基于FPGA的便携式实验教学装置的制作方法

本实用新型具体涉及一种基于FPGA的便携式实验教学装置。

背景技术：

目前，随着我国经济技术的发展和教育水平的提高，无数的高中应届毕业生都走入了大学校园，开始了崭新的学习旅程。

在大学教育中，数字电路的学习是大学理工科教育中的重要一环。其中，数字电路的学习以电路实验的形式效果最佳，因此，现在全国高校和高职院校都已经普及了数字电路实验学习的课程。

数字逻辑电路分析与设计是理工科类专业学生的一门重要课程，教导学生如何利用数字电路进行逻辑设计。因此该课程不仅要求学生掌握理论知识，而且强调锻炼学生的设计思路和动手能力。FPGA可以通过硬件描述语言对集成电路进行构建，用于电路设计的验证，因此许多学校将FPGA、QuartusⅡ和Verilog HDL等实践知识融入数字逻辑电路教学。这可以激发学生的学习兴趣，培养学生的实践动手能力和创新意识，对教学质量的提高可以起到非常好的促进效果。

目前用于数字逻辑电路分析与设计课程的实验箱在教学上具有以下一些问题：1）设备体积大，制作成本高，在实际教学中通常是多名学生共用一台实验箱，无法满足学生使用的需求，抑制了学生实验过程中创新创造的能力；2）实验箱接口多而复杂，操作不够简便，使得学生在实验课程时间有限的情况下，不能更多地把时间与精力集中在逻辑设计上，影响了教学质量；3)资源固定，拓展能力不强。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种针对FPGA设计的，使用方便快捷，成本低廉的基于FPGA的便携式实验教学装置。

本实用新型提供的这种基于FPGA的便携式实验教学装置，包括电源模块、FPGA芯片电路、USB接口模块、按键输入模块、数码显示模块和下载接口模块；USB接口模块、按键输入模块、数码显示模块和下载接口模块均与FPGA芯片电路连接；电源模块给所述实验装置供电；FPGA芯片电路通过USB接口模块或下载接口模块与外部设备连接；使用者通过按键输入模块对FGPA芯片电路发出控制指令；数码显示模块用于显示FPGA芯片电路的工作信息。

所述的基于FPGA的便携式实验教学装置还包括外扩存储器；外扩存储器与FPGA芯片电路连接，用于对FPGA芯片的存储器进行扩展。

所述的USB接口模块包括USB接口和USB转TLL串口电路；所述USB接口为Mini-USB接口，用于对外提供通用性的接口；所述USB转TLL串口电路连接在FPGA与USB接口之间，用于将通过USB接口传输的数据转换为TLL串口信号并输入到FPGA，或者将FPGA输出的信号转换为USB接口信号并通过USB接口对外输出。

所述的USB转TLL串口电路为型号为CH340G的USB转串口芯片电路；芯片的1脚接地，2脚和3脚为串口通信接线端，连接FPGA芯片，同时还通过指示灯连接电源正极；芯片的4脚通过滤波电容接地；芯片的5脚和6脚为USB通信的数据接口，连接USB接口的数据引脚；芯片的7脚和8脚连接晶振电路；芯片的16脚连接电源正极。

所述的外扩存储器的芯片型号为EPCS4。

所述的电源模块包括AC/DC整流器电路和线性稳压器电路；所述AC/DC整流器电路用于将外部交流市电转换为低压直流电，并通过所述线性稳压器对所述实验装置提供稳定的电源。

所述的FPGA芯片电路的晶振信号由所述USB转串口芯片的晶振信号提供。

所述的按键输入模块包括若干个按键和与按键数目相对应的上拉电阻和下拉电阻，以及一个拨码开关、若干个指示灯和与指示灯数目对应的第一限流电阻、第二限流电阻和旁路电阻；所述按键的一端与地连接，按键的另一端通过上拉电阻与电源正极连接，同时还通过下拉电阻与FPGA的I/O口连接；所述的FPGA的I/O口还通过第一限流电阻连接拨码开关，此外拨码开关还通过第二限流电阻和指示灯与地连接，旁路电阻与所述指示灯并联。

所述的数码显示模块包括数码显示管、指示灯和限流电阻；FPGA的第一~第八I/O引脚通过各自的限流电阻连接数码显示管，第九~第十六I/O引脚则连接数码显示管的位选信号引脚，同时FPGA的第十七~第三十二I/O引脚还通过各自的限流电阻和指示灯连接到地。

本实用新型提供的这种于教学的FPGA实验装置，专门针对FPGA的芯片特点进行设计，使用者通过下载接口模块将程序下载到FPGA芯片后，即可通过实验装置的按键输入模块对FPGA的I/O引脚电平进行控制，并通过数码显示模块观察到FPGA芯片对应的I/O引脚的电平变化；此外，FPGA芯片的运行信息还能够通过所述的USB接口模块将FPGA芯片的运行信息导出；因此本实用新型的实用装置非常适用于学生的教学使用，而且电路简单，成本低廉，使用方便。

