基于FPGA的模块化联网实验箱系统的设计与实现-.docx

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1、基于FPGA的模块化联网实验箱系统的设计与实现* 企业选购的。该类平台的结构往往固定，而且采纳的导线连接直插式电子元器件方式，存在分立元件过多导致电路结构杂乱无章、错误频现的弊端，造成试验内容更新慢、实际利用率低，难以满意学生日益增长的创新性试验需求。这在很大程度上制约着学生专业实力的巩固和提高。 此外，随着近年来物联网的兴起，试验室物联信息化已成为试验教学改革的必定趋势。从提高试验教学效率、实现信息化改革的角度动身，本文设计实现了一种具备物联特性的基于FPGA的模块化联网试验箱系统。它依托可编程器件和IIC总线通信技术，采纳模块化设计，兼容多种试验电路单元，与互联网结合形成一个巨大的网络，供

2、应功能可变、远程可控、虚实结合的试验平台，提升设备的通用性和更新速度，提高学生的试验效率，提高教学质量。 1 试验箱系统的总体设计 在试验教学物联化改革的趋势中，基于FPGA的模块化联网试验箱系统首先要解决的问题是设备通信。对于试验箱系统与测量仪器及客户端之间的通信，采纳网口通信的方式更加合适，以ARM单片机为通信核心，通过串口转网口模块，实现试验箱系统的网络接入，便于用户对试验箱的操作以及波形数据测量；对于试验箱系统内部的通信，在众多的通信方式中，IIC总线作为一种精彩的通信方式，资源成本极低，而且信息传输速率相对较高，具备多从机挂载实力。因此，采纳IIC总线进行系统内部通信，便于FPGA对

3、于试验电路模块的管理和限制。 另外一个须要解决的问题是试验内容的更新。基于FPGA的模块化联网试验箱系统采纳模块化设计，依托IIC总线连接多个可插拔的电路模块，在无需改动限制单元的状况下，敏捷动态地搭建试验电路。此外，可以依据学生在不同阶段不同层次的学习需求，采纳更换电路模块的方式进行试验内容的更新，充分满意创新性试验须要。 当然，试验箱系统还须要包括处理模块、电源模块、编程下载口模块和信号输入/输出模块，加上之前的通信模块、总线限制模块和电路模块三个模块，共七个部分。系统采纳星形拓扑结构，通过电源模块供应功能保障，以单片机和FPGA协同的处理模块为核心，向周边辐射绽开各功能模块，实现试验箱系

4、统的物联与重构功能。试验箱系统结构如图1所示。 2 单元模块设计 依据系统总体设计，基于FPGA的模块化联网试验箱系统集成多种功能，采纳双层结构，下层为试验箱底板，上层为各功能模块，包括处理模块、电源模块、通信模块、总线限制模块、编程下载口模块、信号输入/输出模块和电路模块。图2为试验箱示意图。 2.1 处理模块设计 试验箱系统借鉴片上系统的思想，采纳单片机与FPGA协同工作的方式，充分发挥FPGA的资源优势以及ARM微处理器的低成本、低功耗和高性能，用 ARM单片机实现试验箱系统与网络的信息通信，用FPGA完整限制内部系统，两者之间采纳一组I/O口进行并行数据通信。其中，FPGA处理单元采纳

5、Xilinx的Spartan XC3S50，作为5万门级 的可编程芯片，加上144个I/O口，其性价比高、处理速度快，完全可以满意电工电子试验教学的基本需求以及学生的创新性试验需求；单片机处理单元采纳的是STM32F103VE，其采纳的ARM CORTEX-M3的内核和32位精简指令集，成本低，性能优异，在73M的工作频率下，具备较高的处理速度和较强的处理实力，可以进行较高速的数据通信和处理。 2.2 电源模块设计 试验箱系统主要用到的是+1.2 V、+3.3 V和5 V，其中，+1.2 V和+3.3 V分别为FPGA芯片的内核与I/O口供电，运用5 V给各模块器件供电。1.2 V电源电路如图

6、3所示。 详细做法如下：采纳XL2576S降压型开关稳压器，将由外部输入的1240 V电压信号进行降压并稳定输出5 V；将5 V电压作为输入信号，通过AMS1117-3.3电源芯片降压至所需的3.3 V；以3.3 V电压作为输入信号，通过AMS1117-1.2电源芯片来获得1.2 V的目标电压。此外，考虑到电源正负极反接的可能，在信号输入端采纳最大反相电压为45 V的1N5817二极管超过了学生直流电源的最大输出电压，充分爱护电源模块及试验箱系统。3.3 V纹波抑制电源电路如图4所示。 由于系统中的各功能模块对电压值具有较高的要求，因此，如图4所示，可以在输出端外接成排接地电容，有效地滤除纹波

7、，提高电源质量，给整个物联化试验箱系统供应纹波较小的工作电压。 2.3 通信模块设计 通信作为必不行少的一部分，其主要由两部分组成，分别为RS232串口单元和网口转串口单元。通信模块与处理模块连接，其中主要是采纳ARM处理核心来进行数据的传输和处理的。RS232串口单元用于终端客户机与试验箱进行有线数据传输，在9 600波特率的速率下进行信息交互。网口单元主要由串口转以太网模块构成，模块集成 10/101M 自适应以太网接口，最高波特率256 Kbps。将终端客户配置为TCP Client工作模式，试验箱配置为TCP Server，采纳用户/服务器的工作方式，实现试验箱与客户终端之间的数据传输

