基于可编程逻辑器件的数字电路实验箱设计与实现

慕凯 杨丽 李颖琦 谢军 丁富舜

摘   要：目前，国内众多高校电子信息相关专业都设有电子技术基础实验室，其中，数字电路实验室作为数字电路课程的实践场所，实验设备使用频繁，实验准备及相关工作量庞大，设备维护较为麻烦。另外，传统实验所用器件基本停产，购买麻烦，且价格高昂，损坏也比较严重，所以每学期都需要较多的经费对器件进行更换，以保证实验器材正常使用。因此，文章通过可编程逻辑器件的灵活性和低成本，在单个实验箱上设计一块FPGA或者CPLD，取代原有繁多的传统器件，在设备无故障的情况下，无需进行实验箱其他准备工作，减少了管理人员工作量，降低了实验成本。

关键词：FPGA;CPLD;数字电路

目前，国内众多高校电子信息相关专业都设有数字电路实验室作为数字电路课程的实践场所，实验设备使用频繁，所以实验准备的工作量也很繁琐，设备维护较为麻烦[1]。另外，传统实验所用器件基本停产，购买麻烦，且价格高昂，损坏也比较严重，所以每学期都需要较多的经费对器件进行更换和维修，以保证实验器材正常使用。随着实验内容的增加，实验箱体积越来越大，功耗也大大增加，往往难以适应大规模、不同内容实验的要求。实验装置的落后已成为阻碍实验发展的重要因素之一[2]。由此，为取代原有繁多的传统器件，减小实验箱的体积，应该选用FPGA或者CPLD代替。

选用verilog编写的程序作为数字芯片的主要核心，在此基础上做出更多常用数字芯片的程序。需用到的数字芯片，只需下载想用的程序即可实现相应的功能。改动之后不但能节省分立元器件成本，还可使实验箱的功能更加强大，灵活性更高。

1    硬件设计

1.1  硬件设计

结合可编程逻辑器件的优点，本实验箱都采用CPLD作为主控芯片，通过提前用verilog编写的程序固化到CPLD中，并通过旋转编码器EC11系列可编程逻辑器件内部时钟进行分频，预留ESP8266 WiFi模块方便后续升级，系统整体架构如图1所示。

1.2  可调脉冲频率模块设计

本模块使用CPLD或FPGA对EC11旋转编码器（增量式触电电刷编码器）[3]，其转动时引脚A、B相位变化（见图2）。

当A信号上升沿时B信号为低电平，或当A信号下降沿时B信号为高电平，证明当前编码器为顺时针转动。当A信号上升沿时B信号为高电平，或当A信号下降沿时B信号为低电平，证明当前编码器为逆时针转动（见图3）。

在通过对顺时针或逆时针转动进行计数从而对系统时钟进行分频，即可达到可调脉冲频率的目的。

1.3  WiFi模块

本模块使用ESP8266 WiFi模块，ESP8266是一款超低功耗的UART—WiFi透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能，从而起到连接软件（网络编程）和硬件的连接作用[4]。

将芯片作为一个WiFi模块，不需要自己再对芯片进行开发，只需要根据模块提供的接口，用AT指令和ESP8266模块的UART与CPLD进行通信，让模块去接入网络即可[5]。ESP-01管脚如图4所示。

1.4  其他模塊设计

电路整体采用USB接口5 V供电，再通过AMS1117—3.3 V进行降压对芯片进行供电，8个LED进行流水灯实验和2个共阴极数码管进行3～8译码器实验或倒计时实验，0.96寸OLED显示当前进行的实验，其余为用到I/O口全部引出，用作虚拟器件的引脚，引脚之间通过K2线和香蕉插座进行连接。电源模块电路如图5所示，电源模块电路如图6所示。

2    软件实现

整体系统设计思想架构整个如图7所示，上电初始化，手机通过WiFi发送指令，WiFi模块接收指令，通过串口发送给CPLD，CPLD接收信息不对，OLED显示ERROR，等待手机重新发送指令，指令正确，OLED显示“test xx start！”则可以进行实验[6]。

图7  程序流程

3    结语

尽管可编程逻辑器件在数字电路实验箱的应用技术已经成熟，但是数电实验箱还需要更进一步的改善，以后的实验箱可能更加便捷，只需通过APP选择所需要逻辑器件，进行实验。但是无论怎么改进，本质还是帮助学生快速了解数字电路设计及原理，进一步了解可编程逻辑器件和认识硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）。随着物联网、人工智能和智能制造等新兴市场的出现，未来FPGA市场份额会逐渐变大，FPGA也会成为未来电子专业学生学习中很重要的一部分。

基金项目：南京晓庄学院2017年度大学生实践创新训练项目;项目编号：201711460038X。

作者简介：慕凯（1996— ），男，安徽滁州人，本科生;研究方向：电子信息。