基于FPGA的模块化联网实验箱系统的设计与实现-.docx

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基于FPGA的模块化联网实验箱系统的设计与实现*

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许逸波++郝慧杰++周润++肖建

：2095-6835（2016）13-0008-03

摘要：由于传统电工电子实验箱平台存在陈旧落后、结构固定的情况，已经脱离了物联网革命的潮流，实验教学信息化改革迫在眉睫。在分析物联网原理的基础上，使用模块化设计，通过网口模块进行网络通信，采用单片机与FPGA协同处理控制，通过IIC总线驱动单元电路组合，完成了实验箱硬件结构和基于ARM和FPGA的IIC驱动程序、网络通信程序和系统控制程序，实现实验箱系统与控制终端远程互联，完成了13个基本实验，并可以通过更新实验模块拓展实验箱功能。实践证明，实验箱系统系统性价比高，可以突破时间与空间的限制，提高学生的实验效率，增强教学质量。

关键词：物联网；实验箱；模块化；单片机

TP368.1：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.008

随着各大高校对学生实践能力的重视，实验教学逐渐被提升到一个较高的地位。而目前，许多高校的实验平台都是从教仪企业采购的。该类平台的结构往往固定，而且采用的导线连接直插式电子元器件方式，存在分立元件过多导致电路结构杂乱无章、错误频现的弊端，造成实验内容更新慢、实际利用率低，难以满足学生日益增长的创新性实验需求。这在很大程度上制约着学生专业能力的巩固和提高。

此外，随着近年来物联网的兴起，实验室物联信息化已成为实验教学改革的必然趋势。从提高实验教学效率、实现信息化改革的角度出发，本文设计实现了一种具备物联特性的基于FPGA的模块化联网实验箱系统。它依托可编程器件和IIC总线通信技术，采用模块化设计，兼容多种实验电路单元，与互联网结合形成一个巨大的网络，提供功能可变、远程可控、虚实结合的实验平台，提升设备的通用性和更新速度，提高学生的实验效率，提高教学质量。

1实验箱系统的总体设计

在实验教学物联化改革的趋势中，基于FPGA的模块化联网实验箱系统首先要解决的问题是设备通信。对于实验箱系统与测量仪器及客户端之间的通信，采用网口通信的方式更加合适，以ARM单片机为通信核心，通过串口转网口模块，实现实验箱系统的网络接入，便于用户对实验箱的操作以及波形数据测量；对于实验箱系统内部的通信，在众多的通信方式中，IIC总线作为一种出色的通信方式，资源成本极低，而且信息传输速率相对较高，具备多从机挂载能力。因此，采用IIC总线进行系统内部通信，便于FPGA对于实验电路模块的管理和控制。

另外一个需要解决的问题是实验内容的更新。基于FPGA的模块化联网实验箱系统采用模块化设计，依托IIC总线连接多个可插拔的电路模块，在无需改动控制单元的情况下，灵活动态地搭建实验电路。此外，可以根据学生在不同阶段不同层次的学习需求，采用更换电路模块的方式进行实验内容的更新，充分满足创新性实验需要。

当然，实验箱系统还需要包括处理模块、电源模块、编程下载口模块和信号输入/输出模块，加上之前的通信模块、总线控制模块和电路模块三个模块，共七个部分。系统采用星形拓扑结构，通过电源模块提供功能保障，以单片机和FPGA协同的处理模块为核心，向周边辐射展开各功能模块，实现实验箱系统的物联与重构功能。实验箱系统结构如图1所示。

2单元模块设计

根据系统总体设计，基于FPGA的模块化联网实验箱系统集成多种功能，采用双层结构，下层为实验箱底板，上层为各功能模块，包括处理模块、电源模块、通信模块、总线控制模块、编程下载口模块、信号输入/输出模块和电路模块。图2为实验箱示意图。

2.1处理模块设计

实验箱系统借鉴片上系统（SystemonChip，SOC）的思想，采用单片机与FPGA协同工作的方式，充分发挥FPGA的资源优势以及ARM微处理器的低成本、低功耗和高性能，用ARM单片机实现实验箱系统与网络的信息通信，用FPGA完整控制内部系统，两者之间采用一组I/O口进行并行数据通信。其中，FPGA处理单元采用Xilinx的SpartanXC3S50，作为5万门级

的可编程芯片，加上144个I/O口，其性价比高、处理速度快，完全可以满足电工电子实验教学的基本需求以及学生的创新性实验需求；单片机处理单元采用的是STM32F103VE，其采用的ARMCORTEX-M3的内核和32位精简指令集，成本低，性能优异，在72M的工作频率下，具备较高的处理速度和较强的处理能力，可以进行较高速的数据通信和处理。

2.2电源模块设计

实验箱系统主要用到的是+1.2V、+3.3V和±5V，其中，+1.2V和+3.3V分别为FPGA芯片的内核与I/O口供电，使用±5V给各模块器件供电。1.2V电源电路如图