基于FPGA的通信實驗箱設計

蔡晨暉，林創(chuàng)華

（佛山科學技術學院自動化系，廣東佛山528000）

近年來，由于國內FPGA技術發(fā)展迅速，所涉及的領域越來越廣泛，促使數(shù)字電路實驗平臺的研發(fā)也熱鬧起來。數(shù)字電路實驗箱是數(shù)字電路不可或缺的硬件實驗平臺，傳統(tǒng)的數(shù)字電路實驗箱一般具有一定的規(guī)格，其元器件的數(shù)量有限導致可實驗種類較少［1］，若想完成功能復雜的實驗內容，必須借助面包板。當實驗電路十分復雜時，就要相應增加面包板使用的數(shù)量，這不僅使實驗過程變得很繁瑣，而且還增加了實驗的難度。

FPGA因其現(xiàn)場可編程特性和高速數(shù)據(jù)處理能力而倍受青睞，加上其程序設計簡單，對初學者來說容易上手，把它應用于數(shù)字電路實驗設備可以很好地彌補傳統(tǒng)實驗箱的不足［2-5］。筆者設計了一款基于FPGA的通信實驗箱，該通信實驗箱能夠滿足多種通信系統(tǒng)實驗的教學要求，可實現(xiàn)復雜波形的產(chǎn)生、變換、編碼及解碼，使學生能夠將理論與實踐相結合地進行系統(tǒng)學習與研究。

1 實驗箱系統(tǒng)總體設計

為滿足大部分實驗的需求，本文所設計的FPGA通信實驗箱主要具備以下功能模塊［6］。

（1）FPGA芯片模塊：成本適中，擁有大量可編程I/O接口，滿足百萬門運算能力和速率，能完成必要的數(shù)字通信運算。

（2）電源模塊：為系統(tǒng)芯片及各個部分提供電源，分為1.2 V、3.3 V、5 V與12 V，芯片電源又分內核與I/O。

（3）A/D數(shù)據(jù)轉換模塊：負責把輸入的模擬信號轉換成電平信號，發(fā)送到FPGA芯片進行運算處理，然后再發(fā)送到D/A數(shù)據(jù)轉換模塊。

（4）D/A數(shù)據(jù)轉換模塊：把從A/D數(shù)據(jù)轉換模塊發(fā)送過來的電平信號轉換成模擬信號，在時鐘控制下進行結果輸出，可通過示波器觀察。

（5）編程下載口模塊：把調試好的程序燒錄到FPGA芯片中。

（6）顯示模塊：利用7段數(shù)碼管與LCD屏幕實現(xiàn)顯示功能。

（7）蜂鳴器：軟件模擬報警。

（8）LED燈：設置8個發(fā)光二極管，用于顯示FPGA控制的信號。

（9）撥碼開關：模擬高、低電平的輸入。

（10）按鍵輸入模塊：模擬復位操作及一些復雜應用中的信號輸入。

（11）可編程引腳模塊：為系統(tǒng)芯片提供外擴引腳，也可做一些簡單應用。

系統(tǒng)的硬件布局如圖1所示。

圖1 FPGA通信試驗箱構成

FPGA芯片采用Cyclone II EP2C8T144，原因是其性價比高、處理數(shù)字量大、速度快。芯片共有144個引腳，除去內核與I/O口電源線、地線、時鐘線以及鎖相環(huán)線等54個引腳后，剩下的90個I/O接口可供外界功能設備使用。

2 系統(tǒng)關鍵技術

2.1 電源系統(tǒng)設計

實驗箱系統(tǒng)主要用到+5 V、+3.3 V和+1.2 V這三個等級直流電壓，其中5 V電壓負責向外圍器件供電，3.3 V和1.2 V電壓分別為FPGA芯片的I/O口與內核供電。為了讓FPGA芯片穩(wěn)定運行，必須減小其所需的電壓紋波。

首先要利用LM7812產(chǎn)生12 V通信系統(tǒng)電源，并用LED燈指示是否正在運行，如圖2所示。

圖2 +12 V供電電路圖

220V的交流電通過變壓器變壓后流入整流橋進行整流，再經(jīng)由穩(wěn)壓器LM7812穩(wěn)定輸出+12 V電壓［7］。為了讓電壓穩(wěn)定、紋波減小，增強抗干擾能力，本系統(tǒng)采用一個100 pF的無極性電容和一個470 uF的電解電容對整流橋整流后的電壓進行濾波，再利用一個100 pF的無極性電容加一個330 uF的電解電容對穩(wěn)壓三極管輸出的+12 V電壓進行濾波［8］，如圖2所示。

對于+5 V的電壓，將由+12 V轉換電壓輸入，再經(jīng)過LM7805低壓電源芯片進行電壓轉換，并通過由陶瓷電容和電解電容組成的濾波電容濾波后，輸出+5 V的穩(wěn)定電壓。

3.3 V的穩(wěn)定直流電壓采用LM1117-3.3VLDO電源芯片產(chǎn)生，其最大輸出電流為800 mA，供電電路同樣增加了濾波電容對輸出電壓進行濾波。

1.2 V的穩(wěn)定內核電壓由AOZ1016開關電源芯片產(chǎn)生，在供電電路中需要注意電阻的搭配，如圖3所示。圖3中AOZ1016開關電源芯片的輸入電壓為5 V，在輸出口設置了10 mH的電感用作儲能，使用5 K與10 K的電阻作為輸出電壓時的匹配電阻，使輸出電壓穩(wěn)定在1.2 V。

