CN205487031U - 一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置，包括双核心控制模块电路板和多个子模块电路板；双核心控制模块电路板上设置有FPGA、单片机和主模块管脚插座；单片机通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信；所述FPGA与JTAG下载接口相连接，所述单片机与程序烧写接口相连接。本实用新型具有能同时满足《数字电子技术基础》、《单片机》和《EDA技术》三门课程实验需求，并且实验装置整体硬件设计简单，成本低廉的基于双核心控制模块的优点。

Description

一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种电子技术实验装置，具体是一种具有双控制核心，适用于多门电子技术课程实验教学的试验装置，属于实验装置与设备设计技术领域。

背景技术

电子信息类专业的教学中，无论本科、专科甚至是中专，均开设了《数字电子技术基础》、《单片机》和《EDA技术》(或者《FPGA应用开发技术》)三门课程，三门课程均需要配备专门的实验室和试验设备。例如《数字电子技术基础》课程的实验台上所设置的主要器件有可通过插装连入电路的74系列数字集成电路以及各种外围子模块，外围子模块具体包括：输入设备(拨码开关和独立按键)、显示设备(数码管、液晶显示器、点阵显示器)AD转换模块。

单片机的实验台通常设置单片机核心、程序烧写接口以及与数字电路实验箱相似的各种外围器件模块，并配备一台计算机。

EDA实验室配备的实验设备则也是配备与前两门课程类似的各种外围模块以及FPGA控制器、相应的数据配置芯片(此类芯片价格昂贵)、JTAG下载接口和一台计算机。

上述三门课程使用的实验设备存在以下明显缺陷：(1)虽然各种外围子模块均大同小异，但是受限于所使用的核心控制器件不同(74A系列数字集成 电路、单片机和FPGA)，必须使用三套不同的实验装置，并且通常占用三个实验场地，浪费了教育资源。(2)常规的EDA技术实验室配备的实验装置必须使用昂贵的数据配置芯片(在EDA技术的具体系统电路设计中为了保证系统稳定性，FPGA的配置数据通常保存在FPGA器件外的非易失存储器，这种非易失存储器我们称为数据配置芯片)专用的数据配置芯片价格较高，这就使得EDA实验台造价较高。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种能同时满足《数字电子技术基础》、《单片机》和《EDA技术》三门课程实验需求，并且用单片机取代专用配置器件为FPGA进行数据配置，使得实验装置整体硬件设计简单，成本低廉的基于双核心控制模块的电子技术实验台。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置，其特征在于：包括双核心控制模块电路板和多个子模块电路板；

所述双核心控制模块电路板上设置有FPGA、单片机和主模块管脚插座；

所述主模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与双核心控制模块电路板的板体相垂直，所述管脚插针由电的良导体制作而成；

所述单片机通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信；

所述FPGA与JTAG下载接口相连接，所述单片机与程序烧写接口相连接；

所述FPGA具有数据配置接口，所述FPGA的数据配置接口包括：配置复位脚nCONFI、第一配置状态脚nSTATU、第二配置状态脚CONF_DON、配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK；所述配置复位脚nCONFI与单片机的第一输入输出口相连接；所述第一配置状态脚nSTATU与单片机的第二输入输出口相连接；所述第二配置状态脚CONF_DON与单片机的第三输入输 出口相连接；所述配置数据传输脚DATA与单片机的第四输入输出口相连接；所述配置时钟脚CLK与单片机的第五输入输出口相连接；

所述单片机的其余输入输出口和所述FPGA的各个输入输出口均与主模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接；

所述子模块电路板上设置有子模块电路和子模块管脚插座，所述子模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与子模块电路板的板体相垂直，所述管脚插针由电的良导体制作而成，所述子模块电路的各个输入输出口与子模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接。

