基于FPGA的課外科技活動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐 紅，葉 豐

(1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江杭州 310023;2.杭州國芯科技股份有限公司，浙江杭州 310012)

大學(xué)生課外科技活動(dòng)是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才重要的第二課堂。課外科技活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)必須具有通用性和靈活性，且實(shí)踐性強(qiáng)。大多數(shù)高校的電子信息類專業(yè)現(xiàn)在都開設(shè)了FPGA應(yīng)用方面的課程。我們自主設(shè)計(jì)了一套基于FPGA的課外科技活動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括FPGA最小系統(tǒng)板、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、A/D模塊、D/A模塊、程控濾波模塊、FLASH模塊和SRAM模塊等。其中FPGA最小系統(tǒng)板作為核心部分，不但可以與自主設(shè)計(jì)的各子模塊方便連接，同時(shí)還可以與已有的成品模塊連接，具有很好的擴(kuò)展性［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于FPGA的課外科技活動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)物圖

1)FPGA最小系統(tǒng)板

FPGA最小系統(tǒng)板是指電路板上除了FPGA及電源、配置電路之外，其余外部資源都通過接插件進(jìn)行擴(kuò)展，使該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性，方便學(xué)生連接其他外圍模塊。本最小系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

(1)支持JTAG和AS兩種下載模式;

(2)采用EP1C12Q240C8的FPGA芯片容量較大，對于一般的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都可以勝任［2］;

(3)既有連接外圍子模塊的專用接口，又有豐富的排針接口保證其通用性;

(4)具有多種電源接口:額定5V，動(dòng)態(tài)8～18V或者USB直接供電，外圍子模塊無需電源;

(5)配備1個(gè)USART串口。

2)A/D和D/A模塊

兩種模塊分別采用芯片:TLC5510和TLC5602，8位位寬且轉(zhuǎn)換速率高，可滿足一般數(shù)據(jù)處理［3，4］。

3)液晶顯示及鍵盤模塊

該部分實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口的功能，包含兩個(gè)模塊:THS12864液晶模塊和4x4矩陣鍵盤模塊。液晶模塊帶漢字字庫，可以節(jié)省ROM空間。相應(yīng)外圍控制電路參考數(shù)據(jù)手冊［5］。

4)存儲(chǔ)器模塊

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過Flash模塊和SRAM模塊來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。SRAM讀寫速度快，但是掉電數(shù)據(jù)會(huì)丟失。Flash讀寫速度相對比較慢，但掉電不丟失數(shù)據(jù)，所以在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中根據(jù)需要來選用。Flash芯片選用AMD公司生產(chǎn)的AM29LV160DB，它的容量是16Mbits［6］。SRAM 芯片選用 ISSI公司生產(chǎn)的IS61LV25616AL，它的容量是:4Mbits［7］。

5)無線模塊

為了實(shí)現(xiàn)較好的無線傳輸性能，無線模塊選用nRF24L01成品模塊，工作在2.4GHzISM頻段，最高工作速率2Mbps。在開闊條件下可以實(shí)現(xiàn)100米傳輸，滿足一般的應(yīng)用需求［8］。

6)程控濾波模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)的是程控濾波功能，可以通過程序精確控制該模塊配置成不同的濾波功能。芯片型號:MAX262，在程序控制下設(shè)置中心頻率f0、品質(zhì)因數(shù)Q和濾波器工作方式等參數(shù)［9］。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用獨(dú)立的模塊化結(jié)構(gòu)，可以方便的實(shí)現(xiàn)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換、程控濾波、人機(jī)接口、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、高速公共頻段無線傳輸和低速串行通信等一系列功能。

2.1 簡單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

(1)Quartus II軟件及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)

在電腦未開機(jī)的情況下用下載線將FPGA系統(tǒng)板上的JTAG下載接口和電腦相連，在總電源關(guān)閉的狀態(tài)下接上USB供電電源線，打開電源開關(guān)，指示燈亮說明供電正常。

打開Quartus軟件選擇相應(yīng)的Byteblaster下載線和JTAG下載模式，對*.sof文件進(jìn)行下載;AS模式下載類似。下載成功后相應(yīng)的LED燈就會(huì)點(diǎn)亮。

(2)A/D和D/A實(shí)驗(yàn)

將A/D模塊連接到最小系統(tǒng)板，A/D的輸入端接上信號發(fā)生器，F(xiàn)PGA為A/D提供合適的采樣時(shí)鐘，根據(jù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號，A/D模塊將8bit數(shù)字輸出送入FPGA。學(xué)生通過學(xué)習(xí)Quartus II下的SignalTap II工具來驗(yàn)證A/D轉(zhuǎn)換的正確性。

將D/A模塊連接到最小系統(tǒng)板，輸出接示波器。利用查表法通過Verilog HDL編程在FPGA中實(shí)現(xiàn)正弦信號發(fā)生器，輸出給D/A模塊，若工作正常，則示波器上將顯示這個(gè)正弦波。

