CN210091512U - 核心板可替换的模块化fpga实验板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种核心板可替换的模块化FPGA实验板，该FPGA实验板包括核心板和其它外设模块，核心板包括FPGA芯片，核心板上设置有排针，FPGA芯片的引脚与所述排针连接，其他外设模块上均设置有排母，核心板与其他外设模块通过排针和排母相连。该实验板可以配套有多块核心板，用于替换损坏的旧核心板。所述核心板还包括下载口，下载口用于将编写的程序下载到FPGA芯片中，下载模式可支持JTAG调试仿真模式和AS下载配置模式。所述其他外设模块板包括矩阵键盘、数码管、三色点阵、VGA接口和LED灯，也可以根据需要自己增加外设。实验板具有模块独立、典型电路模块丰富、可扩展性高的特点，既可应用于学科竞赛、毕业设计等自主实验中，也可应用于常规实验教学中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种FPGA(可编程门阵列)实验电路板，尤其涉及一种核心板可替换的FPGA实验板。
背景技术
FPGA，即现场可编程门阵列，由于其解决了定置电路的不足和克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，已广泛应用于智能家电、工业控制等领域。目前，大学电子信息类学生都开设了FPGA技术的实践课程，国内高校也都建设有相关实验室，主要配备了FPGA综合实验箱，学生通过实验箱资源进行相关实验，以提高动手能力。
如今市场上的FPGA实验装置主要有如下不足之处：(1)FPGA芯片往往固定在实验板上，若操作失误会将FPGA芯片损坏，导致实验板其他资源无法继续使用，易造成资源的浪费。(2)大部分的FPGA实验板模块较为单一，主要都是按键、数码管等易使用模块，无法进行一些拓展性实验，对FPGA的理解无法进一步加深。常用的FPGA实验板作为实验教学装置一般设计过于简单，无法满足一些较为深入的实验研究，由于 FPGA是采用RAM结构，掉电后数据就会丢失，常规的实验教学装置均未考虑到这一点，造成使用的不便。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种实验功能更全面的模块化FPGA实验板，其核心板能够方便的拆卸替换，降低因芯片故障而损坏的实验板的更换成本。
技术方案：本实用新型所采用的技术方案是一种核心板可替换的模块化FPGA实验板，该FPGA实验板包括核心板和其它外设模块，核心板上设置有FPGA芯片以及若干个排针，FPGA芯片的引脚与所述排针连接，其他外设模块上均设置有排母，核心板与其他外设模块通过排针和排母相连。
可选的，所述实验板配套有若干块核心板，用于替换损坏的旧核心板。
进一步的，所述核心板还包括下载口，下载口用于将编写的程序下载到FPGA芯片中，下载模式采用JTAG调试仿真模式。所述其他外设模块板包括矩阵键盘、数码管、三色点阵、VGA接口和LED灯。
可选的，所述核心板还包括适用于主动配置模式(AS)的FPGA配置芯片，下载模式采用主动配置模式(AS)，由FPGA芯片引导配置操作过程。
有益效果：本实用新型通过将实验板主芯片FPGA核心板和外设模块独立设计的方式，通过核心板上的排针引出FPGA芯片的所有端口，与外设模块上设置的排母连接，使得FPGA核心板可替换，增强了实验板的可维护性和可重复使用性。核心板和外设模块板两个部分，既相互独立，又可融为一体。可将核心板拿下单独使用。如在全国大学生电子设计竞赛、课程设计、毕业设计中，学生以核心板上的FPGA为主控制器，设计外围电路构成一个自主的电子系统。也可应用于平时的实验教学中，学生通过排针和排母将两者相连，直接利用外设模块板上的资源设计一个电子系统。实验板还具有典型电路模块丰富的特点，同时在外设模块板上添加了三色点阵、VGA接口、矩阵键盘、多位数码管，提高了实验板的可扩展性，既可应用于学科竞赛、毕业设计等自主实验中，也可应用于常规实验教学中。
附图说明
图1是实验板模块布局示意图；
图2是EP2C5T144C8N芯片部分引脚分配图；
图3是下载口电路图；
图4是时钟及存储器电路图；
图5是EP2C5T144C8N芯片的电源电路图；
图6是核心板电源电路图；
图7是排针与EP2C5T144C8N芯片部分引脚连接图；
图8是矩阵键盘连接图；
图9是数码管电路图；
图10是三色点阵驱动模块电路图；
图11是VGA电路的R-2R结构示意图；
图12是VGA电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
本实用新型所述的核心板可替换的模块化FPGA实验板，包括核心板和其它外设模块。核心板主要包括FPGA芯片、下载口、电源、晶振、存储器等。其它外设模块主要包括矩阵键盘、数码管、三色点阵、VGA接口和LED灯等模块。本实施例中具体采用的是：50M有源晶振、支持JTAG调试仿真模式或者AS下载配置模式接口、主芯片 Cyclone II系列EP2C5T144C8N芯片、大容量ALTERA配置芯片EPCS4、4个数码管、 LED灯、三色点阵、VGA标准接口、4X4标准矩阵键盘等。
