將ARM AXI4用于FPGA 把恒星裝入瓶中

　　英國的聚變研究人員以賽靈思技術為基礎，采用最新的 ARM AXI4 接口，開發出一種用于合成孔徑成像的數據采集系統。

　　聚變能是氫原子在極高的溫度條件下聚合為更大的原子時所釋放出的能量。這也是包括太陽在內的所有恒星的能量來源。要在地球上產生聚變能，我們需要在一個磁瓶(也稱為托卡馬克裝置，見圖 1)裝置中將電離氫氣(稱為“等離子體”)加熱至 1 億開以上。

　　聚變科學家的終極目標就是建造出能夠使用氫燃料的核聚變電站，氫燃料在地球上大量存在且很容易獲得。位于英國牛津附近的卡爾漢姆聚變能研究中心 (CCFE) 是一家世界領先的聚變能研究機構，該中心的科研小組正在致力于氫燃料聚變電站的研究。實際上，地球上可用于聚變的燃料非常充足，足以滿足我們上百萬年的能源需求。問題在于聚變的難度極大，就像把恒星裝入瓶子中一樣困難。國際 ITER 項目是一項耗資 200 億美元的世界上規模最大的地面科研項目，將首次使聚變能實現產業化。目前正在法國南部建造的 ITER——其名稱在拉丁語中的意思為“方法”——預計將在二十年內投入運營(見http://www.iter.org/)。

　　聚變研究的主要工作之一是實時測量聚變等離子體。每種診斷方法都有自己的要求。在 CCFE (http://www.ccfe.ac.uk/)，我們開發出一種診斷方法可以把等離子體發出的微波進行成像，用于測量其中的電流。為此，我們決定設計一種合成孔徑成像系統。

　　評估微波相位

　　合成孔徑成像使用相位天線陣列(見圖 2)，其工作方式與人耳類似。如果身體右側有噪聲，那么聲音到達右耳的時間就會早于左耳。用另一種方法來表述這種情況，就是聲音以不同的相位到達雙耳。人腦會把這種相位差異解讀為方向性。相同的方法，我們通過考慮天線陣列檢測到的微波的相位，就可以確定微波的源頭。利用這一原理，我們就可以使用相位天線陣列重新合成等離子體的邊緣圖。

　　射頻 (RF) 系統(見圖 3)負責把每個天線接收到的頻率在 6GHz 至 40GHz 的信號降頻轉換為 250MHz 帶寬的信號，供 FPGA 數據采集箱進行處理。250MHz 帶寬是模數轉換器 (ADC) 的時鐘要求。我們使用的 8 副天線中，共有 16 條通道需要進行數字化處理(使用兩倍的通道數量是為了區分信號中的實部和虛部，從數學意義上解釋，就是信號相移 90 度而造成的)。

　　該系統必須在 250MHz 頻率下以 14 位精度從 16 個模擬通道中連續采集數據 0.5 秒。隨后將 14 位打包為 2 個字節，那么總共要求 32字節X 0.25Gbps= 8Gbps 的速度。這樣就需要在 0.5 秒內采集到 4Gb 的數據，并要求 FPGA 板配備 FPGA 夾層卡 (FMC) 接口，以便能夠靈活地選擇 ADC 廠商并滿足未來的可移植性需求。同時還需要使用我們內部開發的FMC 數字 I/O 板。

　　圖 1：CCFE 的兆安級球形托卡馬克裝置 (MAST) 形狀獨特，更像是去了核的蘋果，而非傳統的面包圈形狀。設備內部清晰的圖像顯示出“瓶中恒星”的效果。

　　在 2010 年夏天，我們認為理想的解決方案應使用兩個賽靈思的 Virtex-6 LX240T ML605 板與兩個 4DSP 公司的 FMC108(8 通道)ADC 板相結合。那時，8Gbps 的數據速率就是天文數字，事實上現在仍然是。我們原本可以采用分而治之，各個擊破的方法，即使用更多的 FPGA 板，并讓每個板處理更少的通道數量。但是，這樣做會增加系統的成本和尺寸。

　　實際上，能夠真正為我們解決這個設計難題的技術出現在 2011 年 1 月，當時賽靈思發布了 ISE® 設計軟件的修訂版本，能夠支持 ARM 的 AMBA AXI4 接口協議。在此之前硬件已經存在，但缺少能夠充分發揮其潛能的手段。