一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子技術領域，特別涉及一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)和方法。
【【背景技術】】
[0002]數字電子技術實驗是電子類專業(yè)的主要實驗課程，其課程的主要目的是通過實驗使學生掌握數字邏輯芯片的使用方法和數字邏輯單元電路的功能。目前通常采用74系列中小規(guī)模數字芯片進行實驗。
[0003]目前的數字電子技術實驗由數字電路實驗箱來完成。數字電路實驗箱主要提供電源、脈沖信號模塊、邏輯開關、指示燈、按鍵、蜂鳴器、數碼管以及一用于搭接電路的面包板等，并由學生在面包板上利用74系列芯片或CD4000系列數字邏輯芯片搭建數字電路，完成實驗的過程。該課程設計的主要目的是讓學生能夠自己動手搭建電路，并在實驗的過程中掌握數字邏輯芯片的使用方法以及數字邏輯單元電路的功能。
[0004]現有數字電路實驗箱存在的技術問題有:
[0005](1)74系列的型號數量很多，達180多種。因教學經費限制，實驗室不可能準備所有的型號，只能準備少數典型的數字芯片，限制了學生在設計實驗方案時的選擇范圍；
[0006](2)每次實驗前，教師需要檢查、分發(fā)多種芯片，種類和數量都很多。實驗完成后，教師需要回收、按型號進行分類、并檢查芯片是否損壞，工作量很大；
[0007](3)損耗較大。因學生初學本課程，經常出現由電源接反損壞芯片的現象，每個學期都需要采購一批新的芯片。
【
【發(fā)明內容】
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[0008]本發(fā)明要解決的技術問題之一，在于提供一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)，其利用可編程邏輯器件，在單片機編程控制下，仿真實現并替代目前電子技術實驗中所需的具體芯片，對學生而言，可選擇的數字芯片型號不受限制，與實際的74系列芯片(或CD4000系列數字邏輯芯片)具有相同的邏輯功能，因此，本發(fā)明不僅讓學生能夠自己動手搭建電路，并在實驗的過程中掌握數字邏輯芯片的使用方法以及數字邏輯單元電路的功能，同時，本發(fā)明減少了實際芯片的損耗，大大減少了教師的實驗準備和回收工作。為準備新的實驗項目，教師只需要對FPGA編程，寫入所需要的74系列芯片(或CD4000系列數字邏輯芯片)的組合即可。
[0009]本發(fā)明技術方案一解決上述技術問題；
[0010]一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)，包括一電源、一計算機、一設有顯示屏的單片機系統(tǒng)、至少一可編程邏輯器件以及一數字電路實驗箱，所述電源為所述單片機系統(tǒng)、可編程邏輯器件以及數字電路實驗箱供電，所述數字電路實驗箱包括復數個仿真芯片插座，所述可編程邏輯器件上的輸入/輸出引腳與所述仿真芯片插座的引腳相連接，且連接的關系為一一對應連接，其連接的數量由仿真芯片插座的數量決定；所述計算機連接所述單片機系統(tǒng)，所述單片機系統(tǒng)連接所述可編程邏輯器件。
[0011]進一步地，所述可編程邏輯器件為FPGA芯片或CPLD芯片。
[0012]進一步地，所述單片機系統(tǒng)還包括一單片機最小系統(tǒng)、一 Flash存儲器以及復數個按鍵，所述Flash存儲器、顯示屏以及復數個按鍵均連接至所述單片機最小系統(tǒng)，所述單片機最小系統(tǒng)分別連接所述計算機和所述可編程邏輯器件。
[0013]進一步地，所述數字電路實驗箱還包括數碼管、邏輯開關、脈沖信號模塊、按鍵、蜂鳴器以及指示燈。
[0014]本發(fā)明要解決的技術問題之二，在于提供一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗方法，該方法基于所述基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)實現，其解決了相同的技術問題。
[0015]技術方案二
[0016]本發(fā)明技術方案二解決上述技術問題:
[0017]一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗方法，該實驗方法是基于權利要求1所述的基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)實現的，先對各仿真芯片插座進行編號，然后執(zhí)行如下步驟:
[0018]步驟1、在計算機上，選擇需要使用的仿真芯片插座的編號；
[0019]步驟2、在計算機上，為各個所選編號對應的仿真芯片插座確定一個對應的仿真芯片的型號，而后由計算機生成各所述型號的仿真芯片的分配信息，并自動生成各所述型號的仿真芯片與可編程邏輯器件的引腳對照表；
