FPGA數碼相框電子電路設計大全 —電路圖天天讀（101）

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展和生活物質(zhì)水平的提高，人們對于精神世界的追求也越來(lái)越高。該設計理念源于提高人們的生活幸福指數。在傳統意義上，人們往往用沖印出來(lái)的相片來(lái)記錄生活中的美好瞬間。然而伴隨電子行業(yè)的發(fā)展，包括數碼相機，高像素智能內的大量電子產(chǎn)品大行其道，足以用數碼形式將其取代。據統計，世界上那個(gè)70%以上照片都是數碼照片，年輕一族更是喜歡以數碼形式記錄他們的生活，并且分享在網(wǎng)絡(luò )上。數碼相框同時(shí)還可以將靜態(tài)圖片提升為動(dòng)態(tài)的相冊，攜帶方便，儲存時(shí)間長(cháng)遠，滿(mǎn)足于人們的需求，同時(shí)也會(huì )是一種節約型，環(huán)保低碳型的構想。

　　FPGA 工作原理

　　一個(gè)典型的FPGA 是有幾個(gè)部分構成的，首先是邏輯塊（LogicBlock），Altera 公司將其稱(chēng)之為邏輯陣列快（LAB）Xilinx 公司將其稱(chēng)為可配置邏輯塊（CLB）。LAB 由稱(chēng)之為L(cháng)E（Logic Element）的基本單元構成，CLB 由稱(chēng)之為L(cháng)C（Logic Cell）的基本單元構成。這些就是FPGA 的邏輯資源，還有一部分是散落在各個(gè)邏輯塊之間地內部連線(xiàn)，它們好比是PCB 板上的導線(xiàn)，將FPGA 內部地各個(gè)邏輯相連接，起點(diǎn)和終點(diǎn)都是IOB（I/O Block）。另一部分就是IOB 了，IOB 是FPGA的外部物理接口，類(lèi)似IC 的各引腳，當然這里是根據用戶(hù)需要自己可以任意定義的。如今的FPGA 的IOB 已經(jīng)很強大， 從基本的LVTTL/LVCOMS 接口到PCI/LVDS/RSDS 甚至各種各樣的差分接口，FPGA內部的I/O 實(shí)際上是分組的，但是每一組都可以靈活配置，改變上拉下拉電阻，調解驅動(dòng)電流大小，兼容5V，3.3V，2.5V，1.8V 甚至1.5V，可以滿(mǎn)足不同的電器特性，不同的I/O 接口物理特性以及外部硬件電路對輸入輸出信號的各種匹配要求。目前I/O 可以達到的頻率也愈來(lái)愈高，通過(guò)特定的技術(shù)數據讀取速率甚至可以達到2Gbps 現在越來(lái)越多的工程師喜歡FPGA，強大的I/O 特性也是一種原因吧。

　　圖2-1 典型的FPGA內部結構圖

　　I/O 兼容恐怕是大勢所趨。設計IOB 的概念和技術(shù)還有很多，這里不做介紹了。還有一部分就是FPGA 內部的功能模塊，是制造商根據實(shí)際需要放置在FPGA 內部的。比如數字時(shí)鐘管理模塊即DCM，Xilinx 公司的FPGA 全都具有這種功能。比如相位環(huán)路鎖定。PLL 需要一個(gè)外部時(shí)鐘輸入（晶振），經(jīng)過(guò)內部處理后（包括分頻和倍頻）可以提供在頻率和相位上都比較穩定的一定范圍內的時(shí)鐘。還有不得不提的內部不占用邏輯資源的塊RAM。RAM 塊可用作為單口RAM、雙口RAM、內容地址存儲器以及FIFO（first in first out）等常用存儲器甚至ROM，移位寄存器。這對于小量數據緩存很有用，強化了FPGA的應用性。在選擇FPGA 時(shí)，芯片內部塊RAM 的資源多少也是衡量的一個(gè)重要因素。單獨塊RAM 的容量為18kbit 寬為18Bit、深度為1024，可以根據實(shí)際需要改變其位寬和深度，但有兩點(diǎn)限制：首先就是修改后塊RAM 的容量（位寬深度）不能大于單片塊RAM 容量；而且位寬最大不能超過(guò)36Bit，可以將多片塊RAM 聯(lián)起來(lái)形成內存更大的RAM，此時(shí)只受限于芯片內塊RAM 的數量，而不再受上面兩條原則約束。不過(guò)在Quartus 中，具體操作起來(lái)很方便。還有底層內嵌功能單元包括內嵌專(zhuān)用硬核如乘法器等。它對于數字信號的運算處理提供極大的便利。

　　SPI 接口控制電路

　　圖4-1 SPI模式連接圖

　　該工程模塊的SPI 接口四條信號線(xiàn)分別定spi_cs_n，spi_clk，spi_miso 和spi_mosi。其中spi_cs_n 是數據控制使能信號，當要對芯片進(jìn)行操作時(shí)，此信號低電平有效。也就是說(shuō)在同一條主線(xiàn)上可以連接多個(gè)SPI。spi_clk是SPI 同步時(shí)鐘信號，數據信號在該時(shí)鐘的控制下進(jìn)行逐位傳輸。spi_miso 和spi_mosi 是主從機進(jìn)行通信的數據信號，spi_miso即主機的輸入或者說(shuō)是從機的輸出spi_mosi 即主機的輸出或者說(shuō)是從機的輸入。

　　VGA 顯示驅動(dòng)模塊

　　標準VGA 一共有15 針，真正用到的接口不多，只有5 個(gè)，場(chǎng)同步信號和列同步信號是為了讓VGA 接收部分知道過(guò)來(lái)的數據是對應哪一行哪那一列。還有三原色信號，本課題硬件三原色信號通過(guò)連接不同的電阻后直接與I/O 接口相連（可理解為簡(jiǎn)易的DA 轉換），這樣就可以顯示256 色了。內部VGA 與FPGA 接口如圖7-1 所示。

　　圖7-1 VGA 內部簡(jiǎn)化DA

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評分析：

　　FPGA 器件應用是繼單片機之后，當今地嵌入式系統開(kāi)發(fā)應用中最最熱門(mén)的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且隨著(zhù)制造工藝水平的不斷提高，成本的不斷下降，FPGA 甚至大有替代專(zhuān)用ASIC 的趨勢。FPGA 使用Verilog 或VHDL 等硬件描述語(yǔ)言編程。系統工程所有功能全部使用FPGA 來(lái)完成，內容包括SD 卡的讀取控制，圖片解碼，VGA 驅動(dòng)顯示等等，采用的是SF—EP1開(kāi)發(fā)板，該板FPGA 使用EP1C3T144C8，配置PLL 電源電路，SD 接口，1 個(gè)256 色的VGA 通用接口，SDRAM 等。支持AS 及JTAG 配置方式，軟件平臺使用Quartus Ⅱ 9.1，從而完成10 幅800*600 的BMP 圖片循環(huán)顯示。
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