FPGA教学实验板说明书
FPGA教学实验板说明书
西安邮电学院计算机系
电子科学信息与技术实验室
2009-10-29
FPGA教学实验板说明书
Altera公司FLEX 10K系列FPGA芯片,具有高密度，低成本，低功耗的特点，属于查找表型逻辑单元结构，其不仅具有实现普通逻辑功能的逻辑阵列，而且具有实现“宏函数”的嵌入式阵列，因而可以实现高效存储器和特殊的逻辑功能.
本系统选用EPF10K10作为系统核心，外部辅以单片机AT89C51，串行数模转换器TLC5615，串行模数转换器ADC0832等构成FPGA教学实验板硬件电路，能够提供VerilogHDL和FPGA设计两门课程教学实验的验证，内容包括：键盘扫描，数码管和LCD显示，LED指示，单片机，蜂呜器，I2C总线接口器件，外部扩展等，还可以用于课程设计或者毕业设计等实验。
系统基本组成如图-1所示。
图-1
现将各部分分述如下：
1.EPF10K10芯片简介及扩展端口说明
（1）FLEX 10K系列芯片简介
EPF10K10属于Altera公司FLEX 10K系列FPGA芯片,内部结构灵活，内嵌存储块，属于查找表型逻辑单元结构，FLEX 10K是工业界第一个嵌入式的PLDs，具有高密度，低成本，低功耗的特点。FLEX 10K 把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时又兼收并储了众多可编程逻辑器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。FLEX 10K器件的嵌入式阵列和逻辑阵列能够让设计人员轻松地开发出集存储器、数字信号处理器及特殊逻辑等强大功能于一体的芯片。Altera FLEX 10K系列主流器件如表—1所示。
FPGA FLEX 10K系列主流器件
FLEX10K系列器件具有以下特性：高密度阵列嵌入式编程逻辑器件系列；0.5μmCMOS SRAM工艺制造；在电路可配置；所有I/O 端口有输入/输出寄存器；快速有效地实现特大规模电路，包括存储器、DSP、专用算术逻辑、微处理器和微控制器等；专用进位链路，
可实现快速加法器和计数器功能；专用级联链路，有效地实现高速多输入功能；内部三态总线，支持系统集成；支持多时钟系统的低时滞要求；具有JTAG边界扫描测试内建电路；3.3V或5.0V工作模式；由Altera公司的MAX+PLUS Ⅱ开发系统提供软件支持；具有84到562引脚的多种封装选择。FLEX10K系列器件根据规模的大小可分为EPF10K10、EPF10K20、EPF10K30、EPF10K40、EPF10K50、EPF10K70、EPF10K100等系列，其中EPF10K10系列具有10000个典型门、7000-31000个可用门，576个逻辑门，720个触发器，最大用户I/O为150，同时内嵌了可在不降低逻辑功能的情况下应用的40960bit的RAM（每个EBA有2048位）。并且支持多电压接口，同时内置JTAG边界扫描测试电路。
（2）EPF10K10芯片扩展端口说明
EPF10K10的20和21号I\O口分别接在MAX232的10号和9号管脚上用来完成串口通信的功能。38、39、41～44和46及47号I\O口与8段拨码开关相连用来构成EPF10K10的一组手动输入。EPF10K10的12插外接扩展的管脚对应如表—2, EPF10K10的14外接扩展的管脚对应如表—3所示。
14插外接扩展端口说明
表—3
2．EPF10K10芯片配置
器件工作期间，FLEX10K器件将配置数据保存在SRAM中。因为SRAM数据是易丢失的，SRAM单元必须在器件加电后装入配置数据。当FLEX10K器件完成配置后，它的存储器和I/O引脚必须被初始化，初始化后，器件进入用户模式，开始系统运行。对于FLEX10K系列器件，Altera公司提供了四种配置方案：EPC1配置法、被动串行法、被动并行同步法、被动并行异步法。这四种配置方案可通过将FLEX10K 器件的引脚MSEL1和MSEL0设置为不同的高电平和低电平进行选取，见表—4。
FLEX10K系列器件的四种配置方案
EPF1OK10配置文件大小：
注：配置文件大小由.rbf文件决定。
（1）本实验板可以采用Altera公司专用配置芯片EPC1进行配置，由于其采用不可檫除型EEPROM故在实验中我们一般不使用,现给出EPC1接口说明如表—6所示。
EPC1接口说明
表—6
