在当前的数字技术领域中，单片机技术作为一项重要的基础技术，已经被广泛应用于各种领域。随着技术的不断发展，单片机的处理速度和精确度的要求也在不断提高。然而，单片机在处理速度和I/O端口方面存在局限性。为了解决这些问题，研究者提出了将FPGA（现场可编程门阵列）作为扩展模块应用到单片机上的研究方向。
我们来了解一下单片机技术。单片机自1971年诞生以来，种类繁多，应用广泛，对社会影响深远。其中，51系列单片机以其卓越的性能和稳定性，至今仍在被广泛使用。然而，面对高速处理和高精度控制的需求，单片机在一些设计任务中显得力不从心。这时，FPGA作为一种可编程逻辑器件，能够有效补充单片机在高速处理和接口扩展方面的不足。
FPGA是基于可编程逻辑器件PAL、CPLD等的技术上进一步发展而来的。它的端口资源丰富，可以外接各种高速ADC（模拟数字转换器）、DAC（数字模拟转换器）、存储器、传感器、驱动电机和显示器等。通过将FPGA作为单片机的一个扩展模块，不仅可以弥补单片机I/O端口数量的不足，还能解决单片机无法直接与高速ADC/DAC等器件相连的问题。
在FPGA与单片机的端口连接方面，单片机可以通过特定的端口（如51单片机中的P3.0和P3.1）连接到FPGA，以实现串并数据转换从而扩展更多的数据端口。需要注意的是，当这些端口需要用于与PC机的串行通信时，就不应连接FPGA进行端口扩展。
接下来，我们详细了解一下FPGA模块的接口安排以及具体的应用。
1. 数据采集控制：在FPGA模块中，利用状态机控制ADC进行采样，实时将采样数据存入FPGA内部的RAM中。之后，单片机在适当的时候读取并处理这些数据。为了更好的阻抗匹配和减少高频干扰，每个通道线路上都应串联连接一个小电阻，其阻值大小与信号频率成反比。
2. DAC/ADC信号输出控制：FPGA能够提供高速的数据采集信号，其优势是单片机无法比拟的。通过FPGA连接高速DAC/ADC，可以实现高速的数据采集和输出控制。
3. 存储器接口：FPGA可以连接不同类型的存储器，常见的有串行接口存储器和SDRAM/SRAM等动态存储器。在FPGA扩展模块中，动态RAM可以用来控制彩色液晶显示器、VGA显示器的缓存或作为软核处理器的内存。
4. 直流电机控制：FPGA可以通过驱动电路来控制直流电机。为了测定电机转速，可以采用多种方法，如光电法、光栅法、模数转换法等。FPGA功能模块包括PWM转速控制模块、电机转速测定模块、转速信号毛刺排除模块、闭环控制模块等。
5. 步进电机控制：FPGA在控制步进电机方面的优势是并行产生多通道的SPWM信号。通过不同相位的控制，实现步进电机的细分驱动控制。
6. 显示控制：FPGA能够很容易实现彩色液晶显示器、VGA显示器和LED显示屏的显示控制。这包括高速扫描、高速数据传输和高速大容量显示缓存的应用。
我们需要了解单片机扩展FPGA系统设计的步骤和流程。与传统单片机系统开发不同，以FPGA作为单片机主要扩展模块的系统设计不仅包括软件开发，还包括基于FPGA的硬件设计与时序功能测试，以及软硬件的综合构建和调试。
硬件模块设计是基于设计对象的技术指标和设计方案来完成的。在设计和实现FPGA中的功能模块后，需要进行时序仿真和硬件测试。这一过程包括确定FPGA硬件的接口和功能的实现，以确保整个系统的正确运行。
单片机扩展FPGA应用技术研究为高速处理和高精度控制任务提供了一种新的解决方案。通过FPGA模块的扩展，单片机可以有效地提升其性能，满足现代电子设计的多种需求。
