EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)：賦能電子設計和嵌入式開發(fā)
2024-07-16 06:36引言
隨著科技的飛速發(fā)展，電子產品的種類和功能日益豐富，從智能手機、平板電腦到智能家居、無人駕駛汽車等。這些產品背后的技術支持是電子設計自動化(EDA)和實時嵌入式系統(tǒng)(SOPC)技術。
一、EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)簡介
1. 什么是EDA?
EDA(Electronic Design Automation,電子設計自動化)是一種利用計算機輔助設計(CAD)技術進行電子系統(tǒng)設計的工程方法。它包括從方案設計、原理圖繪制、PCB布局、仿真到器件選型等一系列環(huán)節(jié)，旨在提高電子系統(tǒng)設計的效率和質量。
2. 什么是SOPC?
SOPC(Real-Time Operating Complex,實時嵌入式系統(tǒng))是一種在實時操作系統(tǒng)下實現(xiàn)復雜嵌入式系統(tǒng)功能的技術。它允許開發(fā)者在一個芯片上集成多個處理器、外設和軟件模塊，實現(xiàn)高度集成的硬件和軟件解決方案。
3. EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的作用
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)將EDA和SOPC技術相結合，為電子設計和實時嵌入式開發(fā)提供了一個集成化、高效化的實驗平臺。通過這個平臺，學生可以更直觀地了解電子系統(tǒng)的設計過程，掌握相關的理論知識和實踐技能。同時，該系統(tǒng)還可以幫助教師進行教學管理和評估，提高教學質量。
二、EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的原理與功能
1. 原理
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)基于EDA軟件(如Altium Designer、Cadence Allegro等)和SOPC芯片(如STM32、NXP i.MX系列等)構建，采用跨平臺的開發(fā)環(huán)境，支持多種編程語言和開發(fā)工具。用戶可以在該系統(tǒng)中完成從電路設計方案到系統(tǒng)集成、調試和優(yōu)化的整個過程。
2. 功能
(1)電路設計與仿真：用戶可以在實驗系統(tǒng)中搭建電路原型，進行原理圖繪制、元器件選擇和PCB布局等工作。同時，還可以利用各種仿真工具對電路性能進行分析和驗證。
(2)實時嵌入式開發(fā)：實驗系統(tǒng)支持多種實時操作系統(tǒng)(如FreeRTOS、uCOS-II等),用戶可以在其上編寫實時應用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制邏輯等功能。此外，實驗系統(tǒng)還提供了一系列針對SOPC芯片的驅動程序和接口庫，方便用戶進行硬件操作和管理。
(3)系統(tǒng)集成與調試：用戶可以將電路設計方案導入實驗系統(tǒng)，進行系統(tǒng)集成和調試工作。通過對各個模塊的測試和優(yōu)化，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
三、EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的應用領域與發(fā)展展望
1. 應用領域
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)主要應用于電子設計教育、科研和工程開發(fā)等領域。例如，在電子信息類專業(yè)的教學中，教師可以利用該系統(tǒng)為學生提供豐富的實踐資源，培養(yǎng)學生的實際操作能力和創(chuàng)新精神；在科研機構中，研究人員可以利用該系統(tǒng)開展前沿技術研究，推動行業(yè)發(fā)展；在企業(yè)中，工程師可以利用該系統(tǒng)快速開發(fā)新產品，提高競爭力。
(參考圖)
隨著科技的飛速發(fā)展，電子產品的種類和功能日益豐富，從智能手機、平板電腦到智能家居、無人駕駛汽車等。這些產品背后的技術支持是電子設計自動化(EDA)和實時嵌入式系統(tǒng)(SOPC)技術。
1. 什么是EDA?
EDA(Electronic Design Automation,電子設計自動化)是一種利用計算機輔助設計(CAD)技術進行電子系統(tǒng)設計的工程方法。它包括從方案設計、原理圖繪制、PCB布局、仿真到器件選型等一系列環(huán)節(jié)，旨在提高電子系統(tǒng)設計的效率和質量。
2. 什么是SOPC?
