CN201117149Y - 一种模块化设计的可编程实验开发装置 - Google Patents

Abstract

一种模块化设计的可编程实验开发装置，在箱体中包括主板，其特征在于：主板为FPGA和单片机最小系统，还包括至少两个扩展模块，主板和扩展模块之间通过总线连接。软件上采用通用开发环境。由于主板与扩展板之间通过总线相联，实验时仅需连接总线。主板可作为FPGA+MCU最小系统使用，扩展模块可以完成综合性和设计性实验项目，扩展模块还可以在单片机、ARM、DSP等实验箱中使用。本实用新型具有端口开放、结构清晰、主板独立、模块通用的特点，解决了目前同类产品实验时需大量连线，功能不易扩展等缺点。

Description

一种模块化设计的可编程实验开发装置

技术领域

本实用新型涉及一种教学科研用实验装置，尤其是特别涉及一种教学科研用的可编程电子设计自动化(EDA)实验开发装置。

背景技术

EDA是电子设计自动化(Electronic Design Automation)的缩写，EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率，减轻了设计者的劳动强度。

EDA已成为集成电路设计的一个重要特征。在高等院校所开设的数字集成电路、大规模可编程器件、硬件描述语言、DSP技术等EDA相关课程中，为加强教学效果，通常使用一种EDA实验系统或实验平台来辅助教学。在科研或工业设计中，这种实验系统为数字系统的设计带来的极大灵活性，也使之有广泛的应用。

中国专利200520091734.1公开了一种EDA技术学习平台，设有电路基板(1)，在电路基板(1)上设有主芯片模块插座，与主芯片模块插座相接有下载电缆，下载电缆与编程器相接；主芯片模块插座通过FPGA/CPLD通信模块与CPU模块相接，在电路基板(1)上还设置有16*16LED点阵显示模块、LCD显示模块、数据采集模块、脉冲产生电路、时基译码显示模块、交通灯模块及模拟开关。初学者可以很快地掌握高密度现场可编程逻辑器件(FPGA/CPLD)的编程技术，以设计出合适的出合适的(ASIC)芯片。它的突出特点是将各常用电子模块集中于一电路基板上，并用编程器将大量逻辑功能集成于主芯片模块上。

目前，EDA实验系统基本上都采用一体化设计，即所谓“单板式”的设计模式。这类实验箱缺点有以下几个方面：1.由于采用了一体化设计结构，所有的电路和器件都在一块电路板上，主控模块和功能模块彼此完全独立，学生在实验过程中需进行连线，硬件较为复杂的实验会有大量的连线，这样硬件的可靠性大大降低，实验的成功率往往会降低。2.一体化设计思路使得实验系统在功能上难以根据需要进行扩展，不利于学生的创新设计，复杂系统难以实现。3.一体化实验系统的箱体体积较大，不便携带。4.EDA实验箱、单片机实验箱、DSP实验箱、ARM实验箱中很多功能模块的硬件电路是相同的，但不同实验箱上相同模块不能共享，存在资源浪费。

发明内容

本实用新型克服现有EDA实验系统存在的由于大量的连线所带来的硬件可靠性低、扩展功能不强、资源浪费等缺点，提供一种模块化设计的EDA实验系统，由于采用模块化设计，模块可以拆卸，解决目前同类实验装置在实验时需进行大量连线的缺点。该系统不仅能完成现有大部分可编程课程的实验项目，而且具有较强的扩展功能，在不同实验项目间充分合理利用资源；该系统的基本扩展模块不仅可以作为EDA实验系统的扩展功能模块，而且可以作为单片机、DSP、ARM等实验系统的扩展功能模块。

本实用新型装置解决其技术问题所采用的方案如下：

一种模块化设计的可编程实验开发装置，包括主板，其特征在于：主板为FPGA和单片机最小系统板，还包括至少两个扩展模块，主板和扩展模块之间通过总线连接。

本实用新型所述的EDA实验开发装置，整个系统除主板和扩展模块外，同现有的EDA实验装置一样，还包括电源、箱体、下载器和完成实验目的所需要的软件。本实用新型采用模块化设计，主板可以作为一个独立系统从箱体上取下。主板为独立的FPGA和单片机的最小系统，主板上可以进行基本的实验，比如流水灯、电子钟、液晶控制等实验。在主板上所有资源已经和主芯片的I/O连接，实验时不需再进行连线，仅在编程时进行引脚锁定即可。所述的主板由FPGA、EPC2、单片机、电源输入输出、标准信号接口和电源接口、RS232通信模块、数码管显示模块、LED流水灯、液晶显示模块、蜂鸣器模块和矩阵键盘组成。

