一种FPGA实验板

一种fpga实验板
技术领域
1.本发明涉及fpga教学实验技术领域，尤其涉及一种fpga实验板。


背景技术：

2.国内高校陆续开展了硬件描述语言、数字系统设计等课程，并配套可编程逻辑器件实验。目前工程上采用fpga作为数字电路实现的主要手段，所以开展与fpga相关的课程教学实验十分重要。
3.fpga(field－programmable gate array)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物。fpga作为专用继承电路领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路功能单一的问题、又克服了通用处理器计算效率低下的问题。
4.现有的与fpga相关的实验设备为fpga实验箱，但fpga实验箱存在造价高昂、功能繁杂、不易携带，过于专业化、造成资源浪费、且实验内容与课堂教学存在一定偏差、不利于初学者理解fpga数字系统设计的知识理念、很难融入初学者日常使用等缺点。
5.此外，现有的fpga实验箱通常不具有光电检测模块，并且现有的光电检测模块仅包括光敏元件，当信号较弱时，容易出现检测结果不稳定的情况。


技术实现要素：

6.本发明实施例的目的是提供一种fpga实验板，以解决现有的fpga实验箱存在造价高昂、实验内容与课堂教学存在一定偏差等技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：本技术提供了一种fpga实验板，fpga实验板包括fpga核心模块和与其连接的彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、led显示模块、键盘模块和电源管理模块。
8.进一步地，fpga核心模块包括fpga芯片和核心电路，fpga芯片具有io端口、电源端口、地面端口和jtag端口，多个io端口用于与彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、led显示模块、键盘模块连接；电源端口用于与电源管理模块连接；地面端口用于接地；jtag端口用于与pc端连接加载程序；核心电路包括存储电路、晶振电路和核心电源转换电路，核心电源转换电路设置在fpga芯片的电源端口和电源管理模块之间；存储电路与fpga芯片连接，晶振电路与fpga芯片连接。
9.进一步地，光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器；光电对管传感器包括相对设置的发光管和感光管；电压比较器包括运算放大器和滑动变阻器；运算放大器的in1+引脚与光电对管传感器连接，运算放大器的in1-引脚与滑动变阻器的第二引脚连接，滑动变阻器的第三引脚通过一个电阻与电源管理模块连接，滑动变阻器的第一引脚接地；运算放大器的第一引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；运算放大器的第十一引脚接地；运算放大器的第四引脚与电源管理模块提供的5v电源连接。
10.进一步地，彩灯模块包括多个彩灯、多个npn型三极管和多个电阻；每个npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯的第一端连接；彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地。
11.进一步地，数码显示模块包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。
12.进一步地，在彩灯模块中，多个彩灯呈圆形、方形、直线形、或不规则图像布置；多个彩灯分为多组彩灯模组，每组彩灯模组中包括红黄绿三色彩灯。
13.进一步地，在数码显示模块中，多个数码管排列为一排或多排。
14.进一步地，交通灯控制模块包括垂直设置的两组交通灯组件，每组交通灯组件包括交通灯单元和倒计时单元；交通灯单元包括红黄绿三色彩灯、三个npn型三极管和六个电阻，每个npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯第一端连接；彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地；倒计时单元包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。
15.进一步地，风扇模块包括风扇、npn型三极管和电阻，npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与风扇连接，npn型三极管的发射极接地。
16.进一步地，温度采集模块包括温度传感器、用于模数转换的单片机、传感器接口和下载口；传感器接口和下载口均与单片机连接，传感器接口与温度传感器连接，单片机用于将温度模拟信号转换为温度数字信号；单片机的第十一引脚、第十二引脚、第十三引脚、第十五引脚、第十六引脚、第十七引脚、第二十引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；单片机的第七引脚接地，单片机的第八引脚通过一个电容接地；单片机的第九引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第九引脚还并联有一个电容后接地；单片机的第四引脚还与下载口的第三引脚连接，单片机的第四引脚通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第四引脚还并联一个电容后接地；下载口的第二引脚与单片机的第十八引脚连接；下载口的第四引脚接地；下载口的第一引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接；传感器接口的第一引脚接地，传感器接口的第二引脚与单片机的第十四引脚连接，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后接地，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后与电源管理模块提供的3.3v电源连接。
