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摘要：随着FPGA技术的高速发展，FPGA产品的规模越来越大，集成度也越来越高，价格不断降低，FPGA技术必将在电子设计中得到越来越广泛的应用。而FPGA技术应用于电子设计中，不仅可以用有效的提升电子产品的性能，还可以降低产品开发的时间。基于此，本文就围绕FPGA技术在电子设计中的应用展开详细的分析论述。
关键词：FPGA技术；电子设计；应用
1、FPGA的特点
FPGA是以可编程阵列逻辑、通用阵逻辑、可编程逻辑器件为基础发展起来的，从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至系统级芯FPGA都扮演着十分重要的角色。其主要的特色就是现场可编程序性，这一点应用到电子设计中，可以灵活地进行控制，缩短产品上市的时间。其采用了逻辑单元阵列的概念，与传统的编辑电路和门列阵相对比而言，FPGA具有不同的结构，它应用的是小型的查找表实现了组合逻辑的编辑，每一个表对应一个D触发器，而这个触发器正好驱动相匹配的I/O，这样的组合模式正好完成了既可实现组合编辑又可以进行时序编辑的功能，这些每一个相邻模块应用金属线连接。通过内部静态存储单元和编程数据，实现逻辑编辑的功能。
FPGA的特点：①FPGA特有的可编程片上的特点，就是指设计专用的集成电路的时候，用户不需要投片生产，可直接合成芯片；②FPGA以其可由简单接口到复杂接口的设计特点可以作为全定制或者半定制的专用集成电路的中试样片；③就其特殊的结构而言，其内部含有极为丰富的触发器和I/O引脚；④设计周期短，开发费用低，风险小。
2、FPGA技术的现状及发展
随着半导体工艺技术的不断发展，FPGA技术也不断地推动着电子设计技术的发展。IC设计产业在不断高度发展的同时也面临着巨大的挑战，产品上市周期越来越短、成本越来越低等要求都迫使设计者在进行电子设计时选用更高效的FPGA技术。设计者在设计的过程中必须全面的考虑问题，不仅要考虑硬件的物理特性对设计时序及功能可靠性等的影响，同时也要选用合适的设计术语及抽象形式等数据来描述设计。FPGA技术不仅需要测试深验证亚微米技术的物理效应的能力同时也需要提供抽象设计的能力。FPGA技术的发展离不开计算机、电子系统设计及集成电路等，FPGA技术的发展大致上可以分为计算机辅助阶段、计算机辅助工程设计阶段及电子设计自动化阶段这三个阶段。电子辅助阶段主要是在计算机辅助的前提下进行的电路原理图编辑，用PCB进行布线布局，从而使得设计师从传统的绘图工作中解放出来。计算机辅助工程设计阶段主要是解决电路设计中的电路检测等问题，CAE以逻辑模拟、故障仿真及定时分析等为核心，从而使得设计可以提前预知产品的相关性能及功能。电子设计自动化阶段主要是通过高级描述语言、综合技术及系统仿真等“自上而下”的完成设计前期的高层次设计。
3、FPGA技术在电子设计中的应用
FPGA技术的不断发展为电子设计技术提供了成本低廉、设计灵活的解决方案。当前，国内外的汽车电子设计大都是基于FPGA来完成的。由于FPGA的处理速度非常快，在汽车信息娱乐系统使用非常广泛，比如影音视频播放功能、GPS导航系统、FM收音机、车载电视功能等。本文对FPGA在汽车方向盘测试仪电子设计过程中的实际应用进行介绍。
3.1 FPGA在ADC模块中的应用
由于精准度比较高、运行速度比较快的A/D芯片对电源的噪音很敏感，并且在连入数字系统后，精准度降低。为了解决这个问题，可以使用差分驱动器、光电耦合器对数字系统和ADC芯片进行隔离。不仅提升了A/D采样的精确度而且，A/D采样的噪音也降低了很多。在ADC驱动模块中FPGA主要有下面几个方面构成：①ADC采样数据暂存区域；②ADC收集控制模块；③ADC数据存储区域；④ADC滤波数据修正模块。
