电子竞赛培训模块电路.docx

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电子竞赛培训模块电路

电子竞赛培训模块电路

1.1系统基本配置

电子设计竞赛培训系统采用模块化设计，主要包括FPGA开发板、单片机开发板、2路低速D/A转换、8路低速A/D转换以及2路高速D/A转换电路，同时实验箱还配备了基于CPLD的键盘、LED显示模块和LCD显示模块。

其结构图如图1-1。

图1-1系统结构图

具体配置如下：

（1）5V/3A、+12V/1A、-12V/1A电源各1组；

（2）FPGA开发板1块；

（3）以STC89C52RD+为核心的单片机开发板1块，可支持USB下载；

（4）2路高速D/A模块；

（5）8路低速A/D、2路低速D/A模块；

（6）11路12位串行A/D、10位分辨率串行D/A；

（7）支持标准RS232串行接口；

（8）支持标准RS485串行接口；

（9）12864点阵LCD显示模块；

（10）6位LED显示模块；

（11）2路直流信号源；

（12）CPLD开发板1块，含16键键盘；

（13）预留扩展槽一个。

1.2技术指标

（1）FPGA开发板

FPGA开发板采用CycloneII为主芯片，支持JTAG、ASP等多种加载模式；支持FPGAEEPROM配置，EEPROM芯片为EPCS4；外置20MHZ晶振，FPGA内部可倍频，满足高速设计要求。

开发板扩展了与单片机开发板上的单片机接口插座，与单片机采用总线方式进行数据交换，同时能和高速D/A（125MSPS）接口，用于高速数据数模转换。

（2）单片机开发板

单片机为整个实验箱的微控制模块，它与FPGA、CPLD、低速A/D（1MSPS）、低速D/A（1MSPS）、LCD显示等的连接采用总线方式。

可完成键值读取、液晶显示器管理等。

同时单片机开发板上还扩展了1片32K的RAM、8只发光二极管。

（3）低速模数、数模转换模块

系统配备了8路低速A/D转换电路，转换速率为1MSPS，同时配备了2路转换速率为1MSPS的D/A转换电路。

低速模数、数模转换电路主要用于低速信号的转换。

（4）高速数模转换模块

系统有2路高速D/A，其转换速率分别为125MSPS。

主要用于高速数模转换。

（5）CPLD模块

CPLD模块采用EPM240（TQFP100）或EPM570（TQFP100）为主芯片，支持JTAG加载。

同时，CPLD模块还扩展了16只按键、8只发光二极管，预留了与单片机的接口，多余的I/O口全部引出，作为备用。

（6）其它

系统还配置了1个LCD、1个8位的LED数码管动态显示。

液晶采用HB12864M2,LCD、LED模块均预留了与单片机的接口，可以和单片机直接接口。

该实验平台的主要特色是针对大学生电子设计竞赛综合训练要求以及学生进行创新性、开放性实验项目的需要，综合应用了单片机、FPGA、CPLD等技术手段，采用模块化设计，方便学生进行开发。

主要技术优势体现在以下几个方面：

（1）实验平台上的模块是全开放的，学生可在该实验平台上可做开发，也可以通过实验平台上各模块的组合，开发、设计出不同的电子系统。

（2）该实验平台提供了单片机开发板、FPGA开发板、液晶显示模块、LED显示模块、CPLD模块以及2路低速D/A转换、8路低速A/D转换、2路高速D/A转换电路，学生可根据具体的实验要求和设计要求设计电子系统的前向通道、后向通道，并插入该实验平台的扩展座上，并和实验平台相关模块接口后就可以进行相应的软硬件调试和测试。

