成功案例

移動駕駛工具座艙圖形板開發

本項目採用 ALTERA EP2C35F484C8 FPGA 與 DSP（數位訊號處理器） 協同設計的硬體架構。兩顆核心處理器之間通過 雙端口 RAM（雙端連接） 進行高效數據通訊與協作。

無線電測試板高速AD採集開發

採用ALTERA與CPLD，實現對1G至40G無線電信號的處理。

高速AD採集板卡

FPGA選用Xilinx公司Zynq-7系列SoC家族中的XC7Z100-2FFG900。
專案實現透過204B介面達成3GS/s、14位元的高速AD採集；將AD採集到的數據進行濾波，判斷出預定的有效數據段，並透過片上系統將有效數據段經由網路接口傳送至主機進行後續處理。

安陸PH1A100標準板卡開發

採用PCIe介面擴充；支援千兆自適應網路通訊；具備SFP光電通信等功能。

PCIe擴充HDMI顯示板卡

FPGA選用Xilinx公司XC7A200T-2FBG676I。專案目標是透過PCIe介面實現一路1920×1080解析度的HDMI影像顯示。

DSP TMS320C6713BGDPA200 + FPGA EP2S30F672I4N 影像處理

輸入DVI信號，採用TFP401AMPZPEP與DS16EV5110ASQE進行DVI信號調理。

DSP EP2S30F672I4N 感測器數據處理

輸入DVI信號，採用TFP401AMPZPEP與DS16EV5110ASQE進行DVI信號調理。

5CEFA7F27I7N FPGA + i.MX6Q + DDR3 + 千兆乙太網通訊

FPGA負責畫面輸出，i.MX6Q負責信號處理。

解決方案

垂直整合整條產業解決方案，直接打中你的商業痛點

高端裝備製造產業

高端裝備製造產業

透過 FPGA 的靈活性與快速響應能力，實現客製化的運動控制、機器視覺、感測器融合、高速通訊與安全關鍵功能，推動製造業自動化與智能化的深入發展。

生物製藥工藝

生物製藥工藝

透過 FPGA 的高速資料處理與精確控制能力，優化生產流程、實現自動化監控與品質控制，從而提升製藥過程的效率與藥品的一致性與安全性。

檢測檢驗

檢測檢驗

透過 FPGA 的快速並行處理與即時響應特性，實現對複雜資料的即時分析與精確控制，從而提高檢測速度、準確性與自動化水準，特別是在需要快速反饋與處理的高端檢測系統中。

機器人

機器人

利用 FPGA 的並行處理能力與即時性能，為機器人提供快速、靈活的運動控制、感知資料處理與智慧決策支援，從而增強機器人的響應速度、精確度與適應複雜任務的能力。

新能源

新能源

透過 FPGA 快速的資料處理與靈活的邏輯控制能力，實現能源轉換效率的優化、電網的穩定運行與能源管理系統的智慧化。

新材料

新材料

透過 FPGA 高度可客製化與快速響應的特性，能夠為材料特性分析、生產過程控制與品質檢測提供精確的即時資料處理與控制邏輯，從而加速新材料研發進程並提升生產效率。

合作夥伴

FPGA開發的功能介紹

邏輯設計

FPGA 軟體開發可進行邏輯設計，實現各種邏輯功能與演算法，如數位訊號處理、影像處理、加密解密演算法等。

數位電路設計

FPGA 軟體開發可進行數位電路設計，實現各種數位電路功能，如計數器、暫存器、時序電路等。

高速資料傳輸

FPGA 軟體開發可實現高速資料傳輸，透過 FPGA 內部的高速匯流排與協定，達成高速資料傳輸與通訊。

系統整合

FPGA 軟體開發可進行系統整合，將各種硬體與軟體資源整合至單一 FPGA 晶片中，實現系統功能與效能最佳化。

即時處理

FPGA 軟體開發可實現即時處理，利用 FPGA 的高並行性與高速度，達成即時處理與即時響應，如視訊處理、音訊處理等。

嵌入式系統

FPGA 軟體開發可用於嵌入式系統，實現各種嵌入式系統的功能與效能最佳化，如機器人、智慧家居、智慧交通系統等。

低功耗設計

FPGA 軟體開發可實現低功耗設計，透過對 FPGA 內部電路與訊號的最佳化，達成低功耗與節能設計。

AI 加速

FPGA 提供了一種硬體層級的加速方式，可執行複雜的數學運算與資料處理任務。

由你創優勢

雄厚的公司實力

100+ 專業技術團隊，自建 2000 ㎡研發中心，36 年企業歷史，可提供長期穩定的研發服務。

專業的開發團隊

我們的研發團隊擁有 12 年產業經驗。 提供從 諮詢、需求收集 到 UI 設計、原型設計、測試與部署 的 全方位服務。

高管直接責任制

透過專案監控及客戶服務機制，公司高管直接對客戶負責，保證專案出品。

全流程風險管理把控

美國 PMP、ACP 專案管理資質專案管理團隊，從可行性分析（風險排查）→ 初版交付（風險驗證）→ 實施部署（風險關閉），全面評估把控風險，確保專案成功交付。

ISO9001 品質管制體系認證

由你創邁上了高標準品質管制體系新臺階，服務流程規範，專案品質有保障，為您提供優質、靠譜的客製化研發服務。

生產加工配套服務

機械加工 + SMT 貼片中心

FPGA 專案開發流程

客戶需求
驗收標準

方案設計
PCB 設計
SMT 表面黏著技術焊接

系統與驅動程式除錯

燒機測試
客製板卡交機

遠端支援
到府支援

| FPGA 開發的特色

◆ 超硬派：FPGA 開發是「面向硬體」的工作，要寫 HDL（硬體描述語言）來做邏輯設計，跟在電腦上寫軟體差很大。

◆ 超高並行性：FPGA 天生就是平行怪獸，能一次處理大量資料，運算效率跟速度都飛起來。

◆ 資源有限：FPGA 的硬體資源是固定的，開發時得斤斤計較，做最佳化跟壓縮，才能把每一分資源榨乾。

◆ 特定場景專用：FPGA 通常用在高效能運算、即時處理、嵌入式系統這類需要硬實力的場合，一般軟體開發反而用不到。

◆ 功力要夠：要玩 FPGA，得先熟 HDL、數位電路設計這些硬底子功夫，還得累積不少實戰經驗。

| FPGA 開發的應用功能

◆ 邏輯設計：能實現各種邏輯功能與演算法，像是數位訊號處理、影像處理、加解密等。

◆ 數位電路設計：直接生出計數器、暫存器、時序電路等常見數位電路。

◆ 高速資料傳輸：利用 FPGA 內部的高速匯流排與通訊協定，衝出高速傳輸。

◆ 系統整合：把各種硬體、軟體資源全部塞進同一顆 FPGA，功能、效能一次到位。

◆ 即時處理：靠 FPGA 的高並行、高時脈，做影像、音訊等需要即時回應的應用。

◆ 嵌入式系統：用在機器人、智慧家電、智慧交通等嵌入式場景，效能再升級。

◆ 低功耗設計：透過內部電路與訊號優化，做出省電又節能的解決方案。

| 為什麼選我們？

我們是專攻 FPGA 軟硬體整合的高科技公司，百人研發團隊個個都是老經驗。服務橫跨工業控制、資料數位化、自動化系統、儀表電控、資料擷取與監控、AI、通訊等領域，軟硬通包。
專業 PM 團隊導入先進專案管理與最新軟體技術，替你的產品落地與研究專案撐腰，讓成果直接轉成可量化的商業價值。

