專利名稱：電路動態(tài)重組eda綜合實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種EDA實驗平臺，特別是一種電路動態(tài)重組的EDA綜合實驗系統(tǒng)。
背景技術：
數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件(PLD)、單片機課程在整個電工電子教學中占有非常重要的地位，也是現(xiàn)代EDA技術的重要組成部分，且具有非常強的實踐性。數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件、單片機三門課程之間具有非常緊密的聯(lián)系數(shù)字電路與邏輯設計是可編程邏輯器件設計的基礎，并且，隨著技術的進步，目前已經(jīng)放棄傳統(tǒng)的利用74系列集成芯片完成數(shù)字電路實驗的方法，而改用可編程邏輯器件進行數(shù)字電路實驗。同時，在實際的工程應用中，經(jīng)常需要通過如74系列數(shù)字邏輯芯片或可編程邏輯器件對單片機外圍電路進行功能擴展，滿足實際工程應用的需要。目前，這些課程實驗平臺主要是采用單獨的實驗平臺，即數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件、單片機分別采用不同的實驗平臺授課。目前有少量的綜合性實驗平臺，但該類平臺只是簡單的把幾門課程的實驗資源集成到一個實驗平臺，然后根據(jù)需要采用導線連接，和獨立的實驗平臺之間并沒有本質的區(qū)別。在中國專利申請200710026430中公開了一種名為“基于在線可編程邏輯器件的單片機教學實驗裝置”，該裝置通過可編程邏輯器件實現(xiàn)外圍資源和單片機的連接，能夠為學生提供單片機實驗和可編程邏輯器件實驗。通過可編程邏輯器件的在系統(tǒng)可編程功能，即可實現(xiàn)外設資源和單片機的不同連接方式。該裝置需要使用者同時具備單片機知識和可編程邏輯器件知識才能使用。如北京普立華電子科技有限公司開發(fā)的PLH-13數(shù)字邏輯/單片機/EDA綜合實驗平臺，采用模塊化的設計，模塊之間的連接通過外部連接導線完成，由于每個模塊的功能都設計為固定的功能，雖然能夠通過模塊間的連線簡單改變整個實驗平臺的功能，但還不能做根據(jù)需要動態(tài)的改變實驗平臺的結構，從而靈活的設計不同實驗內容；同時，模塊間采用導線連接，在完成基礎實驗時，因為外接導線數(shù)量少，相對容易排查故障，但是如果完成的是綜合性的實驗，問題就比較突出由于是綜合實驗，電路結構復雜，外接連線較多，即增加了實驗工作量，又不容易排查實驗故障。為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和綜合利用所學知識解決工程實際應用問題的能力，需要提供一種綜合實驗平臺，既能完成每門課程的獨立實驗內容環(huán)節(jié)，又能完成所有課程的綜合性設計實驗，并且能夠根據(jù)課程需要靈活設計不同類型和不同難度的實驗。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述問題，提供一種電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺，它既能夠針對數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件、單片機三門課程的實踐環(huán)節(jié)提供獨立的實驗內容；又能提供課程的綜合性實驗內容；實驗故障容易排查，還能夠根據(jù)課程需要，進行動態(tài)重組電路的二次開發(fā)。本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案是，提供一種電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺，它包括單片機模塊、可編程邏輯器件、常用外設、擴展接口、動態(tài)重組電路、信號產生和測量模塊，單片機、配置模塊、可編程邏輯器件模塊PLD、擴展接口、常用外設模塊、信號產生和測量模塊為基于動態(tài)重組電路連接的模塊，動態(tài)重組電路提供通用的I/O接口分別與基于動態(tài)重組電路模塊之上的各模塊連接，基于動態(tài)重組電路模塊連接的各個模塊之間直接連接，動態(tài)重組電路包括FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片按功能控制動態(tài)重組電路與其它各模塊，及其他各模塊之間的不同連接方式，并把所有連接方式存儲起來，提供切換參數(shù)給配置模塊，F(xiàn)PGA芯片內構建數(shù)字器件庫，提供通用數(shù)字芯片功能，外設資源通過動態(tài)重組電路實現(xiàn)與單片機、PLD的任意連接，信號產生和測量模塊提供頻率可變標準TTL電平的方波信號。通過動態(tài)重組電路的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，動態(tài)重組電路模塊模擬74系列數(shù)字邏輯芯片等數(shù)字邏輯芯片，提供其與常用外設、信號產生和測量模塊之間的接口，作為一個獨立的數(shù)字電路與邏輯設計實驗平臺。