17.进一步地，声音模块包括蜂鸣器和npn型三极管，npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与蜂鸣器连接，npn型三极管的发射极接地；蜂鸣器与电源管理模块提供的5v电源连接。
18.进一步地，开关模块包括至少一个开关单元，开关单元包括自锁开关和开关信号灯，自锁开关的第一引脚与电源管理模块的输出的5v电源连接，自锁开关的第二引脚通过一个电阻与开关信号灯的第一端连接，自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与开关信号灯的第二端连接，自锁开关的第二引脚和开关信号灯的第二端均接地；自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接。
19.进一步地，led显示模块包括呈矩阵布置的多个led模组和多个电阻，每个led模组包括三色led单元；led显示模块具有多个引脚，每个引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接。
20.进一步地，键盘模块包括矩阵键盘和多个电阻，矩阵键盘的每个引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；矩阵键盘的每个引脚还通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接。
21.进一步地，电源管理模块包括电源输入接口、电源开关、电源指示灯、第一电源管理芯片、第二电源管理芯片、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电阻；电源输入接口的第一引脚与输入的12v电源连接，电源输入接口的第一引脚还与电源开关的第二引脚连接，电源开关的第一引脚通过电阻与电源指示灯的第一端连接，电源指示灯的第二端接地；第一电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第一电源管理芯片的第一引脚还与第一电容连接后接地；二极管的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第一电感的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，第一电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第二电容连接后接地；第一电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第一电感的第二端用于向外提供5v电源；第二电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第二电源管理芯片的第一引脚还与第三电容连接后接地；二极管的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第二电感的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，第二电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第四电容连接后接地；第二电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第二电感的第二端用于向外提供3.3v电源。
22.进一步地，交通灯控制模块用于实现交通灯控制实验；led显示模块和键盘模块配合用于实现动态字符显示实验或用于实现动画显示实验；光电检测模块、数码显示模块和开关模块用于实现出租车计价器实验；温度采集模块、风扇模块和开关模块用于实现智能风扇实验；数码显示模块和开关模块用于实现数字钟实验或电子秒表实验；键盘模块、数码显示模块、声音模块和彩灯模块用于实现密码锁；开关模块、数码显示模块和彩灯模块用于实现乒乓球实验；声音模块用于实现警笛报警实验；彩灯模块用于实现霓虹灯或跑马灯实验；led显示模块、数码显示模块和开关模块用于实现电梯控制实验。
23.相较于现有技术，本发明提供的fpga实验板具有造价低廉，方便携带，散热迅速，功能简单易懂，实验内容与课堂教学内容相匹配，便于初学者理解fpga数字系统设计的知识理念，有利于初学者日常使用和掌握等有益技术效果。此外，本技术提供的fpga实验板增加了光电检测模块，利用光电检测模块可以实现更多实验，并且本技术的光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器，电压比较器增加后，可以将光电对管传感器检测到的信号进行放大，从而提升实验效果，避免检测结果不稳定的情况发生。
附图说明
