基于FPGA的电子设计竞赛电路板的设计与实现-

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基于FPGA的电子设计竞赛电路板的设计与实现
摘要： 介绍了一种基于FPGA 的电子设计竞赛<A href="http://www.greatpcba.com">电路板</A>， 该电路板由美国Altera 公司的Cyclone 系列FPGA EP1C6、单片机、高速A/ D 转换器和D/ A 转换器等芯片组成， 另外， 还预留了一定的扩展I/ O 接口， 根据设计需要可以扩展电路。该电路板不仅可以完成电子竞赛中涉及的数字示波器、频率计、DDS 信号发生器等设计题目， 而且还可以用于赛前培训。
　　0 引言
　　全国大学生电子设计竞赛至今已成功举办了八届， 参赛人数越来越多， 竞赛规模越来越大。大学生电子竞赛在培养学生创新能力、促进高校学风建设及电子信息学科教学改革等方面起到了引导和推进作用。
　　大学生电子竞赛题目以模拟电子、数字电子、可编程逻辑器件及单片机技术为核心， 涉及电子仪器仪表、通信、高频无线电、自动控制等多学科内容。2007 年电子设计竞赛组委会专家指出： 电子设计竞赛的发展趋势将以模电、数电、FP2GA 为重点。因此， 对于参赛队员来说要获得较好的成绩， 选择合适的题目并进行培训至关重要。笔者针对以FPGA 为核心的竞赛题目特点及竞赛元器件要求， 设计制作了竞赛电路板。
　　本设计主要包括3 个部分： 单片机扩展电路、FPGA 核心电路、高速A/ D 和D/ A 转换电路。其中单片机扩展电路主要包括振荡电路、液晶显示模块接口、按键、复位电路等，这部分既可以进行基本的单片机实验， 还可以为FPGA 核心电路提供控制信号及利用FPGA 的资源等； FPGA 核心电路部分主要由电源、J TAG 下载、AS 下载、输入输出电路等组成； 高速A/ D 和D/ A 转换电路具有一路模拟信号输入、两路模拟信号输出。设计将3 部分有机地结合在一起， 组成了一个实验系统， 它既能够完成等精度频率计、DDS 信号发生器、数字示波器等竞赛题目的设计， 又可以用于赛前培训。
　　1 电路设计
　　1. 1 FPGA 核心电路板。
　　1. 1. 1 FPGA 芯片选择
　　FPGA 是英文Field Programmable Gate Array 的缩写， 即现场可编程门阵列， 它是在PAL, GAL, EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的， 既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点。
　　经过分析近几届电子设计竞赛中的题目， 发现设计题目对FPGA 的功能要求不是太高， 一般常用的FPGA 都能满足设计要求。通过比较， 知道Alter a 公司的Cyclone 系列FPGA具有低成本的特点， 而且平衡了逻辑、存储器、锁相环和高级I/ O 接口。所以Cyclone 系列FPGA 是设计的最佳选择。
　　Altera 公司Cyclone 系列中的EP1C3, EP1C6, EP1C12完全能够满足设计题目要求， 所以可以从这几种芯片里选择FPGA.综合比较选择了EP1C6 系列的芯片， 这个系列中的EP1C6T 144C8 完全能够满足电子大赛的要求。而且EP1C6T 144C8 也支持SOPC (System On Pr ogrammingChip) , 可以实现嵌入式的软CPU(如NIOSII 等) , 为嵌入式电子设计提供了又一种选择。所以在此选择EP1C6T144C8作为此设计的FPGA 芯片。EP1C6T144C8 内部具有5 980个逻辑单元(LE) 、20 个M4K RAM 块、92 160 位嵌入式RAM、2 个锁相环、96 个I/ O 口， 支持AS、JTAG 下载， 采用TQFP144 封装形式。
　　1. 1. 2 FPGA 电路板设计
　　EP1C6T144C8 是144 脚的FPGA 芯片， 引脚分类及功能如下：
　　(1) 电源引脚。使用3. 3 V 电压作为供电电源， 可以为满足各种数据传输标准的输出缓存器的提供电源， 也可以为满足LVT TL, LVCMOS, 各种PCI 接口标准的输入缓存器提供电源。
　　(2) 内部逻辑门的电源引脚。使用11 5 V 电压作为供电电源， 可以为满足LVDS, SSTL2, SST L3 接口标准的输入缓存器提供电源。
　　(3) 锁相环的电源引脚。锁相环的电源无论是否使用，必须将此引脚连接到11 5 V 供电电源。
　　(4) 配置引脚。包括为JTAG 边界扫描测试配置接口和AS 主动串行配置接口。
　　(5) 用户I/ O 口引脚。FPGA 芯片的用户I/ O 引脚为96个， 通过双排插座引出。这些接口分为3 类： 与单片机的接口、扩展接口、与A/ D 转换器及D/ A 转换器的接口。
　　(6) 时钟引脚。采用50 MH z 有源晶振， 输出时钟信号经低阻值电阻缓冲后接CLK0, 即FPGA 的管脚16.
