一种fpga通信实验装置的制作方法

专利名称：一种fpga通信实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及信息处理验证技术，特别是涉及一种FPGA通信实验装置。
背景技术：
超大规模集成电路技术的发展，使得FPGA设计成为目前系统设计的强有力的工 具，掌握FPGA设计技术已逐步成为现代电子技术人员的必备技能。而在通信课程中利用 FPGA工具，可以实现多种通信功能、加深学生对通信原理的理解。因此开设必要的实验课， 是学好通信类课程的重要教学辅助环节，也是适应21世纪教育发展形式的重要手段。目前，基于FPGA的通信教学实验仪器比较多，比如，北京中教科源科公司的 KY-TX2实验系统、启东计算机总厂的DICE-E208型多功能实验箱等等。KY-TX2实验系统中， 电源、信号源、显示、信号处理、开关、AD/DA单元等电路单元均集成在一块电路板上，学生可 根据实际需要，选择该电路板上已有的电路单元进行实验。DICE-E208型多功能实验箱在结 构上和KY-TX2实验系统相同，不同之处在于，DICE-E208型多功能实验箱增加了“电子实验 模拟演示装置”模块。通过它我们把一些复杂的实验系统软件化，然后用CPLD/FPGA器件编 程进行控制，达到控制真实系统的效果。由此可见，现有技术所采用的硬件一体化的结构，即所有电路模块集成在一张大 的电路板上的结构，有诸多缺点(1)升级扩展困难，当需要扩展升级其中的某一个实验模 块时，整个电路板必须重新设计、制作，费时费力，成本增加；(2)不同实验装置中的一些模 块，比如信号与系统实验箱、移动通信实验箱、高频电子线路实验箱的信号产生模块均相 同，但各实验装置中的这些相同模块却不能共享，设计不同实验箱时需要重复设计，造成 资源浪费；(3)由于电路板上的硬件被固定，因此学生进行二次开发比较困难，学生无法自 行设计实验模块，以验证学习效果，不利于学生创新能力提高。(4)没有采用免连线思想的 实验箱，虽然可以使学生充分了解硬件电路设计的整体流程，但学生将大量时间浪费在接 插信号线上，实验效率低下。
发明内容有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种模式可选的、实验成本低并能方 便对各实验模块进行升级、开发的FPGA通信实验装置。为了达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为一种FPGA通信实验装置，包括用于通过至少7组64脚插槽插接各实验模块的一 个通用底板，模式控制单元包括模式选择按键单元、模式选择处理单元、模式选择显示单 元。其中模式选择按键单元负责选择工作模式。由前向、后向、模式切换三个按键开关组 成，低电平有效；模式选择处理单元负责接收模式选择按键单元的信号，对信号进行去抖、判断、驱 动相应的模块选择开关并且将相关信息送达模式选择显示单元；[0010]模式选择显示单元负责将模式选择处理单元的处理信息显示在液晶屏0CM2X8A 上，使得本实验装置拥有良好的人机界面。实验模 块包括核心模块、信号产生模块、单片机实验模块、计算机接口模块、开关 模块、音频模块、A/D和D/A模块、显示模块、数字调制模块、数字解调模块、PCM模块、AMI/ HDB3模块。其中核心模块为FPGA或CPLD核心芯片，本模块负责实现装置的主要功能，由主芯片、 存储芯片、电压转换电路、JTAG下载接口、信号线插口等组成；信号产生模块生成数字和模拟信源；数字时钟源通过DDS信号产生单元可输出最 高100MHZ的任意波型信号，模拟信源可实现幅度、频率可调的正弦信号；单片机实验模块由单片机、RAM芯片、ROM芯片、RS232接口和MAX232串口电压转 换芯片以及相应接口组成，本模块可以实现核心模块相应实验的一部分功能，也可以作为 一个单独的单片机实验板；计算机接口模块由并口、串口、VGA插口、PS2插口等组成，本模块集成了各种接 口，可以与计算机、键盘、鼠标等设备相连；开关模块包括按键开关阵列和拨码开关阵列以及相应接口，本模块负责输出OV 或5V的TTL电平信号；音频模块由麦克放大电路和音频放大电路以及相应接口组成，本模块负责接收、 处理、发送音频信号，并且可以通过扬声器发出声音信号；A/D和D/A模块由串行AD/DA、并行AD/DA以及低通滤波和直流电平调节单元组 