若工作正常，則可將A/D的輸出通過FPGA送入到D/A的輸入端進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

(3)程控濾波實(shí)驗(yàn)

在最小系統(tǒng)板上連接MAX262程控濾波模塊。將D/A模塊的輸出送入MAX262的輸入端。編寫程控濾波模塊的控制代碼產(chǎn)生不同的濾波器類別和截止頻率，驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的濾波功能。

(4)電子計(jì)算器實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到4x4矩陣鍵盤模塊和THS12864液晶模塊，實(shí)現(xiàn)簡單的加、減、乘和除運(yùn)算，16個(gè)按鍵可以自己定義0～9的數(shù)字和四個(gè)運(yùn)算符號。矩陣鍵盤采用掃描的方法讀取按鍵信息。液晶帶漢字字庫，所以常用的漢字只需要送入相應(yīng)的漢字碼(查手冊)即可顯示。

(5)無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)需要兩塊最小系統(tǒng)板實(shí)現(xiàn)兩個(gè)無線模塊之間數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。結(jié)合實(shí)驗(yàn)(4)的液晶屏和鍵盤操作，根據(jù)時(shí)序要求配置兩個(gè)無線模塊分別為接收狀態(tài)和發(fā)送狀態(tài)，且頻率和地址相同。把按鍵信息從一塊系統(tǒng)板發(fā)送到另外一塊系統(tǒng)板上，并通過液晶顯示出來，可以很容易觀察是否正確通信。

(6)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要熟悉對SRAM和Flash的時(shí)序控制，在需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的場合便于應(yīng)用。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)板的接口插上兩個(gè)存儲(chǔ)模塊，參照相應(yīng)數(shù)據(jù)手冊上的時(shí)序要求送入控制信息、地址和數(shù)據(jù)，然后通過SignalTap II回讀存儲(chǔ)的信息，察看跟寫入的是否一致，并通過斷電驗(yàn)證Flash數(shù)據(jù)不丟失的特性。

2.2 綜合實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)的主要思路是利用Verilog HDL等硬件描述語言在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)核心控制與程序處理，然后結(jié)合外圍模塊，實(shí)現(xiàn)靈活多樣的設(shè)計(jì)。通過以上幾個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各個(gè)模塊的應(yīng)用就會(huì)比較清楚，下一步可以綜合整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下一些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(1)數(shù)字調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn);

(2)差錯(cuò)控制編解碼實(shí)驗(yàn);

(3)數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn);

(4)標(biāo)準(zhǔn)音視頻信號產(chǎn)生與處理實(shí)驗(yàn);

(5)DDS信號發(fā)生器實(shí)驗(yàn)等。

2.3 在電子設(shè)計(jì)競賽中的應(yīng)用

本系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)思路，便于擴(kuò)展功能和系統(tǒng)升級，因此非常適合在電子設(shè)計(jì)競賽等科技實(shí)踐中應(yīng)用。例如在2012年的浙江省電子設(shè)計(jì)競賽，本系統(tǒng)配備相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)了B題(頻率補(bǔ)償電路)的信號采集、信號處理和輸出等部分，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)D題(聲音定位系統(tǒng))的系統(tǒng)處理和控制部分。

3 結(jié)語

學(xué)生在利用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展課外科技活動(dòng)的過程中，做到了提出問題、分析問題和解決問題，進(jìn)而設(shè)計(jì)問題的良性循環(huán)。學(xué)生自主設(shè)計(jì)了很多有趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，獲得了寶貴的實(shí)踐知識和解決問題的經(jīng)驗(yàn)，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 張齊，朱寧西，田立斌.基于課外科技活動(dòng)的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式［J］，廣州:華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(9)，No.5:58-60

［2］ Altera公司.Cyclone系列器件簡介［EB］.www.altera.com.cn［OL］.

［3］ TI公司.8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 TLC5510數(shù)據(jù)手冊［EB］.www.ti.com［OL］.

［4］ TI公司.視頻8位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 TLC55602數(shù)據(jù)手冊［EB］.www.ti.com［OL］.

［5］ 深圳市天正達(dá)電子有限公司.THS12864液晶使用說明［EB］.www.lcdstar.com［OL］.

［6］ AMD公司.AM29LV160D FLASH 存儲(chǔ)器手冊［EB］.www.amd.com［OL］.

［7］ ISSI公司.IS61LV25616AL 256K x 16高速SRAM 手冊［EB］.www.issi.com［OL］.

［8］ Nordic semiconductor公司.nRF24L01單芯片2.4G傳輸產(chǎn)品介紹［EB］.www.nordicsemi.com［OL］.

［9］ MAXIM公司.可由微處理器編程的通用開關(guān)電容濾波器［EB］.www.maxim-ic.com［OL］.