| FPGA 開發的主要應用領域

通訊：
FPGA 可以高速處理海量資料流，支援多種通訊協定，還能隨需求快速調整與優化，完全不怕規格變來變去。

工業：
在工業現場，FPGA 能搞定自動化控制、機器視覺、運動控制等任務，讓產線效率跟品質一起衝高。

消費性電子：
不管是高畫質影像還是高解析音訊，FPGA 都能提供流暢又省電的處理方案，直接升級使用者體驗。

人工智慧：
AI 時代少不了 FPGA！它能硬體加速深度學習，讓神經網路訓練更快、推論更即時。

資料中心：
資料中心用 FPGA 來加速運算跟分析，整體效能跟能耗比都能再上一層樓。

資訊安全：
需要高速加解密或身分認證？FPGA 的硬體級安全模組讓資料防護又快又穩，駭客只能乾瞪眼。

|FPGA 乙太網路控制板卡開發流程

| FPGA 開發板品牌

• 高速資料擷取： 如 ADC/DAC 介面驅動程式。
• 通訊協定轉換： PCIe、USB、Ethernet 等通訊協定堆疊 (Protocol Stack) 的實作。
• 客製化周邊裝置控制： 如工業相機影像感測器驅動程式、馬達控制訊號產生等。

| FPGA 開發的特點介紹

◆ 硬體導向： FPGA 開發（韌體開發）本質上是硬體導向的開發方式。需編寫硬體描述語言 (HDL) 程式碼，進行邏輯設計與實作，與傳統的軟體開發有顯著差異。

◆ 高度平行處理： FPGA 開發能充分利用 FPGA 的平行運算能力，實現高度平行化的資料處理與演算法運算，具有極高的效率與速度。

◆ 硬體資源受限： FPGA 的硬體資源（如邏輯閘 (Logic Cells)、記憶體區塊 (BRAM)、DSP 切片）是有限的。因此在開發時，必須充分考量硬體資源的使用狀況，進行優化與資源壓縮，以最大化 FPGA 資源的利用率。

◆ 適用於特定應用場景： FPGA 開發主要適用於特定高要求的場景，如高效能運算 (HPC)、即時 (Real-time) 處理、嵌入式系統等領域，並非一般性軟體開發的解決方案。

◆ 需具備專業知識： FPGA 開發需要深厚的專業知識與技能，必須熟悉硬體描述語言 (HDL)、數位電路設計、時序分析 (Timing Analysis) 等相關知識，並累積一定的實務經驗。

| FPGA 韌體開發的功能介紹

◆ 邏輯設計： 可實現各種邏輯功能與演算法，如數位訊號處理 (DSP)、影像處理、加解密演算法等。

◆ 數位電路設計： 可實現各種數位電路功能，如計數器 (Counter)、暫存器 (Register)、時序電路 (Sequential Circuit) 等。

◆ 高速資料傳輸： 可透過 FPGA 內部的高速匯流排與通訊協定（如 Aurora, JESD204B, PCIe Gen DMA），實現高速資料傳輸與通訊。

◆ 系統整合： 可將各種硬體元件與軟體功能整合至單一 FPGA 晶片中，實現系統功能整合與效能最佳化。

◆ 即時處理： 利用 FPGA 的高度平行性與高速運算能力，實現嚴格的即時處理與即時響應，例如視訊串流處理、音訊處理、控制迴路等。

◆ 嵌入式系統應用： 廣泛應用於嵌入式系統，實現其核心功能與效能最佳化，例如機器人控制、智慧家庭裝置、智慧交通系統等。

◆ 低功耗設計： 可透過對 FPGA 內部電路架構與訊號處理流程的優化，實現低功耗與節能設計。

| 選擇「由你創」進行 FPGA 開發的理由？

由你創是一家專注於 FPGA 韌體開發與硬體開發 的 高科技企業。我們擁有 逾百人的專業開發團隊，具備 多年的韌硬體開發實務經驗。服務範圍涵蓋 工業控制/數據資訊化、自動化系統控制、儀錶控制與電氣量測、數據擷取/狀態監控、人工智慧 (AI)、通訊 等多個領域的 完整韌硬體開發解決方案。

我們的 專業服務團隊，整合了 先進的專案管理方法 與 前沿的軟體技術，為企業的 產品應用實施 與 研發專案 提供 堅實的支援，協助客戶實現 可量化的商業價值。

| FPGA 開發主要應用領域

通訊
FPGA 可以高速吃資料、吐資料，協定要換就換，現場就能重配，完全不怕客戶臨時改規格。

工業
工廠自動化、機台控制、AOI 視覺檢測，靠 FPGA 把產線升級成「快又穩」的賺錢機器。

消費性電子
從電視到 Soundbar、從投影機到 AR 眼鏡，影音效果要猛、延遲要低，工程師通通塞 FPGA 搞定。

AI 人工智慧
深度學習推論要飛快？把模型燒進 FPGA，速度直接噴發，老闆看到報表笑呵呵。

資料中心
巨量資料搬不完？用 FPGA 做 SmartNIC 或 DPU，網路加速、即時分析一次到位，省電又省荷包。

資安
加解密、身分認證要快又要安全，FPGA 直接做成硬體加速器，駭客只能乾瞪眼。

| FPGA開發流程

| FPGA 開發板品牌

現代數位接收機 FPGA 核心板，簡單講就是把「軟體無線電」的精神整碗端進來，用模組化思維讓系統超級彈性。整體切成四層：RF 前端、高速 ADC、FPGA 大腦、高速介面，一路把訊號從天線端到電腦端打通。重點是「多通道同步」——時脈網路得喬到讓通道間誤差 <1 ps，這樣搞波束成形（DBF）或測到達角（DOA）才不會歪掉。

1.1 數位接收機核心架構

• RF 前端：把天線抓到的 GHz 訊號降頻到 70 MHz 中頻，順便濾雜訊。差分走線讓雜訊進不來，動態範圍也一起拉高。
• 高速 ADC：門面擔當！建議直上 AD6645，14-bit、105 MS/s，SFDR 89 dBc、SNR 73.5 dB，電戰、通訊偵蒐都夠用。
• FPGA 大腦：DDC、Channelizer、解調全部即時處理。拿 Xilinx Virtex-5 或 Intel(Altera) Stratix II EP2S60 來刻，48K ALUT + 144 個 18×18 乘法器，多通道平行吃到飽。
• 高速介面：32-bit PCI 或 Gigabit Ethernet 先頂著用，資料量再大就加 DDR3 Controller，衝 1 Gbps 持續吞吐沒問題。

1.2 核心板設計眉角

PCB 怎麼擺最關鍵！類比、數位分區但不分割，底層全部鋪銅接地，EMI 直接壓下去。ADC 時脈走 LVPECL、差分傳輸、AC 耦合，線長最短再用 guard trace 包起來，抖動才壓得住。高檔案子直接上 12 層板，獨立電源、地層伺候，訊號完整性才過關。

二、關鍵硬體選型與資源優化策略

2.1 FPGA 晶片選型分析

數位接收機核心板的整體效能，很大程度取決於 FPGA 晶片的挑選。依據不同應用場景，建議採用下列策略：

• 若為寬頻監測接收機（瞬時頻寬 > 500 MHz），首選 Xilinx Virtex-5 系列。它內建的 RocketIO GTP 收發器可跑 3.125 Gbps 的串列傳輸，能直接對接 2 GSPS ADC 的串列輸出，不用再額外轉接。
• 若是成本導向的應用，例如軟體定義無線電接收機（SRFM），則可考慮 Spartan-3E 系列。以 90 nm 製程的 Spartan-3E 1600E 為例，邏輯單元約 16 k，DSP48 數量也夠用，能完成基本的數位下變頻與 FM 解調，價格相對親民。