本实用新型采用模块化设计方法，将综合性实验和设计性实验的功能模块分设在两个扩展模块上。扩展模块与主板之间通过总线连接，扩展模块采用26针自定义标准接口与主板上FPGA的I/O相连，或是由自定义的接口与主板连接。第一个扩展模块实现的功能包括AD0809实验、DAC0832实验；第二个扩展模块实现的功能包括步进电机实验、电梯控制实验、交通灯控制实验、信号频率测量实验。

除上述的至少两个扩展模块外，本实用新型还可以根据用户需要自行设计并增加扩展模块，比如用于进行创新性实验的模块，通过26针自定义标准接口与主板相连。

所述的扩展模块除了用于EDA实验装置外，还可以用于单片机实验箱、DSP实验箱、ARM实验箱等，可以有效地在不同实验箱上共享功能相同模块，以节约资源。

本实用新型中，电源模块提供+5V、±12V直流电源。下载器可以完成相关程序或软件的下载或配置，如ALTERA公司的FPGA配置，EPC系列存储器、CPLD以及ATMEL51系列单片机的下载。FPGA编程软件可以采用MAX+plus II或Quartus II，单片机编程软件可以采用keil编程和ATMEL的isp下载软件等，软件上采用通用开发环境。

本实用新型的有益效果是：在主板上可以完成传统EDA实验项目，扩展模块可以完成综合性和设计性实验项目，创新性实验可根据用户的需要设计并增加扩展模块来实现。上述扩展模块通过总线与主板相连并完成相关的实验项目，无需进行大量连线。本实用新型的扩展模块还可以作为其他实验系统的扩展功能模块，有效地在单片机、DSP、ARM等不同实验箱上共享。因而本实用新型具有端口开放、电路简单、结构清晰、电气性能可靠，方便教学、使用简单、主板独立、模块通用、节省资源等优点。

下面结合具体实施方式对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1本实用新型的系统原理图

图2主板原理框图

图3主板的电路原理图(a)

图4主板的电路原理图(b)

图5扩展模块1电路原理图

图6扩展模块2电路原理图

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型所述的模块化设计的可编程实验开发装置进行详细描述。

图1为实用新型的系统原理图。本实用新型所述的模块化设计的可编程实验开发装置包括主板、两个扩展模块。主板与扩展模块1和扩展模块2的接口是自定义的26针标准接口，2脚电源，24脚接地，其余引脚为FPGA的I/O口。实验系统工作过程：在计算机中通过MAX+plus软件编程，生成*.pof和*.sof文件，通过下载器将*.pof文件装载到EPC2中或将*.sof文件配置到FPGA中；在计算机中通过keil软件编程，生成*.hex文件，通过ATMEL公司的ISP软件将*.hex文件下载到单片机中。下载器与主板的接口是10针插座，与计算机连接通过25针并口，下载器将单片机下载和FPGA配置集成在一起。

