基于DE1-SoC的模块化数字系统实验箱的研制

黄霞，张冰洋

（中南民族大学 实验教学与工程训练中心，湖北武汉，430074）

数字电子技术与EDA课程是高等工科院校电类相关专业的学科基础课程，是一门具有理论性、工程性和实践性的课程。数字电子技术与EDA实验教学是课程教学环节的重要组成部分。通过实验能够让学生加深对理论知识点的理解，将学到的分析方法和设计理论应用于实践[1]，培养学生数字系统分析、设计能力及创新能力[2]，提高发现问题、分析问题和解决问题的工程综合应用能力。而数字系统实验箱是数字电路、EDA技术以及课程设计的基本实验教学仪器，是保障实验课程顺利开展的必不可少的教学工具。

我校使用的数字电路与EDA实验箱，存在几个缺点：(1)布局不合理，逻辑电平的输入区、逻辑电平输出区、集成电路插座与电源接线区位置相距太远，往往容易造成学生接线繁杂，也对实验出现的问题增大了排查难度；(2)采用插针式的接线方式，插拔连接线很容易造成插孔堵塞，连接线更换频繁，增大了维修的工作量；(3)使用的FPGA开发板是直接供电，没有电源短路保护，在实验中常出现学生接错线，烧毁开发板的现象。该实验箱已不能满足实验教学的需要。

针对上述问题，根据实验室目前运行的实际情况，利用实验室现有的资源，本课题组研制了一款EDA/SoC数字系统设计实验开发系统。该实验开发系统采用台湾Terasic公司的FPGA开发板DE1-SoC为基础，扩展和丰富相关课程教学所需的对应外设，并围绕实验装置进行实验教学内容的设计，基本能满足数字电子技术、EDA技术、SOPC技术等课程的实验教学需求。

1 实验装置总体设计方案

本项目以台湾Terasic公司的FPGA开发板DE1-SoC为核心，采用核心板加外设接口的模式进行设计。在参考传统数电、EDA实验箱和自制实验箱的基础上，结合CDIO工程教育思想，设计基于DE1-SoC的模块化实验平台，不仅满足传统数字逻辑芯片实验的要求，也能满足Verilog硬件描述语言的FPGA设计实验。整个系统设计框图如图1所示。整个系统由FPGA开发板DE1-SoC模块、FPGA核心开发板供电电源保护电路模块、逻辑电平输入输出模块、数码管显示、集成芯片插座模块、时钟模块以及供电电源等模块构成。电源模块提供3组独立直流电压接线柱：+5V、GND，-5V、GND，+3 3V、GND。数码管数字显示模块由2个独立的由显示译码器74LS48驱动的7段共阴数码管组成，可显示0~9共10个字符。TTL逻辑电平输出模块采用LED进行状态显示，提供10组TTL逻辑电平输出。TTL逻辑电平输入模块采用拨码开关控制，提供10组TTL逻辑电平输入。用红色LED表示输入逻辑电平为高，绿色LED表示输入逻辑电平为低。时钟模块用于产生实验中需要用到的数字信号源，包括上升沿脉冲、下降沿脉冲、10Hz、100Hz、1kHz的方波信号等，提供单次、简单连续脉冲输出。

图1 系统总体设计框图

2 实验装置硬件设计

■ 2.1 DE1-SoC 开发板

DE1-SoC开发套件是围绕Altera片上系统（SoC）FPGA构建的一款强大的硬件设计平台。该平台采用ALTER公司的Cyclone V SoC系列芯片5CSEMA5F31C6N作为主控芯片，其内部集成了处理器、可编程逻辑、外围I/O、板上配有USB-Blaster II，支持JTAG模式，2个40Pin扩展接口，为用户提供了最大的设计灵活性。

DE1-SoC开发套件包含与运行需要64位操作系统和现代化的EDA设计工具Quartus II编译DE1-SoC的项目。Quartus II是Altera公司推出的一款CPLD/FPGA器件的开发软件，是先进的EDA工具软件，能够支持原理图、Verilog、VHDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自带的综合器及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程[2]。简而言之，Quartus II就是利用电路原理图输入功能输入电路或者将verilog或VHDL描述的代码变成电路，加载到FPGA芯片上运行，通过改变电路的布局、管脚的位置，按需求优化电路等，完成逻辑电路功能仿真，是一款综合性的开发平台[3]。本实验平台使用的是Quartus II 13 1版本，采用的是原理图和Verilog两种设计输入形式。实验箱不仅满足传统数字逻辑芯片实验的要求，也能满足Verilog硬件描述语言的FPGA设计实验。

