fpga综合实验开发系统设计和应用

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1、FPGA综合实验开发系统设计和应用　　摘要以提高实践教学环节效果，增强学生EDA设计的自主性与创新性为目的设计了一款FPGA综合实验开发系统。整套开发系统采用核心模块板加底板的模块化设计形式，适合学生在此基础上扩展设计，做算法评估，数据处理等应用。教学实践中采取学生自主设计为主，以任务驱动教学法，实现了实践教学的创新设计，提高了EDA课程的教学质量。最后通过系统地分析学生的课程设计总结及教学效果得到了对该实验开发系统的科学评价。关键字：FPGA；系统开发；教学质量中图分类号：G424.21文献标识码

2、：A文章编号：1引言7自1984年Xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，已经历了20几年的快速发展历程。FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。FPGA技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：其不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。因此掌握好FPGA的相关知识能使学生具备更好的竞争优势。FPG

3、A实验开发板设计2.1设计思想传统的FPGA实验板功能过于复杂，一部分功能学生很少用到，面对这样的系统学生感觉无从下手反而增加了对实验板的学习难度；同时缺少可扩展性，学生只能在别人设计好的开发板上做一些验证性实验，不便于二次开发，学生在学习过程中丧失了主动性与创新性。如何把抽象的逻辑认知变成形象的认知过程，从而引导学生去大胆创新是我们面临的重点问题。因此，设计开发实验板的基本目的是帮助学生由浅入深系统掌握FPGA设计开发知识，既要掌握软件编程，又要学会搭建硬件系统，综合调试，排查故障，从而提高学生的

4、动手能力。因此要设计一个易于上手，方便学生掌握，并能够在实验板上进行扩展性、创新性的设计。2.2系统设计综合实验开发系统采用核心模块板+底板形式设计，核心模块板将所有FPGA7器件I/O口引出，适合学生在此基础上扩展所需模块，做算法评估，数据处理等使用。实验底板为扩展单元，学生可根据实验目的扩展所需要的功能模块，完成对开发系统的剪裁，。配合实验主板，学生可做相关一系列实验。针对学生创新性设计的需要，可选配通信类、电机类、传感器等功能性模块。这样做的目的是在基础性实验部分使学生易于上手，逐渐增加设计难

5、度，在创新性实验过程中增加了硬件设计这一个环节，吸引学生的设计兴趣，从而引导学生创新。2.3核心板设计XilinxSpartan3是世界上成本最低的FPGA，可以实现最低的器件成本和最低的系统总成本。它基于前四代Spartan系列解决方案的成功基础之上，把Xilinx高端Virtex系列的一些特性集成其中，如数字时钟管理(DCM),较Spartan2系列具有更多的逻辑资源，内部RAM容量和IO数。核心板采用Spartan3系列中较为基础的XC3S400PQ208器件，针对FPGA的初级、中级开发者设

6、计，帮助学生降低学习成本和系统评估成本的硬件模块。板子采用4层板布线，两个96pin欧式接插件将所有FPGA器件I/O引出，适合用户在此基础上扩展所需模块，做算法评估，数据处理等使用。2.4底板设计实验底板为预置几大基本功能模块的线路板裸板，这样做的目的是避免了像其他实验板一样学生只能做一些程序功能验证性实验而无法锻炼真正意义上的动手能力的缺点，同时省去了对线路板的设计，降低了设计难度及周期，使学生容易上手并把精力主要投入在FPGA的创新设计上。7板上提供数码管/液晶显示区、矩阵键盘区、单片机系统区

7、、扩展实验区以及RS232、VGA等接口。学生针对自身的设计任务通过分析电路图焊接上相应的元件，最后通过软硬件联合调试完成设计。3综合实验开发系统的创新应用本开发系统为学生提供丰富的实验例程和硬件资源，并介绍关于如何在本实验开发系统上完成各个实验过程，实现对板上资源的利用及剪裁，从而使用户获得对FPGA器件的开发应用流程得到了解。实验例程均采用VHDL和VerilogeHDL两种硬件描述语言来描述，用户可以根据自身的情况，灵活进行选择，实验例程注重学生对FPGA器件入门级和开发级应用的培养，分为三个

8、部分：基本实验，接口实验和综合实验，由浅入深逐步引导学生。基本实验包括一些基础的组合与时序电路设计；接口实验包括一些常用的输入、显示电路、串口通信、单片机总线接口通讯、AD/DA实验；综合实验包括一些针对问题的综合性设计，如模拟交通灯、电梯控制、数字信号处理、信号调制等。3.1电梯控制实验教学模式改进示例首先分析电梯控制器的功能要求，基本功能：1三层电梯控制；2动态扫描电路，将楼层显示出来；3能模拟升降、开关门等状态。扩展功能：17四层电梯控制；2能判断升降优先级；3