一种FPGA实验板

本技术涉及fpga教学实验，尤其涉及一种fpga实验板。

背景技术：

1、国内高校陆续开展了硬件描述语言、数字系统设计等课程，并配套可编程逻辑器件实验。目前工程上采用fpga作为数字电路实现的主要手段，所以开展与fpga相关的课程教学实验十分重要。

2、fpga(field－programmable gatearray)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物。fpga作为专用继承电路领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路功能单一的问题、又克服了通用处理器计算效率低下的问题。

3、现有的与fpga相关的实验设备为fpga实验箱，但fpga实验箱存在造价高昂、功能繁杂、不易携带，过于专业化、造成资源浪费、且实验内容与课堂教学存在一定偏差、不利于初学者理解fpga数字系统设计的知识理念、很难融入初学者日常使用等缺点。

4、此外，现有的fpga实验箱通常不具有光电检测模块，并且现有的光电检测模块仅包括光敏元件，当信号较弱时，容易出现检测结果不稳定的情况。

技术实现思路

1、本实用新型实施例的目的是提供一种fpga实验板，以解决现有的fpga实验箱存在造价高昂、实验内容与课堂教学存在一定偏差等技术问题。

2、为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供如下技术方案：

3、本技术提供了一种fpga实验板，fpga实验板包括fpga核心模块和与其连接的彩灯模块、数码显示模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、led显示模块、键盘模块和电源管理模块。

4、进一步地，fpga核心模块包括fpga芯片和核心电路，fpga芯片具有io端口、电源端口、地面端口和jtag端口，多个io端口用于与彩灯模块、数码显示模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、led显示模块、键盘模块连接；电源端口用于与电源管理模块连接；地面端口用于接地；jtag端口用于与pc端连接加载程序；核心电路包括存储电路、晶振电路和核心电源转换电路，核心电源转换电路设置在fpga芯片的电源端口和电源管理模块之间；存储电路与fpga芯片连接，晶振电路与fpga芯片连接。

5、进一步地，光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器；光电对管传感器包括相对设置的发光管和感光管；电压比较器包括运算放大器和滑动变阻器；运算放大器的in1+引脚与光电对管传感器连接，运算放大器的in1-引脚与滑动变阻器的第二引脚连接，滑动变阻器的第三引脚通过一个电阻与电源管理模块连接，滑动变阻器的第一引脚接地；运算放大器的第一引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；运算放大器的第十一引脚接地；运算放大器的第四引脚与电源管理模块提供的5v电源连接。

6、进一步地，彩灯模块包括多个彩灯、多个npn型三极管和多个电阻；每个npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯的第一端连接；彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地。

7、进一步地，数码显示模块包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.”形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。

8、进一步地，在彩灯模块中，多个彩灯呈圆形、方形、直线形、或不规则图像布置；多个彩灯分为多组彩灯模组，每组彩灯模组中包括红黄绿三色彩灯。

9、进一步地，在数码显示模块中，多个数码管排列为一排或多排。

10、进一步地，交通灯控制模块包括垂直设置的两组交通灯组件，每组交通灯组件包括交通灯单元和倒计时单元；交通灯单元包括红黄绿三色彩灯、三个npn型三极管和六个电阻，每个npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯第一端连接；彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地；倒计时单元包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.”形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。

11、进一步地，风扇模块包括风扇、npn型三极管和电阻，npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与风扇连接，npn型三极管的发射极接地。

12、进一步地，温度采集模块包括温度传感器、用于模数转换的单片机、传感器接口和下载口；传感器接口和下载口均与单片机连接，传感器接口与温度传感器连接，单片机用于将温度模拟信号转换为温度数字信号；单片机的第十一引脚、第十二引脚、第十三引脚、第十五引脚、第十六引脚、第十七引脚、第二十引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；单片机的第七引脚接地，单片机的第八引脚通过一个电容接地；单片机的第九引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第九引脚还并联有一个电容后接地；单片机的第四引脚还与下载口的第三引脚连接，单片机的第四引脚通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第四引脚还并联一个电容后接地；下载口的第二引脚与单片机的第十八引脚连接；下载口的第四引脚接地；下载口的第一引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接；传感器接口的第一引脚接地，传感器接口的第二引脚与单片机的第十四引脚连接，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后接地，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后与电源管理模块提供的3.3v电源连接。

13、进一步地，声音模块包括蜂鸣器和npn型三极管，npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与蜂鸣器连接，npn型三极管的发射极接地；蜂鸣器与电源管理模块提供的5v电源连接。

14、进一步地，开关模块包括至少一个开关单元，开关单元包括自锁开关和开关信号灯，自锁开关的第一引脚与电源管理模块的输出的5v电源连接，自锁开关的第二引脚通过一个电阻与开关信号灯的第一端连接，自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与开关信号灯的第二端连接，自锁开关的第二引脚和开关信号灯的第二端均接地；自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接。

15、进一步地，led显示模块包括呈矩阵布置的多个led模组和多个电阻，每个led模组包括三色led单元；led显示模块具有多个引脚，每个引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接。

16、进一步地，键盘模块包括矩阵键盘和多个电阻，矩阵键盘的每个引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；矩阵键盘的每个引脚还通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接。

17、进一步地，电源管理模块包括电源输入接口、电源开关、电源指示灯、第一电源管理芯片、第二电源管理芯片、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电阻；电源输入接口的第一引脚与输入的12v电源连接，电源输入接口的第一引脚还与电源开关的第二引脚连接，电源开关的第一引脚通过电阻与电源指示灯的第一端连接，电源指示灯的第二端接地；第一电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第一电源管理芯片的第一引脚还与第一电容连接后接地；二极管的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第一电感的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，第一电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第二电容连接后接地；第一电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第一电感的第二端用于向外提供5v电源；第二电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第二电源管理芯片的第一引脚还与第三电容连接后接地；二极管的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第二电感的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，第二电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第四电容连接后接地；第二电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第二电感的第二端用于向外提供3.3v电源。

18、进一步地，交通灯控制模块用于实现交通灯控制实验；led显示模块和键盘模块配合用于实现动态字符显示实验或用于实现动画显示实验；光电检测模块、数码显示模块和开关模块用于实现出租车计价器实验；温度采集模块、风扇模块和开关模块用于实现智能风扇实验；数码显示模块和开关模块用于实现数字钟实验或电子秒表实验；键盘模块、数码显示模块、声音模块和彩灯模块用于实现密码锁；开关模块、数码显示模块和彩灯模块用于实现乒乓球实验；声音模块用于实现警笛报警实验；彩灯模块用于实现霓虹灯或跑马灯实验；led显示模块、数码显示模块和开关模块用于实现电梯控制实验。

19、相较于现有技术，本实用新型提供的fpga实验板具有造价低廉，方便携带，散热迅速，功能简单易懂，实验内容与课堂教学内容相匹配，便于初学者理解fpga数字系统设计的知识理念，有利于初学者日常使用和掌握等有益技术效果。此外，本技术提供的fpga实验板增加了光电检测模块，利用光电检测模块可以实现更多实验，并且本技术的光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器，电压比较器增加后，可以将光电对管传感器检测到的信号进行放大，从而提升实验效果，避免检测结果不稳定的情况发生。