FPGA的机器人设计系统

本科毕业设计(论文)

题目: 基于FPGA的六足仿生机器人控制

系统设计

姓名: 李国超

学院: 机械电子工程学院

专业: 测控技术与仪器

班级: 1003071 学号: 100307110 指导教师: 姜树海职称:副教授

二○一 4 年 5月 15 日

摘要

六足仿生机器人因其很好的复杂地形适应能力，被越来越多的运用在野外侦查、救灾抢险中。由于六足仿生机器人在这方面的出色表现，科研人员们对六足机器人的研究也越来多。本课题将多足昆虫的行为学研究成果，融入到六足仿生机器人的设计与控制中，开发能在复杂自然环境中灵活运动的六足仿生机器人,对执行野外侦查、减灾救援等具有重大现实意义，对仿生机器人的发展具有重要的实际意义[1]。

六足仿生机器人嵌入式控制系统包括两个部分，第一部分是在Nios II 处理器内以软件方式实现，采用 C 语言编写应用程序，主要功能是实现机器人直行、转弯。第二部分是在FPGA 芯片内完成系统复位，串口收发等模块的实现，以及Nios II 的例化和周边I/O 信号读取与输出。硬件实现计算简单且计算速度较快，有多组并行处理的能力。采用Verilog HDL硬件描述语言实现硬件代码的编写。论文以Bioloid 公司生产的智能伺服舵机AX-12 组成六足机器人架构，利用内嵌Nios II 处理器的FPGA 控制实现机器人完成各种动作。研究采用Quartus II软件实现设计输入和硬件配置，使用Quartus II 中的SOPC Builer 构架SOPC 系统，实现了Nios II 处理器核、SDRAM 控制器、EPCS 控制器、PLL、232UART等的配置。六足仿生机器人的软件开发过程是利用软件开发工具Nios II 9.1Software Build Tools for Eclipse（简称EDS），对硬件系统中组件的驱动及应用程序进行设计。[1]鉴于课题的前期工作基础，设计实现了六足仿生机器人嵌入式控制系统，并进行了整机测试，测试结果表明：机器人实现单舵机灵活控制和多舵机协调控制，机器人行走平稳，达到预期要求。

关键词：六足；仿生机器人；控制；FPGA；SOPC

Research on Embedded Control System for Hexapod Bionic

Robot Based on FPGA

Abstract

More and more hexapod bionic robot is apply to field investigation, mitigation rescue with the good ability of adaptation to complex terrain.Because of the good behave of hexapod bionic robot in this field,more and more research specialist staff begain to research on hexapod bionic robot.So make themyriapod insect behavior studies results into robot design and control, development hexapod bionic robot flexible movement in complex natural environment to implementation of field investigation, mitigation rescue is great practical

significance and important practical significance to development of bionic robot.

On the basis of detailed analysis hexapod bionic robot control system researchstatus, Design hexapod robot embedded control system Based on SOPC (systemintegrated chip) servo control technology development environment, using FPGAembedded Nios II processor. The FPGA control chip produced by Altera Cyclone II EP2C8Q, and use SF - Nios II control panel based on this chip as robot controller. Hexapod bionic robot embedded control system consists of two parts. In the first part, Using C language Implementate functions in Nios II processor, the main function is to realize the trajectory planning of robot to go straight, turn, obstacle avoidance and temperature detection and storage and so on. The second part including complete system reset, serial transceiver module, and The Nios II instantiated and peripheral I/O signal read and output in the FPGA chip. The hardware implementation is simple and calculation speed is fast, and have a plurality of parallel processing capabilities. Hardware description language based on Verilog HDL. Based on Bioloid company production of intelligent servo steering gear of AX - 12 six-legged robot architecture, using Nios II embedded processor in FPGA to complete various actions. Hardware configuration realized by using the Quartus II software, and use the Quartus II SOPC Builer framework of SOPC system, realized the configuration of The Nios II processor, SDRAM controller, EPCS controller, PLL, 232UART, and so on. The software development process of Hexapod bionic robot is writing hardware drivers and application program with Eclipse (EDS) and Nios II 9.1 Software. Given topic preliminary basis work, the design has realized the hexapod bionic robot embedded control system, and the whole experiment. The experimental results show that the robot to achieve single flexible control of the steering gear and coordinated control with serval servos, obstacle avoidance and detection of the external environment, steady walk , the design rechieved the expected requirements.