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3.2 在角度信号收集模块中的应用
角度信号收集模块主要是使用FPA器件和光电编码器进行设计的，利用四倍频、辨向和计数的方法对契合方向盘角度测量的精准度进行了提升，达到了汽车方向盘角度高精度测量的目的。角度信号收集模块主要是为了处理光电编码器输出的信号，主要有判向信号、四倍频信号、24位计数器，数据存储、清零、数据锁存等。通过利用光电编码器，在输出脉冲不断的增加下，分辨率也有了比较的大的提高。
3.3 在接口控制模块中的应用
使用总线的方法进行MCU和FPGA通讯，使用这种方法把MCU总线转变成分离的数据总线和地址，总线通信方法具有编程容易、传播速率高、控制稳定，而且通过在FPGA中进行逻辑切换，更加便于ROM或RAM和MCU之间进行数据通讯，将MCU数据处理的能力充分的发挥了出来。
3.4 使用FFT算法处理ADC信号
在收集和处理ADC信号的过程中，使用FFT（快速傅立叶变换）对信号进行分析。FFT算法是利用FPGA自带的IP核来进行设计的，主要由IP核和接口两个部分构成，接口的主要作用是将对应的存储区域的A/D转换数据传送到IP核模块，然后利用FFT对信号进行分析处理，将变换后的结果送到对应的存储区域。FFT计算结果的精准度主要是由输入数据、精准度、运算中的位数来决定的，另外和数据表现的基本形式也有着较大的联系。通常情况下，浮点要高于定点的精准度。在定点计算的过程中，存储器数据的位数越高、数据计算的准确度就越高，可以利用逻辑单位和存储单元也越多。在实际使用的过程中，要参考具体的情况选择资源和精确度。
4、在电子设计中使用FPGA需要注意的地方
在电子设计中使用FPGA主要是为了对系统的稳定性进行提升，对系统的性能进行改善，对外界的干扰进行抑制，确保设计的合理性。在设计的过程中，主要需要注意下面几个方面的问题：
4.1消除毛刺。为了降低FPGA设计电路的过程中，毛刺的出现概率，降低逻辑错误，提高电路的稳定性，要对设计进行改变，对毛刺出现的原因进行控制，从而降低毛刺的出现概率，使结构更加的科学合理。
4.2时序设计的注意事项。在设计时序的过程中，要对设计的时钟速率进行考虑，尽可能使用全局时钟来对时钟信号进行控制，使用一个时钟来对数据进行寄存，不使用全局网络的时候，要将约束条件加入到设计中。
4.3由于代码推断即不可靠，又很麻烦，要多使用自带的Core genrate。
4.4仿真方面的设计。在进行仿真设计的过程中，要对调试工具进行充分使用，在进行功能仿真的过程中，要重点考虑功能的稳定性和可靠性，对各方面的初始情况进行考。
4.5对设计功能块进行层次化。要先对顶层的功能块进行设计，然后对底层的功能块进行设计，通过对设计功能进行层次化，可以使得设计调试起来更加容易，可读性更好。
结束语
综上所述，基于FPGA的汽车电子设计，不仅实现了电子设备的多模块集中控制，增强了电子设计的灵活性，缩短了开发周期和降低了成本，而且有效提升了电子控制系统的维护性与稳定性，并方便系统后续的升级改造，因此FPGA在未来电子设计中必然将会应用愈加广泛，并成为电子设计的主要解决方案。
参考文献：
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[3]于映.基于FPGA技术在电子设计中存在的问题与解决策略分析[J].建筑工程技术与设计，2014，（18）.
论文作者:欧海辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/2/3
标签：电子设计论文; 技术论文; 过程中论文; 功能论文; 信号论文; 模块论文; 逻辑论文; 《基层建设》2017年第31期论文;