（2）同时由于EPF10K10具有JTAG（Joint Text Action Group:联合测试行动小组）接口，我们也可以使用该接口对EPF10K10进行在线配置，本实验板我们主要采用该接口对EPF10K10进行在线配置。
使用EPF10K10芯片一个特别突出的优点就是：该芯片可以通过在线配置的方式来调整电路结构、延时信息等，这给电路设计人员调试电路带来极大的方便。而并口下载电缆ByteBlaster正是将PC机中的配置信息传送到PCB板EPF10K10芯片中必不可少的器件。
ByteBlaster下载电缆组成部分有：与PC机并口相连
的25针插座头、与PCB板插座相连的10针插头和25针到10针的变换电路。
在不同的配置模式下，25针插头和10针插头都对应有相应的名称，该装置采用JTAG模式配置，10针对应针的名称如表—7所示，25针连接线对应名称如表—8所示。并口下载电缆ByteBlasterMV原理图见图—2。
表—7
JTAG 模式下ByteBlaster的25针连接线名称
表—8
ByteBlasterMV原理图：
图—2 3. 单片机部分
在本实验板中我们选用美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机AT89C51单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和
128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，元件
如图-3所示。
单片机的P1.0～P1.5接在条形拨码开关SWDIP-5上用于配置P1口，P1.5～P1.7接在三态D型锁存器的Q0、D1和Q2管脚上后与DB25接口相联。P2.0和P2.1接在36和37号I/O口上。ALE/PROG管脚接在EPF10K10的管脚号为8的I/O口上，外部访问允许端口EA/VPP接在3口插接件上。P3.0/RXD，P3.1/TXD分别接在MAX232的12号和11号管脚上，
通过MAX232的电平转换作用完成与计算机的通信。P3.2/0
INT，
P3.3/1
INT分别与EPF10K10的12，13号I/O口相连。P3.4/T0 和P3.5/T1管脚接在17、18号I/O口上，P3.6 /WR和P3.7 /RD接在9、10号I/O 口上。P0 口(P0.0～P0.7)是一个8 位漏极开路双向输入输出端口，P0.0～ P0.7 接在EPF10K10的26～33号管脚上。综上，AT89C51管脚连接可归为表—9，AT89C51的20插扩展如表—10所示，10插扩展如表—11所示。
AT89C51管脚连接
4．步进电机电路
（1）步进电机简介
步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。
步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：
①控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
②控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
（2）接口说明
本实验板采用L298N型桥式电机专用驱动器来驱动步进电机，该芯片的INPUT1（5）、INPUT2（7）、INPUT3（10）和 INPUT4（12）管脚分别和EPF10K10的72、73、78和79号I/O口相连.四个OUTPUT管脚分别和步进电机的六插接口相连.
5．蜂呜器电路设计
当有信号从EPF10K10的SPEAKER端（22管脚）输入时，电流经电阻形成一压降加在三极管的基极，此时三极管导通，电流从VCC经蜂鸣器到地，从而蜂鸣器发声。该装置中，芯片的I/O脚输出5V的电压，足够驱动蜂鸣器发声，所以不需要接入驱动.
6.输入键盘电路设计
本试验板采用4*4矩阵键盘。由于EPF10K10的I/O口作为输入时，只需5V 电源输入，系统就能够识别到该信号，所以在这里采用这种较简单的按键电路。0～3排分别连接EPF10K10的60、62、63和64号I/O口上。0～3列分别连接EPF10K10的48、49、51和59号I/O口上。其中系统中当某按键被按下时，电源电压就直接经一电阻送往对应的IO口，从而产生信号输入。在这里与按键串连的电阻作为限流电阻使用。为清楚起见，我们给出电路原理接口如图-4所示.
