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基于Matlab中Simulink生成FPGA-Verilog语言及联合Vivado的仿真（以卡尔曼-Kalman滤波器为例）

时间：2021-11-23 19:44:37

一、简介二、在Simulink中生成Verilog语言1、在Simulink中建立Kalman滤波器仿真2、将Kalman滤波器部分打包3、生成Verilog程序3.1、参数配置3.2、HDL Code代码生成三、Vivado中实现Kalman滤波仿真1、在Vivado中创建工程并将Kalman.v与Kalman_tb.v文件添加到工程中2、在Matlab中生成波形文件，代码如下3、重写tb仿真文件4、Vivado中仿真编译四、小结

一、简介

此内容基于博文：基于Matlab Hdl Coder实现FPGA程序开发（卡尔曼滤波算法实现）实现，Simulink仿真构建参考于上链接中。

本博文解决了上博文中无法生成Verilog语言的问题，并对于自动生成的Verilog——testbench文件进行了优化——通过matlab产生信号及白噪声，并将信号数据载入到Vivado-tb文件中，最终通过vivado软件自带仿真器进行观察。

二、在Simulink中生成Verilog语言

1、在Simulink中建立Kalman滤波器仿真

此处进行简单演示，建立好的Kalman滤波器模型如下图所示。

2、将Kalman滤波器部分打包

将创建好的滤波器模型打包为一个模块，便于之后将此模块转换为Verilog语言——全选后点击“create subsystem”；

生成模块后可添加信号及示波器观察Kalman功能是否正常。

3、生成Verilog程序

3.1、参数配置

1、点击simulation进行Model Configuration Parameters配置；

2、点击Solver，将Solver selection_Type改为Fixed-step，其余默认，点击apply应用；

3、点击Hardware Implementation，将Device vendor设置为ASIC/FPGA，其余默认，点击apply应用；

4、设置芯片型号及时钟频率，其余默认，点击apply应用；

5、将复位电平设置为低电平有效，其余默认，点击OK完成参数配置。

6、关联Vivado软件，进行联合编译：在matlab命令窗口输入命令，hdlsetuptoolpath (‘ToolName’,‘…’,‘ToolPath’,‘…’)，具体用法可右键参照帮助。

3.2、HDL Code代码生成

1、Code–HDL Code–HDL W… A… 打开工作区，进行相关配置，并检查错误；

2、选择Kalman模块，生成相应程序；

3、在工作区1.1中将综合工具选为相应编译器，之前的相关配置会自动填充，之后点Apply应用；在1.2中将时钟频率设为相应频率，Apply即可；

4、右击Set Target ，Run All完成此部分设定；

5、在3.1.1中，将语言选择为Verilog；在3.1.5中，将Generate RTL code和Generate test bench勾选；在3.2中，勾选Generate RTL Code与Generate Testbench，点击Apply；在3.3中勾选Skip This Task；其余默认即可，记得完成每一步配置后点击Apply；然后Run all第3部分；

6、此时3.2部分会报错，这里点击下图所示，将实数检查设为none/warning（因为Verilog语言在综合时不允许有浮点数存在，所以会报错，我们这里仅进行仿真，所以忽略此错误）；

7、再次Run All第三部分，完成Verilog程序生成；（因为我们这里仅进行了仿真所以不需要进行Run第4部分综合编译，且生成的程序中存在real类型变量，不能进行综合）。

三、Vivado中实现Kalman滤波仿真

1、在Vivado中创建工程并将Kalman.v与Kalman_tb.v文件添加到工程中

2、在Matlab中生成波形文件，代码如下

其中cosy_dig为叠加了白噪声的混合信号。

fc= 0.25e6 ;% 中心频率Fs= 50e6 ; % 采样频率T = 1/fc ; % 信号周期Num = Fs * T ;% 周期内信号采样点数t = (0:Num-1)/Fs ;% 离散时间cosn = cos(2*pi*fc*t) ; % 信号snr=10;px_dBW=10;pn_W=10^((px_dBW-snr)/10);n=sqrt(pn_W)*randn(1,length(cosn));%噪声y1=mapminmax(cosn+n);cosy_dig = floor((2^11-1) * y1 + 2^11) ; %幅值扩展到 0~4095cosy_dig1 = floor((2^11-1) * n + 2^11) ; %幅值扩展到 0~4095cosy_dig2 = floor((2^11-1) * cosn + 2^11) ;%幅值扩展到 0~4095fid = fopen('E:\JXR\FPGA\matlab\Kalman1\whitenosie.dat', 'wt') ; %写数据文件fprintf(fid, '%x\n',cosy_dig1) ;fclose(fid) ;fid1 = fopen('E:\JXR\FPGA\matlab\Kalman1\sin.dat', 'wt') ; %写数据文件fprintf(fid1, '%x\n', cosy_dig2) ;fclose(fid1) ;fid2 = fopen('E:\JXR\FPGA\matlab\Kalman1\cosy_dig.dat', 'wt') ; %写数据文件fprintf(fid2, '%x\n', cosy_dig) ;fclose(fid2) ;figure('name','混合信号时域波形');subplot(221);plot(cosy_dig1);hold on ;subplot(222);plot(t,cosy_dig2) ;hold on ;subplot(223);plot(t,y1) ;hold on ;subplot(224);plot(t,cosy_dig) ;

3、重写tb仿真文件

生成的tb文件很乱，我这里重新写了tb文件，并将matlab中生成的波形数据载入，具体代码如下：

`timescale 1ns / 1psmodule Kalman_tb;parameter NIN =12 ; //matlab中生成文件数据位宽为12reg clk; reg rstn;reg en; reg [63:0] In1; wire ce_out;wire [63:0] Out1;//============== 200MHz clk generating=======================localparam T200M_HALF = 2.5000;initial beginclk = 1'b0 ;forever begin# T200M_HALF clk = ~clk ;endend //========reset and finish=============initial beginrstn = 1'b0 ;# 30 ;rstn = 1'b1 ;# (T200M_HALF * 2 * 2000) ;$finish ;end //=====read cos data into register ======== parameter SIN_DATA_NUM = 200 ;reg[NIN-1:0] stimulus1 [0: SIN_DATA_NUM-1] ;integeri ;initial begin$readmemh("E:/JXR/FPGA/matlab/Kalman1/cosy_dig.dat", stimulus1) ; //提取加噪声后的波形数据i = 0 ;en = 0 ;In1 =0;# 200 ;forever begin@(negedge clk) beginen= 1 ;In1 = stimulus1[i] ;if (i == SIN_DATA_NUM-1) begini = 0 ;endelse begini = i + 1 ;endendendendKalman Kalman_u(.clk (clk),.reset(rstn),.clk_enable (en),.In1 (In1),.ce_out(ce_out),.Out1 (Out1));endmodule // kalman_tb