基于自制FPGA电路板的实验项目设计与开发 （毕业设计61页、23897字+图+程序）
摘要：全国高校在实践教学改革方面都取得了广泛深入的研究，但是由于实验室规模，条件和时间安排的影响，如我们学校实验室使用的GW48系列平台的FPGA板只能和实验相配套使用，其本身没有资源,学生的自主学习受到限制。
本论文正是基于上述考虑，提出设计一种底成本，把实验中常用的资源集中的，变于携带的FPGA实验学习板，并在此基础上设计出一系列相关试验。方便学生利用课余时间对FPGA配套实验进行自主研究性学习。本FPGA实验板上包括JTAG接口，AS接口，七段数码管，方形LED发光管，键盘，蜂鸣器，串口，VGA口，S2口，IO扩展组等常用的功能模块。设计了主要模块的测试方法，并在测试电路基础上做了实验项目的设计包括组合逻辑设计实验，扫描显示电路实验，发声实验，键盘扫描实验，VGA彩条信号发生器实验有助于学生更快速的学习EDA知识。本文最终完成了相关软硬件设计，完全实现预期功能。
关键词：FPGA；VHDL；EDA
The Design and Development of the Project Based on FPGA Circuit Board
Abstract：Nationwide colleges and universities have conducted extensive and deep research into practical education innovation. However, due to the restriction arrangement, independent learning of students has in scale, conditions and time been negatively influenced. For example, the FPGA board of GW48 Series platform in our school laboratory can only use matching experiments. No resources of its own, the ability of independent study has been restricted.
In view of this, the thesis tries to design a low cost, easy to learn, and portable FPGA laboratory studying board, and on this basis to design a series of related tests. In order to facilitate students' independent and creative research activities in their spare time. The FPGA experimental board including JTAG interface, AS interface, seven node LED digital tube, square shape LED photo tube, keyboard, the buzzer, Serial, a VGA mouth, S2 mouth, IO expansion group with popular functional modules. The test method of the main module has been designed. Based on the test of circuit, I designed series of experiments, the combinatory logic design experiment, the sound production experiment, the scanning display circuit experiment, keyboard scanning experiment, VGA garland signal generating device experiment, which can help students learn more EDA knowledge rapidly. All the hardware and software develop work has been accomplished. The test result shows that it has been achieved anticipated target.
Key words： FPGA， VHDL， EDA
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景及项目的提出 1
1.2 论文的结构安排 2
第2章 EDA技术 3
2.1 EDA的发展历史及基本特征 3
2.2 EDA基本设计方法 5
2.2.1 从顶至下（Top-to-Down）分层设计技术 5
2.2.2 并行工程与框架设计技术 6
2.2.3 电路设计的综合与优化技术 6
2.2.4 仿真技术 6
2.2.5 分析与验证技术 7
2.3 各类PLD结构 7
2.3.1 简单PLD结构 7
2.3.2 CPLD的基本结构 7
2.3.3 FPGA的基本结构 8
2.4 FPGA/CPLD的开发应用 9
2.4.1 FPGA/CPLD的应用 10
2.4.2 FPGA/CPLD的开发工具和设计流程 10
2.5 Cyclone系列FPGA介绍 13
第3章 FPGA板硬件电路描述 15
3.1 FPGA实验板的硬件结构 15
3.2 时钟源模块 15
