1.底板电源电路

为方便使用,在接口底板上配置了5 V电源插口,输入5 V电压,通过核心板与接口板的互连插口相连,由底板和核心板各自提供3.3 V电压。因此,核心板的电源是可以单独使用的,接口板电源在没有核心板接入的情况下也可以单独使用。接口板电源电路和实物图如图5-12所示。

2.交通灯LED电路

接口板上有12个独立LED,电路和实物图如图5-13所示,在PCB中把这12个LED布局成十字路口交通灯的形式,方便设计交通灯的实验,也方便设计流水灯及其他相关实验。

3.矩阵键盘电路

接口板上有4×4矩阵键盘,矩阵键盘在应用设计中经常需要用到,是常用的输入设备,比如设计密码锁、DDS信号源等。矩阵键盘电路和实物图如图5-14所示。电路图中的行信号ROW0～ROW3作为输入信号需要加上拉电阻,列信号COL0～COL3作为输出信号。

图5-12　接口板电源电路和实物图

图5-13　交通灯电路和实物图

4.拨码开关电路

拨码开关是常用的输入设备,4位拨码开关电路相对简单,作输入信号用需要配置上拉电阻。拨码开关电路和实物图如图5-15所示。

5.蜂鸣器电路

蜂鸣器使用PNP型三极管驱动控制,如果在基极输入一定频率脉冲,蜂鸣器会发出声响,改变输入频率可以改变蜂鸣器的响声,可以设计电子琴、音乐播放器等实验。蜂鸣器电路和实物图如图5-16所示。

6.数码管显示电路

数码管是常见显示器件,使用频率非常高,电路设计采用共阳数码管,当位显示驱动信号控制驱动三极管的基极为低电平时,对应的数码管被点亮；当段显示驱动信号为低电平时,对应的显示段被点亮。公共位选信号需要的驱动电流较大,所以采用了PNP型三极管S8550驱动。R 1、R 2、R 3作为保护限流电阻存在电路中。数码管显示电路如图5-17所示。

图5-14　矩阵键盘电路和实物图

图5-15　拨码开关电路和实物图

图5-16　蜂鸣器电路和实物图

图5-17　数码管显示电路

7.液晶显示接口电路

接口板上设有LCD1602与LCD12864的接口电路,液晶模块是配置器件,如需要实验,可选配液晶器件,注意安装时引脚的顺序。图5-18为液晶显示接口电路,其中管脚接口1～16是接LCD1602的,管脚接口1～20是接LCD12864的。R R1可调电阻是调节液晶显示灰度的,R 4、R 5处可选择焊接0Ω电阻,一般在R 4处焊接电阻,这样接LCD1602时脚15作为背光的V CC输入接口,接LCD12864时脚15为并行接口或者串行接口。

图5-18　液晶显示接口电路

8.RS232串口电路

RS232串口电路如图5-19所示。FPGA管脚是3.3 V工作电压,所以使用了MAX3232进行RS232电平转换,同时,还有两个LED用于指示串口的收发工作状态。DB9接口用于经过电平转换后与计算机进行通信；J3的SIP3接口用于与其他控制器进行通信,或者与USB转串口TTL电平的转换器通信,不需要经过电平转换芯片。

图5-19　RS232串口电路

9.VGA接口电路

VGA接口电路如图5-20所示,本电路采用电阻分压网络的方法来产生VGA所需要的不同电压信号,输入端共用了9根信号线,可以产生512级颜色。

图5-20　VGA接口电路

10.串行D/A、A/D转换电路

D/A、A/D转换电路如图5-21所示。

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图5-21　D/A、A/D转换电路

数模转换(D/A转换)电路采用串行接口的单通道10位D/A转换芯片——TLC5615。TLC5615具有半缓冲输出功能与可编程输出量程功能。数模转换的参考电压从REFIN引脚输入,由TL431稳压输出2.5 V基准电压,D/A转换输出的电压范围是0～5 V。

