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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(xiě)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
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