SOPC(Real-Time Operating Complex,實時嵌入式系統(tǒng))是一種在實時操作系統(tǒng)下實現(xiàn)復雜嵌入式系統(tǒng)功能的技術。它允許開發(fā)者在一個芯片上集成多個處理器、外設和軟件模塊，實現(xiàn)高度集成的硬件和軟件解決方案。
3. EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的作用
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)將EDA和SOPC技術相結合，為電子設計和實時嵌入式開發(fā)提供了一個集成化、高效化的實驗平臺。通過這個平臺，學生可以更直觀地了解電子系統(tǒng)的設計過程，掌握相關的理論知識和實踐技能。同時，該系統(tǒng)還可以幫助教師進行教學管理和評估，提高教學質量。
二、EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的原理與功能
1. 原理
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)基于EDA軟件(如Altium Designer、Cadence Allegro等)和SOPC芯片(如STM32、NXP i.MX系列等)構建，采用跨平臺的開發(fā)環(huán)境，支持多種編程語言和開發(fā)工具。用戶可以在該系統(tǒng)中完成從電路設計方案到系統(tǒng)集成、調試和優(yōu)化的整個過程。
2. 功能
(1)電路設計與仿真：用戶可以在實驗系統(tǒng)中搭建電路原型，進行原理圖繪制、元器件選擇和PCB布局等工作。同時，還可以利用各種仿真工具對電路性能進行分析和驗證。
(2)實時嵌入式開發(fā)：實驗系統(tǒng)支持多種實時操作系統(tǒng)(如FreeRTOS、uCOS-II等),用戶可以在其上編寫實時應用程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制邏輯等功能。此外，實驗系統(tǒng)還提供了一系列針對SOPC芯片的驅動程序和接口庫，方便用戶進行硬件操作和管理。
(3)系統(tǒng)集成與調試：用戶可以將電路設計方案導入實驗系統(tǒng)，進行系統(tǒng)集成和調試工作。通過對各個模塊的測試和優(yōu)化，確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
三、EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)的應用領域與發(fā)展展望
1. 應用領域
EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)主要應用于電子設計教育、科研和工程開發(fā)等領域。例如，在電子信息類專業(yè)的教學中，教師可以利用該系統(tǒng)為學生提供豐富的實踐資源，培養(yǎng)學生的實際操作能力和創(chuàng)新精神；在科研機構中，研究人員可以利用該系統(tǒng)開展前沿技術研究，推動行業(yè)發(fā)展；在企業(yè)中，工程師可以利用該系統(tǒng)快速開發(fā)新產品，提高競爭力。
DB-E803 EDA/SOPC綜合實驗系統(tǒng)
(參考圖)
EDA/SOPC系統(tǒng)綜合開發(fā)平臺是一款基于Altera公司最新的CycloneIII/IV/V 系列 FPGA的高端實驗開發(fā)平臺。獨有的GUI人機操作界面、采用系統(tǒng)底板+核心板+擴展板的靈活設計，并配備有多種擴展模塊供用戶自行選擇配置。
開發(fā)平臺采用系統(tǒng)底板+核心板+擴展板的設計方法，通過選擇不同的核心板和擴展板構成不同功能的開發(fā)平臺。能最大限度的滿足用戶的性能需求。模塊化的設計能使用戶對系統(tǒng)設計有清晰的認識。
開發(fā)平臺硬件資源
FPGA-4C10 FPGA核心板
核心板采用6層高精度PCB設計，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠。