1. 2 单片机扩展接口电路设计
　　1. 2. 1 单片机
　　80C51 系列单片机作为8 位单片机事实上的工业标准，世界上众多电气公司都生产其系列产品， 有广泛的选择及应用基础。如ATMEL 公司的AT 89C5X, AT89S5X, NXP 公司的P89C5X, P89V5X 等。本设计选择了NXP 公司的P89V51RD2 单片机， 该单片机片内具有64 K 字节的可反复擦写的可在线下载编程的(ISP) FLASH 程序存储器和256字节的RAM、1 K 字节的扩展RAM、32 个I/ O 口、3 个可编程定时计数器、一个串行口、一个SPI 接口等功能。
　　1. 2. 2 液晶显示模块
　　采用<A href="mailto:128@64">128@64</A> 具有中文汉字库的图形点阵液晶显示模块， 内含8 192 个<A href="mailto:16@16">16@16</A> 点中文字型和128 个<A href="mailto:16@8">16@8</A> 半宽的字母符号字型； 另外绘图显示画面提供一个<A href="mailto:64@256">64@256</A> 点的绘图区域GDRAM; 而且内含CGRAM 提供4 组软件可编程的<A href="mailto:16@16">16@16</A> 点阵造字功能。电源操作范围宽(21 7 V to 51 5 V) ,低功耗设计可满足产品的省电要求； 同时与单片机等微控器的接口界面灵活(3 种模式： 并行8 位/ 4 位， 串行3 线/ 2 线) .
　　中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII 码、点阵图形的同屏显示， 广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上，并作为显示器件。中文液晶显示模块具有上/ 下/ 左/ 右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令， 具有光标显示/ 闪烁控制命令及关闭显示命令。预留多种控制线(复位/ 串并选择/ 亮度调整) 供用户灵活使用。
　　1. 2. 3 键盘
　　扩充16 个按键组成<A href="mailto:4@4">4@4</A> 矩阵形式与单片机的P1 口相连。
　　1. 2. 4 与FPGA 接口
　　单片机的P0 口， P2 口， RD, WR, ALE 分别经100 8 电阻与FPGA 预留I/ O 口相连。
　　1. 2. 5 RS232 接口
　　扩充MAX232 串口芯片， 扩展串行口， 可以实现单片机与PC 机的串行通信、在线下载程序。
　　1. 3 高速模数转换器和数模转换器电路
　　1. 3. 1 高速模数转换器
　　由于FPGA 为高速器件， 为实现速度匹配， 本设计采用高速A/ D 转换器TLC5510.它是由美国T I 公司生产的新型模数转换器件(ADC) , 是一种采用CMOS 工艺制造的8位高阻抗并行A/ D 转换芯片， 能提供的最高采样率为20MSPS.由于TLC5510 采用了半闪速结构及CMOS 工艺， 因而大大减少了器件中比较器的数量， 而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下， T LC5510 的功耗仅为130 mW.由于TLC5510 不仅具有高速的A/ D 转换功能， 而且还带有内部采样保持电路， 从而大大简化了外围电路的设计。同时， 由于其内部带有标准分压电阻， 因而可以从+ 5 V 的电源获得2 V 满刻度的基准电压。TLC5510 可应用于数字T V、医学图像、视频会议、高速数据转换以及QAM 解调器等方面。T LC5510为24 引脚、SO、PSOP 表贴封装形式。
　　1. 3. 2 高速数模转换器
　　高速D/ A 转换器选用了TI 公司生产的TH S5651A, 该芯片是经特别优化的用于有线和无线数据传输的10 位数模转换器。该芯片的制造采用了先进的高速混合信号CMOS工艺， 转换速率达125 MSPS.片上具有11 2 V 参考电压、D/ A转换输出为电流型， 电流范围为2 mA- 20 mA.功耗是5 V 工作时为175 mW, 工作在SLEEP 模式时为25 mW、封装为282引脚SOIC或TSSOP 封装。
　　1. 3. 3 高速运算放大器
　　为了与高速A/ D、D/ A 转换器速度相匹配， 电路设计中还使用了美国TI 公司生产的TH S4001 高速电压负反馈运算放大器。其带宽可达270 MHz、转换速率达400 V/Ls, 能很好地实现系统的放大缓冲功能， 以满足系统性能指标要求。
　　2 结语
　　本设计的电子竞赛电路板采用了MCU + FPGA 结构，单片机负责数据处理、控制显示等工作； FPGA 负责高速数据采集、数模转换工作。同时， FPGA 还可以为单片机提供存储器及I/ O 口等资源。在PCB 设计时， 特别要注意采取抗干扰措施， 如在电路中要适当配置去藕电容、数字地与模拟地分离， 最后在一点接于电源地等。本设计在地线的设计方面， 使用了屏蔽地、数字地和模拟地， 它们分别与电源地相连， 做到了数字电流不流经模拟器件， 高速电流不流经低速器件。本文涉及的电路通过调试， 各个模块可以达到预期的功能， 该电路板可以用于电子设计竞赛和一些电子产品的开发。</td>