基于FPGA的單片機外圍接口電路設計

摘要：利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 FPGA實(shí)現單片機的外設接口電路可以簡(jiǎn)化單片機系統的硬件電路，提高系統的集成度、可靠性和系統設計的靈活性。本文介紹了基于 FPGA的單片機外設接口電路的基本設計方法，分別給出了各個(gè)功能模塊的設計思路和實(shí)現方法。所有功能的實(shí)現全部采用 VHDL進(jìn)行描述。

0 引言

單片機具有性?xún)r(jià)比高、功能靈活、易于人機對話(huà)、數據處理能力強等特點(diǎn)。單片機應用系統通常由鍵盤(pán)、顯示器、通信接口、存儲器、A/D、D/A電路等部分組成。傳統的單片機系統經(jīng)常要用標準的邏輯電路或專(zhuān)用的接口芯片來(lái)組成外圍電路，如地址譯碼、I/O擴展等功能通常由標準的TTL/COMS邏輯電路或各種專(zhuān)用接口芯片實(shí)現，這樣就會(huì )使系統的芯片數增多，接線(xiàn)復雜，從而使電路板面積增大、可靠性和 EMI性能減低，難以實(shí)現設計的小型化、集成化和高可靠性。而可編程門(mén)陣列FPGA的LCA結構和它豐富的內部資源可以用來(lái)設計各種組合邏輯和時(shí)序邏輯電路，因此使用FPGA設計單片機的外圍電路能夠大大簡(jiǎn)化系統硬件結構，使系統的設計、修改和擴展都變的十分靈活方便。本文通過(guò)對FPGA器件進(jìn)行功能設計，取代傳統單片機系統中外設接口用的標準邏輯電路和專(zhuān)用的接口芯片，使單片機系統的硬件電路大大簡(jiǎn)化并提高其可靠性。當需要改變系統性能時(shí)，可以通過(guò)對FPGA重新編程而不用改變硬件電路，提高了系統設計的靈活性。

1 系統設計方案

根據一般單片機系統設計的需要，本文所設計的系統具有以下幾個(gè)功能模塊，如圖1所示。

1 ）通用邏輯模塊：根據具體的情況產(chǎn)生各種不同的邏輯電路及控制信號，代替傳統的標準邏輯芯片。本文將其設計為擴展存儲器時(shí)用到的地址鎖存器。

2 ）鍵盤(pán)接口模塊：代替傳統的單片機與鍵盤(pán)的接口電路，用 FPGA編程完成消除抖動(dòng)及按鍵識別功能。本文將其設計為4×4掃描鍵盤(pán)的通用接口。

3 ）顯示接口模塊：代替傳統的單片機與顯示器的接口電路，用 FPGA編程完成譯碼、掃描等功能。本文將其設計為4位七段動(dòng)態(tài) LED接口。

1 ）串并行接口模塊：實(shí)現單片機與其外設的串行或并行數據通信。本文將其設計為串行通信接口模塊。

2 ）其他擴展模塊：實(shí)現單片機的一些其他常用功能，如 PWM驅動(dòng)、A/D、D/A轉換的控制等。

本設計所采用的FPGA器件是 ALTERA公司的Cyclone-TM系列芯片 EP1C6Q240C8，它具有5980個(gè)邏輯單元， 92160個(gè)比特的嵌入 RAM。系統開(kāi)發(fā)工具為硬件描述語(yǔ)言VHDL，開(kāi)發(fā)平臺為Quartus Ⅱ。