基于FPGA的课外科技活动实验系统的设计

徐 红，叶 丰

(1.浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州 310023;2.杭州国芯科技股份有限公司，浙江杭州 310012)

大学生课外科技活动是培养高素质创新人才重要的第二课堂。课外科技活动的实验系统必须具有通用性和灵活性，且实践性强。大多数高校的电子信息类专业现在都开设了FPGA应用方面的课程。我们自主设计了一套基于FPGA的课外科技活动实验系统，主要包括FPGA最小系统板、液晶显示模块、键盘模块、A/D模块、D/A模块、程控滤波模块、FLASH模块和SRAM模块等。其中FPGA最小系统板作为核心部分，不但可以与自主设计的各子模块方便连接，同时还可以与已有的成品模块连接，具有很好的扩展性［1］。

1 系统设计

基于FPGA的课外科技活动实验系统的实物图如图1所示。

图1 实验系统的实物图

1)FPGA最小系统板

FPGA最小系统板是指电路板上除了FPGA及电源、配置电路之外，其余外部资源都通过接插件进行扩展，使该系统具有很强的通用性，方便学生连接其他外围模块。本最小系统具有如下特点。

(1)支持JTAG和AS两种下载模式;

(2)采用EP1C12Q240C8的FPGA芯片容量较大，对于一般的综合实验项目都可以胜任［2］;

(3)既有连接外围子模块的专用接口，又有丰富的排针接口保证其通用性;

(4)具有多种电源接口:额定5V，动态8～18V或者USB直接供电，外围子模块无需电源;

(5)配备1个USART串口。

2)A/D和D/A模块

两种模块分别采用芯片:TLC5510和TLC5602，8位位宽且转换速率高，可满足一般数据处理［3，4］。

3)液晶显示及键盘模块

该部分实现人机接口的功能，包含两个模块:THS12864液晶模块和4x4矩阵键盘模块。液晶模块带汉字字库，可以节省ROM空间。相应外围控制电路参考数据手册［5］。

4)存储器模块

本实验系统通过Flash模块和SRAM模块来实现存储功能。SRAM读写速度快，但是掉电数据会丢失。Flash读写速度相对比较慢，但掉电不丢失数据，所以在实际的应用当中根据需要来选用。Flash芯片选用AMD公司生产的AM29LV160DB，它的容量是16Mbits［6］。SRAM 芯片选用 ISSI公司生产的IS61LV25616AL，它的容量是:4Mbits［7］。

5)无线模块

为了实现较好的无线传输性能，无线模块选用nRF24L01成品模块，工作在2.4GHzISM频段，最高工作速率2Mbps。在开阔条件下可以实现100米传输，满足一般的应用需求［8］。

6)程控滤波模块

该模块实现的是程控滤波功能，可以通过程序精确控制该模块配置成不同的滤波功能。芯片型号:MAX262，在程序控制下设置中心频率f0、品质因数Q和滤波器工作方式等参数［9］。

2 系统应用

本实验系统采用独立的模块化结构，可以方便的实现模数/数模转换、程控滤波、人机接口、实时存储、高速公共频段无线传输和低速串行通信等一系列功能。

2.1 简单的实验项目

(1)Quartus II软件及实验系统启动

在电脑未开机的情况下用下载线将FPGA系统板上的JTAG下载接口和电脑相连，在总电源关闭的状态下接上USB供电电源线，打开电源开关，指示灯亮说明供电正常。

打开Quartus软件选择相应的Byteblaster下载线和JTAG下载模式，对*.sof文件进行下载;AS模式下载类似。下载成功后相应的LED灯就会点亮。

(2)A/D和D/A实验

将A/D模块连接到最小系统板，A/D的输入端接上信号发生器，FPGA为A/D提供合适的采样时钟，根据信号发生器产生的信号，A/D模块将8bit数字输出送入FPGA。学生通过学习Quartus II下的SignalTap II工具来验证A/D转换的正确性。