Keywords: Hexapod; bionic robot; control; FPGA; SOPC

目录

第一章绪论............................................. - 1 -1.1课题来源及背景.................................................. - 1 -1.2课题的研究目的及意义............................................ - 1 -1.3国内外六足仿生机器人控制系统研究现状............................ - 1 -1.4课题研究内容和主要工作.......................................... - 2 -1.5 小结 ........................................................... - 2 -第二章六足仿生机器人控制系统总体设计..................... - 3 -2.1 引言 ........................................................... - 3 -2.2 六足仿生机器人结构 ............................................. - 3 -2.3机器人步态产生.................................................. - 4 -2.4 六足仿生机器人舵机选择 ......................................... - 4 -2.5 AX-12舵机介绍.................................................. - 4 -2.5.1 AX-12 数字舵机概述及特性 ..................................... - 4 -2.5.2 AX-12 舵机通信协议 ........................................... - 5 -2.6 六足仿生机器人控制系统 ......................................... - 6 -2.7 嵌入式控制系统硬件选择 ......................................... - 7 -2.8 嵌入式控制系统软件选择 ......................................... - 8 -2.9 小结 ........................................................... - 8 -第 3 章嵌入式控制系统硬件设计 ........................... - 9 -3.1 引言 ........................................................... - 9 -3.2 六足仿生机器人嵌入式控制系统硬件结构 ........................... - 9 -3.3 FPGA开发板结构和外围接口资源.................................. - 10 -3.3.1 睿智 FPGA 开发板硬件资源 .................................... - 10 -3.3.2 设计用到的板载接口资源电路 .................................. - 11 -3.4 建立 Quartus II 工程 .......................................... - 14 -3.5 SOPC设计...................................................... - 14 -3.5.1 SDRAM 控制器配置 ............................................ - 15 -

3.5.2建立 EPCS模块 ............................................... - 15 -3.5.3构建 CPU 模块................................................ - 15 -3.5.4 232UART、PLL及JTAG UART配置................................ - 16 -3.5.5 Timer、PIO及系统 ID 配置.................................... - 16 -3.5.6 生成SOPC系统 ............................................... - 17 -3.6用verilog例化 NIOS II 工程.................................... - 18 -3.7 分配引脚与编译下载 ............................................ - 21 -3.8 小结 .......................................................... - 22 -第 4 章六足仿生机器人嵌入式控制系统软件设计............. - 23 -

4.1 引言 .......................................................... - 23 -4.2 NIOS II EDS 软件开发平台 ...................................... - 23 -4.3 单舵机控制 .................................................... - 24 -4.4 多舵机协调控制 ................................................ - 26 -4.5 用串口调试助手测试串口 ........................................ - 31 -第 5 章结论与展望...................................... - 33 -

5.1 引言 .......................................................... - 33 -5.2作者的工作..................................................... - 33 -5.2 未来发展 ...................................................... - 33 -致谢 ...................................................................................................................... - 36 -参考文献 ................................................................................................................. - 37 -

第一章绪论

1.1课题来源及背景

课题来源于南京林业大学引进高层次人才和高层次留学回国人员科研基金项目“多功能移动智能机器人系统实现的研究”课题。在众多的生物群体之中，占动物种数80%以上的节肢动物，以其复杂精妙的肢体结构、简易灵巧的运动控制策略和顽强的生命力，占据了陆地上的所有生境，成为重要的仿生资源。依据仿生学理论，借鉴多足昆虫的肢体结构和运动控制策略，开发多足仿生机器人来进行结构、运动、感知及控制研究，成为六足仿生移动机器人技术的重要研究方向。六足仿生机器人的优点使其尤为适合在复杂的自然环境中执行野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的任务[7]。

现场可编程门阵列(FPGA-Field Programmable Gate Array)是近年来发展迅速的大规模可编程逻辑器件，具有设计周期短、片内资源丰富、可无限次加载和现场可编程等特点[3]。在FPGA 上实现嵌入式控制器是一种介于专用集成电路(ASIC)和通用处理器之间的方案，具有电子产品的高速度、高可靠性、小型化、集成化、低功耗、保密性能好、具有自主知识产权、产品上市快等优势。因此，从仿生学、仿生运动控制系统等方面提出“基于FPGA的六足仿生机器人嵌入式控制系统”研究[4]。