进一步的，所述多个子模块电路板包括：矩阵键盘子模块电路板、拨码开关子模块电路板、液晶屏子模块电路板、段码数码管显示子模块电路板、AD转换子模块电路板和DA转换子模块电路板。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型中，(1)将单片机、FPGA整合在双核心控制模块上，核心器件通过管脚插座与外围子模块可以实现可拆卸连接，并且单片机通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信，因此实验装置不但可以分别完成单片机和EDA实验，还可验证单片机与FPGA混合使用的技术方案。此外因为FPGA内包含大量数字逻辑资源，通过原理图设计方式可以调用大量的74系列数字集成电路原理图模块，这些74系列数字集成电路原理图模块涵盖了《数字电子技术》课程中所涉及的多数集成电路，因此本实验装置还可以用于《数字电子技术》实验教学，并且不必反复插拔芯片。

(2)本实用新型采用单片机取代专用配置器件实现对FPGA的数据配置，因此具有能够简化系统硬件设计并且降低成本的优点；本实用新型中单片机的使用既替代了昂贵的FPGA配置器件，又满足了《单片机》课程实验需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置是一个实验套件，由若干块实验电路板组成。

具体包括一块双核心控制模块电路板和多个子模块电路板；

(一)双核心控制模块电路板

双核心控制模块电路板上设置有FPGA、单片机和主模块管脚插座；

主模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与双核心控制模块电路板的板体相垂直，所述管脚插针由电的良导体制作而成。

当然电路板上还设置有两大控制核心各自的时钟、复位电路等外围电路，以下具体描述单片机和FPGA之间的电连接关系：

1、为了实现FPGA数据配置的电连接。

具体的FPGA具有数据配置接口，FPGA的数据配置接口包括：配置复位脚nCONFI、第一配置状态脚nSTATU、第二配置状态脚CONF_DON、配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK；

配置复位脚nCONFI与单片机的第一输入输出口相连接；

第一配置状态脚nSTATU与单片机的第二输入输出口相连接；

第二配置状态脚CONF_DON与单片机的第三输入输出口相连接；所述数据传输脚DATA与单片机的第四输入输出口相连接；

配置时钟脚CLK与单片机的第五输入输出口相连接；

单片机还通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信。

也即是FPGA的数据配置接口的各个配置引脚分别与单片机的一个输入输出口对应相连接。单片机是这样实现对FPGA进行配置的：利用单片机的程序存储区来存放FPGA配置数据.上电后由单片机控制实现对FPGA器件的数据配置，也即是采用被动配置模式，并且配置数据采用串行方式传送给FPGA， 配置过程可以归纳为：(1)由单片机的第一输入输出口向FPGA的配置复位脚nCONFI发送复位信号(复位信号为一个低电平和一个紧跟的高电平)进行配置复位。(2)检测配置复位是否成功，如果单片机通过其第二输入输出口检测到FPGA的第一配置状态脚nSTATU由原本低电平变换为高电平则说明配置复位成功，否则配置复位不失败，继续发送配置复位信号。(3)配置复位成功后单片机通过FPGA的配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK进行串行数据传输，将存储在单片机中的配置数据传送给FPGA，在这一过程中FPGA的配置数据传输脚DATA负责接收配置数据，配置时钟脚CLK负责接收移位时钟，配置时钟脚CLK上没出现一个上升沿，配置数据传输脚DATA接收一位配置数据直至配置数据传输完成。(4)检测配置是否完成。单片机检测FPGA的第二配置状态脚CONF_DON上的电平是否变高，若未变高，说明配置失败，应该重新启动配置过程。

2、为了实现FPGA与单片机之间数据传输的电连接。

所述单片机还通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信。

单片机的四个输入输出口与FPGA芯片的四个普通数据输入输出口分别对应相连接，由单片机产生SPI工作时序实现单片机与FPGA芯片之间的SPI通信接口，从而完成两者之间数据的传输。

工作原理是：单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD芯片之间的SPI通信接口，这种通信方式至少具有根4线(只需要单向通信时3根线也可实现)，具体的分别是：(1)、从设备数据输入线SDI，也是主设备数据输出线；(2)、从设备数据输出线SDO，也是主设备数据输入线；(3)、时钟信号线SCLK，时钟信号由主设备产生；(4)、从设备使能信号线CS。