在高階應用端，Virtex-5 或 Stratix II 等旗艦 FPGA 透過「多核心並行架構」大幅提升處理量。實務上，一張核心板常會塞兩片或三片 FPGA。舉例來說，某通道化陣列接收機就採用三顆 Altera EP2S60 並聯：每顆 FPGA 負責一路中頻訊號，再透過 PCI 介面把資料統一匯出。重點在於資源的精細分工：把 DDC 裡的 CIC 濾波器、混頻器等吃資源的大戶拆散到不同晶片，同時保留全域控制邏輯的備援，確保系統穩定。

2.2 高速 ADC 選型要點

ADC 的挑選得在「取樣率、解析度、功耗」這三個核心參數之間取得平衡：

• 取樣率：照奈奎斯特定理，取樣率至少要是訊號最高頻率的兩倍。但實務上我們更常用「帶通取樣」（也就是欠取樣），例如 70 MHz 的中頻訊號，只要 102.4 MS/s 就能搞定，後續資料量瞬間少一大截。
• 解析度：在電子戰這種需要超大動態範圍的場合，14-bit 是基本門檻（像是 AD6645）。它 89 dBc 的 SFDR 能把微弱訊號跟強干擾分得乾乾淨淨。
• 功耗與介面：AD6645 在 5 V 供電下只吃 710 mW，還直接給你差分 LVDS 輸出，訊號線一拉就能接到 FPGA 的高速 IO Bank。如果頻率再高，就得用 8-bit 的 AD9288，取樣率衝到 100 MS/s 以上，但動態範圍就得讓步。

2.3 時脈系統設計

低抖動時脈是餵飽 ADC 的命脈。整個系統用 102.4 MHz 主石英震盪器，再透過「零延遲時脈分配器」（CY2309）生出多路同源時脈：三條單端時脈直接餵進 FPGA 的全域時脈網路，另一條經 ICS8375 轉成差分 LVPECL 時脈專門餵 ADC。這招最大的好處就是「多板同步」——子板只要從母板的時脈輸出端子抓同源時脈，整個陣列天線的各通道就能對到亞奈秒等級，DBF（數位波束成形）才有得玩。

三、訊號處理演算法實作與優化

3.1 數位下變頻（DDC）高效率實作

數位下變頻是把中頻訊號搬移到基頻的核心步驟。傳統 DDC 由數控振盪器（NCO）、數位混頻器與低通濾波器組成，但在 FPGA 實作時常遇到資源吃緊和運算速度瓶頸。我們的優化方案採用「多級降取樣」架構：

• 第一級用 5 級 CIC 積分梳狀濾波器做大倍率降取樣（例如 8 倍）。
• 第二級接半帶濾波器（HB），再砍 2 倍。
• 最後用 FIR 補償濾波器把通帶衰減補回來。

CIC 濾波器因為完全不用乘法器，特別適合高速處理，其轉移函數為：

H(z) = (1 – z⁻ᴰ)ᴺ / (1 – z⁻¹)ᴺ

其中 D 為降取樣倍率，N 為級數。實際在 FPGA 上實作時，得先搞定資料位元寬度膨脹的問題——我們依照 Hogenauer 提出的「位元寬度成長公式」來計算內部暫存器該用幾個 bit，才不會讓訊號爆掉。
B_internal = B_input + N·log₂(D·M)

B<sub> 為輸入位元寬度，M 為差分延遲（通常為 1）。
舉例來說，14-bit ADC 的輸出經過 5 級 CIC 降取樣（D = 8）時，內部位元寬度必須擴充到 14 + 5 × log₂(8) = 29 bit，才能避免累加溢位。

NCO 的實作主要有兩種做法：

1. 查表法（LUT）：把 1/4 週期的正弦波存進記憶體，再利用對稱性拼出完整波形，缺點是需要吃掉不少 Block RAM。
2. CORDIC 演算法：透過座標旋轉迭代來計算 sin/cos，只需要移位器和加法器，就能省下大量硬體資源。
   以 90 MHz 時脈為例，CORDIC 迭代 14 次即可產生解析度 0.1 Hz 的 2 MHz 本地震盪訊號，完全符合高精度需求。

3.2 通道化處理架構

多相濾波通道化是寬頻接收機的核心技術，用來解決高速取樣與即時處理之間的矛盾。它的巧妙之處在於把「濾波」與「降取樣」的順序對調，運算量瞬間大降。假設輸入訊號 x(n) 被切成 D 個子通道，整個多相濾波器組的架構就長這樣：

yₖ(n) = [x(nD-k) * h₀(nD+k)], k=0,1,…,D-1

其中 h₀ 為原型低通濾波器係數。
實務上，我們先用 MATLAB 設計一顆 16,383 階 FIR 濾波器：通帶截止 12.5 kHz、過渡帶 11 kHz、阻帶衰減 −100 dB。
在 FPGA 裡則利用「多相分解」把長濾波器係數拆成 8 條並聯路徑（E₀～E₇），每條路徑只要存 2,048 個係數，記憶體瞬間省很大。

某套實際系統在 Stratix II FPGA 上完成 8 通道處理，子通道頻寬 25 kHz。實測結果：輸入 70 MHz 與 70.025 MHz 雙音訊號，系統能清楚把兩者分開，頻率解析度達 25 kHz，帶外抑制 > 55 dB。
若頻段更寬（如 875 MHz 系統），則採「通道重疊」技術消除盲區：靠精準設計濾波器的滾降特性，讓相鄰通道在 −3 dB 點重疊，確保全頻段連續覆蓋。

3.3 多速率訊號處理

降取樣與內插是數位接收機的核心操作。高效實作的黃金原則是「先濾波、後降取樣」，避免頻譜混疊。
CIC 濾波器因為不用乘法器，最適合拿來當降取樣的第一關，但通帶衰減得靠後級補償。以導航抗干擾接收機為例，採用「五級串接 CIC（降 2 倍）→ 半帶濾波器（HB）→ 補償 FIR」的三級架構，整體再降 4 倍。

半帶濾波器是一種特殊 FIR，將近一半係數為 0，實作複雜度只剩一般 FIR 的 30%。
只要在 ISE 開發環境裡呼叫 FIR Compiler IP，載入 MATLAB 產生的定點係數檔（.coe），就能自動產生最佳化的濾波器電路。

四、抗干擾與同步技術

4.1 頻域抗干擾技術

在複雜電磁環境下，抗干擾能力是接收機的關鍵指標。我們在 FPGA 裡實作一套「頻域干擾抑制」演算法，流程如下：

先把訊號加窗（常用 Hamming 窗），降低頻譜洩漏。接著做即時 FFT，把訊號轉到頻域。

干擾偵測模組會用「自適應門檻」來抓干擾：

Threshold = μ + k·σ

其中 μ 為頻譜平均值，σ 為標準差，k 可依環境動態調整（實務上常設 3–5）。只要頻譜超過這條門檻，就把該頻點直接歸零；接著做 IFFT 把訊號拉回時域。整個架構採用「DSP＋FPGA」分工：FFT 與 IFFT 這種大量平行運算交給 FPGA，門檻自適應等複雜控制邏輯則由 DSP 負責，兩邊各司其職，效能最大化。

4.2 直序展頻（DSSS）抗干擾實作

直序展頻接收機靠「偽隨機碼」去做關聯處理，換得展頻增益，把抗干擾能力拉起來。在 FPGA 上要搞定兩大難題：PN 碼擷取與載波同步。

• PN 碼擷取：用「滑動關聯法」一次平行算很多相位偏移的關聯值。以 32.64 MHz 取樣率對 4.08 Mchip/s 的 PN 碼來說，每個 chip 取 8 個點；透過 1,024 個平行關聯器，FPGA 能在約 100 µs 內完成快速擷取。
• 載波同步：採用 Costas 環結構，由數位鑑相器、迴路濾波器與 NCO 組成。FPGA 實作時用「管線優化」縮短關鍵路徑：在乘法器之間插多級暫存器，把系統時脈衝上 150 MHz 以上。

