【EDA与单片机及SOPC一体化实验教学平台】
功能/作用介绍
简介
本作品提出一款将EDA技术、51单片机技术及SOPC(System on Programmable Chip)技术整合在同一FPGA平台上进行相关理论和实验教学的软硬件平台。国内尚属首次。
单片机技术、EDA技术及SOPC技术是高校电气、电子和信息类专业中三门非常普及和重要的实践性课程。其实验方式和实验平台随技术的发展不断改进。近来，以集成各类实验功能的一体化实验教学开发平台为主流。它们一般共用外围功能模块，通过切换核心模块/子板的方式来应对单片机和EDA这两种不同类型的实验。这类实验平台价格都较高，体积较大，因电路模块多，硬件故障率高。也因子板多而不便于实验设备管理。对于SOPC技术的教学，则往往显得“高大上”，脱离学生的前期课程基础和接受能力。
自行研制的多功能一体化实验教学平台克服了上述问题。该平台的突出特点在于：
(1)基于单一FPGA核心板就能充分满足单片机、EDA和SOPC的实验教学和课程设计，以及相关技术培训(电子类设计比赛)的需要。可面向不同专业和不同层次的高校学生，提供基础应用和系统设计实验的动手能力训练，以及思考和创新的空间。另一方面，非常有利于对实验硬件设备和多专业实验室的优化配置与管理。
(2) 适合不同的多层次实验教学内容要求：既可支撑独立的EDA类和单片机类基础实验教学及其各自的综合实验教学，也可支撑二者结合的SOPC实验教学，并可与更高阶的DSP设计应用接轨。另一方面，非常有助于开展实践教学的改革。
本实验硬件平台包括的各项功能模块如下：
(1)核心板标配为Xilinx的Spartan3E 系列的XC3S250E芯片、2MB的Flash、32KB的SRAM、
配置器件XCF02/04(JTAG配置)和M25P16(SPI配置);
(2)采用50MHz 的晶振;
(3)用户接口：4个独立按键、8个LED、2个4位七段数码管和8位拨码开关;
(4)标配FYD12864-0402B 的128×64 图形点阵液晶显示屏;
(5)16×16点阵LED 显示;
(6)具有RS-232 电平转换电路，可与PC 进行串行通信;
(7)1个交流蜂鸣器;
(8)8位串行A/D 和8位串行D/A;
(9)实时时钟PCF8563;
(10)数字温度传感器LM75A;
(11)PS/2 键盘和鼠标接口，能够扩展系统的输入设备;
(12)256 色VGA 接口;
(13)红外收发模块HW038;
(14)用户扩展I/O接口，方便用户扩展实验板以外的其他各种功能电路;
(15)一系列功能跳线接口，方便与底板上的特定功能模块进行连接。
在本平台上开设的实验项目分三个层次。其特点包括以下几个方面：
(1)基础层
分别配合《EDA原理及应用》和《单片机原理及应用》的课程实验。对前者，提供基础逻辑模块验证、常用逻辑电路描述、基本EDA流程训练的实验训练。对后者，提供单片机内部功能模块验证和基本程序设计的实验训练。
(2)综合层
结合实验平台提供的硬件功能模块及丰富的实验例程，使学生分别掌握以单片机方式和EDA方式作电子设计的不同思路与方法，对比领会它们在实现相同功能时的优缺点。
(3)设计层
以电子应用小系统的有效构建为实验目的。首先围绕实验硬件平台, 以SOPC的方式实现综合设计型实验项目，掌握软硬件协同及系统优化设计的方法。其次，通过添加外围电路，设计和实现自定义的应用项目或电子设计竞赛题目。
该平台配套教材。其基本编写思路是注重内容的典型性和实用性，强调过程的可操作性和可延续性。既有原理知识的铺垫，又有基础操作和例程的参考，还有综合应用项目的训练，更有创新设计的挑战。使不同层次的读者各取所需，并获得持续的学习兴趣。
教材按由浅入深的方式分为三篇，第一篇从数字系统基本设计原理出发，先从EDA方面介绍EDA设计流程、FPGA结构特点和基于VHDL语言的逻辑描述方法，再从单片机方面讲述8051单片机原理和C51程序语言设计，并介绍了流行的MC8051处理器IP核。第二篇为应用实践篇，先介绍综合实验硬件平台，再提出多个基础性的EDA实验项目和单片机实验项目。其中既有工具软件的详细操作步骤，又有丰富的实验例程，使读者能够快速掌握FPGA应用和单片机应用的基本技能和对实验平台所提供的各功能模块的驱动方法。
各项目对数字逻辑、程序、系统综合及DSP应用的训练各有侧重。这些项目中都基于基础层所学习的软、硬件模块，完成一个电子应用小系统。对各项目既有分析讨论和代码提示，同时又给学生的实践提供了充分发挥和扩展的空间。学生可根据对题目的分析，进行多种实现方案的尝试，进而掌握EDA和单片机各自的技术特征，深入理解软硬协同设计的现代电子技术设计思想和SOPC的优势。第三篇为基于FPGA的信号处理篇。先介绍FFT、FIR滤波、CORDIC这3种典型的数字信号处理模块的使用，再提供两个综合设计型实验题目，给读者以实战的检验。
总之，“EDA与单片机及SOPC一体化实验教学平台”可为不同类型的高校的现代电子技术各项理论和实验课程及其教学改革提供一种全新的体验。
作品名称：EDA与单片机及SOPC一体化实验教学平台
完成单位：电子科技大学
