單片機(jī)FPGA最小系統(tǒng)與電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽

單片機(jī)、FPGA最小系統(tǒng)板

與

大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽陸珉國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院2/5/20231主要內(nèi)容單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介單片機(jī)最小系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例FPGA最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介FPGA最小系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例綜合應(yīng)用實(shí)例2/5/20232摘自

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽基本儀器和主要元器件清單二、主要元器件清單

單片機(jī)最小系統(tǒng)板（僅含單片機(jī)芯片、鍵盤與顯示裝置、存儲(chǔ)器)可編程邏輯器件下載板（僅含可編程芯片、下載電路、配置存儲(chǔ)器）

A/D、D/A變換器運(yùn)算放大器、電壓比較器可編程邏輯器件

……2/5/20233什么是單片機(jī)最小系統(tǒng)？滿足單片機(jī)運(yùn)行的最小硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路擴(kuò)展的單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、鍵盤、顯示器、存儲(chǔ)器不得包含ADC、DAC2/5/20234典型的單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)液晶LED時(shí)鐘按鍵串口2/5/20235為什么使用單片機(jī)最小系統(tǒng)電路模式化，差異性較小縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，展現(xiàn)設(shè)計(jì)水平減少系統(tǒng)故障率，提高系統(tǒng)可靠性2/5/20236單片機(jī)的選型原則選用常用內(nèi)核的單片機(jī)MCS51、PIC、MSP430、AVR程序存儲(chǔ)器為FLASH可重復(fù)擦寫具有豐富的外設(shè)及接口SPI、I2C、WDT、PCA、RTC具備JTAG在線仿真功能2/5/20237單片機(jī)最小系統(tǒng)板的對(duì)外擴(kuò)展并行總線擴(kuò)展數(shù)據(jù)線、地址線、通用IO端口串行總線擴(kuò)展串口、I2C接口、SPI接口2/5/20238其它注意事項(xiàng)電源選擇與省電設(shè)計(jì)3.3V設(shè)計(jì)多種不同類型的最小系統(tǒng)板體積、功能、耗電最小系統(tǒng)板的保護(hù)電源保護(hù)、管腳保護(hù)2/5/20239單片機(jī)最小系統(tǒng)應(yīng)用舉例1999年試題5：數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)

2/5/202310設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)，

1.基本要求放大器1的增益為46dB，放大器2的增益為40dB，增益均可調(diào)；帶通濾波器：通帶為300Hz~3.4kHz；ADC：采樣頻率=8kHz，字長(zhǎng)=8位；語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間≥10秒；DAC：變換頻率=8kHz，字長(zhǎng)=8位；回放語(yǔ)音質(zhì)量良好。2/5/202311設(shè)計(jì)分析采樣率較低，用單片機(jī)完全可以勝任涉及語(yǔ)音壓縮及濾波算法，用單片機(jī)完成較為合適較容易實(shí)現(xiàn)一些人機(jī)接口功能2/5/202312系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2/5/202313FPGA最小系統(tǒng)包括FPGA芯片電源電路配置接口配置存儲(chǔ)器時(shí)鐘2/5/202314典型的FPGA最小系統(tǒng)板FPGA時(shí)鐘電源下載接口管腳引出2/5/202315FPGA系統(tǒng)板在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的作用粘連邏輯（地址譯碼等）高性能數(shù)字功能模塊（DDS、頻率計(jì)、DSP等）特殊存儲(chǔ)器（FIFO、雙口RAM）嵌入式處理器（PowerPC405、MicroBlaze）2/5/202316FPGA的新特性采用IPCore設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間嵌入式處理器片上系統(tǒng)（SOC）片上邏輯分析儀（ChipScope），提高調(diào)試效率2/5/202317FPGA系統(tǒng)板設(shè)計(jì)FPGA芯片選型XC9500XL系列Spartan-II（E）系列（2.5V、1.8V）Spartan-3（E）系列（1.2V）電源設(shè)計(jì)專用電源芯片通用穩(wěn)壓芯片（LM317）2/5/202318FPGA系統(tǒng)板設(shè)計(jì)時(shí)鐘Spartan-II系列系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)200MHzSpartan-3系列系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)326MHz配置芯片XC17系列XC18系列XCF系列2/5/202319FPGA系統(tǒng)板的應(yīng)用2003年試題C低頻數(shù)字式相位測(cè)量?jī)x2/5/202320設(shè)計(jì)并制作一個(gè)低頻相位測(cè)量系統(tǒng)，包括相位測(cè)量?jī)x、數(shù)字式移相信號(hào)發(fā)生器和移相網(wǎng)絡(luò)三部分，示意圖如下：

2/5/2023211、基本要求（1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)相位測(cè)量?jī)xa．頻率范圍：20Hz～20kHz。b．相位測(cè)量?jī)x的輸入阻抗≥100kΩ。c．允許兩路輸入正弦信號(hào)峰-峰值可分別在1V～5V范圍內(nèi)變化。d．相位測(cè)量絕對(duì)誤差≤2°。e．具有頻率測(cè)量及數(shù)字顯示功能。f．相位差數(shù)字顯示：相位讀數(shù)為0°~359.9°，分辨力為0.1°。頻率為20KHz，相位分辨率為0.1°時(shí)，采樣時(shí)鐘為72MHz2/5/202322設(shè)計(jì)分析相位測(cè)量需要較高的采樣時(shí)鐘，單片機(jī)不能完成控制邏輯及顯示內(nèi)容較簡(jiǎn)單2/5/202323系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖相位測(cè)量模塊LED驅(qū)動(dòng)模塊邏輯處理模塊2/5/202324單片機(jī)與FPGA的分工單片機(jī)適合完成相對(duì)復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算、控制邏輯、人機(jī)接口FPGA完成高速、高性能、并行的處理工作兩者是互補(bǔ)的，應(yīng)合理的劃分兩者的任務(wù)2/5/202325單片機(jī)與FPGA的綜合應(yīng)用2003年試題A波形發(fā)生器一、任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形。2/5/2023261．基本要求

（1）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能。

（2）用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形（同周期）的線性組合波形，以及由基波及其諧波（5次以下）線性組合的波形。

（3）具有波形存儲(chǔ)功能。

（4）輸出波形的頻率范圍為100Hz～20kHz（非正弦波頻率按10次諧波計(jì)算）；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤100Hz。

（5）輸出波形幅度范圍0～5V（峰-峰值），可按步進(jìn)0.1V（峰-峰值）調(diào)整。

（6）具有顯示輸出波形的類型、重