一种基于APA300的创新型FPGA实验板设计

一种基于APA300的创新型FPGA实验板设计

摘  要: 基于Actel公司Flash型FPGA芯片APA300设计并实现一款创新型FPGA实验板。该实验板包括2片互通的APA300、丰富的外围设备和常用外部设备端口，还提供与外部电路连接的扩展接口，能够开展多种创新性实验，并可作为科学预研的平台。在详细介绍了实验板各部分的实现原理和电路连接图后，给出了实验板的两个典型创新性实验示例：协处理器密码机和MP3播放器。

　　21世纪的教育是开放、创新的教育，其主要目标是培养具有创新能力的高素质人才。因此，创新是教育、尤其是高等教育的灵魂。然而由于现有FPGA实验平台大多功能固定、可扩展性差、便携性差，不方便学生进行自主设计、自我创新。本文基于APA300设计并实现了一款成本低、功能强、可扩展性好、便携性好的创新型FPGA实验板，可方便学生开展多种创新型实验，进行自主创新的探究性学习，能充分调动学生的主观能动性，激发学习兴趣，增强学生的创新实践能力，同时该实验板还可作为科学预研的平台。

　　1 FPGA器件的选用

　　FPGA器件选用Actel公司基于Flash开关编程的ProASIC plus系列芯片APA300。该器件采用0.22 μｍ、4层金属工艺制造，包含30万门系统门，有72 Kbit内嵌式RAM资源，编程信息存储在Flash可编程逻辑开关中，具有低功耗、高密度、非易失性、可重复编程、不需要专门的编程芯片等特点，同时由于其元胞阵列结构类似于门阵列，具有与ASIC设计方案从物理上的易转换特征，所以被广泛应用于消费电子产品、工业控制、航空电子、通信技术领域[1]，性能可完全满足高校FPGA教学和中规模数字系统设计要求，而且其开发软件Libero易学易用。

　　2 实验板的设计与实现

　　实验板总体结构框图如图1所示。实验板主要包括2片APA300、数字量输入、LED显示、七段数码管显示、RS232串行接口、并行接口、蜂鸣器及其驱动电路、多路时钟信号源和高频信号源以及电源和复位电路。为使开发板使用灵活方便，还提供了能与外部扩展电路相连的扩展接口，并通过并行总线和状态控制线实现2片APA300的互连。

　　2.1 APA300电路

　　为便于开展创新性实验和满足外围电路对IO数目的要求，实验板选用2片PQFP208封装形式的APA300芯片，它们之间通过16 bit并行接口相连。除并行接口外，2芯片间还添加了状态控制线，即硬件握手信号线/START、/DONE，可加快相互通信的速率。常用的功能模块与芯片U1相连，扩展接口与芯片U2相连。APA300电路连接图如图2所示。