8、，同时以串口数据的形式将数据发送至处理模块。由于串口工作电平不同，在串口和限制电路之间还须要RS-232线路驱动器/接收器ADM3202RN，通过升压转换器加上电压电平转化放射/接收器，实现通信单元与单片机的隔离，爱护电路，防止发生高电压损坏电路的状况。 2.4 总线限制模块设计 基于FPGA的模块化联网试验箱系统的核心内容是试验电路的构成，总线限制模块是建立在IIC总线和网络通信技术基础上的，由单片机通过网口来接收客户端数据，同时把信息返回给通信模块，实现信息的交互；然后单片机和FPGA协同处理限制吩咐，并主要通过FPGA来确定电路的重构方式，采纳IIC总线主从应答的方式，选择所需的电路模块

9、，通过限制吩咐，实现FPGA对单元电路的组合限制，确定各单元电路的动态组合，实现试验电路重构。IIC结构如图5所示。 该模块是基于FPGA的模块化联网试验箱系统的特点，由于给予各电路模块唯一的IP地址，使得这些模块可以通过同一组IIC总线来实现数据通信，降低了产品的整体成本。此外，采纳的环形布局和布设的多组接插口，不仅提高了系统的集成度，削减了导线长度，还可以降低信号衰减，提高系统的稳定性。 2.5 电路模块设计 电路模块是基于FPGA的模块化联网试验箱系统的硬件实现部分，由模拟电路模块和数字电路模块组成，负责供应构成电路的多种元器件和小规模电路模块。其中，数字电路相对简洁，可以由FPGA来干

10、脆限制和生成所需电路，当然也可以采纳独立的电路模块来实现；而模拟电路要困难得多，信号不再局限于“0”和“1”。因此，只能采纳模块来构成电路，通过FPGA进行模块的组合拼接，搭建试验电路。此外，试验板上保留了多个用于激励信号输入、采集和限制的管脚，进一步增加了系统的敏捷性。 2.6 信号输入/输出模块 基于FPGA的模块化联网试验箱系统采纳的FPGA具有144个I/O口资源，在此预留了5个输入信号端与5个信号输出端，采纳标准的4 mm香蕉插头，降低信号衰减幅度，提高系统牢靠性。 2.7 编程下载口模块 基于FPGA的模块化联网试验箱系统中采纳的是可编程器件与单片机作为处理单元，因此须要分别设计下

11、载模块。 图 6 编程下载接口 对于单片机而言，从节约系统资源和提高下载效率的角度动身，采纳SWD烧录模式，仅需GND、VCC、SWDIO和SWDCLK 4个端口就可以实现仿真器与STM32的连接。在高速模式下，它比JTAG更加牢靠，烧录胜利率更高，如图6所示；对于FPGA而言，采纳JLINK仿真下载的方式，则至少须要VCC、GND、TDO、TMS、TCK和TDI6个接口，全部接口采纳标准间距2.54 mm，如图6所示。 3 试验箱应用 基于FPGA的模块化联网试验箱系统的基本功能如表1所示。 与传统的基于8051的电工电子试验箱相比，该试验箱的批量生产成本约730元。尤其在试验箱网络接入之后

12、，用户只需支付网络平台费用，成本极低，而且还能够通过网络进行真实的试验学习。表1所列举的试验内容只是最基础的一部分，可以依据学生试验需求，通过更换电路模块的方法来更新的试验内容.因此，该试验箱系统的功能更加全面，可满意学生的创新性学习。 考虑到高校生创新训练的须要，试验箱上预留了编程下载口模块和多个I/O口，供应试验箱的二次开发空间，使得该试验箱可以作为学生参与高校生电子设计竞赛、挑战杯竞赛的赛前训练之用，以学促赛，以赛促学。 4 结束语 基于FPGA的模块化联网试验箱系统包括处理模块、电源模块、通信模块、总线限制模块、编程下载口模块、信号输入/输出模块和电路模块，集成多种常用电子元器件，采纳

13、IIC总线限制的方式，依据任务要求进行单元模块的动态组合，实现不同的电路功能。以网络服务器为支撑的试验箱系统，采纳客户终端限制的方式，进行网络接入、数据交互、远程限制和电路重构，摆脱了电工电子试验中时间和空间上的限制，提高了学生试验的效率，增加了试验内容的丰富性和敏捷性，为试验教学供应了一个功能可变、远程可控、虚实结合的硬件平台。此外，作为教化改革中的一部分，本设备的胜利研制，对试验教学的信息化改革和建设具有肯定参考意义。 参考文献 1惠煌，赖晓晨，迟宗正，等.高校单片机教学试验设备自制模式探究J.试验技术与管理，2022，29. 2周冠玲，冯占英，李战.“单片机原理及应用”课程教学改革的探讨

14、J.中国电化教化，2022，33. 3黄卫华，贾历程.“基于FPGA的EDA试验系统改革与实践”J.试验室探讨与探究，2022，31. 4部德才，张永平.基于LabVIEW的虚拟数字存储示波器的设计J.科技与创新，2022. 5于娟，唐瑞.基于89C52单片机的LED显示器设计J.科技与创新，2022. 6王汉森.一种智能功能集成的设计方法及实例J.科技与创新，2022. 7贾萍，丁向荣，胡美兰.“教、学、做”一体化单片机教学试验平台的设计与应用J.试验技术与管理，2022，29. 8胡文华，胡仁喜.Altium Designer 13电路设计M.北京：化学工业出版社，2022. 编辑：胡雪飞 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页