3.3 调试接口模块 16
3.3.1 JTAG接口 16
3.3.2 AS接口 16
3.4 LED模块 17
3.5 七段数码管显示模块 17
3.6 键盘模块 18
3.7 蜂鸣器模块 19
3.8 串行接口模块 19
3.9 VGA口模块 20
3.10 PS/2口模块 20
第4章 FPGA板的测试与实验设计 22
4.1 VHDL 语言功能特点 22
4.2 利用VHDL语言设计数字系统的特点 23
4.3 Quartus II简介 24
4.4 FPGA板外围资源测试与实验设计 25
4.4.1 LED模块测试及相应实验设计 25
4.4.2 七段数码管显示模块测试及相应实验设计 27
4.4.3 键盘模块测试及相应实验设计 28
4.4.4 蜂鸣器模块测试及相应实验设计 32
4.4.5 VGA模块测试及相应实验设计 35
4.4.6 PS/2模块测试及相应实验设计 39
结 论 44
致 谢 45
参考文献 46
附录1 FPGA实验板的原理图 47
附录2 实验补充说明 48
第1章 绪 论
1.1 课题背景及项目的提出
21世纪的教育是开放的，创新的教育，其主要目标是培养具有创新精神，创新能力的高素质人才。创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。可以说创新是教育尤其是高等教育的灵魂。
在我国，长期以来高校基础实验室的发展处于相对滞后的状态，理工科教学重理论轻实践的现象长期存在，而文科更是没有实践环节。而科学实验历来就是科学发现和建立科学理论的基石，科学实验与科学理论是相辅相成，相互作用的关系。因此，实验教学作为高等教育的重要环节在教学改革不断深入的今天也面临着许多需要解决的问题。知识的快速发展和学生在实验室有限的动手操作形成了鲜明的矛盾，即使在一些开放性实验室的学校里由于师资力量和很多客观因数的影响的制约使许多学生动手操作的愿望得不到充分满足。如何使学生充分利用课余时间使用简单易携带且具有相当功能的实验设备开展自主创新的探索性学习成为我们不可忽视的热点问题，本文就是针对这个热点试图做一些有益探索和尝试，让更多的学生参与到实践教学中并在其中发挥自己最大的潜力。
人类的本质在于创造，创造性制约着人类适应,生存和发展的能力,是人的最重要素质,培养学生的创造性,是当今教育的重要目的。为达到此目的,高等教育学院应当承当的任务和目标就不言而喻了。
传统的实验教学以教师为中心，以实验知道教材为中心，与时代发展的偏差很大。这种教学方式夸大了课堂教学的可控性，过分强调教师对学生的知道及规范统一教学要求和权威评价。忽视学生这一认知主体对客观的选择和加工，以及在认识过程中的个性作用发挥。并片面强调课堂作用的科学性。忽视了学生之间的交流，环境的影响以及对志向，态度，情操等文化因素的关注。将我们的教学提高到创新性教学水平，是学生在“学会学习”的基础上“学会创新”，是知识经济时代的迫切要求。教学目标，教学原则，教学内容只有通过教学过程才能贯彻，落实，转化为教学效果。教学过程的本质，就是在教师启发指导下，学生自主构建认知结构的过程，即学生自定目标，自我评价，自我调整，自我实现的心理组织过程。“教是为了达到不需要教”。实验教学必须致力于学生自主创新能力的培养，教学模式的构建必须立足于学生“自主创新学习”。
近年来在电子工程领域，可编程逻辑器件的广泛应用改变了传统的设计方法和理念，推动了电子系统的设计方法由CAD逐步向EDA（Electronic Design Automation,电子设计自动化）过渡。系统可编程器件的出现，为数字系统的设计带来了更大的灵活性，允设计者通过软件随时对器件，电路板或整个电子系统的逻辑功能进行重构，而不需要编程器。由于其独特的设计方法改变了传统设计思路，减轻了设计难度，增加设计的自由度和灵活性，提高效率，减少设计周期。是设计的电子产品体积缩小，成本下降，功耗降低，性能提高。所以，EDA技术已成为电子设计的重要工具，也是电子设计者必须掌握的一门先进技术。因此，各类大，中专学校纷纷开设此类课程，然而现有的EDA实验开发板，操作复杂、价格昂贵不可能在学生中得以普及，学生只能利用有限的实验课时间动手操作，很难达到全面掌握EDA技术的教学目的。作为一名通信工程本科学生我在学习这门课程的时候了解到自主创新的学习模式是未来教育发展的主导理论。这种以研究性学习为特点的反传统的学习模式，体现了素质教育的必然要求。本设计就是考虑到市场上大多EDA实验设备价格昂贵，不一定适合学生利用课余时间开展自主创新的探究性学习，而且由于CPLD/FPGA可编程逻辑器件更新换代很快，容易被淘汰而浪费资源，并不符合节约型社会的建设理论。而对于对EDA技术并没有深入学习的同学来说，EDA实验就是很好的学习机会，在实践中可以更好的学习EDA技术。所以从实际出发，本论文在设计出的一款成本底，功能全，符合学生自主创新学习模式需求的基于GW48系列平台的FPGA实验板，并开发出一系列实验。其目的就是在教师的引导下，学生主动参与，自主构建，创造性地获取知识，发展创新精神，形成创新能力的学习活动。
1.2 论文的结构安排
全文共分为四章。第一章阐述了教学改革需要适合自主创新教学理论需求之用的EDA技术实验工具的原因，并对本实验板的特色做了说明。第二章主要介绍了FPGA技术的基本特点和EDA技术的基本设计方法，并对Cyclone系列的FPGA做了介绍。第三章主要介绍FPGA实验板的硬件电路及主要模块。第四章叙述在这宽FPGA实验板上的测试电路以及开发的实验项目并对Quartus 11和VHDL语言作了详细介绍。最后总结前面所做的工作并对今后工作提出展望。
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