可完成较为复杂的综合性、设计性、创新性实验项目。

（3）学生在该实验平台上，可以进行多种组合，进行创新设计，开放设计出不同的电子系统。

（4）核心模块，如单片机开发板、FPGA开发板、CPLD模块等可独立使用，可作为学生学习《单片机》、《EDA技术》等课程的学习板。

1.3系统结构

1.3.1实验箱整机结构

实验箱整机结构如图1-2所示。

实验平台上的仪器模块是全开放的，学生可在该实验平台上可做各种开发，学生可根据要求自己设计开发DDS数字信号源、频率计、数字电压表、温度计、语音数字化存储与回放等。

该实验平台提供了学生在实验室没法做的核心板（FPGA模块、CPLD模块以及单片机模块），学生可根据具体的实验要求和设计要求设计相应的硬件电路（如电子系统的前向通道、后向通道），并插入该实验平台的扩展座上，并和核心板接口后就可以进行相应的软硬件调试和测试。

可完成以前课程设计中没法做的综合性、设计性实验项目。

图1-2实验箱结构图

1.3.2电子设计竞赛培训系统各模块基本配置

（1）主板

⏹电源：

+12V（1A）、-12V（0.5A）、5V（3A）

⏹直流信号源：

-10V-+10V，2路，连续可调

⏹电源指示灯

⏹FPGA模块插座

⏹MCU模块插座

⏹CPLD模块插座

⏹LCD、LED模块插座

⏹矩阵板插座

（2）FPGA模块

FPGA模块电路如图1-3所示。

图1-3FPGA模块电路板

⏹CycloneIIFPGAEP2C8

⏹内置3.3V、1.2V电源

⏹JTAG、ASP电路

⏹电源指示

⏹USB供电电源接口

⏹与单片机开发板接口

⏹高速D/A接口

（3）单片机开发板

FPGA模块如图1-4所示。

⏹51系列核心单片机，与多款型号兼容

⏹地址、数据、中断等多种扩展接口

⏹USB接口下载电路

⏹32KSRAM（UT61256）

⏹12MHZ晶振

⏹LCD、LED、键盘接口电路（通过CPLD）

图1-4MCU模块电路板

（4）低速A/D、D/A模块

低速A/D、D/A模块电路板如图1-6所示。

⏹2路可同步输出信号的D/A转换电路，，D/A采用TLC7524芯片。

⏹A/D采用ADC0820芯片，可输入8路模拟信号

⏹RW3、RW4用于分别调节两路D/A的满幅度电压

⏹RW1用于条件A/D基准电压，RW2用于调节D/A基准电压

⏹串行A/D采用TLC2543、串行D/A采用TLC5815，分别预留了与单片机接口

⏹并行D/A输出端中，OUT1为单极性信号输出，OUT2为双极性信号输出。

图1-6低速A/D、D/A模块电路板

（5）并行高速D/A模块

图1-7高速D/A模块电路板

高速D/A模块电路板如图1-7所示。

⏹2路高速D/A，125MSPS

⏹预留有与FPGA的接口

（6）其它

系统还配置了系统还配置了16个按键、1个LCD、1个8位的LED数码显示系统还配置了可自行设计、安装电路的矩阵模块。

图1-8LCD、LED显示模块电路板

1.3.3硬件安装

硬件的安装过程非常简单，如图1-2所示，将各模块插到对应的位置。

在系统未上电时连接FPGA模块、MCU模块的下载电缆。

在调试FPGA时将配件中的FPGA下载电缆一头接入计算机的USB接口，另一头接入FPGA模块的JTAG下载接口。

在调试单片机时将配件中的串口线一头接入计算机的USB接口，另一头接入MCU模块的串口。

至此，硬件安装完毕，下面就可以下载配置进行调试了。

1.3.41.3.4软件安装

本系统所使用的软件有QuartusII、KeiluVision4以及STC-ISPV480，其具体安装请参考相关书籍，其使用方法详后。

1.4系统模块电路介绍

电子设计竞赛培训系统采用了模块化的设计方法，将各功能设计成独立的模块可以充分利用FPGA和MCU的资源，利用各模块的不同组合可以轻松实现多种实验项目。

能充分满足教学、学习、竞赛与研究的需要。

1.4.1系统电源电路

实验箱采用成品开关稳压电源输出+15V、-15V、+5V电源供电，由EJP1接口接入底板（如图1-9），底板上将+15V、-15V通过LM7812、LM7912稳压后变为+12V、-12V直流稳压电源。

