摘要：現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計方法。FPGA通過控制繼電器的吸合，從而確定與其并聯的電阻的接入與否，最后通過電阻的疊加得到不同阻值。介紹了該設計的工作原理及軟件設計思想，并有部分仿真結果。這種設計使用8421編碼原則和硬件描述語言，減少了一些元器件的使用。相比于市場上的產品，其穩定性更高，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。
關鍵詞：現場可編程門陣列；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，但是我們不能確定其具體阻值。隨著技術的進一步發展，為了滿足教學研某些場合的需要，阻值確定并可調的電阻箱應運而生。電阻箱提供阻值的原理是通過電阻的串并聯得到的不同阻值，因而用到的電阻數量較多，精度也不夠高，而且還需要對所需電阻的每一位數選擇相應的檔位，比較麻煩，也不夠直觀。而在一些生產應用中(如產品校驗)需同時提供幾組不同電阻，且要重復提供(如做產品老化檢測實驗)，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來實現控制電阻的提供，用軟件的方式來設計硬件，設計過程中可用有關軟件進行各種仿真，同時整個系統可集成在一個芯片上，體積小、功耗低，可靠性高，又因為其內部有存儲單元，所以能夠滿足上述的“記憶”功能。
1 硬件電路
基于FPGA的可編程電阻系統的硬件系統(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(本設計中選用的是CyeloneII系列)控制中心是整個設計的核心，主要控制實現對系統的鍵盤輸入進行處理，并根據輸入的信息轉換成輸出數據，控制對應的繼電器的吸合，從而得到不同的阻值。
以往可編程網絡的主控制器有采用數字電路控制的，也有采用單片機控制的，本電路采用FPGA控制。EPGA是近幾年來出現并被廣泛應用的大規模集成電路器件，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，硬件測試和實現快捷，開發效率高，成本低，上市時間短，技術維護簡單，工作可靠性好等。因而用來設計可編程電阻其靈活性更好。
目前市場上主要生產FPGA產品的公司有Lattice、Xilinx、Altera。在教學過程中，一般使用Altera公司生產的FLEX系列和 Cyclone系列較多。鑒于產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數字信號處理乘法器，中等容量的片內存儲器(能夠滿足本設計的要求)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計，所以在本設計中選用此系列。
1．2 鍵盤輸入電路
鍵盤輸入電路主要實現輸出電阻值大小的設定，本設計中采用的4*4簡易鍵盤輸入即可滿足要求，可提供簡單明了的數字鍵和功能鍵共16個鍵，包括：數字輸入鍵：數字鍵0～9，按下數字鍵，輸入一個數字，就可在對應的數碼管上顯示。
功能鍵：“電阻1”、“電阻2”本設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”：每輸入完一個數字后按一下存儲鍵，以便能夠將幾個數據存儲下來，運行后將按數據存儲的先后順序及預置的時間工作，循環提供數據。
“運行”：此鍵作為存儲完數據后的啟動鍵。
“停止”：停止提供電阻。
“復位”：可作為修改數據時用，按此鍵后可以使以前存儲的數據都清零，然后重置一組數據。
1．3 繼電器電阻網絡
電阻網絡。其原理圖如圖2所示，從圖中可以看出，開關的閉合決定與其對應的電阻的接入與否，本設計中采用8421編碼原理控制提各阻值。
本設計所供用的電阻要精確到0．1 Ω，所以，此電阻網絡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以內的電阻為例來說明。此電阻網絡采用串聯的方式來實現，8421編碼方式只要控制相應的繼電器，將其對應的精密電阻短接就可以實現。以1500 Ω以內電阻為例，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，其對應的電阻就會接入或斷開，最后接入的電阻串聯相加就得輸出的電阻值。
如通過鍵盤輸入一個預置值，如果輸入的數值為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1500Ω以內的精度可達到O．1 Ω的任何電阻，使用電阻數量小，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，同樣可以根據此原理來增加電阻(如8000、4000、2000、1000等)，因為此設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(根據不同場合如要提供三組或三組以上的電阻只需相應增加即可)。
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的鍵盤輸入電阻值的大小、當前工作的步數和預置時間。根據要求，本實驗采用數碼管來顯示其阻值即可，能夠滿足要求，為了顯示以上數據，每個阻值的顯示至少需要九個數碼管，其中五位用來顯示當前阻值的大小，兩位用來顯示當前的工作步數，兩位用來顯示數據的工作時間，如果采用靜態顯示控制將會需要相當多的引腳端資源(9×2×8=144個)，為了減少對FPGA引腳資源的使用，本設計中采用掃描的方式來實現LED的動態顯示。
2 軟件設計及部分仿真結果
本設計中，主要控制程序都是通過FPGA的軟件編程來實現。軟件設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據，主要由分頻器電路、鍵盤掃描計數器電路、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。鍵盤掃描計數器主要為鍵盤行和列按鍵檢測電路和鍵盤編碼電路服務，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生的拉動效應使按鍵使能位產生不必要的抖動變化而造成重復統計按鍵次數的結果。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顯示模塊采用動態顯示方式，這種實現方法是依次點亮各個LED數碼管，循環進行顯示，這種顯示方式控制好數碼管之間的延時相當重要，根據人眼視覺暫留原理，LED數碼管每秒的導通16次以上，人眼就無法分辯LED數碼管短暫的不亮，認為是一直點亮的，但延時也不是越小越好，因為LED數碼管達到一定亮需要一定時間。為了達到較好的效果，本設計中延時取0．005s。
2．3 繼電器電阻驅動電路模塊
繼電器電阻驅動電路模塊主要是FPGA根據鍵盤輸入的電阻值，判斷相應的一些電阻是否要接入，從而使電阻對應的繼電器閉合或斷開，給予其對應的信號1或O即可。
2．4 仿真結果
由上述理論可知，電阻1的產生原理和電阻2的產生原理完全一樣，為了使仿真結果更加明了，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位、個位、十位、百位、干位。step11和step21分別顯示的是當前工作的步數
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則是動態顯示時的數據信號，JIDIANQI則代表的是16個繼電器的開關狀態。從上圖中可以看出該電阻的小數位的段碼為07H，對應的二進制就是00000111，其對應顯示的數字是7即小數位為7，同理可知其個位數為5，十位數為4，百位數為3，千位數為1，所以其阻值就為1345．7Ω，從圖中可以看出總線上是循環傳遞著時間、步數和數值信息，根據阻值，其相應的繼電器會閉合，根據上述電阻網絡原理，J4、J6、J8、J9、J10、J12、J14閉合，其余的繼電器均斷開，即對應的二
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果是正確的。
3 結束語
系統通過引進FPGA來實現電阻提供這一模塊，且將周圍其他數字邏輯電路也集成至該芯片中。這樣既解決了系統的特殊性，又增強了系統的抗干擾性，提高了控制精度，也簡化了調試。此外，本系統還將驅動電路、編解碼電路等硬件通過VHDL語言在FPGA芯片中實現，相比以前的模擬電路和單片機的實現方法，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。