某款直序展頻接收機在 ProASIC Plus FPGA 上完成，靈敏度做到 -30 dBm 時誤碼率 < 10⁻⁵，體積跟手機差不多，完全符合可攜式設備需求。

4.3 板級同步技術

多板協同作戰時，「精準同步」是波束成形等應用的地基。系統採用三層同步機制：

• 時脈同步：主板的 102.4 MHz 時脈經 CY2309 分配後，透過專用介面送到子板，板間時脈誤差 < 50 ps。
• 取樣同步：所有板子的 ADC 共用同一顆取樣時脈（由 ICS8375 產生的差動 LVPECL），確保取樣時刻對得齊。
• 訊框同步：FPGA 之間拉一條專用 PPS 訊號線，用來標記資料訊框的起始點，誤差控制在 1 個時脈週期內。

五、開發驗證與效能優化

5.1 開發流程與工具鏈

數位接收機 FPGA 採模組化流程，以 Verilog HDL 或 VHDL 做 Top-Down 設計：

• 演算法建模：先在 MATLAB / Simulink 建立浮點模型，驗證整條訊號處理鏈。重點模擬濾波器響應（CIC、HB、FIR）與通道分割效果。
• 定點量化：把浮點係數轉成定點格式（如 Q15），評估量化雜訊。多相濾波器係數至少 16-bit，才能保證 −55 dB 帶外抑制。
• RTL 實作：用 Vivado 或 Quartus 撰寫可合成程式碼；複雜模組（如 NCO）可直接呼叫 IP Core（DDS Compiler）加速開發。
• 功能模擬：以 ModelSim 跑時序模擬，灌入測試向量（如 70 MHz 單音）檢查各節點波形。
• 線上除錯：透過 ChipScope Pro 插入虛擬邏輯分析儀，即時抓取 FPGA 內部訊號（如 DDC 輸出的 I/Q）。頻寬不足時可用條件觸發暫存。

5.2 效能評估指標

核心板得經過標準化測試：

• 動態範圍：以雙音測試量測無雜散動態範圍（SFDR），AD6645 平台典型值 > 89 dBc。
• 訊噪比（SNR）：輸入純淨單音時，中頻 70 MHz 處 SNR > 73.5 dB。
• 通道隔離度：多通道系統需量測相鄰通道抑制比，多相濾波架構可達 > 55 dB。
• 資源利用率：高階 FPGA 中，DDC 模組約占用 50–70 % Slice 資源，預留餘裕方便後續擴充。

5.3 除錯與優化對策

針對常見問題給解法：

• 時序違例：在 DDC 混頻器後插入 Pipeline Register，把關鍵路徑切成多段短延遲。
• 資料溢位：CIC 濾波器的累加器改用飽和加法器，防止極端情況累加爆掉。
• 功耗優化：低速通道開啟 Clock Gating，靜態功耗可降 30–40 %。Stratix II 上，未使用的 Bank 也能設為低耗模式。
• 電磁相容：ADC 取樣電路四周鋪接地銅箔，數位走線避開類比區；電源入口放 π 型濾波器，降低雜訊干擾。

測試驗證階段直接拉到真實場景驗收：
把一台通道化接收機接上兩顆單音訊號，頻率分別是 70 MHz 與 70.025 MHz，振幅皆為 1 Vpp。結果在用 VC++ 寫的上位機介面裡，兩條通道的峰值差距 55 dB 清清楚楚，證明 25 kHz 的解析度確實達標。

導航接收機測試則把 16,384 點的取樣資料丟進 MATLAB 做頻譜分析，確認經過 DDC 後，通帶平坦度完全符合抗干擾需求。

由你創是專攻 FPGA 軟硬體整合的高科技公司，百人研發團隊個個都是老經驗。服務橫跨工業控制、資料數位化、自動化系統、儀表電控、資料擷取與監控、AI、通訊等領域，軟硬通包。
專業 PM 團隊導入先進專案管理與最新軟體技術，替你的產品落地與研究專案撐腰，讓成果直接轉成可量化的商業價值。

FPGA：作為協同處理器與高速 I/O 引擎，專門處理超高速度、高確定性的底層工作，例如電流環控制、編碼器介面解碼、PWM 產生、保護電路等。

一、方案核心優勢

極致效能：
• 高速電流環：FPGA 可做到奈秒級反應，輕鬆將電流環頻寬拉到 2 kHz 甚至 5 kHz 以上，是高動態響應與超低轉矩漣波的關鍵。
• 高解析度編碼器：FPGA 能即時解碼多通道、高解析度（24-bit 以上）絕對式編碼器（EnDat 2.2 / BiSS-C、ChipLink 等）或高速增量式編碼器，零掉格風險。

高確定性與可靠度：
• FPGA 內的所有功能皆平行執行且時序固定，不受 DSP 軟體排程與中斷延遲影響；電流取樣、PID 計算、PWM 更新之間的延遲極小且一致，確保系統穩定。
• 「硬體」保護：過電流、過電壓、過溫等關鍵保護直接在 FPGA 內用硬體邏輯完成，反應時間可達微秒級，遠快於軟體保護，大幅提升安全性。

彈性與擴充性：
• FPGA I/O 可自由設定，支援各式編碼器、感測器及通訊介面（SPI、UART 等）。
• 新增功能（如新編碼器協定、諧振抑制演算法）只需改邏輯程式，無須更動硬體 PCB。
• 軸數擴充簡單，單顆 FPGA 可同時處理多顆馬達的底層控制。

功能整合與成本降低：
• FPGA 可整合 ADC 介面、數位隔離器、比較器等大量周邊數位電路，減少外部元件，降低 BOM 成本與 PCB 面積。

flowchart TD
subgraph DSP_Master[主控制器 DSP]
    A[主要功能<br>通信协议EtherCAT/CANopen<br>高阶运动规划<br>位置/速度环控制]
    B[次要功能<br>系统状态管理<br>故障诊断<br>参数存储与调用]
end

subgraph FPGA_Slave[协处理器 FPGA]
    C[核心功能<br>高速电流环控制<br>（Clarke/Park变换,<br>空间矢量调制SVPWM）]
    D[接口功能<br>高精度编码器解码<br>（EnDat, BISS-C）<br>ADC采样控制]
    E[底层输出<br>PWM信号生成与死区控制<br>“硬”保护功能<br>（过流、过压、过热）]
end

A -- 发送指令/接收状态 via SPI/EMIF --> C
C -- 反馈原始数据/状态 via SPI/EMIF --> A
D -- 采集电流/位置数据 --> C
C -- 生成驱动信号 --> E
資料交換：DSP 與 FPGA 之間透過高速並列匯流排（EMIF）或 SPI 進行通訊。DSP 把目標位置、速度、轉矩命令以及控制參數傳給 FPGA；FPGA 則把即時擷取的電流、位置、速度資訊以及系統狀態字回傳給 DSP。

三、開發流程與關鍵技術要點

1、硬體平台設計：

晶片選型：
• DSP：TI 的 C2000 系列（如 TMS320F2837xD）是熱門首選，內建 ARM Cortex-M 與 C28x 浮點核心，效能強大；亦可採用高效能 ARM Cortex-M7 / M4 核心處理器。
• FPGA：Xilinx（現 AMD）Spartan-6、Artix-7 系列，或 Intel（原 Altera）Cyclone IV / V 系列皆可；邏輯單元、DSP48 乘法器區塊與 Block RAM 資源須依需求挑選。