24.通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：图1示意性地示出了fpga核心模块的fpga芯片的连接示意图；图2示意性地示出了温度采集模块与fpga芯片的连接示意图；图3示意性地示出了电源管理模块的示意图；图4示意性地示出了光电检测模块与fpga芯片的连接示意图；图5示意性地示出了led显示模块与fpga芯片的连接示意图；图6示意性地示出了led显示模块的原理图；图7示意性地示出了声音模块与fpga芯片的连接示意图；图8示意性地示出了风扇模块与fpga芯片的连接示意图；图9示意性地示出了开关模块中的开关单元与fpga芯片的连接示意图；图10示意性地示出了键盘模块与fpga芯片的连接的示意图；图11示意性地示出了彩灯、npn型三极管、电阻与fpga芯片的连接示意图；图12示意性地示出了数码管、pnp型三极管、电阻与fpga芯片的连接示意图；图13示意性地示出了本技术提供的fpga实验板的结构示意图。
具体实施方式
25.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
26.需要注意的是，除非另有说明，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
27.如图1至图13所示，本发明的实施例提供了一种fpga实验板，fpga实验板包括fpga核心模块和与其连接的彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、led显示模块、键盘模块和电源管理模块。这样，本技术提供的fpga实验板通过设置多个与实验教学相匹配的模块，利用不同模块之间的组合可以实现多种教学实验，便于初学者理解和应用，且fpga实验板还具有便于携带，造价低廉，散
热迅速等优点。
28.其中，fpga核心模块包括fpga芯片和核心电路，fpga芯片具有io端口、电源端口、地面端口和jtag端口，多个io端口用于与彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、led显示模块、键盘模块连接；电源端口用于与电源管理模块连接；地面端口用于接地；jtag端口用于与pc端连接加载程序；核心电路包括存储电路、晶振电路和核心电源转换电路，核心电源转换电路设置在fpga芯片的电源端口和电源管理模块之间；存储电路与fpga芯片连接，晶振电路与fpga芯片连接。通过fpga核心模块，使用时，可通过jtag端口将不同实验的程序下载至fpga芯片中，获取与其相连的与实验对应的输入性模块的信号并进行判断，再对与其相连的与实验对应的输出型模块进行控制， 完成实验教学的目的。
29.如图1所示，fpga芯片的所有可用邮票口共150个，共有175个可用io，去除sdram共136个，本实施例需要引出141个io，加四阻电源和接地一共占用邮票口149个。其中，io端口用于信号输入或输出。io开头的表示输入输出型引脚，后面跟的是fpga芯片的具体管脚。
30.彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、led显示模块、键盘模块和电源管理模块中的一部分作为数据输入模块，另一部分作为数据输出模块。fpga芯片中的io端口一部分作为输入端口，与数据输入模块连接；另一部分作为输出端口，与数据输出模块连接。
31.其中，光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器；光电对管传感器包括相对设置的发光管和感光管；电压比较器包括运算放大器和滑动变阻器；运算放大器的in1+引脚与光电对管传感器连接，运算放大器的in1-引脚与滑动变阻器的第二引脚连接，滑动变阻器的第三引脚通过一个1kω的电阻与电源管理模块连接，滑动变阻器的第一引脚接地；运算放大器的第一引脚通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；运算放大器的第十一引脚接地；运算放大器的第四引脚与电源管理模块提供的5v电源连接。通过光电对管传感器实现光敏检测，当光电对管传感器的发光管和感光管之间存在遮挡物时，向外发送第一电信号，没有遮挡物时，向外发送第二电信号，第一电信号和第二电信号的数值不同，从而能够判断发光管和感光管之间是否存在遮挡物。光电检测模块为fpga实验板的数据输入模块。
32.光电检测模块由光电对管传感器和电压比较器组成，输出数字信号代表光电传感器光线被遮挡状况。电压比较器由运算放大器、滑动变阻器组成。如图4所示，光电检测模块主要由u5、p55、u10组成。其中u5为运算放大器，u10为光敏元件，即光电对管传感器，遮挡光照和接受光照会输出不同的电压值；p55为滑动变阻器，用于控制电压大小；u10与p55输出电压将在u10中进行大小比较，并最终输出高低电平。运算放大器的in1-引脚与滑动变阻器的2引脚相连，滑动变阻器的1引脚接地，3引脚连接电源并连接一个1k的电阻；运算放大器的out1引脚与fpga芯片的输入端相连；运算放大器的in1+引脚与光敏元件相连。本技术提供的fpga实验板增加了光电检测模块，利用光电检测模块可以实现更多实验，并且本技术的光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器，电压比较器增加后，可以将光电对管传感器检测到的信号进行放大，从而提升实验效果，避免检测结果不稳定的情况发生。
33.可利用光电检测模块实现出租车计价器实验，具体来说，模拟车轮设置在光电对管传感器的发光管和感光管之间，当车轮上的镂空位置经过光电对管传感器时，向外发送