成，本模块实现信号的数模、模数转换以及信号的低通滤波、OV至5V可调直流电平输出；显示模块由液晶、米字管、LED管、七段数码管、16X16点阵以及相应接口组成，本 模块实现实验装置的结果显示功能；数字调制模块由2FSK、2ASK和2DPSK调制单元组成，本模块实现数字基带信号的 2FSK、2ASK和2DPSK调制功能；数字解调模块由2FSK、2ASK和2DPSK解调单元组成，本模块实现已调信号的2FSK、 2ASK和2DPSK解调功能；PCM模块由PCM编译码芯片TP3057及其外围电路组成，本模块实现信号的PCM编 码和译码；AMI/HDB3模块由AMI/HDB3编译码芯片CD22103A及其外围电路组成，本模块实现 AMI编译码和HDB3编译码。综上所述，本实用新型提出的FPGA通信实验装置中，由于核心模块、信号产生模 块、单片机实验模块、计算机接口模块、开关模块、音频模块、A/D和D/A模块、显示模块、数 字调制模块、数字解调模块、PCM模块、AMI/HDB3模块这些实验模块可以相互独立地装卸于 通用底板上，因此可以很方便地实现对各实验模块的升级和扩展，这样就避免了现有技术 中由于各功能模块的升级和扩展而导致的整个实验板的重新设计和制作，降低了实验成 本；各实验模块的相互独立还使得这些实验模块可以被应用到其它实验装置中，比如信号 与系统实验装置等，进一步降低了实验成本。本实验装置的两种模式可以满足不同的实验要求，实验装置设置在用户连线模式 下，用户可以自己配置任何主芯片引脚的连接，拥有最大的设计自由度；实验装置在免连线模式下，可以节省连线时间，大幅提高实验效率。
图1为本实用新型所述FPGA通信实验装置的组成结构示意图。图2为 本实用新型核心模块的组成图。图3为本实用新型模式选择处理单元的程序设计流程图。图4为本实用新型通用底板的组成结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施 例对本实用新型作进一步地详细描述。图1为本实用新型所述FPGA通信实验装置的组成结构示意图。如图1所示，所述 装置包括用于通过至少7组64脚插槽插接各实验模块的一个通用底板，可选模块包括核心 模块、信号产生模块、单片机实验模块、计算机接口模块、开关模块、音频模块、A/D和D/A模 块、显示模块、数字调制模块、数字解调模块、PCM模块、AMI/HDB3模块。其中核心模块为FPGA或CPLD核心芯片，可选芯片有EPM7128、FLEX10K10、cyclone EP1C6、EP2C20、XC3S400等。图2为核心模块的组成图。如图2所示，本模块由主芯片、存 储芯片、电压转换电路、JTAG下载接口、信号线插口等组成；信号产生模块生成数字和模拟信源，模拟信源可实现幅度、频率可调的正弦信号， 数字时钟源通过DDS信号产生单元可输出最高100MHZ的任意波型信号，DDS信号产生模 块包括信号发生器、波形选择器和数模转换器。其中，信号发生器，用于生成矩形波信号、三 角波信号、锯齿波信号和正弦波信号；波形选择器，用于从信号发生器生成的信号中连续选 择一种波形，作为信号发生器的输出波形；数模转换器，用于将信号发生器输出波形对应的 信号由数字信号转换为模拟信号；单片机实验模块由单片机AT89C52、RAM芯片6264、ROM芯片28C64、RS232接口和 MAX232串口电压转换芯片组成，本模块可以实现核心模块相应实验的一部分功能，也可以 作为一个单独的单片机实验板使用，其中，单片机配有11.0592M晶振以及复位电路，用户
可直接使用；计算机接口模块由并口、2个串口、VGA插口、PS2插口等组成，本模块集成了各种 计算机接口。