科技创新结题报告----《基于fpga多功能实验测试开发板

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1、1课题研究目的基于FPGA多功能试验开发板，主要功能是利用FPGA处理模块实现对逻辑门电路的调试。本项目能提供I/O接口的多组输入输出端，应用AD转换器实现模拟信号向数字信号的转换、同时具有调整输入频率、差分信号的处理等等辅助功能。FPGA即现场可编程逻辑门阵列，他是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线（Internetconec

2、t）三个部分。可以支持一片PROM编辑多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及使用范围宽等优点，兼容了PLD和通用门阵列优点，可以实现较大规模的电路，编程也很灵活。2课题背景本项目主要针对在校大学生在逻辑门电路的设计过程中所遇到的问题而设，经调查得知市场上现有的FPGA学习板不是功能过于单一，就是将FPGA与实验电路集成一体，当学习遇到一定程度并初步具备自主设计能力的时候，这样的学习板显然已经不能满足进一步学习的要求。本项目将采用FPGA核心板与实验板相分离的结构

3、，核心板主要FPGA芯片和电源、配置芯片和计数器组成，即FPGA的最小系统组成，配有多组的空闲的输入输出端子，并都以核心板的插针引出。当学生初步具备自主设计能力的时候，可以自主设计实现更复杂功能的实验板，并将核心板插接到自主设计的实验板插座上，即可利用FPGA的所有I/O来组装自己的电路。3课题研究主要内容223.1数据采集系统总体设计本实验板能对三路模拟信号和四路光栅信号进行高速同步数据采集，同时预留了20路可扩展I/O接口，并且预留了与计算机可进行通讯的PCI总线接口，方便扩展。其数据采集系统结构如图1所示。本实验开发板主要包括A/D转换模块、光栅信号接收模块、FPGA模块、PCI总

4、线接口模块和FIFO数据缓存模块。以下是各个模块的简单介绍：图1数据采集系统结构框图（1）A/D转换模块。将模拟信号经过A/D转换器件转换成能够被计算机识别的数字信号，根据采样速率、转换精度、设计通用性等方面的考虑，本系统采用三片MAXIM公司的16位串行模数转换器件MAX195实现对三路测头信号的模数转换。（2）光栅信号接收模块。主要处理光栅信号，光栅信号为四路差分信号，因此在设计时利用差分信号接收器将四路差分信号转换为相差90°的正交方波信号。本实验开发板选用MC3486实现光栅差分信号的接收功能。（3）FPGA模块。FPGA作为本系统的控制核心，实现对A/D转换器控制；光栅信号的数

5、字滤波、四细分辨相和可逆计数控制；数据采样控制；地址译码；FIFO读写控制；与PCI接口芯片通信控制等功能。FPGA时钟频率高，内部延时小，运行速度快，全部控制逻辑由硬件完成，其内部寄存器资源比较丰富。FPGA可以克服单片机时钟频率低和DSP对外围设备复杂逻辑控制能力不强的不足，满足用户使用时对实时性和同步性的需求。综合系统成本等方面考虑，本系统选用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144C6型FPGA芯片。（4）PCI总线接口模块。22数据采集系统与计算机之间的数据传递是采用PCI方式，PCI局部总线不受制于处理器，为中央处理器及外围高速设备提供一座桥梁，提高数据吞吐量。

6、其数据传输速度最高可达到132MB/S，其性能比ISA和EISA总线更为优越。考虑可扩展性，本系统用专用的PCI协议芯片PCI9052实现PCI接口功能，使用户能够在此基础继续开发。（5）FIFO数据缓存模块。为了满足用户对连续的采集信号，存储器模块要有读写操作同时进行的能力，DRAM和FIFO都满足要求。但DRAM有两套数据线和地址线，引脚过多，控制比较麻烦，且价格昂贵。而FIFO的数据是依次写入和读出的，不需要地址线引脚，控制比较简单，价格便宜，适合实验开发使用。在本系统中，选用IDT7206实现数据缓存。3.2A/D转换模块的设计（1）A/D转换器件的选择A/D转换器件的选择主要根

7、据电压转换范围、量化误差、分辨力、转换速率、失调温度系数和电源电压等技术指标选择。电压转换范围的确定。通常在实际使用中传感器信号在-5~5V，考虑到系统的兼容性，需要选择既有单极性输入，又有双极性输入的A/D转换器件。A/D转换器件字长的确定。A/D转换器件字长的确定关系到数据采集系统的分辨力，是首要考虑的指标，A/D转换器件是量化噪声的一个源，为尽可能的减小量化误差，A/D转换器件应该有足够的字长，而确定有效字长的因素要考虑输入信