摘要：現(xiàn)在市場上的各種電阻和電阻箱有不足之處,，不能滿足一些研發(fā)場所的要求,，為了解決這一問題，本文介紹一種基于FPGA的可直接輸入阻值提供不同電阻的設(shè)計方法,。FPGA通過控制繼電器的吸合，從而確定與其并聯(lián)的電阻的接入與否,，最后通過電阻的疊加得到不同阻值,。介紹了該設(shè)計的工作原理及軟件設(shè)計思想，并有部分仿真結(jié)果,。這種設(shè)計使用8421編碼原則和硬件描述語言,，減少了一些元器件的使用。相比于市場上的產(chǎn)品,，其穩(wěn)定性更高,，抗干擾性更強，體積也更小,，同時,，它的操作更簡便，顯示更直觀,。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列,；可編程；任意電阻


    電阻幾乎是所有電路中必不可少的部分,，常見的也有很多不同阻值的電阻,，然而在一些電路中同一位置不同時刻還需要不同阻值，在一些精度要求不高的場合,，可用滑動變阻器來實現(xiàn),，但是我們不能確定其具體阻值。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展,，為了滿足教學(xué)研某些場合的需要,，阻值確定并可調(diào)的電阻箱應(yīng)運而生。電阻箱提供阻值的原理是通過電阻的串并聯(lián)得到的不同阻值,，因而用到的電阻數(shù)量較多,，精度也不夠高，而且還需要對所需電阻的每一位數(shù)選擇相應(yīng)的檔位,，比較麻煩,，也不夠直觀,。而在一些生產(chǎn)應(yīng)用中(如產(chǎn)品校驗)需同時提供幾組不同電阻，且要重復(fù)提供(如做產(chǎn)品老化檢測實驗),，這就需要將該阻值記錄下來,，而以前的電阻箱都不具備記憶功能，不能滿足要求,。
    本文介紹了用FPGA來實現(xiàn)控制電阻的提供,，用軟件的方式來設(shè)計硬件，設(shè)計過程中可用有關(guān)軟件進行各種仿真,，同時整個系統(tǒng)可集成在一個芯片上,，體積小、功耗低,，可靠性高,，又因為其內(nèi)部有存儲單元，所以能夠滿足上述的“記憶”功能,。

1 硬件電路
    基于FPGA的可編程電阻系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)(如圖1所示)主要由以下幾個功能模塊組成：


1．1 主控制器FPGA
    FPGA(本設(shè)計中選用的是CyeloneII系列)控制中心是整個設(shè)計的核心,，主要控制實現(xiàn)對系統(tǒng)的鍵盤輸入進行處理，并根據(jù)輸入的信息轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)據(jù),，控制對應(yīng)的繼電器的吸合,，從而得到不同的阻值。
    以往可編程網(wǎng)絡(luò)的主控制器有采用數(shù)字電路控制的,，也有采用單片機控制的,，本電路采用FPGA控制。EPGA是近幾年來出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用的大規(guī)模集成電路器件,，它的特點是直接面向用戶,，具有極大的靈活性和通用性，使用方便,，硬件測試和實現(xiàn)快捷,，開發(fā)效率高，成本低,，上市時間短,，技術(shù)維護簡單，工作可靠性好等,。因而用來設(shè)計可編程電阻其靈活性更好,。
    目前市場上主要生產(chǎn)FPGA產(chǎn)品的公司有Lattice、Xilinx,、Altera,。在教學(xué)過程中，一般使用Altera公司生產(chǎn)的FLEX系列和 Cyclone系列較多。鑒于產(chǎn)品的成本和通用性考慮,，本實驗中采用CycloneII,，它是第二代低成本FPGA系列，它所擁有的獨特性能有：NiosII嵌入式處理
器支持,，嵌入式18*18數(shù)字信號處理乘法器,，中等容量的片內(nèi)存儲器(能夠滿足本設(shè)計的要求)中等速度的I／O引腳和存儲器接口。在性價比上更適合本設(shè)計,，所以在本設(shè)計中選用此系列,。
1．2 鍵盤輸入電路
    鍵盤輸入電路主要實現(xiàn)輸出電阻值大小的設(shè)定，本設(shè)計中采用的4*4簡易鍵盤輸入即可滿足要求,，可提供簡單明了的數(shù)字鍵和功能鍵共16個鍵,，包括：數(shù)字輸入鍵：數(shù)字鍵0～9，按下數(shù)字鍵,，輸入一個數(shù)字,，就可在對應(yīng)的數(shù)碼管上顯示。
    功能鍵：“電阻1”,、“電阻2”本設(shè)計可以同時提供兩組電阻，可以選擇電阻1,，也可以選擇電阻2,，提供一組電阻，也可以電阻1,、電阻2同時選擇提供兩組電阻,。
    “存儲”：每輸入完一個數(shù)字后按一下存儲鍵，以便能夠?qū)讉€數(shù)據(jù)存儲下來,，運行后將按數(shù)據(jù)存儲的先后順序及預(yù)置的時間工作,，循環(huán)提供數(shù)據(jù)。
    “運行”：此鍵作為存儲完數(shù)據(jù)后的啟動鍵,。
    “停止”：停止提供電阻,。
    “復(fù)位”：可作為修改數(shù)據(jù)時用，按此鍵后可以使以前存儲的數(shù)據(jù)都清零,，然后重置一組數(shù)據(jù),。
1．3 繼電器電阻網(wǎng)絡(luò)
    電阻網(wǎng)絡(luò)。其原理圖如圖2所示,，從圖中可以看出,，開關(guān)的閉合決定與其對應(yīng)的電阻的接入與否，本設(shè)計中采用8421編碼原理控制提各阻值,。


