基于FPGA的通信实验箱设计

2015-12-22蔡晨晖林创华

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2015年4期

蔡晨晖，林创华

（佛山科学技术学院自动化系，广东佛山528000）

近年来，由于国内FPGA技术发展迅速，所涉及的领域越来越广泛，促使数字电路实验平台的研发也热闹起来。数字电路实验箱是数字电路不可或缺的硬件实验平台，传统的数字电路实验箱一般具有一定的规格，其元器件的数量有限导致可实验种类较少［1］，若想完成功能复杂的实验内容，必须借助面包板。当实验电路十分复杂时，就要相应增加面包板使用的数量，这不仅使实验过程变得很繁琐，而且还增加了实验的难度。

FPGA因其现场可编程特性和高速数据处理能力而倍受青睐，加上其程序设计简单，对初学者来说容易上手，把它应用于数字电路实验设备可以很好地弥补传统实验箱的不足［2-5］。笔者设计了一款基于FPGA的通信实验箱，该通信实验箱能够满足多种通信系统实验的教学要求，可实现复杂波形的产生、变换、编码及解码，使学生能够将理论与实践相结合地进行系统学习与研究。

1 实验箱系统总体设计

为满足大部分实验的需求，本文所设计的FPGA通信实验箱主要具备以下功能模块［6］。

（1）FPGA芯片模块：成本适中，拥有大量可编程I/O接口，满足百万门运算能力和速率，能完成必要的数字通信运算。

（2）电源模块：为系统芯片及各个部分提供电源，分为1.2 V、3.3 V、5 V与12 V，芯片电源又分内核与I/O。

（3）A/D数据转换模块：负责把输入的模拟信号转换成电平信号，发送到FPGA芯片进行运算处理，然后再发送到D/A数据转换模块。

（4）D/A数据转换模块：把从A/D数据转换模块发送过来的电平信号转换成模拟信号，在时钟控制下进行结果输出，可通过示波器观察。

（5）编程下载口模块：把调试好的程序烧录到FPGA芯片中。

（6）显示模块：利用7段数码管与LCD屏幕实现显示功能。

（7）蜂鸣器：软件模拟报警。

（8）LED灯：设置8个发光二极管，用于显示FPGA控制的信号。

（9）拨码开关：模拟高、低电平的输入。

（10）按键输入模块：模拟复位操作及一些复杂应用中的信号输入。

（11）可编程引脚模块：为系统芯片提供外扩引脚，也可做一些简单应用。

系统的硬件布局如图1所示。

图1 FPGA通信试验箱构成

FPGA芯片采用Cyclone II EP2C8T144，原因是其性价比高、处理数字量大、速度快。芯片共有144个引脚，除去内核与I/O口电源线、地线、时钟线以及锁相环线等54个引脚后，剩下的90个I/O接口可供外界功能设备使用。

2 系统关键技术

2.1 电源系统设计

实验箱系统主要用到+5 V、+3.3 V和+1.2 V这三个等级直流电压，其中5 V电压负责向外围器件供电，3.3 V和1.2 V电压分别为FPGA芯片的I/O口与内核供电。为了让FPGA芯片稳定运行，必须减小其所需的电压纹波。

首先要利用LM7812产生12 V通信系统电源，并用LED灯指示是否正在运行，如图2所示。

图2 +12 V供电电路图

220V的交流电通过变压器变压后流入整流桥进行整流，再经由稳压器LM7812稳定输出+12 V电压［7］。为了让电压稳定、纹波减小，增强抗干扰能力，本系统采用一个100 pF的无极性电容和一个470 uF的电解电容对整流桥整流后的电压进行滤波，再利用一个100 pF的无极性电容加一个330 uF的电解电容对稳压三极管输出的+12 V电压进行滤波［8］，如图2所示。

对于+5 V的电压，将由+12 V转换电压输入，再经过LM7805低压电源芯片进行电压转换，并通过由陶瓷电容和电解电容组成的滤波电容滤波后，输出+5 V的稳定电压。

3.3 V的稳定直流电压采用LM1117-3.3VLDO电源芯片产生，其最大输出电流为800 mA，供电电路同样增加了滤波电容对输出电压进行滤波。

1.2 V的稳定内核电压由AOZ1016开关电源芯片产生，在供电电路中需要注意电阻的搭配，如图3所示。图3中AOZ1016开关电源芯片的输入电压为5 V，在输出口设置了10 mH的电感用作储能，使用5 K与10 K的电阻作为输出电压时的匹配电阻，使输出电压稳定在1.2 V。

图3 +1.2V供电电路图

2.2 下载配置工具USB Blaster电路设计

USB-Blaster是通过计算机的USB接口对FPGA以及配置芯片进行编程、调试等操作。首先通过PC端获取5 V电源，采用LM1117-3.3 V稳压芯片转换成3.3 V。另外，连接PC需要用到一块USB转并口芯片，采用FT245RL芯片可实现串并转换，其电路如图4所示［9］。

下载器的控制芯片选用CPLD芯片EPM240T100C5，为了兼容更多型号的FPGA芯片，本实验箱还配置了一块电平缓冲转换芯片MAX3378，它能将USB Blaster的传输电平与目标FPGA实验箱的配置电平进行匹配，防止FPGA芯片遭受过高电平冲击，并通过JTAG接口与目标实验箱的FPGA芯片相连。

图4 USB串并转换电路

2.3 数模、模数转换电路设计

数模、模数转换电路是本系统最关键的部分，也是难点最多的部分，它关系到实验箱的最终实验结果是否稳定，能否实现通信系统的各项功能和波形的平滑变换。

A/D转换器的工作原理是把模拟信号转换成数字信号，一般要经过采样、保持、量化和编码4个步骤。模拟信号具有幅度、时间连续的特点，数字信号则是离散的。D/A转换器的工作原理是把数字信号转换成与之成正比的模拟信号，输出的电压波形是阶梯形而不是连续的，相邻阶梯之间的差值称为最小分辨电压VLSB，满量程输出电压为VFSV，两者的关系为

本系统采用的A/D转换器是基于DAC原理，即发送一个数字信号到D/A转换器上，输出一个与之成正比的模拟电压信号，然后比较输出的模拟电压信号与待转换的模拟电压信号，若不相等，则调整发送的数字信号直至与A/D转换量相同。本文选用的A/D转换芯片是AD9280，它是一款8位单芯片的32MSPS模数转换器（ADC），采用单电源供电，自带一个片内采样保持放大器以及基准电源，为确保输出电压的稳定性，还在芯片内部设计了电压滤波电路，其电路设计如图5所示。

图5 A/D转换电路原理图

对于D/A转换器，本系统采用TLC5602芯片，该芯片为8位权电流型D/A转换器，低功耗，超高速，最高转换速率可达30 MSPS，它能够消除因模拟开关导通时产生的电阻影响，从而提高D/A转换的精确度，总体上比传统的电阻型转换器要好，其电路设计如图6所示。

图6 D/A转换电路原理图

由于TLC5602输出的是4～5 V电压，要使之变成0～5 V的电压，就要先降压至0～1 V再对其进行放大。降压电路可使用差分放大电路，放大倍数设为5倍，在一端输入4 V电压，另一端输入的是TLC5602的输出电压。待降压放大后，仍需对信号进行滤波，确保输出电压的稳定性，本系统采用的是有源运放二阶RC低通滤波电路，具体方案可查看文献［10］，本文不再赘述。