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单线聚合——FPGA的优势

Single Wire Aggregation – The FPGA Advantage
Posted 09/09/2020 by Hussein Osman

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出于多种原因,当今的绝大多数电子系统都包含两个及以上的电路板或模块。将设计分散到多个电路板上可以在上面实现不同的电路功能,便于今后系统的逐步升级。此外,多个电路板还能封装在立体空间内,减少占用平面面积。

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。

Traditional connectors are costly, consume space, and degrade the reliability of the system.
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

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。

幸好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。

这些速率相对较低的通信有助于实现我们常说的单线聚合(SWA)。单线聚合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)。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:“好消息是我们拿到了一个大订单,但是坏消息是客户说需要用两个I2C通道替代其中一个I2S接口,这个需要多久才能准备好?”

单线聚合——FPGA的优势

现场可编程门阵列(FPGA)是实现单线聚合的理想解决方案,因为它们非常灵活,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。

例如,莱迪思超小尺寸、高性能和超低功耗iCE40 UltraPlus™ FPGA通过提供GPIO、I2C、I2S等接口的各类组合以及多达7个通道,实现单线聚合方案。

Tiny, high-performance, ultra-low-power iCE40 UltraPlus FPGAs are ideal for SWA applications.
小尺寸、高性能、超低功耗的iCE40 UltraPlus FPGA是实现单线聚合方案的理想选择

iCE40 UltraPlus FPGA可以在大多数应用中实现超低功耗的高级处理功能,其静态电流低至75 uA,工作电流低至1-10 mA。此外iCE40 UltraPlus FPGA还提供多种封装选项,满足各类应用的需求:2.15 x 2.50 mm超小尺寸WLCSP封装专为消费电子和物联网设备优化,0.5 mm引脚间距的7 x 7 mm QFN封装则可以满足成本优化型应用的需求。

由于配置位流可以直接加载到基于SRAM的配置单元中,因此iCE40 UltraPlus FPGA可以反复地重新编程。这样设计人员可尝试使用不同的设计和位流,是项目原型开发阶段的最佳选择。如果在产品中使用基于SRAM的iCE40 UltraPlus器件,那么可以通过板上MCU或从外部SPI闪存设备来加载配置。另外,iCE40 UltraPlus FPGA还包含一次性可编程(OTP)片上非易失性配置存储器(NVCM),非常适合大规模量产。对NVCM进行编程后,器件将自动、快速且安全地从该配置启动。

但是谁来实现基于FPGA的单线聚合设计呢?

如果产品开发团队中已有FPGA设计人员,莱迪思会提供免费使用的Lattice Radiant®设计工具、可在莱迪思Radiant设计工具上运行、易于修改、参数化的单线聚合参考设计的源代码、一份相关的参考设计用户指南和一块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。莱迪思针对非FPGA设计人员的单线聚合解决方案提供了五种预先综合的位流,可以满足各类系统设计的要求。莱迪思网站单线聚合解决方案页面可下载《关于位流文件的用户指南》,该指南描述了如何将预配置的位流加载到iCE40 UltraPlus FPGA中。

Pre-compiled bitstreams are available for five popular SWA configurations.
提供预编译的位流,拥有五种常见配置

此外,莱迪思还提供免费的单线聚合设计服务。您可以访问莱迪思的单线聚合开发板网页,填写表格,明确您的设计所需的通道组合,之后莱迪思设计团队将在一个工作日内通过电子邮件给您发送相应的位流文件。

因此即便设计团队没有FPGA经验,也能充分利用基于FPGA的单线聚合方案连接组成其设计的多个电路板。接下来,希望您拥有愉快的单线聚合设计体验。

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