基于FPGA的單片機(jī)外圍接口電路設(shè)計(jì)

摘要：利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 FPGA實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的外設(shè)接口電路可以簡(jiǎn)化單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路，提高系統(tǒng)的集成度、可靠性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。本文介紹了基于 FPGA的單片機(jī)外設(shè)接口電路的基本設(shè)計(jì)方法，分別給出了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。所有功能的實(shí)現(xiàn)全部采用 VHDL進(jìn)行描述。

0 引言

單片機(jī)具有性價(jià)比高、功能靈活、易于人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常由鍵盤(pán)、顯示器、通信接口、存儲(chǔ)器、A/D、D/A電路等部分組成。傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常要用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電路或?qū)Ｓ玫慕涌谛酒瑏?lái)組成外圍電路，如地址譯碼、I/O擴(kuò)展等功能通常由標(biāo)準(zhǔn)的TTL/COMS邏輯電路或各種專用接口芯片實(shí)現(xiàn)，這樣就會(huì)使系統(tǒng)的芯片數(shù)增多，接線復(fù)雜，從而使電路板面積增大、可靠性和 EMI性能減低，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的小型化、集成化和高可靠性。而可編程門(mén)陣列FPGA的LCA結(jié)構(gòu)和它豐富的內(nèi)部資源可以用來(lái)設(shè)計(jì)各種組合邏輯和時(shí)序邏輯電路，因此使用FPGA設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍電路能夠大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、修改和擴(kuò)展都變的十分靈活方便。本文通過(guò)對(duì)FPGA器件進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，取代傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)中外設(shè)接口用的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路和專用的接口芯片，使單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路大大簡(jiǎn)化并提高其可靠性。當(dāng)需要改變系統(tǒng)性能時(shí)，可以通過(guò)對(duì)FPGA重新編程而不用改變硬件電路，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)一般單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能模塊，如圖1所示。

1 ）通用邏輯模塊：根據(jù)具體的情況產(chǎn)生各種不同的邏輯電路及控制信號(hào)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)邏輯芯片。本文將其設(shè)計(jì)為擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)用到的地址鎖存器。

2 ）鍵盤(pán)接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)與鍵盤(pán)的接口電路，用 FPGA編程完成消除抖動(dòng)及按鍵識(shí)別功能。本文將其設(shè)計(jì)為4×4掃描鍵盤(pán)的通用接口。

3 ）顯示接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)與顯示器的接口電路，用 FPGA編程完成譯碼、掃描等功能。本文將其設(shè)計(jì)為4位七段動(dòng)態(tài) LED接口。

1 ）串并行接口模塊：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其外設(shè)的串行或并行數(shù)據(jù)通信。本文將其設(shè)計(jì)為串行通信接口模塊。

2 ）其他擴(kuò)展模塊：實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的一些其他常用功能，如 PWM驅(qū)動(dòng)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換的控制等。

本設(shè)計(jì)所采用的FPGA器件是 ALTERA公司的Cyclone-TM系列芯片 EP1C6Q240C8，它具有5980個(gè)邏輯單元， 92160個(gè)比特的嵌入 RAM。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具為硬件描述語(yǔ)言VHDL，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Quartus Ⅱ。