摘要：為滿足單片機(jī)學(xué)習(xí)中對(duì)實(shí)踐技能的要求，提高單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的C8051F單片機(jī)開(kāi)發(fā)板。利用FPGA實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描、液晶驅(qū)動(dòng)、地址譯碼以及其他外設(shè)接口，大幅度簡(jiǎn)化外圍電路結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可在高低頻時(shí)鐘間切換以減小功耗，并增加了音頻處理模塊，實(shí)現(xiàn)基本的音頻信號(hào)的存儲(chǔ)和回放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路板相比普通的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)功耗減小50％左右，擁有最高達(dá)25 MIPS的處理速度，單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)多達(dá)20多個(gè)LS TTL門(mén)電路，F(xiàn)PGA的引入使得外擴(kuò)其他電路更為方便和靈活，具有良好的擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；FPGA；外圍電路；電路板
目前高校單片機(jī)教學(xué)中大多是以MCS51單片機(jī)為首選機(jī)型進(jìn)行講解，所開(kāi)發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也多是基于MCS51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。然而，隨著單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)入SoC時(shí)代，其不足和缺陷也顯而易見(jiàn)：片上資源不夠豐富，功耗較大，處理速度很有限，電路龐大且復(fù)雜，可靠性和可維護(hù)性較差，難以滿足高水平的設(shè)計(jì)要求。
為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提出一種C8051F單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用FPGA實(shí)現(xiàn)單片機(jī)各種外設(shè)接口。FPGA作為一種可編程邏輯器件憑借其優(yōu)越的可擴(kuò)展性能受到設(shè)計(jì)者的青睞，逐漸成為分立元件的替代者。通過(guò)對(duì)FPGA編程，實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字元件的邏輯功能，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)原理圖輸入或硬件描述語(yǔ)言，方便地設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，這使得單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活、可靠。
本系統(tǒng)是為單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)而開(kāi)發(fā)的，因此要求單片機(jī)的功能齊全，滿足教學(xué)中各種實(shí)驗(yàn)的要求。一般的實(shí)驗(yàn)板的功能有：模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、通信接口實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、各種顯示實(shí)驗(yàn)，人機(jī)交互實(shí)驗(yàn)等等。除此之外，還要考慮由于是非商業(yè)性質(zhì)的開(kāi)發(fā)，對(duì)一些功能的精度要求不是很高，在選擇最理想價(jià)格的同時(shí)，選擇盡可能多而全的片上資源，留待后期開(kāi)發(fā)擴(kuò)充。
基于以上考慮，該平臺(tái)使用SoC系統(tǒng)級(jí)的C8051F020單片機(jī)作為核心控制器，CycloneⅡEP2C8型FPGA實(shí)現(xiàn)外設(shè)接口，加上LCD、鍵盤(pán)、UART串口等人機(jī)交互的模塊。
C8051F系列單片機(jī)是以流水線方式處理指令的CIP-5l內(nèi)核，完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(Soc)，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。C8051F020單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過(guò)4引腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。
FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA使用靈活，同一片F(xiàn)PGA通過(guò)不同的編程數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生不同的電路功能。
1 系統(tǒng)總體方案
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的單片機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括有：?jiǎn)纹瑱C(jī)及其外設(shè)、FPGA擴(kuò)展電路、電源及下載電路。開(kāi)發(fā)平臺(tái)框架如圖l所示。
1．1 單片機(jī)外設(shè)
包括液晶顯示器(LCD)、鍵盤(pán)、SRAM、UART串口等，對(duì)FPGA進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)LCD、鍵盤(pán)、SRAM的接口電路。
1．2 FPGA擴(kuò)展電路
包括主動(dòng)串行(AS)配置電路、JTAG在線調(diào)試電路、輸入輸出電路等。采用EPCSlN8型芯片對(duì)FPGA進(jìn)行主動(dòng)串行(AS)配置，同時(shí)兼有JTAG在線調(diào)試模式。
1．3 電源及下載電路
單片機(jī)和FPGA均采用3．3V／1．2V穩(wěn)壓源供電，兩者均可通過(guò)JTAG接口進(jìn)行在線調(diào)試。
FPGA和單片機(jī)以典型的三總線連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信及控制，單片機(jī)內(nèi)部集成的數(shù)字／模擬資源和FPGA剩余的引腳通過(guò)插針引出，供用戶使用。將以上模塊有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)性能優(yōu)越的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠滿足不同層次的設(shè)計(jì)需求。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互部分通常有液晶顯示器(LCD)、鍵盤(pán)和存儲(chǔ)器等外設(shè)，因此需要用大量的標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，這些器件的組合使用會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、可維護(hù)性差，用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的外圍接口電路，能大大簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，節(jié)省CPU資源。
