摘要：为满足单片机学习中对实践技能的要求，提高单片机开发系统的稳定性和可扩展性，降低系统功耗，设计了一种基于FPGA的C8051F单片机开发板。利用FPGA实现键盘扫描、液晶驱动、地址译码以及其他外设接口，大幅度简化外围电路结构。系统可在高低频时钟间切换以减小功耗，并增加了音频处理模块，实现基本的音频信号的存储和回放。实验结果表明，该电路板相比普通的单片机开发板系统功耗减小50％左右，拥有最高达25 MIPS的处理速度，单片机可以直接驱动多达20多个LS TTL门电路，FPGA的引入使得外扩其他电路更为方便和灵活，具有良好的扩展性。
关键词：单片机；FPGA；外围电路；电路板
目前高校单片机教学中大多是以MCS51单片机为首选机型进行讲解，所开发的教学实验系统也多是基于MCS51系列单片机开发设计的。然而，随着单片机的应用进入SoC时代，其不足和缺陷也显而易见：片上资源不够丰富，功耗较大，处理速度很有限，电路庞大且复杂，可靠性和可维护性较差，难以满足高水平的设计要求。
为了进一步简化电路结构，提出一种C8051F单片机实验系统设计方案，该方案采用FPGA实现单片机各种外设接口。FPGA作为一种可编程逻辑器件凭借其优越的可扩展性能受到设计者的青睐，逐渐成为分立元件的替代者。通过对FPGA编程，实现任何数字元件的逻辑功能，设计者可以通过原理图输入或硬件描述语言，方便地设计一个数字系统，这使得单片机外围电路的设计简单、灵活、可靠。
本系统是为单片机实践教学而开发的，因此要求单片机的功能齐全，满足教学中各种实验的要求。一般的实验板的功能有：模拟数字信号转换实验、通信接口实验、存储器实验、各种显示实验，人机交互实验等等。除此之外，还要考虑由于是非商业性质的开发，对一些功能的精度要求不是很高，在选择最理想价格的同时，选择尽可能多而全的片上资源，留待后期开发扩充。
基于以上考虑，该平台使用SoC系统级的C8051F020单片机作为核心控制器，CycloneⅡEP2C8型FPGA实现外设接口，加上LCD、键盘、UART串口等人机交互的模块。
C8051F系列单片机是以流水线方式处理指令的CIP-5l内核，完全集成的混合信号系统级芯片(Soc)，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件。C8051F020单片机具有片内调试电路，通过4引脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。
FPGA即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA使用灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。
1 系统总体方案
本文设计并实现了基于FPGA的单片机开发平台，该平台主要包括有：单片机及其外设、FPGA扩展电路、电源及下载电路。开发平台框架如图l所示。
1．1 单片机外设
包括液晶显示器(LCD)、键盘、SRAM、UART串口等，对FPGA进行编程来实现LCD、键盘、SRAM的接口电路。
1．2 FPGA扩展电路
包括主动串行(AS)配置电路、JTAG在线调试电路、输入输出电路等。采用EPCSlN8型芯片对FPGA进行主动串行(AS)配置，同时兼有JTAG在线调试模式。
1．3 电源及下载电路
单片机和FPGA均采用3．3V／1．2V稳压源供电，两者均可通过JTAG接口进行在线调试。
FPGA和单片机以典型的三总线连接进行数据通信及控制，单片机内部集成的数字／模拟资源和FPGA剩余的引脚通过插针引出，供用户使用。将以上模块有机结合起来，形成一个性能优越的开发平台，能够满足不同层次的设计需求。
2 硬件电路设计
在单片机系统的人机交互部分通常有液晶显示器(LCD)、键盘和存储器等外设，因此需要用大量的标准逻辑器件对单片机进行扩展，这些器件的组合使用会导致设计周期长、可维护性差，用FPGA来实现单片机的外围接口电路，能大大简化电路结构，节省CPU资源。
2．1 键盘接口模块
因为按键机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的导通，在断开时也不会马上断开，因而在闭合及断开的瞬间都会伴随一连串的抖动，对于灵敏度较高的电路，这种抖动可能会造成误动作而影响操作正确性。常用的去抖动的方法为延时去抖动法，即检测出键闭合后执行一个延时程序，产生5～lO ms的延时；让前沿抖动消失后，再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正
有键按下。当检测到按件释放后，也要给5～10 ms的延时，待后沿抖动消失后，才能转入该键的处理程序。
对FPGA编程完成消除抖动及按键识别，由抖动消除模块、键盘扫描电路、键盘译码电路、按键数据寄存器等组成。
键盘接口电路的工作流程为：采取逐行扫描法，FPGA周而复始地对键盘进行扫描，当有键按下时，先对按键进行延时去抖处理，将按键信号存入寄存器，扫描信号来临时，根据按键扫描码查找键码表，并将其送回给单片机。程序流程如图2所示。
2．2 液晶显示模块
液晶显示器(LCD)以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点，在便携式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
LCD可分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。
点阵式LCD分为带汉字字库和不带汉字字库两种，带字库LCD若要显示汉字只要传给汉字内码，而不带字库LCD显示汉字时要先求出汉字字模，然后跟显示图形一样显示汉字。
