FPGA开发外设子板模块电路

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机（无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构）的顺序操作有很大区别，也造成了FPGA开发入门较难。目前国内有专业的FPGA外协开发厂家，开发展基本电路如下：

　　蜂鸣器电路如图3.47所示。FM信号由FPGA的I/O口控制。当FM为高电平时，Q1的BE导通，则CE导通，蜂鸣器的5V和GND形成回路，发出声音。当FM为低电平时，Q1的BE断开，则CE断开，蜂鸣器的5V和GND断开，因此没有电流流过蜂鸣器，蜂鸣器便不发声。在后面的实验中，我们可以使用PWM信号，即以固定的时高时低的电平控制Q1的导通与否，然后达到蜂鸣器的时断时开，人耳听到的便是不同频率的声响。

　　图3.47 蜂鸣器驱动电路

　　8个LED指示灯的电路如图3.48所示，他们公共端接电源3.3V，另一端连接FPGA的I/O口。若输出高电平，LED熄灭；若输出低电平，则LED点亮。这8个LED的接口是与数码管的段选信号复用的。

　　图3.48 8个LED指示灯电路

　　3位的拨码开关电路如图3.49所示。

　　图3.49 拨码开关电路

　　如图3.50，我们可以对照实物，默认3个拨码开关应该都是拨向左侧（即1、2、3标记侧），在电路图上就是VCC3.3上拉一侧。就是说，默认情况下，3个连接FPGA的I/O口的信号SW_MODE1、SW_MODE2、SW_MODE3均为高电平。若拨码开关被拨到右侧（即标记ON侧），则采集到的输入就是低电平了。

　　图3.50 拨码开关实物照片

　　数码管电路如图3.51所示。SEG_CS0、SEG_CS1、SEG_CS2、SEG_CS3这4个信号对应控制数码管4位显示的片选信号，低电平有效，若4个片选信号都为0，则4位数码管都能点亮显示。LED0-7则也被复用为数码管的段选信号，控制一个数码管的对应段LED的亮灭状态，这一组信号对于4位的数码管是共用的。在实际控制时，我们一般会分时点亮需要显示的各个位数码管，只要时间控制得合理，人眼是很容易被“蒙骗”的，我们很容易就能看到4个不同的数字显示在数码管上。

　　图3.51 数码管驱动电路

　　A/D芯片的电路如图3.52所示。它通过一个单向（从A/D芯片到FPGA）数据传输的SPI接口与FPGA相连。FPGA通过这组SPI接口读取当前模拟电压值。为了得到不同的模拟电压值，我们的板子在A/D芯片的模拟输入端设置了一个3.3V的分压电阻，当跳线帽连接了P3的1-2引脚时，调节可变电阻R24的阻值便能改变当前A/D采样的数据。跳线帽若连接P3的2-3引脚，则AD芯片的输入模拟电压来自于D/A芯片的当前输出。

　　图3.52 A/D芯片驱动电路

　　D/A转换电路如图3.53所示。这个D/A芯片通过I2C接口与FPGA连接，FPGA通过这组I2C接口输出数据，相应D/A芯片的VOUT输出模拟电压值。若跳线帽连接P2的1-2引脚，则不同的模拟电压值输出驱动D9指示灯呈现不同的亮度。

　　图3.53 D/A芯片驱动电路

　　FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显：一方面，FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制IP被引入 FPGA中，以满足客户产品快速上市的要求。此外，FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

　　本文的目标是研制一个轮式小车惯性导航系统，能够通过wifi实现PC终端和手持终端控制轮式小车行动以及小车所采集数据的传输。搭建如下图1所示的系统，TI公司的浮点DSP TMS320F28335芯片作为主数字信号处理器，采集各MEMS惯性传感器的信号并处理，处理结果通过WIFI将数据输送到PC终端;PC终端负责显示定位结果和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。

　　图1 总体架构

　　硬件设计上，主要分为核心板和驱动板。核心板包括DSP最小系统，JTAG下载口设计，系统电源供给电路和MEMS传感器，WIFI模块等。而驱动板主要设计的内容是直流大电机的驱动模块。

　　电源电路设计

　　TMS320F28335工作时需要的电压不同：内核电压（1.9 V）与I/O供电电压（3.3 V），对于电源比较敏感，所以电源部分利用两路输出电源器件TPS767D318来实现，如图2所示。同时根据仿真实验和实际焊接电路的测试，电源模块输出端最好使用一些容值不小于10uf的保护电容，且不能使用贴片电容，否则工作不稳定。

　　图2 DSP电源设计

　　在电源设计中，考虑到TPS767D318芯片可以产生复位信号，所以在核心板上并没有再另外为DSP设计复位电路。

　　JTAG下载口电路设计

　　图3为JTAG电路，按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口，同时要注意EMU0和EMUl信号必须通过上拉电阻连接至电源，其中上拉电阻为10kΩ。

　　图3 JTAG电路设计

　　小车驱动板设计

　　在本装置中，我们采用BTS7960作为直流电机驱动芯片。BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj = 25 °C 时，其内阻抗为17mΩ。装置采用了两个直流大电机，如图4所示为驱动单个电机前后转向的电路图。

　　图4 驱动模块电路设计

　　在电机驱动这里，需要注意一个细节，就是电机在转动过程中有可能会产生反向的电动势，使电流一瞬间过大，导致单片机复位甚至有可能烧坏芯片。因此在设计过程中，可以考虑在单片机PWM输入到电机驱动接口的地方添加光耦器件隔离或者二极管。如图5所示，驱动板选择了tlp521-4这种光耦器件设计隔离电路，减小电压的干扰，减化电路的设计，同时也把四路PWM的I/O电平从3.3上拉到5V。

　　图5 TLP521隔离电路

　　本文所设计的轮式小车室内惯性导航装置，分析了该软件设计的各个模块的具体实现方法。经实验结果表明，该设计能够实时监测到移动机器人的位置信息，并对其能实现有效控制。同时其低成本、高精度、易操作的特点将进一步应用于例如巡逻机器人、救援机器人等专业领域，必将吸引国内外众多的投资商对其投资并进行更进一步的研发与应用，使其有着十分广大的创新创业前景、应用前景和市场前景。