一種基于APA300的創(chuàng)新型FPGA實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

　　摘 要: 基于Actel公司Flash型FPGA芯片APA300設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款創(chuàng)新型FPGA實(shí)驗(yàn)板。該實(shí)驗(yàn)板包括2片互通的APA300、豐富的外圍設(shè)備和常用外部設(shè)備端口，還提供與外部電路連接的擴(kuò)展接口，能夠開展多種創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，并可作為科學(xué)預(yù)研的平臺(tái)。在詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)板各部分的實(shí)現(xiàn)原理和電路連接圖后，給出了實(shí)驗(yàn)板的兩個(gè)典型創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)示例：協(xié)處理器密碼機(jī)和MP3播放器。

　　21世紀(jì)的教育是開放、創(chuàng)新的教育，其主要目標(biāo)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才。因此，創(chuàng)新是教育、尤其是高等教育的靈魂。然而由于現(xiàn)有FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大多功能固定、可擴(kuò)展性差、便攜性差，不方便學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、自我創(chuàng)新。本文基于APA300設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款成本低、功能強(qiáng)、可擴(kuò)展性好、便攜性好的創(chuàng)新型FPGA實(shí)驗(yàn)板，可方便學(xué)生開展多種創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行自主創(chuàng)新的探究性學(xué)習(xí)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)板還可作為科學(xué)預(yù)研的平臺(tái)。

　　1 FPGA器件的選用

　　FPGA器件選用Actel公司基于Flash開關(guān)編程的ProASIC plus系列芯片APA300。該器件采用0.22 μｍ、4層金屬工藝制造，包含30萬門系統(tǒng)門，有72 Kbit內(nèi)嵌式RAM資源，編程信息存儲(chǔ)在Flash可編程邏輯開關(guān)中，具有低功耗、高密度、非易失性、可重復(fù)編程、不需要專門的編程芯片等特點(diǎn)，同時(shí)由于其元胞陣列結(jié)構(gòu)類似于門陣列，具有與ASIC設(shè)計(jì)方案從物理上的易轉(zhuǎn)換特征，所以被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制、航空電子、通信技術(shù)領(lǐng)域[1]，性能可完全滿足高校FPGA教學(xué)和中規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，而且其開發(fā)軟件Libero易學(xué)易用。

　　2 實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)驗(yàn)板總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)板主要包括2片APA300、數(shù)字量輸入、LED顯示、七段數(shù)碼管顯示、RS232串行接口、并行接口、蜂鳴器及其驅(qū)動(dòng)電路、多路時(shí)鐘信號(hào)源和高頻信號(hào)源以及電源和復(fù)位電路。為使開發(fā)板使用靈活方便，還提供了能與外部擴(kuò)展電路相連的擴(kuò)展接口，并通過并行總線和狀態(tài)控制線實(shí)現(xiàn)2片APA300的互連。

　　2.1 APA300電路

　　為便于開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和滿足外圍電路對(duì)IO數(shù)目的要求，實(shí)驗(yàn)板選用2片PQFP208封裝形式的APA300芯片，它們之間通過16 bit并行接口相連。除并行接口外，2芯片間還添加了狀態(tài)控制線，即硬件握手信號(hào)線/START、/DONE，可加快相互通信的速率。常用的功能模塊與芯片U1相連，擴(kuò)展接口與芯片U2相連。APA300電路連接圖如圖2所示。