電路設計：
• 高精度 ADC 線路：精準取樣電流。
• 隔離驅動線路：驅動 IGBT / SiC MOSFET。
• 訊號調理線路：編碼器介面。
• 保護線路：過壓、過流、過溫保護。

2、FPGA 邏輯開發（VHDL / Verilog）：

• ADC 介面控制器：精準對齊 PWM 中心點的取樣時序。
• 編碼器解碼 IP：自行開發或購買 IP 核心，支援 EnDat、BiSS-C、ChipLink 等協定。
• Clarke / Park 轉換：在硬體內完成座標轉換，極速運算。
• 空間向量調變（SVPWM）：即時計算三相 PWM 占空比。
• 高速並行 PID 控制器：電流環 PID 運算，延遲極低。
• 通訊介面邏輯：與 DSP 通訊的 EMIF 或 SPI Slave 邏輯。

3、DSP 軟體開發（C / C++）：

• 即時作業系統（RTOS）：如 TI SYS/BIOS 或 FreeRTOS，負責任務排程。
• 伺服控制演算法：實作位置環、速度環 PID 或智慧演算法（模糊控制、自適應控制等）。
• 通訊協定堆疊：整合 EtherCAT Slave Stack（SOES）、CANopen Stack 等。
• 系統服務：參數管理、錯誤處理、除錯介面等。

4、系統除錯與優化：

• 示波器搭配電流 / 電壓探棒，直接觀測實際波形。
• TI CCS（Code Composer Studio）或 ControlSUITE，以及 MATLAB / Simulink 模型化設計與自動程式碼產生，加速演算法開發。
• Xilinx ChipScope / Intel SignalTap 線上除錯 FPGA 內部邏輯訊號。

四、挑戰與注意事項

• 開發門檻高：團隊必須同時熟稔馬達控制理論、DSP 韌體撰寫、FPGA 數位電路設計，需要跨領域人才。
• 開發週期與成本：相較於純 DSP 或 MCU 方案，前期硬體與 FPGA 邏輯開發更繁複，成本與時程都會拉長。
• 功耗與散熱：FPGA 功耗普遍高於 MCU，需要做好 PCB 散熱設計，避免系統過熱。

五、替代方案與未來趨勢

1. 純 DSP / MCU 架構
   ‑ 適用場合：對效能要求沒那麼極致的應用。
   ‑ 舉例：TI C2000 單晶片即可搞定，成本低、開發簡單。
2. DSP / ARM + 專用 ASIC
   ‑ 舉例：TI C2000 + 專用編碼器解碼晶片（如 AM26C 系列）或驅動晶片（如 DRV83xx），把介面負擔轉嫁給 ASIC，降低 FPGA 複雜度。
3. SoC / MPSoC 整合方案（未來主流）
   ‑ 晶片範例：
   • Xilinx Zynq-7000 / UltraScale+ MPSoC
   • Intel Cyclone V / 10 SoC
   ‑ 架構特色：
   • 高效能 ARM Cortex-A 核心跑 Linux，負責通訊與 UI。
   • 即時 ARM Cortex-R / M 核心跑 RTOS，負責運動控制環。
   • FPGA 可程式邏輯負責超高速介面與電流環運算。
   ‑ 優點：單晶片高整合、體積小、功耗低。
   ‑ 缺點：開發複雜度最高，需要熟悉異質多核與軟硬體協同設計。

總結

「FPGA + DSP」伺服驅動方案，是追求頂尖效能、高可靠度與彈性擴充的最佳選擇，特別適合工業機器人、CNC 工具機、半導體設備、航太等對伺服性能極度苛求的領域。

實際導入時，務必依據「效能需求、開發人力、專案時程、成本預算」四項指標做權衡：
• 若效能需求並非頂規，高效能單晶片 DSP（如 TI F28379D）反而更經濟。
• 若面向未來且系統複雜度高，高整合度的 SoC 方案值得深入評估。

1. 光電轉換
   利用光偵測器（如 PIN 光電二極體或 APD）把輸入的光訊號轉成電訊號，再透過 TIA（跨阻放大器）與後級放大電路進行訊號放大與調整。
2. 電光轉換
   把處理好的電訊號經由雷射驅動器或光調變器（如鈮酸鋰 LiNbO₃ 電光調變器）轉回光訊號輸出。
3. 訊號調理與處理
   FPGA 負責各類 DSP 演算法：FIR / IIR 濾波、等化、時脈回復、誤碼偵測與修正等，以提升訊號品質。
4. 協定處理與介面轉換
   支援 RS-232、RS-422、Ethernet 等串列或網路訊號的打包、編碼（如 8B/10B），再透過光模組傳輸。
5. 智慧控制與自動校準
   內建自動偏壓點控制（ABPC）、自動增益控制（AGC）等功能，自動補償溫度變化與元件老化，維持系統穩定。

主要應用領域

光通訊系統：光收發模組、OLT、ONU 等，支援 10 G、25 G、100 G 以上高速資料傳輸與調理。
• 分散式光纖感測：Φ-OTDR、DTS、DAS 系統，即時擷取與解調瑞利、拉曼或布里淵散射光訊號。
• 醫療影像：光聲成像中，對高頻光聲訊號做寬頻高增益放大與時間增益補償（TGC）。
• 工業控制與安防：把 RS-232 / RS-422 / Ethernet 轉成光訊號，拉長傳輸距離並提高抗干擾能力。
• 高畫質影像傳輸：處理 HDMI 的 DDC（I²C）訊號，透過光纖遠距傳輸。

硬體架構設計

典型的 FPGA 光訊號調理板硬體架構包含以下關鍵模組：

FPGA 邏輯功能設計

FPGA 內部邏輯是整張調理板的「靈魂」，主要負責下列功能：

1. 資料擷取與同步控制
   • 透過 JESD204B/C 或 LVDS/CMOS 並列介面，精準控制 ADC 取樣與 DAC 輸出。
   • 達成多通道資料的嚴格同步。
2. 數位訊號處理（DSP）演算法
   • 濾波：使用 FIR 或 IIR 濾波器（可採 IP 核心）濾除帶外雜訊與干擾。
   • 等化：採 FFT 或時域演算法（如 LMS 自適應等化）補償光纖色散與頻寬限制造成的訊號失真。
   • 時脈資料回復（CDR）：針對 NRZ / PAM4 訊號，於 FPGA 內利用 PLL 與資料判決邏輯，從資料流回復精準時脈與資料。
   • 編解碼：實作 8B/10B、64B/66B 或前向錯誤更正 FEC（Reed-Solomon、LDPC 等），確保直流平衡與誤碼率要求。
3. 控制與狀態監控
   • 透過 I²C、SPI 或 UART 設定與管理外部晶片（ADC、DAC、光模組、時脈晶片等）。
   • 即時監測光功率、偏壓電壓、溫度等參數，並實現自動功率控制（APC）與自動偏壓控制（ABC）等回授演算法。
4. 資料封裝與協定處理
   • 將處理後的資料打包成特定訊框格式（如 Ethernet 訊框或自定義協定）。
   • 實作相關通訊協定堆疊的部分功能。

關鍵技術實作方案

1、高速訊號完整性（SI）與電源完整性（PI）設計
• SI：針對 >10 Gbps 的 SerDes 通道與高速記憶體介面，需做到精準阻抗控制（單端 50 Ω、差動 100 Ω），並進行拓撲模擬與端接匹配。走線採用微帶線／帶狀線結構，避免過孔與銳角轉彎。
• PI：採分層電源規劃，大量使用不同容值的去耦電容；必要時增設專屬電源層，目標阻抗（Target Impedance）保持極低。

