基于FPGA的单片机外围接口电路设计.doc

基于的单片机外围接口电路设计fpgadesign of interface circuits of scms peripheral devices based on fpga(郑州大学) 苏 玉 娜程 明s u yu-na cheng ming摘 要: 利 用现场可编程门阵列 fpga 实现单片机的外设接口电路 可以简化单片机系统的硬件电路 , 提高系统的集成度 、 可 靠性和系统设计的灵活性 。 本文介绍了基于 fpga 的单片机外设接口电路的基本设计方法 , 分别给出了各个功能模块的设计 思路和实现方法 。 所有功能的实现全部采用 vhdl 进 行 描 述 。关 键 词: 现场可编程门阵列; 单 片 机; 接 口; 硬 件 描 述 语 言中 图 分 类 号: tp368.1文 献 标 识 码: aabstract: using fpga in the design of interface circuits of scm s peripheral devices can predigest the circuits, increase the inte-grated level and reliability of the system, and improve the flexibility of the design. the paper introduces some methods to design in-terface circuits of scm s peripheral devices based on fpga. all functions are given by vhdl.key words: fpga; scm; interface; vhdl; lca技术 创新七段动态 led 接口。引 言单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、数据处理 能力强等特点。单片机应用系统通常由键盘、显示器、通信接 口、存储器、a/d、d/a 电路等部分组成。传统的单片机系统经常 要用标准的逻辑电路或专用的接口芯片来组成外围电路，如地 址译码、i/o 扩展等功能通常由标准的 ttl/coms 逻辑电路或 各种专用接口芯片实现，这样就会使系统的芯片数增多，接线 复杂，从而使电路板面积增大、可靠性和 emi 性能减低，难以实 现设计的小型化、集成化和高可靠性。而可编程门阵列 fpga 的 lca 结构和它丰富的内部资源可以用来设计各种组合逻辑 和时序逻辑电路，因此使用 fpga 设计单片机的外围电路能够 大大简化系统硬件结构，使系统的设计、修改和扩展都变的十 分灵活方便。本文通过对 fpga 器件进行功能设计，取代传统 单片机系统中外设接口用的标准逻辑电路和专用的接口芯片， 使单片机系统的硬件电路大大简化并提高其可靠性。当需要改 变系统性能时，可以通过对 fpga 重新编程而不用改变硬件电 路，提高了系统设计的灵活性。1 系 统 设 计 方 案根据一般单片机系统设计的需要，本文所设计的系统具有 以下几个功能模块，如图 1 所示。1）通用逻辑模块：根据具体的情况产生各种不同的逻辑电 路及控制信号，代替传统的标准逻辑芯片。本文将其设计为扩展存储器时用到的地址锁存器。2）键盘接口模块：代替传统的单片机与键盘的接口电路， 用 fpga 编程完成消除抖动及按键识别功能。本文将其设计为44 扫描键盘的通用接口。3） 显示接口模块：代替传统的单片机与显示器的接口电 路，用 fpga 编程完成译码、扫描等功能。本文将其设计为 4 位图 1 系统功能模块图4）串并行接口模块：实现单片机与其外设的串行或并行数 据通信。本文将其设计为串行通信接口模块。5） 其他扩展模块：实现单片机的一些其他常用功能，如pwm 驱动、a/d、d/a 转换的控制等。本设计所采用的 fpga 器件是 altera 公司的 cyclone- tm 系列芯片 ep1c6q240c8，它具有 5980 个逻辑单元，92160个比特的嵌入 ram。系统开发工具为硬件描述语言 vhdl，开发平台为 quartus 。2 系 统 模 块 实 现2.1 通用逻辑模块fpga 可以设计成各种组合逻辑和时序逻辑电路，完成锁 存、三态输出、多路选择、编译码、计数、寄存等功能。在实际应用中可以根据需要选择相应的功能模块组成符合设计要求的 逻辑功能。本系统中设计的为扩展存储器时用的地址锁存器（功能与带三态缓冲输出的 8d 锁存器 74ls373 相似），其 vhdl 描述为：process(oe,enable,d)beginif oe=1 then苏 玉 娜: 硕 士 研 究 生 #l: fpga#l: 89c51sramp ld cp ld fp ga 应 用微 计 算 机 信 息( 嵌 入 式 与 s oc ) 2009 年 第 25 卷 第 5-2 期功能主要包括微处理器接口，用于数据传输的缓冲器（buffer）、帧产生、奇偶校验、并转串，用于数据接收的缓冲器、帧产生、奇 偶校验、串转并等。