圖3 +1.2V供電電路圖

2.2 下載配置工具USB Blaster電路設計

USB-Blaster是通過計算機的USB接口對FPGA以及配置芯片進行編程、調試等操作。首先通過PC端獲取5 V電源，采用LM1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片轉換成3.3 V。另外，連接PC需要用到一塊USB轉并口芯片，采用FT245RL芯片可實現(xiàn)串并轉換，其電路如圖4所示［9］。

下載器的控制芯片選用CPLD芯片EPM240T100C5，為了兼容更多型號的FPGA芯片，本實驗箱還配置了一塊電平緩沖轉換芯片MAX3378，它能將USB Blaster的傳輸電平與目標FPGA實驗箱的配置電平進行匹配，防止FPGA芯片遭受過高電平?jīng)_擊，并通過JTAG接口與目標實驗箱的FPGA芯片相連。

圖4 USB串并轉換電路

2.3 數(shù)模、模數(shù)轉換電路設計

數(shù)模、模數(shù)轉換電路是本系統(tǒng)最關鍵的部分，也是難點最多的部分，它關系到實驗箱的最終實驗結果是否穩(wěn)定，能否實現(xiàn)通信系統(tǒng)的各項功能和波形的平滑變換。

A/D轉換器的工作原理是把模擬信號轉換成數(shù)字信號，一般要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼4個步驟。模擬信號具有幅度、時間連續(xù)的特點，數(shù)字信號則是離散的。D/A轉換器的工作原理是把數(shù)字信號轉換成與之成正比的模擬信號，輸出的電壓波形是階梯形而不是連續(xù)的，相鄰階梯之間的差值稱為最小分辨電壓VLSB，滿量程輸出電壓為VFSV，兩者的關系為

本系統(tǒng)采用的A/D轉換器是基于DAC原理，即發(fā)送一個數(shù)字信號到D/A轉換器上，輸出一個與之成正比的模擬電壓信號，然后比較輸出的模擬電壓信號與待轉換的模擬電壓信號，若不相等，則調整發(fā)送的數(shù)字信號直至與A/D轉換量相同。本文選用的A/D轉換芯片是AD9280，它是一款8位單芯片的32MSPS模數(shù)轉換器（ADC），采用單電源供電，自帶一個片內采樣保持放大器以及基準電源，為確保輸出電壓的穩(wěn)定性，還在芯片內部設計了電壓濾波電路，其電路設計如圖5所示。

圖5 A/D轉換電路原理圖

對于D/A轉換器，本系統(tǒng)采用TLC5602芯片，該芯片為8位權電流型D/A轉換器，低功耗，超高速，最高轉換速率可達30 MSPS，它能夠消除因模擬開關導通時產(chǎn)生的電阻影響，從而提高D/A轉換的精確度，總體上比傳統(tǒng)的電阻型轉換器要好，其電路設計如圖6所示。

圖6 D/A轉換電路原理圖

由于TLC5602輸出的是4～5 V電壓，要使之變成0～5 V的電壓，就要先降壓至0～1 V再對其進行放大。降壓電路可使用差分放大電路，放大倍數(shù)設為5倍，在一端輸入4 V電壓，另一端輸入的是TLC5602的輸出電壓。待降壓放大后，仍需對信號進行濾波，確保輸出電壓的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用的是有源運放二階RC低通濾波電路，具體方案可查看文獻［10］，本文不再贅述。

3 小結

針對目前高校課程的實驗需求，提出了一款基于FPGA的通信實驗箱的設計方案，首先介紹了系統(tǒng)的硬件布局及各個硬件模塊的功能，然后分析了電源系統(tǒng)、下載配置工具和數(shù)模、模數(shù)轉換電路等模塊的電路設計，為使用FPGA的廣大工程技術人員提供了一個設計參考。

［1］覃洪英.數(shù)字電路實驗中實驗平臺選擇及教學方法改進［J］.中國電力教育,2011（34）:134-135.

［2］張慶玲.EDA實驗開發(fā)機設計［J］.西安航空技術高等?？茖W校學報,2005,23（3）:59-60.

［3］高立新.FPGA實驗開發(fā)板的設計與研制［J］.安徽電子信息職業(yè)技術學院學報,2010,9（5）:33-34.

［4］趙剛,何志敏,陳利學.基于FPGA的EDA綜合實驗系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息,2012,28（1）:49-51.

［5］鄭玲玲.天煌教儀系列產(chǎn)品介紹［J］.電氣電子教學學報,2006,28（3）:114-116.

［6］曾志廉,何清平,鄒候文.通用FPGA實驗系統(tǒng)的設計與應用［J］.微計算機信息,2007,23（4）:234-235.

［7］紀曉佳.基于EP2C8的FPGA教學實驗板設計與實現(xiàn)［D］.青島:山東科技大學,2011.

［8］任加維.FPGA實驗系統(tǒng)的改進設計［D］.西安:西北大學,2013.

［9］王海杰.基于EP2C8T144C8N的FPGA通信系統(tǒng)實驗箱設計與開發(fā)［D］.杭州:浙江工業(yè)大學,2011.

［10］黃訓琳.基于FPGA技術的通信實驗箱設計與分析［D］.杭州:浙江工業(yè)大學,2011.