第二电信号，当车轮上的非镂空位置经过光电对管传感器时，向外发送第一电信号，根据接收到第一电信号和第二电信号的数量可知晓车轮转动圈数，根据车轮转动圈数可判断行驶里程，通过行驶里程可计算出租车费用。
34.可选地，彩灯模块包括多个彩灯、多个npn型三极管和多个电阻；每个npn型三极管的基极通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯的第一端连接；彩灯的第二端通过一个10kω的电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地。这样，彩灯通过npn型三极管驱动，电阻的作用是防止电流过大损伤电路，通过控制实现彩灯的亮灭，满足实验的相应需求，使实验更多元。彩灯模块为fpga实验板的数据输出模块。
35.可选地，在彩灯模块中，多个彩灯呈圆形、方形、直线形、或不规则图像布置；多个彩灯分为多组彩灯模组，每组彩灯模组中包括红黄绿三色彩灯。这样，彩灯模组的颜色更加丰富，布局也可根据实际需要进行布置，有利于实现更复杂更多元的实验。
36.如图13所示，彩灯模块包括6组彩灯模组及其对应的驱动电路，每个模组由红黄绿三个颜色的彩灯组成。彩灯模块排列为规则的圆形。每个彩灯由npn型三极管驱动，三极管的基极与fpga芯片的驱动信号连接并连接一个1k的电阻，集电极与彩灯相连，发射极与地相连。
37.如图11所示，fpga实验板中共24个图示电路结构，该电路使用npn型三极管进行驱动led显示，集电极连接led和一个10k的电阻；基极连接驱动信号（fpga芯片的gpio0_23），同时连接一个1k的电阻；发射极接地。该结构分别与fpga芯片的gpio0_17~gpio0~34，gpio3_16~gpio3_18，gpio2_25~gpio2_27连接。其中，6个用于交通灯控制模块；18个用于彩灯控制模块。
38.在设置实验时，可利用彩灯模块中彩灯的亮灭模拟乒乓球的轨迹，上半部分和下半部分可模拟为对手双方，亮灭的速度可模拟乒乓球球速，从而实现乒乓球游戏实验。
39.可选地，数码显示模块包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个1kω的电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。这样，发光二极管通过pnp型三极管驱动，通过控制发光二极管亮灭，实现数字0-9的变换，满足实验的相应需求，使实验更多元。数码显示模块为fpga实验板的数据输出模块。
40.如图13所示，数码显示模块由6个数码管及其驱动电路组成，6个数码管排列为一排。
41.数码管的每个发光二极管由pnp型三极管驱动，三极管的基极连接一个1k的电阻，同时连接fpga芯片，集电极与数码管的每个发光二极管相连，发射极连接电源。如图12所示，数码显示模块主要由ds5组成，ds5由8个发光二极管构成，由八个引脚控制，分别是a，b，c，d，e，f，g，这8个引脚分别与8个pnp型三极管相连，并在基极处连接一个1k的电阻，并与fpga芯片连接，并按照一定的图形及排列封转在一起的显示器件。其中7个led构成7笔字形，1个led构成小数点，a~dp引脚与fpga芯片的gpio2_9~gpio2_16。
42.可选地，在数码显示模块中，多个数码管排列为一排或多排。设置多个数码管后，
并可通过对小数点的控制，实现更大数值、更多数值的变换，从而满足实验的相应需求，使实验更多元。
43.可选地，交通灯控制模块包括垂直设置的两组交通灯组件，每组交通灯组件包括交通灯单元和倒计时单元；交通灯单元包括红黄绿三色彩灯、三个npn型三极管和六个电阻，每个npn型三极管的基极通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；每个npn型三极管的集电极与一个彩灯第一端连接；彩灯的第二端通过一个10kω的电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；npn型三极管的发射极接地；倒计时单元包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个数码管包括多个发光二极管，多个发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个pnp型三极管的基极通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；每个pnp型三极管的集电极通过一个1kω的电阻与一个发光二极管连接；每个pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。这样，通过模拟交叉路口交通灯的布置，对两组交通灯组件的交通灯单元和倒计时单元分别进行控制，实现交通灯控制实验。交通灯控制模块为fpga实验板的数据输出模块。
44.如图13所示，四个数码管用于交通灯控制模块。数码管的控制可参考图12。彩灯的控制可参考图11。
45.如图13所示，交通灯控制模块由两组独立的数码管组件和两组红黄绿三色彩灯组成，两组承“十”字形排列，对应交通路口交叉方向的两个路口的交通灯单元及其倒计时单元。
46.在本技术的未图示的可选实施例中，交通灯控制模块包括多个呈箭头形状设置的led显示单元，通过控制红黄绿三色变换实现不同车道转向的交通灯控制。