1.2课题的研究目的及意义

目前，机器人控制器主要通过单片机来实现。但是，单片机是基于顺序语言的，其描述过程繁琐,处理速度受单片机时钟频率的限制，难于实现高速实时控制,并且外围电路复杂，不易在线修改。利用现场可编程门阵列(FPGA)器件实现六足仿生机器人控制系统则集成度高、高速、高效率,易于现场重新编程，实现多重配置,对仿生六足机器人的单电机控制、腿控制和步态规划的实现具有重要的意义和实际价值[2]。

1.3国内外六足仿生机器人控制系统研究现状

随着科技的进一步发展，足式机器人的应用越来越广泛，现代足式机器人不但具有良好的运动能力，还具有了高平衡性的越障和爬坡能力，为人类进行星球探索、能量补充、人类救援等高危险任务提供良好的保障。1.国内现状:我国对足

式机器人的控制系统研究相较与国外起步比较晚，主要起步于八十年代，在上海交通大学、北京理工大学、燕山大学等均展开过研究工作，并取得一定的成果。

2.国外现状：国外足式机器人研究起步早，发展也比较迅速，其中波士顿动力学工程公司研制出一种能在战场上帮助士兵驮东西的机器狗一BigDog代表了当今世界足式机器人的最高水平[5]。经过50多年的发展，足式机器人已经发展出了多种类，多样式的机器人，有二足、四足、六足、八足机器人，其中四足和六足机器人最受研究人员的青睐。

1.4课题研究内容和主要工作

以仿生六足甲虫为研究对象，进行六足仿生机器人控制系统的研究。

（1）基于仿生学原理，以六足甲虫的结构和运动特性为对象，进行六足仿生机器人的整体结构设计和步态分析；

（2）根据机器人控制系统的要求，进行硬件控制器选型和软件系统的选型及设计；

（3）系统内核配置及相关外围电路配置和设计；

（4）设计串口通信舵机控制、机器人行等功能，并编写相应软件程序；

（5）实现机器人单腿多关节控制及六足协调控制；

（6）对机器人进行实验验证，并分析总结。

1.5 小结

绪论主要阐述了课题的来源和课题的研究目的及其意义，详细综述了国内外六足仿生机器人控制系统研究现状，给出了课题的研究内容和主要工作。

第二章六足仿生机器人控制系统总体设计

2.1 引言

根据机器人减灾救援的设计思想，为了是机器人有能适应各种复杂的环境的运动系统和完整的控制系统，既要安全又能友好的和人协作。本机器人系统主要包括以下几个部分：

机体结构：实现机器人灵活运动的机构；

运动方式：实现机器人直行和左右转弯；

驱动系统：实现机器人运动控制的核心部分；

控制系统：实时处理感知系统反馈信息的输入，并按照反馈的信息指示驱动系统动作，机体执行相应的动作[17]。

在对机器人进行嵌入式设计之前，要多控制系统进行硬件选型和软件选择。

2.2 六足仿生机器人结构

六足甲虫基本组成分躯体和足两部分，基于仿生学原理六足仿生机器人也由躯体和足两部分组成，采用正相对称分布。以甲虫躯体结构和腿部结构为模型，开发的六足仿生机器人结构图和机器人腿部结构如图2-1 和图2-2 所示。六足机器人躯干与各肢体的连接关节设计为椭圆形，椭圆形肢体分布具有优势，一是减少腿间运动干涉的发生概率，二是能够增加步行的稳定性。

图 2-1整体结构图图 2-2 单腿结构图图 2-3 腿部实体模型Fig.2-1 Overall structure Fig.2-4 Single leg structure Fig.2-5 Solid model of leg

六足仿生机器人结构采用以中轴对称的八边形设计，两边均匀分布 3 条腿，每条腿有三个自由度，一个沿垂直轴水平运动、两个沿水平轴垂直运动。机器人每条腿有三个关节。共有18 个自由度，机器人由18 个伺服舵机组成。每条腿 3

