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内容简介

　　《普通高等教育“十二五”规划教材·电子电气基础课程规划教材：现代电子技术综合实验教程》分为4部分：第1部分原理基础篇从数字系统基本原理出发，介绍EDA设计原理、单片机设计原理与方法及基于mc8051处理器IP核的SOPC设计；第2部分应用篇介绍FPGA和单片机设计的开发环境、工具和流程；第3部分实践篇介绍FPGA综合实验平台，给出EDA实验和单片机实验，提供综合性实验项目；第4部分信号处理篇介绍基于FPGA的DSP结构及设计方法、常用DSP模块、FIR滤波器、典型运算模块、设计型实验题目。

目录

前言
原理基础篇
第1章 现代电子系统设计原理
1.1 现代电子设计技术概述
1.1.1 数字系统及其一般结构
1.1.2 数字系统设计的一般过程
1.2 现代数字系统设计
1.2.1 基于PLD的EDA设计
1.2.2 基于MCU的设计
1.2.3 基于SOC和SOPC的设计

第2章 EDA技术及VHDL语言
2.1 EDA技术简介
2.2 常用EDA软件简介
2.2.1 ISE简介
2.2.2 Modelsim简介
2.2.3 ChipScope 简介
2.3 可编程逻辑器件简介
2.3.1 可编程逻辑器件发展
2.3.2 FPGA概述
2.4 VHDL语言及其硬件逻辑描述方法
2.4.1 VHDL的基本语言结构
2.4.2 库（LIBRARY）和程序包（PACKAGE）
2.4.3 实体（ENTITY）
2.4.4 结构体（ARCHITECTURE）
2.4.5 配置（CONFIGURATION）
2.4.6 VHDL的基本语言要素
2.4.7 VHDL的基本语句
2.4.8 基于VHDL的状态机设计
2.4.9 VHDL的描述风格
2.4.10 VHDL的测试基准
2.4.11 VHDL与EDA
2.4.12 VHDL特点总结

第3章 MCS-51原理及设计方法
3.1 MCS-51单片机简介
3.1.1 MCS-51单片机的硬件结构
3.1.2 MCS-51存储器的结构
3.1.3 时钟与时序
3.1.4 MCS-51的引脚
3.1.4 MCS-51的复位
3.1.6 MCS-51的扩展设计
3.2 MCS-51单片机的指令与编程
3.2.1 MCS-51单片机的指令系统
3.3 Keil C51
3.3.1 Keil C51对ANSI C的扩展
3.4 C51程序设计
3.4.1 C语言程序结构
3.4.2 使用C51的注意事项

第4章 基于MC8051核的SOPC
4.1 MC8051功能特点
4.2 MC8051结构与层次
4.3 硬件定制
4.3.1 并行I/O 口
4.3.2 定时器/计数器、串口和中断
4.3.3 可选择的指令
4.3.4 其他说明
4.4 MC8051核的使用方法简述
4.4.1 单片机方式
4.4.2 SOPC方式应用实践篇

第5章 实验硬件平台
5.1 实验平台功能特点
5.1.1 总体功能
5.2 核心板电路分析
5.2.1 核心板电路原理框图
5.2.2 FPGA主芯片
5.2.3 时钟电路
5.2.4 配置电路
5.2.5 存储电路
5.2.6 电源电路
5.2.7 按键及LED电路
5.2.8 七段数码管显示电路
5.2.9 拨码开关电路
5.2.10 FPGA的I/O分配
5.2.11 核心板与底板接口
5.3 底板电路分析
5.3.1 底板电源电路
5.3.2 蜂鸣器电路
5.3.3 液晶显示电路
5.3.4 16×16 LED点阵电路
5.3.5 RS232串口电路
5.3.6 红外通信电路
5.3.7 VGA接口电路
5.3.8 PS/2键盘和鼠标接口电路
5.3.9 串行D/A电路
5.3.10 串行A/D电路
5.3.11 实时时钟电路
5.3.12 数字温度传感器电路
5.3.13 扩展I/O电路
5.3.14 核心板与底板接口
5.3.15 底板跳线及接口
5.4 本章小结

第6章 基本EDA实验
6.1 准备工作
6.2 实验项目
6.2.1 LED驱动
6.2.2 LED流水灯
6.2.3 芯片内的逻辑分析仪ChipScope
6.2.4 键控数码管静态显示
6.2.5 数控分频器
6.2.6 含异步清零和同步使能的4位加法计数器
6.2.7 8位硬件加法器
6.2.8 VGA彩色信号显示控制器
6.2.9 LCD显示驱动器
6.2.10 SRAM控制器
6.2.11 SPI接口FLASH模块M25P16
6.2.12 通用异步收发器
6.2.13 红外收发
6.2.14 D/A转换芯片TLC5620的控制
6.2.15 A/D转换芯片TLC549的控制
6.2.16 PS/2键盘驱动
6.2.17 PS/2鼠标驱动

