【EDA與單片機及SOPC一體化實驗教學平臺】
功能/作用介紹
簡介
本作品提出一款將EDA技術、51單片機技術及SOPC(System on Programmable Chip)技術整合在同一FPGA平臺上進行相關理論和實驗教學的軟硬件平臺。國內尚屬首次。
單片機技術、EDA技術及SOPC技術是高校電氣、電子和信息類專業中三門非常普及和重要的實踐性課程。其實驗方式和實驗平臺隨技術的發展不斷改進。近來，以集成各類實驗功能的一體化實驗教學開發平臺為主流。它們一般共用外圍功能模塊，通過切換核心模塊/子板的方式來應對單片機和EDA這兩種不同類型的實驗。這類實驗平臺價格都較高，體積較大，因電路模塊多，硬件故障率高。也因子板多而不便于實驗設備管理。對于SOPC技術的教學，則往往顯得“高大上”，脫離學生的前期課程基礎和接受能力。
自行研制的多功能一體化實驗教學平臺克服了上述問題。該平臺的突出特點在于：
(1)基于單一FPGA核心板就能充分滿足單片機、EDA和SOPC的實驗教學和課程設計，以及相關技術培訓(電子類設計比賽)的需要?？擅嫦虿煌瑢I和不同層次的高校學生，提供基礎應用和系統設計實驗的動手能力訓練，以及思考和創新的空間。另一方面，非常有利于對實驗硬件設備和多專業實驗室的優化配置與管理。
(2) 適合不同的多層次實驗教學內容要求：既可支撐獨立的EDA類和單片機類基礎實驗教學及其各自的綜合實驗教學，也可支撐二者結合的SOPC實驗教學，并可與更高階的DSP設計應用接軌。另一方面，非常有助于開展實踐教學的改革。
本實驗硬件平臺包括的各項功能模塊如下：
(1)核心板標配為Xilinx的Spartan3E 系列的XC3S250E芯片、2MB的Flash、32KB的SRAM、
配置器件XCF02/04(JTAG配置)和M25P16(SPI配置);
(2)采用50MHz 的晶振;
(3)用戶接口：4個獨立按鍵、8個LED、2個4位七段數碼管和8位撥碼開關;
(4)標配FYD12864-0402B 的128×64 圖形點陣液晶顯示屏;
(5)16×16點陣LED 顯示;
(6)具有RS-232 電平轉換電路，可與PC 進行串行通信;
(7)1個交流蜂鳴器;
(8)8位串行A/D 和8位串行D/A;
(9)實時時鐘PCF8563;
(10)數字溫度傳感器LM75A;
(11)PS/2 鍵盤和鼠標接口，能夠擴展系統的輸入設備;
(12)256 色VGA 接口;
(13)紅外收發模塊HW038;
(14)用戶擴展I/O接口，方便用戶擴展實驗板以外的其他各種功能電路;
(15)一系列功能跳線接口，方便與底板上的特定功能模塊進行連接。
在本平臺上開設的實驗項目分三個層次。其特點包括以下幾個方面：
(1)基礎層
分別配合《EDA原理及應用》和《單片機原理及應用》的課程實驗。對前者，提供基礎邏輯模塊驗證、常用邏輯電路描述、基本EDA流程訓練的實驗訓練。對后者，提供單片機內部功能模塊驗證和基本程序設計的實驗訓練。
(2)綜合層
結合實驗平臺提供的硬件功能模塊及豐富的實驗例程，使學生分別掌握以單片機方式和EDA方式作電子設計的不同思路與方法，對比領會它們在實現相同功能時的優缺點。
(3)設計層
以電子應用小系統的有效構建為實驗目的。首先圍繞實驗硬件平臺, 以SOPC的方式實現綜合設計型實驗項目，掌握軟硬件協同及系統優化設計的方法。其次，通過添加外圍電路，設計和實現自定義的應用項目或電子設計競賽題目。
該平臺配套教材。其基本編寫思路是注重內容的典型性和實用性，強調過程的可操作性和可延續性。既有原理知識的鋪墊，又有基礎操作和例程的參考，還有綜合應用項目的訓練，更有創新設計的挑戰。使不同層次的讀者各取所需，并獲得持續的學習興趣。
教材按由淺入深的方式分為三篇，第一篇從數字系統基本設計原理出發，先從EDA方面介紹EDA設計流程、FPGA結構特點和基于VHDL語言的邏輯描述方法，再從單片機方面講述8051單片機原理和C51程序語言設計，并介紹了流行的MC8051處理器IP核。第二篇為應用實踐篇，先介紹綜合實驗硬件平臺，再提出多個基礎性的EDA實驗項目和單片機實驗項目。其中既有工具軟件的詳細操作步驟，又有豐富的實驗例程，使讀者能夠快速掌握FPGA應用和單片機應用的基本技能和對實驗平臺所提供的各功能模塊的驅動方法。
各項目對數字邏輯、程序、系統綜合及DSP應用的訓練各有側重。這些項目中都基于基礎層所學習的軟、硬件模塊，完成一個電子應用小系統。對各項目既有分析討論和代碼提示，同時又給學生的實踐提供了充分發揮和擴展的空間。學生可根據對題目的分析，進行多種實現方案的嘗試，進而掌握EDA和單片機各自的技術特征，深入理解軟硬協同設計的現代電子技術設計思想和SOPC的優勢。第三篇為基于FPGA的信號處理篇。先介紹FFT、FIR濾波、CORDIC這3種典型的數字信號處理模塊的使用，再提供兩個綜合設計型實驗題目，給讀者以實戰的檢驗。
總之，“EDA與單片機及SOPC一體化實驗教學平臺”可為不同類型的高校的現代電子技術各項理論和實驗課程及其教學改革提供一種全新的體驗。
作品名稱：EDA與單片機及SOPC一體化實驗教學平臺
完成單位：電子科技大學
