EDA教学实验装置的制作方法

本实用新型涉及教学实践装置，具体涉及EDA教学实验装置。

背景技术：

电子设计自动化(EDA)是电子信息工程、通信工程和电子科学与技术等专业的一门非常重要的专业技术课程。它是一门实践性非常强的课程，EDA实验对帮助学生掌握现代数字系统设计方法、提高分析问题解决问题的能力、培养学生工程素质和创新意识等具有非常重要的意义。

高校毕业生对EDA的认知大多停留在理论学习，而实践能力较为欠缺。高校中的EDA实验装置，通常是设计简单电路，通过万用表测量相应的输入输出信号，来判断设计的电路是否符合设计要求，其缺点在于设计结构简单，不能触类旁通，难以在提升硬件设计能力的同时，提升排故能力以及软件设计能力。

技术实现要素：

本实用新型提供EDA教学实验装置，解决现有技术存在的不能有效提高学生实践能力的问题。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

EDA教学实验装置，包括FPGA模块、蜂鸣模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块、显示模块、串行通讯模块、模数转换模块、数模转换模块、实时时钟模块、I²C存储器、电机驱动模块、图像采集模块、SDRAM模块、配置模块；所述蜂鸣模块的输入端与FPGA模块连接；所述矩阵键盘模块的输出端与FPGA模块连接；所述拨码开关的输出端与FPGA模块连接；所述显示模块与FPGA模块连接；所述串行通讯模块与FPGA模块连接；所述模数转换模块将外部模拟信号转换为数字信号输入至FPGA模块；所述数模转换模块将FPGA输出的数字信号转换为数字信号输入至外部电路模块；所述实时时钟模块与FPGA模块连接；所述I²C存储器与FPGA模块连接；所述电机驱动模块的控制端与FPGA模块连接；所述图像采集模块与FPGA模块连接；所述SDRAM模块与FPGA模块连接；所述配置模块与FPGA模块连接。

进一步地，还包括扩展接口转换模块；所述FPGA模块通过扩展接口转换模块与蜂鸣模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块、显示模块、串行通讯模块、模数转换模块、数模转换模块、实时时钟模块、I²C存储器以及电机驱动模块连接。

进一步地，还包括流水灯模块；所述流水灯模块与FPGA模块连接。

进一步地，还包括VGA模块；所述VGA模块与FPGA模块连接。

进一步地，还包括温度检测模块；所述温度检测模块的输出端与FPGA模块连接。

进一步地，还包括超声波测距模块；所述超声波测距模块与FPGA模块连接。

进一步地，还包括USB模块；所述USB模块与FPGA模块连接。

与现有技术相比，具有如下特点：

1、设置FPGA模块、蜂鸣模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块、显示模块、串行通讯模块、模数转换模块、数模转换模块、实时时钟模块、I²C存储器、电机驱动模块、图像采集模块、SDRAM模块、配置模块等，学生可选择上述全部或部分模块进行电路设计，达到实验目的，进行电路设计时，不仅可以锻炼硬件设计能力，还能以不同的软件、不同的语言对硬件实现相同的控制和处理，调试过程还能锻炼排故能力，学生还可根据需求设置相应的上位机，能有效提高学生的实践能力；

2、设置扩展接口转换模块，使得FPGA模块与其它模块分离，后续实验过程，可能需更换或更新FPGA芯片，这种分离设置，有利于实现更换和更新，更有助于延长本装置的使用期限，还能为学生扩展其它底板提供便利。

