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。

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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。

2.3 彩色显示驱动模块

比较成熟的TFT_LCD显示驱动的开发大多数基于ARM[2-3]、DSP[4]的平台。然而本系统使用的处理器是Coer8051，所以没有办法移植原有的驱动模块。又因为图像数据比较大，对处理器运算能力的要求比较高，所以结合Core8051和FPGA的特点重新设计了一种算法，降低需要处理的数据量，从而在Core8051的能力范围内来完成心电图像信息的显示。

为了显示一幅完整的图像，按照液晶扫描的时钟顺序将事先准备好的一帧图像数据逐次地输入到数据端口，从而完成一帧图像的显示。由于要显示的图像只有心电信号是动态变化的，而其他的都是相对静止不动的，也就是每一次扫描时数据信息是不变化的，整幅的图像被分成动态的（心电图像）和静态的（背景、标度）两部分。动态的由Core8051产生，并在特定时刻输入到TFT_LCD；静态的图像信息事先存储到FPGA中的存储器中，每扫描一次都按照特定的顺序输入到LCD。通过这种方法，Core805就只需处理心电信号的信息，从而大大地减少了图像数据的处理量，并完成图像的显示。该模块的设计完成了低端处理器很难完成的实时彩色界面的驱动，即仅使用带有256 B RAM的Core8051就可以显示256色界面。

根据上述设想，可将液晶屏分成动态部分和静态部分，如图5所示。

图5中除了“心电信号动态显示区”中显示出动态的心电图像，其他部分包括“动态显示区”中的背景图像信息全部事先存储在FPGA内部的Flash存储器中。

动态显示区可以用两组数据来标注，设为：x0，y0，x1，y1，则这个动态显示区每个定点的坐标就可以表示为（x0，y0）(x0，y1)(x1，y0)(x1，y1)。如图5所示， 横坐标表示时间t/s，纵坐标表示心电信号的