基于FPGA的可调参数FIR滤波器系统设计(6)
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM， PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA。
FPGA模块是滤波系统的核心，承载了所有的数字电路部分。在设计过程中，强调片上系统的概念，在FPGA平台上实现了系统中所需要的所有数字逻辑，包括加法器、乘法器、缓冲器、PLL(Phase-locked Loop，锁相环)、USB接口逻辑等。从而使得系统中的数字部分处于完全可编程可调状态，只需根据需求更新FPGA程序即可，具有较强的适应性和灵活性。
3.1.1 FPGA芯片选型
Altera公司Cyclone系列FPGA是目前市场上性价比最优且价格最低的FPGA o Cyclone器件具有为大批量价格敏感应用优化的功能集，这些应用市场包括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类。器件基于成本优化的全铜1.5VSRAM工艺，容量从2910至20060个逻辑单元不等，具有多达294912bit嵌入RAM。除此之外，Cyclone系列的FPGA还集成了许多复杂的功能。
Cyclone系列FPGA提供了全功能的锁相环(PLL)，用于板级的十种网络管理和中庸的I/O接口，这些接口用于连接业界表中的外部存储器器件。这些特性使得FPGA系列成为ASIC最灵活和最合算的替代方案。Cyclone系列共包括了5种型号的FPGA，各自性能特征见表3-1所示。
结合系统需要，设计中采用了该系列的EP1C6器件EP1C6Q240C8。
表3-1 Cyclone FPGA 系列产品性能
特性 EP1C3 EP1C4 EP1C6 EP1C12 EP1C20
逻辑单元（LE） 2910 4000 5980 12060 20060
M4K RAM
（4kbit+奇偶校验） 13 17 20 52 64
RAM总量 59904 78336 92160 239616 294912
PLLs 1 2 2 2 2
最大用户I/O数 104 301 185 249 301
差分通道 34 129 72 103 129
EP1C6Q240C8还具有如下特性：
(1)内核工作电压为1.5V；
(2)片上的锁相环电路可以提供输入时钟的1~32分频或倍频、156~417ps移相或可变占空比的时钟输出，输出时钟信号的特性可直接在开发软件里设定。经过锁相环输出的时钟信号既可以作为内部的全局时钟，也可以输出到片外供其它电路使用；
(3)多功能的I/O结构支持差分和单端输入，并与3.3V，32位、66MHz的PCI局部总线兼容，输出可以根据需要调整驱动能力，并具有三态缓冲、总线状态保持等功能；
(4)整个器件的I/O引脚分为四个区，每一个区可以独立采用不同的输入电压，并可提供不同电压等级的输出。
3.1.2 FPGA外围电路设计
FPGA外围电路连接如图3-2所示。晶振提供48MHz的主时钟，经过FPGA内部的PLL和VHDL编程实现时钟的转换，为系统提供工作时钟；JTAG口，用来在程序调试阶段通过下载电缆配置FPGA芯片；串行FPGA配置芯片EPCS4，用来在程序调试无误后用把程序固化到配置芯片中，使系统上电即可工作；与USB控制器连接，实现与计算机的通讯；由于外部电源提供的电压为5 V，而FPGA的I/O工作电压为3.3V，因此设计了电压转换电路，实现从5V到3.3 V的电压转换。采用的电压转换芯片为LT1587CM-3.3，电路连接如图3-3所示。在设计时，电路中加入了2Amax的保险丝，以防止电流过大而烧坏电路；另外，外部配有3.3V转1.5V电压转换电路，如图3-4所示，提供FPGA内核工作电压。