毕业设计---基于fpga的单片机接口扩展设计

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1、河南科技大学毕业设计（论文）基于FPGA的单片机接口扩展设计摘要当今电子产品逐渐趋于智能化、人性化，电子产品的发展已经离不开单片机。随着人们消费要求的提高，对电子产品的功能要求越来越高，电子产品的升级换代逐渐受到主控芯片资源匮乏的约束，而更换高级的CPU又会带来产品版本的不兼容和成本大幅上升的风险，而且会造成设计难度加大，设计周期变长。随着可编程逻辑器件及EDA技术的发展，可编程逻辑器件的价格越来越低，在系统设计中经常会用到FPGA扩展单片机的相关资源，来实现低成本、高性能的产品设计。单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点；而FPG

2、A则具有高度、高可靠性以及开发便捷、规范等特点，根据两者的特点，设计一种基于C8051F340单片机与ActelFPGA的总线接口逻辑电路，实现单片机与可编程逻辑器件数据与控制信息的可靠通信，运用此接口通过VerilogHDL编程可为单片机扩展通用I/O和一些带有硬件协议的特殊接口，例如I2C接口、SPI接口、PCI接口和通用串口等。关键词：单片机，FPGA，接口扩展，总线接口，VerilogHDL河南科技大学毕业设计（论文）目录前言1第1章绪论2§1.1设计思想概述2§1.2ActelProASIC3系列FPGA概述2§1.3C8051F340单片机概述3第2

3、章单片机与FPGA接口的设计5§2.1接口方式选择5§2.2总线的复用性选择5§2.3总线复用方式的配置8§2.3.1总线接口配置8§2.3.2总线的端口配置8§2.4总线复用方式的时序逻辑8第3章FPGA的扩展实例12§3.1I2C总线在FPGA上的模拟实现12§3.1.1I2C概述12§3.1.2I2C接口设计13§3.2SPI总线在FPGA上的模拟实现17§3.2.1SPI总线接口协议17§3.2.2SPI总线接口设计18第四章电路设计及分析20§4.1电源模块设计20§4.2接口电路设计22§4.3电路辐射干扰测试分析23结论25参考文献26致　谢27附

4、　录28河南科技大学毕业设计（论文）前言微控制器是现代电子产品中不可缺少的一个部分，各大半导体厂商在不断推出复杂的高级CPU的同时，也同时推出了一些的超小封装的微控制芯片，这种超小封装的控制器适用于特定的某一方面，与通用的CPU相比具有体积小、功耗低、成本低等优点，在便携式电子产品中有着广泛的应用。但是这种超小封装的微控制芯片的I/O数量十分有限，接口单一，限制了控制器的挂接设备的数量和种类。随着电子产品逐渐趋于集成化、智能化、便携化，人机交互、通信互联、多设备管理等任务大大了加重了对电子产品的“心脏”——微控制器的运作负担，尤其是对主控芯片的I/O数量和一些特

5、殊接口的需求，使得一些低端控制器能胜任的工作不得不交由价格昂贵的高级控制芯片来完成，以获得更多的I/O和特殊接口，然而这无疑加大了产品的成本，削弱了产品的市场竞争力。随着电子技术的发展，可编程逻辑器件的集成度越来越高，而成本却越来越低，现在已有半导体厂商推出了价格十分低廉的FPGA芯片，为上述问题的解决提供了另一种思路：用FPGA为那些I/O数量不足或是缺少某些特殊接口的微控制器扩展接口和I/O而不必采用价格更贵的高端控制器芯片。而且为了适应电子产品不断智能化的要求，系统运行的任务越来越多，某些复杂的算法亦可交由FPGA来完成，为产品的更新换代节省成本，而且由于

6、FPGA是硬线逻辑，比软件模拟接口具有实时性好、处理速度快等优点，能减轻主控芯片的运行负担，增加系统的管理能力，使系统更加稳定、高效！39河南科技大学毕业设计（论文）第1章绪论§1.1设计思想概述FPGA作为一种新型的可编程逻辑器件，可以取代现有的全部微机接口芯片，实现微机系统中的存储器、地址译码等多种功能，具有更高的密度、更快的工作速度和更大的编程灵活性，被广泛的应用于各种电子类产品中。在功能上，单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、强大的数据处理能力等特点；而FPGA具有高速、高可靠性以及开发便捷、规范等优点，因此两类器件相组合的电路结构将在许多高性能

7、仪器仪表和电子产品中被广泛应用。基于这种需求，本文设计了C8051F340单片机与FPGA的总线接口逻辑电路，实现了单片机与FPGA数据与控制信息的可靠通信，是FPGA与单片机优势互补，组成灵活的、软硬都可现场编程的控制系统。§1.2ActelProASIC3系列FPGA概述Actel公司是单芯片FPGA解决方案的领导性厂商，早期以反熔丝FPGA为主，致力于航天航空以及军事领域，造就了其在可靠性、安全性等领域上独领风骚的辉煌。ActelFlash架构的FPGA无需配置芯片,其开关结构采用130nm的Flash工艺，具有掉电非易失特点，一旦完成编程后，配置数据就会

8、成为FPGA结构的固有部