个舵机。机器人腿结构腿部实体模型如图2-3 所示。

2.3机器人步态产生

六足机器人大多运用仿生学方法，采用爬行的行走方式，其步态方式也很多，常见的三种步态分别是二步态、三步态、六步态。课题采用直行时用三步态行走，转弯时用六步态转弯。

图2-4三步态行走图2-5六步态行走

Fig．2—4 Three gait walking style Fig．2—5 Sixgait walking style

六足机器人的三步态行走方式摆腿顺序为153-246-153，如图2-4所示。六步态行走方式摆腿顺序为4-2 -6 -1-5-3-4-2-6，如图2-5所示。

2.4 六足仿生机器人舵机选择

机器人的运动控制常用的电机有直流电机、步进电机和舵机，课题考虑到经济性以及控制要求等，采用Dynamixel 系列AX-12 舵机，它是机器人专用的伺服电机。AX-12 舵机如图2-6 ，2-7所示。

图 2-6 Dynamixel AX-12 舵机

Fig.2-6 Dynamixel AX-12 Actuator

2.5 AX-12舵机介绍

2.5.1 AX-12 数字舵机概述及特性

AX-12 舵机是一款智能化、模块化的动力装置，主要由一个微处理器、一个精确的直流电机、齿轮减速器、位置传感器、温度传感器以及具备通讯功能的控制芯片等组成，其内部机械结构和电路控制如图2-10 所示。舵机能产生的最大扭矩为16.5 kgf·cm，材料坚固，保证承受极大外力必需的强度和韧性。工作时可反馈内部状况，例如内部温度或输入电压。位置和速度可设为1024 等分控制。

支持通讯速度最高达1Mbps。AX-12 数字舵机作为舵机用时，最大转角为300°，作为电机用时可以自由旋转，应用范围广；采用数字信号控制，控制起来更方便；每个舵机都拥有唯一的ID 号，采用网络驱动模式、Daisy 总线连接方式，可以多个网状串连控制，连接方便。它的具体参数如表2-2 所示。由于AX-12 内部配有一个ATmega8 微处理器，用来接收控制器发送的数据包，通过相应的处理后给伺服电机发送PWM 信号来控制电机的起停。因此，控制舵机实际上是去控制ATmega8，舵机的状态和参数都存储在ATmega8 的RAM 和EEPROM 相应的地址里，对舵机进行控制也就是对舵机的相应地址读和写数据的过程。因此，要了解舵机的通信协议[23]。

图 2-7 舵机内部结构和控制图

Fig.2-7 Internal structure and control charts of Actuator

2.5.2 AX-12 舵机通信协议

AX-12 Dynamixel 舵机内置有通信功能的芯片，所以要使舵机运行，主控制器必须具备合适TTL 电平的半双工异步串行通道。通过控制器向舵机发送动作控制指令及查询，等待动作执行结束后，继续发送下一条动作控制指令。因为控制板的UART 接口是全双工标准的接口，而AX-12 Dynamixel 舵机的通信方式为UART 半双工信号，所以主控制器要转换UART 信号为半双工信号，需要搭建一个全双工转半双工的电路，电路图如图2-11所示。把UART 信号转换为半双工信号也可直接使用RS485。设计直接采用RS485 通信。

图 2-8全双工转半双工的电路原理图

Fig.2-8 Circuit Schematic of Full-duplex to Half – duplex

AX-12 Dynamixel 能接收主控制器发送的“指令包”，并根据主控制器的要求反馈回传“状态包”。AX-12 Dynamixel 规定能接收的“指令包”结构如下：0XFF 0XFF ID Length Instrction Parameter1… ParameterN Checksum

0XFF 0XFF 2 个0XFF 表示开始传送指令包。

ID 每个舵机对应唯一ID。可连接254 个ID，范围从0X00 至0XFD。

Length 指令包的长度，该值表示为“参数个数（N）+2”。

Instruction 要求舵机执行的指令。如表2-3 所示。

ParameterN 除指令本身之外，如果还有附加信息需要传送，用该值表示。

Checksum “校验码”的计算方法如下：

CheckSum = ~（ID + Length + Instruction + Parameter1 + …+ Parameter N）如果计算结果大于255，则后面字节的值设为校验码的值。“~”表示非逻辑运算。