    本設(shè)計所供用的電阻要精確到0．1 Ω,，所以，此電阻網(wǎng)絡(luò)所使用的電阻都是精密電阻,。這里我們以提供電阻阻值在1500Ω以內(nèi)的電阻為例來說明,。此電阻網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)的方式來實現(xiàn),，8421編碼方式只要控制相應(yīng)的繼電器，將其對應(yīng)的精密電阻短接就可以實現(xiàn),。以1500 Ω以內(nèi)電阻為例,，只需16個電阻就可以滿足要求。通過控制繼電器J1至J16的斷開或閉合,，其對應(yīng)的電阻就會接入或斷開,，最后接入的電阻串聯(lián)相加就得輸出的電阻值。
    如通過鍵盤輸入一個預(yù)置值,，如果輸入的數(shù)值為545．7Ω,， 輸出的阻值大小就可以表示R=400+100+40+4+1+0．4+0．2+0．1。即只需將這些電阻需要接入,，相應(yīng)的繼電器J1,、J2、J3,、J5,、 J7、J11,、J13,、J15要斷開，其余的繼電器則閉合,，對應(yīng)的二進制代碼則為(0101 0100 0101 0111)B,，通過此列可以看出用16個電阻就可以實現(xiàn)1500Ω以內(nèi)的精度可達到O．1 Ω的任何電阻，使用電阻數(shù)量小,，通過程序來控制電阻的接入,，體積更小，同時,，維護起來也更加方便,，如果需要大于1500Ω的電阻，同樣可以根據(jù)此原理來增加電阻(如8000,、4000,、2000、1000等),，因為此設(shè)計中同時提供兩個電阻,，因而還要16個同樣的電阻，原理同上(根據(jù)不同場合如要提供三組或三組以上的電阻只需相應(yīng)增加即可),。
1．4 輸出顯示電路
    輸出顯示電路主要功能是實時顯示對應(yīng)的鍵盤輸入電阻值的大小,、當(dāng)前工作的步數(shù)和預(yù)置時間。根據(jù)要求，本實驗采用數(shù)碼管來顯示其阻值即可,，能夠滿足要求,，為了顯示以上數(shù)據(jù)，每個阻值的顯示至少需要九個數(shù)碼管,，其中五位用來顯示當(dāng)前阻值的大小,，兩位用來顯示當(dāng)前的工作步數(shù)，兩位用來顯示數(shù)據(jù)的工作時間,，如果采用靜態(tài)顯示控制將會需要相當(dāng)多的引腳端資源(9×2×8=144個),，為了減少對FPGA引腳資源的使用，本設(shè)計中采用掃描的方式來實現(xiàn)LED的動態(tài)顯示,。

