基于FPGA和51單片機的信號發(fā)生器設(shè)計

　　信號發(fā)生器又稱為波形發(fā)生器是一種常用的信號源并且廣泛應(yīng)用于電子電路、通信、控制和教學(xué)實驗等領(lǐng)域的重要儀器之一。為了降低傳統(tǒng)函數(shù)信號發(fā)生器成本，改善信號發(fā)生器低頻穩(wěn)定性。筆者結(jié)合FPGA和51單片機產(chǎn)生0.596 Hz頻率精度函數(shù)信號。筆者設(shè)計通過51單片機控制函數(shù)信號類型以及相關(guān)參數(shù)，用戶可通過按鍵設(shè)置需要的波形、波形幅度、波形頻率以及方波的占空比、相位。本文設(shè)計方案不僅具有良好的經(jīng)濟前景，也可以為當代高等教育深化改革做一個參考方向。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本文中設(shè)計中硬件包括EP2C8Q20818N芯片和C8051F0201單片機、DAC0800芯片，T6963的LCD。本文中主要利用FPGA(EP2C8Q20818N)橋接控制LCD、4×4鍵盤和DAC0800(C8051單片機和DAC0800有一條基準電壓信號)，系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2所示。本文中函數(shù)信號主要由FPGA(EP2C8Q20818N)產(chǎn)生;C8051單片機用作分析處理用戶信息、給DAC0800提供基準電壓以及控制FPGA(EP2C8Q20818N)產(chǎn)生需要用戶的函數(shù)信號。

　　1.1.1 EP2C8Q20818N簡介

　　EP2C8Q20818N是ALTERA公司推出一款嵌入式FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片。具有182管腳。下面列出它的特性表，如圖1所示。

　　1.1.2 C8051F0201簡介

　　C8051F0201(以下簡稱51單片機)器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有32個數(shù)字I/O引腳。此款51單片機具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25 MIPS)。全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。12位、100 ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。8位500 ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。64 K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。4 352(4 096+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM，可尋址64 k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。硬件實現(xiàn)的SPI、Sm Bus/I2C和兩個UART串行接口，5個通用的16位定時器。具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣。列片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45～+85℃)內(nèi)用2.7～3.6 V的電壓工作。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

　　1.2 C8051單片機軟件設(shè)計

　　C8051單片機軟件主要包括按鍵處理函數(shù)、信號發(fā)生器控制函數(shù)、初始化函數(shù)、LCD顯示函數(shù)、D/A函數(shù)以及主函數(shù)。軟件設(shè)計的主程序流程框圖如圖3所示，子函數(shù)詳細功能如表1所示。

　　1.3 FPGA(EP2C8Q20818N)軟件設(shè)計

　　本文中主要采用Verilog HDL語言設(shè)計。主要包括片選模塊、時鐘驅(qū)動模塊、鍵盤掃描模塊、傳出信號模塊、LCD模塊、DAC0800模塊以及指示燈模塊。詳細功能如表2所示。

　　1.4 FPGA核心程序代碼，DAC0800模塊程序

　　2 測試結(jié)果

　　3 結(jié)束語

　　本文中運用FPGA和51單片機結(jié)合起來制作一個信號發(fā)生器。這樣不僅能夠鍛煉學(xué)生單片機和FPGA的使用更能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到如何將FPGA和單片機聯(lián)合通信使用。本文設(shè)計中可以對函數(shù)信精度進行升級，從而滿足不同場合的函數(shù)信號需求。本文中提倡一種將單片機和FPGA結(jié)合到一起的學(xué)習(xí)方式，可以為現(xiàn)代教育改革提供一個參考方向。