论文题目：基于FPGA的数字综合实验平台的设计与开发
摘要：随着电子技术的快速发展,由分立的中、小规模的电路搭建传统方法已被大规模集成电路现代电子技术所取代,未来电子工程师进行电路设计时将不必从基本的单元电路做起,而是只需将注意力集中到系统设计上。如何将现代电子设计技术融入到基本数字电路教学中,创造一种将FPGA开发实践与数字电路的学习相结合的新方法?本课题为此构建一块区别于市面上多基于工程应用而缺乏基础知识学习的FPGA综合实验平台,在此实验平台上使用者既可配合平台完成基于FPGA的模块化设计思想的数字集成电路基础知识,又可进一步开拓基于SOPC思想的现代数字系统设计。探索一条将现代EDA技术融入传统电子技术基础教学中的新思路。设计FPGA综合数字实验平台的目的是解决传统数字电路实验箱中存在的以下缺陷:连线与器件容易顺坏;大部分数字电路实验以验证性实验为主,缺乏创新性和开发性,不利于开发学生创造性思维。文中从FPGA的设计基础、开发语言与工具、硬件电路系统设计、基于数字电路实验的模块化设计案例、基于SOPC的数字综合实验开发等方面介绍该平台的设计过程与应用开发。在实际应用中,该实验平台不仅可以完成基本门电路、计数器等数字电路的验证性实验要求,还可以进行数字系统创新性设计,如电子时钟、基于NIOS II软核处理器的数码管动态显示设计等,基本可以满足学生在此平台进行基础学习和开发性设计。基于该平台的每个实验都从工作原理、语言描述与仿真、下载调试、演示性设计、拓展开发等方面展示FPGA综合数字实验平台的特点与优势。
关键词：FPGA;数字电路实验设计;SOPC
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景与研究目的
1.2 本领域现状
1.3 本文工作
1.4 论文的组织结构
第二章 FPGA的设计基础
2.1 FPGA简介
2.2 FPGA结构
2.2.1 工作原理
2.2.2 FPGA芯片结构
2.3 硬件描述语言
2.3.1 硬件描述语言简介
2.3.2 HDL语言比较
2.4 开发工具
2.4.1 仿真工具ModelSim
2.4.2 综合工具Quartus Ⅱ
2.5 FPGA器件的配置
2.5.1 配置方式
2.5.2 下载电缆
2.5.3 配置芯片
2.6 本章小结
第三章 硬件平台电路设计
3.1 FPGA芯片选择
3.1.1 Altera公司的Cyclone IV系列芯片分析
3.1.2 芯片引脚与功能分析
3.2 最小系统的电路设计
3.2.1 电源系统设计
3.2.2 下载配置电路
3.2.3 复位电路
3.2.4 时钟电路
3.2.5 SDRAM存储器电路
3.3 外围电路
3.3.1 LED灯电路
3.3.2 拨码开关
3.3.3 按键电路
3.3.4 数码管电路
3.3.5 EEPROM电路
3.3.6 实时时钟电路
3.3.7 串口电路
3.3.8 RS485总线接口电路
3.3.9 温度传感器DS18B20
3.3.10 蜂鸣器电路
3.3.11 液晶接口电路
3.3.12 扩展口
3.4 PCB设计
3.4.1 电路系统去耦设计
3.4.2 BGA封装布局布线
3.4.3 PCB设计分析
3.5 本章小结
第四章 基于硬件平台的数字电路基础实验开发
4.1 硬件平台的通电测试与下载调试
4.1.1 实验平台通电测试
4.1.2 USB下载驱动的安装
4.1.3 程序下载调试
4.2 基于硬件平台的数字电路实验设计
4.2.1 实验设计流程
4.2.2 基本逻辑门电路的设计
4.2.3 计数器实验的设计
4.2.4 综合电路电子钟的设计验证
4.3 本章小结
第五章 基于硬件平台的SOPC数字综合实验设计
5.1 SOPC的概念
5.2 NIOS II软核处理器
5.3 SOPC设计流程
5.4 基于NIOS II的数码管动态扫描设计实例
5.4.1 设计需求分析
5.4.2 硬件环境设计
5.4.3 软件程序开发
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献