附图说明

图1为本实用新型结构原理框图。

图2为数字电子时钟实验的原理框图。

图3为密码锁实验的原理框图。

图4为图像采集显示实验的原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于这些实施例。

EDA教学实验装置，包括FPGA模块、蜂鸣模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块、显示模块、串行通讯模块、模数转换模块、数模转换模块、实时时钟模块、I²C存储器、电机驱动模块、图像采集模块、SDRAM模块、配置模块；所述蜂鸣模块的输入端与FPGA模块连接；所述矩阵键盘模块的输出端与FPGA模块连接；所述拨码开关的输出端与FPGA模块连接；所述显示模块与FPGA模块连接；所述串行通讯模块与FPGA模块连接；所述模数转换模块将外部模拟信号转换为数字信号输入至FPGA模块；所述数模转换模块将FPGA输出的数字信号转换为数字信号输入至外部电路模块；所述实时时钟模块与FPGA模块连接；所述I²C存储器与FPGA模块连接；所述电机驱动模块的控制端与FPGA模块连接；所述图像采集模块与FPGA模块连接；所述SDRAM模块与FPGA模块连接；所述配置模块与FPGA模块连接。

FPGA为Altera公司的专用配置PROM芯片EPCS4，以实现加电自动配置，可通过JTAG模式下载设计程序，核心板把I/O口全部引出，便于学生进行电路设计。FPGA模块采用5V输入，设有两块LM317电源芯片，分别输出3.3V和1.5V电压，还设有50MHz有源晶振，满足高速设计要求。

蜂鸣模块主要含有蜂鸣器，蜂鸣器接收FPGA模块的控制信号，发出不同的声音，在电路设计中用作提示、报警。

矩阵键盘模块含至少1组4*4矩阵键盘，学生可根据需求组件8*8、16*16等矩阵键盘，通过利用矩阵键盘模块，学生对键盘扫描原理、键盘电路和键值读取等有更深入的理解。

拨码开关模块包含有多路拨码开关，学生进行电路设计时，可通过多路拨码开关切换通路。

显示模块板含有液晶显示电路和数码管显示电路，学生可通过选择数字显示和数码显示的方式，对液晶显示器和数码管进行了解。

串行通讯模块为RS232串口电路，电路设计获取的数据、信号可通过RS232串口电路输入至上位机，学生可练习通讯原理和上位机的设计。

模数转换模块为双通道高速12位AD转换电路，主要由两片12位40MSPS的AD9220高速模/数转换芯片组成，可以满足高速数据采集与处理的设计要求，学生可以通过FPGA核心模块板来完成对双路AD转换的时序控制、数据的实时处理以及波形的存储。

数模转换模块为双通道高速12位DA转换电路，主要由两片14位105MSPS的AD9764高速数/模转换芯片组成，可以满足对于高速信号产生的设计要求，学生可以借助FPGA模块板，利用DDS技术实时产生点频、线性调频、ASK、FSK等各种形式的数字信号，并通过控制高速DA转换来得到所需的模拟信号。

实时时钟模块为，即RTC，用内置晶振或外置晶振的方式进行电路设计，组成可生成脉冲的时钟电路，用于为后续电路提供稳定的时钟信号。

I²C存储器用于存储数据。I²C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。学生通过I²C存储器的实用，可锻炼对数据线、时钟线的操作，提升对I²C存储器的读、写理解。

电机驱动模块接收FPGA模块的控制信号，驱动外部步进电机。该模块可由本实用新型提供，也可由学生自行开发。

图像采集模块主要为OV7670图像传感器，体积小、工作电压低。OV7670图像传感器输出图像数据到FPGA模块进行接收处理，可使用Verilog HDL语言编写程序模块处理。

SDRAM模块为串行Flash配置芯片是FPGA模块和NIOSII软件程序的存储芯片。

SDRAM模块是64Mbit，型号为SAMSUNG公司生产的K4S641632K,实验证明,当时钟频率达到120Mhz时，本实用新型可以平稳运行。

进一步包括扩展接口转换模块；所述FPGA模块通过扩展接口转换模块与蜂鸣模块、矩阵键盘模块、拨码开关模块、显示模块、串行通讯模块、模数转换模块、数模转换模块、实时时钟模块、I²C存储器以及电机驱动模块连接。将FPGA模块通过标准插座插在扩展接口转换模块上，引出所有I/O口，与各模块进行连接，这种将FPGA模块与其它模块进行分离的设计，有助于增加灵活性和实用性。实践过程中，可减少教学实验的连线，还可根据需求设计多款不同芯片型号的核心板进行更换，而系统底板资源可兼容共用。