q=zzzzzzzz;elseif enable=1 then q=d;end if;end if;end process;其中 oe 为三态门的使能信号，当 oe 为低电平时三态门处 于导通状态，允许 q 输出到外部，当 oe 为高电平时三态门处于断开状态，输出处于浮空状态；enable 为锁存控制信号，当做锁 存器用时，应使 oe 为低电平，这时，当 enable 为高电平时，锁存 器输出状态与输入状态相同，当 enable 从高电平返回到低电平（即下降沿）时，输出不变，即输入端的数据锁入锁存器中。2.2 键盘接口模块 键盘是单片机应用系统中一个很重要的部件，它能实现向系统输入数据、传送命令等功能，是人工干预系统工作的重要手段。本文所设计的键盘接口电路框图如图 2 所示，由分频电 路、键盘扫描计数器电路、键盘按键检测电路、按键抖动消除电路和键盘编码电路等组成。图 3 显示接口电路2.4.1 接收模块异步串行通信是逐个字符进行传输的，并且传送的每一个 字符格式都相同，均以一位起始位开始，中间有若干位数据位， 然后是一位校验位（可选），最后是停止位，停止位后面是不定 长度的空闲位。这样就保证了起始位开始处一定有一个下跳沿。接收逻辑首先通过检测数据的下降沿来检测起始位，产生 采样时钟，然后利用采样时钟来采样串行输入数据，在缓冲器中做移位操作，同时产生校验位，在第 8 位处比较校验位是否 正确，在第 9 位处比较停止位是否为高，然后产生错误指示信号。本文采用状态机进行设计，其 fsm 状态转换图如图 4 所示。技术 创新图 2 键盘接口电路其中 clock 为时钟脉冲，col 为键盘的列输入，row 为键盘的 行 输 出 ，scan_f 为 扫 描 频 率 ，key_valid 为 按 键 确 定 信 号 ， butt_code 为按键值。首先，将外部时钟信号分频为适合键盘的扫描频率；计数器的计数值输出到按键检测电路，检测使用者是否按下键盘，同时输出到键盘编码电路对键盘数值编码；当 使用者按下键盘时，按键检测电路的 key_pressed 将为 0，并输出到计数器使计数停止，同时抖动消除电路在确认使用者正确按键后，输出按键确定信号。2.3 显示接口模块 显示功能是单片机应用系统中实现人机对话的基本功能之一，用户通过灵活的显示方式方便的了解系统的工作情况。在简单的应用系统中常用 led 数码管或 lcd 显示器显示数据 或工作状态。本文设计的为一个 4 位七段动态 led 数码管显 示接口电路，电路框图如图 3 所示，它由 bcd 多路选择器、bcd对应七段显示器编码电路、计数译码电路和七段显示器扫描电路等组成。其中 clk 为同步时钟脉冲信号，flk_ena 为扫描时钟 脉冲信号，bcd_data 为输入的 bcd 码，ledseg 为七段显示器数 值输出，ledcom 为七段显示器输出使能。2.4 串并行接口模块 虽然大多数单片机都带有通用的串行接口，但自行设计的接口意味着更大的使用灵活性，特别是 fpga 的高速特性允许 更高的数据传输速度，在实用中有重要意义。作为范例，本文设计了基于 rs232-c 标准的异步串行通信接口，它主要由数据总 线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送和接收等部分组成，其图 4 接收流程状态机状态转换图2.4.2 发送模块 发送部分检测控制信号，当有数据要发送时只要按顺序依次发送 1 位起始位、5-7 位数据位、一位校验位（带校验时）和 1位（或 1.5 位、2 位）停止位即可。其 fsm 状态转换图如图 5 所示。图 5 发送流程状态机状态转换图结 束 语3将设计下载到芯片中，综合报告显示只消耗了 fpga 很少的一部分资源。整个系统的功耗也大为降低。由于 fpga 为大 规模集成电路，其集成度和工作速度随着技术进步和产品升级不断提高，所以用 fpga 实现单片机外围接口电路可以大大改 善单片机系统的性能，系统的外围逻辑越是复杂，fpga 的潜力越能得到更好的发挥。(下转第 135 页)- 174 - 360 元 / 年 邮 局 订 阅 号 ：82-946现场总线技术应用 200 例ds p 开 发 与 应 用表 2 3 级二代小波变换对比实验数据5靳济芳，visual c+小波变换技术与工程实践，人民邮电出版社，2004, 42-45。