基于Flash構(gòu)架的模數(shù)混合的FPGA在心電監(jiān)控儀上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

Fution系列的FPGA是世界上首個(gè)基于Flash構(gòu)架的模數(shù)混合的FPGA，即在數(shù)字FPGA的基礎(chǔ)上加入了模擬電路部分，解決了傳統(tǒng)模擬電路和FPGA分離給設(shè)計(jì)帶來的諸多問題，降低了PCB板的制作難度，縮小了產(chǎn)品的體積。FPGA的可編程性使得系統(tǒng)易于升級(jí)。同時(shí)在數(shù)字系統(tǒng)中引入模擬電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

1 Fution FPGA介紹

Fution FPGA的主要特點(diǎn)主要體現(xiàn)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(hù)，具有AES和Flash Lock加密技術(shù)；

(3)高可靠性：對(duì)高能量粒子轟擊具有免疫作用，具有很強(qiáng)的固件錯(cuò)誤免疫功能；

(4)上電即行：上電時(shí)間非常短，一般只有幾十個(gè)微秒左右；

(5)低功耗：無論是動(dòng)態(tài)功耗還是靜功耗都低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，IGLOO最低可達(dá)5 ?滋W;

(6)低系統(tǒng)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(nèi)部框架如圖1所示。

2 片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理

具體片上系統(tǒng)框圖如圖2所示。經(jīng)過心電信號(hào)采集傳感器采集的心電信號(hào)接入12位ADC，ADC將心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被BUF鎖存，然后送給Core8051供其采集處理。Core8051中設(shè)計(jì)算法，將ADC傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VGA可以顯示的數(shù)據(jù)，然后送給VGA驅(qū)動(dòng)模塊。

2.1 ADC模塊設(shè)計(jì)

Fution FPGA內(nèi)含采樣精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間可以靈活配置的AD轉(zhuǎn)換器，為靈活的AD轉(zhuǎn)換方案提供了可能性。作為一種逐次逼近型ADC，這種轉(zhuǎn)換器具有高達(dá)600 Ks/s采樣率，器件內(nèi)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(dòng)校準(zhǔn)功能。

利用FPGA內(nèi)部邏輯單元對(duì)ADC進(jìn)行配置：設(shè)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(nèi)電壓源供電，同時(shí)FPGA內(nèi)部的ADC具有Prescaler（預(yù)處理器），所以可以靈活地設(shè)置采樣電壓的范圍，更進(jìn)一步保證了AD轉(zhuǎn)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(zhǔn)；

(3)上電校準(zhǔn)后（CALIBRATE=1）,對(duì)ACM 進(jìn)行配置；

(4)配置完成后，通過ADC_START來使ADC工作。

FPGA內(nèi)部邏輯單元進(jìn)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(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部可以嵌入高速的Core8051處理器內(nèi)核，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)有序地調(diào)用其余各功能模塊，同時(shí)又兼有數(shù)據(jù)處理任務(wù)，負(fù)責(zé)將ADC傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VGA可以顯示的數(shù)據(jù)。Core8051的硬件配置非常靈活，時(shí)鐘速度可以達(dá)到33 MHz，ROM的大小可以根據(jù)需要靈活地設(shè)置，該設(shè)計(jì)配置為64 KB。片內(nèi)DATA RAM僅需256 B即可完成驅(qū)動(dòng)VGA的功能，也可以擴(kuò)展外部64 KB RAM，從而完成更強(qiáng)大的軟件功能。系統(tǒng)中設(shè)置單片機(jī)的片內(nèi)DATA RAM為256 B，并通過系統(tǒng)總線擴(kuò)展了外部64 KB的SRAM，系統(tǒng)框圖如圖4所示。