FPGA系统电源电路设计毕业论文

FPGA系统电源电路设计毕业论文目录第1章绪论 (1)1.1 设计背景 (1)1.2 设计目的和意义 (2)1.3 论文的结构安排 (2)第2章 FPGA开发板原理图分析 (3)2.1 FPGA电路 (4)2.2 存储电路 (6)2.2.1 Flash存储器 (6)2.2.2 SRSM存储器 (7)2.2.3 SDRAM存储器 (8)2.3 配置电路 (9)2.4 复位电路 (11)2.5 时钟电路 (12)2.6 FPGA I/O口分配电路 (13)2.7 扩展接口电路 (13)2.7.1 外扩I/O口PACK2 (14)2.7.2 外设PACK接口电路 (14)2.7.3 FPGA扩展接口电路 (15)2.8 验证功能电路 (17)2.8.1 按键及LED电路 (17)2.8.2 蜂鸣器电路 (18)2.8.3 七段数码管显示电路 (18)2.8.4 液晶显示电路 (19)2.9 实时时钟电路 (19)2.10 电源电路 (20)2.10.1 系统电源电路 (20)2.10.2 FPGA电源电路 (21)第3章实验板的测验 (24)3.1 读取按键信号 (24)第4章结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)第1章绪论1.1 设计背景半导体技术一直遵循著名的摩尔定律持续地发展，回顾半导体的发展历史，当一种技术具有可编程特性时，它就会处于支配的地位。

目前，FPGA器件不仅是逻辑门、布线资源和I/O可编程，随着半导体工艺采用90nm和65nm，乃至45nm 工艺，在FPGA中增加了许多硬件核，如存储器、时钟管理和算法功能，直到增加嵌入式处理器硬核和软核等，也就是在DSP和嵌入式处理器等关键领域发展可编程技术，FPGA已经成为在单片器件上同时提供可编程逻辑、高性能DSP和嵌入式处理器的系统级（SOC）芯片。

在密度和性能提高的同时，成本和功耗也极大地降低，使得FPGA在更多的应用领域成为市场的主流。

FPGA/CPLD、DSP和CPU被称为未来数字电路系统的3块基石，也是目前硬件设计研究的热点。

与传统电路设计方法相比，FPGA具有功能强大，开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，性能好。

开发工具智能化等特点，特别是随着电子工艺的不断改进，低成本FPGA器件推出新，这一切促使FPGA成为当今硬件设计的首选方式之一。

可以说FPGA设计技术是当今高级硬件工程师与IC工程师的必备技能。

随着可编程逻辑技术的不断进步和创新，FPGA（现场可编程逻辑门阵列）已被广泛应用于通信、航天、医疗电子、工业控制等领域。

由于其现场逻辑功能可重构且具有高集成度、高密度和高性能等特点，因而得到了迅猛发展。

FPGA芯片所包含的资源越来越丰富，可实现的功能也越来越强，这使得FPGA在电子电路设计中越来越重要。

目前FPGA已经渗透到人们日常生活的各个方面，在手机、电视、数码相机、洗衣机、电冰箱、空调，甚至电饭锅、手表里，都有它们的身影。

在工业自动化控制、通信、仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事设备、消费类电子产品等领域更是它们的天下。

1.2 设计目的和意义FPGA是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。

和以往的PAL、GAL 等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，可以替代几十甚至几千块IC芯片。

从这种意义上来说，FPGA实际上就是一个子系统部件。

具体地讲，FPGA在硬件系统设计中具有以下优越性。

缩小体积、减轻重量、降低功耗，具有高集成度和高可靠性；易于获得高性能，系统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统；软件模拟仿真后下载到FPGA制成了专用IC，设计者可以很直观地测试其逻辑功能及性能指标。

利用FPGA这些优点，选择合适的FPGA芯片，用户就能轻而易举地设计自己的“计算机”和“数字系统”。

本文介绍了FPGA开发板的制作和简单的测试。

希望能够给予读者更多的借鉴和更好的帮助！1.3 论文的结构安排本文的第二章介绍了FPGA实验板的硬件原理图。

其中的电路包括Cyclone 系列FPGA的EP1C6Q240为核心的运算控制芯片、存储器、数据配置、复位、实时时钟、I/O口分配、扩展接口、独立按键及LED、液晶显示、数码管显示、蜂鸣器和电源电路等。

而第三章对做好的电路板进行简单的测试。

第2章 FPGA开发板原理图分析本课题以Cyclone系列FPGA的EP1C6Q240为核心的运算控制芯片。

配以存储器、数据配置、复位、实时时钟、I/O口分配、扩展接口、独立按键及LED、液晶显示、数码管显示、蜂鸣器和电源电路等。

数据通过配置电路下载到FPGA进行存储，由FPGA对数据进行处理。

由于FPGA部存储空间太小，数据暂时由SDRAM储存，FPGA通过读取SDRAM中的数据，并在其逻辑单元中经过相关操作后通过各种功能驱动电路，如独立按键及LED、液晶显示、数码管显示、蜂鸣器等显现测验结果。

Flash存储器可以在掉电后保存数据。

扩展电路方便后续功能电路的开发。

系统框图如图2-1所示图2-1 系统框图2.1 FPGA电路Cyclone系列FPGA是基于成本优化的，全铜工艺的1.5V SRAM工艺，成本低且功能强大，最高达20060个逻辑单元和288K位的RAM。