第7章 基本单片机实验
7.1 单片机实验准备工作
7.1.1 MC8051单片机定制与封装
7.1.2 MC8051单片机最小系统
7.1.3 8051单片机系统安装与使用
7.1.4 实验操作与例程使用
7.2 单片机实验项目
7.2.1 点亮LED灯
7.2.2 简单的定时
7.2.3 交流蜂鸣器
7.2.4 数码管动态扫描显示
7.2.5 加减计数器实验
7.2.6 用PWM波控制LED亮度
7.2.7 外部中断
7.2.8 使用片外SRAM
7.2.9 16×16 LED点阵扫描显示
7.2.10 液晶显示驱动
7.2.11 红外收发
7.2.12 实时时钟PCF8563
7.2.13 LM75A数字温度计
7.2.14 TLC5620串行DAC
7.2.15 TLC549串行ADC

第8章 综合实验题目
8.1 实验准备
8.1.1 SOPC设计方式
8.1.2 SOPC方式下的MC8051 IP
8.1.3 MC8051中地址空间安排
8.2 多功能数字时钟
8.2.1 实验背景
8.2.2 实验目的
8.2.3 实验任务
8.2.4 实验要求
8.2.5 实验指导
8.2.6 思考与练习
8.3 可远程控制的简易交通灯系统
8.3.1 项目背景
8.3.2 实验目的
8.3.3 实验内容
8.3.4 实验原理
8.3.5 思考与练习
8.4 频率测量仪
8.4.1 实验目的
8.4.2 实验内容
8.4.3 实验要求
8.4.4 实验指导
8.4.5 思考与练习
8.5 相位测量仪
8.5.1 项目背景
8.5.2 实验目的
8.5.3 实验内容
8.5.4 实验原理
8.5.5 实验指导
8.5.6 思考与练习
8.6 打地鼠游戏实验
8.6.1 实验背景
8.6.2 实验目的
8.6.3 实验任务
8.6.4 实验要求
8.6.5 实验指导
8.6.6 思考与练习
8.7 基于FPGA的语音录制与回放系统
8.7.1 实验背景
8.7.2 实验目的
8.7.3 实验任务
8.7.4 实验要求
8.7.5 实验指导
8.7.6 思考与练习
8.8 基于LCD界面的电压监测系统
8.8.1 实验背景
8.8.2 实验目的
8.8.3 实验任务
8.8.4 实验要求
8.8.5 实验指导
8.8.6 思考与练习
8.9 基于温度检测的监控系统
8.9.1 实验背景
8.9.2 实验目的
8.9.3 实验任务
8.9.4 实验要求
8.9.5 实验指导
8.9.6 思考与练习信号处理篇

第9章 数字信号处理技术基础
9.1 数字信号处理概述
9.2 数字信号处理系统的结构
9.3 基于FPGA的数字信号处理
9.4 常用DSP模块及其IP核
9.4.1 快速傅里叶变换
9.4.2 FIR滤波器
9.4.3 CORDIC模块

第10章 设计实验题目
10.1 音频信号分析仪
10.1.1 实验背景
10.1.2 实验目的
10.1.3 实验内容
10.1.4 实验原理
10.1.5 实验指导
10.1.6 系统误差分析
10.1.7 实验测试与结果
10.1.8 问题与思考
10.2 可调参数的FIR数字滤波器
10.2.1 实验背景
10.2.2 实验目的
10.2.3 实验内容
……

