基于FPGA的可編程電阻的設(shè)計(jì)

摘要：現(xiàn)在市場(chǎng)上的各種電阻和電阻箱有不足之處，不能滿足一些研發(fā)場(chǎng)所的要求，為了解決這一問(wèn)題，本文介紹一種基于FPGA的可直接輸入阻值提供不同電阻的設(shè)計(jì)方法。FPGA通過(guò)控制繼電器的吸合，從而確定與其并聯(lián)的電阻的接入與否，最后通過(guò)電阻的疊加得到不同阻值。介紹了該設(shè)計(jì)的工作原理及軟件設(shè)計(jì)思想，并有部分仿真結(jié)果。這種設(shè)計(jì)使用8421編碼原則和硬件描述語(yǔ)言，減少了一些元器件的使用。相比于市場(chǎng)上的產(chǎn)品，其穩(wěn)定性更高，抗干擾性更強(qiáng)，體積也更小，同時(shí)，它的操作更簡(jiǎn)便，顯示更直觀。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；可編程；任意電阻

0 引言
    電阻幾乎是所有電路中必不可少的部分，常見(jiàn)的也有很多不同阻值的電阻，然而在一些電路中同一位置不同時(shí)刻還需要不同阻值，在一些精度要求不高的場(chǎng)合，可用滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是我們不能確定其具體阻值。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為了滿足教學(xué)研某些場(chǎng)合的需要，阻值確定并可調(diào)的電阻箱應(yīng)運(yùn)而生。電阻箱提供阻值的原理是通過(guò)電阻的串并聯(lián)得到的不同阻值，因而用到的電阻數(shù)量較多，精度也不夠高，而且還需要對(duì)所需電阻的每一位數(shù)選擇相應(yīng)的檔位，比較麻煩，也不夠直觀。而在一些生產(chǎn)應(yīng)用中(如產(chǎn)品校驗(yàn))需同時(shí)提供幾組不同電阻，且要重復(fù)提供(如做產(chǎn)品老化檢測(cè)實(shí)驗(yàn))，這就需要將該阻值記錄下來(lái)，而以前的電阻箱都不具備記憶功能，不能滿足要求。
    本文介紹了用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電阻的提供，用軟件的方式來(lái)設(shè)計(jì)硬件，設(shè)計(jì)過(guò)程中可用有關(guān)軟件進(jìn)行各種仿真，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)可集成在一個(gè)芯片上，體積小、功耗低，可靠性高，又因?yàn)槠鋬?nèi)部有存儲(chǔ)單元，所以能夠滿足上述的“記憶”功能。

1 硬件電路
    基于FPOA的可編程電阻系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)(如圖1所示)主要由以下幾個(gè)功能模塊組成：


1．1 主控制器FPGA
    FPGA(本設(shè)計(jì)中選用的是CyeloneII系列)控制中心是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，主要控制實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入進(jìn)行處理，并根據(jù)輸入的信息轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)據(jù)，控制對(duì)應(yīng)的繼電器的吸合，從而得到不同的阻值。
    以往可編程網(wǎng)絡(luò)的主控制器有采用數(shù)字電路控制的，也有采用單片機(jī)控制的，本電路采用FPGA控制。EPGA是近幾年來(lái)出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用的大規(guī)模集成電路器件，它的特點(diǎn)是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開(kāi)發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性好等。因而用來(lái)設(shè)計(jì)可編程電阻其靈活性更好。
    目前市場(chǎng)上主要生產(chǎn)FPGA產(chǎn)品的公司有Lattice、Xilinx、Altera。在教學(xué)過(guò)程中，一般使用Altera公司生產(chǎn)的FLEX系列和 Cyclone系列較多。鑒于產(chǎn)品的成本和通用性考慮，本實(shí)驗(yàn)中采用CycloneII，它是第二代低成本FPGA系列，它所擁有的獨(dú)特性能有：NiosII嵌入式處理
器支持，嵌入式18*18數(shù)字信號(hào)處理乘法器，中等容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器(能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求)中等速度的I／O引腳和存儲(chǔ)器接口。在性價(jià)比上更適合本設(shè)計(jì)，所以在本設(shè)計(jì)中選用此系列。
1．2 鍵盤(pán)輸入電路
    鍵盤(pán)輸入電路主要實(shí)現(xiàn)輸出電阻值大小的設(shè)定，本設(shè)計(jì)中采用的4*4簡(jiǎn)易鍵盤(pán)輸入即可滿足要求，可提供簡(jiǎn)單明了的數(shù)字鍵和功能鍵共16個(gè)鍵，包括：數(shù)字輸入鍵：數(shù)字鍵0～9，按下數(shù)字鍵，輸入一個(gè)數(shù)字，就可在對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管上顯示。
    功能鍵：“電阻1”、“電阻2”本設(shè)計(jì)可以同時(shí)提供兩組電阻，可以選擇電阻1，也可以選擇電阻2，提供一組電阻，也可以電阻1、電阻2同時(shí)選擇提供兩組電阻。
    “存儲(chǔ)”：每輸入完一個(gè)數(shù)字后按一下存儲(chǔ)鍵，以便能夠?qū)讉€(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，運(yùn)行后將按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的先后順序及預(yù)置的時(shí)間工作，循環(huán)提供數(shù)據(jù)。
    “運(yùn)行”：此鍵作為存儲(chǔ)完數(shù)據(jù)后的啟動(dòng)鍵。
    “停止”：停止提供電阻。
    “復(fù)位”：可作為修改數(shù)據(jù)時(shí)用，按此鍵后可以使以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都清零，然后重置一組數(shù)據(jù)。
1．3 繼電器電阻網(wǎng)絡(luò)
    電阻網(wǎng)絡(luò)。其原理圖如圖2所示，從圖中可以看出，開(kāi)關(guān)的閉合決定與其對(duì)應(yīng)的電阻的接入與否，本設(shè)計(jì)中采用8421編碼原理控制提各阻值。


