Vivado HLS是一款强大的高层次综合工具，可将C/C++代码转换为硬件描述语言（HDL），显著提升FPGA开发效率。
1. FIR参数确定
FIR滤波器的设计，首先要明确其技术指标，这些指标对滤波器的性能和资源占用起着关键作用。以一个低通滤波器为例，其具体参数如下：
滤波器阶数设定为15。
采样频率是100MHz。
通带截止频率为20MHz。
阻带起始频率为30MHz。
通带波纹要求在0.1dB以内。
阻带衰减需达到60dB。
2. FIR系数计算
可以借助Python等工具来计算滤波器系数。下面是用Python计算系数的代码：
importnumpyasnpfromscipyimportsignalimportmatplotlib.pyplotasplt# 滤波器参数order =15# 滤波器阶数fs =100e6# 采样频率 (Hz)f_pass =20e6# 通带截止频率 (Hz)f_stop =30e6# 阻带起始频率 (Hz)A_pass =0.1# 通带波纹 (dB)A_stop =60# 阻带衰减 (dB)# 归一化频率nyquist =0.5* fs wp = f_pass / nyquist ws = f_stop / nyquist# 计算FIR滤波器系数（使用 Parks-McClellan 算法）h = signal.remez(order +1, [0, wp, ws,1.0], [1,0], Hz=1.0)# 打印系数（量化为16位定点数）coeffs_q15 = [int(round(c *32767))forcinh]print("FIR系数 (Q15格式):")fori, cinenumerate(coeffs_q15): print(f"h[{i}] ={c}, 即{c/32768:.10f}")# 绘制频率响应w, h_freq = signal.freqz(h) plt.figure() plt.plot(0.5*fs*w/np.pi,20*np.log10(np.abs(h_freq))) plt.title('FIR滤波器频率响应') plt.xlabel('频率 (Hz)') plt.ylabel('幅度 (dB)') plt.grid(True) plt.axvline(f_pass, color='green') # 通带截止频率plt.axvline(f_stop, color='red') # 阻带起始频率plt.show()
3. C/C++代码实现
使用Vivado HLS特定的数据类型和指令：
#include"fir.h"voidfir(data_t*output,data_tinput){ // 定义FIR系数（Q15格式）constcoeff_th[NUM_TAPS] = { -10,-22,-32,-37,-26,10,72,133, 171,171,133,72,10,-26,-37,-32,-22,-10 }; // 声明移位寄存器数组staticdata_tshift_reg[NUM_TAPS]; // pragma指令，优化循环展开#pragmaHLS ARRAY_PARTITION variable=shift_reg complete dim=1// 数据移位操作for(inti = NUM_TAPS -1; i >0; i--) { #pragmaHLS UNROLL shift_reg[i] = shift_reg[i-1]; } shift_reg[0] = input; // 执行乘法累加操作acc_tacc =0; for(inti =0; i < NUM_TAPS; i++) { #pragma HLS UNROLL acc += shift_reg[i] * h[i]; } // 输出结果 *output = acc >>15;// Q15格式转换}
定义头文件：
#ifndef_FIR_H_#define_FIR_H_#include"ap_fixed.h"// 定义数据类型typedefap_fixed<16, 1>data_t; // 16位定点数，1位整数，15位小数typedefap_fixed<16, 1>coeff_t; // 系数类型typedefap_fixed<32, 17>acc_t; // 累加器类型，防止溢出// 定义滤波器抽头数#defineNUM_TAPS 19// 函数原型voidfir(data_t*output,data_tinput);#endif
定义测试程序：
#include"fir.h"#include#include #include #definePI 3.14159265358979323846intmain(){ // 测试数据data_tinput[100]; data_toutput[100]; // 生成测试 信号（混合了5MHz和40MHz的正弦波）for(inti =0; i < 100; i++) { // 5MHz信号（应该通过）float sig1 = 0.5 * sin(2.0 * PI * 5e6 * i / 100e6); // 40MHz信号（应该被衰减）float sig2 = 0.5 * sin(2.0 * PI * 40e6 * i / 100e6); // 混合信号 input[i] = sig1 + sig2; } // 应用FIR滤波器for(int i = 0; i < 100; i++) { fir(&output[i], input[i]); } // 输出结果到文件 FILE *fp_in = fopen("input_data.txt", "w"); FILE *fp_out = fopen("output_data.txt", "w"); for(int i = 0; i < 100; i++) { fprintf(fp_in, "%f ", (float)input[i]); fprintf(fp_out, "%f ", (float)output[i]); } fclose(fp_in); fclose(fp_out); printf("测试完成！数据已输出到input_data.txt和output_data.txt "); // 简单验证（检查高频分量是否被衰减）float sum_input = 0, sum_output = 0; for(int i = 80; i < 100; i++) { sum_input += fabs((float)input[i]); sum_output += fabs((float)output[i]); } if(sum_output < sum_input * 0.1) { printf("验证通过：高频分量被有效衰减 "); return0; } else { printf("验证失败：高频分量衰减不足 "); return1; } }
4. Vivado HLS项目创建与配置
4.1 在Vivado HLS中创建新项目并配置
1.打开Vivado HLS工具。
2.执行 "File > New Project" 命令来创建一个新的项目。
3.为项目命名，例如 "FIR_Filter"，并选择合适的存储位置。
4.添加源文件，即前面编写的fir.c和fir.h。
5.添加测试平台文件tb_fir.c。
6.指定目标设备，比如xc7z020clg400-1。
7.配置解决方案，设置时钟周期（例如 10ns）和复位类型。
4.2在Vivado HLS中执行C仿真
1.点击 "Project > Run C Simulation"。
2.确保仿真顺利完成，并且控制台显示 "Verification successful"。
3.可以使用 gnuplot 或 MATLAB 对输出文件进行分析。
4.3执行C综合以将C代码转换为RTL
1.选择 "Solution > Run C Synthesis > Active Solution"。
2.综合完成后，查看报告，重点关注：
资源利用率（DSP、LUT、FF 等）。
延迟（Latency）和吞吐量（Interval）。
关键路径分析。
4.4进行RTL级仿真验证
1.选择 "Solution > Run C/RTL Co-simulation"。
2.选择仿真工具（如VCS、ModelSim等）。
3.等待仿真完成，检查结果是否与C仿真一致。
4.5导出IP
将设计导出为IP核供Vivado使用：
1.选择 "Solution > Export RTL"。
2.保持默认设置，点击 "OK"。
3.导出完成后，IP 核会出现在项目目录的exported_ip文件夹中。
4.6在Vivado中集成IP
1.打开 Vivado，创建新工程或打开已有工程。
2.点击 "Settings > IP > Repository"，添加HLS导出的IP路径。
3.在Block Design中添加FIR滤波器IP核。
4.完成系统集成（添加时钟、复位等）。
5.生成比特流并下载到FPGA进行硬件验证。
