基于FPGA的電子設計競賽電路板的設計

　　80C51 系列單片機作為8 位單片機事實(shí)上的工業(yè)標準，世界上眾多電氣公司都生產(chǎn)其系列產(chǎn)品， 有廣泛的選擇及應用基礎。如ATMEL 公司的AT 89C5X, AT89S5X, NXP 公司的P89C5X, P89V5X 等。本設計選擇了NXP 公司的P89V51RD2 單片機， 該單片機片內具有64 K 字節的可反復擦寫(xiě)的可在線(xiàn)下載編程的（ ISP） FLASH 程序存儲器和256字節的RAM、1 K 字節的擴展RAM、32 個(gè)I/ O 口、3 個(gè)可編程定時(shí)計數器、一個(gè)串行口、一個(gè)SPI 接口等功能。

　　1. 2. 2 液晶顯示模塊

　　采用128*64 具有中文漢字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊， 內含8192 個(gè)16*16 點(diǎn)中文字型和128 個(gè)16*8 半寬的字母符號字型； 另外繪圖顯示畫(huà)面提供一個(gè)64*256 點(diǎn)的繪圖區域GDRAM; 而且內含CGRAM 提供4 組軟件可編程的16*16 點(diǎn)陣造字功能。電源操作范圍寬（ 21 7 V to 51 5 V） ,低功耗設計可滿(mǎn)足產(chǎn)品的省電要求； 同時(shí)與單片機等微控器的接口界面靈活（ 3 種模式： 并行8 位/ 4 位， 串行3 線(xiàn)/ 2 線(xiàn)） .

　　中文液晶顯示模塊可實(shí)現漢字、ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示， 廣泛用于各種儀器儀表、家用電器和信息產(chǎn)品上，并作為顯示器件。中文液晶顯示模塊具有上/ 下/ 左/ 右移動(dòng)當前顯示屏幕及清除屏幕的命令， 具有光標顯示/ 閃爍控制命令及關(guān)閉顯示命令。預留多種控制線(xiàn)（ 復位/ 串并選擇/ 亮度調整） 供用戶(hù)靈活使用。

　　1. 2. 3 鍵盤(pán)

　　擴充16 個(gè)按鍵組成4*4 矩陣形式與單片機的P1 口相連。

　　1. 2. 4 與FPGA 接口

　　單片機的P0 口， P2 口， RD, WR, ALE 分別經(jīng)100 8 電阻與FPGA 預留I/ O 口相連。

　　1. 2. 5 RS232 接口

　　擴充MAX232 串口芯片， 擴展串行口， 可以實(shí)現單片機與PC 機的串行通信、在線(xiàn)下載程序。

　　1. 3 高速模數轉換器和數模轉換器電路

　　1. 3. 1 高速模數轉換器

　　由于FPGA 為高速器件， 為實(shí)現速度匹配， 本設計采用高速A/ D 轉換器TLC5510.它是由美國T I 公司生產(chǎn)的新型模數轉換器件（ ADC） , 是一種采用CMOS 工藝制造的8位高阻抗并行A/ D 轉換芯片， 能提供的最高采樣率為20MSPS.由于TLC5510 采用了半閃速結構及CMOS 工藝， 因而大大減少了器件中比較器的數量， 而且在高速轉換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下， T LC5510 的功耗僅為130 mW.由于TLC5510 不僅具有高速的A/ D 轉換功能， 而且還帶有內部采樣保持電路， 從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設計。同時(shí)， 由于其內部帶有標準分壓電阻， 因而可以從+ 5 V 的電源獲得2 V 滿(mǎn)刻度的基準電壓。TLC5510 可應用于數字T V、醫學(xué)圖像、視頻會(huì )議、高速數據轉換以及QAM 解調器等方面。T LC5510為24 引腳、SO、PSOP 表貼封裝形式。

　　1. 3. 2 高速數模轉換器

　　高速D/ A 轉換器選用了TI 公司生產(chǎn)的TH S5651A, 該芯片是經(jīng)特別優(yōu)化的用于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)數據傳輸的10 位數模轉換器。該芯片的制造采用了先進(jìn)的高速混合信號CMOS工藝， 轉換速率達125 MSPS.片上具有11 2 V 參考電壓、D/ A轉換輸出為電流型， 電流范圍為2 mA- 20 mA.功耗是5 V 工作時(shí)為175 mW, 工作在SLEEP 模式時(shí)為25 mW、封裝為282引腳SOIC或TSSOP 封裝。

　　1. 3. 3 高速運算放大器

　　為了與高速A/ D、D/ A 轉換器速度相匹配， 電路設計中還使用了美國TI 公司生產(chǎn)的TH S4001 高速電壓負反饋運算放大器。其帶寬可達270 MHz、轉換速率達400 V/Ls, 能很好地實(shí)現系統的放大緩沖功能， 以滿(mǎn)足系統性能指標要求。

　　2 結語(yǔ)

　　本設計的電子競賽電路板采用了MCU + FPGA 結構，單片機負責數據處理、控制顯示等工作； FPGA 負責高速數據采集、數模轉換工作。同時(shí)， FPGA 還可以為單片機提供存儲器及I/ O 口等資源。在PCB 設計時(shí)， 特別要注意采取抗干擾措施， 如在電路中要適當配置去藕電容、數字地與模擬地分離， 最后在一點(diǎn)接于電源地等。本設計在地線(xiàn)的設計方面， 使用了屏蔽地、數字地和模擬地， 它們分別與電源地相連， 做到了數字電流不流經(jīng)模擬器件， 高速電流不流經(jīng)低速器件。本文涉及的電路通過(guò)調試， 各個(gè)模塊可以達到預期的功能， 該電路板可以用于電子設計競賽和一些電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。