FPGA開(kāi)發(fā)外設(shè)子板模塊電路設(shè)計(jì)詳解 —電路圖天天讀（161）

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA的開(kāi)發(fā)相對(duì)于傳統(tǒng)PC、單片機(jī)的開(kāi)發(fā)有很大不同。FPGA以并行運(yùn)算為主，以硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)；相比于PC或單片機(jī)（無(wú)論是馮諾依曼結(jié)構(gòu)還是哈佛結(jié)構(gòu)）的順序操作有很大區(qū)別，也造成了FPGA開(kāi)發(fā)入門(mén)較難。目前國(guó)內(nèi)有專業(yè)的FPGA外協(xié)開(kāi)發(fā)廠家，開(kāi)發(fā)展基本電路如下：

　　蜂鳴器電路如圖3.47所示。FM信號(hào)由FPGA的I/O口控制。當(dāng)FM為高電平時(shí)，Q1的BE導(dǎo)通，則CE導(dǎo)通，蜂鳴器的5V和GND形成回路，發(fā)出聲音。當(dāng)FM為低電平時(shí)，Q1的BE斷開(kāi)，則CE斷開(kāi)，蜂鳴器的5V和GND斷開(kāi)，因此沒(méi)有電流流過(guò)蜂鳴器，蜂鳴器便不發(fā)聲。在后面的實(shí)驗(yàn)中，我們可以使用PWM信號(hào)，即以固定的時(shí)高時(shí)低的電平控制Q1的導(dǎo)通與否，然后達(dá)到蜂鳴器的時(shí)斷時(shí)開(kāi)，人耳聽(tīng)到的便是不同頻率的聲響。

　　圖3.47 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

　　8個(gè)LED指示燈的電路如圖3.48所示，他們公共端接電源3.3V，另一端連接FPGA的I/O口。若輸出高電平，LED熄滅；若輸出低電平，則LED點(diǎn)亮。這8個(gè)LED的接口是與數(shù)碼管的段選信號(hào)復(fù)用的。

　　圖3.48 8個(gè)LED指示燈電路

　　3位的撥碼開(kāi)關(guān)電路如圖3.49所示。

　　圖3.49 撥碼開(kāi)關(guān)電路

　　如圖3.50，我們可以對(duì)照實(shí)物，默認(rèn)3個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)應(yīng)該都是撥向左側(cè)（即1、2、3標(biāo)記側(cè)），在電路圖上就是VCC3.3上拉一側(cè)。就是說(shuō)，默認(rèn)情況下，3個(gè)連接FPGA的I/O口的信號(hào)SW_MODE1、SW_MODE2、SW_MODE3均為高電平。若撥碼開(kāi)關(guān)被撥到右側(cè)（即標(biāo)記ON側(cè)），則采集到的輸入就是低電平了。

　　圖3.50 撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)物照片

　　數(shù)碼管電路如圖3.51所示。SEG_CS0、SEG_CS1、SEG_CS2、SEG_CS3這4個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)控制數(shù)碼管4位顯示的片選信號(hào)，低電平有效，若4個(gè)片選信號(hào)都為0，則4位數(shù)碼管都能點(diǎn)亮顯示。LED0-7則也被復(fù)用為數(shù)碼管的段選信號(hào)，控制一個(gè)數(shù)碼管的對(duì)應(yīng)段LED的亮滅狀態(tài)，這一組信號(hào)對(duì)于4位的數(shù)碼管是共用的。在實(shí)際控制時(shí)，我們一般會(huì)分時(shí)點(diǎn)亮需要顯示的各個(gè)位數(shù)碼管，只要時(shí)間控制得合理，人眼是很容易被“蒙騙”的，我們很容易就能看到4個(gè)不同的數(shù)字顯示在數(shù)碼管上。

　　圖3.51 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

　　A/D芯片的電路如圖3.52所示。它通過(guò)一個(gè)單向（從A/D芯片到FPGA）數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟PI接口與FPGA相連。FPGA通過(guò)這組SPI接口讀取當(dāng)前模擬電壓值。為了得到不同的模擬電壓值，我們的板子在A/D芯片的模擬輸入端設(shè)置了一個(gè)3.3V的分壓電阻，當(dāng)跳線帽連接了P3的1-2引腳時(shí)，調(diào)節(jié)可變電阻R24的阻值便能改變當(dāng)前A/D采樣的數(shù)據(jù)。跳線帽若連接P3的2-3引腳，則AD芯片的輸入模擬電壓來(lái)自于D/A芯片的當(dāng)前輸出。

　　圖3.52 A/D芯片驅(qū)動(dòng)電路

　　D/A轉(zhuǎn)換電路如圖3.53所示。這個(gè)D/A芯片通過(guò)I2C接口與FPGA連接，F(xiàn)PGA通過(guò)這組I2C接口輸出數(shù)據(jù)，相應(yīng)D/A芯片的VOUT輸出模擬電壓值。若跳線帽連接P2的1-2引腳，則不同的模擬電壓值輸出驅(qū)動(dòng)D9指示燈呈現(xiàn)不同的亮度。

　　圖3.53 D/A芯片驅(qū)動(dòng)電路

　　FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件）產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從原來(lái)的通信擴(kuò)展到消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、測(cè)試測(cè)量等廣泛的領(lǐng)域。而應(yīng)用的變化也使FPGA產(chǎn)品近幾年的演進(jìn)趨勢(shì)越來(lái)越明顯：一方面，F(xiàn)PGA供應(yīng)商致力于采用當(dāng)前最先進(jìn)的工藝來(lái)提升產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)品的成本；另一方面，越來(lái)越多的通用IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）或客戶定制IP被引入 FPGA中，以滿足客戶產(chǎn)品快速上市的要求。此外，F(xiàn)PGA企業(yè)都在大力降低產(chǎn)品的功耗，滿足業(yè)界越來(lái)越苛刻的低功耗需求。

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