通過動態(tài)重組電路的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，把常用外設、擴展接口、信號產生和測量模塊連接到單片機模塊，則該實驗平臺就成為一個獨立的單片機實驗平臺。通過動態(tài)重組電路的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，把常用外設、擴展接口、信號產生和測量模塊連接到可編程邏輯器件模塊，則該實驗平臺就成為一個獨立的可編程邏輯器件設計實驗平臺。通過動態(tài)重組電路的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，把單片機連接到可編程邏輯器件模，再通過可編程邏輯器件模塊連接常用外設、擴展接口、信號產生和測量模塊，則該平臺就稱為一個綜合EDA實驗平臺。所述的單片機模塊包含一個完整的單片機最小系統(tǒng)，單片機模塊采用標準接插件和動態(tài)重組電路的I/o 口連接；
所述PLD器件為CPLD/FPGA完整的核心板模塊，PLD模塊采用標準接插件和動態(tài)重組電路的I/O 口連接；
進一步，所述基本外設包含常用的按鍵(可配置為獨立或矩陣按鍵)、LED、數(shù)碼管、IXD、ADC、DAC等。外設模塊采用標準接插件和動態(tài)重組電路的I/O 口連接；
進一步，所述擴展接口可配置為單片機的擴展接口、或PLD的擴展接口、或單片機和PLD的共用擴展接口。擴展接口模塊采用標準接插件和動態(tài)重組電路的I/O 口連接；
進一步，所述的信號源和測量模塊提供頻率可變的標準TTL電平的方波信號輸出，并能夠測量輸入信號的頻率和電壓。進一步，所有功能通過配置模塊調用事先存儲好的功能模式來完成，并提供良好的人機交互界面。且可以對配置模式進行二次開發(fā)，設計更多不同類型和不同難度的實驗內容。本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件、單片機實踐環(huán)節(jié)獨立授課，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和綜合利用所學知識解決工程實際應用問題的能力。整個實驗平臺資源豐富，同時滿足三門課程實踐環(huán)節(jié)授課需要，大大節(jié)約了實驗經(jīng)費的投入并縮減了實驗場地的占用，降低了后期實驗維護的成本。并且，能根據(jù)課程內容進行二次開發(fā)，靈活設計更多不同類型和不同難度的實驗內容。
本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現(xiàn)和獲得。


圖1電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺層次結構；
圖2電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺連接示意 圖3電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺數(shù)據(jù)動態(tài)路由示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施案例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示，動態(tài)重組電路提供通用標準的I/O接口，配置模塊、單片機、PLD、常用外設、擴展接口、信號產生測量模塊通過標準I/o接口和動態(tài)重組電路直接連接，而不是采用傳統(tǒng)方式模塊之間的直接連接或者由用戶通過導線連接。動態(tài)重組電路通過用戶選擇的配置信息自動完成所有I/o接口之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)，即實現(xiàn)了對不同模塊的橋接。動態(tài)重組電路對用戶來說是透明的，用戶只能接觸到基于動態(tài)重組電路模塊之上的各個模塊。因此，基于動態(tài)重組電路模塊之上的各個模塊之間直接連接。而且，選擇不同的配置參數(shù)，就能實現(xiàn)這些模塊之間的動態(tài)連接。同時，動態(tài)重組電路還模擬常用74系列和其它數(shù)字邏輯芯片的功能，為整個實驗平臺提供了豐富的器件資源庫。如圖2所示，電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺包括有單片機模塊、可編程邏輯器件、基本外設、擴展接口、動態(tài)重組電路、信號產生和測量模塊。其中單片機、PLD、擴展接口、基本外設通過標準I/o 口直接和動態(tài)重組電路連接(實線雙向箭頭所示),而通過動態(tài)重組電路，則可實現(xiàn)這些模塊的 間接連接(虛心雙向箭頭所示)。由于動態(tài)重組電路的透明性，對用戶來說，這些模塊之間是直接連接的。動態(tài)重組電路能實現(xiàn)其它各個功能模塊之間的連接，并且可以根據(jù)用戶配置信息的不同，動態(tài)改變這些模塊之間的連接方式。為了實現(xiàn)這一功能，其核心就是采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)芯片實現(xiàn)，該FPGA芯片并非提供給用戶使用的PLD模塊，該FPGA芯片對用戶是隱藏的。動態(tài)重組電路是整個實驗平臺的核心，實驗平臺的動態(tài)重組功能主要實施方式如下