串行模数转换电路采用单通道8位A/D转换芯片TLC549,转换所需的电压基准由REF+引脚输入,电压基准定为5 V,芯片可采集的电压范围是0～5 V。电路图中R R2是可调电阻,把J6的1、2脚用跳线帽短接到可调电阻可作为AD的采集电压来源,方便电压测量实验,把J6的2、3脚连接可从外部接入测量电压。

11.实时时钟电路

实时时钟(real-time clock,RTC)芯片采用具有I2 C接口的低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片PCF8563T,它提供一个可编程时钟输出、一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2 C总线接口串行传输。最大总线速度为400 Kb/s,每次读/写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。J8是备用电池,在电路板不供电时可以保证实时时钟正常运转。实时时钟电路如图5-22所示。

图5-22　实时时钟电路

另外,为了满足不同的学习需要,底板预留了DS1302实时时钟的电路,可以根据习惯和需要在PCF8563T和DS1302之间选择一种时钟电路,两者都是常用的时钟芯片,网上资料也很丰富。DS1302控制接口属于SPI通信接口,需要三个I/O口控制,配置上拉电阻。DS1302实时时钟电路如图5-23所示。

图5-23　DS1302实时时钟电路

12.温度传感器电路

接口板上设有常用的温度传感器电路——DS18B20温度传感器和LM75温度传感器两种。考虑到要兼顾不同用户的兴趣和需求,LM75是I2 C总线通信控制,DS18B20是单总线控制,数据控制口都需要接上拉电阻。温度传感器电路如图5-24所示。

图5-24　温度传感器电路

13.存储器AT24C02电路

接口板上设有EEPROM存储器电路,采用常见的AT24C02存储器,该器件使用I2 C通信接口,AT24C02内部可以存储256字节的数据。AT24C02电路如图5-25所示。

图5-25　AT24C02电路

14.红外接收电路

红外接收电路采用的红外接收头为HS0038。红外接收电路比较简单,管脚仅有一个电源、接地和数据信号,红外接收头的数据输出口接FPGA的引脚91。HS0038可以接收红外遥控键盘发出的编码信号,通过FPGA解码出来。红外接收电路和实物图如图5-26所示。

15.步进电动机驱动电路

由于FPGA接口驱动电流不够大,不能直接驱动步进电动机,需要通过ULN2003增大驱动电流再连接到相应的电动机接口,FPGA控制口接到ULN2003的D0、D1、D2、D3数字端口,控制输出口Q0、Q1、Q2、Q3的电平状态,从而实现对步进电动机的控制。步进电动机驱动电路如图5-27所示。

16.旋转编码开关电路

旋转编码开关有5个引脚,使用时脚2、5接地,脚1、3、4经上拉电阻接到FPGA控制I/O口。管脚1、2、3的功能:中间脚2接地,脚1、3接上拉电阻后,开关左转、右转时,在脚1、3就有脉冲信号输出了。脚4、5为按压开关,按下时导通,恢复时断开。旋转编码开关电路和实物图如图5-28所示。

图5-26　红外接收电路和实物图

图5-27　步进电动机驱动电路

图5-28　旋转编码开关电路和实物图

17.超声波模块接口电路

超声波模块采用HC-SR04型号,需要将超声波模块的TRIG与FPGA的一个I/O口连接,FPGA发送触发脉冲信号到TRIG,ECHO检测回波输出信号,超声波模块采用5 V供电,因为FPGA引脚是3.3 V的,可采用电阻分压让超声波模块输出信号电压在FPGA可接受范围。超声波模块接口电路和实物图如图5-29所示。

图5-29　超声波模块接口电路和实物图

18.插针接口电路

插针接口电路包括与FPGA核心板连接的P1A和P1B接口,以及引出以方便用户使用的接口,其中J10和J11是和底板上其他电路有重叠复用关系的接口,在确认不受其他电路影响时可以使用,J7是和电路板上其他电路没有重叠复用关系的接口,可以放心使用。插针接口电路如图5-30所示。

图5-30　插针接口电路