PIC单片机及FPGA实验系统设计 第2页1 前言
20世纪末，电子技术获得了飞速发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，使现代电子产品的性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。其中以单片机和PLD（Programmable Logic Device）可编程逻辑器为代表的嵌入式系统在工业控制中的地位也越来越明显。所以在高校中，纷纷开设了这些课程，但是由于课程的开展比较急促，加上实验设备与教学内容不匹配等原因，导致学生在学习过程中感觉学不到东西，动手能力差。设备问题就是比较重要的一个原因。学校购置的设备都相对学生很复杂，自带的程序都比较大，汇编语言多，注释少，再加上单片机和PLD的学习比一般的编程复杂，他们是软件和硬件的产物，这些都使得设备没有得到很好的利用。设备问题的解决就是一款适合学生使用的典型的开发系统的出现。
PIC单片机+FPGA实验开发系统，用了工业控制中经常使用的PIC单片机（Microchip公司产品）和当下比较流行的FPGA（Field Programmable Gate Array）外围扩充比较常用的模块，并根据学生学习的特点，开发了比较典型的应用程序，它的连线比较灵活，基本采用接口方式，板上用软线做连接，在一定程度上可以提高学生的硬件水平。
本次设计针对这个实验系统，做了以下工作：
(1)系统的器件选择：
通过对比和实现的功能来确定要选用的器件，单片机和PLD产品的种类很多，就要通过对比，选出比较常用的，选择性价比好的拿来实现该系统。器件方面主要选择方面是在单片机和FPGA芯片类型和型号上。其中单片机选用的是PIC单片机中的PIC16F877，FPGA选择的是FLEX10K10L。
(2)开发系统所使用的软件选择和学习：介绍所使用软件的特性和使用方法。
本系统采用QUARTUS II实现FPGA功能的设计，使用MPLAB实现单片机程序的编写，采用Protel99SE实现硬件原理图的设计。
(3)系统硬件的设计
设计比较经常使用的典型硬件模块，本次设计中构建的硬件模块有：
●8个LED发光二级管及接口
●8个LED数码管及接口
●8×8LED点阵及接口
●4×4矩阵键盘及接口
●声音实验模块
●3个OP-07组成的仪用放大器
●SSP通信接口
●PIC_ICSP PIC在线调试接口
●24LC04，Microchip公司的典型的 串行总线EEPROM
●外接电源接口
●MAX232电平转换极RS-232通信接口
●拨码开关（选择FPGA配置方式）
●FPGA_JTAG口，在线调试FPGA芯片
●EPC1213，Altera公司的一款配置芯片，可以上电配置FPGA芯片
(4)系统软件的实现
根据系统的硬件的设计来实现软件的设计和编写，正文介绍软件的方框图，程序部分在附录里面给出。本次所做的程序有：
⒈LED发光二级管显示实验 （流水灯实验，广告灯移动实验）
⒉LED数码管显示实验（动态显示实验，移动输入实验）
⒊A/D转换实验（PIC单片机内部A/D转换的使用）
⒋LED点阵的显示实验（LED光柱移动实验，LED点阵实现数字显示实验）
⒌ 外接实验（ 外接EEPROM实验）
⒎声音的实验（声音实验）
⒏键盘原理（4×4键盘的扫描实验）
⒐综合实验（电子锁，包装机）
FPGA实现功能：（多路开关的实现，数字频率计的实现及仿真）
本文分为7个部分，第2部分介绍了EDA技术及单片机和FPGA的发展和开发现状，第3部分是系统总体方案设计介绍；第4部分对器件,软件和开发语言的选择上做了分析。第5部分具体介绍了系统的硬件设计；第6部分介绍了系统程序的设计；第7部分是对本文的总结说明。
2 国内外实验系统发展现状
2.1 单片机+PLD实验系统的发展及现状
2.1.1 单片机发展及现状
单片机又称作MCU（Microcontroller）微控制器，是将CPU，RAM，ROM，定时器/计数器以及输入输出（I/O）口等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上，这样组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机，也称为单片机。
单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已经有快三十年了。由于MCU集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已渗入到人们工作和生活的各个角落，几乎是“无处不在，无处不为”。MCU的应用领域已经面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。
单片机不仅应用广泛，而且种类众多，大家比较熟悉的就是Intel公司的MCS-51系列单片机，此外应用比较多的还有Microchip的PIC系列单片机，Motorola公司、Zilog公司、日立公司及EPSON公司也都出产了各具特色的单片机品种，凌阳单片机，ARM单片机等。
从性能上讲，单片机经历了4位，8位，16位，32位，64位机，其中8位机应用比较广泛。8位机可以一次处理一个ASCII字符，因而用途十分广泛，如显示、终端键盘、打印、字处理、工业控制等。市场占有率70％以上。功能丰富，品种齐全，通用性强。不过近年随着高技术的发展，在机器人，激光等领域其他高位的单片机也广泛活跃。
2.1.2 PLD的发展及现状
PLD（Programmable Logic Device）即可编程逻辑器件，以其特有的高性能和快捷迅速发展起来。
可编程逻辑器件是一种可以对逻辑功能进行编程的硬件，根据其结构，工艺，复杂程度的不同，可以分为以下三个类别：
●简单PLD器件
●CPLD器件
●FPGA器件
(1)简单PLD器件：是指早期的较小规模的可编程器件，芯片的集成程度低，一般可用的逻辑门数大约在500门以下。简单PLD器件主要有：
●PROM（ Programmable Read only memory）
●PLA（ Programmable Logic Array ）
●PAL（ Programmable Array Logic ）
●GAL（ Generic Array Logic ）
(2)复杂PLD器件：
目前，简单的PLD器件，除了GAL以外，基本都已被淘汰了。所以可编程逻辑器件以大规模、超大规模的集成电路工艺制造的CPLD和FPGA为主。CPLD就Complex PLD（复杂可编程逻辑器件）。FPGA就是Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）
(3)复杂PLD－CPLD
CPLD(Complex PLD)复杂可编程逻辑器件是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。其结构是基于乘积项的。比较典型的就是Xilinx的XC9500系列和Altera的MAX7000，MAX3000系列。
(4)复杂PLD－FPGA
FPGA (Field Programmable Gate Array)现场可编程门阵列是八十年代由美国Xilinx公司推出的一种大规模可编程逻辑器件。其结构是基于LUT（Look Up Table）查找表的。大部分FPGA都是采用基于SRAM的查找表结构。比较典型的有Altera公司的FLEX、ACEX、APEX系列，Xilinx公司的Virtex、Spartan系列等。发展到现在，比较常用的就是CPLD和FPGA了，在不同的场合选择器件也不同，由于结构的差异，CPLD多用于控制密度型系统，FPGA多用于数据密集型。CPLD多用于门数需求较少的设计中，FPGA多用于门数设计较多的系统中。PLD从简单PLD发展到复杂PLD（CPLD，FPGA），PLD的因为其速度方面的特性，能进一步缩小了系统的体积，以及高度的灵活性和快捷，越来越受到人们的亲睐，广泛的应用在工业控制，通信，交通等领域，而且其性能也必将因为电子技术的迅猛发展而迅速增加。
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