本开发系统采用博控公司生产的NS240*128A点阵图形型LCD，不带中文字库。由于液晶显示器是典型的慢速设备，如果直接与高速的单片机相连时，会浪费大量的时间，可以考虑在单片机和液晶显示器中间加入FPGA，由FPGA直接驱动和控制液晶显示器。液晶显示模块框图如图3所示。
单片机将字库／图形库内的图形或文字数据以及这些数据在液晶上所显示的位置信息传送给由FPGA芯片构成的液晶控制IP核。由于LCD是慢速设备，单片机发送至LCD控制器的显示数据信息的速度通常大于LCD显示更新速度，因此需将这些数据和信息送入数据存储器中缓存。由于FPGA芯片的片内RAM容量有限，系统中外扩了1片RAM作为显示数据缓冲器。由FPGA芯片构成的显示控制IP核需读取外扩显示RAM中的数据，再通过显示驱动电路按字节送至LCD进行显示：因此在所设计的显示驱动电路中设计了一个双端口RAM，既能将显示数据缓存器中的显示数据写入双端口RAM，同时又能将双端口RAM中的数据读出，再将数据送至LCD数据接口。
2．3 SRAM模块
C8051F020内部有位于外部数据存储器空间的4 096字节的片上RAM，还有外部数据存储器接口EMIF，可用于访问片外存储器和存储器映射的I／O器件。外部数据存储器接口EMIF可配置到低I／O端口P0～P3，也可配置到高I／O端口P4～P7。而且，既可以配置为数据、地址复用方式，也可以配置为非复用方式。若要节省端口I／O，可采用数据、地址复用方式，能节省8根端口线，但是速度较慢，若要提高速度，则可
以采用非复用方式。
2．3．1 配置外部存储器接口的步骤
1)将EMIF选到低端口(P3～P0)或选到高端口(P7～P4)。
2)选择复用方式或非复用方式。
3)选择存储器模式(只用片内存储器、不带块选择的分片方式、带块选择的分片方式或只用片外存储器)。
4)设置与片外存储器或外设接口的时序。
5)选择所需要的相关端口的输出方式。
在本系统中考虑到(28051F020单片机的PO～P3口大部分为功能复用引脚，为使单片机的资源得到最大的开发，将单片机的高端I／O口，即P4～P7接入FPGA，并通过FPGA对RAM进行访问。将单片机配置为高端口(P4～P7)、地址／数据总线分时复用方式，FPGA控制RAM的片选、读／写等操作，其中注意FPGA、单片机、RAM的时序统一问题。
2．4 UART串口
UART是一种通用串行数据总线，该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设计中，UART用来与PC进行通信，包括与监控调试器和其他器件，如EEPROM通信。
UART首先将并行数据转换成串行数据来发送。消息帧从一个低位起始位开始，后面是若干数据位，一个可用的奇偶校验位和一个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。在接收过程中，UART从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。UART也产生额外的信号来指示发送和接收的状态。例如，如果产生一个奇偶错误，UART就置位奇偶标志。
C805lF020单片机中有两个增强型串行口：UART0和UARTl。所谓增强型是指，这两个串口都具有帧错误检测和通信地址硬件识别功能。它们都可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并且支持多处理器通信。开发板外扩两个增强型UART串口，实现单片机与PC机、单片机和单片机之间的通信。其电路连接如图4所示。
2. 5 A／D和D／A模块
C8051F020有一个片内12位ADC(ADCO)和一个8位ADC(ADCl)，通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。
ADC的电压基准可以在模拟电源电压(AV+)和一个外部VREF引脚之间选择。A／D转换有4种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器溢出信号触发转换。转换结束由一个状态位指示，或者产生中断(如果中断被使能)。在转换完成后，12位或8位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。
C805lF020内部有两个片内12位电压方式数／模转换器(DAC)。每个DAC的输出摆幅均为0 V到(VREF-1LSB)，对应的输入码范围是Ox000到OxFFF。C8051F020的VREF引脚可以由内部电压基准或一个外部源驱动。如果使用内部电压基准，为了使DAC输出有效，该基准必须被使能。
本文设计了利用A／D和D／A模块进行简单的语音信号的存储和回放，基本思想是将模拟语音信号经过前置放大和滤波电路的处理，通过模数转换器A／D转换成数字信号，再通过单片机控制存储在存储器中，回放时，由单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换器D／A转换成模拟信号，经放大在扬声器或耳机上输出语音。音频前置放大和滤波电路如图5所示。
3 结束语
本开发系统采用MCU+FPGA结构，单片机负责过程控制和数据处理，FPGA实现各种外设的接口，同时FPGA还可以为单片机提供存储器和I／O口等资源。由于电路中具有数字部分和模拟部分，在PCB制板时特别注意抗干扰处理，例如加去耦电容、数字地和模拟地一点连接、数字电源和模拟电源隔离等措施。
需要注意的是，采样后的数字语音信号由于数据量很大，为了节省存储空间，可以采取相应的编码技术去除冗余度，回放的语音质量性噪比(RSN)较高。系统采用3．3 V供电单片机，功耗降低50％左右。通过配置内部寄存器和外部时钟切换电路，可灵活配置系统时钟。通过单片机内部交叉开关的配置，设计者可以实现数字和模拟外设的引脚分配和器件的使能。经过测试，各模块均能够达到设计要求，具有良好的可扩展性和稳定性，适合作为电子设计大赛和电子爱好者的开发用板。