电路如图1-10。

图1-9系统底板电源电路

图1-10系统底板电源电路

系统其他模块的电源均由+12V、-12V、+5V通过电压转换芯片变换得到。

其中FPGA模块、CPLD模块电源变换电路如图1-11、图1-12。

图1-11FPGA板+1.2V和+3.3V电源电路

图1-12CPLD板+3.3V电源电路

1.4.2FPGA模块

此模块主要包括：

电源、时钟、FPGA芯片、单片机接口、高速D/A接口，时钟选用20MHZ有源晶振。

FPGA模块总体电路请见图1-13。

图1-13FPGA模块电路

1.4.3高速A/D、D/A转换模块

系统有2路高速D/A，其转换速率分别为125MSPS，分辨率为10位，非常适合于各种高速数据转换。

其电路如图1-14。

D/A采用THS5651，THS5651是TI公司的10位分辨率的高速低功耗COMS数字模拟转换器，它是10位数字信号输入，兼容3V和5V的COMS电平；转换速率高达100MHz；2mA-20mA的差分电流输出；低功耗，5V供电时只有175mW的功耗，休眠时只有25mW。

图1-14高速D/A转换电路

1.4.4CPLD与键盘模块

图1-15CPLD与键盘模块电路

1.4.5单片机模块

单片机模块电路主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。

由8051单片机构成最小应用系统时，只需将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图1-16。

通过对单片机编程可以直接对实验箱上LCD显示电路、LED显示电路，键盘输入电路，实现通用人机交互系统。

具有电路简单、设计灵活、可靠的特点。

图1-16单片机开发板电路

1.4.6低速模数、数模转换模块

低速模数转换芯片采用TLC0820，该芯片是TI公司基于CMOS的高速模数转换芯片，+5V供电的并行接口转换芯片。

该芯片采用取样数据比较器进行计数及普遍用于许多高速转换器的快闪技术，应用两个4位快闪模数转换器完成8位输出。

器件在两种方式下工作即读和写读方式，可以通过MODE选择。

下面对其引脚进行简单介绍：

D0—D7：

转换后的数据输出端，数字信号。

ANLGIN：

模拟信号输入端，由于基准电压为+5V，因此其模拟信号输入端的信号强度不能超过电压值。

/CS：

芯片的片选信号，且低电平有效。

/RD、/WR：

读写信号控制端，在其有效时，/CS必须为低电平，即片选信号必定是有效的。

REF+/REF-：

参考电压，模拟信号的输入值不能超过其参考电压。

INT：

中断，在写读方式时，中断INT变低提示内容计数延迟时间完成及结果数据在输出锁定。

典型的延迟时间为800ns，在WR/RDY上升沿后开始，如果/RD在计数延迟时间结束之前及INT结束时变低且转换结果即可输出。

电子开关选用CD4051，CD4051是8通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。

幅值为4.5-20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如：

若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0-5V的数字信号可控制-13.5V-4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH=“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一个通道，可连接该输入端至输出。

下面介绍一下该芯片的引脚功能：

X0—X7：

IN/OUT，输入/输出端。

A/B/C：

地址端，主要通过单片机控制其选择通道。

X：

公共输入/输出端。

INH：

禁止端，INH=“1”时，所有的通道截止，三位二进制信号选通8通道中的一个通道，可连接该输入端到输出端。

VEE/VSS：

模拟信号接地端/数字信号接地端。

图1-17低速A/D、D/A转换电路

1.4.7显示模块

图1-18LCD模块电路

图1-19LED模块电路

1.4.8直流信号源模块

图1-20直流信号源模块电路