主芯片采用Altera公司的CycloneIV系列級FPGA EP4CE10F17C8N，門電路高達100萬門。
FPGA配置芯片采用EPCS16，容量高達16M BIT，擦寫次數(shù)高達上萬次。
提供JTAG編程模式。
核心板與系統(tǒng)板連接后，板載USB-Blaster電纜；只需要一根USB線就可以對核心板進行程序下載。
一路50M高速、穩(wěn)定的時鐘源。
一路系統(tǒng)復位電路。
系統(tǒng)電源管理模塊能夠提供+5V、+3.3V、+2.5V、1.2V等多種不同電壓的電源輸出供系統(tǒng)使用。
一路16M*16BIT SDRAM。
系統(tǒng)提供四位帶LED燈的復位按鍵。
核心板提供與核心板其它資源不復用的130個以上的IO供用戶二次開發(fā)使用。
EDA/SOPC系統(tǒng)板
標配854*480 24位 TFT彩色串行LCD顯示。用戶可更換不同規(guī)格的顯示屏。
與屏配套標配電容觸摸屏。
1個模擬信號發(fā)生器模塊，可提供頻率、幅度均可調的正弦波、三角波、方波等信號波形。
1個數(shù)字時鐘輸出模塊，可提供24M至1HZ的數(shù)字脈沖信號。
1個8位高速并行ADC接口模塊，速度高達40 Msps。
1個8位高速并行DAC接口模塊速度高達33 Msps。
1個串行A/D轉換接口。
1個串行D/A轉換接口。
1個VGA接口模塊。
1個UART串行通迅模塊。
1個USB轉串口設備接口。
1個Ethernet10M/100M高速接口模塊。
1個SD卡接口模塊
2個PS2接口模塊，可以接鍵盤或鼠標。
1個I2C接口的E2PROM，型號為AT24C08N。
1個音頻CODEC模塊（喇叭、蜂鳴器可選擇，音量可調節(jié)）。
1個RTC實時時鐘芯片，具有時鐘掉電保護、電池在線式充電功能。
12個撥動開關和12個按鍵開關輸入。
12個發(fā)光LED顯示。
1個八位七段碼管顯示模塊。
2位靜態(tài)數(shù)碼管顯示模塊。
16x16矩陣led點陣顯示模塊。
4X4矩陣鍵輸入模塊
1個電壓控制的直流電機和1個四相的步進電機模塊。
1個數(shù)字溫度傳感和1個霍爾傳感器模塊。
HH—EXT高速接口模塊。
多路電源輸出（均帶過流、過壓保護）。
示例實驗
EDA實驗與電子設計競賽實驗內容：
簡單的QUARTUSII實例設計
格雷碼編碼器的設計
含異步清零和使能的加法計數(shù)器
八位七段數(shù)碼管顯示電路的設計
數(shù)控分頻器的設計
圖形和語言混合輸入電路設計
步長可變的加減計數(shù)器的設計
四位并行乘法器的設計
設計四位全加器
可控脈沖發(fā)生器的設計
基本觸發(fā)器的設計
矩陣鍵盤顯示電路的設計
16*16點陣顯示實驗
直流電機的測速實驗
步進電機驅動控制
交通燈實驗
DDS信號發(fā)生器的設計
電子音樂設計實驗
PLL鎖相環(huán)IP設計實驗
PS2接口鍵盤顯示實驗
VGA彩條信號發(fā)生器的設計
七人表決器設計實驗
四人搶答器設計實驗
正負脈寬調制信號發(fā)生器設計
數(shù)字頻率計的設計
多功能數(shù)字鐘的設計
數(shù)字秒表的設計
出租車計費器的設計
數(shù)碼鎖的設計
PS2鼠標編碼設計
SPI串行AD/DA轉換器的設計
1602液晶顯示實驗
Qsys 32位處理器示例實驗
最簡單Qsys系統(tǒng)設計
PIO IP核-流水燈實驗
SDRAM IP核的系統(tǒng)設計
SPI Flash編程實驗
PIO輸入-開關信號的讀取實驗
PIO IP核-中斷
基于Timer IP核的定時器的設計
矩陣鍵盤與數(shù)碼管顯示實驗
UART串口通迅實驗
基于IIC的EEPROM讀寫實驗
SDRAM讀寫操作實驗
1602液晶顯示實驗
RTC實時時鐘實驗
串行AD/DA-SPI核
信號發(fā)生器-SPI核
1-WIRE數(shù)字溫度計的設計
點陣字符顯示實驗
讀SD卡實驗
開發(fā)平臺采用系統(tǒng)底板+核心板+擴展板的設計方法，通過選擇不同的核心板和擴展板構成不同功能的開發(fā)平臺。能最大限度的滿足用戶的性能需求。模塊化的設計能使用戶對系統(tǒng)設計有清晰的認識。
