基于FPGA的電子系統(tǒng)柔性設(shè)計(jì)

　1 引 言

　　電子產(chǎn)品的多樣性，小批量和周期性短是21世紀(jì)制造業(yè)的鮮明特征，對設(shè)計(jì)工作提出了更新更高的要求。如何在產(chǎn)品改進(jìn)或開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)減少重設(shè)計(jì)和修改設(shè)計(jì)的工作量，縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品可靠性是制造行業(yè)面臨的重要課題。電子系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)是采用電路結(jié)構(gòu)重置技術(shù)，將多個(gè)針對不同功能要求設(shè)計(jì)好的配置文件分別存放在不同的地址空間，根據(jù)不同的外部命令，使所需的配置文件在線下載到具有重置功能的電子器件(如FPGA)中，以時(shí)分復(fù)用的形式分別完成各個(gè)功能。這種設(shè)計(jì)方式可以極大地提高電路系統(tǒng)的硬件功能靈活性。同一電路系統(tǒng)在沒有發(fā)生任何外在結(jié)構(gòu)上的改變時(shí)，通過來自外部不同的命令信號，電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能將在瞬間發(fā)生改變，從而使單一電路系統(tǒng)具有許多不同電路結(jié)構(gòu)的功能。

　　現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是近十多年發(fā)展起來的新型可編程邏輯器件，利用FPGA的ICR特性進(jìn)行電路系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)，無疑將會減少重設(shè)計(jì)和修改設(shè)計(jì)的工作量、縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期、提高系統(tǒng)的通用性和性價(jià)比，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。

　　2 課題設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)一電子系統(tǒng)，不改變電路結(jié)構(gòu)的條件下能夠分別完成溫度、電動自行車速度和心率信號的測量與顯示，外加一個(gè)擴(kuò)展功能，設(shè)計(jì)具體要求如下。

　　(1) 測量結(jié)果用十進(jìn)制顯示，溫度的測量范圍0～100℃，電動自行車速度的測量范圍0～0.60 km／min，心率測量范圍10～200跳／min；

　　(2) 測量值用3位數(shù)碼管顯示，小數(shù)點(diǎn)能自動移動，且小數(shù)點(diǎn)左邊1位以上的零自動熄滅；

　　(3) 具有超量程報(bào)警功能，在超出口前測量參數(shù)的測量范圍時(shí)，發(fā)出燈光信號；

　　(4) 電路結(jié)構(gòu)盡量簡單。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 基于ICR技術(shù)的FPGA部分硬件電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)FPGA部分硬件電路如圖1所示。FPGA芯片選用Altera公司的中檔器件FLEX-EPF10K10LC84-4，他是基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件。根據(jù)傳送數(shù)據(jù)的方式，F(xiàn)LEX10K可以使用4種配置模式，即：主動串行(AS)、被動串行(PS)、被動并行同步(PPS)、被動并行異步(PPA)。由于PPA配置模式為并行配置，其配置速度快，且配置時(shí)鐘由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，更有利于在線實(shí)現(xiàn)，本文就是采用PPA方式來實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)的在線重構(gòu)。PPA方式配置時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　(1) 當(dāng)MESL0，MESL1均接高電平時(shí)，為PPA模式。

　　(2) nCS和CS兩個(gè)片選信號只需用一個(gè)，另一個(gè)必須將其直接置為有效位。

　　(3) nRS為讀選通輸人信號，低輸人時(shí)引導(dǎo)FLEX-IOK將RDYnBSY信號置于DATA7引腳。當(dāng)nRS不用時(shí)，必須將其置為高。

　　(4) nCE為FLEX10K器件的使能輸人，nCE為低時(shí)使能配置過程，而且為單片配置時(shí)，nCE必須始終為低。

　　(5) DATA[7..0]接到AT89C52的P07～P00，nWS為寫選通輸人，由低到高的跳變時(shí)鎖存DATA[7..0]引腳上的字節(jié)數(shù)據(jù)。

　　(6) nSTATUS和CONF DONE引腳由于是雙向漏極開路端口，所以在作輸出使用時(shí)，應(yīng)該經(jīng)過1.0 kΩ的電阻上拉到VCC。其他細(xì)節(jié)可參考PPA配置方式的工作時(shí)序。

　　圖1中ADC0804是CMOS 8位單通道逐次漸近型的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要性能指標(biāo)有：工作電壓+5 V、模擬輸入電壓范圍0～5 V、參考電壓2.5 V，分辨率8位。74LS245位總線收發(fā)器，用來加強(qiáng)數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力。
 

　　3.2 配置電路硬件設(shè)計(jì)及其工作原理

　　在FPGA的實(shí)際應(yīng)用中，用單片機(jī)來配置FPGA可以很好地解決系統(tǒng)保密和可升級的問題?；贏T-MEL89C52的配置電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
 

　　3個(gè)不同功能的配置文件分別存放在3片外擴(kuò)程序存儲器27C128中，另外一個(gè)128用作進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)使用。K1，K2為功能選擇鍵，當(dāng)K1，K2同時(shí)閉合時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度測量功能；K1閉合，K2打開時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量功能；K1打開，K2打開閉合時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)心率測量功能。當(dāng)K1，K2同時(shí)打開時(shí)，作功能擴(kuò)展用。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 FPGA配置文件的生成

　　使用開發(fā)工具M(jìn)ax+PlusⅡ或QuartusⅡ可以生成多種配置編譯文件，用于不同配置方法的配置。對于不同的目標(biāo)器件，配置數(shù)據(jù)的大小不同。由于Altera公司提供的軟件工具不自動生成.rbf文件，所以配置文件需按照下面的步驟生成：在Max+PlusⅡ編譯狀態(tài)下，選擇文件菜單中的變換SRAM目標(biāo)文件命令；在File Formatbox目標(biāo)文件對話框中指定要轉(zhuǎn)換的目標(biāo)文件.rbf，單擊OK即可。把各個(gè)功能的目標(biāo)文件按預(yù)定功能分別燒寫到EPROM27128中，且首地址設(shè)置為0002H。

　　4.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)配置過程的控制程序

　　該系統(tǒng)中單片機(jī)主要用來產(chǎn)生配置時(shí)序，所以首先要熟悉PPA方式配置FPGA的時(shí)序波形圖，才能設(shè)計(jì)出合理的單片機(jī)程序。由于篇幅的限制，這里僅給出單片機(jī)實(shí)現(xiàn)配置過程的控制程序流程如圖3所示，PPA配置方式的時(shí)序圖請參考Altera公司的器件資料。
 

　　5 結(jié) 語

　　基于在線重置技術(shù)，結(jié)合實(shí)例提出了電子系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)。隨著微電子技術(shù)特別是EDA的飛速發(fā)展，這種方案將會在復(fù)雜電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到廣泛采用。