FPGA tabanlı, yüksek hızlı sinyal işleme ve fonksiyon üreteci birimi tasarımı

Abstract

FPGA'lerin (Field Programmable Gate Array) geniş bir uygulama yelpazesi vardır. Sinyal işleme, fonksiyon üreteçleri ve ölçüm uygulamalarında da önemi giderek artmaktadır. Gelişmiş paralel işlem yetenekleri, yüksek performansları, düşük gecikme süreleri ve özelleştirilebilir donanım yapıları, FPGA'leri bu tür uygulamalar için ideal bir seçim haline getirir. Hassas frekans ve genlik ölçümleri, birçok sistemde kritik öneme sahiptir. Doğru sonuçlar elde etmek için güvenilir ve hızlı bir şekilde yapılması gerekir. Fonksiyon üretimi süreçlerinin doğru şekilde uygulanması da endüstriyel ve akademik alanlar gibi modern teknolojinin farklı birçok alanında oldukça önemlidir. Sinyal jeneratörü aracılığıyla dışarıdan sinüzoidal formda analog bir giriş sinyali uygulanmaktadır. Bu sinyal ADC (Analog - Dijital Dönüştürücü) aracılığıyla dijital bir sinyale çevrilmektedir. ADC'den aldığımız veriler bir taraftan DMA (Direct Memory Access) ile doğrudan hafızaya yazılmaktadır. Daha sonra DMA'in hafızaya yazdığı değerler arasından sinyalin tepe değeri tespit edilir. ADC'den aldığımız verilerden frekansı bulmak için ise bir frekans sayıcı bloğu kullanılır. En son olarak ölçülen frekans ve genlik tepe değeri verileri çıktı olarak ekranda yazdırılmaktadır. Tasarımımızı tamamladıktan sonra kurulan sistem üzerinde farklı birçok değerde ölçümler alındı ve uygulanan değerlere yakın sonuçlar elde edildi. Bu da tasarlanan sistemin başarılı bir şekilde frekans ve genlik ölçümünü yerine getirdiğini gösterdi. Uygulanan genlik değerlerinin ölçümleri %3,23 hassasiyetle gerçekleştirildi. Uygulanan frekans değerlerin de ise %0,87 hassasiyetle ölçüm yapıldı. Çalışmamızın ikinci kısmında FPGA tabanlı bir fonksiyon üreteci birimi tasarımı yapıldı. İstenilen frekans değerine sahip sinüzoidal dalga formunda sinyaller DAC (Dijital - Analog Dönüştürücü) kullanarak oluşturuldu. Tasarımımızda kullanıcı girişi ile frekans belirlenir. Kullanıcı Vitis programında oluşturulan komut satırında belirli bir frekans değerini girer. Bu frekans değeri, üretilecek sinüzoidal sinyalin frekansını belirler. Kullanıcı tarafından girilen frekans değeri C sürücüsü tarafından alınır. Daha sonra DDS Compiler bloğuna iletilmek üzere uygun bir formata dönüştürülür. Bu dönüşüm işlemi belirli bir formül kullanılarak gerçekleştirilir. İşlemci tarafında çalışan C sürücüsü çalışırken FPGA ile iletişim sağlar ve FPGA'nın belleğine erişir. DDS Compiler bloğuna frekans bilgisi gönderilir. DDS Compiler bloğu belirtilen frekansa sahip sinüzoidal sinyali üretmek için DDS (Doğrudan Dijital Sentezleyici) yöntemini kullanır. Bu yöntem, dijital olarak doğrudan sinyal üretimi yaparak yüksek hassasiyetle birlikte esneklik de sağlar. DDS Compiler bloğundan gelen dijital sinyaller, AXI4-Stream Red Pitaya DAC bloğuna iletilir. Bu blok, dijital sinyalleri analog bir formata dönüştürerek çıkışta sinüzoidal bir dalga formu üretir. Böylece FPGA tabanlı olarak istenen frekans değerine sahip sinüzoidal bir sinyal üretimi gerçekleştirilir.Farklı birçok frekans değerinde sinyaller oluşturuldu ve istenen değerlere yakın sonuçlar elde edildi. Bu da tasarlanan sistemin başarılı bir şekilde sinyal üretimini yerine getirdiğini göstermektedir. Belirlenen frekans değerlerinin üretimi %0.13 hassasiyetle gerçekleştirildi. Tasarlanan yapı sayesinde yüksek işlem gücü gerektirmeyen, karmaşık hesaplama yapılarına yer vermeden sonuç odaklı pratik bir uygulama ortaya konuldu.