通過FPGA芯片提供了大量的標準I/O接口，可以實現(xiàn)和不同數(shù)字器件的直接連接。因此，其它功能模塊全部直接連接到該FPGA的標準I/O接口上；
其次，由于其它功能模塊都是直接連接到FPGA的標準I/O 口上，這些I/O 口作為固定的輸入接口或輸出接口使用(雙向I/O 口在任意時刻也只能作為輸入接口或輸出接口使用)。由于FPGA內部具有豐富的互聯(lián)線，所以通過硬件描述語言(HDL)可以實現(xiàn)η個m輸入的數(shù)據(jù)選擇器，如圖3所示。η代表輸出接口的數(shù)量，m代表輸入接口的數(shù)量。即每個輸出接口對應一個m輸入的數(shù)據(jù)選擇器，在任何時刻選擇其中一個輸入作為輸出。這樣就可實現(xiàn)把任意輸入接口的數(shù)據(jù)輸出到任意輸出接口上，完成不同模塊之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)、實現(xiàn)這些模塊之間的間接連接，即實現(xiàn)片上數(shù)據(jù)路由的功能。
圖3電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺數(shù)據(jù)動態(tài)路由示意圖。根據(jù)不同的需要，在該FPGA上按功能實現(xiàn)其它模塊之間的不同連接方式，并把所有連接方式存儲起來，即在不同功能模式下，F(xiàn)PGA芯片把每一個數(shù)據(jù)選擇器輸出所對應的輸入配置信息(路由表)存儲起來，數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)輸入的地址切換不同的輸入到輸出。路由表存放的是不同模式下，每一個數(shù)據(jù)選擇器的不同輸入地址。動態(tài)重組電路提供切換參數(shù)給配置模塊，用戶只需要通過配置模塊選擇其中任意一個模式，就能把該模式下每一個數(shù)據(jù)選擇器的地址從存儲好的路由表發(fā)送給多路選擇器，自動實現(xiàn)該模式下不同模塊之間的數(shù)據(jù)連接。并且由于動態(tài)重組電路的透明性，對用戶來說，其它功能模塊是直接連接的，并且其連接方式是可以根據(jù)選擇不同的模式自動動態(tài)重組。從而，在一個實驗平臺上，動態(tài)重組出不同的實驗平臺。利用FPGA豐富的片內可編程數(shù)字資源，通過HDL語言描述，在FPGA芯片內構建一個數(shù)字器件庫，提供常用的74系列數(shù)字芯片以及其它一些通用數(shù)字芯片功能供用戶使用，的74系列數(shù)字芯片等芯片和FPGA外圍器件一樣，把它們的輸入輸出連接到上述的多路選擇器上，即可實現(xiàn)芯片內部模擬器件和芯片外接模塊的數(shù)據(jù)轉發(fā)。單片機的所有I0 口直接連接到動態(tài)重組電路。可編程邏輯器件PLD :采用完整的CPLD/FPGA最小核心板系統(tǒng)，可根據(jù)需要自由選擇不同的PLD器件，PLD的所有IO 口直接連接到動態(tài)重組電路；
外設資源包括按鍵、發(fā)光二極管(LED)、數(shù)碼管、液晶顯示(IXD)、模數(shù)轉換器(ADC)、數(shù)模轉換器(DAC)等，這些模塊直接連接到動態(tài)重組電路的I/O 口上，并通過動態(tài)重組電路實現(xiàn)與單片機、PLD的任意連接，實現(xiàn)不同的連接功能。比如動態(tài)重組電路中FPGA如果只是把單片機模塊或PLD模塊的數(shù)據(jù)直接轉發(fā)給數(shù)碼管，則這種數(shù)碼管連接方式設置為不帶譯碼功能的連接方式；如果動態(tài)重組電路中FPGA先對接收到的單片機模塊或PLD模塊的數(shù)據(jù)進行顯示譯碼，再發(fā)送到數(shù)碼管，這種數(shù)碼管連接方式設置為帶譯碼功能的數(shù)碼管連接方式。同理，按鍵可以配置為獨立按鍵連接方式，或矩陣按鍵連接方式。諸如此類，從而實現(xiàn)外設資源和單片機或可編程器件之間的不通功能連接方式。擴展接口 直接連接到動態(tài)重組電路的I/O 口上，通過動態(tài)重組電路可配置為單片機獨立的擴展接口、或PLD的獨立擴展接口、或單片機和PLD綜合性的擴展接口 ；
