基于FPGA的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 介紹了一種基于FPGA 的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路板， 該電路板由美國(guó)Altera 公司的Cyclone 系列FPGA EP1C6、單片機(jī)、高速A/ D 轉(zhuǎn)換器和D/ A 轉(zhuǎn)換器等芯片組成， 另外， 還預(yù)留了一定的擴(kuò)展I/ O 接口， 根據(jù)設(shè)計(jì)需要可以擴(kuò)展電路。該電路板不僅可以完成電子競(jìng)賽中涉及的數(shù)字示波器、頻率計(jì)、DDS 信號(hào)發(fā)生器等設(shè)計(jì)題目， 而且還可以用于賽前培訓(xùn)。

0 引言

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽至今已成功舉辦了八屆， 參賽人數(shù)越來越多， 競(jìng)賽規(guī)模越來越大。大學(xué)生電子競(jìng)賽在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、促進(jìn)高校學(xué)風(fēng)建設(shè)及電子信息學(xué)科教學(xué)改革等方面起到了引導(dǎo)和推進(jìn)作用。

大學(xué)生電子競(jìng)賽題目以模擬電子、數(shù)字電子、可編程邏輯器件及單片機(jī)技術(shù)為核心， 涉及電子儀器儀表、通信、高頻無線電、自動(dòng)控制等多學(xué)科內(nèi)容。2007 年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)專家指出： 電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的發(fā)展趨勢(shì)將以模電、數(shù)電、FP2GA 為重點(diǎn)。因此， 對(duì)于參賽隊(duì)員來說要獲得較好的成績(jī)， 選擇合適的題目并進(jìn)行培訓(xùn)至關(guān)重要。筆者針對(duì)以FPGA 為核心的競(jìng)賽題目特點(diǎn)及競(jìng)賽元器件要求， 設(shè)計(jì)制作了競(jìng)賽電路板， 組成框圖如圖1 所示。

圖1 電子競(jìng)賽電路板組成框圖

本設(shè)計(jì)主要包括3 個(gè)部分： 單片機(jī)擴(kuò)展電路、FPGA 核心電路、高速A/ D 和D/ A 轉(zhuǎn)換電路。其中單片機(jī)擴(kuò)展電路主要包括振蕩電路、液晶顯示模塊接口、按鍵、復(fù)位電路等，這部分既可以進(jìn)行基本的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)， 還可以為FPGA 核心電路提供控制信號(hào)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(zhuǎn)換電路具有一路模擬信號(hào)輸入、兩路模擬信號(hào)輸出。設(shè)計(jì)將3 部分有機(jī)地結(jié)合在一起， 組成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 它既能夠完成等精度頻率計(jì)、DDS 信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器等競(jìng)賽題目的設(shè)計(jì)， 又可以用于賽前培訓(xùn)。

1 電路設(shè)計(jì)

　　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， 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列， 它是在PAL, GAL, EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的， 既解決了定制電路的不足， 又克服了原有可編程器件門電路數(shù)量有限的缺點(diǎn)。

經(jīng)過分析近幾屆電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的題目， 發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)題目對(duì)FPGA 的功能要求不是太高， 一般常用的FPGA 都能滿足設(shè)計(jì)要求。通過比較， 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(chǔ)器、鎖相環(huán)和高級(jí)I/ O 接口。所以Cyclone 系列FPGA 是設(shè)計(jì)的最佳選擇。

Altera 公司Cyclone 系列中的EP1C3, EP1C6, EP1C12完全能夠滿足設(shè)計(jì)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(xiàn)嵌入式的軟CPU（ 如NIOSII 等） , 為嵌入式電子設(shè)計(jì)提供了又一種選擇。所以在此選擇EP1C6T144C8作為此設(shè)計(jì)的FPGA 芯片。EP1C6T144C8 內(nèi)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(shè)計(jì)

EP1C6T144C8 是144 腳的FPGA 芯片， 引腳分類及功能如下：

（ 1） 電源引腳。使用3. 3 V 電壓作為供電電源， 可以為滿足各種數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的輸出緩存器的提供電源， 也可以為滿足LVT TL, LVCMOS, 各種PCI 接口標(biāo)準(zhǔn)的輸入緩存器提供電源。

（ 2） 內(nèi)部邏輯門的電源引腳。使用11 5 V 電壓作為供電電源， 可以為滿足LVDS, SSTL2, SST L3 接口標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試配置接口和AS 主動(dòng)串行配置接口。

（ 5） 用戶I/ O 口引腳。FPGA 芯片的用戶I/ O 引腳為96個(gè)， 通過雙排插座引出。這些接口分為3 類： 與單片機(jī)的接口、擴(kuò)展接口、與A/ D 轉(zhuǎn)換器及D/ A 轉(zhuǎn)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(hào)經(jīng)低阻值電阻緩沖后接CLK0, 即FPGA 的管腳16.

