用一个时钟在FPGA中计算直方图

直方图对数字数据的分析通常是一种有用的工具。不过，要从一个直方图获得可靠的结果，必须获得大量数据，通常是要10万到100万个点。如果需要分析一个ADC的数字输出，可以采用一片FPGA（图1）。

　　图中显示了直方图、RAM和脉冲发生器部分，用于捕捉和显示基于14 位数据计算出来的直方图。RAM块是FPGA的内置RAM，而直方图块是用于计算的VHDL（高级设计语言）代码。本应用的VHDL代码也可以从http://www.edn.com/file/25820-Compute_a_histogram_in_an_FPGA_with_one_clock_code.doc下载。

　　来自ADC的14 位并行数据Device_ Data[13..0]进入直方图块，并进入RAM的Rd_Addr输入端。RAM在其地址位置RAMDataOut[ 15..0]上提供数据。这个数据环回到直方图块，将其加1后送至一个16 位数据的输出端DataOut[15..0]。当WREN（写使能）端为逻辑电平1时，数据被写在管脚Wr_Addr[13..0]处的地址。这种方法与数据来自Device_Data[13..0]是相同的。

　　RAM从输入到输出有一个固定的延迟。即，当输入为Rd_Addr时，经过一个固定延迟后，数据出现在其输出端RAMDataOut。这个延迟随不同FPGA而改变。要注意这个延迟，使得有两个时钟的延迟到Device_Data，然后再计算直方图。RAM中的延迟应小于两个时钟周期；否则，就可能有数据丢失。这个约束限制了Device_Clk的最大频率。

　　Cntr_Value给出了用于计算直方图的输入数据数量。Pulse_Gen块产生一个脉冲，进入输入端Rst_Cntr，用于复位计数器。此时，直方图部分再次用Cntr_Value的下组输入数据计算直方图。Cntr_Value为15 位，但可以增加它，获得更多的直方图数据。

　　Sel_Data与Rst_RAM信号是重置在FPGA RAM中存储的数据。当Rst_RAM脚出现高信号时，直方图块的DataOut脚的所有位均为0。当直方图块的Sel_Data输入脚为高信号时，RAM_Wr_Addr的输出不是Device_Data，而是一个从0上升至16384的内部生成的斜波。直方图块不做计算，因为这样做会重置RAM的地址。

图1，直方图计算电路从一个FPGA的RAM块中获取数据。

　　当FPGA完成了直方图计算时，RAM就可以选择Sel_ Data为逻辑高，而将保持Rst_ RAM为逻辑低，从而读取直方图数据。RAM地址中的数据顺序地退出输出脚，并且可以将数据传输给一台PC。由于所有块都以一个单时钟Device_Clk工作，因此本设计很简单，有助于满足时序的约束。可以方便地修改本设计，从而获得16 位或12 位数据直方图。