47.可选地，风扇模块包括风扇、npn型三极管和电阻，npn型三极管的基极通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与风扇连接，npn型三极管的发射极接地。设置风扇既可以实现智能风扇控制实验，还有可用于fpga实验板的散热。风扇模块为fpga实验板的数据输出模块。
48.如图8所示，风扇模块由直流风扇和驱动电路组成。风扇模块的直流风扇由一个三极管驱动，由fpga芯片的gpio0_7提供驱动信号，并与三极管的基极相连，集电极与风扇相连，目的是将功率进行放大，发射极接地。
49.可选地，温度采集模块包括温度传感器、用于模数转换的单片机、传感器接口和下载口；传感器接口和下载口均与单片机连接，传感器接口与温度传感器连接，单片机用于将温度模拟信号转换为温度数字信号；单片机的第十一引脚、第十二引脚、第十三引脚、第十五引脚、第十六引脚、第十七引脚、第二十引脚均通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；单片机的第七引脚接地，单片机的第八引脚通过一个1μf的电容接地；单片机的第九引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第九引脚还并联有一个1μf的电容后接地；单片机的第四引脚还与下载口的第三引脚连接，单片机的第四引脚通过一个10kω的电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接，单片机的第四引脚还并联一个0.1μf的电容后接地；下载口的第二引脚与单片机的第十八引脚连接；下载口的第四引脚接地；下载口的第一引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接；传感器接口的第一引脚接地，传感器接口的第二引脚与单片机的第十四引脚连接，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后接地，单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后与电源管理模块提供的3.3v电源连接。这样，可以
利用温度采集模块与风扇模块配合，实现智能风扇控制实验；也可通过温度采集模块与其它模块配合实现其它实验。温度采集模块为fpga实验板的数据输入模块。
50.如图2所示，温度采集模块主要由u21、p51组成。其中，u21为单片机，用于信号的ad转换，将模拟温度数据转换为数字温度数据，vss（引脚7）与vcap（引脚8）接地，并接一个电容c5，作用是储能、稳定电压。引脚11~20与fpga芯片的gpio0_8~gpio0_15相连，用于输出数字数据，并同时连接1k的电阻，作用是防止电流过大损伤电路。vdd与3.3v电源相连，并于地之间并接一个电容c52，作用是滤波处理。p51用于连接温度传感器，用于感知外部温度，将温度信息传输至u21模块做进一步处理。
51.可选地，声音模块包括蜂鸣器和npn型三极管，npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，npn型三极管的集电极与蜂鸣器连接，npn型三极管的发射极接地；蜂鸣器与电源管理模块提供的5v电源连接。其中，蜂鸣器的数量可以根据实际需要设置。声音模块为fpga实验板的数据输出模块。
52.如图7所示，声音模块主要由两组有源蜂鸣器ls1与ls2组成，由npn型双极性晶体管构成功率放大驱动电路，由npn型三极管驱动，三极管的基极连接一个1k的电阻，并与fpga芯片输入端相连；三极管的集电极连接有源蜂鸣器；三极管的发射极连接地。。三极管的基极连接fpga芯片的gpio0_6，并提供驱动信号，同时连接一个电阻保护电路；集电极驱动蜂鸣器电路工作；发射极接地。
53.可选地，开关模块包括至少一个开关单元，开关单元包括自锁开关和开关信号灯，自锁开关的第一引脚与电源管理模块的输出的5v电源连接，自锁开关的第二引脚通过一个10kω的电阻与开关信号灯的第一端连接，自锁开关的第二引脚还通过一个10kω的电阻与开关信号灯的第二端连接，自锁开关的第二引脚和开关信号灯的第二端均接地；自锁开关的第二引脚还通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接。按下自锁开关后，与其对应的开关信号灯亮起。开关模块为fpga实验板的数据输入模块。
54.如图9所示，开关模块主要由p7，led1组成。p7为自锁开关，可在按下后锁定高低电平；led1为信号灯，用于指示按键是否按下。按键于fpga芯片相连，并接一个1k的电阻用于防止电流过大，而led1同时与两个10k的电阻串联、并联，并且led1与r304同时接地，目的是进行分压，本发明中，开关模块包括12个开关单元，分别连接到fpga核心模块的gpio1_22~gpio1_33。开关模块包含12组独立自锁数字信号输出电路，每组输出配套输出状态指示灯。自锁开关的引脚2连接1个led指示灯，并连接两个10k的电阻，同时并联一个1k的电阻与fpga芯片的输入端相连。
55.可选地，led显示模块包括呈矩阵布置的多个led模组和多个电阻，每个led模组包括三色led单元；led显示模块具有多个引脚，每个引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接。led显示模块为fpga实验板的数据输出模块，可用于显示数字或汉字或字母或图案。