在图2中描述了实验系统的主板资源原理框图。1为电源模块，提供+5V、2.5V和3.3V系统电源。供电方式有两种选择，a.电源的接口+5V；b.通过接口外接电源±12V和+5V。2为单片机下载接口，与单片机的连接见图3中的JP7。3为FPGA配置接口和EPC2编程接口，接口与EPC2和FPGA的连接见图3中的JP10。他们之间切换通过图3中的JP12切换，当JP12短路时；对FPGA进行配置，当JP12开路时，对EPC2进行编程。4为2个4位的动态LED显示数码管，与FPGA的I/O口相连。5为蜂鸣器模块，采用三极管驱动，三极管的基极由FPGA的I/O口控制。6为液晶模块，FPGA的I/O口和74LS07相连，进行电平转换，由74LS07实现对液晶的显示控制。7为流水灯模块，每个发光二极管都与FPGA的I/O口相连。8为单片机的串口通信模块。9为单片机模块，单片机89S52的P0口、ALE、T0、T1、WR、RD、INT0、INT1、RX0、TX0和FPGA的I/O口相连，实现单片机和FPGA的相互通讯，见图3和图4。10为8路0-1信号源，与FPGA的I/O口连接，作为信号源使用。11为4×4的矩阵键盘，行列与FPGA的I/O端口连接。12为主板的ALTERA公司的EP1K30QC208-3芯片，VCCIO采用+3.3V供电，VCCINT采用+2.5V供电，时钟信号采用10MHz的有源晶振。13为存储器模块，选用的型号为EPC2LC20，存储器的引脚DCLK、NSTATUS、CONFIG_DONE、NCASC、NCONFIG、TDI、TDO、DATAO、TCK和FPGA的引脚对应相连，见图4。14为单片机的引脚接口，采用40针双排插座，将单片机的引脚通过双排插座引出，便于功能扩展。15为FPGA的通用I/O接口，采用26针双排插座，作为扩展模块的接口，其中2脚接电源，24脚接地。16为FPGA测试接口，采用16针单排插座，便于FPGA的功能测试。17为±12V电源和+5V电源接口，用于主板电源和扩展模块电源的连接，电源是一个5针单排插座。

图3和图4是主板的电路原理图。1为电源，提供±12V、+5V、+3.3V和+2.5V电源；2为单片机下载接口；3为FPGA配置接口和EPC2编程接口；4为2个4位动态扫描数码管；5为蜂鸣器模块；6为液晶显示模块；7为流水灯模块；8为串口通信模块；9为单片机模块；10为8路0-1信号源模块；11为矩阵键盘模块；12为FPGA模块；13为EPC2模块；14为单片机接口；15为FPGA扩展接口；16为FPGA测试接口；17为±12V、+5V接口。

图5是扩展模块1电路原理图，共有4个部分。1A为±12V、+5V电源接口。1B为扩展模块1与主板的接口，采用26针双排插座，其中2脚为+5V电源接口，24脚为地，其余引脚为FPGA的I/O口。1C为ADC0809模块。ADC0809模块工作原理：P26_1、P26_2、P26_3作为AD0809的模拟通道输入选择。P26_13控制ADC0809的CLK。P26_14控制ADC0809的ALE和START。P26_15控制ADC0809的EOC。AD实验时调节可调电阻R500改变输入AD0809输入端电压，编程选择AD0809通道0，然后采样通道0的输入电压，在主板的数码管上显示。1C为DAC0832模块。DAC0832模块工作原理：P26_25作为DAC0832的片选，实验时用FPGA控制DAC0832输出方波，三角波和所需的直流电压等。模块1能完成的实验有：AD采样实验；DA变换实验。

图6是扩展模块2电路原理图，共有5个部分。2A为扩展模块2和主板的接口，采用26针双排插座。2B为十字路口交通灯控制电路。2C为电梯控制电路。2D为四相步进电机控制电路。2E为任意波形整形电路，将输入信号转换为方波信号，P26_23送入FPGA中进行频率测量。模块2能完成的实验有：交通灯控制实验、电梯控制实验、步进电机控制实验和频率测量实验。

Claims (5)

1、一种模块化设计的可编程实验开发装置，包括主板，其特征在于：主板为FPGA和单片机最小系统，还包括至少两个扩展模块，主板和扩展模块之间通过总线连接。

2、根据权利要求1所述的实验开发装置，其特征在于：所述的主板由FPGA、EPC2、单片机、电源输入输出、标准信号接口和电源接口、RS232通信模块、数码管显示模块、LED流水灯、液晶显示模块、蜂鸣器模块和矩阵键盘组成。

3、根据权利要求1所述的实验开发装置，其特征在于：所述的主板和扩展模块之间的总线为26针自定义标准接口。

4、根据权利要求1所述的实验开发装置，其特征在于：所述的26针自定义标准接口，2脚为电源接口，24脚为地，其余引脚为FPGA的I/O口。

5、根据权利要求1所述的实验开发装置，其特征在于：所述的至少两个扩展模块中，第一个扩展模块实现的功能包括AD0809实验、DAC0832实验；第二个扩展模块实现的功能包括步进电机实验、电梯控制实验、交通灯控制实验、信号频率测量实验。

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