单片机FPGA最小系统与电子设计竞赛

单片机、FPGA最小系统板

与

大学生电子设计竞赛陆珉国防科技大学电子科学与工程学院2/5/20231主要内容单片机最小系统简介单片机最小系统应用实例FPGA最小系统简介FPGA最小系统应用实例综合应用实例2/5/20232摘自

全国大学生电子设计竞赛基本仪器和主要元器件清单二、主要元器件清单

单片机最小系统板（仅含单片机芯片、键盘与显示装置、存储器)可编程逻辑器件下载板（仅含可编程芯片、下载电路、配置存储器）

A/D、D/A变换器运算放大器、电压比较器可编程逻辑器件

……2/5/20233什么是单片机最小系统？满足单片机运行的最小硬件系统包括单片机、时钟电路、复位电路扩展的单片机最小系统包括单片机、键盘、显示器、存储器不得包含ADC、DAC2/5/20234典型的单片机最小系统单片机液晶LED时钟按键串口2/5/20235为什么使用单片机最小系统电路模式化，差异性较小缩短设计时间，展现设计水平减少系统故障率，提高系统可靠性2/5/20236单片机的选型原则选用常用内核的单片机MCS51、PIC、MSP430、AVR程序存储器为FLASH可重复擦写具有丰富的外设及接口SPI、I2C、WDT、PCA、RTC具备JTAG在线仿真功能2/5/20237单片机最小系统板的对外扩展并行总线扩展数据线、地址线、通用IO端口串行总线扩展串口、I2C接口、SPI接口2/5/20238其它注意事项电源选择与省电设计3.3V设计多种不同类型的最小系统板体积、功能、耗电最小系统板的保护电源保护、管脚保护2/5/20239单片机最小系统应用举例1999年试题5：数字化语音存储与回放系统

2/5/202310设计任务设计并制作一个数字化语音存储与回放系统，

1.基本要求放大器1的增益为46dB，放大器2的增益为40dB，增益均可调；带通滤波器：通带为300Hz~3.4kHz；ADC：采样频率=8kHz，字长=8位；语音存储时间≥10秒；DAC：变换频率=8kHz，字长=8位；回放语音质量良好。2/5/202311设计分析采样率较低，用单片机完全可以胜任涉及语音压缩及滤波算法，用单片机完成较为合适较容易实现一些人机接口功能2/5/202312系统设计框图2/5/202313FPGA最小系统包括FPGA芯片电源电路配置接口配置存储器时钟2/5/202314典型的FPGA最小系统板FPGA时钟电源下载接口管脚引出2/5/202315FPGA系统板在电子设计竞赛中的作用粘连逻辑（地址译码等）高性能数字功能模块（DDS、频率计、DSP等）特殊存储器（FIFO、双口RAM）嵌入式处理器（PowerPC405、MicroBlaze）2/5/202316FPGA的新特性采用IPCore设计，缩短设计时间嵌入式处理器片上系统（SOC）片上逻辑分析仪（ChipScope），提高调试效率2/5/202317FPGA系统板设计FPGA芯片选型XC9500XL系列Spartan-II（E）系列（2.5V、1.8V）Spartan-3（E）系列（1.2V）电源设计专用电源芯片通用稳压芯片（LM317）2/5/202318FPGA系统板设计时钟Spartan-II系列系统时钟可达200MHzSpartan-3系列系统时钟可达326MHz配置芯片XC17系列XC18系列XCF系列2/5/202319FPGA系统板的应用2003年试题C低频数字式相位测量仪2/5/202320设计并制作一个低频相位测量系统，包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和移相网络三部分，示意图如下：

2/5/2023211、基本要求（1）设计并制作一个相位测量仪a．频率范围：20Hz～20kHz。b．相位测量仪的输入阻抗≥100kΩ。c．允许两路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化。d．相位测量绝对误差≤2°。e．具有频率测量及数字显示功能。f．相位差数字显示：相位读数为0°~359.9°，分辨力为0.1°。频率为20KHz，相位分辨率为0.1°时，采样时钟为72MHz2/5/202322设计分析相位测量需要较高的采样时钟，单片机不能完成控制逻辑及显示内容较简单2/5/202323系统设计框图相位测量模块LED驱动模块逻辑处理模块2/5/202324单片机与FPGA的分工单片机适合完成相对复杂的数值运算、控制逻辑、人机接口FPGA完成高速、高性能、并行的处理工作两者是互补的，应合理的划分两者的任务2/5/202325单片机与FPGA的综合应用2003年试题A波形发生器一、任务设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。2/5/2023261．基本要求

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。

（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基波及其谐波（5次以下）线性组合的波形。

（3）具有波形存储功能。

（4）输出波形的频率范围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。

（5）输出波形幅度范围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。

（6）具有显示输出波形的类型、重