FPGA与simulink联合实时环路系列—开篇

FPGA与simulink联合实时环路系列—开篇

　　作为网络上第一个开源此技术，笔者迫不及待地想将此技术分享出来，希望大家多多支持。笔者从2011年接触FPGA以来，从各个方面使用FPGA，无论是控制、图像视频、IC前端验证、仿真测试，各个部分都有所触及，2015年第一次接触到FPGA与matlab的硬件在环实时仿真，就对感受到技术的强大，虽然这里面还有很到的问题，但是作为最强大的仿真验证工具Matlab与最强大的可编程器件的结合，做仿真测试很方便的，可直接通过matlab产生测试信号或者通过matlab接收分析FPGA处理完成后的信号。

　　如今FPGA开发过程势必要涉及到一个过程：验证仿真，验证很多情况下是在Matlab上进行的，而仿真大部分初学者都是采用Modelsim仿真软件进行。比如设计一个信号滤波模块，验证该滤波模块是在Matlab上进行设计验证，得到该模块的设计参数和设计结构，然后再转换为RTL代码，再用Modelsim软件进行仿真，这个过程涉及到采用matlab软件产生待测试的信号，输入到RTL代码中，然后在通过Modelsim软件进行仿真得到处理后的信号，再将该信号输出到文件，最后通过Matlab软件分析处理后的信号的频谱，评估滤波效果。验证评估测试完成后，在综合下载到板上。该流程如下所示：

硬件在环 (Hardware in the Loop， HIL)是一种半实物实时仿真技术，实现整个系统的半实物实时仿真测试，可以方便快速实现设计方案的验证与优化，缩短开发周期，降低研发成本。HIL先后在航天航空、军事、汽车等领域得到推广应用。

硬件在环是一种半实物（FPGA）实时仿真（simulink）技术，利用该原理可以将FPGA和simulink联合起来，通过PC与FPGA的物理连线，实现FPGA和PC端simulink之间的通信，目前该物理连接方式有以太网和JTAG两中方式，其实这个连接的原理与Quartus II 的signaltap类似，都是在FPGA中生成相应的模块，负责信息数据的接收和发送来完成整个硬件在环的通信过程，如果之前接触过signaltap，理解起来就相对简单容易。

由此，采用硬件在环有什么好处呢？采用硬件在环就可以省略了modelsim这中间环节，在简单的实验中，直接进行板级验证，直接在simulink上的生成待测试的信号，再将待测试的信号，通过以太网或者JTAG接口传送到FPGA，然后再将FPGA处理后（采集到）的信号传送到simulink进行分析，由此加快RTL的设计验证过程。

同时，该方法也可以应用于图像/音频处理领域，通过FPGA采集图像/音频信号，再通过硬件在环传送回PC端的simulink（在此可以将FPGA视为一个采集预处理板卡的功能），然后在simulink端做处理和分析，由此可以降低购买图像或者音频采集板卡的成本，并且将PC端的simulink和FPGA联合起来形成一个实时的处理系统，具有很大的意义。

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