进一步包括流水灯模块；所述流水灯模块与FPGA模块连接。流水灯为至少8各Led灯，流水灯的实现和设计，可用于提示和报警。

进一步包括VGA模块；所述VGA模块与FPGA模块连接。VGA是一种视频传输标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富的有点。学生可根据VGA模块实现视频的显示。

本实用新型还提供包括：温度检测模块，所述温度检测模块的输出端与FPGA模块连接；超声波测距模块，所述超声波测距模块与FPGA模块连接。上述两个模块也可由学生可自行设计，学生还可根据需求设置其它的扩展模块。

本实用新型还包括开关电源模块，所述开关电源模块为其它各模块提供工作电压。还包括有单片机最小系统，由AT89S5x系列单片机、RS-232串口、TFT彩屏液晶扩展接口等组成，既可以作为单片机最小系统板与FPAG进行通信，也可以通过扩展板连接到输入输出模块进行单片机的入门编程培训。

进一步包括USB模块；所述USB模块与FPGA模块连接。在本实用新型中用作数据传输和读、写数据。

本实用新型提供高速FPGA、高速模数转换电路、高速数模转换电路，能满足电子设计竞赛项目的指标要求，既可满足培训和学习的需求，也可直接在比赛中应用，满足电子竞赛最小系统板的竞赛规则。

本实用新型主要针对测量仪器类竞赛题目的实验学习和培训，可设计蜂鸣器声响频率控制、数模输出锯齿波、矩阵键盘与显示、模数采集电压显示等电路，还可设计电子竞赛的课题包括简易数字频率计、数字有效值电压表、移相信号发生器、数字相位测量仪、数字逻辑分析仪、正弦信号发生器、数字存储示波器、程控滤波器、数字电子时钟、密码锁等。

进行数字电子时钟实验时，主要使用FPGA模块、矩阵键盘模块、蜂鸣模块、显示模块以及串行通讯模块，连接关系如图2所示。其中，显示模块采用数码管显示电路，用于显示实时时间。将FPGA模块的数据输出接口连接至数码管显示电路的数据输入接口，学生通过矩阵键盘模块设置时间，FPGA模块扫描矩阵键盘模块，通过扫描键值来获取设置的时间信息，当实时时间到达设置时间时，FPGA模块控制蜂鸣模块蜂鸣，提醒设置时间已到。学生还可设计上位机，通过串行通讯模块将时间信息发送到上位机，用户便可在上位机设置时间，如此，则不必局限于仅通过矩阵键盘模块进行时间设置。

进行密码锁设计时，主要使用FPGA模块、矩阵键盘模块、蜂鸣模块、显示模块I²C存储器以及步进电机驱动模块。用户通过矩阵键盘模块设置门禁密码，I²C存储器存储门禁密码，掉电时门禁密码不会丢失，当用户需进门时，在矩阵键盘键入密码时，所输入的密码在显示模块进行显示，FPGA模块判断密码是否正确，如果密码正确，FPGA模块向步进电机驱动模块发送信号，控制外部步进电机转动一定角度，模拟开门动作，如果密码错误，则蜂鸣模块发出蜂鸣声。

进行图像采集显示实验时，主要实用FPGA模块、SDRAM模块、图像采集模块和显示模块。图像采集模块获取图像，输入至FPGA模块进行处理，并通过显示模块进行显示。本实验显示模块为液晶显示电路。

进行此类实验时，即包含有硬件电路设计，又通过软件进行数据采集、处理和控制，还可进行扩展设置相应的上位机，能有效提升学生的硬件、软件能力，以及联调时的排故能力。