    本設(shè)計(jì)所供用的電阻要精確到0．1 Ω，所以，此電阻網(wǎng)絡(luò)所使用的電阻都是精密電阻。這里我們以提供電阻阻值在1500Ω以內(nèi)的電阻為例來(lái)說(shuō)明。此電阻網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，8421編碼方式只要控制相應(yīng)的繼電器，將其對(duì)應(yīng)的精密電阻短接就可以實(shí)現(xiàn)。以1500 Ω以內(nèi)電阻為例，只需16個(gè)電阻就可以滿足要求。通過(guò)控制繼電器J1至J16的斷開(kāi)或閉合，其對(duì)應(yīng)的電阻就會(huì)接入或斷開(kāi)，最后接入的電阻串聯(lián)相加就得輸出的電阻值。
    如通過(guò)鍵盤(pán)輸入一個(gè)預(yù)置值，如果輸入的數(shù)值為545．7Ω， 輸出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0．4+0．2+0．1。即只需將這些電阻需要接入，相應(yīng)的繼電器J1、J2、J3、J5、 J7、J11、J13、J15要斷開(kāi)，其余的繼電器則閉合，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼則為(0101 0100 0101 0111)B，通過(guò)此列可以看出用16個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)1500Ω以內(nèi)的精度可達(dá)到O．1 Ω的任何電阻，使用電阻數(shù)量小，通過(guò)程序來(lái)控制電阻的接入，體積更小，同時(shí)，維護(hù)起來(lái)也更加方便，如果需要大于1500Ω的電阻，同樣可以根據(jù)此原理來(lái)增加電阻(如8000、4000、2000、1000等)，因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)中同時(shí)提供兩個(gè)電阻，因而還要16個(gè)同樣的電阻，原理同上(根據(jù)不同場(chǎng)合如要提供三組或三組以上的電阻只需相應(yīng)增加即可)。
1．4 輸出顯示電路
    輸出顯示電路主要功能是實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的鍵盤(pán)輸入電阻值的大小、當(dāng)前工作的步數(shù)和預(yù)置時(shí)間。根據(jù)要求，本實(shí)驗(yàn)采用數(shù)碼管來(lái)顯示其阻值即可，能夠滿足要求，為了顯示以上數(shù)據(jù)，每個(gè)阻值的顯示至少需要九個(gè)數(shù)碼管，其中五位用來(lái)顯示當(dāng)前阻值的大小，兩位用來(lái)顯示當(dāng)前的工作步數(shù)，兩位用來(lái)顯示數(shù)據(jù)的工作時(shí)間，如果采用靜態(tài)顯示控制將會(huì)需要相當(dāng)多的引腳端資源(9×2×8=144個(gè))，為了減少對(duì)FPGA引腳資源的使用，本設(shè)計(jì)中采用掃描的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)顯示。