将D/A模块连接到最小系统板，输出接示波器。利用查表法通过Verilog HDL编程在FPGA中实现正弦信号发生器，输出给D/A模块，若工作正常，则示波器上将显示这个正弦波。

若工作正常，则可将A/D的输出通过FPGA送入到D/A的输入端进行联调。

(3)程控滤波实验

在最小系统板上连接MAX262程控滤波模块。将D/A模块的输出送入MAX262的输入端。编写程控滤波模块的控制代码产生不同的滤波器类别和截止频率，验证是否实现预计的滤波功能。

(4)电子计算器实验

该实验应用到4x4矩阵键盘模块和THS12864液晶模块，实现简单的加、减、乘和除运算，16个按键可以自己定义0～9的数字和四个运算符号。矩阵键盘采用扫描的方法读取按键信息。液晶带汉字字库，所以常用的汉字只需要送入相应的汉字码(查手册)即可显示。

(5)无线数据传输实验

本实验需要两块最小系统板实现两个无线模块之间数据的收发工作。结合实验(4)的液晶屏和键盘操作，根据时序要求配置两个无线模块分别为接收状态和发送状态，且频率和地址相同。把按键信息从一块系统板发送到另外一块系统板上，并通过液晶显示出来，可以很容易观察是否正确通信。

(6)数据存储实验

本实验主要熟悉对SRAM和Flash的时序控制，在需要数据存储的场合便于应用。学生按照实验板的接口插上两个存储模块，参照相应数据手册上的时序要求送入控制信息、地址和数据，然后通过SignalTap II回读存储的信息，察看跟写入的是否一致，并通过断电验证Flash数据不丢失的特性。

2.2 综合实验

综合实验的主要思路是利用Verilog HDL等硬件描述语言在FPGA芯片上实现核心控制与程序处理，然后结合外围模块，实现灵活多样的设计。通过以上几个简单的实验项目的训练，对整个实验系统各个模块的应用就会比较清楚，下一步可以综合整个系统实现如下一些复杂的实验项目。

(1)数字调制解调实验;

(2)差错控制编解码实验;

(3)数字滤波器实验;

(4)标准音视频信号产生与处理实验;

(5)DDS信号发生器实验等。

2.3 在电子设计竞赛中的应用

本系统基于模块化设计思路，便于扩展功能和系统升级，因此非常适合在电子设计竞赛等科技实践中应用。例如在2012年的浙江省电子设计竞赛，本系统配备相应的外围电路实现了B题(频率补偿电路)的信号采集、信号处理和输出等部分，同时也实现D题(声音定位系统)的系统处理和控制部分。

3 结语

学生在利用本实验系统开展课外科技活动的过程中，做到了提出问题、分析问题和解决问题，进而设计问题的良性循环。学生自主设计了很多有趣的实验项目，获得了宝贵的实践知识和解决问题的经验，为今后的工作和学习打下了良好的基础。

［1］ 张齐，朱宁西，田立斌.基于课外科技活动的大学生创新能力培养模式［J］，广州:华南理工大学学报，2007(9)，No.5:58-60

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

［3］ TI公司.8位高速模数转换芯片 TLC5510数据手册［EB］.www.ti.com［OL］.

［4］ TI公司.视频8位高速数模转换芯片 TLC55602数据手册［EB］.www.ti.com［OL］.

［5］ 深圳市天正达电子有限公司.THS12864液晶使用说明［EB］.www.lcdstar.com［OL］.

［6］ AMD公司.AM29LV160D FLASH 存储器手册［EB］.www.amd.com［OL］.

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

［8］ Nordic semiconductor公司.nRF24L01单芯片2.4G传输产品介绍［EB］.www.nordicsemi.com［OL］.

［9］ MAXIM公司.可由微处理器编程的通用开关电容滤波器［EB］.www.maxim-ic.com［OL］.