AX-12 Dynamixel 规定反馈的“状态包”结构如下：

0XFF 0XFF ID Length Error Parameter1 Parameter2…ParameterN Checksum

Error 为反馈的错误信息。

2.6 六足仿生机器人控制系统

图 2-9 控制系统设计框图

Fig.2-9 Design digram of control system

方案以微控制器为核心，分模块化设计，各子模块功能如下：

(1)微处理器模块：是控制系统的核心，包括微控制器及其相关外围电路，主要进行各种信息、数据的处理，协调系统中各功能模块完成预定的任务；

(2)驱动模块：控制机器人系统中的舵机和传感器模块，实现舵机速度和位置的控制，完成直行、转弯等动作；

(3)电源模块：负责整个六足仿生机器人的电源供给，使系统能离线运动，主要由12V蓄电池及相关调压稳压电路组成；

(4)串口通信模块：根据串口通信标准与上位机进行串口通信；

(5)JTAG 模块：可以实现在线编程、调试仿真。

2.7 嵌入式控制系统硬件选择

机器人设计和研究中，国内外普遍采用微控制器（MCU）、微处理器（MPU）、数字信号处理器（DSP）以及片上系统（SOC）作为机器人的主控制器[55]。微控制器有ARM，DSP，FPGA 等。不同的处理器针对不同的应用场合。ARM(Advanced RISC Machines)是面向低预算市场设计的第一款RISC 微处理器。ARM处理器本身是32 位设计，但也配备16 位指令集。一般来讲比等价32 位代码节省达35%，却能保留32 位系统的所有优势。在控制领域具有较大的优势，尤其在操作系统运行、事务管理以及界面显示与应用程序方面具有较大优势。DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0 或 1 的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。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。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，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。利用现场可编程门阵列(FPGA)器件实现机器人控制系统，集成度高，高速、高效率，易于现场重新编程，实现多重配置，可以把其它控制模块集成在FPGA 中，体积小、可靠性高，整个控制系统由硬件实现。综合以上各微控制器的特点、应用场合等因素后，主控制器核心选用FPGA 作为主控制芯片。Cyclone II 器件支持Nios II 嵌入式处理器，这样可以帮助用户更好的执行个性化的嵌入式处理方案。Cyclone II 器件还具有可扩展外设、存储器、I/O、或嵌入式处理器的性能。用户可以在Cyclone II 设备中设计单个或多个Nios II 嵌入式处理器，来提供额外的协作处理的能力，甚至替代当前的嵌入式处理器。使用基于Cyclone II 的低成本、高性能Nios II 嵌入式处理方案，可以延长产品寿命周期并加速产品的上市时间。设计选用 Altera公司的 Cyclone II 系列的

EP2C8Q208 作为主控制芯片，芯片价格便宜，性能优越[13]。

2.8 嵌入式控制系统软件选择

Nios II 系列软核处理器是 Altera 的第二代 FPGA 嵌入式处理器，32 位RSIC 嵌入式处理器,其性能超过 200DMIPS，在 Altera FPGA 中实现仅需 35 美分。Nios Ⅱ处理器具有完善的软件开发套件，包括编译器、集成开发环境（IDE）、JTAG 调试器、实时操作系统（RTOS）和 TCP/IP 协议栈。使用 Nios Ⅱ软件开发工具能够为 Nios Ⅱ系统构建软件，即一键式自动生成适用于系统硬件的专用

C/C++运行环境。Nios Ⅱ集成开发环境（IDE）提供了许多软件模板，简化了项目设置。此外，Nios Ⅱ开发套件包括两个第三方实时操作系统（RTOS）—MicroC/OS-Ⅱ（Micrium），Nucleus Plus(ATI/Mentor）以及供网络应用使用的 TCP/IP协议栈。设计者能够用 Altera Quartus Ⅱ开发软件中的 SOPC Builder 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统，并能够根据系统的需求添加 NiosⅡ处理器核的数量。SOPC（System-on-a-Programmable-Chip），即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作 SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

2.9 小结

设计了六足机器人的整体及腿部结构，介绍了六足机器人的步态，详细分析的AX-12舵机的工作原理及特性。介绍了六足仿生机器人嵌入式控制系统的硬件选型和软件选型，并对基于 FPGA 的嵌入式控制系统进行了设计。六足仿生机器人嵌入式控制系统采用 FPGA 作为主控制芯片内嵌 NIOS II 软核处理器，使用硬件开发工具 Quartus II 中的 SOPC Builer 构架 SOPC 系统。软件开发工具使用NIOS II EDS。

第 3 章嵌入式控制系统硬件设计

3.1 引言

控制系统的硬件设计包括微控制器的外围电路设计，驱动模块电路设计，电源模块设及，以及微控制器的设计。硬件设计设计到很多元器件，需要参考用到的元器件手册。

3.2 六足仿生机器人嵌入式控制系统硬件结构

确定控制系统硬件选型之后，就要对控制系统硬件结构进行设计，六足仿生机器人嵌入式控制系统结构如图 3-1 所示。

图 3-1 六足仿生机器人控制系统

Fig.3-1 Hexapod bionic robot control system 上图中半双工通信直接用 RS232 转换成 RS485 来实现。根据六足仿生机器

