基于FPGA的單片機外圍接口電路設計

摘要：利用現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA實現(xiàn)單片機的外設接口電路可以簡化單片機系統(tǒng)的硬件電路，提高系統(tǒng)的集成度、可靠性和系統(tǒng)設計的靈活性。本文介紹了基于 FPGA的單片機外設接口電路的基本設計方法，分別給出了各個功能模塊的設計思路和實現(xiàn)方法。所有功能的實現(xiàn)全部采用 VHDL進行描述。

0 引言

單片機具有性價比高、功能靈活、易于人機對話、數(shù)據(jù)處理能力強等特點。單片機應用系統(tǒng)通常由鍵盤、顯示器、通信接口、存儲器、A/D、D/A電路等部分組成。傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)經(jīng)常要用標準的邏輯電路或專用的接口芯片來組成外圍電路，如地址譯碼、I/O擴展等功能通常由標準的TTL/COMS邏輯電路或各種專用接口芯片實現(xiàn)，這樣就會使系統(tǒng)的芯片數(shù)增多，接線復雜，從而使電路板面積增大、可靠性和 EMI性能減低，難以實現(xiàn)設計的小型化、集成化和高可靠性。而可編程門陣列FPGA的LCA結構和它豐富的內(nèi)部資源可以用來設計各種組合邏輯和時序邏輯電路，因此使用FPGA設計單片機的外圍電路能夠大大簡化系統(tǒng)硬件結構，使系統(tǒng)的設計、修改和擴展都變的十分靈活方便。本文通過對FPGA器件進行功能設計，取代傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)中外設接口用的標準邏輯電路和專用的接口芯片，使單片機系統(tǒng)的硬件電路大大簡化并提高其可靠性。當需要改變系統(tǒng)性能時，可以通過對FPGA重新編程而不用改變硬件電路，提高了系統(tǒng)設計的靈活性。

1 系統(tǒng)設計方案

根據(jù)一般單片機系統(tǒng)設計的需要，本文所設計的系統(tǒng)具有以下幾個功能模塊，如圖1所示。

1 ）通用邏輯模塊：根據(jù)具體的情況產(chǎn)生各種不同的邏輯電路及控制信號，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標準邏輯芯片。本文將其設計為擴展存儲器時用到的地址鎖存器。

2 ）鍵盤接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機與鍵盤的接口電路，用 FPGA編程完成消除抖動及按鍵識別功能。本文將其設計為4×4掃描鍵盤的通用接口。

3 ）顯示接口模塊：代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機與顯示器的接口電路，用 FPGA編程完成譯碼、掃描等功能。本文將其設計為4位七段動態(tài) LED接口。

1 ）串并行接口模塊：實現(xiàn)單片機與其外設的串行或并行數(shù)據(jù)通信。本文將其設計為串行通信接口模塊。

2 ）其他擴展模塊：實現(xiàn)單片機的一些其他常用功能，如 PWM驅動、A/D、D/A轉換的控制等。

本設計所采用的FPGA器件是 ALTERA公司的Cyclone-TM系列芯片 EP1C6Q240C8，它具有5980個邏輯單元， 92160個比特的嵌入 RAM。系統(tǒng)開發(fā)工具為硬件描述語言VHDL，開發(fā)平臺為Quartus Ⅱ。