基于Flash构架的模数混合的FPGA在心电监控仪上的应用设计

Fution系列的FPGA是世界上首个基于Flash构架的模数混合的FPGA，即在数字FPGA的基础上加入了模拟电路部分，解决了传统模拟电路和FPGA分离给设计带来的诸多问题，降低了PCB板的制作难度，缩小了产品的体积。FPGA的可编程性使得系统易于升级。同时在数字系统中引入模拟电路，简化了系统电路设计。

1 Fution FPGA介绍

Fution FPGA的主要特点主要体现在：

(1)单芯片：无需配置芯片；

(2)高安全性：晶体管受7层金属保护，具有AES和Flash Lock加密技术；

(3)高可靠性：对高能量粒子轰击具有免疫作用，具有很强的固件错误免疫功能；

(4)上电即行：上电时间非常短，一般只有几十个微秒左右；

(5)低功耗：无论是动态功耗还是静功耗都低于竞争对手，IGLOO最低可达5 ?滋W;

(6)低系统成本：无需配置芯片，小功率电源芯片，无需加密芯片，PCB面积更小。

Fusion系列FPGA内部框架如图1所示。

2 片上系统的实现原理

具体片上系统框图如图2所示。经过心电信号采集传感器采集的心电信号接入12位ADC，ADC将心电模拟信号转换成数字信号被BUF锁存，然后送给Core8051供其采集处理。Core8051中设计算法，将ADC传来的数据转换成VGA可以显示的数据，然后送给VGA驱动模块。

2.1 ADC模块设计

Fution FPGA内含采样精度和转换时间可以灵活配置的AD转换器，为灵活的AD转换方案提供了可能性。作为一种逐次逼近型ADC，这种转换器具有高达600 Ks/s采样率，器件内部具有2.56 V的参考源，误差在12位模式下为±6 LSB，具有自动校准功能。

利用FPGA内部逻辑单元对ADC进行配置：设置ADC精度为12位，参考电压采用幅值为2.56 V精度为1%片内电压源供电，同时FPGA内部的ADC具有Prescaler（预处理器），所以可以灵活地设置采样电压的范围，更进一步保证了AD转换的精确度。ADC初始化工作过程如下：

(1)等待ADCRESET管脚释放无效；

(2)ADCRESET管脚释放无效后，ADC上电自校准；

(3)上电校准后（CALIBRATE=1）,对ACM 进行配置；

(4)配置完成后，通过ADC_START来使ADC工作。

FPGA内部逻辑单元进行ADC的配置和初始化工作，从而控制ADC采样，具体过程如图3所示。

function ImgZoom(Id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

2.2 控制核心Core8051模块设计

FPGA内部可以嵌入高速的Core8051处理器内核，它是整个系统的核心，负责有序地调用其余各功能模块，同时又兼有数据处理任务，负责将ADC传来的数据转换成VGA可以显示的数据。Core8051的硬件配置非常灵活，时钟速度可以达到33 MHz，ROM的大小可以根据需要灵活地设置，该设计配置为64 KB。片内DATA RAM仅需256 B即可完成驱动VGA的功能，也可以扩展外部64 KB RAM，从而完成更强大的软件功能。系统中设置单片机的片内DATA RAM为256 B，并通过系统总线扩展了外部64 KB的SRAM，系统框图如图4所示。