实际应用中，可以作为联系实验装置与计算机、键盘、鼠标等设备的桥梁；开关模块包括18个按键开关组成的阵列和24个拨码开关组成的阵列，本模块负 责输出OV或5V的TTL电平；音频模块由麦克放大电路和音频放大电路组成，本模块负责接收、处理、发送音频 信号，并且可以通过扬声器发出声音信号；A/D和D/A模块由串行AD/DA、并行AD/DA以及低通滤波和直流电平调节单元组 成，本模块实现信号的数模、模数转换以及信号的低通滤波、OV至5V可调直流电平输出；显示模块由液晶模块、8个米字管、16个LED管、2X4位七段数码管、1个16X 16 点阵和相应控制芯片组成，本模块负责实验装置的结果显示功能，其中液晶模块采用 0CM2X8A，该液晶模块可显示两行16个汉字，只需输入数据、请求、判忙三种信号，即可实现任意汉字、字母、数字显示；数码管模块由3位选择信号SELO、SELU SEL2连接到3_8译码器，译码器的输出控制8个数码管的工作状态；点阵模块由4个8X8点阵组成，4位选择信 号SELO、SEL1、SEL2、SEL3连接到两片3_8译码器，其输出控制16行点阵的工作状态；数字调制模块由2FSK、2ASK和2DPSK调制单元组成，本模块通过键控法产生 2FSK、2ASK和2DPSK调制信号，将信号产生模块的输出信号CLK接入数字调制模块，作为 2ASK和2DPSK的载波信号，2FSK信号有两个载波信号，一个是2ASK信号的载波，另一个是 将CLK信号进行4分频、滤波得到。实际应用中，本模块采用三路二选一模拟开关4053作 为2ASK和2FSK的调制器；数字解调模块由2FSK、2ASK和2DPSK解调单元组成，本模块实现已调信号的2FSK、 2ASK和2DPSK解调功能。本模块采用过零检测法解调2FSK信号，采用包络检波法解调2ASK 信号，采用相干解调法解调2DPSK信号；PCM模块实现信号的PCM编码和译码，本模块由2片PCM编译码芯片TP3057及其 接收端和发送端的低通滤波器组成。模块晶振提供2. 048MHZ的时钟信号和8KHZ的时隙同 步信号，实际应用中，本模块采用拨码开关选择抽样频率。AMI/HDB3模块由AMI/HDB3编译码芯片CD22103A、极性变换器74HC4052、集成锁相 环⑶4046和限幅放大器LM318组成，实际应用中，本模块通过一位拨码开关选择编译码对 应的码型，实现AMI编译码或者HDB3编译码。模式选择功能由模式选择按键单元、模式选择处理单元、模式选择显示单元组成。 其中模式选择按键单元由前向、后向、模式切换三个按键开关组成，低电平有效。由用 户按方向键选择需要配置的实验模块，按模式切换键选择该模块的工作模式；模式选择处理单元由AT89C52、CPLD、模拟信号开关芯片实现，本单元负责接收模 式选择按键单元的信息，对信号进行去抖、判断、驱动相应的模块选择开关并且将相关信息 送达模式选择显示单元。图3为本实用新型模式选择处理单元的程序设计流程图。如图 3所示，本单元初始化后控制模式选择显示单元显示欢迎界面，通过循环扫描模式选择按键 单元的状态并去抖判断是否有按键按下，若按下的是前后方向键，则向前、向后翻页并显示 每个模块的当前连线模式，若按下的是模式切换键，则判断模块类型，若模块中的信号为数 字信号，则采用CPLD作为模式选择开关来改变各个模块的连线模式；若模块中的信号为 模拟信号，则采用模拟开关芯片CD3066作为模式选择开关来改变各个模块的连线模式。并 通过模式选择显示单元显示当前状态；模式选择显示单元负责将模式选择处理单元的处理信息显示在液晶屏0CM2X8A 上，工作模式为“ON”代表免连线模式，工作模式为“OFF”代表用户连线模式。在实验装置 开机时本单元还将显示欢迎信息，使得本实验装置拥有良好的人机交互界面。实际应用中，通用底板的组成结构图如图4所示。图4中，通用底板可以固定7块 实验模块，其中，各实验模块分别由一组64脚插槽和4个螺栓固定在板体的镂空区内，每组 插槽的对应引脚与板体上的走线相互连接，各实验模块通过电源接口共享一个电源。应用 该通用底板，学生可以根据实验项目装设或拆卸实验模块，实现了一板多用；另外，在通用 底板上还保留了自行设计区，方便装卸学生自行设计的实验模块，用以训练学生的拓展能 力。[0049] 综上所述，以上仅为本发明的较佳 实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求1.