基于FPGA的全能硬件實驗箱

汪迎

摘要：在我們目前所用的數(shù)字電路，模擬電路實驗箱配置不太完善，功能上局限性太強。特別是在使用的過程中成本較大，每個分立元器件的管腳針頭易損壞。為了解決這些問題，在現(xiàn)有的數(shù)電，模電實驗箱的基礎上，實現(xiàn)數(shù)模電實驗箱二合一的思想，并加入了電路分析的模塊，使之成為數(shù)電、模電和電路分析三合一的實驗箱。用FPGA主控芯片代替數(shù)字電路的分立元器件，用FPGA程序作為數(shù)字芯片的主要核心，在此基礎上做出更多常用數(shù)字芯片的程序。這樣使不但能節(jié)省分立元器件成本，還可以使實驗箱的功能更加強大，靈活性更高。

Abstract： In our current digital circuit， the real analog circuit test box is not perfect， the function is too strong. Especially in the process of using the cost of each discrete components of the needle is easy to damage. In order to solve these problems， in a number of existing electrical， power module test box based on， the idea of digital and analog electronic experimental box combo， and joined the circuit analysis module， to become number of electricity， power module and circuit analysis of a test box. FPGA main control chip for digital circuit of discrete components， using FPGA program as the main core of the digital chip， on this basis to make more common use of the digital chip program. So that not only can save the cost of discrete components， but also can make the function of the experimental box is more powerful， more flexibility.

關(guān)鍵詞： FPGA；實驗箱；數(shù)字電路；模擬電路；電路分析

Key words： FPGA；experimental box；digital circuit；analog circuit；circuit analysis

中圖分類號：TN79+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0154-03

0 引言

在我們目前所用的數(shù)電，模電實驗箱配置不太完善，功能上局限性太強。特別是在使用的過程中成本較大，每個分立元器件的管腳針頭容易損壞。由此，元器件不能充分利用，用獨立芯片可以替代。

為了方便更多的專業(yè)人士和在校大學生做相關(guān)的數(shù)模電實驗，特做出如此構(gòu)思：在現(xiàn)有的數(shù)電，模電試驗箱的基礎上，實現(xiàn)數(shù)模電實驗箱二合一的思想，并加入了電路分析的模塊，使之成為數(shù)、模電和電路分析三合一的實驗箱。實驗老師根據(jù)學生在做實驗過程中積累下的經(jīng)驗，需要在原實驗箱的基礎上做出改進?，F(xiàn)有的實驗設備數(shù)字電路芯片管腳不穩(wěn)，報廢率較高，浪費嚴重，實驗項目選擇性太少。用FPGA主控芯片代替數(shù)字電路的分立元器件，用FPGA程序作為數(shù)字芯片的主要核心，在此基礎上做出更多常用數(shù)字芯片的程序。需用到的數(shù)字芯片，只需下載想用的程序即可實現(xiàn)響應的功能。數(shù)電，模電，電路分析實驗箱將會組合到一塊。這種改動之后，不但能節(jié)省分立元器件成本，還可以使實驗箱的功能更加強大，靈活性更高。

1 FPGA介紹

FPGA是20世紀80年代中期出現(xiàn)的一種新型的可編程邏輯器件，其結(jié)構(gòu)不同于基于與或陣列的器件。其最大的特點是可實現(xiàn)現(xiàn)場編程。所謂現(xiàn)場編程是指對于已經(jīng)焊接在PCB上或正在工作的芯片實現(xiàn)邏輯重構(gòu)，當然也可在工作一段時間后修改邏輯。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。（圖1-5）

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

為了實現(xiàn)數(shù)電、模電、電路分析實驗箱一體化，增強實驗應用范圍。根據(jù)學生平時實驗結(jié)果的積累和總結(jié)，特對該實驗箱做出更新。制作出如下方案：

①數(shù)電、模電實驗箱整合。功能模塊可共用，電源模塊重復使用。但特定的功能模塊經(jīng)過改進后需重新放置。

②數(shù)電使用的獨立分立邏輯芯片不再使用，統(tǒng)一使用可編程邏輯芯片F(xiàn)PGA來代替獨立的邏輯芯片。這樣做的好處就是使實驗不再單一化，芯片功能可根據(jù)FPGA的程序來設定，不再需要人為的選擇邏輯芯片。芯片的選擇性更大了，更多常用的邏輯芯片都可在此平臺上實現(xiàn)出來。芯片管腳也不再受限制。常用的邏輯芯片都可實現(xiàn)。

③函數(shù)信號發(fā)生器部分不再需要人為的測試輸出的信號頻率，我們在底板上直接設計頻率測定和頻率顯示的功能。設計出的實驗箱沒有很大的選擇限制，這一塊可代替常用的邏輯芯片和獨立電子元器件。（圖6）

實現(xiàn)學生實驗的強大功能，用戶可在實驗箱上做相關(guān)的數(shù)電、模電和電路分析等實驗。使用戶更快的了解電子設計和應用原理，拓寬用戶的視野，提高實驗效率，節(jié)省實驗所需時間。通過下載硬件程序擴充數(shù)字邏輯芯片的數(shù)量，科研人員也可以在此基礎上使用自己相關(guān)的邏輯芯片功能，增加了受眾人群。不再需要購買獨立數(shù)字器件在面包板上做不確定的實驗。還要考慮面包板管腳連接是否正常等問題。常用數(shù)字邏輯芯片，足夠滿足學生們做實驗。還在一定程度上使同學們了解了可編程邏輯器件的強大功能。（圖7）

4 結(jié)束語

雖然數(shù)電，模電等學科的實驗箱一直在發(fā)展，但是發(fā)展的較為緩慢。我們提出設計的基于FPGA的全能硬件實驗箱（數(shù)/模/電路分析實驗箱）利于當前較為先進成熟的FPGA編程技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字電路，模擬電路，電路分析三科實驗與一套實驗箱，使用戶更快地了解電子設計和應用原理，拓寬用戶的視野，提高實驗效率，節(jié)省實驗所需時間。具有創(chuàng)新與實用積極意義。此實驗箱外觀做的比較粗糙，后續(xù)我們會積極完善，在功能上我們會増優(yōu)去拙，使實驗箱不僅更加美觀，也會更加實用！

參考文獻：

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)[M].四版.北京：高等教育出版社，2006，5（2012.12重?。?

[2]范文兵.數(shù)字電子技術(shù)基礎[M].北京：清華大學出版社，2007：12.

[3]李瀚蓀.電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，2006，5（2010重?。?

[4]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M].北京航空航天大學出版社，2003.

[5]王曉勇.FPGA的基本原理及運用[J].艦船電子工程，2005（2）.

[6]龐艷榮.基于FPGA的數(shù)字集成系統(tǒng)設計[D].天津大學，2004.

[7]李月.FPGA實驗教學系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].大連理工大學，2007.