2．1 鍵盤(pán)接口模塊
因?yàn)榘存I機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定的導(dǎo)通，在斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)馬上斷開(kāi)，因而在閉合及斷開(kāi)的瞬間都會(huì)伴隨一連串的抖動(dòng)，對(duì)于靈敏度較高的電路，這種抖動(dòng)可能會(huì)造成誤動(dòng)作而影響操作正確性。常用的去抖動(dòng)的方法為延時(shí)去抖動(dòng)法，即檢測(cè)出鍵閉合后執(zhí)行一個(gè)延時(shí)程序，產(chǎn)生5～lO ms的延時(shí)；讓前沿抖動(dòng)消失后，再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為真正
有鍵按下。當(dāng)檢測(cè)到按件釋放后，也要給5～10 ms的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后，才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。
對(duì)FPGA編程完成消除抖動(dòng)及按鍵識(shí)別，由抖動(dòng)消除模塊、鍵盤(pán)掃描電路、鍵盤(pán)譯碼電路、按鍵數(shù)據(jù)寄存器等組成。
鍵盤(pán)接口電路的工作流程為：采取逐行掃描法，F(xiàn)PGA周而復(fù)始地對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，當(dāng)有鍵按下時(shí)，先對(duì)按鍵進(jìn)行延時(shí)去抖處理，將按鍵信號(hào)存入寄存器，掃描信號(hào)來(lái)臨時(shí)，根據(jù)按鍵掃描碼查找鍵碼表，并將其送回給單片機(jī)。程序流程如圖2所示。
2．2 液晶顯示模塊
液晶顯示器(LCD)以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點(diǎn)，在便攜式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
LCD可分為段位式LCD、字符式LCD和點(diǎn)陣式LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和數(shù)字的簡(jiǎn)單顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求；而點(diǎn)陣式LCD不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可以實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)，動(dòng)畫(huà)功能，反轉(zhuǎn)，閃爍等功能，用途十分廣泛。
點(diǎn)陣式LCD分為帶漢字字庫(kù)和不帶漢字字庫(kù)兩種，帶字庫(kù)LCD若要顯示漢字只要傳給漢字內(nèi)碼，而不帶字庫(kù)LCD顯示漢字時(shí)要先求出漢字字模，然后跟顯示圖形一樣顯示漢字。
本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用博控公司生產(chǎn)的NS240*128A點(diǎn)陣圖形型LCD，不帶中文字庫(kù)。由于液晶顯示器是典型的慢速設(shè)備，如果直接與高速的單片機(jī)相連時(shí)，會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，可以考慮在單片機(jī)和液晶顯示器中間加入FPGA，由FPGA直接驅(qū)動(dòng)和控制液晶顯示器。液晶顯示模塊框圖如圖3所示。
單片機(jī)將字庫(kù)／圖形庫(kù)內(nèi)的圖形或文字?jǐn)?shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)在液晶上所顯示的位置信息傳送給由FPGA芯片構(gòu)成的液晶控制IP核。由于LCD是慢速設(shè)備，單片機(jī)發(fā)送至LCD控制器的顯示數(shù)據(jù)信息的速度通常大于LCD顯示更新速度，因此需將這些數(shù)據(jù)和信息送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中緩存。由于FPGA芯片的片內(nèi)RAM容量有限，系統(tǒng)中外擴(kuò)了1片RAM作為顯示數(shù)據(jù)緩沖器。由FPGA芯片構(gòu)成的顯示控制IP核需讀取外擴(kuò)顯示RAM中的數(shù)據(jù)，再通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)電路按字節(jié)送至LCD進(jìn)行顯示：因此在所設(shè)計(jì)的顯示驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)雙端口RAM，既能將顯示數(shù)據(jù)緩存器中的顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙端口RAM，同時(shí)又能將雙端口RAM中的數(shù)據(jù)讀出，再將數(shù)據(jù)送至LCD數(shù)據(jù)接口。
2．3 SRAM模塊
C8051F020內(nèi)部有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的4 096字節(jié)的片上RAM，還有外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口EMIF，可用于訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器映射的I／O器件。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口EMIF可配置到低I／O端口P0～P3，也可配置到高I／O端口P4～P7。而且，既可以配置為數(shù)據(jù)、地址復(fù)用方式，也可以配置為非復(fù)用方式。若要節(jié)省端口I／O，可采用數(shù)據(jù)、地址復(fù)用方式，能節(jié)省8根端口線，但是速度較慢，若要提高速度，則可
以采用非復(fù)用方式。
2．3．1 配置外部存儲(chǔ)器接口的步驟
1)將EMIF選到低端口(P3～P0)或選到高端口(P7～P4)。
2)選擇復(fù)用方式或非復(fù)用方式。
3)選擇存儲(chǔ)器模式(只用片內(nèi)存儲(chǔ)器、不帶塊選擇的分片方式、帶塊選擇的分片方式或只用片外存儲(chǔ)器)。
4)設(shè)置與片外存儲(chǔ)器或外設(shè)接口的時(shí)序。
5)選擇所需要的相關(guān)端口的輸出方式。