開發(fā)平臺硬件資源
FPGA-4C10 FPGA核心板
核心板采用6層高精度PCB設計，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠。
主芯片采用Altera公司的CycloneIV系列級FPGA EP4CE10F17C8N，門電路高達100萬門。
FPGA配置芯片采用EPCS16，容量高達16M BIT，擦寫次數(shù)高達上萬次。
提供JTAG編程模式。
核心板與系統(tǒng)板連接后，板載USB-Blaster電纜；只需要一根USB線就可以對核心板進行程序下載。
一路50M高速、穩(wěn)定的時鐘源。
一路系統(tǒng)復位電路。
系統(tǒng)電源管理模塊能夠提供+5V、+3.3V、+2.5V、1.2V等多種不同電壓的電源輸出供系統(tǒng)使用。
一路16M*16BIT SDRAM。
系統(tǒng)提供四位帶LED燈的復位按鍵。
核心板提供與核心板其它資源不復用的130個以上的IO供用戶二次開發(fā)使用。
EDA/SOPC系統(tǒng)板
標配854*480 24位 TFT彩色串行LCD顯示。用戶可更換不同規(guī)格的顯示屏。
與屏配套標配電容觸摸屏。
1個模擬信號發(fā)生器模塊，可提供頻率、幅度均可調的正弦波、三角波、方波等信號波形。
1個數(shù)字時鐘輸出模塊，可提供24M至1HZ的數(shù)字脈沖信號。
1個8位高速并行ADC接口模塊，速度高達40 Msps。
1個8位高速并行DAC接口模塊速度高達33 Msps。
1個串行A/D轉換接口。
1個串行D/A轉換接口。
1個VGA接口模塊。
1個UART串行通迅模塊。
1個USB轉串口設備接口。
1個Ethernet10M/100M高速接口模塊。
1個SD卡接口模塊
2個PS2接口模塊，可以接鍵盤或鼠標。
1個I2C接口的E2PROM，型號為AT24C08N。
1個音頻CODEC模塊（喇叭、蜂鳴器可選擇，音量可調節(jié)）。
1個RTC實時時鐘芯片，具有時鐘掉電保護、電池在線式充電功能。
12個撥動開關和12個按鍵開關輸入。
12個發(fā)光LED顯示。
1個八位七段碼管顯示模塊。
2位靜態(tài)數(shù)碼管顯示模塊。
16x16矩陣led點陣顯示模塊。
4X4矩陣鍵輸入模塊
1個電壓控制的直流電機和1個四相的步進電機模塊。
1個數(shù)字溫度傳感和1個霍爾傳感器模塊。
HH—EXT高速接口模塊。
多路電源輸出（均帶過流、過壓保護）。
示例實驗
EDA實驗與電子設計競賽實驗內容：
簡單的QUARTUSII實例設計
格雷碼編碼器的設計
含異步清零和使能的加法計數(shù)器
八位七段數(shù)碼管顯示電路的設計
數(shù)控分頻器的設計
圖形和語言混合輸入電路設計
步長可變的加減計數(shù)器的設計
四位并行乘法器的設計
設計四位全加器
可控脈沖發(fā)生器的設計
基本觸發(fā)器的設計
矩陣鍵盤顯示電路的設計
16*16點陣顯示實驗
直流電機的測速實驗
步進電機驅動控制
交通燈實驗
DDS信號發(fā)生器的設計
電子音樂設計實驗
PLL鎖相環(huán)IP設計實驗
PS2接口鍵盤顯示實驗
VGA彩條信號發(fā)生器的設計
七人表決器設計實驗
四人搶答器設計實驗
正負脈寬調制信號發(fā)生器設計
數(shù)字頻率計的設計
多功能數(shù)字鐘的設計
數(shù)字秒表的設計
出租車計費器的設計
數(shù)碼鎖的設計
PS2鼠標編碼設計
SPI串行AD/DA轉換器的設計
1602液晶顯示實驗
Qsys 32位處理器示例實驗
最簡單Qsys系統(tǒng)設計
PIO IP核-流水燈實驗
SDRAM IP核的系統(tǒng)設計
SPI Flash編程實驗
PIO輸入-開關信號的讀取實驗
PIO IP核-中斷
基于Timer IP核的定時器的設計
矩陣鍵盤與數(shù)碼管顯示實驗
UART串口通迅實驗
基于IIC的EEPROM讀寫實驗
SDRAM讀寫操作實驗
1602液晶顯示實驗
RTC實時時鐘實驗
串行AD/DA-SPI核
信號發(fā)生器-SPI核
1-WIRE數(shù)字溫度計的設計
點陣字符顯示實驗
讀SD卡實驗