主设备和从设备之间进行同步串行数据传输，在主设备的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，简单高效。

此外，关于工作时钟可采用如下方案解决：利用外部时钟电路为FPGA芯片提供工作时钟，FPGA芯片内部工作时钟信号经过FPGA内部分频模块分频后提供给单片机作为工作时钟使用，这样就可以进一步简化电路设计。

本实用新型中，单片机和FPGA采用常规芯片即可(多数FPGA芯片都被动串行配置模式)。

所述单片机的其余输入输出口(除去用于与单片机连接实现SPI数据通信和数据配置后的输入输出口)和FPGA的各个输入输出口(也即是数据IO而非用于数据配置的各个管脚)均与主模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接。

(二)多个子模块电路板

子模块电路板上设置有子模块电路和子模块管脚插座，子模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与子模块电路板的板体相垂直，管脚插针由电的良导体制作而成，所述子模块电路的各个输入输出口与子模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接。

多个子模块电路板包括：矩阵键盘子模块电路板、拨码开关子模块电路板、液晶屏子模块电路板、段码数码管显示子模块电路板、AD转换子模块电路板和DA转换子模块电路板，其余常用子模块还有很多，这里不意义列举。上述子模块电路板上设置的相应电路采用常规设计即可，其电路结构不属于本实用新型改进，因此不再赘述。

本实用新型的使用方法是：根据实验需求，使用插接导线将相关子模块的数据输入输出口与相应的双核心控制模块电路板上主模块管脚插座内的插针相连接，接通电路。

例如完成单片机实验的流水灯实验时，选用LED灯子模块(配置数个LED灯及其相应外围电路)，用插接导线将LED灯的输入端与单片机的输入输出口连通，通过程序烧写接口向单片机写入程序，其余操作与普通单片机实验台无异。

完成数字电路实验时，按照前述方法选用子模块，进行电路连接，在计算机中借用FPGA开发工具(例如Quartus 2)原理图输入方式，选取所需的数字集成电路模块，在开发工具中完成电路连接，通过JTAG下载接口下载配置数据(或者使用单片机进行配置，具体过程见前述)，观察试验现象。

完成EDA实验时与完成数字电路实验类似，但是主要选用代码输入方式进行设计，并且可以进行仿真检查设计错误。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置，其特征在于：包括双核心控制模块电路板和多个子模块电路板；

所述双核心控制模块电路板上设置有FPGA、单片机和主模块管脚插座；

所述主模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与双核心控制模块电路板的板体相垂直，所述管脚插针由电的良导体制作而成；

所述单片机通过SPI串行通信接口与FPGA实现数据通信；

所述FPGA与JTAG下载接口相连接，所述单片机与程序烧写接口相连接；

所述FPGA具有数据配置接口，所述FPGA的数据配置接口包括：配置复位脚nCONFI、第一配置状态脚nSTATU、第二配置状态脚CONF_DON、配置数据传输脚DATA和配置时钟脚CLK；所述配置复位脚nCONFI与单片机的第一输入输出口相连接；所述第一配置状态脚nSTATU与单片机的第二输入输出口相连接；所述第二配置状态脚CONF_DON与单片机的第三输入输出口相连接；所述配置数据传输脚DATA与单片机的第四输入输出口相连接；所述配置时钟脚CLK与单片机的第五输入输出口相连接；

所述单片机的其余输入输出口和所述FPGA的各个输入输出口均与主模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接；

所述子模块电路板上设置有子模块电路和子模块管脚插座，所述子模块管脚插座内设置有多个管脚插针，所述管脚插针与子模块电路板的板体相垂直，所述管脚插针由电的良导体制作而成，所述子模块电路的各个输入输出口与子模块管脚插座内的各个管脚插针一一对应相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于双核心控制模块的电子技术实验装置，其特征在于，所述多个子模块电路板包括：矩阵键盘子模块电路板、拨码开关子模块电路板、液晶屏子模块电路板、段码数码管显示子模块电路板、AD转换子模块电路板和DA转换子模块电路板。