基于FPGA的可重构仪器的设计与仿真

　　1　可重构智能仪器的设计

　　1.1　可重构智能仪器整体设计思想

　　可重构仪器就是通过按键来选择仪器的功能,重新构造仪器,具有构造简单、成本低、功能强大的特点,并且很容易升级。与其他仪器不同的是这种多功能仪器的核心思想是可重构性,从表面上看,同一电路系统没有发生任何外在结构上的改变,但通过来自外部不同的命令信号,系统内部将对应的配置信息加载于系统中的FPGA,电路系统的结构和功能将在瞬间发生巨大的改变,从而使单一电路系统具备许多不同电路的功能,实现多种功能于一体的集成仪器,从而实现智能化,这就是本文提出的一种可重构智能仪器的设计思想。为了进一步验证该思想的可行性,设计了三种功能模块作为该仪器的功能模块———频率计、正弦信号发生器、数控分频器,以实验箱为平台,进行了实验仿真验证,该仪器符合可重构的思想,具有一定的可行性。

　　1.2　总体设计

　　采用单片机配置FPGA,就是将配置文件存储到外部FLASH中。采用单片机控制FPGA进行配置,最主要的是针对不同的功能要求设计好的FPGA配置文件能按不同的地址放置在同一片FLASH中,然后由单片机接收用户不同的命令,以选择不同的地址控制,从而使所需的配置文件下载于FPGA中,实现不同的功能,增强了系统的灵活性。关于配置, Altera的基于SRAM LUT的FPGA提供了多种配置方式,综合考虑,在对配置时间要求不是很严格的系统中,采用被动串行配置模式在价格和资源的利用率上都有一定的优势,所以本设计采用此配置方法。单片机用来作主控模块,控制FPGA的配置、功能的切换、数据的显示。整体分为五个模块,总体框图如图1所示。

　　按键模块:其中3个按键直接与单片机的接口相连,单片机读取它们的状态来选择要完成的功能,即完成功能的切换。其他的按键直接或间接的与FPGA相连,用于配合仪器的输入或控制状态,例如本仪器的鉴频器功能,其中2个按键通过16进制编码器与FPGA的引脚相连,就将该功能的配置文件(引脚已经锁定好)给FPGA配置,对应的2个按键负责输入8位预置数D(PIO7~PIO0对应的FPGA引脚输入)。FLASH模块:该模块采用64KB的FLASH芯片完成,用来存储在Quarts2环境下编译生成的不同功能模块的配置文件。

　　显示模块:显示模块1用来显示测得的频率值,利用串转并芯片74LS164可将串行数据显示在数码管上。显示模块2用来完成显示分频后的频率数值以及中间的一些状态。有多个数码管和发光管组成,它们直接与FPGA的某些引脚相连,通过FPGA的对应引脚的输出状态就会驱动相应的数码管或发光管发亮显示。FPGA模块:采用Altera公司的一款性价比较高的FPGA芯片EP1C6Q240C8,拥有5980个逻辑单元并能提供高达311Mbit/s的双向I/O功能,工作电压为3.3V,内核电压仅为1.5V,有效降低了功耗;其外部管脚总数达240,最大可支持185个用户I/O。它是该仪器可重构部分的载体,可以通过编程改变其逻辑功能,实现所需的功能,但不用人为改变内部硬件结构。D/A模块:是一个可选模块,此设计输出的数字信号信息可以直接进行其他处理,如要得到模拟的信号波形必须通过D/A转换模块。