基于FPGA的单片机外围接口电路设计

摘要：利用现场可编程门阵列FPGA实现单片机的外设接口电路可以简化单片机系统的硬件电路，提高系统的集成度、可靠性和系统设计的灵活性。本文介绍了基于FPGA的单片机外设接口电路的基本设计方法，分别给出了各个功能模块的设计思路和实现方法。所有功能的实现全部采用 VHDL进行描述。

0 引言

单片机具有性价比高、功能灵活、易于人机对话、数据处理能力强等特点。单片机应用系统通常由键盘、显示器、通信接口、存储器、A/D、D/A电路等部分组成。传统的单片机系统经常要用标准的逻辑电路或专用的接口芯片来组成外围电路，如地址译码、I/O扩展等功能通常由标准的TTL/COMS逻辑电路或各种专用接口芯片实现，这样就会使系统的芯片数增多，接线复杂，从而使电路板面积增大、可靠性和 EMI性能减低，难以实现设计的小型化、集成化和高可靠性。而可编程门阵列FPGA的LCA结构和它丰富的内部资源可以用来设计各种组合逻辑和时序逻辑电路，因此使用FPGA设计单片机的外围电路能够大大简化系统硬件结构，使系统的设计、修改和扩展都变的十分灵活方便。本文通过对FPGA器件进行功能设计，取代传统单片机系统中外设接口用的标准逻辑电路和专用的接口芯片，使单片机系统的硬件电路大大简化并提高其可靠性。当需要改变系统性能时，可以通过对FPGA重新编程而不用改变硬件电路，提高了系统设计的灵活性。

1 系统设计方案

根据一般单片机系统设计的需要，本文所设计的系统具有以下几个功能模块，如图1所示。

1 ）通用逻辑模块：根据具体的情况产生各种不同的逻辑电路及控制信号，代替传统的标准逻辑芯片。本文将其设计为扩展存储器时用到的地址锁存器。

2 ）键盘接口模块：代替传统的单片机与键盘的接口电路，用 FPGA编程完成消除抖动及按键识别功能。本文将其设计为4×4扫描键盘的通用接口。

3 ）显示接口模块：代替传统的单片机与显示器的接口电路，用 FPGA编程完成译码、扫描等功能。本文将其设计为4位七段动态 LED接口。

1 ）串并行接口模块：实现单片机与其外设的串行或并行数据通信。本文将其设计为串行通信接口模块。

2 ）其他扩展模块：实现单片机的一些其他常用功能，如 PWM驱动、A/D、D/A转换的控制等。

本设计所采用的FPGA器件是 ALTERA公司的Cyclone-TM系列芯片 EP1C6Q240C8，它具有5980个逻辑单元， 92160个比特的嵌入 RAM。系统开发工具为硬件描述语言VHDL，开发平台为Quartus Ⅱ。