基于Flash構架的模數混合的FPGA在心電監控儀上的應用設計

Fution系列的FPGA是世界上首個基于Flash構架的模數混合的FPGA，即在數字FPGA的基礎上加入了模擬電路部分，解決了傳統模擬電路和FPGA分離給設計帶來的諸多問題，降低了PCB板的制作難度，縮小了產品的體積。FPGA的可編程性使得系統易于升級。同時在數字系統中引入模擬電路，簡化了系統電路設計。

1 Fution FPGA介紹

Fution FPGA的主要特點主要體現在：

(1)單芯片：無需配置芯片；

(2)高安全性：晶體管受7層金屬保護，具有AES和Flash Lock加密技術；

(3)高可靠性：對高能量粒子轟擊具有免疫作用，具有很強的固件錯誤免疫功能；

(4)上電即行：上電時間非常短，一般只有幾十個微秒左右；

(5)低功耗：無論是動態功耗還是靜功耗都低于競爭對手，IGLOO最低可達5 ?滋W;

(6)低系統成本：無需配置芯片，小功率電源芯片，無需加密芯片，PCB面積更小。

Fusion系列FPGA內部框架如圖1所示。

2 片上系統的實現原理

具體片上系統框圖如圖2所示。經過心電信號采集傳感器采集的心電信號接入12位ADC，ADC將心電模擬信號轉換成數字信號被BUF鎖存，然后送給Core8051供其采集處理。Core8051中設計算法，將ADC傳來的數據轉換成VGA可以顯示的數據，然后送給VGA驅動模塊。

2.1 ADC模塊設計

Fution FPGA內含采樣精度和轉換時間可以靈活配置的AD轉換器，為靈活的AD轉換方案提供了可能性。作為一種逐次逼近型ADC，這種轉換器具有高達600 Ks/s采樣率，器件內部具有2.56 V的參考源，誤差在12位模式下為±6 LSB，具有自動校準功能。

利用FPGA內部邏輯單元對ADC進行配置：設置ADC精度為12位，參考電壓采用幅值為2.56 V精度為1%片內電壓源供電，同時FPGA內部的ADC具有Prescaler（預處理器），所以可以靈活地設置采樣電壓的范圍，更進一步保證了AD轉換的精確度。ADC初始化工作過程如下：

(1)等待ADCRESET管腳釋放無效；

(2)ADCRESET管腳釋放無效后，ADC上電自校準；

(3)上電校準后（CALIBRATE=1）,對ACM 進行配置；

(4)配置完成后，通過ADC_START來使ADC工作。

FPGA內部邏輯單元進行ADC的配置和初始化工作，從而控制ADC采樣，具體過程如圖3所示。

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2.2 控制核心Core8051模塊設計

FPGA內部可以嵌入高速的Core8051處理器內核，它是整個系統的核心，負責有序地調用其余各功能模塊，同時又兼有數據處理任務，負責將ADC傳來的數據轉換成VGA可以顯示的數據。Core8051的硬件配置非常靈活，時鐘速度可以達到33 MHz，ROM的大小可以根據需要靈活地設置，該設計配置為64 KB。片內DATA RAM僅需256 B即可完成驅動VGA的功能，也可以擴展外部64 KB RAM，從而完成更強大的軟件功能。系統中設置單片機的片內DATA RAM為256 B，并通過系統總線擴展了外部64 KB的SRAM，系統框圖如圖4所示。