技术探讨:基于FPGA的电子系统柔性设计

　1 引 言

　　电子产品的多样性，小批量和周期性短是21世纪制造业的鲜明特征，对设计工作提出了更新更高的要求。如何在产品改进或开发新产品时减少重设计和修改设计的工作量，缩短设计周期、提高产品可靠性是制造行业面临的重要课题。电子系统的柔性设计是采用电路结构重置技术，将多个针对不同功能要求设计好的配置文件分别存放在不同的地址空间，根据不同的外部命令，使所需的配置文件在线下载到具有重置功能的电子器件(如FPGA)中，以时分复用的形式分别完成各个功能。这种设计方式可以极大地提高电路系统的硬件功能灵活性。同一电路系统在没有发生任何外在结构上的改变时，通过来自外部不同的命令信号，电路系统的结构和功能将在瞬间发生改变，从而使单一电路系统具有许多不同电路结构的功能。


　　现场可编程门阵列FPGA是近十多年发展起来的新型可编程逻辑器件，利用FPGA的ICR特性进行电路系统的柔性设计，无疑将会减少重设计和修改设计的工作量、缩短系统的设计周期、提高系统的通用性和性价比，增强企业的竞争能力。

　　2 课题设计

　　设计一电子系统，不改变电路结构的条件下能够分别完成温度、电动自行车速度和心率信号的测量与显示，外加一个扩展功能，设计具体要求如下。

　　(1) 测量结果用十进制显示，温度的测量范围0～100℃，电动自行车速度的测量范围0～0.60 km／min，心率测量范围10～200跳／min；

　　(2) 测量值用3位数码管显示，小数点能自动移动，且小数点左边1位以上的零自动熄灭；

　　(3) 具有超量程报警功能，在超出口前测量参数的测量范围时，发出灯光信号；

　　(4) 电路结构尽量简单。

　　3 系统硬件设计

　　3.1 基于ICR技术的FPGA部分硬件电路设计

　　根据课题要求，设计FPGA部分硬件电路如图1所示。FPGA芯片选用Altera公司的中档器件FLEX-EPF10K10LC84-4，他是基于SRAM LUT结构的FPGA器件。根据传送数据的方式，FLEX10K可以使用4种配置模式，即：主动串行(AS)、被动串行(PS)、被动并行同步(PPS)、被动并行异步(PPA)。由于PPA配置模式为并行配置，其配置速度快，且配置时钟由FPGA内部产生，更有利于在线实现，本文就是采用PPA方式来实现电路系统的在线重构。PPA方式配置时应注意以下几点：

　　(1) 当MESL0，MESL1均接高电平时，为PPA模式。

　　(2) nCS和CS两个片选信号只需用一个，另一个必须将其直接置为有效位。

　　(3) nRS为读选通输人信号，低输人时引导FLEX-IOK将RDYnBSY信号置于DATA7引脚。当nRS不用时，必须将其置为高。

　　(4) nCE为FLEX10K器件的使能输人，nCE为低时使能配置过程，而且为单片配置时，nCE必须始终为低。

　　(5) DATA[7..0]接到AT89C52的P07～P00，nWS为写选通输人，由低到高的跳变时锁存DATA[7..0]引脚上的字节数据。

　　(6) nSTATUS和CONF DONE引脚由于是双向漏极开路端口，所以在作输出使用时，应该经过1.0 kΩ的电阻上拉到VCC。其他细节可参考PPA配置方式的工作时序。

　　图1中ADC0804是CMOS 8位单通道逐次渐近型的模／数转换器，其主要性能指标有：工作电压+5 V、模拟输入电压范围0～5 V、参考电压2.5 V，分辨率8位。74LS245位总线收发器，用来加强数据总线的驱动能力。

硬件电路

　　3.2 配置电路硬件设计及其工作原理

　　在FPGA的实际应用中，用单片机来配置FPGA可以很好地解决系统保密和可升级的问题。基于AT-MEL89C52的配置电路结构如图2所示。

硬件电路

　　3个不同功能的配置文件分别存放在3片外扩程序存储器27C128中，另外一个128用作进一步扩展时使用。K1，K2为功能选择键，当K1，K2同时闭合时，系统实现温度测量功能；K1闭合，K2打开时，系统实现转速测量功能；K1打开，K2打开闭合时，系统实现心率测量功能。当K1，K2同时打开时，作功能扩展用。

　　4系统软件设计

　　4.1 FPGA配置文件的生成

　　使用开发工具Max+PlusⅡ或QuartusⅡ可以生成多种配置编译文件，用于不同配置方法的配置。对于不同的目标器件，配置数据的大小不同。由于Altera公司提供的软件工具不自动生成.rbf文件，所以配置文件需按照下面的步骤生成：在Max+PlusⅡ编译状态下，选择文件菜单中的变换SRAM目标文件命令；在File Formatbox目标文件对话框中指定要转换的目标文件.rbf，单击OK即可。把各个功能的目标文件按预定功能分别烧写到EPROM27128中，且首地址设置为0002H。

　　4.2 单片机实现配置过程的控制程序

　　该系统中单片机主要用来产生配置时序，所以首先要熟悉PPA方式配置FPGA的时序波形图，才能设计出合理的单片机程序。由于篇幅的限制，这里仅给出单片机实现配置过程的控制程序流程如图3所示，PPA配置方式的时序图请参考Altera公司的器件资料。


控制程序流程

　　5 结 语

　　基于在线重置技术，结合实例提出了电子系统的柔性设计。随着微电子技术特别是EDA的飞速发展，这种方案将会在复杂电子系统的设计中得到广泛采用。

现场可编程门阵列FPGA是近十多年发展起来的新型可编程逻辑器件

在超出口前测量参数的测量范围时，发出灯光信号；