■2.2 实验装置底板设计

所设计的数字系统实验箱采用核心板加底板的方式进行设计，底板布局图如图2所示。区域1设计定位孔，用于固定DE1-SoC核心板；区域2为底板与DE1-SoC的扩展接口，用2 54间距的软排线与底板上的40Pin插座连接，DE1-SoC的扩展接口提供了5V和3 3V的电源，底板上各个模块的电源均由此提供；区域3为底板上的IO接口区，采用香蕉头接口，利用香蕉头导线，提高了实验操作的便捷性和稳定性；区域4为IO端口扩展区域，用于实验时进行IO端口的扩展；区域5为脉冲信号生产区域，利用555芯片设计了固定频率的时钟信号和频率可调的时钟信号供数字电路实验使用；区域6为面板安装区，采用螺钉固定大小为12cm×6cm的面包板，满足自行搭建实验电路需要；区域7为数码管显示模块，由74LS48驱动的7段共阴数码管组成；区域8放置了两片14Pin和2片16Pin的芯片锁紧座，采用香蕉接头引出，可以满足传统的利用数字逻辑芯片进行数字电路实验的需要；区域9放置了两个电位器，用于产生可变的电压信号；区域10为开关信号输入和显示区域，分别用10个拨码开关和10个LED用于数字逻辑电路的输入信号和输出信号指示。另外，底板上设计了两个功能扩展区，并设计了创新实验需要的扩展模块，可以用螺钉固定在该位置，在具体实验需要时使用。

图2 底板布局图

■2.3 DE1-SoC扩展模块设计

为了满足创新实验的需要，本系统还设计了功能扩展模块，部分功能模块如表1所示。

表1 功能扩展模块列表

扩展模块电路图如图3所示。

图3 扩展模块电路图

■2.4 实验装置PCB设计

研制过程中，采用模块化设计思想，利用Altium Designer软件对实验箱的原理图和PCB进行了设计。首先根据所选用的器件，建立器件的原理图库和PCB库，之后采用层次化原理图设计方式设计原理图，最后在PCB编辑器中进行PCB的布局、布线和覆铜，完成实验箱的PCB，实验箱的PCB图如图4所示。

图4 实验箱PCB

3 实验平台展示

实验平台实物图如图5所示，整个实验面板分为DE1-SoC模块和外设模块两大部分。实验面板可操作性强。面板结构布局合理、图线分明、功能模块划分清楚、排列分布紧凑，接插线方便，有利于学生们独立完成实验，提高实验正确率，同时可快速查找故障，提高学生的实际动手能力[4]。实验面板中数字逻辑芯片采用16和14Pin的锁紧座，外部扩展接口及其他器件外延连接插孔采用香蕉头插孔座，避免了插孔堵塞，维修不易，接触不良等现象，有效地提高了数字系统实验箱的可靠性。同时，实验面板中专门增设了一块扩展区，该区域可用于后续开设的实验教学内容自行增加或更换外设实验模块，具有较强的扩展性。

图5 实验平台实物图

4 实验项目的建设

本实验箱是为了提升学生数字系统设计和工程应用能力而开发的实验装置。制定实验教学项目时，以工程项目设计为向导，采用分层次、模块化的实验教学模式，制定了三个层次的实验教学项目。

（1）基础型实验

这类实验项目以验证性演示为主，要求学生掌握门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路等数字电子技术基本的知识点，掌握硬件描述语言和Quartus软件基于原理图和Verilog HDL的电路设计方法，学会观察实验对象，对实验数据能进一步分析，掌握基本实验方法和实验技能。基础实验项目有：Quartus软件使用，表决器实验，加法器实验，抢答器实验，触发器实验，数码管显示实验，进制计数器实验，序列检测实验等。

（2）设计型实验

这部分实验内容以综合应用设计为主，在实验内容上要求覆盖多个知识点，有一些难度和复杂性。可根据实验箱外设接口模块，设计实验内容。在设计过程中，训练学生的发现问题，解决问题的能力。设计型实验项目有：键盘显示接口实验设计，电子音乐实验，直流电机测速控制，交通灯控制设计等。

（3）创新型实验

创新型实验是具有研究性和创造性的大型实验项目，需要综合应用各种实模块来完成实验项目，用于完成毕业设计和课程设计开设，能够培养学生的综合工程实践能力和创新意识。创新型试验有：数字频率计的设计，温度计的设计，数码锁的设计。

本实验平台采用DE1-SoC核心板加外设接口的模式进行设计。根据实验箱的设计特点，在实验箱上开设的所有实验项目，既可以采用传统的实验电路硬件搭建，又可以采用原理图和Verilog硬件描述语言的FPGA设计实验，同时可根据实验项目自身的特点，采用两种实验模式混合设计的实验方法进行实验设计，将传统的实验手段与现代技术手段相融合，实验模式灵活多变，对学生综合素质的培养具有重大的意义。

5 总结

课题针对我校现有实验箱在实验教学中存在的不足进行改制，自行设计实验箱模块布局，实验箱硬件电路，对硬件电路进行原理图、PCB设计和调试。经过1年多的时间，多组学生和教师对改进的实验箱进行了实验试用。实践表明，这套实验装置搭线方便，性能稳定，方便查找问题，维修工量减少，符合实验教学大纲的要求，能够满足实验教学需要。后期将继续跟踪不断完善，并在实践中进一步改进以便能够更好的满足实际教学需要。