[0020]步驟3、在計算機上，通過支持FPGA/CPLD開發(fā)的軟件，采用電路原理圖輸入的方式，輸入所述各所述型號的仿真芯片；
[0021]步驟4、在計算機上，通過所述軟件，根據步驟2產生的所述引腳對照表，將電路原理圖上的對應各型號的仿真芯片，鎖定在所述可編程邏輯器件的引腳上，并經過所述軟件的編譯、轉換，生成能下載的配置數據；
[0022]步驟5，計算機通過RS232總線，將所述分配信息及所述配置數據，發(fā)送給單片機系統(tǒng)，由單片機系統(tǒng)實現對所述可編程邏輯器件的編程，同時，單片機系統(tǒng)將仿真芯片的信息顯示在顯示屏上；
[0023]步驟6，學生根據所述顯示屏的顯示，使用對應的仿真芯片插座，即可完成實際的數字電子技術實驗。
[0024]進一步地，所述步驟2中生成的分配信息、引腳對照表以及步驟4所生成的配置數據，均以工程文件的形式保存，當下次需要使用相同的實驗芯片組合時，可以直接調用。
[0025]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0026]1、本發(fā)明所實現的仿真芯片，對于學生或者實驗者而言，可認為所述仿真芯片插座即為真正的實驗芯片(一般為74系列芯片)，其實現的過程，對于實驗者而言是透明的；
[0027]2、由于可編程邏輯器件(以FPGA芯片為例)可以實現目前所有74系列芯片的功能，所以一個售價約70元的FPGA可以同時實現10個以上74系列芯片，可以滿足綜合性數字電子技術實驗的要求，減少了實驗經費的支出；
[0028]3、各仿真芯片插座對應的74系列的電源引腳和地引腳，作為使能端使用，與實際的芯片相比，其損壞率更低；
[0029]4、對于教師而言，實驗的準備和實驗完成的檢查工作更加簡單。使用實際的芯片，教師需要發(fā)放、回收、檢查、分類?；诒景l(fā)明，可以大大減少老師的工作量；
[0030]5、基于本發(fā)明的進行實驗，其整個過程，由于不需要借用實際的芯片，也可以由學生完成，即可以進行開放實驗。
【【附圖說明】】
[0031]下面參照附圖結合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0032]圖1為本發(fā)明基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)的結構示意圖。
[0033]圖2為本發(fā)明單片機配置FPGA芯片的電路圖。
[0034]圖3為本發(fā)明具體應用例子一一學生實驗操作的電路圖。
【【具體實施方式】】
[0035]在詳述本發(fā)明具體實施例前，先介紹一下可編程邏輯器件。
[0036]可編程邏輯器件是一種可以自由編程處理用戶程序的一種處理器，可編程邏輯器件里面包含微處理器，主要類型有兩種:一是現場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)。在本發(fā)明中，采用可編程邏輯器件的原因之一是利用其可多次編程的特點，由于本發(fā)明應用于數字電子技術實驗系統(tǒng)，實驗的次數不可計量，而CPLD芯片較FPGA芯片的不足之處在于，CPLD芯的寫入次數有限制，因此，以FPGA芯片作為本發(fā)明較佳實施例進行詳細說明。
[0037]FPGA芯片的技術背景:
[0038](I)FPGA芯片具有較多的邏輯單元和較多的輸入/輸出引腳(g卩I/O接口)，可實現復雜的邏輯功能。以ALTERA的Cyclone系列EP1C6Q240C8N芯片為例，市場售價約為70元，具有5980可編程邏輯單元，185個輸入/輸出引腳。因此，一個EP1C6Q240C8N芯片可仿真實現10個以上引腳數為16的74系列芯片，可以滿足綜合性實驗的要求；
[0039](2)FPGA芯片是由存放在其片內RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程，根據不同的模式，可以仿真出不同組合的74系列的數字邏輯芯片以及不同組合的CD4000系列的數字邏輯芯片；
[0040](3) FPGA能夠反復使用，加電時，可通過單片機系統(tǒng)配置FPGA芯片，配置完成后，FPGA芯片進入工作狀態(tài)。只要具備ICR(In Circuit Reconfigurable，在電路可重配置)功能的FPGA芯片均可適用于本發(fā)明。提出具體的FPGA芯片型號，僅為了更方便地說明問題。
[0041]以下詳述本發(fā)明一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)的較佳實施例:
[0042]實施例一:
[0043]請參閱圖1，一種基于可編程邏輯器件的數字電路實驗系統(tǒng)，包括一電源1、一計算機2、一設有顯示屏34的單片機系統(tǒng)3、至少一可編程邏輯器件4以及一數字電路實驗箱5，所述電源I為所述單片機