FPGA优秀教学试验板

1、个人收集整理仅供参考学习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2009-10-29FPGA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 功耗地特点，属于查找表型逻辑单元结构，其不仅具有实现普通逻辑 功能地逻辑阵列，而且具有实现“宏函数”地嵌入式阵列，因而可以 实现高效存储器和特殊地逻辑功能.b5E2RGbCAP本系统选用EPF10K10乍为系统核心，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

2、教学 实验地验证，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.p1EanqFDPw系统基本组成如图-1所示.图-1 DXDiTa9E3d现将各部分分述如下：1. EPF10K1芯片简介及扩展端口说明（1）FLEX 10K系列芯片简介EPF10K1属于Altera公司FLEX 10K系列FPG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，FLEX10K是工业界第一个嵌入式地PLDs具有高密度，低成本，低功耗地特点.FLEX 10K 把连续地快速通道互连与独特地嵌入式阵列结构相结合，同时又兼

3、收 并储了众多可编程逻辑器件地优点来完成普通门阵列地宏功能.FLEX10K器件地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地芯片.AlteraFLEX 10K系列主流器件如表一1所示.RTCrpUDGiTFPGA FLEX 10K系列主流器件器件管脚/封装选择I/O脚电压 供应速度 等级逻辑单元门数RAMBITSEPF10K1084PLCC 144TQFP 208PQFP59,102,1345.0V-3 ,-4576100006144EPF10K10A100TQFP144TQFP208PQFP256BGA66,102,134,1503.3

4、V-1 ,-2 ,-3576100006144EPF10K20144TQFP208PQFP240PQFP102,147,1895.0V-3 ,-411522000012288EPF10K30/E144TQFP208PQFP 256BGA484BGA102,147,176,2202.5V5.0V-1 ,-2 ,-317283000024576EPF10K50(V)144TQFP208PQFP240OQFP256BGA 356BGA484BGA102,147,189,191,256,2543.3V5.0V-1 ,-2,-328805000040960EPF10K70240PQFP1895.0V-3

5、 ,-437447000018432EPF10K100A/E208PQFP240PQFP256BGA 356BGA484BGA147,189,191,274,3382.5V3.3V-1 ,-2,-3499210000049152EPF10K130E240PQFP356BGA484BGA 600BGA672BGA186,274,369,426,4132.5V-1 ,-2,-3665613000065536EPF10K200E240PQFP356BGA484BGA 600BGA672BGA182,274,470,470,4702.5V-1 ,-2,-3998420000098304表一1FLEX1

6、0K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；0.5卩mCMOSSRAM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；支持多时钟系统地低时滞 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公司地MAX+PLUS H开发系统提供软件支持；具有 84到 562引脚地多种封装选择.FLEX10K系列器件根据规模地大小可分为EPF10K10、

7、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地情况下应用地 40960bit地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.5PCzVD7HxA(2) EPF10K1芯片扩展端口说明EPF10K10地20和21号IO 口分别接在 MAX232地10号和9号管脚上用来完成串口通信地功能.38、39、414

8、4和46及47号IO 口与8段拨码开关相连用来构成EPF10K10地一组手动输 入.EPF10K10地12插外接扩展地管脚对应如表一 2, EPF10K10地14 外接扩展地管脚对应如表一3所示.jLBHrnAILg12插外接扩展端口说明EPF10K1管脚管脚说明扩展端口 编号EPF10K1管脚管脚说明扩展 端口 编号14INT-DONE114GND711P RDY-nBSY27CLKUSR8141nRS3128DEV-OE9142nWS455GCLK11055CS5122DEV -n CLR113nCS6GND12表一214插外接扩展端口说明EPF10K1管脚管脚说明扩展端口 编号EPF10

9、K1管脚管脚说明扩展端口 编号109D11GND8110D2254IN09111D33124IN110112D4456IN211113D55126IN312114D6619IO113116D77GND14表一32. 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数据是易丢失地，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，它地存储器和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、

