FPGA硬核处理器系统的数字化集成电路设计

摘 要：为最大程度降低系统成本，提高工作效率，提出FPGA硬核处理器系统的数字化集成电路设计。通过对电源电路、接口电路以及主控电路进行设计，完成电路整体设计。结合电路抗干扰设计，实现数字化集成电路设计。仿真实验证明，设计的集成电路相比常规电路，使得FPGA硬核处理器系统的工作效率更高，并且降低29.5%能耗。

关键词：硬核处理器;数字化;集成电路;电路设计

中图分类号：TH744文献标识码：A

我国多数机械装置常常应用FPGA硬核处理器来降低装置成本、功耗，从而提高装置性能。FPGA硬核处理器系统能够集成分立处理器，具有可编程逻辑的灵活性。[1]系统中常规电路设计虽然可以满足装置各项性能要求，但是会产生面积较大的电路板，严重影响机械装置的成本，同时产生不必要的电能消耗，因此提出FPGA硬核处理器系统的数字化集成电路设计。

1 FPGA硬核处理器系统的电路整体设计

根据FPGA硬核处理器系统的功能特征，首先对系统的主控电路进行设计。为满足多种类型信号的处理要求，设计的主控电路如图1所示。

设计的主控电路在确保FPGA硬核处理器系统的稳定性之外，还增加了抗复位功能，最大程度降低系统功耗。[2]

同时，为减少不必要的电能消耗，将FPGA硬核处理器系统的接入电源设计成5V。电源电路是FPGA硬核处理器系统从外界获得电源的唯一途径，因此设计电源转换电路，实现220V电源到5V电源的转变。将电源接口电路设计成F接口，[3]采用I/O接口，I/O接口芯片，通过输入不同的命令和参数，使得I/O电路动作，成为信号高速交换的通道。通过对主控电路、电源电路以及接口电路进行设计，完成电路整体设计。

2 数字化集成电路的实现

在FPGA硬核处理器系统中，信号分为模拟信号、数字信号、高频信号以及低频信号，常常受到外界信号干扰，大大降低电路中信号处理精度，使得FPGA硬核处理器系统工作效率降低。因此为了增加电路抗干扰能力，对电路进行抗干扰设计。

在FPGA硬核处理器系统的主控电路中加入差分放大器，对电信号放大处理。差分放大器通过F接口，使得输入频率为25HZ的电信号，转换成以正弦和余弦两路电信号，应用互联网技术对两路电信号进行隔绝，确保了信号的原始性。由于差分放大器输出为高压电信号，需利用220Ω的电阻将高压电信号调制成5V，形成低压电信号，从而实现数字化集成电路的设计。

通过对主控电路、电源电路以及接口電路进行设计，完成电路整体设计。结合电路抗干扰设计，实现数字化集成电路设计。

3 仿真分析

仿真试验需准备的设备及参数包括：搭载simulation仿真软件的计算机两台套、两种设计电路的FPGA硬核处理器系统（常规的以及本文提出的数字化集成电路）、仿真参数变量。试验过程中，多次改变输入的信号形式，对两种不同电路的FPGA硬核处理器系统进行工作效率对比实验。同时记录FPGA硬核处理器系统单位时间的耗电量，绘制试验结果图表，如图2所示。

由图2可知，本文设计的集成电路，无论处理哪种类型信号，工作效率几乎不变，稳定性极高。同时采用算术平均值计算法，计算能耗比率，得出本文设计的集成电路相比常规电路，使得FPGA硬核处理器系统的能耗比率降低29.5%。

4 总结

本文提出FPGA硬核处理器系统的数字化集成电路设计，基于电路整体设计、数字化集成电路设计，完成了提出的电路设计。实验证明，本文设计的集成电路，能够降低PGA硬核处理器系统功耗，提高工作效率。

参考文献：

[1]李冰，周岑军，陈帅，等.用于SRAM PUFs的伪随机数发生器的FPGA实现[J].电子学报，2017（9）.

[2]张琳，梅雪松，陈勇.基于SoCFPGA的光伏电力通信管理机系统[J].电子技术应用，2018.

[3]李正杰，张英.一种千万门FPGA芯片中DSP硬核的设计[J].微电子学，2018，48，276（04）：60-65.

作者简介：王肖巍（1977-），男，汉族，陕西乾县人，硕士，工程师，研究方向：集成电路设计。