2、雜訊抑制與抗干擾技術
• 板層設計：建議至少 6 層板起跳（推薦 8 層以上），提供完整的電源／接地參考平面。
• 分區佈局：類比電路（光電轉換前端、ADC/DAC 類比電源）、數位電路（FPGA、數位電源）、時脈電路與電源電路嚴格分區，避免互相干擾。
• 接地策略：採單點接地或混合接地，防止地迴路雜訊。
• 遮蔽：對敏感類比區域或時脈電路加金屬屏蔽罩。

3、動態增益控制與 TGC 實作
光聲成像等應用需依深度動態調整增益。常見做法：
• 以 AD8334 等可變增益放大器（VGA）為核心。
• 由 FPGA 產生控制電壓，或透過數位電位器（如 AD5207）產生控制訊號，完成時間增益補償（TGC）。
• FPGA 可依深度計數器或時間序列，線性或非線性地改變增益控制電壓。

4、電光調變器偏壓點控制
鈮酸鋰（LiNbO₃）等電光調變器的最佳工作點會隨溫度、老化漂移。可採用 FPGA 自動偏壓控制：

•FPGA 透過 DAC 在直流偏壓上疊加一個微弱小正弦擾動訊號。

•光電探測器監測調變器輸出光功率並轉為電訊號，經 ADC 取樣後送回 FPGA。

•FPGA 對取樣訊號做帶通濾波與互相關運算（與擾動訊號比對），提取誤差訊號。

•依誤差訊號的極性與大小，FPGA 以 PID 或其他控制演算法調整 DAC 輸出的偏壓電壓，將工作點鎖定在傳輸曲線的 Quad 點（線性中點）或 Null 點（最低點）。

開發流程

1、需求分析與指標定義：先釐清頻寬、動態範圍、靈敏度、傳輸速率、功耗、介面型式等關鍵指標。

2、晶片選型與方案評估：依據指標挑選 ADC/DAC（速度、解析度）、FPGA（資源、SerDes 速率）、光電／電光轉換元件。

3、硬體設計與模擬：
• 採用 Cadence Allegro 或 Mentor PADS 完成電路圖與 PCB 佈線。
• 針對高速差動訊號進行 SI/PI 模擬（如 HyperLynx），確保訊號與電源完整性達標。

4、FPGA 邏輯設計與模擬：
• 使用 Verilog/VHDL 或 High-Level Synthesis (HLS) 開發。
• 進行功能模擬（ModelSim）、靜態時序分析（Static Timing Analysis）與板端除錯。

5、軟硬體聯調與測試：
• 運用邏輯分析儀（LA）、高速示波器、誤碼測試儀（BERT）、光譜分析儀（OSA）等量測關鍵指標。

6、系統整合與優化：執行全系統測試，持續優化演算法與整體效能。

由你創是專攻 FPGA 軟硬體整合的高科技公司，百人研發團隊個個都是老經驗。服務橫跨工業控制、資料數位化、自動化系統、儀表電控、資料擷取與監控、AI、通訊等領域，軟硬通包。
專業 PM 團隊導入先進專案管理與最新軟體技術，替你的產品落地與研究專案撐腰，讓成果直接轉成可量化的商業價值。

光學 FPGA 高速 DAC 板卡的核心，在於結合 FPGA 的即時運算能力與高速 DAC 的數位轉類比功能，以滿足光學應用對「高速度、高精度、多通道」的嚴苛需求。

FPGA：扮演「大腦」角色，負責執行數位訊號處理演算法（如調變解調、編解碼、波束成形）、多通道控制，以及與上位機或其他硬體的通訊介面。其可程式化與平行處理特性，特別適合光學相控陣列這類需要快速、獨立控制大量通道的應用。
• 高速 DAC：負責把 FPGA 處理後的數位訊號轉成高品質的類比訊號（電壓或電流），驅動雷射、調變器等光學元件。轉換速率、解析度（位元數）、無雜散動態範圍（SFDR）等規格，直接決定輸出訊號品質與系統效能。
• 光學應用場景：
光學相控陣列（OPA）：精準控制每個天線單元的相位，實現無機械式光束掃描。
可見光通訊（VLC）：高速調變 LED 光源，達成高速資料傳輸。

開發流程

1、需求分析與方案擬定

1. 明確系統指標：通道數、DAC 更新速率（速度）、解析度（精度，如 12-bit、14-bit、16-bit）、輸出範圍（電壓／電流）、同步精度、功耗、體積等。
2. 選擇核心晶片：
   • FPGA：Xilinx Kintex、Virtex 系列或 Intel Stratix、Arria 系列。
   • DAC：多通道高精度如 TI DAC81416，或超高速 ADI AD9777。
3. 架構設計：決定板卡整體架構，包括時脈分配、電源管理、類比輸出驅動與介面定義。

2、硬體設計與實現

1. PCB 設計
   • 高速數位與類比訊號共存，需同時考慮訊號完整性（SI）、電源完整性（PI）與電磁相容（EMC）。
   • 建議採用多層板、優質去耦電容、差分走線與阻抗匹配，確保訊號品質。
2. 時脈電路
   • 使用低抖動時脈源與時脈緩衝器（如 ADCLK946）提供 ADC/DAC 同步時脈，維持多通道同步性。
3. 電源設計
   • 為 FPGA、DAC 等晶片提供極低雜訊、高穩定度的多路電源，搭配高效濾波線路。
4. 輸出驅動與調理
   • 依驅動對象（雷射、調變器等），在 DAC 輸出後加入運算放大器（如 AD8397）、濾波或功率驅動電路，提供足夠電壓／電流與良好訊號品質。

3、FPGA 邏輯與軟體設計

1. FPGA 邏輯開發（VHDL / Verilog）
   • DAC 控制器：透過 SPI、LVDS 等介面設定 DAC 並推送資料。
   • 資料處理演算法：實作 OFDM、QAM 等調變格式或波束控制演算法。
   • 記憶體控制：管理外部 DDR 記憶體，做大量波形資料緩衝。
   • 介面通訊：完成 PCIe、SFP+、乙太網路等高速通訊。
2. 上位機軟體
   • 提供使用者介面，供系統組態、參數下載、資料監控與視覺化。

4、系統整合與測試驗證

1. 將硬體、FPGA 韌體、上位機軟體整合，進行嚴格測試。
2. 效能測試：以高速示波器、頻譜分析儀量測輸出訊號的精度、線性度、雜訊水準、建立時間等關鍵指標。
3. 系統聯調：把板卡接上目標光學系統（如光學相控陣晶片），驗證實際控制效果（光束偏轉角度、通訊頻寬等）。

應用場景

1. 光學相位陣列（OPA）光束控制
   拿來做「固態光達（LiDAR）」最剛好：不用馬達轉來轉去，靠 DAC 一路餵電壓給每顆光學單元，就能讓雷射光速轉向，掃描又快又精準。
   ‑ 自駕車、無人機避障
   ‑ 低軌衛星與地面站的高速雷射通訊
   ‑ 高階雷射印表機、雷射投影機的微秒級控制
2. 超高速光通訊
   ‑ 相干式光通訊（Coherent Optics）：把 FPGA + DAC 直接接到 IQ 調變器，64～128 Gbaud 訊號隨便打，資料中心、5G 前傳、DCI 都愛用。
   ‑ 可見光通訊（VLC）：在智慧工廠或醫療院所，用 LED 或雷射做無線傳輸，DAC 負責把數位訊號轉成類比電流去直接調光，頻寬輕鬆破 Gbps。
3. 超高精度光學量測與感測
   舉凡晶圓缺陷檢測、面板 AOI、生醫 OCT、量子光學實驗，都需要「超穩、超低雜訊」的類比訊號。DAC 板卡把 FPGA 算好的波形餵給掃描鏡、壓電致動器或感測器，解析度直接拉滿。
4. 大規模光開關矩陣驅動
   雲端巨頭的資料中心、電信機房都在拚「全光交換」。一張 FPGA DAC 子板就能同時控制上百顆矽光子（Silicon Photonics）開關，讓光訊號在奈秒內改道，功耗比傳統電交換低一大截。

