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1、 第 III 页 共 38 页摘 要FPGA即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL，门阵列逻辑GAL，可编程逻辑器件PLD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数有限的缺点。FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修
2、改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM
3、即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。设计人员利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短了产品上市时间，降低了开发成本。此外，FPGA还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。FPGA以其体积小、功耗低、稳定性高等优点被广泛应用于各类电子产品的设计中。因此，FPGA技术的应用前景非常广阔。AbstractFPGA (Field Programmable Gate Array) is the further development product based on t
4、he PAL ( Programmable Array Logic), GAL (Gate Array Logic), PLD ( Programmable Logic Device). It is appeared as a semi-custom circuit in the area of ASIC (Application Specific Integrated Circuit). It not only resolves the lack of custom circuits and shortcomings of programmable devices to overcome t
5、he original gate a limited number too . FPGA can complete the any function of digital devices, from high-performance CPU to simple 74 series circuit , can be achieved by FPGA. FPGA is as a piece of white paper or a pile of building blocks, engineers can map the traditional input method of the princi
6、ple, or hardware description language to design a digital system freely. Through software simulation, we can advance to verify the correctness of the design. After the completion of the PCB, FPGA can also be used to modify the online ability to modify the design at any time without having to change
7、the hardware circuit. Using FPGA to develop digital circuits, can significantly shorten the design time and reduce PCB space, improve system reliability. These advantages of PLD technology enables PLD to be rapid development after the 90s the, but also greatly promotes the EDA (Electronic Design Aut
8、omatic) software and hardware description language VHDL (Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description) progress. With the same FPGA, different programming data, can produce different circuit functions. Therefore, FPGAs very flexible to use. Designers can use it in the office or laboratory
9、 needed for the design of application specific integrated circuit, thereby significantly reducing time to market, reduced development costs. In addition, FPGA also has static and dynamic re-programming features in the system reconfiguration, the hardware, as software can be programmed to modify the
10、same. FPGA for its small size, low power consumption, high stability has been widely used in various types of electronic products design. Therefore, FPGA technology is very broad application prospects.目 录引言11 系统简介11.1 主要特点21.2 系统配置22 硬件电路设计及原理221 硬件电路整体结构222 设计电路模块及原理42.2.1 电源电路42.2.2 滤波电路设计62.2.3 下
11、载编程电路和配置92.2.4 存储器件142.2.5 LED指示模块152.2.6 复位模块172.2.7 系统时钟模块172.2.8 接口模块193 工程设计203.1 Protel99 功能简述203.2 电路原理图设计213.3 PCB板图的设计223.3.1 PCB元件布局223.3.2 PCB的布线243.4 电路板的生产制造274 电路元器件清单以及说明275 开发板的测试28附录32III引言现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的出现是超大规模集成电路(VISI)技术和计算机辅助设计(CAD)技术发展的结果。FPGA器件集成度高
12、、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的的功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预期的效果。利用FPGA可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。更吸引人的是采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。FPGA器件成为研制开发的理想器件，特别适于产品的样机开发和小批量生产，因此人们也把FPGA称为可编程的ASIC。可以断定FPGA在结构、密度、功能、速度和灵活性方面将得到进一步的发展。随着工艺和结构的改进，FPGA的集成度将进一步提高，性能将进一步完善，成本将逐渐
13、下降，在现代电子系统设计中将起到越来越重要的作用。本毕设采用Altera 公司的Cyclone_II FPGA进行开发板设计。这里选用Altera公司Cyclone系列的EP2C8Q208CN器件。Cyclone II EP2C8Q208芯片，等效门数为42万门，其内部有90Kb的存储容量,6K个逻辑单元,2个PLL。Altera新款Cyclone II系列是基于获得极大成功的Cyclone系列之上推出的，具有更低的成本、更大的容量和更多特殊性能的特性。这个新的器件系列具有4,608至68,416个逻辑单元（LE），设计了一组优化的特性，其中包括多达150个嵌入1818乘法器、专用外部存储器接
14、口电路、4Kbit嵌入存储块、锁相环（PLL）和高速差分I/O能力。设计出的开发板既能应用于学习FPGA技术，又能学习SOPC NIOS II技术。可以根据自己爱好和需要，选择何种学习功能。FPGA的所有I/O口全部引出来，均可用于扩展。用户可以根据自己的需要，设计实际电路，然后通过这些I/O口连接到FPGA上，完成所需功能。1 系统简介基于FPGA可编程单芯片系统（SOPC）设计技术，是当前电子设计系统领域最前沿的技术之一。此次设计的FPGA开发板采用Altera 公司的Cyclone_II系列的FPGA为核心的EDA实验平台，支持NIOS II,提供了SOPC解决方案。支持FPGA开发、N
15、IOS开发，提供引脚扩展，开发板直接引出80个I/O引脚接口，预留PLL资源，支持扩展设计； 核心板适合于产品原型的快速开发、参加各种电子设计大赛、学习FPGA和SOPC设计技术等，亦可用于系统设计前期快速评估设计方案。 可以用Verilog和VHDL两种语言编程，实用性强。 这个FPGA开发板适合大多逻辑器件开发和IP Core的设计验证，电子、计算机、通信、控制等专业本科生，相关专业的技术工程师，对FPGA/NIOS系统设计及嵌入式系统开发有兴趣的研发人员使用。1.1主要特点： 系统功能强大：采用Altera公司的Cyclone系列主流FPGA,支持NIOS II软核嵌入式处理器 存储器件丰富：配有高速SDRAM以及FPGA配置存储器 I/O扩展能力强：引出80个I/O端口，都是独立的I/O不存在端口复用的问题，方便用户测试和扩展应用 多电源供电：外部电源输入为5V ，可以用DC5V开关电源供电，另外提供 USB 电源插口，方便使用，直接使用一条USB 打印线（方口线）即可工作 电源保护：采用二极管防止电源接反 电源稳压：为保持电源电压稳定，采用AMS1117系列稳压芯片 LED指示运行：NIOS 开发板的左上角有四个LED，正常情况下LED应该闪烁，电源指示灯闪亮。接上ASP，往配置芯片中下载程序，下载的时候 ASP旁边的指示灯亮，成功
