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引言

        便携式、小型的仪表和设备是一个非常重要的应用领域，在未来一段时间内会有比较大的市场

。而FPGA等现场可编程器件也是正在兴起与普及的一种器件，把FPGA更好地运用到上述仪表和设备中，

可以减少这些仪器、设备的开发周期，大幅度提升这些仪器的性能，减少总成本和体积等。
　
　　在许多应用场合，如大型设备中的板卡，比较适合采用标准的FPGA编程电路。但是对于便携式设备

的应用场合，采用标准电路联系FPGA与CPU需要消耗的资源太多。许多DSP芯片只有2个通用I/O引脚，所

以如果能只使用1~2个引脚就完成FPGA编程功能，意义将非常重大。
　
　　本文提出一种精简的FPGA的编程电路，它只占用控制器的1~2条I/O控制线，其成本和功耗很低，很

适合大规模地在便携式小型仪表产品中应用。
　
　　标准的FPGA编程电路以Xilinx的Spartan系列FPGA为例，图1是一个标准的编程电路。电路中控制器

使用了4条控制信号线PROG，CLK，Data，DONE.首先Prog信号控制FPGA的初始化，一个Prog信号的低电平

使FPGA进入编程状态，在编程过程及以后的运行过程中，Prog信号保持高电平；在编程过程中，Data信

号与CLK信号配合，在每个Clk信号的上升沿，FPGA锁定/读取一个Data信号，如此循环，直到控制器将需

要编程的程序全部送到FPGA中；当FPGA正确接收到编程程序以后，就会产生一个DONE信号，通知控制器

一切完毕。
　
　　该电路是Xilinx公司推荐的一个FPGA的标准电路，对于许多常规应用场合，它还是比较合适的，但

是对于手持式仪表等尺寸非常小的设备，由于控制器本身只有1~2个I/O控制线，而上述标准电路占用4个

I/O口，就有可能无法应用。</P><P>精简的FPGA编程方法本文给出了一种精简的FPGA编程电路如图2所示

。控制器的I/O控制信号线包括P/C和Data.P/C控制信号产生图2中所示的波形，经过Prog解码电路（如图

4所示）得到Prog信号，经过CLK解码电路（在本例中也可以不经过），得到CLK信号，它们与Data一起组

成完整的FPGA控制信号，完成对FPGA的编程控制。
　
　　该电路只使用2根I/O控制信号线，比标准编程电路要少，利用特殊控制信号的编码与解码，得到完

成FPGA的编程工作。
　
　　更进一步，也可以只使用一个I/O控制信号线，如图3所示，使用Prog解码电路（如图4所示）、CLK

解码电路和Data解码电路（如图5所示），得到FPGA编程所必须的Prog信号、CLK信号和Data信号。该方

法比图2所示的电路所需要的控制线还要少。
　
　　本方法利用比标准FPGA编程电路更少的I/O控制线，经过解码电路的解码得到FPGA编程所需要的控制

信号。对于不同公司的产品，本方法只要稍加变动就可以使用。</P><P>应用案例以Xilinx的Spartan II

系列产品为例，图4为Prog控制信号解码电路，图5为Data信号解码电路。不妨假定CLK信号的周期为Tclk

，Prog解码电路中的时间常数为tProg=R1*C1，Data解码电路的时间常数为tData=R2*C2. Prog控制信号

解码电路的原理： P/C信号或P/C/D信号由Prog编码和CLK（Data）编码组成，其中Prog编码是一个周期

比较长的高电平，见图4的t2-t0，它大于Prog解码电路的时间常数tProg，CLK（Data）编码是周期比较

短的脉冲，小于解码电路的时间常数tProg，所以Prog信号可以被解码得到，而其他不相关信号则被过滤

掉。一般可以选择Prog编码周期t2-t0>5tProg，而CLK（Data）编码周期t3-t2<1/5tProg.当FPGA编程结

束以后，P/C信号，或者P/C/D信号应当立即复位，否则Prog会出现错误。
　
　　Data解码电路的原理可以分成Data=0和Data=1两种情况：Data=0时，当P/C/D信号的前一个数据的上

升沿t5结束，并保持一段时间，到达t6后，继续保持高电平，经过大约tData（与先前状态有关），Data

控制信号线就会出现低电平，即信号0，为了更加可靠，可以等一段时间，到达时刻t9时P/C/D信号再给

出一个负脉冲用于锁定数据。当然负脉冲的宽度应当比较窄，否则Data信号会反转，通常负脉冲宽度

t10-t9<1/4tCLK. Data=1时，当P/C/D信号的前一个数据的上升沿t5结束，并保持一段时间，到达t6后，

立即进入低电平，经过大约tData（与先前状态有关），Data控制信号线就会出现高电平，即信号1，为

了更加可靠，可以等一段时间，到达时刻t10时，P/C/D信号再给出一个上升沿用于锁定数据。
　
　　这样Data信号也可以被正确地解码出来。在本例中CLK信号无须专门的解码电路，P/C/D信号可以直

接作为CLK控制信号使用。
本方法经过实验验证，其中R1=10KW，C1=0.1mF， R2=1KW， C2=0.01mF，D1为1N5817，U1/U2为74HC14.

当然也可以根据需要进行调整。</P><P>结语FPGA是一种功能非常强大，非常灵活的器件，正在向各种中

、高档的应用普及，采用本文提出的精简FPGA编程方法，节省了控制器的I/O线，克服了FPGA在便携式设

备中应用的一个瓶颈。文中给出了其基本原理并通过了实验，具有一定的使用价值.

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