由你創是專攻 FPGA 軟硬體整合的高科技公司，百人研發團隊個個都是老經驗。服務橫跨工業控制、資料數位化、自動化系統、儀表電控、資料擷取與監控、AI、通訊等領域，軟硬通包。
專業 PM 團隊導入先進專案管理與最新軟體技術，替你的產品落地與研究專案撐腰，讓成果直接轉成可量化的商業價值。

簡單說，就是把「馬達＋編碼器＋感測器＋I/O」全部接到一張卡上，用 FPGA 或 MCU 做即時控制，讓機器手臂、CNC、貼片機、AOI 設備動得又快又準。我們從硬體線路、韌體、演算法到 API，全部幫你客製到位。

二、 我們的強項

• 高階 MCU / FPGA 即時控制
‑ 支援 EtherCAT、MECHATROLINK-III、CANopen、Pulse/Direction，週期 125 µs～1 ms 任你挑
‑ FPGA 做硬體回授補償，抖動 < 1 µs，定位精度 < ±1 µm

• 多軸同動 & 軌跡規劃
‑ 最高 64 軸同步插補，內建 S-curve、Jerk-limited、G-code 解析器
‑ 3D 龍門、SCARA、Delta Robot 專用運動學模組

• 高速 IO & 感測器整合
‑ 16-bit AFE 類比輸入，直接接力量感測器、雷射尺、光學尺
‑ 差分輸出 ±10 V、PWM 驅動、24 V 隔離 DI/DO，一卡搞定

• PC 端軟體 & API
‑ Windows / Linux 驅動、C/C++、C#、Python、LabVIEW API 一次給齊
‑ 提供 MotionCreator GUI，五分鐘就能讓馬達動起來

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三、典型應用

四、開發流程

1. 超狂並行處理力
   FPGA 天生就是「多工達人」，硬體電路一次把所有通道都吃完，不像 CPU 還在那邊排隊。舉個實例：16-bit 精度下衝到 500 kSPS 只是小菜一碟，多通道同步擷取完全不掉速。
2. 超彈性、隨改隨上線
   想要換感測器？加個濾波？改觸發條件？直接在 Vivado 裡拉 Block Design、改 Verilog/VHDL，編完 bit 檔，五分鐘後燒進板子就能上工。客戶臨時改規格也不怕，不用重新洗板，超省時。
3. 即時反應、零拖延
   PID、FIR、IIR、峰值偵測這些演算法通通下進硬體，反應時間拉到奈秒等級。對於要做「閉迴路控制」或「即時回授」的應用（像馬達伺服、振動抑制），就是救命仙丹。
4. 一卡抵多卡，系統超精簡
   時序控制、記憶體管理（FIFO、雙口 RAM）、通訊介面（PCIe、USB 3.0、Gigabit Ethernet）全部包進 FPGA。板子省下一大堆 IC，BOM 成本、Layout 空間、Debug 時間一次砍半，老闆看到報價單會笑。

系統架構怎麼選？

硬體設計關鍵考量

1. 類比前端設計 (AFE)：
   • 訊號調理：根據感測器輸出訊號（幅度、類型），設計衰減網路、可程式設計增益放大器（PGA）（如 LTC6911，增益 1-100 V/V 可調）和濾波電路（如二階阻容低通濾波），將訊號調整到 ADC 最佳輸入範圍
   • ADC 選型：核心指標包括解析度（如 16 位元）、取樣率（如 500KSPS、80MSPS）、通道數和介面類型（並列、高速序列如 JESD204B）。選擇時需預留餘量
   • 參考電壓源：選擇高精度、低溫漂的參考源（如 MAX6325，精度 0.02%，溫漂 0.5ppm/℃）對保證 ADC 轉換精度至關重要
2. 數位部分設計：
   • FPGA 選型：根據邏輯資源需求（邏輯單元、塊 RAM、DSP Slice）、介面要求（高速收發器數量、支援協定如 PCIe）、效能和處理速度綜合考量。例如 Xilinx 的 UltraScale 系列適用於 PCIe 4.0 等高速介面
   • 時鐘設計：為 ADC 和 FPGA 提供低抖動、高穩定性的時鐘源。對於高速多通道同步，需設計良好的時鐘樹和重設樹
   • 介面擴充：預留豐富介面，如 PCIe、USB、千兆乙太網路等，便於與上位機或其它裝置高速傳輸資料
3. 校正電路設計：高精度採集卡需包含自校正電路（如用高精度 DAC 產生標準參考訊號），透過軟體演算法補償增益誤差和偏移誤差，確保長期準確性

FPGA 邏輯開發

FPGA 內部邏輯設計是核心，主要功能模組如下：

// 以 ADC 驅動和控制狀態機為例的簡化程式碼框架
module adc_controller (
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire start_conversion,
input wire [7:0] control_word, // 通道選擇、量程等
output reg adc_cs_n,
output reg adc_rd_n,
output reg adc_wr_n,
input wire adc_data_ready, // 例如 INT 訊號
input wire [15:0] adc_data_in,
output reg [15:0] data_out,
output reg data_valid
);

// 狀態定義
parameter STATE_IDLE   = 2'b00;
parameter STATE_START  = 2'b01;
parameter STATE_WAIT   = 2'b10;
parameter STATE_READ   = 2'b11;

reg [1:0] current_state, next_state;

// 狀態機第一段：同步時序邏輯
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) current_state <= STATE_IDLE;
    else current_state <= next_state;
end

// 狀態機第二段：組合邏輯判斷狀態轉移
always @(*) begin
    case (current_state)
        STATE_IDLE: next_state = start_conversion ? STATE_START : STATE_IDLE;
        STATE_START: next_state = STATE_WAIT; // 啟動轉換後進入等待
        STATE_WAIT: next_state = adc_data_ready ? STATE_READ : STATE_WAIT; // 等待轉換完成
        STATE_READ: next_state = STATE_IDLE; // 讀完回到空閒
        default: next_state = STATE_IDLE;
    endcase
end

// 狀態機第三段：輸出控制訊號
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        adc_cs_n <= 1'b1;
        adc_rd_n <= 1'b1;
        adc_wr_n <= 1'b1;
        data_out <= 16'b0;
        data_valid <= 1'b0;
    end else begin
        case (next_state)
            STATE_START: begin // 產生啟動轉換脈衝（WR+CS）
                adc_cs_n <= 1'b0;
                adc_wr_n <= 1'b0;
            end
            STATE_WAIT: begin // 釋放 WR，保持 CS 有效與否依晶片而定
                adc_wr_n <= 1'b1;
            end
            STATE_READ: begin // 產生讀取脈衝（RD+CS），讀取資料
                adc_rd_n <= 1'b0;
                data_out <= adc_data_in;
                data_valid <= 1'b1;
            end
            default: begin // IDLE 及其他狀態，預設輸出
                adc_cs_n <= 1'b1;
                adc_rd_n <= 1'b1;
                adc_wr_n <= 1'b1;
                data_valid <= 1'b0;
            end
        endcase
    end
end

endmodule

1. ADC 驅動與控制：用狀態機精確產生 ADC 的時序（如啟動、讀/寫、晶片選擇訊號），並讀取轉換資料
2. 資料緩存與管理：使用 FPGA 內部的 Block RAM 構建 FIFO（先入先出記憶體）或雙埠 RAM，緩衝高速採集的資料，解決與後續處理模組或傳輸介面之間的速度差異。對於海量資料，可外接 DDR SDRAM
3. 資料處理演算法：根據需要在 FPGA 內實現即時處理，如數位濾波、累加平均、壓縮、演算法加速等，減輕後端處理器壓力
4. 觸發邏輯：實現靈活觸發機制，如外部觸發、軟體觸發、通道電位觸發等，實現精準的事件捕獲
5. 介面協定實現：在 FPGA 中實現與上位機或其它器件的通訊協定，如：
   • PCIe：透過 XDMA IP 核實現與上位機的高速資料互動
   • USB：例如配置 CY7C68013 的 Slave FIFO 模式與 FPGA 通訊
   • 乙太網路：實現 UDP/IP 協定堆疊進行資料傳輸
   • JESD204B：用於高速 ADC/DAC 與 FPGA 間的序列資料傳輸