2 軟件設(shè)計(jì)及部分仿真結(jié)果
    本設(shè)計(jì)中，主要控制程序都是通過(guò)FPGA的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)大體可以分為三個(gè)大模塊：鍵盤(pán)掃描模塊、LED顯示模塊、繼電器電阻驅(qū)動(dòng)電路模塊。
2．1 鍵盤(pán)掃描模塊
    鍵盤(pán)掃描模塊主要用來(lái)檢測(cè)外界輸入的數(shù)據(jù)，主要由分頻器電路、鍵盤(pán)掃描計(jì)數(shù)器電路、鍵盤(pán)行和列按鍵檢測(cè)電路、按鍵抖動(dòng)消除電路和鍵盤(pán)編碼電路組成。
    因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中外接頻率為一般用6MHz的信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)，但是鍵盤(pán)掃描不需要那么高的頻率，所以需要一個(gè)分頻電路將其頻率降低為1kHz。鍵盤(pán)掃描計(jì)數(shù)器主要為鍵盤(pán)行和列按鍵檢測(cè)電路和鍵盤(pán)編碼電路服務(wù)，鍵盤(pán)行和列按鍵檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)鍵盤(pán)輸入所在行列的位置，按鍵抖動(dòng)消除電路主要目的是為了避免按鍵時(shí)鍵盤(pán)產(chǎn)生的拉動(dòng)效應(yīng)使按鍵使能位產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)變化而造成重復(fù)統(tǒng)計(jì)按鍵次數(shù)的結(jié)果。同時(shí)，鍵盤(pán)位置的代號(hào)，并不是鍵盤(pán)上的按鍵值，所以要用鍵盤(pán)編碼電路來(lái)傳遞真正的按鍵值。
2．2 LED顯示模塊
    LED顯示模塊采用動(dòng)態(tài)顯示方式，這種實(shí)現(xiàn)方法是依次點(diǎn)亮各個(gè)LED數(shù)碼管，循環(huán)進(jìn)行顯示，這種顯示方式控制好數(shù)碼管之間的延時(shí)相當(dāng)重要，根據(jù)人眼視覺(jué)暫留原理，LED數(shù)碼管每秒的導(dǎo)通16次以上，人眼就無(wú)法分辯LED數(shù)碼管短暫的不亮，認(rèn)為是一直點(diǎn)亮的，但延時(shí)也不是越小越好，因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼管達(dá)到一定亮需要一定時(shí)間。為了達(dá)到較好的效果，本設(shè)計(jì)中延時(shí)取0．005s。
2．3 繼電器電阻驅(qū)動(dòng)電路模塊
    繼電器電阻驅(qū)動(dòng)電路模塊主要是FPGA根據(jù)鍵盤(pán)輸入的電阻值，判斷相應(yīng)的一些電阻是否要接入，從而使電阻對(duì)應(yīng)的繼電器閉合或斷開(kāi)，給予其對(duì)應(yīng)的信號(hào)1或O即可。
2．4 仿真結(jié)果
    由上述理論可知，電阻1的產(chǎn)生原理和電阻2的產(chǎn)生原理完全一樣，為了使仿真結(jié)果更加明了，這里的仿真波形只用電阻1來(lái)驗(yàn)證其正確性，其仿真波形如圖3所示。


    此圖是仿真圖中的一部分，只選擇了幾個(gè)有代表性的信號(hào)顯示出來(lái)加以說(shuō)明，從圖中可以看出有時(shí)鐘信號(hào)clk，復(fù)位信號(hào)reset，電阻1選擇信號(hào) resistancel，numll至num51顯示的分別是電阻值的小數(shù)位、個(gè)位、十位、百位、干位。step11和step21分別顯示的是當(dāng)前工作的步數(shù)
的個(gè)位和十位，其中time11和time21分別顯示的是工作時(shí)間的個(gè)位和十位。Bus9則是動(dòng)態(tài)顯示時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)，JIDIANQI則代表的是16個(gè)繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。從上圖中可以看出該電阻的小數(shù)位的段碼為07H，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制就是00000111，其對(duì)應(yīng)顯示的數(shù)字是7即小數(shù)位為7，同理可知其個(gè)位數(shù)為5，十位數(shù)為4，百位數(shù)為3，千位數(shù)為1，所以其阻值就為1345．7Ω，從圖中可以看出總線上是循環(huán)傳遞著時(shí)間、步數(shù)和數(shù)值信息，根據(jù)阻值，其相應(yīng)的繼電器會(huì)閉合，根據(jù)上述電阻網(wǎng)絡(luò)原理，J4、J6、J8、J9、J10、J12、J14閉合，其余的繼電器均斷開(kāi)，即對(duì)應(yīng)的二
進(jìn)制代碼為(0010101110101000)B，換算成十六進(jìn)制即為2BA8，從上圖可以看出其驗(yàn)證結(jié)果是正確的。

3 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)通過(guò)引進(jìn)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻提供這一模塊，且將周?chē)渌麛?shù)字邏輯電路也集成至該芯片中。這樣既解決了系統(tǒng)的特殊性，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，提高了控制精度，也簡(jiǎn)化了調(diào)試。此外，本系統(tǒng)還將驅(qū)動(dòng)電路、編解碼電路等硬件通過(guò)VHDL語(yǔ)言在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，相比以前的模擬電路和單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法，使用的元器件更少，體積也更小，針對(duì)不同場(chǎng)合，修改起來(lái)也更加方便。具有很好的市場(chǎng)前景。