fpga开发板设计与研究硬件部分(附件)
FPGA开发系统广泛应用于电子产品开发，FPGA开发板对学习和熟悉FPGA的使用和开发具有重要意义。本论文设计了一套实用的、系统的、适合于实验教学的FPGA开发系统。本论文采用将开发板的最小系统与外围电路集合在一块电路板上的设计方案，本开发板采用的是Altera公司生产的CycloneⅠEP1C3T144C8型芯片，具有104个用户I/O管脚，满足数码管电路、矩阵键盘电路等外围电路模块的使用。开发板设计了二十多个外围电路，满足用户对不同电路模块的设计要求。本文重点对开发板的硬件部分进行了设计，制作的开发板经调试，能够稳定的工作。关键词 FPGA；开发板；PCB 目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 论文安排 2
2 开发板总体设计方案 2
3 开发板硬件设计 4
3.1 硬件电路芯片结构 4
3.2 电路模块及原理 5
4 工程设计 23
4.1 Altium Designer 10功能简介 23
4.2 电路原理图设计 23
4.3 PCB图的设计 24
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 开发板原理图1 31
附录B 开发板原理图2 32
附录C 开发板原理图3 33
1、 绪论
1.1 研究背景
FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑门阵列，它是由PAL、GAL、CPLD等可编程器件经过进一步发展而出现的新一代可编程逻辑器件【3】。它是专用集成电路（ASIC）中的一种半定制电路，相对于定制IC其内部功能已经固化，只能是开启/关闭不同的功能模块而言，FPGA是一种可编程逻辑器件，用户可以根据自己的实际开发需求进行相应的设计开发。FPGA采用可编程查找表（Look Up Table ,LUT)结构，LUT是构成可编程的最小逻辑单元。大部分FPGA采用的是基于SRAM的查找表逻辑形成结构，即用SRAM来组成逻辑函数发生器。每个查找表通过连接到一个D触发器的输入端口来驱动其他的逻辑
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对于定制IC其内部功能已经固化，只能是开启/关闭不同的功能模块而言，FPGA是一种可编程逻辑器件，用户可以根据自己的实际开发需求进行相应的设计开发。FPGA采用可编程查找表（Look Up Table ,LUT)结构，LUT是构成可编程的最小逻辑单元。大部分FPGA采用的是基于SRAM的查找表逻辑形成结构，即用SRAM来组成逻辑函数发生器。每个查找表通过连接到一个D触发器的输入端口来驱动其他的逻辑电路或驱动输入/输出口，从而构成能同时实现组合逻辑功能和时序逻辑功能的基本逻辑单元模块【13】。
FPGA内部由四个部分组成，分别是可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB、内部连线模块和片内RAM。用户向FPGA的内部静态存储单元中加载特定的编程数据来实现相应的逻辑功能，且用户可以无限次的加载不同的编程数据，因此它可以被无限次编程。
1.2研究现状
在20世纪80年代中期，Xilinx公司首次提出现场可编程概念，同时生产出了世界上第一片FPGA—XC2064，它拥有的门电路数量总共不过才1000门左右，采用是相对于现在来说很落后的2um工艺，而且仅仅只包含了64个逻辑单元模块。同一时期，Altera公司推出了EPLD器件，但是这样的新产品并没有受到大众的关注。直到20世纪90年代，XC4000系列作为Xilinx公司研发出的第三代FPGA产品推出市场，人们才真正的开始关注这一新技术。进入21世纪以来，FPGA在逻辑规模、适用领域、工作速度、降低功耗、集成程度等方面的进步变得更加瞩目。
目前 FPGA技术正处在高速发展时期，新型芯片的集成规模越来越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件，高端的FPGA不断在取代ASIC的地位【2】。不断改进的生产工艺为FPGA的迅速发展扫清了许多障碍。FPGA将在更大的范围内代替原有的可编程逻辑器件，并在当代的电子行业中发挥越来越广泛的作用。
