发挥综合优势 SmartFusion助力便携导航产品

西安电子科技大学 史江一 王焱龙

编者按：由于传统的微处理器/ASIC/ASSP+DSP+FPGA的处理架构很难满足新的系统需求，多家FPGA已和ARM公司合作，在其开发平台中引入了ARM架构或在FPGA中内嵌了ARM内核。其中，Actel最新推出的SmartFusion系列FPGA是行业内唯一集成FPGA、ARM硬核处理器及可编程模拟资源于一体的器件，可为单芯片系统的硬件和嵌入式系统设计师提供更大的灵活性。在去年举行的“ACTEL杯全国大学生第二届FPGA设计大赛”中，西安电子科技大学成功使用SmartFusion系列FPGA完成了一款“便携式导航仪的设计”，并且夺得了一等奖。《中国电子报》专门约请方案设计者为本专辑写稿，分享SmartFusion在该方案中的具体应用。

器件选型：数模混合单芯片是关键

西安电子科技大学史江一

SmartFusion系列FPGA是行业内唯一集成FPGA、ARM硬核处理器及可编程模拟资源于一体的器件，可为单芯片系统的硬件和嵌入式系统设计师提供更大的灵活性。SmartFusion内部集成ARM Cortex-M3硬核处理器和Actel Core8051软核处理器，实现处理器和FPGA的高度集成。同时其内部提供的模拟部分，如12位精度的A/D、D/A转换器、RTC等，为需要模拟和数字混合处理的设计提供了单芯片解决方案。
在“Actel杯全国大学生第二届FPGA设计大赛”中，本文方案成功使用SmartFusion系列FPGA完成了一款“便携式导航仪的设计”，并且夺得了一等奖。
在设计器件选型时，我们针对“便携式导航仪”的设计方案选择了Fusion系列的60万门AFS600。在比赛设计中，主要考虑到“便携式导航仪”在功能方面需要一款高性能的处理器为用户提供体验良好的GUI界面，同时在软件设计方面有良好的编译器支持和扩展性。AFS600 FPGA所拥有的软核处理器Core8051是一款基于8051指令集的8位RISC处理器，通过其开放的SFR总线与FPGA完美结合结构，可以使其扩展到128位的地址空间。同时其软件开发环境被Keil C51所支持，有良好的编程环境。
在体积方面，“便携式导航仪”是一个数模混合的设计，若采用其他FPGA系列则需要外接相应的模拟模块，这样设备的体积就会增大。而Fusion系列FPGA芯片内部提供了精度为12bit的A/D转换模块，无须外接其他器件。
在存储方面，导航仪需要大量的图片作为导航数据，其他系列FPGA中，提供的都为“掉电易失型”存储器，这样又需要外接Flash这样的存储单元，增大了面积和成本。而Fusion FPGA系列提供Flash存储器作为非易失存储单元，很好地解决了这个问题。
在低功耗方面，Fusion系列FPGA在掉电后被编程电路不会丢失，利用内部的RTC单元可以实现在休眠模式下FPGA部分完全关闭，相比其他系列FPGA休眠关闭后需要消耗电量来保持电路，其功耗更低。

参赛设计：SmartFusion为核心

本设计主要是由Fusion StartKit FPGA开发板、SR-92GPS模块、STH-10温湿度传感器、MS5540B气压传感器、BQ-CA82-TTL-P方向传感器和2.4英寸彩色触控液晶屏、TF卡卡座以及光敏电阻等构成，总体框图如右图：
Actel Fusion FPGA是整个系统的核心，在其内部搭建了一个由Actel提供的Core8051软核，以实现复杂的系统控制。在对液晶触控屏的触控操作做出判断后，FPGA控制相应的外围传感器采集环境信息，并对采集到的数据进行相应的处理，最后再通过液晶屏友好地反馈给用户。若用户有需要，FPGA还能将采集到的数据存储到TF卡中，方便用户日后查看。
系统中的光敏电阻是模拟器件，通过使用数模混合的Actel Fusion系列FPGA内置的A/D转换器可将其输入的模拟信号转换为数字信号，从而实现对环境光线强度的感应，以便通过PWM控制液晶屏的背光亮度。

美中不足：工具不够下载速度待提高

SmartFusion系列FPGA为单芯片系统的硬件和嵌入式系统设计师提供更大的灵活性，但Fusion系列FPGA也有一些不足，如在片上调试方面，Altera和Xilinx都有相应的片上逻辑分析方法，如Chipscope，而Fusion系列FPGA则没有相对应的工具。同时在下载方面，由于Flash系列FPGA的特性，下载速度较慢，在本设计中一次完整的下载需要15分钟，在批量生产产品时会严重影响生产周期。
随着现代导航产品的不断发展，和对“用户体验”要求的不断提高，对FPGA内部的处理器的要求也不断提高。同时在体积方面，人们总是希望最小的体积能实现最强大的功能，因此，具有更高的系统集成性也将是FPGA发展的必然趋势。此外，随着对“绿色、低碳、减排”的要求不断提高，更低的功耗要求也是FPGA的发展趋势。

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SmartFusion系统简介

SmartFusion系统是行业内唯一集成了FPGA、ARM Cortex-M3处理器硬核，以及可编程模拟资源于一体的器件，能够完全实现系统的定制化。SmartFusion器件集成了丰富的接口电路、时钟管理资源，以及片上SRAM和Flash，使系统能够在片内安全、可靠地运行，并且由于采用100M CM3主频，能够使系统顺畅运行。此外，加之模拟部分的A/D、D/A等电路，以及不同密度的FPGA资源，使得构建一个系统变得简单、高效。
由于SmartFusion丰富的资源，使得很多有类似FPGA+DSP(MCU)架构的客户，纷纷计划使用SmartFusion作为硬件平台。SmartFusion在工控领域、娱乐游戏、数字对讲、UPS、电力设备等领域都有不俗表现。