单片机 - 基于FPGA的电子设计竞赛电路板的设计

【FPGA设计大赛】玩转FPGA:iPad2,赛灵思开发板等你拿

　　1. 2. 1 单片机

　　80C51 系列单片机作为8 位单片机事实上的工业标准，世界上众多电气公司都生产其系列产品， 有广泛的选择及应用基础。如ATMEL 公司的AT 89C5X, AT89S5X, NXP 公司的P89C5X, P89V5X 等。本设计选择了NXP 公司的P89V51RD2 单片机， 该单片机片内具有64 K 字节的可反复擦写的可在线下载编程的（ ISP） FLASH 程序存储器和256字节的RAM、1 K 字节的扩展RAM、32 个I/ O 口、3 个可编程定时计数器、一个串行口、一个SPI 接口等功能。

　　1. 2. 2 液晶显示模块

　　采用128*64 具有中文汉字库的图形点阵液晶显示模块， 内含8192 个16*16 点中文字型和128 个16*8 半宽的字母符号字型； 另外绘图显示画面提供一个64*256 点的绘图区域GDRAM; 而且内含CGRAM 提供4 组软件可编程的16*16 点阵造字功能。电源操作范围宽（ 21 7 V to 51 5 V） ,低功耗设计可满足产品的省电要求； 同时与单片机等微控器的接口界面灵活（ 3 种模式： 并行8 位/ 4 位， 串行3 线/ 2 线） .

　　中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII 码、点阵图形的同屏显示， 广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上，并作为显示器件。中文液晶显示模块具有上/ 下/ 左/ 右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令， 具有光标显示/ 闪烁控制命令及关闭显示命令。预留多种控制线（ 复位/ 串并选择/ 亮度调整） 供用户灵活使用。

　　1. 2. 3 键盘

　　扩充16 个按键组成4*4 矩阵形式与单片机的P1 口相连。

　　1. 2. 4 与FPGA 接口

　　单片机的P0 口， P2 口， RD, WR, ALE 分别经100 8 电阻与FPGA 预留I/ O 口相连。

　　1. 2. 5 RS232 接口

　　扩充MAX232 串口芯片， 扩展串行口， 可以实现单片机与PC 机的串行通信、在线下载程序。

　　1. 3 高速模数转换器和数模转换器电路

　　1. 3. 1 高速模数转换器

　　由于FPGA 为高速器件， 为实现速度匹配， 本设计采用高速A/ D 转换器TLC5510.它是由美国T I 公司生产的新型模数转换器件（ ADC） , 是一种采用CMOS 工艺制造的8位高阻抗并行A/ D 转换芯片， 能提供的最高采样率为20MSPS.由于TLC5510 采用了半闪速结构及CMOS 工艺， 因而大大减少了器件中比较器的数量， 而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下， T LC5510 的功耗仅为130 mW.由于TLC5510 不仅具有高速的A/ D 转换功能， 而且还带有内部采样保持电路， 从而大大简化了外围电路的设计。同时， 由于其内部带有标准分压电阻， 因而可以从+ 5 V 的电源获得2 V 满刻度的基准电压。TLC5510 可应用于数字T V、医学图像、视频会议、高速数据转换以及QAM 解调器等方面。T LC5510为24 引脚、SO、PSOP 表贴封装形式。

　　1. 3. 2 高速数模转换器

　　高速D/ A 转换器选用了TI 公司生产的TH S5651A, 该芯片是经特别优化的用于有线和无线数据传输的10 位数模转换器。该芯片的制造采用了先进的高速混合信号CMOS工艺， 转换速率达125 MSPS.片上具有11 2 V 参考电压、D/ A转换输出为电流型， 电流范围为2 mA- 20 mA.功耗是5 V 工作时为175 mW, 工作在SLEEP 模式时为25 mW、封装为282引脚SOIC或TSSOP 封装。

　　1. 3. 3 高速运算放大器

　　为了与高速A/ D、D/ A 转换器速度相匹配， 电路设计中还使用了美国TI 公司生产的TH S4001 高速电压负反馈运算放大器。其带宽可达270 MHz、转换速率达400 V/Ls, 能很好地实现系统的放大缓冲功能， 以满足系统性能指标要求。

　　2 结语

　　本设计的电子竞赛电路板采用了MCU + FPGA 结构，单片机负责数据处理、控制显示等工作； FPGA 负责高速数据采集、数模转换工作。同时， FPGA 还可以为单片机提供存储器及I/ O 口等资源。在PCB 设计时， 特别要注意采取抗干扰措施， 如在电路中要适当配置去藕电容、数字地与模拟地分离， 最后在一点接于电源地等。本设计在地线的设计方面， 使用了屏蔽地、数字地和模拟地， 它们分别与电源地相连， 做到了数字电流不流经模拟器件， 高速电流不流经低速器件。本文涉及的电路通过调试， 各个模块可以达到预期的功能， 该电路板可以用于电子设计竞赛和一些电子产品的开发。