CN109509391A - 一种开放性模块化eda教学实验仪 - Google Patents
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Abstract
一种开放性模块化EDA教学实验仪，核心处理模块分别与时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块连接；时针模块用于为核心处理模块提供系统的时钟信号；下载接口模块用于将上位机中的电路设计数据、信号下载至核心处理模块中；键盘模块用于提供交互接口；A/D转换模块及D/A转换模块与核心处理模块连接，用于将外部模拟信号的输入和内部数字信号的输出；总线接口模块用于建立与外部的通信连接；数码管/彩灯模块用于根据控制进行点亮；显示模块用于根据核心处理模块的控制进行相关数据的显示。该教学仪能提高EDA实验教学能力，能有助于学生对项目开发的需求。
Description
技术领域
本发明属于辅助教学技术领域，涉及一种开放性模块化EDA教学实验仪。
背景技术
电子设计自动化(EDA)是电子信息工程、通信工程和电子科学与技术等专业的一门非常重要的专业技术课程。它是一门实践性非常强的课程，EDA实验对帮助学生掌握现代数字系统设计方法、提高分析问题解决问题的能力、培养学生工程素质和创新意识等具非常重要的意义。EDA技术理论和实验教学相关课程已经在我国大多数高等院校的电类专业中广泛开展。目前教学内容上主要涵盖基于硬件描述语言的数字系统设计等方面。实验教学上，由于专用集成电路(ASIC)实验方案需要较大的经济投入，且需要耗费大量的时间，它的代价难以被高校教学所承受，因此大多数学校都将EDA后端电路实现的实验教学，定位在大规模可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)平台上。所以，选用一个设计合理、使用方便的大规模可编程逻辑器件实验仪，对提高EDA实验教学能够起到事半功倍的效果。
目前多数高校的EDA教学实验箱各模块固定在一块板上，核心器件的接口绝大多数已经分配，扩展接口少，且提供的模块有限，只能用于基础实验，对项目开发的需求远远不能满足，学生对项目开发的实践机会较少。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种开放性模块化EDA教学实验仪，该教学仪能提高EDA实验教学能力，能有助于学生对项目开发的需求。
为了实现上述目的，本发明提供一种开放性模块化EDA教学实验仪，包括核心处理模块、时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块；
所述时针模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于产生不同频率的时钟信号，传递至核心处理模块，为核心处理模块提供系统的时钟信号；
所述下载接口模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于将上位机中的电路设计数据、信号下载至核心处理模块中；
所述键盘模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于提供操作者与核心处理模块之间的交互接口；
所述A/D转换模块及D/A转换模块与核心处理模块连接，用于将外部模拟信号转换为数字信号输入至核心处理模块，用于将核心处理模块输出的数字信号转换为模拟信号输入至外部电路模块中；
所述总线接口模块用于建立核心处理模块与外接RS-232协议的通信设备的通信连接；
所述数码管/彩灯模块的输入端与核心处理模块的输出端连接，用于根据核心处理模块的控制进行数码管或彩灯的点亮；
所述显示模块的输入端与核心处理模块的物料编码端连接，用于根据核心处理模块的控制进行相关数据的显示；
所述核心处理模块为FPGA/CPLD模块，用于实现加电自动配置，用于通过下载接口模块下载上位机中的设计数据和信号，用于接收键盘模块输入的控制指令，用于接收A/D转换模块及D/A转换模块的信号输入，用于将信号通过通过A/D转换模块及D/A转换模块进行输出，用于与外接RS-232协议的通信设备进行通信，用于根据设定的程序点亮数码管/彩灯模块，用于控制显示模块进行相关数据的显示。
还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于根据核心处理模块的控制进行数据的写入或读出。
所述键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块与核心处理模块之间均为可插拔式连接。
所述数据存储模块与核心处理模块之间为可插拔式连接。
本发明中核心处理模块分别连接有时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块，使得各模块相对独立，学生可通过底板插槽接口和信号线将各模块与FPGA自定义的接口连接，以根据实验内容选择上述全部或部分模块进行电路的设计，项目的开发等作业，以达到有效实验的目的。通过该实验仪进行电路设计时，不仅可以锻炼硬件设计能力，还能以不同的软件、不同的语言对硬件实现相同的控制和处理，能在调试过程锻炼故障排查能力，学生还可根据需求设置相应的上位机，能有效提高学生的实践能力。通过使键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数据存储模块、数码管/彩灯模块和显示模块与核心处理模块之间均为可插拔式连接，可以便于核心处理模块与其它模块连接和分离，便于完成一个实验后的后续实验过程，也能便于进行核心处理模块的更换，能为学生扩展其它底板提供便利。本实验仪核心器件FPGA可更换，外围备选模块可自由组合，可拔插，使用灵活方便。本实验仪可连接多种总线扩展接口，除能够完成基本EDA实验外，还可通过信号接口与外围设备相连，实现例如控制传感器采集信号、对其信号检测与处理，通过DSP总线扩展接口、ARM总线扩展接口分别与DSP教学实验箱、ARM嵌入式系统教学实验箱连接构成综合性更强的实验教学设备。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种开放性模块化EDA教学实验仪，包括核心处理模块、时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块；
所述时针模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于产生不同频率的时钟信号，传递至核心处理模块，为核心处理模块提供系统的时钟信号；
所述下载接口模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于将上位机中的电路设计数据、信号下载至核心处理模块中；
所述键盘模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于提供操作者与核心处理模块之间的交互接口；