除此之外，Cyclone系列的FPGA还集成了许多复杂的功能。

Cyclone系列FPGA提供了全功能的锁相环(PLL)，用于板级的时钟网络管理和专用I/O接口，这些接口用于连接业界标准的外部存储器器件。

Altera的NiosII系列嵌入式处理器的IP资源也可以用于Cyclone系列FPGA的开发。

设计者只需要下载Altera提供的完全免费的Quartus II网络版开发软件就可以马上进行Cyclone系列FPGA的设计和开发。

Cyclone低成本结构和Cyclone FPGA丰富的器件资源相结合，能够实现完整的可编程芯片系统（SOPC）方案，成为大批量应用的理想选择。

Cyclone器件综合考虑了逻辑单元、存储器、锁相环(PLL)和高级I/O接口之间性能的平衡，实现了较低的制造成本与较高的性能，是那些对价格比较敏感的应用的一个很好的选择。

Cyclone FPGA基本特性1、新的可编程构架通过设计实现低成本2、嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理(DSP)实施3、专用外部存储接口电路集成了DDR FCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存储器件4、支持串行、总线和网路接口及各种通信协议5、使用PLLs管理片和片外系统时序6、支持单端I/O标准和差分I/O技术，支持高达311Mb/s的LVDA信号7、处理能力支持NiosII系列嵌入式处理器8、采用新的串行配置器件的低成本配置方案9、通过QuartusII软件PoenCore评估特性，免费评估IP功能10、QuartusII网路版软件提供免费的软件支持11、嵌入式存储资源12、器件中的M4K块可用来实现软乘法器13、可实现多个乘法器14、专用外部存储接口电路15、支持DDR(SDRAM).16、支持FCRAM（可用上下两种边沿存储数据）17、支持的接口及协议18、支持PIC接口19、支持10/100/1000M以太网接口20、支持SPI、I2C、IEEE1394、USB等接口21、支持E1、E3、T1、T3等通信协议22、支持NiosII嵌入式处理器23、配置IC结构简单，常用的配置芯片EPCS1和EPCS4的容量分别是1MB和4MB，8引脚封装24、支持多个NIOSII嵌入式处理器25最快可超过200DMIPS基于Cyclone系列的FPGA拥有的众多优势，本文采用的FPGA为Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240，它兼容EP1C12Q240。

EP1C6Q240包含有5980个逻辑单元（LE）和92Kbit的片上RAM，有185个用户I/O口，封装为240-Pin PQFP。

本文中所采用的FPGA器件特性如表2-1。

表2-1开发板所选用的FPGA器件特性Cyclone FPGA常用的配置方式有主动配置(AS)、被动配置（PS）以及JTAG 配置，主动配置需要使用串行主动配置器件EPCS。

Cyclone FPGA是第一款支持对配置数据进行解压缩的FPGA，这使得用户可以将压缩的配置数据存储到配置器件或其他存储器中。

在配置过程中，Cyclone FPGA实时的解压缩配置数据对SRAM 单元编程。

一般来说，配置数据经过压缩，可以减少到35%~55%。

如表2-1所列，EP1C6Q240 配置文件的大小为1167216bit，EPCS4的容量为4Mbit。

EPCS4作为配置器件可以满足EP1C6Q240的数据配置。

2.2 存储电路开发板的存储器包括用于存储FPGA配置数据并进行主动配置的串行配置器件EPCS、SDRAM、Flash以及SRAM。

2.2.1 Flash存储器开发板使用2片4MB的Flash AT49BV322D-70TU。

Flash电路如图2-2-1所示。

图2-2-1 Flash存储电路电路中2片Flash的片选信号独立，数据总线、地址总线共用，为了节省I/O 口，将读写信号线nOE和new都共用，并且它们与所挂在总线上的总线型外设（SRAM、主板上的液晶以及外扩总线PACK）都是共用的。

2片AT49BV322D-70TU的片选信号分别为FLASH_nCS1和FLASH_nCS2。

电路中队芯片的片选信号线进行了上拉（R29、R30）。

Flash的数据总线与所有挂在总线上的总线型外设（SRAM、主板上的液晶以及外扩总线PACK）都是共用的。

如果应用中，2个Flash（或某一个）不使用时，用户可能不会再FPGA中定义并设置该器件的片选引脚，该片选引脚将为高阻态，不确定的电平有可能选通芯片，从而造成总线冲突。

为了避免总线上其他的总线型外设在不使用时因意外而造成总线冲突，应将这些外设的片选都上拉（低电平有效时）。

2.2.2 SRSM存储器开发板使用2片512KB的IS61LV25616AL（256K*16bit），每片SRAM都可兼容1MN容量的IS61LV51216AL，这样SRAM容量最大可为2MB。

SRAM可作为高速存储器使用，如显示缓存等。

SRAM电路如图2-2-2所示，电路基本与Flash相同。

图2-2-2 SRAM电路SRAM的28（A18）脚用于1MB容量的IS61LV25616AL。

电路中2片SRAM的片选信号独立，数据总线、地址总线、读写信号线nOE和new都与Flash共用，并且也与所有挂在总线上的总线型外设（主板上的液晶以及外扩总线PACK）共用。

2片SRAM的片选信号分别为SRAM_ nCS1和SRAM_ nCS2。