quartus 軟件，查看 RTL 視圖是否正常顯示。

三、檢查系統(tǒng)分辨率設(shè)置

1. 確保你的計算機(jī)系統(tǒng)分辨率設(shè)置合理。過高或過低的分辨率可能會影響軟件的顯示效果。

2. 嘗試調(diào)整系統(tǒng)分辨率，看是否能使 Quartus 軟件的 RTL 視圖正常顯示?？梢栽诓僮飨到y(tǒng)的“顯示設(shè)置”中進(jìn)行分辨率調(diào)整。

四、重新安裝 Quartus 軟件

1. 如果以上方法都無法解決問題，可以考慮重新安裝 Quartus 軟件。

2. 在卸載軟件之前，確保備份好你的項目文件和設(shè)置。然后按照正確的步驟卸載 Quartus 軟件，并清理殘留文件。

3. 下載較新且穩(wěn)定的版本的 Quartus 軟件（如18.0版本，并進(jìn)行安裝。安裝過程中，注意選擇正確的安裝選項和配置。安裝完成后，重新打開軟件，查看 RTL 視圖是否正常顯示。

如果多種方法嘗試都不行，卸載重裝最直接高效。

今天先整理三個問題答疑，后續(xù)還會持續(xù)推出本系列。