56.如图5所示，led显示模块由p14构成。图6即为p14的原理图。p14的1~15引脚与fpga芯片的gpio1_0~gpio1_14相连；16~24引脚与fpga芯片的gpio3_7~gpio3_15相连。并且通过在每一个引脚处添加限流电阻，防止因电流过大损伤电路。该led显示模块便于显示数字及汉字，完成更多实验项目。led显示模块由8*8三色矩阵led模组构成。led模组的每个引脚均与fpga芯片的输入端相连。
57.可选地，键盘模块包括矩阵键盘和多个电阻，矩阵键盘的每个引脚通过一个1kω的电阻与fpga芯片的io端口连接；矩阵键盘的每个引脚还通过一个10kω的电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接。矩阵键盘为fpga实验板的数据输入模块。
58.键盘模块由3*4薄膜矩阵键盘构成。矩阵键盘的每个引脚连接一个10k的电阻并与电源连接，同时并联一个1k的电阻与fpga核心模块的输入端相连。如图10所示，键盘模块的1~7引脚分别连接至fpga芯片的gpio1_16~gpio1_21。矩阵键盘按键共4
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3个，可作为不同的输入信号。
59.在本技术的图13示出的可选实施例中，通过键盘模块可输入不同的数字和符号，从而可实现电梯控制实验或其它利用数字和符号输入实现的实验。
60.在本技术的未图示的可选实施例中，也可更改键盘模块的按键数量和按键含义，实现更加复杂多元的实验。
61.可选地，电源管理模块包括电源输入接口、电源开关、电源指示灯、第一电源管理芯片、第二电源管理芯片、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电阻；电源输入接口的第一引脚与输入的12v电源连接，电源输入接口的第一引脚还与电源开关的第二引脚连接，电源开关的第一引脚通过电阻与电源指示灯的第一端连接，电源指示灯的第二端接地；第一电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第一电源管理芯片的第一引脚还与第一电容连接后接地；二极管的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第一电感的第一端与第一电源管理芯片的第二引脚连接，第一电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第二电容连接后接地；第一电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第一电感的第二端用于向外提供5v电源；第二电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；第二电源管理芯片的第一引脚还与第三电容连接后接地；二极管的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，二极管的第二端接地；第二电感的第一端与第二电源管理芯片的第二引脚连接，第二电源管理芯片的第四引脚与电感的第二端连接；电感的第二端还与第四电容连接后接地；第二电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；第二电感的第二端用于向外提供3.3v电源。这样，通过电源管理模块可以提供更多不同数值的电源，供不同模块使用。
62.如图3所示，电源管理模块主要由u2、u3、p02组成。其中，u2、u3为电源管理芯片，u2用于控制输入电压为5v，u3用于控制输入电压为3.3v，便于满足不同实验项目对电压的要求。p02为电源输入接口，其连接led1显示灯，用于辨别是否有电压输入；并连接pk电源开关，用于控制整体开发板的上电操作，便于控制实验的开始与结束。电源管理模块负责将输入电压转换为5v和3.3v多输出电压，为系统提供电源供给。
63.在本技术未图示的可选实施例中，还可根据实际需要输出其它数值的电源。
64.可选地，交通灯控制模块用于实现交通灯控制实验；led显示模块和键盘模块配合用于实现动态字符显示实验或用于实现动画显示实验；光电检测模块、数码显示模块和开关模块用于实现出租车计价器实验；温度采集模块、风扇模块和开关模块用于实现智能风扇实验；数码显示模块和开关模块用于实现数字钟实验或电子秒表实验；键盘模块、数码显示模块、声音模块和彩灯模块用于实现密码锁；开关模块、数码显示模块和彩灯模块用于实现乒乓球实验；声音模块用于实现警笛报警实验；彩灯模块用于实现霓虹灯或跑马灯实验；
led显示模块、数码显示模块和开关模块用于实现电梯控制实验。本技术通过不同模块的搭配使用，可实现不同种类的实验，使教学实验更加丰富多元，简单的实验和复杂的实验均可实现，有利于初学者从简至难的掌握。
65.在本技术未示出的可选实施例中，利用本技术提供的fpga实验板，可根据实际需要搭配不同模块实现其它种类的实验。
66.fpga实验板在使用时，将程序下载线分别连接pc端和fpga芯片的jtag接口，可将程序下载至fpga芯片中。fpga实验板通过电源开关控制整个开发板是否通电，并且可以根据实际要求控制电路输入电压大小，分别可以设置5.5v和3.3v，方便满足不同实验要求。fpga实验板通过在各个电路设置不同大小的电阻，减轻电路因电流过大导致损坏内部硬件的情况。
67.本技术解决了目前的fpga实验设备功能繁杂、不易携带、过于专业化、很难融入初学者日常使用的问题，具备结构简单、方便携带、实验项目完备以及利于散热等优点。