在本系統(tǒng)中考慮到(28051F020單片機(jī)的PO～P3口大部分為功能復(fù)用引腳，為使單片機(jī)的資源得到最大的開(kāi)發(fā)，將單片機(jī)的高端I／O口，即P4～P7接入FPGA，并通過(guò)FPGA對(duì)RAM進(jìn)行訪問(wèn)。將單片機(jī)配置為高端口(P4～P7)、地址／數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用方式，F(xiàn)PGA控制RAM的片選、讀／寫(xiě)等操作，其中注意FPGA、單片機(jī)、RAM的時(shí)序統(tǒng)一問(wèn)題。
2．4 UART串口
UART是一種通用串行數(shù)據(jù)總線，該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。在嵌入式設(shè)計(jì)中，UART用來(lái)與PC進(jìn)行通信，包括與監(jiān)控調(diào)試器和其他器件，如EEPROM通信。
UART首先將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)送。消息幀從一個(gè)低位起始位開(kāi)始，后面是若干數(shù)據(jù)位，一個(gè)可用的奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開(kāi)始位時(shí)它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時(shí)鐘頻率同步。在接收過(guò)程中，UART從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對(duì)進(jìn)來(lái)的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。UART也產(chǎn)生額外的信號(hào)來(lái)指示發(fā)送和接收的狀態(tài)。例如，如果產(chǎn)生一個(gè)奇偶錯(cuò)誤，UART就置位奇偶標(biāo)志。
C805lF020單片機(jī)中有兩個(gè)增強(qiáng)型串行口：UART0和UARTl。所謂增強(qiáng)型是指，這兩個(gè)串口都具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)和通信地址硬件識(shí)別功能。它們都可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并且支持多處理器通信。開(kāi)發(fā)板外擴(kuò)兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)、單片機(jī)和單片機(jī)之間的通信。其電路連接如圖4所示。
2. 5 A／D和D／A模塊
C8051F020有一個(gè)片內(nèi)12位ADC(ADCO)和一個(gè)8位ADC(ADCl)，通道輸入多路選擇開(kāi)關(guān)和可編程增益放大器。
ADC的電壓基準(zhǔn)可以在模擬電源電壓(AV+)和一個(gè)外部VREF引腳之間選擇。A／D轉(zhuǎn)換有4種啟動(dòng)方式：軟件命令、定時(shí)器2溢出、定時(shí)器3溢出和外部信號(hào)輸入。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號(hào)或周期性的定時(shí)器溢出信號(hào)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個(gè)狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生中斷(如果中斷被使能)。在轉(zhuǎn)換完成后，12位或8位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到兩個(gè)特殊功能寄存器中。這些數(shù)據(jù)字可以用軟件控制為左對(duì)齊或右對(duì)齊。
C805lF020內(nèi)部有兩個(gè)片內(nèi)12位電壓方式數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)。每個(gè)DAC的輸出擺幅均為0 V到(VREF-1LSB)，對(duì)應(yīng)的輸入碼范圍是Ox000到OxFFF。C8051F020的VREF引腳可以由內(nèi)部電壓基準(zhǔn)或一個(gè)外部源驅(qū)動(dòng)。如果使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，為了使DAC輸出有效，該基準(zhǔn)必須被使能。
本文設(shè)計(jì)了利用A／D和D／A模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ)和回放，基本思想是將模擬語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和濾波電路的處理，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)單片機(jī)控制存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，回放時(shí)，由單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出，然后通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)放大在揚(yáng)聲器或耳機(jī)上輸出語(yǔ)音。音頻前置放大和濾波電路如圖5所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用MCU+FPGA結(jié)構(gòu)，單片機(jī)負(fù)責(zé)過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)各種外設(shè)的接口，同時(shí)FPGA還可以為單片機(jī)提供存儲(chǔ)器和I／O口等資源。由于電路中具有數(shù)字部分和模擬部分，在PCB制板時(shí)特別注意抗干擾處理，例如加去耦電容、數(shù)字地和模擬地一點(diǎn)連接、數(shù)字電源和模擬電源隔離等措施。
需要注意的是，采樣后的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)由于數(shù)據(jù)量很大，為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，可以采取相應(yīng)的編碼技術(shù)去除冗余度，回放的語(yǔ)音質(zhì)量性噪比(RSN)較高。系統(tǒng)采用3．3 V供電單片機(jī)，功耗降低50％左右。通過(guò)配置內(nèi)部寄存器和外部時(shí)鐘切換電路，可靈活配置系統(tǒng)時(shí)鐘。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部交叉開(kāi)關(guān)的配置，設(shè)計(jì)者可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬外設(shè)的引腳分配和器件的使能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，各模塊均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有良好的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，適合作為電子設(shè)計(jì)大賽和電子愛(ài)好者的開(kāi)發(fā)用板。