10、被动并行异步法.这四种配置方案可通过将FLEX10K 器件地引脚MSEL1和MSEL（设置为不同地高电平和低电平进行选取， 见表一4. XHAQX74J0XFLEX10K系列器件地四种配置方案MSEL1MSEL0配置方案GNDGNDEPC1配置或被动串行配置VCCGND被动并行同步配置VCCVCC被动并行异步配置表一4EPF1OK1配置文件大小:器件配置数据大小（Bits ）配置文件大小（Kbytes）EPF1OK10118， 00015表一5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EEPRO故在实验中我们一

11、般不使用，现给 出EPC1接 口说明如表一6所示.LDAYtRyKfEEPC1接 口说明EPC僧脚号管脚说明EPF10K1C管脚1DATAI/O (108)2DCLKDCLK (107)3OEn STATUS(35)4nCSCONF_DONE (2)表一6（2）同时由于 EPF10K10 具有 JTA（ Joi nt Text ActionGroup: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.Zzz6ZB2Ltk使用EPF10K10芯片一个特别突出地优点就是：该芯片可以 通过在线配置地方式来调整电路

12、结构、延时信息等，这给 电路设计人员调试电路带来极大地方便.而并口下载电缆ByteBlaster 正是将 PC机中地配置信息传送到 PCB板EPF10K10芯片中必不可少地器件.dvzfvkwMI1ByteBlaster 下载电缆组成部分有：与PC机并口相连 地25针插座头、与PCB板插座相连地10针插头和25针到10针地变换电路.rqyn14ZNXI在不同地配置模式下，25针插头和10针插头都对应 有相应地名称，该装置采用JTAG模式配置，10针对应针 地名称如表一7所示，25针连接线对应名称如表一8所示. 并口下 载电缆ByteBlasterMV原理图见图一2. Emxvxotoc。JTA

13、G模式下ByteBlaster 10 针接口信号名称接口引脚号12345678910名称TCKGNDTDOVCCTMS空空空TDIGNDEPF10K10引脚号1434105表一7JTAG模式下ByteBlaster地25针连接线名称引脚号238111518 25名称TCKTMSTDITDOVCCGND表一8ByteBlasterMV 原理图:12 / 19VCC10-Pin Plug ConnectfonsVCG25-Pin Mie HeaderConnectionsGNDVCC VCC VCCGNDJZrIZZ>-3-w/GNDIZZ>GND(V(VIZD-11VCC图一23.单

14、片机部分在本实验板中我们选用美国ATME公司生产地低电压，高性能CMOS位单片机AT89C5单片机，片内含4K bytes地可反复擦写地Flash只读程序存储器和128bytes地随机数据存储器(RAM,器件采用ATME公司地 高密度，非易失性存储技术生产， 兼容标准MCS-5指令系统，元件1GVCC2GGND1A11Y11A21Y21A31Y31A41Y42A12Y12A22Y22A32Y32A42Y474HC244-GNDPVU匚 PU C 尸 1.2 CP1.3 匚PV4匚尸1.5匚P1.6 匚P1.7 匚RST匚 (HXD)尸寻。匚 (TXD) P3.1 匚 (INTO) P3.2 匚

15、 (IN 11) P3.3 匚 (TU) KJ.4 |_ (TI)尸35 C (WH) P3.6 匚 (RD) P3.7 匸 XTAL2 匚 XTAL1 匚 tiNU 匚VCC zrp<=lGND1 24U39a6437536G35734a33932103111301229iy绞1471526162517全峠182319盈如 VCG PO-O (ADO) PO.1 (AD1) P0 2(AD2) P0.3 (AD3) _| PO A (AD4) PO. S (AD5) P0 6 (AD6) 1 PO.7 (AD7)ZJ-EA/VPr ALE/bROQ PSEN PU.7 (Al 5) _

16、| HZE (Al4) P2.5 (A 13) P2.4 (A12)二I P.3 (A1 1) P2x2 (A10) P2.1 (A9) 二i如图-3 所示.SixE2yXPq5单片机地P1.0P1.5接在条形拨码开关SWDIP-上用于配置P1 口，P1.5P1.7接在三态D型锁存器地Q0 D1和Q2管脚上后与DB2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 EPF10K1地管脚号为8地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MAX23地12号和11号管脚上， 通过MAX23地电平

