【EDA與單片機(jī)及SOPC一體化實驗教學(xué)平臺】
功能/作用介紹
簡介
本作品提出一款將EDA技術(shù)、51單片機(jī)技術(shù)及SOPC(System on Programmable Chip)技術(shù)整合在同一FPGA平臺上進(jìn)行相關(guān)理論和實驗教學(xué)的軟硬件平臺。國內(nèi)尚屬首次。
單片機(jī)技術(shù)、EDA技術(shù)及SOPC技術(shù)是高校電氣、電子和信息類專業(yè)中三門非常普及和重要的實踐性課程。其實驗方式和實驗平臺隨技術(shù)的發(fā)展不斷改進(jìn)。近來，以集成各類實驗功能的一體化實驗教學(xué)開發(fā)平臺為主流。它們一般共用外圍功能模塊，通過切換核心模塊/子板的方式來應(yīng)對單片機(jī)和EDA這兩種不同類型的實驗。這類實驗平臺價格都較高，體積較大，因電路模塊多，硬件故障率高。也因子板多而不便于實驗設(shè)備管理。對于SOPC技術(shù)的教學(xué)，則往往顯得“高大上”，脫離學(xué)生的前期課程基礎(chǔ)和接受能力。
自行研制的多功能一體化實驗教學(xué)平臺克服了上述問題。該平臺的突出特點在于：
(1)基于單一FPGA核心板就能充分滿足單片機(jī)、EDA和SOPC的實驗教學(xué)和課程設(shè)計，以及相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)(電子類設(shè)計比賽)的需要?？擅嫦虿煌瑢I(yè)和不同層次的高校學(xué)生，提供基礎(chǔ)應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計實驗的動手能力訓(xùn)練，以及思考和創(chuàng)新的空間。另一方面，非常有利于對實驗硬件設(shè)備和多專業(yè)實驗室的優(yōu)化配置與管理。
(2) 適合不同的多層次實驗教學(xué)內(nèi)容要求：既可支撐獨立的EDA類和單片機(jī)類基礎(chǔ)實驗教學(xué)及其各自的綜合實驗教學(xué)，也可支撐二者結(jié)合的SOPC實驗教學(xué)，并可與更高階的DSP設(shè)計應(yīng)用接軌。另一方面，非常有助于開展實踐教學(xué)的改革。
本實驗硬件平臺包括的各項功能模塊如下：
(1)核心板標(biāo)配為Xilinx的Spartan3E 系列的XC3S250E芯片、2MB的Flash、32KB的SRAM、
配置器件XCF02/04(JTAG配置)和M25P16(SPI配置);
(2)采用50MHz 的晶振;
(3)用戶接口：4個獨立按鍵、8個LED、2個4位七段數(shù)碼管和8位撥碼開關(guān);
(4)標(biāo)配FYD12864-0402B 的128×64 圖形點陣液晶顯示屏;
(5)16×16點陣LED 顯示;
(6)具有RS-232 電平轉(zhuǎn)換電路，可與PC 進(jìn)行串行通信;
(7)1個交流蜂鳴器;
(8)8位串行A/D 和8位串行D/A;
(9)實時時鐘PCF8563;
(10)數(shù)字溫度傳感器LM75A;
(11)PS/2 鍵盤和鼠標(biāo)接口，能夠擴(kuò)展系統(tǒng)的輸入設(shè)備;
(12)256 色VGA 接口;
(13)紅外收發(fā)模塊HW038;
(14)用戶擴(kuò)展I/O接口，方便用戶擴(kuò)展實驗板以外的其他各種功能電路;
(15)一系列功能跳線接口，方便與底板上的特定功能模塊進(jìn)行連接。
在本平臺上開設(shè)的實驗項目分三個層次。其特點包括以下幾個方面：
(1)基礎(chǔ)層
分別配合《EDA原理及應(yīng)用》和《單片機(jī)原理及應(yīng)用》的課程實驗。對前者，提供基礎(chǔ)邏輯模塊驗證、常用邏輯電路描述、基本EDA流程訓(xùn)練的實驗訓(xùn)練。對后者，提供單片機(jī)內(nèi)部功能模塊驗證和基本程序設(shè)計的實驗訓(xùn)練。
(2)綜合層
結(jié)合實驗平臺提供的硬件功能模塊及豐富的實驗例程，使學(xué)生分別掌握以單片機(jī)方式和EDA方式作電子設(shè)計的不同思路與方法，對比領(lǐng)會它們在實現(xiàn)相同功能時的優(yōu)缺點。
(3)設(shè)計層
以電子應(yīng)用小系統(tǒng)的有效構(gòu)建為實驗?zāi)康?。首先圍繞實驗硬件平臺, 以SOPC的方式實現(xiàn)綜合設(shè)計型實驗項目，掌握軟硬件協(xié)同及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的方法。其次，通過添加外圍電路，設(shè)計和實現(xiàn)自定義的應(yīng)用項目或電子設(shè)計競賽題目。
該平臺配套教材。其基本編寫思路是注重內(nèi)容的典型性和實用性，強(qiáng)調(diào)過程的可操作性和可延續(xù)性。既有原理知識的鋪墊，又有基礎(chǔ)操作和例程的參考，還有綜合應(yīng)用項目的訓(xùn)練，更有創(chuàng)新設(shè)計的挑戰(zhàn)。使不同層次的讀者各取所需，并獲得持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣。
教材按由淺入深的方式分為三篇，第一篇從數(shù)字系統(tǒng)基本設(shè)計原理出發(fā)，先從EDA方面介紹EDA設(shè)計流程、FPGA結(jié)構(gòu)特點和基于VHDL語言的邏輯描述方法，再從單片機(jī)方面講述8051單片機(jī)原理和C51程序語言設(shè)計，并介紹了流行的MC8051處理器IP核。第二篇為應(yīng)用實踐篇，先介紹綜合實驗硬件平臺，再提出多個基礎(chǔ)性的EDA實驗項目和單片機(jī)實驗項目。其中既有工具軟件的詳細(xì)操作步驟，又有豐富的實驗例程，使讀者能夠快速掌握FPGA應(yīng)用和單片機(jī)應(yīng)用的基本技能和對實驗平臺所提供的各功能模塊的驅(qū)動方法。
各項目對數(shù)字邏輯、程序、系統(tǒng)綜合及DSP應(yīng)用的訓(xùn)練各有側(cè)重。這些項目中都基于基礎(chǔ)層所學(xué)習(xí)的軟、硬件模塊，完成一個電子應(yīng)用小系統(tǒng)。對各項目既有分析討論和代碼提示，同時又給學(xué)生的實踐提供了充分發(fā)揮和擴(kuò)展的空間。學(xué)生可根據(jù)對題目的分析，進(jìn)行多種實現(xiàn)方案的嘗試，進(jìn)而掌握EDA和單片機(jī)各自的技術(shù)特征，深入理解軟硬協(xié)同設(shè)計的現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計思想和SOPC的優(yōu)勢。第三篇為基于FPGA的信號處理篇。先介紹FFT、FIR濾波、CORDIC這3種典型的數(shù)字信號處理模塊的使用，再提供兩個綜合設(shè)計型實驗題目，給讀者以實戰(zhàn)的檢驗。
總之，“EDA與單片機(jī)及SOPC一體化實驗教學(xué)平臺”可為不同類型的高校的現(xiàn)代電子技術(shù)各項理論和實驗課程及其教學(xué)改革提供一種全新的體驗。
作品名稱：EDA與單片機(jī)及SOPC一體化實驗教學(xué)平臺
完成單位：電子科技大學(xué)