信號產生和測量模塊能夠產生頻率可調標準TTL電平的方波信號，并能測量一定輸入范圍信號的頻率和電壓。配置控制配置模塊根據(jù)選中的模塊，把模式編號發(fā)送給動態(tài)重組電路，動態(tài)重組電路調用預先設置的地址控制每一個多路選擇器，選擇配置模式參數(shù)。該模塊通過顯示和按鍵為用戶提供友好的配置界面，主要實現(xiàn)三個功能第一，把用戶選擇的配置模式參數(shù)傳送給動態(tài)重組電路模塊，動態(tài)重組模塊根據(jù)參數(shù)選擇預先存好的地址信息發(fā)送給每一個多路選擇器，自動實現(xiàn)其它模塊之間的動態(tài)連接；第二，用戶通過該模塊提供的配置界面，設置信號產生和測量模塊輸出信號的參數(shù)；第三，用戶通過該模塊提供的測量界面，觀察信號產生和測量模塊對輸入信號的測量結果。
權利要求
1.一種電路動態(tài)重組EDA綜合實驗平臺，其特征在于實驗平臺包括，動態(tài)重組電路，及基于動態(tài)重組電路連接的模塊單片機、配置模塊、可編程邏輯器件模塊PLD、擴展接口、常用外設模塊、信號產生和測量模塊，動態(tài)重組電路提供通用的I/O接口分別與基于動態(tài)重組電路連接的各模塊連接，基于動態(tài)重組電路模塊連接各個模塊之間直接連接，動態(tài)重組電路包括FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片按功能控制動態(tài)重組電路與其它各模塊，及其他各模塊之間的不同連接方式，并把所有連接方式存儲起來，提供切換參數(shù)給配置模塊，F(xiàn)PGA芯片內構建數(shù)字器件庫，提供通用數(shù)字芯片功能，外設資源通過動態(tài)重組電路實現(xiàn)與單片機、PLD的任意連接，信號產生和測量模塊提供頻率可變標準TTL電平的方波信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的綜合實驗平臺，其特征在于通過動態(tài)重組電路模塊模擬74系列數(shù)字邏輯芯片，并提供其與常用外設、信號產生和測量模塊之間的接口，該實驗平臺成為一個獨立的數(shù)字電路與邏輯設計實驗平臺。
3.根據(jù)權利要求1所述的綜合實驗平臺，其特征在于通過動態(tài)重組電路把常用外設模塊、擴展接口、信號產生和測量模塊連接到單片機模塊，該實驗平臺成為一個獨立的單片機實驗平臺。
4.根據(jù)權利要求1所述的綜合實驗平臺，其特征在于通過動態(tài)重組電路把常用外設、擴展接口、信號產生和測量模塊連接到可編程邏輯器件模塊，該實驗平臺成為一個獨立的可編程邏輯器件設計實驗平臺。
5.根據(jù)權利要求1所述的綜合實驗平臺，其特征在于通過動態(tài)重組電路把單片機連接到可編程邏輯器件模塊，再通過可編程邏輯器件模塊連接常用外設、擴展接口、信號產生和測量模塊，則該平臺成為一個綜合EDA實驗平臺。
6.根據(jù)權利要求1一 5其中之一所述的綜合實驗平臺，其特征在于FPGA芯片按功能控制動態(tài)重組電路與其它各模塊，及其他各模塊之間的不同連接方式具體為，F(xiàn)PGA芯片存儲每一個數(shù)據(jù)選擇器輸出所對應的輸入配置信息，數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)輸入地址切換輸入到對應輸出，動態(tài)重組電路提供切換參數(shù)給配置模塊，通過配置模塊選擇模式，所選模式下每一個數(shù)據(jù)選擇器的地址從配置信息發(fā)送給多路選擇器，自動實現(xiàn)該模式下不同模塊之間的數(shù)據(jù)連接。
7.根據(jù)權利要求1一 5其中之一所述的綜合實驗平臺，其特征在于動態(tài)重組電路中FPGA把單片機模塊或PLD模塊的數(shù)據(jù)直接轉發(fā)給常用外設中的數(shù)碼管，設置為不帶譯碼功能的連接方式；動態(tài)重組電路中FPGA對接收到的單片機模塊或PLD模塊的數(shù)據(jù)進行顯示譯碼，再發(fā)送到數(shù)碼管，設置為帶譯碼功能的數(shù)碼管連接方式。
8.根據(jù)權利要求6所述的綜合實驗平臺，其特征在于配置模塊根據(jù)選中的模塊，把模式編號發(fā)送給動態(tài)重組電路，動態(tài)重組電路調用預先設置的地址控制每一個多路選擇器，選擇配置模式參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種EDA綜合實驗平臺，該實驗平臺采用電路動態(tài)重組技術，實現(xiàn)整個實驗平臺所有資源之間的任意連接，并模擬常用的數(shù)字邏輯芯片，提供不同類型的和不同難度的實驗內容。該EDA綜合實驗平臺既能實現(xiàn)數(shù)字電路與邏輯設計、可編程邏輯器件、單片機課程的獨立的基礎、提升實驗內容，又能完成課程的綜合性設計實驗。同時能夠針對課程需要，靈活設計不同類型和不同難度的實驗內容。并且，該實驗平臺除了具備常用的實驗外設資源外，還配備了信號發(fā)生模塊和信號測量模塊，能夠產生頻率可調的方波信號，并能測量輸入信號的頻率和電壓。
文檔編號G09B23/18GK103065529SQ20121056712
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月25日 優(yōu)先權日2012年12月25日
發(fā)明者劉喬壽, 應俊, 黃沛昱, 王汝言, 邵凱, 石鑫 申請人:重慶郵電大學