1.3论文安排
本次FPGA开发板设计是从绘制原理图开始，接着通过原理图生成PCB板，然后制作电路板并焊接相应的元器件。最后，在开发板上进行各种基本功能测试。本论文的整体结构安排如下：
第一章 绪论。阐述研究背景，简介FPGA发展过程和发展趋势。确定本次课
题的主要内容。
第二章 开发板总体设计方案。详细介绍了开发板的总体设计结构。
第三章 开发板电路设计原理。详细介绍了开发板的硬件电路设计思路，根据功能划分成不同的模块，并对不同发的模块进行了具体的分析。
第四章 工程设计。简介使用的工程设计软件，绘制原理图并完成PCB板设计，制作实物开发板。
2、开发板总体设计方案
FPGA开发板可分为核心电路板和外围电路板两个部分，本开发板采用核心系统与外围电路集合在一块电路板上的设计方案。核心电路是FPGA的最小系统即使FPGA正常工作的最简单的系统【13】。可以通过增加不同的外围电路，来获得相应外围电路的功能。本设计先从FPGA的最小系统开始设计，在综合考虑设计成本和工作量的基础上决定增加相应数量和功能的外围电路。
FPGA核心板包括的主要部分有：（1）FPGA芯片、（2）电源电路、（3）时钟电路、（4）下载电路、（5）存储电路、（6）复位电路、（7）扩展接口。其结构框图如图2-1所示。
图2-1 FPGA开发板最小系统
FPGA外围电路是根据本次开发板上所需要实现的功能设计的，添加相应的模块来提供不同实验所需的功能。本次设计的开发板主要包含下列外围电路：（1）数码管显示电路、（2）LED显示电路、（3）8*8点阵电路、（4）独立按键电路、（5）蜂鸣器电路、（6）拨码开关电路、（7）1602/12864液晶显示电路、（8）2*2矩阵键盘电路、（9）DS18B20温度检测电路、（10）红外电路、（11）实时时钟电路、（12）AD电路、（13）DA电路、（14）I2C存储电路、（15）SPI存储电路、（16）直流/步进电机电路、（17）RS232串口电路、（18）SD卡电路、（19）PS/2接口、（20）VGA接口。其框图如图2-2所示。
图2-2FPGA开发板框图
不同的外围电路可为用户提供相应的实验功能，方便用户的学习和使用。多个模块的外围电路组合使用，可以用来进行综合性的实验及应用。如：
1.基础类
（1）流水灯
将计数器产生的循环数据加载到相应的发光二极管上，通过对应位数的高低电平变换控制二极管的亮灭。编写相应的程序控制计数器产生的数据，可
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 论文安排 2
2 开发板总体设计方案 2
3 开发板硬件设计 4
3.1 硬件电路芯片结构 4
3.2 电路模块及原理 5
4 工程设计 23
4.1 Altium Designer 10功能简介 23
4.2 电路原理图设计 23
4.3 PCB图的设计 24
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 开发板原理图1 31
附录B 开发板原理图2 32
附录C 开发板原理图3 33
1、 绪论
1.1 研究背景
FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑门阵列，它是由PAL、GAL、CPLD等可编程器件经过进一步发展而出现的新一代可编程逻辑器件【3】。它是专用集成电路（ASIC）中的一种半定制电路，相对于定制IC其内部功能已经固化，只能是开启/关闭不同的功能模块而言，FPGA是一种可编程逻辑器件，用户可以根据自己的实际开发需求进行相应的设计开发。FPGA采用可编程查找表（Look Up Table ,LUT)结构，LUT是构成可编程的最小逻辑单元。大部分FPGA采用的是基于SRAM的查找表逻辑形成结构，即用SRAM来组成逻辑函数发生器。每个查找表通过连接到一个D触发器的输入端口来驱动其他的逻辑
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对于定制IC其内部功能已经固化，只能是开启/关闭不同的功能模块而言，FPGA是一种可编程逻辑器件，用户可以根据自己的实际开发需求进行相应的设计开发。FPGA采用可编程查找表（Look Up Table ,LUT)结构，LUT是构成可编程的最小逻辑单元。大部分FPGA采用的是基于SRAM的查找表逻辑形成结构，即用SRAM来组成逻辑函数发生器。每个查找表通过连接到一个D触发器的输入端口来驱动其他的逻辑电路或驱动输入/输出口，从而构成能同时实现组合逻辑功能和时序逻辑功能的基本逻辑单元模块【13】。