图 3-2 六足仿生机器人 FPGA 设计架构

Fig.3-2 Hexapod bionic robot design architecture of FPGA

人控制系统要求，设计 FPGA 架构如图 3-2 所示。

3.3 FPGA开发板结构和外围接口资源

3.3.1 睿智 FPGA 开发板硬件资源

设计采用睿智FPGA开发板来实现六足机器人的控制系统，开发板FPGA芯片为Altera的CycloneⅡ系列的EP2C8Q。该开发板有丰富的外围接口资源，可实现各种操作，开发板实物图如图3-3所示。

图 3-3 睿智FPGA开发板

Fig.3-3 RuiZhi controller board

睿智FPGA开发板包括核心板和接口板，核心板资源包括：

FPGA 主芯片采用 Altera 公司高性价比 FPGA：CycloneII 系列

EP2C8Q208C8N板载 EPCS4N 或 EPCS16N 串行配置芯片，同时支持 JTAG 和 AS 模式；

采用 64Mbit 的 SDRAM，足够胜任 NIOSII 设计；

板载 50MHz 有源晶振，提供系统工作主时钟；

采用大功率 LDO 电源管理芯片 1085‐3.3V，最大支持 3A 的 3.3V 电压出；

采用 1117‐1.2V 稳压芯片，提供 FPGA 内核电压；

精心的去耦设计，采用大量去耦电容，PLL 电源采用 PI 型滤波；

提供双 5V 直流电源插座，方便核心板单独使用和套装使用；

红色电源指示灯及 IN5819 高速肖特基二极管，防止电源反接；

自锁按键电源开关；

一个系统复位按键 Reset，也可做为用户输入按键；

重配置按键及配置成功指示灯；

所有输入输出口精心设计分配，使用 3 个扩展接口插座，通用 2.54mm 间距；

JTAG下载接口，对应下载的文件是SOF文件，速度快，JTAG将程序直接下载到FPGA 中，但是掉电程序丢失，平时学习推荐使用 JTAG 方式，最后固化程序的时候再通过 AS 方式将程序下载到配置芯片中即可；

AS 下载接口，对应下载的是 POF 文件，速度相对较慢，需要重新上电并且拔掉下载线，才能工作，操作相对麻烦，不推荐学习的时候使用。

接口板资源包括：

DC5V 接口及红色 LED 电源指示灯；

板载 8 个独立按键，可做按键控制，数字逻辑基础实验等；

板载 8 位 LED 发光二极管，做数字逻辑基础流水，显示等实验；

板载 8 位数码管，做动态或静态数码管显示实验，频率计，秒表等；

板载 4 位拨码开关，可做开关控制等实验；

板载 1 位蜂鸣器，可用作发声及音乐实验；

设有 LCD1602 液晶屏接口，做字符显示实验（不包括 LCD）；

设有 LCD12864 液晶屏接口，做汉字、字符等显示实验(不包括 LCD）；

RS232 串口，可做串口通讯实验；

PS2 接口，可做 PS/2 键盘实验；

具有温度传感器接口（标配不带温传元件），可以做温度计实验；

TLC549 AD 转换器，可以做电压表等实验；

TLC5620 DA 转换器，可做 DA 输出控制实验；

256 色 VGA 接口，可做显示器实验等；

32.768KHz 基准晶振；

TL431，可作为 2.5V 电压基准源，

可调电位器，调节 DA 值；

I2C 串行 EEPROMAT24C08，做 IIC 总线实验；

PCF8563T 实时时钟[14]。

3.3.2 设计用到的板载接口资源电路

（1）存储器 SDRAM 电路

核心板选用的 SDRAM 芯片是 HY57V641620FTP 为 64Mbit 容量，地址为

A0~A11，SDRAM的电源部分使用多个 104 电容进行了滤波处理，保证了芯片工作的电源稳定性。SDRAM 部分原理图如图3-4 所示：

图3-4 SDRAM原理图

Fig.3-4 Schematic of SDRAM

(2) 电源电路

电源是保证整个开发系统正常工作最重要的部分。核心板外部输入 5V 电源，经过1085‐3.3V 稳压后输出 3.3V，3.3V 主要用于给 FPGA 所有 IO 口，核心板存储器电路、串行配置器件、复位电路和 LED 等供电。然后 3.3V 送给 1117‐1.2V 稳压，提供 FPGA 的内部核工