一种FPGA通信实验装置，其特征在于，所述装置包括用于通过至少7组64脚插槽 插接各实验模块的一个通用底板；所述装置通过模式控制单元控制工作模式；实验模块包 括核心模块、信号产生模块、单片机实验模块、计算机接口模块、开关模块、音频模块、A/D和 D/A模块、显示模块、数字调制模块、数字解调模块、PCM模块、AMI/HDB3模块，其中核心模块为FPGA或CPLD核心芯片，本模块由主芯片、存储芯片、电压转换电路、JTAG下 载接口、信号线插口组成；信号产生模块生成数字和模拟信源，数字时钟源通过DDS信号产生单元可输出最高 100MHZ的任意波型信号，模拟信源可实现幅度、频率可调的正弦信号；单片机实验模块由单片机、RAM芯片、ROM芯片、RS232接口和MAX232串口电压转换芯 片以及相应接口组成；计算机接口模块由并口、串口、VGA插口、PS2插口组成，本模块集成各种接口，可以与 计算机、键盘、鼠标设备相连；开关模块包括按键开关阵列和拨码开关阵列以及相应接口，本模块实现输出OV或5V 的TTL电平；音频模块由麦克放大电路和音频放大电路以及相应接口组成，本模块实现接收、处理、 发送音频信号，并通过扬声器发出声音信号；A/D和D/A模块由串行AD/DA、并行AD/DA以及低通滤波和直流电平调节单元组成，本 模块实现信号的数模、模数转换以及信号的低通滤波、OV至5V可调直流电平输出；显示模块由液晶、米字管、LED管、七段数码管、16x16点阵以及相应接口组成，本模块 实现实验装置的结果显示功能；数字调制模块由2FSK、2ASK和2DPSK调制单元组成，本模块实现数字基带信号的2FSK、 2ASK和2DPSK调制功能；数字解调模块由2FSK、2ASK和2DPSK解调单元组成，本模块实现已调信号的2FSK、2ASK 和2DPSK解调功能；PCM模块由PCM编译码芯片TP3057及其外围电路组成，本模块实现信号的PCM编码和 译码；AMI/HDB3模块由AMI/HDB3编译码芯片⑶22103A及其外围电路组成，本模块实现AMI 编译码和HDB3编译码。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模式控制单元包括模式选择按键单 元、模式选择处理单元、模式选择显示单元，其中模式选择按键单元负责选择工作模式，由前向、后向、模式切换三个按键开关组成，低 电平有效；模式选择处理单元负责接收模式选择按键单元的信号，对信号进行去抖、判断以及驱 动相应的模式选择开关并且将相关信息送达模式选择显示单元； 模式选择显示单元负责显示模式选择处理单元的处理信息。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，模式选择处理单元采用单片机89C52接收 模式选择按键单元的信号；采用CPLD芯片实现数字信号的模式选择开关；采用模拟开关芯 片CD4066实现模拟信号的模式选择开关。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，模式选择处理单元初始化后控制模式选择显示单元显示欢迎界面，通过循环扫描模式选择按键单元的状态并去抖判断是否有按键 按下，由驱动模式选择开关并通过模式选择显示单元显示当前状态。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号产生模块包括DDS信号产生单元。
6.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述DDS信号产生单元包括信号发生器、 波形选择器和数模转换器；其中，信号发生器，用于生成矩形波信号、三角波信号、锯齿波信号和正弦波信号； 波形选择器，用于从信号发生器生成的信号中连续选择一种波形，作为信号发生器的 输出波形；数模转换器，用于将信号发生器输出波形对应的信号由数字信号转换为模拟信号。
专利摘要本实用新型涉及一种FPGA通信实验装置，采用模块化设计思想，可实现免连线与用户连线两种工作方式，由模式选择处理单元控制模式选择开关，改变各个模块的工作方式，并在模式选择显示单元上显示工作状态。本装置包括插接实验模块的通用底板、核心模块、信号产生模块、单片机实验模块、计算机接口模块、开关模块、音频模块、A/D和D/A模块、显示模块、数字调制模块、数字解调模块、PCM模块、AMI/HDB3模块；本实用新型具有实验成本低、方便升级和易于扩展等特点，可广泛应用于通信实验系统中。
文档编号G09B23/18GK201868009SQ20102019528
公开日2011年6月15日 申请日期2010年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者何心莹, 张永杰, 毕金鑫, 王岩嵩, 聂伟, 董少杰 申请人:北京化工大学