68.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种fpga实验板，其特征在于，所述fpga实验板包括fpga核心模块和与其连接的彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、led显示模块、键盘模块和电源管理模块；所述fpga核心模块包括fpga芯片和核心电路；所述fpga芯片具有io端口、电源端口、地面端口和jtag端口，多个所述io端口用于与所述彩灯模块、所述数码管模块、所述交通灯控制模块、所述光电检测模块、所述风扇模块、所述温度采集模块、所述声音模块、所述led显示模块、所述键盘模块连接；所述电源端口用于与所述电源管理模块连接；所述地面端口用于接地；所述jtag端口用于与pc端连接加载程序；所述核心电路包括存储电路、晶振电路和核心电源转换电路，所述核心电源转换电路设置在所述fpga芯片的电源端口和所述电源管理模块之间；所述存储电路与所述fpga芯片连接，所述晶振电路与所述fpga芯片连接；所述光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器；所述光电对管传感器包括相对设置的发光管和感光管；所述电压比较器包括运算放大器和滑动变阻器；所述运算放大器的in1+引脚与所述光电对管传感器连接，所述运算放大器的in1-引脚与所述滑动变阻器的第二引脚连接，所述滑动变阻器的第三引脚通过一个电阻与所述电源管理模块连接，所述滑动变阻器的第一引脚接地；所述运算放大器的第一引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；所述运算放大器的第十一引脚接地；所述运算放大器的第四引脚与所述电源管理模块提供的5v电源连接。2.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述彩灯模块包括多个彩灯、多个npn型三极管和多个电阻；每个所述npn型三极管的基极通过一个电阻与所述fpga芯片的io端口连接；每个所述npn型三极管的集电极与一个彩灯的第一端连接；所述彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；所述npn型三极管的发射极接地；所述数码显示模块包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个所述数码管包括多个发光二极管，多个所述发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个所述pnp型三极管的基极通过一个电阻与所述fpga芯片的io端口连接；每个所述pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个所述pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。3.根据权利要求2所述的fpga实验板，其特征在于，在所述彩灯模块中，多个所述彩灯呈圆形、方形、直线形、或不规则图像布置；所述多个彩灯分为多组彩灯模组，每组彩灯模组中包括红黄绿三色彩灯；在所述数码显示模块中，多个所述数码管排列为一排或多排。4.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述交通灯控制模块包括垂直设置的两组交通灯组件，每组所述交通灯组件包括交通灯单元和倒计时单元；所述交通灯单元包括红黄绿三色彩灯、三个npn型三极管和六个电阻，每个所述npn型三极管的基极通过一个电阻与所述fpga芯片的io端口连接；每个所述npn型三极管的集电极与一个彩灯第一端连接；所述彩灯的第二端通过一个电阻与电源管理模块提供的12v电源连接；所述npn型三极管的发射极接地；所述倒计时单元包括多个数码管、多个pnp型三极管和多个电阻，每个所述数码管包括
多个发光二极管，多个所述发光二极管组成“8.
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形状，用于显示数字和小数点；每个所述pnp型三极管的基极通过一个电阻与所述fpga芯片的io端口连接；每个所述pnp型三极管的集电极通过一个电阻与一个发光二极管连接；每个所述pnp型三极管的发射极与电源管理模块提供的3.3v电源连接。5.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述风扇模块包括风扇、npn型三极管和电阻，所述npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，所述npn型三极管的集电极与所述风扇连接，所述npn型三极管的发射极接地；所述温度采集模块包括温度传感器、用于模数转换的单片机、传感器接口和下载口；所述传感器接口和所述下载口均与所述单片机连接，所述传感器接口与所述温度传感器连接，所述单片机用于将温度模拟信号转换为温度数字信号；所述单片机的第十一引脚、第十二引脚、第十三引脚、第十五引脚、第十六引脚、第十七引脚、第二十引脚均通过一个电阻与所述fpga芯片的io端口连接；所述单片机的第七引脚接地，所述单片机的第八引脚通过一个电容接地；所述单片机的第九引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接，所述单片机的第九引脚还并联有一个电容后接地；所述单片机的第四引脚还与所述下载口的第三引脚连接，所述单片机的第四引脚通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接，所述单片机的第四引脚还并联一个电容后接地；所述下载口的第二引脚与单片机的第十八引脚连接；所述下载口的第四引脚接地；所述下载口的第一引脚与电源管理模块提供的3.3v电源连接；所述传感器接口的第一引脚接地，所述传感器接口的第二引脚与单片机的第十四引脚连接，所述单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后接地，所述单片机的第十四引脚还并联有一个电阻后与电源管理模块提供的3.3v电源连接。