FPGA内部由四个部分组成，分别是可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB、内部连线模块和片内RAM。用户向FPGA的内部静态存储单元中加载特定的编程数据来实现相应的逻辑功能，且用户可以无限次的加载不同的编程数据，因此它可以被无限次编程。
1.2研究现状
在20世纪80年代中期，Xilinx公司首次提出现场可编程概念，同时生产出了世界上第一片FPGA—XC2064，它拥有的门电路数量总共不过才1000门左右，采用是相对于现在来说很落后的2um工艺，而且仅仅只包含了64个逻辑单元模块。同一时期，Altera公司推出了EPLD器件，但是这样的新产品并没有受到大众的关注。直到20世纪90年代，XC4000系列作为Xilinx公司研发出的第三代FPGA产品推出市场，人们才真正的开始关注这一新技术。进入21世纪以来，FPGA在逻辑规模、适用领域、工作速度、降低功耗、集成程度等方面的进步变得更加瞩目。
目前 FPGA技术正处在高速发展时期，新型芯片的集成规模越来越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件，高端的FPGA不断在取代ASIC的地位【2】。不断改进的生产工艺为FPGA的迅速发展扫清了许多障碍。FPGA将在更大的范围内代替原有的可编程逻辑器件，并在当代的电子行业中发挥越来越广泛的作用。
1.3论文安排
本次FPGA开发板设计是从绘制原理图开始，接着通过原理图生成PCB板，然后制作电路板并焊接相应的元器件。最后，在开发板上进行各种基本功能测试。本论文的整体结构安排如下：
第一章 绪论。阐述研究背景，简介FPGA发展过程和发展趋势。确定本次课
题的主要内容。
第二章 开发板总体设计方案。详细介绍了开发板的总体设计结构。
第三章 开发板电路设计原理。详细介绍了开发板的硬件电路设计思路，根据功能划分成不同的模块，并对不同发的模块进行了具体的分析。
第四章 工程设计。简介使用的工程设计软件，绘制原理图并完成PCB板设计，制作实物开发板。
2、开发板总体设计方案
FPGA开发板可分为核心电路板和外围电路板两个部分，本开发板采用核心系统与外围电路集合在一块电路板上的设计方案。核心电路是FPGA的最小系统即使FPGA正常工作的最简单的系统【13】。可以通过增加不同的外围电路，来获得相应外围电路的功能。本设计先从FPGA的最小系统开始设计，在综合考虑设计成本和工作量的基础上决定增加相应数量和功能的外围电路。
FPGA核心板包括的主要部分有：（1）FPGA芯片、（2）电源电路、（3）时钟电路、（4）下载电路、（5）存储电路、（6）复位电路、（7）扩展接口。其结构框图如图2-1所示。
图2-1 FPGA开发板最小系统
FPGA外围电路是根据本次开发板上所需要实现的功能设计的，添加相应的模块来提供不同实验所需的功能。本次设计的开发板主要包含下列外围电路：（1）数码管显示电路、（2）LED显示电路、（3）8*8点阵电路、（4）独立按键电路、（5）蜂鸣器电路、（6）拨码开关电路、（7）1602/12864液晶显示电路、（8）2*2矩阵键盘电路、（9）DS18B20温度检测电路、（10）红外电路、（11）实时时钟电路、（12）AD电路、（13）DA电路、（14）I2C存储电路、（15）SPI存储电路、（16）直流/步进电机电路、（17）RS232串口电路、（18）SD卡电路、（19）PS/2接口、（20）VGA接口。其框图如图2-2所示。
图2-2FPGA开发板框图
不同的外围电路可为用户提供相应的实验功能，方便用户的学习和使用。多个模块的外围电路组合使用，可以用来进行综合性的实验及应用。如：
1.基础类
（1）流水灯
将计数器产生的循环数据加载到相应的发光二极管上，通过对应位数的高低电平变换控制二极管的亮灭。编写相应的程序控制计数器产生的数据，可
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