所述A/D转换模块及D/A转换模块与核心处理模块连接，用于将外部模拟信号转换为数字信号输入至核心处理模块，用于将核心处理模块输出的数字信号转换为模拟信号输入至外部电路模块中；
所述总线接口模块用于建立核心处理模块与外接RS-232协议的通信设备的通信连接；
所述数码管/彩灯模块的输入端与核心处理模块的输出端连接，用于根据核心处理模块的控制进行数码管或彩灯的点亮；
所述显示模块的输入端与核心处理模块的物料编码端连接，用于根据核心处理模块的控制进行相关数据的显示；
所述核心处理模块为FPGA/CPLD模块，用于实现加电自动配置，用于通过下载接口模块下载上位机中的设计数据和信号，用于接收键盘模块输入的控制指令，用于接收A/D转换模块及D/A转换模块的信号输入，用于将信号通过通过A/D转换模块及D/A转换模块进行输出，用于与外接RS-232协议的通信设备进行通信，用于根据设定的程序点亮数码管/彩灯模块，用于控制显示模块进行相关数据的显示。
还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于根据核心处理模块的控制进行数据的写入或读出。
所述键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块与核心处理模块之间均为可插拔式连接。
所述数据存储模块与核心处理模块之间为可插拔式连接。
核心处理模块优选为FPGA，大规模可编程逻辑器件FPGA的相对专用集成电路优势有以下几个方面：
(1)性能：利用硬件并行的优势，FPGA打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器(DSP)的运算能力。在硬件层面控制输入和输出(I/O)为满足应用需求提供了更快速的响应时间和专业化的功能。
(2)开发时间：FPGA技术提供了灵活且快速成型的能力。用户可以测试一个想法或概念，并在硬件中完成验证，而无需经过自定制ASIC设计漫长的制造过程。高层次的软件工具的日益普及降低了学习曲线与抽象层，并经常提供有用的IP核(预置功能)来实现高级控制与信号处理。
(3)成本：用户可根据系统需求的变化随时更新设计，而不必重新定制电路，改变FPGA设计所产生的成本相对ASCI的巨额费用来说是微不足道的。
(4)稳定性：软件工具提供了编程环境，FPGA电路是真正的编程“硬”执行过程。基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内存和处理器的带宽。对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。而FPGA不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。
(5)长期维护：FPGA芯片是现场可升级的，无需重新设计ASIC所涉及的时间与费用投入。例如，数字通信协议包含了可随时间改变的规范，而基于ASIC的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。可重新配置的FPGA芯片能够适应未来需要作出的修改。用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。
核心处理模块分别连接有时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块，使得各模块相对独立，学生可通过底板插槽接口和信号线将各模块与FPGA自定义的接口连接，以根据实验内容选择上述全部或部分模块进行电路的设计，项目的开发等作业，以达到有效实验的目的。通过该实验仪进行电路设计时，不仅可以锻炼硬件设计能力，还能以不同的软件、不同的语言对硬件实现相同的控制和处理，能在调试过程锻炼故障排查能力，学生还可根据需求设置相应的上位机，能有效提高学生的实践能力。通过使键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数据存储模块、数码管/彩灯模块和显示模块与核心处理模块之间均为可插拔式连接，可以便于核心处理模块与其它模块连接和分离，便于完成一个实验后的后续实验过程，也能便于进行核心处理模块的更换，能为学生扩展其它底板提供便利。本实验仪核心器件FPGA可更换，外围备选模块可自由组合，可拔插，使用灵活方便。本实验仪可连接多种总线扩展接口，除能够完成基本EDA实验外，还可通过信号接口与外围设备相连，实现例如控制传感器采集信号、对其信号检测与处理，通过DSP总线扩展接口、ARM总线扩展接口分别与DSP教学实验箱、ARM嵌入式系统教学实验箱连接构成综合性更强的实验教学设备。
Claims (4)
1.一种开放性模块化EDA教学实验仪，其特征在于，包括核心处理模块、时钟模块、下载接口模块、键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块；
所述时针模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于产生不同频率的时钟信号，传递至核心处理模块，为核心处理模块提供系统的时钟信号；
所述下载接口模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于将上位机中的电路设计数据、信号下载至核心处理模块中；
所述键盘模块的输出端与核心处理模块的输入端连接，用于提供操作者与核心处理模块之间的交互接口；
所述A/D转换模块及D/A转换模块与核心处理模块连接，用于将外部模拟信号转换为数字信号输入至核心处理模块，用于将核心处理模块输出的数字信号转换为模拟信号输入至外部电路模块中；
所述总线接口模块用于建立核心处理模块与外接RS-232协议的通信设备的通信连接；
所述数码管/彩灯模块的输入端与核心处理模块的输出端连接，用于根据核心处理模块的控制进行数码管或彩灯的点亮；
所述显示模块的输入端与核心处理模块的物料编码端连接，用于根据核心处理模块的控制进行相关数据的显示；
所述核心处理模块为FPGA/CPLD模块，用于实现加电自动配置，用于通过下载接口模块下载上位机中的设计数据和信号，用于接收键盘模块输入的控制指令，用于接收A/D转换模块及D/A转换模块的信号输入，用于将信号通过通过A/D转换模块及D/A转换模块进行输出，用于与外接RS-232协议的通信设备进行通信，用于根据设定的程序点亮数码管/彩灯模块，用于控制显示模块进行相关数据的显示。
2.根据权利要求1所述的一种开放性模块化EDA教学实验仪，其特征在于，还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于根据核心处理模块的控制进行数据的写入或读出。
3.根据权利要求1或2所述的一种开放性模块化EDA教学实验仪，其特征在于，所述键盘模块、A/D转换模块及D/A转换模块、总线接口模块、数码管/彩灯模块和显示模块与核心处理模块之间均为可插拔式连接。
4.根据权利要求3所述的一种开放性模块化EDA教学实验仪，其特征在于，所述数据存储模块与核心处理模块之间为可插拔式连接。
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