6.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述声音模块包括蜂鸣器和npn型三极管，所述npn型三极管的基极通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接，所述npn型三极管的集电极与蜂鸣器连接，所述npn型三极管的发射极接地；所述蜂鸣器与电源管理模块提供的5v电源连接；所述开关模块包括至少一个开关单元，所述开关单元包括自锁开关和开关信号灯，所述自锁开关的第一引脚与电源管理模块的输出的5v电源连接，所述自锁开关的第二引脚通过一个电阻与开关信号灯的第一端连接，所述自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与开关信号灯的第二端连接，所述自锁开关的第二引脚和所述开关信号灯的第二端均接地；所述自锁开关的第二引脚还通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；所述led显示模块包括呈矩阵布置的多个led模组和多个电阻，每个led模组包括三色led单元；所述led显示模块具有多个引脚，每个引脚均通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；所述键盘模块包括矩阵键盘和多个电阻，所述矩阵键盘的每个引脚通过一个电阻与fpga芯片的io端口连接；所述矩阵键盘的每个引脚还通过一个电阻与电源管理模块提供的3.3v电源连接。7.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述电源管理模块包括电源输入接口、电源开关、电源指示灯、第一电源管理芯片、第二电源管理芯片、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三
电容、第四电容和电阻；所述电源输入接口的第一引脚与输入的12v电源连接，所述电源输入接口的第一引脚还与电源开关的第二引脚连接，所述电源开关的第一引脚通过电阻与电源指示灯的第一端连接，所述电源指示灯的第二端接地；所述第一电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；所述第一电源管理芯片的第一引脚还与第一电容连接后接地；所述二极管的第一端与所述第一电源管理芯片的第二引脚连接，所述二极管的第二端接地；所述第一电感的第一端与所述第一电源管理芯片的第二引脚连接，所述第一电源管理芯片的第四引脚与所述电感的第二端连接；所述电感的第二端还与第二电容连接后接地；所述第一电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；所述第一电感的第二端用于向外提供5v电源；所述第二电源管理芯片的第一引脚通过电源输入接口与输入的12v电源连接；所述第二电源管理芯片的第一引脚还与第三电容连接后接地；所述二极管的第一端与所述第二电源管理芯片的第二引脚连接，所述二极管的第二端接地；所述第二电感的第一端与所述第二电源管理芯片的第二引脚连接，所述第二电源管理芯片的第四引脚与所述电感的第二端连接；所述电感的第二端还与第四电容连接后接地；所述第二电源管理芯片的第二引脚还与第一电极管连接后接地；所述第二电感的第二端用于向外提供3.3v电源。8.根据权利要求1所述的fpga实验板，其特征在于，所述交通灯控制模块用于实现交通灯控制实验；所述led显示模块和所述键盘模块配合用于实现动态字符显示实验或用于实现动画显示实验；所述光电检测模块、所述数码显示模块和所述开关模块用于实现出租车计价器实验；所述温度采集模块、所述风扇模块和所述开关模块用于实现智能风扇实验；所述数码显示模块和所述开关模块用于实现数字钟实验或电子秒表实验；所述键盘模块、所述数码显示模块、所述声音模块和彩灯模块用于实现密码锁；所述开关模块、所述数码显示模块和所述彩灯模块用于实现乒乓球实验；所述声音模块用于实现警笛报警实验；所述彩灯模块用于实现霓虹灯或跑马灯实验；所述led显示模块、所述数码显示模块和所述开关模块用于实现电梯控制实验。

技术总结
本发明提供一种FPGA实验板，涉及FPGA教学实验技术领域。其中，FPGA实验板包括FPGA核心模块和与其连接的彩灯模块、数码管模块、交通灯控制模块、光电检测模块、风扇模块、温度采集模块、声音模块、开关模块、LED显示模块、键盘模块和电源管理模块。从而，本发明提供的FPGA实验板具有造价低廉，方便携带，散热迅速，功能简单易懂，实验内容与课堂教学内容相匹配，便于初学者理解FPGA数字系统设计的知识理念，有利于初学者日常使用和掌握等有益技术效果。此外，本申请的光电检测模块包括光电对管传感器和电压比较器，电压比较器增加后，可以将光电对管传感器检测到的信号进行放大，从而提升实验效果，避免检测结果不稳定的情况发生。避免检测结果不稳定的情况发生。避免检测结果不稳定的情况发生。


技术研发人员：汤永华 石非凡 林森 李晓游 刘兴通 张志鹏
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/5