图3-5 电源电路原理图

Fig.3-5 Schematic of power connector

作，以及锁相环部分电源工作。D1 为电源工作指示灯，在核心板的左上角，D0 为 1N5819，高速肖特基二极管，防止电源接反；同时各电源输入及输出部分设计了高质量钽电容用作电源滤波处理，提高系统电源稳定性。电源部分的原理图如图 3-5 所示。

（3）配置电路

这部分包括 JTAG 以及 AS 接口设计及 EPCS4 或 EPCS16 配置芯片，同时加入了下载指示电路，指示为绿色或红色 LED 灯，下载的时候，该指示灯会亮，设计了重配置按键，可以不用断电直接重新配置 FPGA。下载配置及指示电路如图3-6 所示。

图 3-6 下载配置及指示电路

Fig.3-6 Schematic of EPCS4SI8 circuit and download circuit

图 3-7 时钟及复位电路

Fig.3-7 Schematic of clock circuit

（4）时钟和复位电路

开发板采用 50M 有源贴片晶体为系统提供运行时钟，时钟部分电路电源经过π形滤波处理，工作更加稳定可靠。时钟和复位电路电路如图 3-7 所示。

（5）按键电路

接口板上具有 8 个独立按键，电路如图 3-8所示，对于按键电路部分，如果输出低电平，则表示按键按下。电路中电阻 RP3,RP4 均为保护作用，以防止FPGA 芯片IO 设为输出且为高电平时，在按键按下时直接对地短路。

图3-8 按键电路图3-9 RS-232 电路

Fig.3-8 Schematic of key Fig.3-9 Schematic of RS-232

（6）RS232 串口电路

RS232 串口电路如图 3-9所示，由于是 3.3V 系统，所以使用了 max3232 进行 RS232 电平转换，同时，还有两个 LED 用于指示串口的工作状态[18]。

3.4 建立 Quartus II 工程

Quartus II 软件是对FPGA控制系统进行硬件设计的软件，它支持VHDL输入，Verilog输入以及原理图输入。在Quartus II 下新建工程名为 jqr_prj的工程，工程名以及工程文件所在的相关路径要使用英文字母、阿拉伯数字或者下划线进行组合，工程名不能有空格，否则编译的时候可能会出错。工程名建好后进行 FPGA 器件选择，选择 Cyclone II 系列的 EP2C8Q208C8，其他选择默认设置，完成 Quartus II 工程的新建。在工程下新建 verilog 工程文件并命名为jqr_prj.v，保存并设置为工程顶层文件。完成的 QuartusII 工程如图 3-10 所示。

图 3-10 Quartus II 工程图

Fig.3-10 Quartus II engineering

3.5 SOPC设计

打开SOPC Builder，新建一个硬件系统，命名为jqr_nios2_sys。接下来需要给NIOSⅡ添加相应的组件。课题设计 SOPC 系统框图如图 3-11所示。

3.5.1 SDRAM 控制器配置

SDRAM芯片引脚包括芯片的时钟接口（clk）、时钟屏蔽接口（cke）、地址总线（addr）、块选择信号（ba）、片选信号（cs）、行选通信号（ras）、列选通信号（cas）、写选通信号（we）、数据字节屏蔽信号（dqm）、数据总线（dq）。

图 3-11 SOPC 系统框图

Fig.3-11 SOPC system block diagram

在Component Library 中选中 Memories and Memory Controllers 添加SDRAM 控制器组件。并按下下图所示配置SDRAM参数。

3.5.2建立 EPCS模块

双击组件库里EPCS Serial Flash Controller，添加EPCS控制器组件，所有设置均使用默认设置，系统会自动为EPCS分配引脚和地址。

3.5.3构建 CPU 模块

双击组件库里的 NIOS II Processor，对nios处理器进行配置，处理器选择 Nios II/f，功能和速度都可以得到满足。在Cachs and Memory Interfaces 里更改指令缓存（Instruction Cache）为 4Kbyte,其他配置如图3-13所示。配置好后更改模块名为cpu完成处理器配置。