基于FPGA的電子設計競賽電路板的設計與實(shí)現

　　0 引言

　　全國大學(xué)生電子設計競賽至今已成功舉辦了八屆， 參賽人數越來(lái)越多， 競賽規模越來(lái)越大。大學(xué)生電子競賽在培養學(xué)生創(chuàng )新能力、促進(jìn)高校學(xué)風(fēng)建設及電子信息學(xué)科教學(xué)改革等方面起到了引導和推進(jìn)作用。

　　大學(xué)生電子競賽題目以模擬電子、數字電子、可編程邏輯器件及單片機技術(shù)為核心， 涉及電子儀器儀表、通信、高頻無(wú)線(xiàn)電、自動(dòng)控制等多學(xué)科內容。2007 年電子設計競賽組委會(huì )專(zhuān)家指出： 電子設計競賽的發(fā)展趨勢將以模電、數電、FP2GA 為重點(diǎn)。因此， 對于參賽隊員來(lái)說(shuō)要獲得較好的成績(jì)， 選擇合適的題目并進(jìn)行培訓至關(guān)重要。筆者針對以FPGA 為核心的競賽題目特點(diǎn)及競賽元器件要求， 設計制作了競賽電路板， 組成框圖如圖1 所示。

圖1 電子競賽電路板組成框圖

　　本設計主要包括3 個(gè)部分： 單片機擴展電路、FPGA 核心電路、高速A/ D 和D/ A 轉換電路。其中單片機擴展電路主要包括振蕩電路、液晶顯示模塊接口、按鍵、復位電路等，這部分既可以進(jìn)行基本的單片機實(shí)驗， 還可以為FPGA 核心電路提供控制信號及利用FPGA 的資源等； FPGA 核心電路部分主要由電源、J TAG 下載、AS 下載、輸入輸出電路等組成； 高速A/ D 和D/ A 轉換電路具有一路模擬信號輸入、兩路模擬信號輸出。設計將3 部分有機地結合在一起， 組成了一個(gè)實(shí)驗系統， 它既能夠完成等精度頻率計、DDS 信號發(fā)生器、數字示波器等競賽題目的設計， 又可以用于賽前培訓。

　　1 電路設計

　　1. 1 FPGA 核心電路板。

　　1. 1. 1 FPGA 芯片選擇

　　FPGA 是英文Field Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)， 即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列， 它是在PAL, GAL, EPLD 等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的， 既解決了定制電路的不足， 又克服了原有可編程器件門(mén)電路數量有限的缺點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)分析近幾屆電子設計競賽中的題目， 發(fā)現設計題目對FPGA 的功能要求不是太高， 一般常用的FPGA 都能滿(mǎn)足設計要求。通過(guò)比較， 知道Alter a 公司的Cyclone 系列FPGA具有低成本的特點(diǎn)， 而且平衡了邏輯、存儲器、鎖相環(huán)和高級I/ O 接口。所以Cyclone 系列FPGA 是設計的最佳選擇。

　　Altera 公司Cyclone 系列中的EP1C3, EP1C6, EP1C12完全能夠滿(mǎn)足設計題目要求， 所以可以從這幾種芯片里選擇FPGA.綜合比較選擇了EP1C6 系列的芯片， 這個(gè)系列中的EP1C6T 144C8 完全能夠滿(mǎn)足電子大賽的要求。而且EP1C6T 144C8 也支持SOPC （ System On Pr ogrammingChip） , 可以實(shí)現嵌入式的軟CPU（ 如NIOSII 等） , 為嵌入式電子設計提供了又一種選擇。所以在此選擇EP1C6T144C8作為此設計的FPGA 芯片。EP1C6T144C8 內部具有5 980個(gè)邏輯單元（ LE） 、20 個(gè)M4K RAM 塊、92 160 位嵌入式RAM、2 個(gè)鎖相環(huán)、96 個(gè)I/ O 口， 支持AS、JTAG 下載， 采用TQFP144 封裝形式。

　　1. 1. 2 FPGA 電路板設計

　　EP1C6T144C8 是144 腳的FPGA 芯片， 引腳分類(lèi)及功能如下：

　?。?1） 電源引腳。使用3. 3 V 電壓作為供電電源， 可以為滿(mǎn)足各種數據傳輸標準的輸出緩存器的提供電源， 也可以為滿(mǎn)足LVT TL, LVCMOS, 各種PCI 接口標準的輸入緩存器提供電源。

　?。?2） 內部邏輯門(mén)的電源引腳。使用11 5 V 電壓作為供電電源， 可以為滿(mǎn)足LVDS, SSTL2, SST L3 接口標準的輸入緩存器提供電源。

　?。?3） 鎖相環(huán)的電源引腳。鎖相環(huán)的電源無(wú)論是否使用，必須將此引腳連接到11 5 V 供電電源。

　?。?4） 配置引腳。包括為JTAG 邊界掃描測試配置接口和AS 主動(dòng)串行配置接口。

　?。?5） 用戶(hù)I/ O 口引腳。FPGA 芯片的用戶(hù)I/ O 引腳為96個(gè)， 通過(guò)雙排插座引出。這些接口分為3 類(lèi)： 與單片機的接口、擴展接口、與A/ D 轉換器及D/ A 轉換器的接口。

　?。?6） 時(shí)鐘引腳。采用50 MH z 有源晶振， 輸出時(shí)鐘信號經(jīng)低阻值電阻緩沖后接CLK0, 即FPGA 的管腳16.

1. 2 單片機擴展接口電路設計

　　1. 2. 1 單片機

　　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8 192 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)。