高等院校电子大赛开发板的设计

程倩 龙志远

摘 要：全国大学生电子设计竞赛自1994年主办以来，吸引了国内许多大学参加，这项赛事已成为国内最成功最有影响力的赛事。这项赛事的目的在于提高学生的创造能力和团队精神，同时也提高学生在电子设计和电子工程上的能力。

本课题设计出一种基于单片机和可编程逻辑器件综合应用的开发板，该开发板的硬件模块和软件模块可以根据需要组成实用系统。电路由于采用了高性能的器件，从而具有高速，高可靠，小型化和低功耗等优点。本文主要内容包括：设计了基于"MCU+FPGA体系结构"的开发板，电路采用单片机担当控制的核心;通过CPLD/FPGA实现单片机I/O端口的扩展和产生系统所需的各种数据和控制信号。开发板包括了电子设计中常用的模块电路：数/模转换模块，模/数转换模块，通用键盘和显示模块等。同时编写了与开发板系统相配套的单片机子程序文件。由于电路采用了单片机和可编程逻辑逻辑器件的综合应用技术，使得电路连线减少，可靠性提高，从而减小了开发者的工作强度。

关键词：电子设计;开发板;竞赛

面向全国大学生的全国大学生电子设计竞赛吸引了越来越多的大学生参加，其影响力也在逐年增加，有些作品因为其创新性强、可应用型高而颇受青睐，但是学生在设计过程中有时候也会遇到一些问题，导致思路在转变为成果的过程中遇到一定的障碍。根据对多年的竞赛题目和相关的参赛作品的分析，一般地，竞赛中需开发的主控电路多为数字系统与模拟系统相结合的综合电路，此系统多包括单片机最小系统、基于EDA开发的FPGA或CPLD可编程高速系统、数码显示系统、键控系统、RO M/RAM存储系统、高频时钟系统、A/D转换系统和D/A转换系统等。当所有这些系统连成一协调的主控系统时，连线极为复杂、高速通道的连线技术、以及数模混合系统的抗干扰与单点接地技术要求很高，靠临时手工焊线，成功率低、可靠性差、费时费力，且技术指标难以上去，根据实际需要变更系统通道结构的灵活性也很差。所以，亟待找到一种新的方法或思路来解决这个问题。本文通过研究多年的竞赛题目和相关的参赛作品，提出了一个创新型设计方案：通过合理的硬件电路设计，可以削弱或抑制绝大部分干扰。本设计就是主要从硬件方面进行系统的抗干扰设计，当然，硬件抗干扰和软件抗干扰也并不是绝对的，往往要采用“软硬兼施”的方法。数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。为了抑制这种干扰，在电路中要适当配置去藕电路。本课题设计的目标是设计出一种适用于电子设计竞赛的开发板，开发板采用单片机和FPGA/CPLD两类器件相结合的电路结构。希望这个设计思路对学生有一定的指导意义。

随着可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）和EDA技术的发展。可编程逻辑器件因为自身的优势越来越多地应用于电子产品的设计中，自全国第三届电子技术设计竞赛采用FPGA/CPLD器件以来，FPGA/CPLD器件己得到越来越多的选手的利用，甚至有的竞赛题目如果不借助FPGA/CPLD器件可能很难实现。采用复杂可编程逻辑器件（FPGA/ CPLD），可以使硬件设计进一步软件化。一片FPGA/CPLD器件可替代多片74系列器件，如138译码器、多路开关、244驱动器、与门、或门等，大大减小了板卡体积。同时由于FPGA/CPLD可编程，使设计更为灵活。在设计阶段对FPGA/CPLD的设计通过EDA工具进行仿真，包括功能、时序的模拟仿真，在完成PCB板之前，就可以做好充分的测试验证。所有这些优势使得FPGA/CPLD器件成为了电子技术设计者的宠儿。

一、国内外研究现状和发展趋势

通过对2015年以来的全国大学生电子设计竞赛的题目和一些作品的分析，发现越来越多的题目仅仅依靠单片机是难以完成的。随着CPLD/FPPGA的发展，越来越多的竞赛题目采用二者综合应用的方式来实现。已经有比较多的优秀的竞赛产品的实现就是综合利用二者的结果。江西许多院校多次组队参加该项赛事，参赛成绩不断提高，但是，由于以往所用的设计方法相对比较落后，成绩不够理想。为了做好全国大学生电子设计竞赛的准备工作，进一步提高参赛成绩，亟需设计出一种适用于电子设计竞赛的开发板，针对目前的现状，开发板采用单片机和FPGA/CPLD两类器件相结合的电路结构无疑是最佳选择。

目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的新纪元，这一时期的特点就是芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进;同时国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求;特别引人注目的FPGA动态可重构技术的发展，将进一步推动数字系统设计观念的巨大转变。

在电子设计技术领域，PLD-（可编程逻辑器件）的应用，已有了很好的普及，这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于该器件可以通过软件编程来对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以通过软件编程而对其硬件的结构和上作方式进行重构，这样硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切都极大地改变了傳统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。纵观可编程器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。随着可编程逻辑器件集成规模不断扩大，自身功能的不断完善和计算机辅助设计技术的提高，在现代电子系统设计领域中的EDA便应运而生了。传统的数字电路设计模式，如利用卡诺图等逻辑化简手段以及难懂的布尔方程表达方式和相应的TTL或4000系列小集成规模芯片的堆砌技术正在迅速地退出历史舞台。

EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至对于特定目标芯片地适配编译，逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的PLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。当然，这里所谓EDA主要是指数字系统的自动化设计，因为这一领域的软硬件方面的技术已经比较成熟，应用的普及程度也已比较高。而模拟电子系统的EDA正在进入实用，其初期的EDA不一定需要硬件描述语言。此外，从应用的广度和深度来说，由于电子信息领域的全面数字化，基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。

EDA的实现是与PLD技术的迅速发展息息相关的。PLD器件是80年代中后期兴起的新型器件，其特点是具有用户可编程的特性。利用PLD，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。此外，新型的PLD还具有静态可重复编程或在线动态重构的特性，使硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。

二、研究思路及目标

本设计是针对高等院校电子设计竞赛的现状，提出设计一种能适应现阶段电子设计竞赛的技术改革思路，该开发板可最大限度地利用其板载资源，兼顾成本与实用性，且具有很强的可扩展性强， 是一款可以用于电子设计竞赛，技能抽查，课程设计，毕业设计等方面的开放式综合实训开发板。学生可灵活的利用其板载资源进行自由的搭建项目应用，改变了电子设计竞赛使用传统实验板由于硬件电路固定而造成的学生缺乏创新的缺点，进而从整体上提高了电子设计竞赛质量。

这个基于“MCU十FPGA体系结构”的开发板，电路采用单片机担当控制的核心;通过CPLD/FPGA实现单片机I/0端口的扩展和产生系统所需的各种数据和控制信号。开发板包括了电子设计中常用的模块电路：数/模转换模块、模/数转换模块、通用键盘和显示模块等。同时编写与开发板系统相配套的单片机子程序文件。

在电子产品设计中可以综合利用可编程逻辑器件和单片微机的设计方法，同时设计出基于二者综合利用方法的开发板。这种设计可以兼顾通用性和稳定性。开发板包括了电子设计中常用的模块电路：数/模转换模块、模/数转换模块、通用键盘和显示模块等，这些模块通用性比较强，基本可以实现学生在竞赛中的创新型需求，能够满足学生的设计需要;同时，基于“MCU十FPGA体系结构”的开发板稳定性较强，能够确保学生电子大赛作品的稳定运行。通过对该装置各种测试，能验证设计的正确性以及系统工作的稳定性，这在一定程度上可以确保学生在设计過程中能够反复的调试与修改，确保设计成果的高质量。

三、拟解决的关键问题及可行性分析

这一思路要解决的问题就是开发板硬件抗干扰设计：通过合理的硬件电路设计，可以削弱或抑制绝大部分干扰。本设计就是主要从硬件方面进行系统的抗干扰设计，当然，硬件抗干扰和软件抗干扰也并不是绝对的，往往要采用“软硬兼施”的方法。数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。为了抑制这种干扰，在电路中要适当配置去藕电路来降低其抗干扰。而通过对复杂可编程逻辑器件的发展和应用分析表明，FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其具有开发周期短、开发软件投入少等优点。随着芯片价格不断降低，FPGA越来越多地取代了ASIC，在小批量、多品种的产品方面，FPGA逐渐成为了首选。

综上所述，这个设计思路是完全符合高等院校电子大赛开发板的设计需求的，可以兼顾灵活性和稳定性的需求，提升学生的竞赛成绩。

四、本项目创新点及特色

单片机和CPLD/FPGA有很强的互补性，而“单片机+CPLD/FPGA体系结构”则能够有效地克服单纯以单片机为控制核心和单纯以CPLD/FPGA为控制核心的系统的缺点，并且把二者的长处最大程度的地发挥出来。在基于该体系结构的系统中，单片机担当控制的核心，而在CPLD/FPGA中实现单片机I/O端口的发展，产生系统所需的各种数据和控制信号。结合二者的长处，基于“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统具备可靠性高、功耗低、体积小等优点。这个设计板和以前的设计板虽然有不少共通之处，但是其优点却是明显的。原来的模板写简单的例子基本都没什么问题，只是要做一个系统性的东西的时候就有点束手无策了。例如电子钟，主程序要如何分别调用子模块，以及模块与模块之间的连接要如何实现，对于之前没有做过完整工程的学生来说都是很大的问题。一开始想到的是学过的一点简单的单片机知识，当时单片机也是让做的数字钟。像系统时钟的分频问题，单片机由于位数的限制是需经过多次分频的，而FPGA分频可以实现一次到位。还有就是按键功能的实现以及状态机的设计，关于引脚锁定的问题，特别是对于大型的系统性实验等都可以依托“单片机+CPLD/FPGA体系结构”的系统来完成。

参考文献：

[1].吴红奎，SP180S套件试用笔记[J]，电子世界，2010年01期;

[2].朱志伟;刘湘云，Proteus中被忽视的设置引起的误会与拔正[J]，单片机与嵌入式系统应用，2011年06期;

[3].Microchip与Digilent联合推出首款与Arduino兼容的32位单片机开发平台[J]，电子与电脑，2011年07期.