系統整合與除錯

1. 驅動程式開發：在上位機（如 Windows）開發驅動，使應用程式能存取採集卡硬體資源。常用工具如 WinDriver
2. 上位機軟體開發：使用 LabVIEW、C++、C#、Python 等開發應用程式，用於參數設定、資料接收、顯示、分析和儲存。LabVIEW 的圖形化程式設計和儀器控制能力使其在量測控制領域應用廣泛
3. 校正與測試：撰寫測試程式，系統化地驗證功能、效能指標（精度、速度、穩定性）和可靠性。進行溫度測試和長時間執行測試

我們是專攻 FPGA 軟硬體整合的高科技公司，百人研發團隊個個都是老經驗。服務橫跨工業控制、資料數位化、自動化系統、儀表電控、資料擷取與監控、AI、通訊等領域，軟硬通包。
專業 PM 團隊導入先進專案管理與最新軟體技術，替你的產品落地與研究專案撐腰，讓成果直接轉成可量化的商業價值。

• FPGA 側：實現了特定的功能電路（例如影像處理加速器、加密引擎、自定義通訊協議）。
• CPU 側：需要一個驅動程式來：
  1. 配置 FPGA（載入位元流檔案）。
  2. 與 FPGA 的記憶體映射暫存器（MMR）進行讀寫，以控制其行為、啟動任務、讀取狀態。
  3. 處理 FPGA 發起的中斷（IRQ），以非同步地通知 CPU 任務完成或事件發生。
  4. 提供使用者空間（User-Space）的應用程式一個簡單的介面（如系統呼叫、設備檔案）來訪問硬體功能。

硬體設計

1. 地址映射規劃：為 FPGA 上的每個功能模組（IP 核）分配唯一的基地址（Base Address）和地址範圍。這通常在 Vivado/Quartus 中通過 AXI Interconnect 或 Avalon-MM Interconnect 完成。
2. 暫存器定義：為每個 IP 核定義詳細的暫存器映射表（Register Map）。這是驅動開發者最重要的文件。
   • 每個暫存器的偏移地址（Offset）、讀寫屬性（R/W）、位元域（Bit Field）定義、復位值、功能描述都必須清晰。
   • 例如：Offset 0x00 – CONTROL_REG – Bit[0]: Start, Bit[1]: Interrupt Enable
   • 例如：Offset 0x04 – STATUS_REG – Bit[0]: Done, Bit[1]: Error
   • 例如：Offset 0x08 – DATA_REG – 要處理的資料輸入/輸出埠。
3. 中斷設計：如果 IP 核需要通知 CPU，則需要連線中斷訊號。通常透過 AXI Interrupt Controller 彙總多個中斷源後，再連線到處理系統（PS）的中斷控制器。
4. 生成硬體描述檔案：
   • .hdf (Xilinx) / .hps (Intel)：包含完整的硬體佈局、地址資訊、中斷號等。這是生成下一層次「硬體抽象層」的輸入。
   • .bit / .bin：FPGA 的位元流配置檔案。

硬體抽象層

• 自動化工具生成：強烈推薦使用工具自動生成，而不是手寫。
  • Xilinx：使用 Vitis HLS 或 Vivado 內的選項，可以根據 IP 的 XML 描述檔案自動生成 驅動骨架程式碼。它會提供一組 Xilinx_XXX_* 的函式（如 Xilinx_XXX_Initialize, Xilinx_XXX_WriteReg, Xilinx_XXX_InterruptGlobalEnable）。
  • Intel：使用 Qsys 和 BSP Editor 來生成對應的 HAL 程式碼。
• 手動封裝：如果沒有使用自動化工具，你需要根據暫存器映射表，手寫類似這樣的巨集或函式：

define MY_IP_BASE_ADDRESS 0x43C00000

define REG_OFFSET_CONTROL 0x00

define REG_OFFSET_STATUS 0x04

void my_ip_start(void) {
// 寫入啟動位元到 CONTROL 暫存器
*(volatile uint32_t *)(MY_IP_BASE_ADDRESS + REG_OFFSET_CONTROL) |= 0x01;
}

uint32_t my_ip_get_status(void) {
return *(volatile uint32_t *)(MY_IP_BASE_ADDRESS + REG_OFFSET_STATUS);
}

核心空間驅動

1. 驅動型別：
   • 平臺裝置驅動（Platform Device Driver）：最常見的方式，將 FPGA 邏輯視為一個平臺裝置。
   • 字元裝置驅動（Character Device Driver）：通常透過實現 file_operations 結構體（提供 open, release, read, write, ioctl, mmap 等方法）來建立設備檔案（如 /dev/my_fpga_ip）。
   • DMA 驅動：如果涉及大量資料傳輸（如透過 AXI DMA IP），驅動需要處理 DMA 緩衝區的申請、對映、以及 DMA 傳輸的啟動和完成中斷。這通常涉及分散/聚集列表（Scatter/Gather List） 和一致性（Coherent）DMA 對映。
2. 關鍵技術點：
   • 裝置樹（Device Tree）：現代 Linux 驅動的標準。在 .dts 檔案中描述硬體資訊，替代舊式的硬體編碼。

// 範例：在 Zynq SoC 的 device tree 中描述一個自定義 IP
my_ip@43c00000 {
compatible = “your-company,my-ip-1.0”; // 與驅動程式中的名稱匹配
reg = <0x43c00000 0x10000>; // 基地址和地址範圍長度
interrupts = <0 29 4>; // 中斷號（通常由硬體設計決定）
interrupt-parent = <&intc>; // 中斷控制器
};

• IOCTL：用於實現自定義的命令，讓使用者程式可以控制 IP 核的特定功能（如設定模式、啟動任務、讀取狀態），而不必侷限於簡單的 read/write。
• MMAP：可以將 FPGA 的記憶體區域或 DMA 緩衝區直接對映到使用者空間，避免資料在核心和使用者空間之間的複製，極大提升效能。
• 中斷處理：實現中斷服務常式（ISR），通常分為頂半部（Top Half，快速處理）和底半部（Bottom Half，如工作佇列，處理耗時任務）。

使用者空間應用

• 通過開啟設備檔案（/dev/my_fpga_ip）來獲取檔案描述符（fd）。
• 使用 read(), write(), 以及特別重要的 ioctl() 來與底層驅動和硬體互動。
• 如果驅動提供了 mmap()，應用程式可以直接將硬體記憶體對映到自己的地址空間，像操作普通記憶體一樣操作 FPGA 暫存器或資料緩衝區。

// 一個極簡的使用者空間應用範例
int fd = open(“/dev/my_fpga_ip”, O_RDWR);
if (fd < 0) { /* error handling */ }

// 使用 ioctl 發送開始命令
int ret = ioctl(fd, MY_IP_IOCTL_START, NULL);

// 讀取狀態
uint32_t status;
read(fd, &status, sizeof(status));

close(fd);

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