附图说明

图1为本实用新型的功能模块图。

图2为本实用新型的FPGA芯片电路的电路原理图。

图3为本实用新型的USB接口模块的USB转TLL串口电路的电路原理图。

图4为本实用新型的按键输入模块的电路原理图一。

图5为本实用新型的按键输入模块的电路原理图二。

图6为本实用新型的数码显示模块的电路原理图一。

图7为本实用新型的数码显示模块的电路原理图二。

图8为本实用新型的数码显示模块的电路原理图三。

具体实施方式

如图1所示为本实用新型的功能模块图：本实用新型提供的这种基于FPGA的便携式实验教学装置，包括电源模块、FPGA芯片电路、USB接口模块、按键输入模块、数码显示模块、下载接口模块和外扩存储器； USB接口模块、按键输入模块、数码显示模块和下载接口模块均与FPGA芯片电路连接；电源模块给所述实验装置供电；FPGA芯片电路通过USB接口模块或下载接口模块与外部设备连接；使用者通过按键输入模块对FGPA芯片电路发出控制指令；数码显示模块用于显示FPGA芯片电路的工作信息；外扩存储器与FPGA芯片电路连接，用于对FPGA芯片的存储器进行扩展。外扩存储器的芯片型号为EPCS4。所述的USB接口模块包括USB接口和USB转TLL串口电路；所述USB接口为Mini-USB接口，用于对外提供通用性的接口；所述USB转TLL串口电路连接在FPGA与USB接口之间，用于将通过USB接口传输的数据转换为TLL串口信号并输入到FPGA，或者将FPGA输出的信号转换为USB接口信号并通过USB接口对外输出。

如图2所示为本实用新型的FPGA芯片电路的电路原理图：本实用新型的FPGA芯片采用型号为EP1C3T100的FPGA芯片；芯片的10脚通过滤波电容连接12MHz频率源，所述频率源则由USB接口模块的电路提供；芯片的61脚通过电阻R9连接电源正极。

如图3所示为本实用新型的USB接口模块的USB转TLL串口电路的电路原理图：所述的USB转TLL串口电路为型号为CH340G的USB转串口芯片电路；芯片的1脚接地，2脚和3脚为串口通信接线端，连接FPGA芯片，同时还通过指示灯连接电源正极；芯片的4脚通过滤波电容接地；芯片的5脚和6脚为USB通信的数据接口，连接USB接口的数据引脚；芯片的7脚和8脚连接晶振电路，将该晶振电路同时还为FPGA芯片提供晶振信号；芯片的16脚连接电源正极；图中的USB接口为具有串口通信和电源供电功能的Min-USB接口，可用数字逻辑电路设计实现串口功能，与PC机进行串口通信。

如图4所示为本实用新型的按键输入模块的电路原理图一：所述的按键输入模块包括若干个按键（图中为K0 KEY~K3 KEY）和与按键数目相对应的上拉电阻（R49~R52）和下拉电阻（R5~R8）；所述按键的一端与地连接，按键的另一端通过上拉电阻与电源正极连接，同时还通过下拉电阻与FPGA的I/O口连接；所述的FPGA的I/O口还通过第一限流电阻连接拨码开关，此外拨码开关还通过第二限流电阻和指示灯与地连接，旁路电阻与所述指示灯并联；图中的信号源K0~K3均与FPGA的I/O引脚连接。

如图5所示为本实用新型的按键输入模块的电路原理图二：所述的按键输入模块还包括一个拨码开关（SW8）、若干个指示灯和与指示灯数目对应的第一限流电阻（R61~R68）、第二限流电阻（R41~R48）和旁路电阻（R53~R60）；所述按键的一端与地连接，按键的另一端通过上拉电阻与电源正极连接，同时还通过下拉电阻与FPGA的I/O口连接；所述的FPGA的I/O口还通过第一限流电阻连接拨码开关，此外拨码开关还通过第二限流电阻和指示灯与地连接，旁路电阻与所述指示灯并联；图中的信号源A0~A7均与FPGA的I/O引脚连接。

如图6所示为本实用新型的数码显示模块的电路原理图一：所述的数码显示模块包括数码显示管、指示灯和限流电阻；FPGA的8个I/O引脚（A~H）通过各自的限流电阻连接数码显示管，同时FPGA的另8个I/O引脚（SEL0~SEL7）还连接数码显示管的位选信号引脚。

如图7所示为本实用新型的数码显示模块的电路原理图二，而如图8所示为本实用新型的数码显示模块的电路原理图三：所述的数码显示模块还包括指示灯和限流电阻；FPGA的另外16个I/O引脚（X0~X7以及Y0~Y7）还通过各自的限流电阻和指示灯连接到地。

本实用新型提供的这种基于FPGA的便携式实验教学装置，将所有的电路集中、合理的布置在一块小型PCB电路板上，以便携带。学生在采用本实用新型提供的这种实验教学装置时，需要根据自己对于FPGA的理解编写实验程序，通过下载接口模块（JTAG接口或者AS接口）将数字逻辑电路下载到FPGA模块中后，电路才开始工作。学生根据编写和下载的FPGA程序，通过按键操作，可以改变数字逻辑电路的输入状态，结果显示模块上的数码管和LED发光二极管的状态将会发生相应的变化。通过USB接口连接实验PC，可以将结果数据上传到PC的串口上位机上进行查看，串口上位机可以向FPGA模块发送命令，改变FPGA模块的输入状态。通过上述的实验教学，学生能够较好的、直观的理解FPGA的作用、功能、编程方法、实验和应用等各种知识。