1. 2 單片機(jī)擴(kuò)展接口電路設(shè)計(jì)

1. 2. 1 單片機(jī)

80C51 系列單片機(jī)作為8 位單片機(jī)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用基礎(chǔ)。如ATMEL 公司的AT 89C5X, AT89S5X, NXP 公司的P89C5X, P89V5X 等。本設(shè)計(jì)選擇了NXP 公司的P89V51RD2 單片機(jī)， 該單片機(jī)片內(nèi)具有64 K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的可在線下載編程的（ ISP） FLASH 程序存儲(chǔ)器和256字節(jié)的RAM、1 K 字節(jié)的擴(kuò)展RAM、32 個(gè)I/ O 口、3 個(gè)可編程定時(shí)計(jì)數(shù)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(nèi)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(hào)字型； 另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64@256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域GDRAM; 而且內(nèi)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(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求； 同時(shí)與單片機(jī)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/ 2 線） .

中文液晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)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(dāng)前顯示屏幕及清除屏幕的命令， 具有光標(biāo)顯示/ 閃爍控制命令及關(guān)閉顯示命令。預(yù)留多種控制線（ 復(fù)位/ 串并選擇/ 亮度調(diào)整） 供用戶靈活使用。

1. 2. 3 鍵盤

擴(kuò)充16 個(gè)按鍵組成4@4 矩陣形式與單片機(jī)的P1 口相連。

1. 2. 4 與FPGA 接口

單片機(jī)的P0 口， P2 口， RD, WR, ALE 分別經(jīng)100 8 電阻與FPGA 預(yù)留I/ O 口相連。

　　1. 2. 5 RS232 接口

擴(kuò)充MAX232 串口芯片， 擴(kuò)展串行口， 可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC 機(jī)的串行通信、在線下載程序。

　　1. 3 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路

1. 3. 1 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器

由于FPGA 為高速器件， 為實(shí)現(xiàn)速度匹配， 本設(shè)計(jì)采用高速A/ D 轉(zhuǎn)換器TLC5510.它是由美國(guó)T I 公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片， 能提供的最高采樣率為20MSPS.由于TLC5510 采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS 工藝， 因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量， 而且在高速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換功能， 而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路， 從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)， 由于其內(nèi)部帶有標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻， 因而可以從+ 5 V 的電源獲得2 V 滿刻度的基準(zhǔn)電壓。TLC5510 可應(yīng)用于數(shù)字T V、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及QAM 解調(diào)器等方面。T LC5510為24 引腳、SO、PSOP 表貼封裝形式。

　　1. 3. 2 高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器

高速D/ A 轉(zhuǎn)換器選用了TI 公司生產(chǎn)的TH S5651A, 該芯片是經(jīng)特別優(yōu)化的用于有線和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該芯片的制造采用了先進(jìn)的高速混合信號(hào)CMOS工藝， 轉(zhuǎn)換速率達(dá)125 MSPS.片上具有11 2 V 參考電壓、D/ A轉(zhuǎn)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(yùn)算放大器

為了與高速A/ D、D/ A 轉(zhuǎn)換器速度相匹配， 電路設(shè)計(jì)中還使用了美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的TH S4001 高速電壓負(fù)反饋運(yùn)算放大器。其帶寬可達(dá)270 MHz、轉(zhuǎn)換速率達(dá)400 V/Ls, 能很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的放大緩沖功能， 以滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

2 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的電子競(jìng)賽電路板采用了MCU + FPGA 結(jié)構(gòu)，單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、控制顯示等工作； FPGA 負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換工作。同時(shí)， FPGA 還可以為單片機(jī)提供存儲(chǔ)器及I/ O 口等資源。在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)， 特別要注意采取抗干擾措施， 如在電路中要適當(dāng)配置去藕電容、數(shù)字地與模擬地分離， 最后在一點(diǎn)接于電源地等。本設(shè)計(jì)在地線的設(shè)計(jì)方面， 使用了屏蔽地、數(shù)字地和模擬地， 它們分別與電源地相連， 做到了數(shù)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調(diào)試， 各個(gè)模塊可以達(dá)到預(yù)期的功能， 該電路板可以用于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和一些電子產(chǎn)品的開發(fā)。

[1].PCI datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCI+_1201469.html.
[2].80C51 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/80C51+_103447.html.
[3].P89V51RD2 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/P89V51RD2+_875979.html.
[4].MAX232 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/MAX232+_1074207.html.
[5].TLC5510 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TLC5510+_1073963.html.
[6].SOICdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/SOIC_1182477.html.
[7].TSSOP datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TSSOP+_1539100.html.
[8].PCB datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB+_1201640.html.