如图1所示为上述各个模块的布局图，FPGA芯片所在的核心板和周围的其他模块相连接，核心板上的主要电路如图2～6所示，包括图2、EP2C5T144C8N芯片部分引脚分配，图3、下载口电路，图4、时钟及存储器电路，图5、EP2C5T144C8N芯片的电源电路，图6、核心板电源电路。核心板的四周设置有三个排针，排针与核心板上的FPGA 芯片的引脚相连，如图7所示是排针与EP2C5T144C8N芯片部分引脚连接图。其它外设模块板上分别设置有与排针位置相对应的排母，核心板和外设模块板通过排针、排母相连，实现核心板上的FPGA对外设上的电路模块的控制。通过简单的排针和排母拔插操作，也方便了模块之间的连接和断开。当核心板受到损坏需要更换时，分开排针与排母，将待更换的旧核心板拆卸下来，再将新的核心板的排针插入就能完成核心板的连接，非常方便。核心板上FPGA最小工作系统主要包括时钟电路、复位电路、下载口电路，其电路图如图3～4所示。
(1)电源
FPGA教学实验开发平台采用多电源模式，FPGA最小系统板连接实验底板时， FPGA由实验底板供电，若FPGA最小系统板拿下来单独使用时，有电源线单独供电。 FPGA芯片采用3.3V的I/O电压和1.2V的内核电压，保证了芯片的稳定工作。各路电源和地用插孔引出，便于接线。核心板上的电源口采用圆形插孔形式，电源适配器接上交流电后给整个实验板提供5V直流电压。适配器向实验板提供5V直流电压后，经过稳压芯片得到3.3V和1.2V的直流电压。
(2)晶振
本FPGA教学实验平台采用50M有源晶振，以及ALTERA的FPGA专用时钟输入引脚，使片内时钟分布均匀，芯片内部各个模块间的时钟同步性达到最佳状态。
(3)下载配置接口
上位机开发环境为Altera集成开发环境Quartus II，学生编写的程序通过下载线烧写到实验板中。接口采用了AS和JTAG两种下载模式。因为FPGA中是RAM结构，掉电就数据丢失了，因此逻辑配置数据需要外部保存，需要用到大容量ALTERA配置芯片EPCS4。AS模式可以通过JTAG口向FPGA烧写可执行代码到RAM，编程代码也下载到RAM，再将编程代码挪到配置芯片的flash存储器中。掉电还在flash存储器中保存。JTAG模式，上位机直接将代码下到FPGA里的RAM掉电易失。
(4)数码管和LED灯
设置四个七段数码管，驱动数码管各段的电平由FPGA芯片引脚来控制，经过缓冲器后驱动数码管的各段(a，b，c，d，e，f，g)点亮。如图9所示，数码管采用4个1位七段共阴极数码管。数码管的段选信号采用一片7段译码CD4511芯片。LED灯也是由FPGA 的I/O端口输出电平来驱动，输出高电平时LED灯点亮。
(5)矩阵键盘
利用16个轻触开关构成一个4行4列的矩阵键盘，处于同一行或同一列的按键对应一个FPGA的端口电平控制。如图8，矩阵键盘由轻触开关所组成。矩阵键盘使用8 个I/O端口，构成了4*4＝16个按钮，大大减少了I/O口的使用，增加了系统的实用性。
(6)三色点阵
一个三色点阵是由8x8的LED小灯管组成，每个灯管都有红、绿、蓝三种颜色组成，可通过Verilog编程来达到不同的显示效果。如图10，本FPGA教学实验平台采用 1片74HC138芯片和3片74HC595芯片对三色点阵进行控制，74HC138译码器输出信号对点阵的行进行控制，3片74HC595分别控制点阵的红、绿、蓝三色。
(7)VGA接口
考虑到FPGA只能输出数字信号，而VGA需要的RGB为模拟信号，这里我们选用 R-2R电阻网络进行D/A转换。FPGA端口输出的数字电平通过电阻网络转换为VGA模拟信号，以驱动液晶显示器。本系统板采用16bit真彩色显示，RGB分别占得位数为5∶6∶5。由于DAC是一个线性的模型，所以当FPGA的I/O口输出3.3V时，需要得到0.714V 的电压，拓扑结构如图11所示。通过计算最终选择500，1K，2K，4K，8K作为电阻网络，为了保证电阻的一致性，选用了1k，2k的排阻并联，串联的形式。图12为VGA 电路图。
学生通过Altera集成开发环境Quartus II，进行编辑、综合、仿真和布局布线，调试并将驱动程序下载到实验板中，通过观察实验现象不断修正程序代码，提高FPGA的编程能力和对数字电路的理解能力。
Claims (5)
1.一种核心板可替换的模块化FPGA实验板，其特征在于：该FPGA实验板包括核心板和其它外设模块，核心板上设置有FPGA芯片以及若干个排针，FPGA芯片的引脚与所述排针连接；其他外设模块上均设置有排母，核心板与其他外设模块通过排针和排母相连。
2.根据权利要求1所述的核心板可替换的模块化FPGA实验板，其特征在于：所述实验板配套有若干块核心板，用于替换损坏的旧核心板。
3.根据权利要求1所述的核心板可替换的模块化FPGA实验板，其特征在于：所述核心板还包括下载口，下载口用于将编写的程序下载到FPGA芯片中，下载模式采用JTAG调试仿真模式。
4.根据权利要求3所述的核心板可替换的模块化FPGA实验板，其特征在于：所述核心板还包括适用于主动配置模式(AS)的FPGA配置芯片，下载模式采用主动配置模式(AS)，由FPGA芯片引导配置操作过程。
5.根据权利要求1所述的核心板可替换的模块化FPGA实验板，其特征在于：所述其他外设模块板包括矩阵键盘、数码管、三色点阵、VGA接口和LED灯。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116614149A (zh) * | 2023-04-11 | 2023-08-18 | 重庆蓝鲸智联科技有限公司 | 一种基于模块化可替换的收音功能模块设计方法 |
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