1.FPGA在数据采集领域的应用

由于自然界的信号大部分是模拟信号,因此一般的信号处理系统中都要包括数据的采集功能。通常的实现方法是,利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后送给处理器,比如利用单片机或者数字信号处理器(digital signal processor,DSP)进行运算和处理。

对于低速的A/D和D/A转换器,可以采用标准的串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)来与单片机或者DSP通信。但是,高速的A/D和D/A转换芯片,比如视频解码器或者编码器,不能与通用的单片机或者DSP直接通信。在这种场合下,FPGA可以完成数据采集的胶合逻辑功能。

2.FPGA在逻辑接口领域的应用

在实际的产品设计中,很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如,将采集到的数据送给PC机处理,或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富,如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

传统的设计中往往需要专用的接口芯片,比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多,就需要较多的外围芯片,体积、功耗都比较大。采用FPGA的方案后,接口逻辑都可以在FPGA内部来实现,大大简化了外围电路的设计。

在现代电子产品设计中,存储器得到了广泛的应用,例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途,合理地选择存储器类型可以实现产品的最佳性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计,因此利用它可以实现对各种存储接口的控制。

3.FPGA在电平接口领域的应用

除了TTL、COMS接口电平之外,LVDS、HSTL、GTL/GTL+、SSTL等新的电平标准逐渐被很多电子产品采用。比如,液晶屏驱动接口一般都是LVDS接口,数字I/O一般是LVTTL电平,DDR SDRAM电平一般是HSTL的。

在这样的混合电平环境里面,如果用传统的电平转换器件实现接口功能会导致电路复杂性提高。利用FPGA支持多电平共存的特性,可以大大简化设计方案,降低设计风险。

4.FPGA在高性能数字信号处理领域的应用

无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域,对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求的。(www.daowen.com)

图1-4　FPGA应用设计实物图

多处理器系统带来的主要问题是设计复杂度和系统功耗都大幅度提升,系统稳定性受到影响。FPGA支持并行计算,而且密度和性能都在不断提高,已经可以在很多领域替代传统的多片DSP解决方案。FPGA应用设计实物图如图1-4所示。

例如,实现高清视频编码算法H.264。采用TI公司1 GHz主频的DSP芯片需要4个,而采用Altera的StratixⅡEP2S130芯片只需要1个就可以完成相同的任务。FPGA的实现流程和ASIC芯片的前端设计相似,有利于导入芯片的后端设计。

5.FPGA在其他领域的应用

除了上面一些应用领域外,FPGA在其他领域同样具有广泛的应用。

(1)汽车电子领域,如网关控制器、车用PC机、远程信息处理系统。

(2)军事领域,如安全通信、雷达和声呐、电子战。

(3)测试和测量领域,如通信测试和监测、半导体自动测试设备、通用仪表。

(4)消费产品领域,如显示器、投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络。

(5)医疗领域,如电疗、生命科学。