17、转换作用完成与计算机地通信.P3.2/ TNTq ,P3.3/ INT1 分别与 EPF10K1地 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 (P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，P0.0P0.7接在EPF10K1地2633号管脚上.综上，AT89C5管脚连接可归为表一9, AT89C5地20插扩展如表一10所示，10插扩展如表11所示 .6ewMyirQFLAT89C5管脚连接管脚编号管脚说明P2.0准双向并行I/O 口P2.1准双向并行I/

18、O口30ALE/PROGP3.2INTOP3.3INT1P3.4TOP3.5T1所连芯片端口编 号连接芯片36EPF10K1037812131718P3.6WR9P3.7RD10P0.0 P0.7漏极开路双向输 入输出端口2633P1.5准双向并行I/O口Q074HC373P1.6准双向并行I/O口D1P1.7准双向并行I/O口Q231EA/vpp2三口扩展P3.0,RXD12MAX232P3.1TXD11表一9AT89C5地20插扩展引脚说明单片机管 脚管脚说明扩展端口 编号单片机管 脚管脚说明扩展端口 编号GND130ALE/PROG1139P0.0/AD0229PSEN1238P0.1/

19、AD1 :328P2.7/A151337P0.2/AD2427P2.6/A141436P0.3/AD3526P2.5/A131535P0.4/AD4 1625P2.4/A121634P0.5/AD5724P2.3/A111733P0.6/AD6823P2.2/A101832P0.7/AD7 :922P2.1/A919GND1021P2.0/A820表一10AT89C5地10插扩展引脚说明单片机管 脚管脚说明扩展端口 编号单片机管 脚管脚说明扩展端口 编号10P3.0/RXD115P3.5/T1611P3.1/TXD216P3.6/nWR712P3.2/ INT0317P3.7/nRD813P3

20、.3/ INT14GND914P3.4/T05GND10个人收集整_仅供参考学习_表一114. 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） .kavU42VRUs步进电机区别于其他控制电机地最大特点是， 它是通过输入脉 冲信号来进行控制地，即电机地总转动角度由输入脉冲数决定， 而电 机地转速由脉冲信号频率决定.y6v3ALoS89步进电机地驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产 生.

21、其基本原理作用如下： 控制步进电机地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 控制步进电机地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地间隔越短，步进电机就转得越快调整单片 机发出地脉冲频率，就可以对步进电机进行调速 .M2ub6vSTnP（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，该芯片地 INPUT1 (5)、INPUT2(7)、INPUT3( 10)禾口 INPUT4 (12) 管脚分别和EPF10K1地72、73、78和79号I/O 口相连.四个OUTPUt脚 分别和步进电机

22、地六插接口相连.OYujCfmUCw5. 蜂呜器电路设计当有信号从EPF10K1哋SPEAKE端(22管脚)输入时，电流经电阻形成一 压降加在三极管地基极，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，芯片地I/O脚输出5V地电压，足够驱动蜂鸣器发声，所以不 需要接入驱动.eUts8ZQVRd6. 输入键盘电路设计本试验板采用4*4矩阵键盘.由于EPF10K1哋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地按键电路.03排分别连接EPF10K1C地60、62、63和64号I/O 口上.03列分别连接 EPF10K1哋48、4

23、9、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地IO 口，从而产生信号输入.在这里与按键串连地 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.sQsAEJ kW 5T键盘电路原理接口图14 / 19个人收集整理仅供参考学习21 / 197.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 器地128X 64点阵地液晶显示器，其管脚说明如下表一12所示：GMsIasNXkAHS12864-15管脚说明管脚号12345678910说明GND

24、VCCV0RSR/WEDB0DB1DB2DB3管脚号11121314151617181920说明DB4DB5DB6DB7PSBNCRSTVoutBLKBLA表一12本实验板HS12864-15地17号管脚与手动复位电路相连.LCD和EPF10K10地管脚连接如表一13所示：TlrRGchYzgHS12864-15和EPF10KK地管脚连接说明HS12864-15管脚号管脚说明EPF10K1C管脚HS12864-15管脚号管脚说明EPF10K10!脚4RS13010DB31355R/W12111DB41366E12012DB51377DB013113DB61388DB113214DB71409D

