2.3.1 核心板方案设计

核心板的硬件结构包括控制芯片电路、下载电路、晶振电路、复位电路、芯片电源

电路、 RS485 通信电路、状态选择电路、状态指示电路、 I/O 指示电路、电平转换电路

等。

控制芯片采用目前较为流行的“ MCU+FPGA ”的方式进行控制 [32] 。 MCU 是微控制

单元（ Micro Controller Unit ），又称单片微型计算机或单片机，是将中央处理器、内存、

计数器、 USB 、 A/D 转换、 UART 、 PWM 、 DMA 等周边接口集成到一片芯片上，形成

芯片级计算机，应用于手机、遥控器、汽车、机械臂等控制领域。 FPGA 是现场可编程

门阵列（ Field Programmable Gate Array ），它是专用集成电路中的一种半定制电路，通

过编程对底层逻辑门阵列进行组合，从而实现内部各模块之间以及 I/O 之间的连接方式。

FPGA 具有以下优点：并行度高，可以支持多个模块同时进行独立的计算；可定制，即

通过编程实现自己的逻辑电路，并且可以无限次编程；运算速度快，通常情况下任务在

硬件上跑比软件上跑得要快，比如比较一个 64 位数高 32 位和低 32 位的大小，在 CPU

下需要 2 条区数指令，两条位与指令，一条移位指令一条比较指令和一条写回指令，而

在 FPGA 下只要一个比较器就行了。 FPGA 同时也存在着缺点，所有功能均依靠硬件实

现，无法实现分支条件跳转等操作，同时诸如 A/D 转换、 flash 等外设很少，这正好能

够靠 MCU 来弥补。因此本文利用 MCU 和 FPGA 组合的方式，能够最大的发挥两者各

自的优势 [33] 。

MCU 选择意法半导体集团开发的 32 位 STM32 微控制器，该芯片是基于 ARM

Cortex-M 处理器内核的嵌入式单片机，有着集成度高、低功耗等特点。 FPGA 选择

ALTERA 的 Cyclone IV 系列芯片，该系列芯片在 Cyclone 、 CycloneII 、 CycloneIII 的基

础上提升了性能并降低成本。 STM32 利用其自身丰富的外设作为主控芯片，使用 UART

与外界通信； FPGA 利用运算速度快、并发性好的特点，对 I/O 信号进行处理。 STM32

和 FPGA 之间的通信方式有串行通信、并行通信以及共用存储器通信。串行通信所需引

脚少，但是速率没有另外两种通信方式快；共用存储器通信方式在硬件线路上较为复杂，

一般用在数据交换量较大的场合，用在这里有点大材小用；并行通信虽然占用引脚较多，

但是通信效率高 [34] 。综合来看选择并行通信方式。

电源电路需要根据控制芯片所需电压来决定，核心板上选择的控制芯片 STM32 的

具体型号为 STM32F103ZET6 ，工作电压为 3.3V ， FPGA 的具体型号是 EP4CE6E22C8 ，

工作电压为 3.3V 、 2.5V 和 1.2V 。

STM32 的下载方式包括 SWD 和 JTAG 方式， SWD 模式比 JTAG 在高速模式下面更

加可靠，在大数据量的情况下面 JTAG 下载程序会失败，但是 SWD 发生的几率会小很

多，并且 SWD 需要的引脚数量少，可以节省 PCB 空间。 STM32 虽然有 8MHz 内部晶

振，但是精度没有外部配置的高速晶振精度高。外部晶振有高速晶振和低速晶振两种，

典型的低速晶振为 32.768KHz ，高速晶振可选择 4~32MHz ，然后可以经过锁相环设置将

主频升至 72MHz 。核心板上需要预留的扩展模块接口用于连接多个扩展模块，而与扩

信迈提供STM32+FPGA的运动控制解决方案。