6tms320c6000 code composer studiousers guide，texasinstruments incorporated，may, 2000.7tms320c6000 c/c+ optimizing compiler users guide,?texasinstruments incorporated，april,2001.作 者 简 介 ： 余福荣（1977) ，男（汉族），江西临川人，硕士，研究 方向为数字图像处理及其硬件系统设计；罗海波 （1967），男（汉族），江西吉安人，研究员，研究方向为图像处理与模式识别，并行信号处理器体系结构biography: yu fu - rong (1977 - ), male, han, linchuan jiangxi, computer master, major research in image processing and hardware system design.由表 1 中实验数据可知，经过优化后的算法的性能得到大大提高，算法的处理速度提高了 10-20 倍。因此，算法的优化是 非常有效而必要。从表 2 的实验数据可以看出，采用交叠双变换方法实现多级小波变换能明显改善算法性能，算法的处理速度提高了近 11%。图 3-1、图 3-2 和图 3-3 分别是用 ccs2.0 工具软件截取的1 帧原图像和 1 级与 3 级实时小波变换后的图像。(110016 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所) 余 福 荣李 德 强（100039 北 京 中 国 科 学 院 研 究 生 院 ） 余 福 荣罗 海 波（shenyang institute of automation, the chinese academy ofsciences, shenyang 110016,china）yu fu-rong luo hai-boli de-qiang(graduate school of the chinese academy of sciences, beijing100039, china）yu fu-rong通 讯 地 址 ：（110016 辽 宁 沈 阳 东 陵 区 南 塔 街 114 号 中 国 科 学 院 沈 阳 自 动 化 研 究 所 光 电 信 息 研 究 室 ） 余 福 荣 (收稿日期:2009.04.03)(修稿日期:2009.05.05)技术 创新图 3-1 原图像图 3-2 1 级二代小波变换后图像(上接第 174 页)本文作者创新点：利用 fpga 设计单片机的外设接口电 路，并利用 vhdl 语言编程实现。参考文献1甘历. vhdl 应用与开发实践m. 北京: 科学出版社,2003. 2李洪伟, 袁斯华. 基于 quartus 的 fpga/cpld 设计m. 北 京: 电子工业出版社,2006.3杨大柱. 基于 fpga 的 uart 电路设计与仿真j.微计算机信 息，2007，5-2:212-213.4陈黎鹃,张帆,吴开志.基于 fpga 单片机外设接口电路优化设 计j.计算机与现代化,2006, 10:9294.5 hu zhe,zhang jun,luo xi -ling.a novel design of efficient multi-channel uart controller based on fpga j.chinese jour nal of aeronautics,2007,20:6674.作 者 简 介 ：苏玉娜（1982-），女（汉），河南，郑州大学硕士研究生。研究方向为电路与系统。程明（1949-），男（汉），河南，郑州 大学教授、硕士生导师，从事通信和计算机应用的研究。biography: su yu - na (1982 - ) ，woman (han) ，henan ，zheng zhou university ，master ，research area ：electrocircuit and system.图 3-3 3 级二代小波变换后图像结 论5文中主要论述了基于 tms320c6416 的实时二代小波变换的实现过程，提出了一种快速实现多级小波变换的方法，并用 各种优化措施提高了算法的实时性。实验结果证明，采用交叠水平/ 垂直提升方法实现多级小波变换能明显改进算法的性 能，而算法优化措施能充分利用高速 tms320c6416 芯片的性能和资源，经优化后，算法的运行速度得到极大的提高，能够实时实现多级小波变换，可以应用于实时图像处理和其它实时小 波分析领域。本文创新地提出了一种交叠水平/ 垂直提升方法实现多级 二代小波变换，大大地提高了算法的实时性，取得很好的效果；已应用到工程项目中，项目经济效益达 200 万元。参考文献（450001 河 南 郑 州 郑 州 大 学 信 息 工 程 学 院 ） 苏 玉 娜程