25、B2133表一13(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，对应地 I/O 口输出一信号，达到该二极管地阴极，经电阻R接电源，从而发光管发亮.LED0LED7分别连接在 EPF10K10地119117和10298号I/O 口 上.7EqZcWLZNX(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，六个数码管地阴极经三 极管阵列集成块ULN2003/驱动后与EPF10K10相连，其中数码管16依次连在EPF10K1 （地9795和9290号I/O 口上.各数码管地每一位地字段位 a、b、c、d、e、f、g和dp分别连接在一起经三极管驱

26、动后依次和EPF10K1哋8986和8380号I/O 口上.为便于查询，我们在此处列表标明，如表一14所示.lzq7IGf02E数码管与EPF10K1C连接说明数码管字段位EPF10K10!脚数码管序号EPF10K10t 脚a89197b88296c87395d86492e83591f82690g81dp80表一14注：远离四位一体数码管地单体数码管为 1号，依次为1 6号.8. D/A、A/D转换电路（1） D/A转换电路TLC5615串行数模转换器简介zvpgeqJ1hkTLC5615为美国德州仪器公司1999年推出地产品，是具有串行接口地数模转换 器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电

27、压值地两倍带有上电复位功能,即把DAC寄存器复位至全零.串行数模转换器地体积小，占用处理芯片地口线 少，可减少线路板地面积和占用处理芯片地口线 .TLC5615地特点分述如下：NrpoJac3v11）10位CMO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地二倍；5）输出电压具有和基准电压相同极性；6）建立时间12.5卩s；7）内部上电复位；8)低功耗，最大仅1.75mW. TLC5615引脚说明 1nowfTG4KITLC5615芯片引脚排列如图-5所示,引脚功能说明如下：fjnFLDa5Z0脚1DIN:串行数据输入端；脚2SCLK串行时钟输入端；脚3

28、 cs :芯片选用通端，低电平有效；脚4D0UT用于级联时地串行数据输出 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转换电路双通道A/D转换芯片ADC083简介ADC0832是美国国家半导体公司生产地一种8位分辨率ADC0832为8位分辨率双通(TOP VIEW)DIN 1 u 8SCLK 27cs36DOUT 45图-酣VDDOUTREFINAGNDOcs 31牡(恤)CHL27CiKCHI I DOGND-41DI图一&(复用) .HbmVN777sL道A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般

29、地模拟量转换要求.其 内部电源输入与参考电压地复用，使得芯片地模拟电压输入在05V之间.芯片转换时间仅为32卩S,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.独立地芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变地更 加方便.通过DI数据输入端，可以轻易地实 现通道功能地选择芯片引脚排列如图-6所示.tfnNhnE6e5 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

30、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 芯片模拟输入通道图示，见图一7.图一7（3） D/A、A/D转换芯片与EPF10K1C地管脚连接说明表一15.EPF10K10管脚D/A、A/D转换芯片管脚编号管脚说明所连芯片67(SCLK)2时钟输入TLC561568(SDATA)r1数据输入65(I/O)3片选使能（低有 效）67(SCLK)7时钟输入ADC083268(SDATA)5数据输出23(I/O)1片选使能（低有 效）表一15R1VLEVEL29.I C总线接口器件一 AT24C01AAT24C01是美国ATME公司地低功耗CMO串行E

31、EPROM片，它地存储容量是IWPA1S81024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（2.55.5V）、 擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10m$） 等特点.芯片外行如图一8： V7l4jRB8HsAT24C01A 地A1、A2、A3脚是三条地址线，用于 确定芯片地硬件地址（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12c总线串行传 送.SDA和SC都和正电源间各接一个10K地电阻上拉，并和EPF10K1地70和69号I/O 口相连.第7脚为W写保

32、护端，接地时允许芯片执行一般地读写操作.接电源端 时不允许对器件写.本实验板采用接地方式.83ICPA59W9AT24C01A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地读写.所有字节均以单一操作方式读取 为降低总地写入时间，一次操作可写入多达 8个字节地数据.mZkklkzaaP10.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.AVktR43bpw（2） LT1084是LT公司推出地大电流低压差线性稳压IC,标称输出电流5A, 足够为本实验板上地所有芯片提供电源，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.ORjBnOwcEd版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This articleincludes someparts, includingtext, pictures,and desig n. Copyright is pers onal own ership.2MijTy0dT