2 軟件設(shè)計及部分仿真結(jié)果
    本設(shè)計中,，主要控制程序都是通過FPGA的軟件編程來實現(xiàn)。軟件設(shè)計大體可以分為三個大模塊：鍵盤掃描模塊,、LED顯示模塊,、繼電器電阻驅(qū)動電路模塊。
2．1 鍵盤掃描模塊
    鍵盤掃描模塊主要用來檢測外界輸入的數(shù)據(jù),，主要由分頻器電路,、鍵盤掃描計數(shù)器電路、鍵盤行和列按鍵檢測電路,、按鍵抖動消除電路和鍵盤編碼電路組成,。
    因為本設(shè)計中外接頻率為一般用6MHz的信號作為時鐘信號，但是鍵盤掃描不需要那么高的頻率,，所以需要一個分頻電路將其頻率降低為1kHz,。鍵盤掃描計數(shù)器主要為鍵盤行和列按鍵檢測電路和鍵盤編碼電路服務(wù),，鍵盤行和列按鍵檢測電路用來檢測鍵盤輸入所在行列的位置,，按鍵抖動消除電路主要目的是為了避免按鍵時鍵盤產(chǎn)生的拉動效應(yīng)使按鍵使能位產(chǎn)生不必要的抖動變化而造成重復(fù)統(tǒng)計按鍵次數(shù)的結(jié)果。同時,，鍵盤位置的代號,，并不是鍵盤上的按鍵值，所以要用鍵盤編碼電路來傳遞真正的按鍵值,。
2．2 LED顯示模塊
    LED顯示模塊采用動態(tài)顯示方式,，這種實現(xiàn)方法是依次點亮各個LED數(shù)碼管，循環(huán)進行顯示,，這種顯示方式控制好數(shù)碼管之間的延時相當(dāng)重要,，根據(jù)人眼視覺暫留原理，LED數(shù)碼管每秒的導(dǎo)通16次以上,，人眼就無法分辯LED數(shù)碼管短暫的不亮,，認(rèn)為是一直點亮的，但延時也不是越小越好，因為LED數(shù)碼管達到一定亮需要一定時間,。為了達到較好的效果,，本設(shè)計中延時取0．005s。
2．3 繼電器電阻驅(qū)動電路模塊
    繼電器電阻驅(qū)動電路模塊主要是FPGA根據(jù)鍵盤輸入的電阻值,，判斷相應(yīng)的一些電阻是否要接入,，從而使電阻對應(yīng)的繼電器閉合或斷開，給予其對應(yīng)的信號1或O即可,。
2．4 仿真結(jié)果
    由上述理論可知,，電阻1的產(chǎn)生原理和電阻2的產(chǎn)生原理完全一樣，為了使仿真結(jié)果更加明了,，這里的仿真波形只用電阻1來驗證其正確性,，其仿真波形如圖3所示。


    此圖是仿真圖中的一部分,，只選擇了幾個有代表性的信號顯示出來加以說明,，從圖中可以看出有時鐘信號clk，復(fù)位信號reset,，電阻1選擇信號 resistancel,，numll至num51顯示的分別是電阻值的小數(shù)位、個位,、十位,、百位、干位,。step11和step21分別顯示的是當(dāng)前工作的步數(shù)
的個位和十位,，其中time11和time21分別顯示的是工作時間的個位和十位。Bus9則是動態(tài)顯示時的數(shù)據(jù)信號,，JIDIANQI則代表的是16個繼電器的開關(guān)狀態(tài),。從上圖中可以看出該電阻的小數(shù)位的段碼為07H，對應(yīng)的二進制就是00000111,，其對應(yīng)顯示的數(shù)字是7即小數(shù)位為7,，同理可知其個位數(shù)為5，十位數(shù)為4,，百位數(shù)為3,，千位數(shù)為1，所以其阻值就為1345．7Ω,，從圖中可以看出總線上是循環(huán)傳遞著時間,、步數(shù)和數(shù)值信息，根據(jù)阻值,，其相應(yīng)的繼電器會閉合,，根據(jù)上述電阻網(wǎng)絡(luò)原理,，J4、J6,、J8,、J9、J10,、J12,、J14閉合，其余的繼電器均斷開,，即對應(yīng)的二
進制代碼為(0010101110101000)B,，換算成十六進制即為2BA8，從上圖可以看出其驗證結(jié)果是正確的,。

3 結(jié)束語
    系統(tǒng)通過引進FPGA來實現(xiàn)電阻提供這一模塊,，且將周圍其他數(shù)字邏輯電路也集成至該芯片中。這樣既解決了系統(tǒng)的特殊性,，又增強了系統(tǒng)的抗干擾性,，提高了控制精度，也簡化了調(diào)試,。此外,，本系統(tǒng)還將驅(qū)動電路、編解碼電路等硬件通過VHDL語言在FPGA芯片中實現(xiàn),，相比以前的模擬電路和單片機的實現(xiàn)方法,，使用的元器件更少，體積也更小,，針對不同場合,，修改起來也更加方便。具有很好的市場前景,。