前言/序言

　　电子信息技术日新月异，以EDA技术和处理器技术为代表的现代电子技术飞速发展。为了紧跟其发展和应用的步伐，培养出既有理论知识，又有动手能力和创新思想的优秀人才，各高等学校一直进行着现代电子技术相关实践教学的改革。其中也出现了以下方面的问题：①较长时期以来，独立的EDA应用和单片机应用实验教学已形成了较明显的壁垒，学生往往只能参与某一方面的学习和实践；②各类实验室或机房重复建设，教学内容重叠雷同；③现有SOPC课程和实验的门槛较高，难以与基础教学内容衔接，在普及层面推进缓慢。一般学生在学习新的工具软件和新的处理器知识方面困难较大，在实验过程中往往浮于简单的演示结果复现，难有足够的时间和精力关注SOPC设计理念本身并切实地开展设计实践。
　　针对上述问题，笔者开展了实践教学改革，通过实验资源整合和实验内容优化，达到实践教学的进步。具体表现为，整合EDA和单片机各自的实验平台为一体化的实验开发平台，从而实现对实验室和实验硬件设备的优化管理和配置。基于所开发的可在线调试用户程序的8051单片机软核，对现有独立的EDA应用实验和单片机应用实验的内容进行优化与整合，进而提出EDA和51单片机相结合的SOPC综合实验项目。当前，在实验平台上开设的各实验项目及其相互关系如图1所示。由于有效地衔接了EDA技术和单片机技术的理论教学，使得代表最新设计思想的SOPC技术能被更广泛的学生所接受。从而在培养学生独立思考能力和发挥学生创造性等方面获得了更好的教学效果。
　　图1一体化实验平台的多层次实验项目及其相互关系
　　本书则是上述实验教学改革的配套教材，其特点包括以下几个方面。
　　（1）是国内第一本将EDA技术、单片机技术及二者结合的SOPC技术整合在同一FPGA平台上进行实验课程开设的配套教材。
　　（2）适合不同的实验教学内容要求：既可支撑独立的EDA类和单片机类基础实验教学及其各自的综合实验教学，也可支撑二者结合的SOPC实验教学，并可与更高阶的DSP设计应用接轨。
　　（3）只有通过大量的实践才能更好地掌握现代电子技术。本书是作者在多年从事实验教学和参与电子设计竞赛培训工作的基础上逐年积累编写而成的。本教材的基本思路表现为注重内容的典型性和实用性，强调过程的可操作性和可延续性。既有原理知识的铺垫，又有基础操作和例程的参考，还有综合应用项目的训练，更有创新设计的挑战。使不同层次的读者各取所需，并获得持续的学习兴趣。
　　全书按由浅入深的方式分为三篇，共10章。
　　第一篇为原理基础篇，包括第1～4章。从数字系统基本设计原理出发，先从EDA方面介绍EDA设计流程、FPGA结构特点和基于VHDL语言的逻辑描述方法，再从单片机方面讲述8051单片机原理和C51程序语言设计，并介绍了流行的MC8051处理器IP核。
　　第二篇为应用实践篇，是全书的重点。第5章介绍基于XilinxFPGA的综合实验硬件平台，第6章和第7章分别提出多个基础性的EDA实验项目和单片机实验项目。其中既有工具软件的详细操作步骤，也有丰富的实验例程。使读者能够快速掌握FPGA应用和单片机应用的基本技能和对实验平台所提供的各功能模块的驱动方法。第8章为本书亮点，精选了8个综合性实验项目。每个项目都基于前面章节学习的软、硬件模块，完成一个电子应用小系统。本章实验项目选取力求实用，有的侧重于逻辑设计，有侧重于程序设计，有的侧重于系统综合设计，还有的则与DSP理论及方法的掌握和运用相结合。同时在内容编排上也由易到难。对各项目既有多层次的分析讨论和代码提示，同时也给读者的实践提供了充分发挥和扩展的空间。读者可根据对题目的分析，进行多种实现方案的尝试，进而掌握EDA和单片机各自的技术特征，深入理解软硬协同设计的现代电子技术设计思想和SOPC的优势。
　　第三篇为信号处理篇，讲述基于FPGA的数字信号处理。该篇先介绍FFT、FIR滤波、CORDIC这3种典型的数字信号处理模块的使用，进而提供两个综合设计型实验题目，给读者以实战的检验。
　　本书是国内第一本真正结合EDA技术和8051单片机技术开展应用开发的实验教材。读者只要认真、勤奋地实践书中的内容，你可以：
　　掌握基于VHDL的FPGA应用技术；
　　掌握基于Keil C51的8051应用技术；
　　掌握基于Xilinx FPGA的EDA开发工具；
　　掌握Xilinx FPGA常用IP核的使用方法；
　　掌握电子设计中常用外围电路模块的驱动方法；
　　掌握基于FPGA逻辑和MC8051单片机核的SOPC设计方法；
　　构建多个SOPC模式的电子应用小系统；
　　掌握基于FPGA的DSP应用小系统的设计。
　　请读者在阅读本书时，应注意以下几点：
　　1.作为实验教材，本书中的理论和方法介绍主要用于读者快速查阅，而非系统学习；
　　2.书中提供的代码主要为方便学习理解，较少考虑运行的效率，读者可在对实验内容和方法足够理解后再行优化。此外，对于公共的模块或函数，会在首次出现时尽量阐述清楚，而在后续实验项目中，则要求读者按指引自行参阅，以节约读者理解的时间和文字篇幅。某些较大的程序或文件，则请登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）下载使用。
　　本书适合高等院校电子类专业的本科生和低年级应用型研究生。可作为电子技术实践课程的实验教材或电子设计竞赛等科技创新活动的培训教材。
　　本教材适用学时数较灵活。建议根据普及型或培训型的教学对象和学时要求等具体情况而侧重不同层次和类型的实验项目，也可适当扩展新的实验项目。参考学时为32～64学时，其中第一篇为8～12学时，第二篇为24～32学时，第三篇为20学时。
　　教材各章节编写的分工及安排如下：第1、2、3章和第6章的6.2.1、6.2.2和6.2.3小节由刘曦编写，其余章节由唐续编写，全书由唐续统稿。董平、赵芳斌、王嘉、金辉、贾佳蔚、雷敏、杨艳芳、曲君涛、黄建、王丁、张平丽、高林、高现文、梁上烈、易宇良、周健和苏金洲等人参与了本实验教材的编写和实验验证。
　　本书在编写和出版过程中，得到了电子科技大学英才实验学院蒲晓蓉副院长、电子实验中心的皇晓辉等同事对教材编写的大力支持，在此谨向他们表示衷心的感谢。
　　由于作者水平有限，书中难免存在不足或错误，恳请广大师生和读者批评指正。
　　编者
　　2012年
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