键盘电路原理接口图
图—4
7.显示部分
本实验板有三种显示器件，分别为数码管、LED和LCD。
（1）HS12864-15为汉升公司ST7920 控制驱动器同时作为控制器和驱动器的128×64 点阵的液晶显示器，其管脚说明如下表—12所示：
HS12864-15管脚说明
表—12
本实验板HS12864-15的17号管脚与手动复位电路相连。LCD和EPF10K10的管脚连接如表—13所示：
HS12864-15和
EPF10K10的管脚连接说明
（2） LED显示电路
LED显示电路主要由发光二极管组成。当需要某个发光二极管亮时，对应的
I/O口输出一信号，达到该二极管的阴极，经电阻R接电源，从而发光管发亮。
LED0～LED7分别连接在EPF10K10的119～117和102～98号I/O口上。
（3）数码管显示电路
本实验板上数码管显示电路采用动态扫描工作方式，六个数码管的阴极经三
极管阵列集成块ULN2003A驱动后与EPF10K10相连，其中数码管1～6依次连在
EPF10K10的97～95和92～90号I/O口上。各数码管的每一位的字段位a、b、
c、d、e、f、g和dp分别连接在一起经三极管驱动后依次和EPF10K10的89～86
和83～80号I/O口上。为便于查询，我们在此处列表标明，如表—14所示。
数码管与EPF10K10连接说明
注：远离四位一体数码管的单体数码管为1号，依次为1—6号。
8．D/A、A/D转换电路
（1）D/A转换电路
①TLC5615串行数模转换器简介
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。串行数模转换器的体积小，占用处理芯片的口线少，可减少线路板的面积和占用处理芯片的口线。 TLC5615的特点分述如下:
1）10位CMOS电压输出；
2）5V单电源供电；
3）与CPU三线串行接口；
4）最大输出电压可达基准电压的二倍；
5）输出电压具有和基准电压相同极性；
6）建立时间12.5μs；
7）内部上电复位；
8）低功耗，最大仅1.75mW。
②TLC5615引脚说明
TLC5615芯片引脚排列如图-5所示,引脚功能说明如下：
——脚1DIN：串行数据输入端；
——脚2SCLK：串行时钟输入端；
——脚3cs：芯片选用通端，低电平有效；
——脚4DOUT：用于级联时的串行数据输出
端；
——脚5AGND：模拟地；
——脚6REFIN：基准电压输入端；
——脚7OUT：DAC模拟电压输出端；
——脚8VDD：正电源端。
（2）A/D转换电路
①双通道A/D转换芯片ADC0832简介
ADC0832 是美国国家半导体公司生产的
一种8 位分辨率ADC0832 为8位分辨率双通
道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实
现通道功能的选择。芯片引脚排列如图-6所
示。
②芯片接口说明：
1）cs片选使能，低电平芯片使能。
2） CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
3） CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
4） GND 芯片参考0 电位（地）。
5） DI 数据信号输入，选择通道控制。
6） DO 数据信号输出，转换数据输出。
7） CLK 芯片时钟输入。
8） Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。
③芯片模拟输入通道图示，见图—7。
图—7
（3）D/A、A/D转换芯片与EPF10K10的管脚连接说明表—15。
9.I2C总线接口器件—AT24C01A
AT24C01A是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM芯片，它的存储容量是1024位；也就是128字节；使用电压级别有5V，
2.7V,2.5V,1.8V，它具有工作电压宽（2.5～5.5V）、
擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）
等特点。芯片外行如图—8：
AT24C01A的A1、A2、A3脚是三条地址线，用于
确定芯片的硬件地址（实验板中直接接地只有一块器
件）；第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为
串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传
送。SDA和SCL都和正电源间各接一个10K的电阻上拉，并和EPF10K10的70和69号I/O口相连。第7脚为WP写保护端，接地时允许芯片执行一般的读写操作。接电源端时不允许对器件写。本实验板采用接地方式。
AT24C01A中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。
10. 电源部分
（1）LM7812三端稳压集成块具有电压稳定，电流大，过温过载保护功能，本实验板用其来为步进电机提供工作电源。
（2）LT1084是LT公司推出的大电流低压差线性稳压IC，标称输出电流5A，足够为本实验板上的所有芯片提供电源，这里我们用7.5V输入电压(可从实验室电源或变压器获得)为该芯片供电.芯片输出除直接给各芯片供电外,还预留了一个输出扩展.