[经验]

基于FPGA的单线聚合（SWA）技术讲解

张国厚

2021-5-25 14:36:00

3065 FPGA 电路板微控制器

在电子系统中，用于连接电路板和各个模块之间的连接器不仅价格昂贵而且占据了电路板和系统的宝贵空间，并且它们还会降低产品的稳定性。

莱迪思开发了一种创新的方法，让系统架构师和开发人员使用尺寸极小的低功耗 FPGA 来大幅度减少板间和模块间的连接器数量，在增加系统稳定性的同时，降低了空间占用和成本。

拥有 FPGA 设计经验的开发者还能自定义该解决方案。即便没有 FPGA 设计经验，开发人员依然能够轻松快速完成部署。

优化连接
当今的绝大多数电子系统都包含两个及以上的电路板和 / 或模块。（除非另有说明，否则下文中的术语 “电路板”或“板”将默认包括“模块”。）
对于系统设计师而言，经常面临的问题就是连接电路板进行数据传输。常见的解决方案是将多引脚连接器安装在电路板上，然后使用多个线束或导线将电路板连接在一起。
然而，每个连接器的引脚都是潜在的故障点，因此，除了增加成本和占用空间外，连接器通常还是影响电子系统可靠性的关键因素。这意味着最大程度减少板间连接可以降低成本、减小空间占用并提高系统稳定性。

如图 1 所示，这些电路板之间信号的通信速率相对较低，使用的是通用 I/O（GPIO）或者 I2C 和 I2S 等串行接口。

图 1. 传统的连接器不仅价格高、占用空间，而且会降低系统稳定性

各种系统的设计人员——从手持设备、笔记本电脑到工业控制器——都迫切希望最大程度减少连接器引脚数量和电路板之间的连线。
基于 FPGA 的单线聚合（SWA）——适用于 FPGA 开发人员和非 FPGA 开发人员 WP0026C
单线聚合：FPGA 的优势

单线聚合（SWA）背后的原理是将多个信号汇聚到一个时分复用（TDM）信号中，而该信号在电路板间传输仅需要一根线缆。实现该方案的一个做法是为每种产品创建定制的专用集成电路（ASIC）（图 2）。

图 2. 开发定制 ASIC 价格昂贵且耗时，且非常不灵活

然而，定制 ASIC 的解决方案有许多缺点，如开发成本高昂且耗时。更糟的是，它们所包含的任何算法和功能实际上都是“冻结在芯片中”，这意味着它们无法适应不断变化的需求。例如销售主管突然宣布：“我们最大的客户说需要用两个 I2C 通道替代其中一个 I2S 接口。”

理想的解决方案是采用低成本的现场可编程门阵列（FPGA），如莱迪思半导体的 iCE40 UltraPlus™器件（图 3）。

图 3. FPGA 价格较低且非常灵活

使用 FPGA 实现单线聚合功能的一个巨大优势是它们非常灵活，可以快速轻松地进行定制设计，从而实现所需数量和类型的各种通道。

基于 FPGA 的单线聚合（SWA）——适用于 FPGA 开发人员和非 FPGA 开发人员 WP0026C

FPGA 设计人员使用 iCE40 UltraPlus 实现单线聚合
上一段中有这样一句表述： “基于 FPGA 的单线聚合可以快速轻松地进行定制设计”。这句话有个前提那就是需要非常熟悉 FPGA 设计。

如果您是 FPGA 设计人员，莱迪思可为您提供行业最易于使用的 FPGA 开发工具。此外，在单线聚合解决方案中，莱迪思还提供全套参考设计资源，搭配其行业领先的 iCE40 UltraPlus™ FPGA：

易于修改、参数化的单线聚合参考设计的源代码，可在莱迪思 Radiant 设计工具上运行

免费使用 Lattice Radiant®设计工具

相关的参考设计用户指南

单线聚合演示和开发板

然而，并非所有的设计团队都有 FPGA 设计经验。幸好，莱迪思也专为非 FPGA 设计人员提供解决方案。

非 FPGA 设计人员使用 iCE40 UltraPlus 实现单线聚合
拿一个基于微控制器（MCU）的系统举例。设计团队的某些成员可以熟练使用 C 或 C ++之类的语言来开发软件，然后运行软件编译器，软件编译器以机器代码生成可执行文件。团队的其他成员只需将此机器代码文件加载到 MCU 中，无须了解编程相关的任何信息。

同样，FPGA 开发人员的专长是使用 Verilog 或 VHDL 等硬件描述语言（HDL）描述设计，然后运行被称之为逻辑综合引擎的硬件编译器，将 HDL 生成配置文件，也就是常说的位流。团队的其他成员可以将位流载入 FPGA，无需了解关于 FPGA 设计的任何内容。