FPGA核心板

基本框架结构：专用硬件设备：专用设备主要由FPGA核心板、扩展面板（包括附属子板）和电源背板组成。

● FPGA核心板采用大容量高逻辑密度的FPGA，并有配置器件、下载接口和小容量的高速RAM，针对数字信号处理、数字调制解调、算法硬件仿真等对速度和精度高要求的应用，在整个设备中起到核心作用。

● 扩展面板的主要功能是充当FPGA核心板的人机界面，以丰富的软硬件功能为特征，其核心为MCU器件。

MCU没有使用一般的8位元芯片，而是采用32位的ARM Cortex-M3核心的芯片，提供高性价比的32位计算能力，带来出色的人机交互和数据处理能力。

尽管如此，扩展面板并不是典型的高性能ARM嵌入式系统。

它可以用作独立的MCU开发板。

● 电源背板是上述设备的总电源，在实际中作为外部电源的DC-DC适配器，有较宽的电压调整范围（标准输入电压为9或12V）和较高的效率，并能满足一定规模的扩展设备对电源的需求。

计算机通用软件：计算机通用软件是在Win32平台下采用VC++开发软件编写的通信软件。

目前只能通过RS-232C硬件串口或USB虚拟串口与专用硬件设备通信，获取设备状态、处理结果和发送命令、测试数据等等的双工通信。

电路各部分的说明：USB接口可选的方案有：FT232R，CY7C68013，PL2303HX三种。

●PL2303HX：使用该芯片的成本、开发难度和复杂度都是最低的。

只要在PC上安装好相应的驱动，那么使用该芯片的USB接口会被识别为串口，然后按照PC串口的开发方式编写应用程序即可。

支持USB2.0 Full Speed，UART最高波特率为6Mbps。

●FT232R：使用该芯片的成本偏高、开发难度低，复杂度适中。

厂商提供两种驱动，虚拟串口（VCP）和USB。

这就是说，用户可以选择简单的VCP方式或者是复杂的USB方式进行通信。

支持USB2.0 Full Speed，UART最高波特率为3Mbps。

外围元件少是其最大特点。

ARTIX-7 FPGA核心板用户手册AC7A200REV 1.0版芯驿电子科技（上海）有限公司黑金动力社区目录(一)简介 (3)(二)FPGA (4)(三)有源差分晶振 (6)(四)DDR3 (8)(五)QSPI Flash (12)(六)LED灯 (13)(七)JTAG接口 (15)(八)电源接口 (15)(九)扩展接口 (16)(十)电源 (24)(十一)结构图 (27)(一)简介AC7A200(核心板型号，下同)核心板，是基于XILINX公司的ARTIX-7系列200T 的XC7A200T-2FBG484I这款芯片开发的高性能核心板，具有高速，高带宽，高容量等特点，适合高速数据通信，视频图像处理，高速数据采集等方面使用。

这款核心板使用了2片MICRON公司的MT41J256M16HA-125这款DDR3芯片，每片DDR的容量为4Gbit；2片DDR芯片组合成32bit的数据总线宽度，FPGA和DDR3之间的读写数据带宽高达25Gb；这样的配置，可以满足高带宽的数据处理的需求。

这款核心板扩展出180个3.3V电平标准普通IO口，15个1.5V电平标准的普通IO口，还有4对GTP高速RX/TX差分信号。

对于需要大量IO的用户，此核心板将是不错的选择。

而且，FPGA芯片到接口之间走线做了等长和差分处理，并且核心板尺寸仅为60*60（mm），对于二次开发来说非常适合。

AC7A200核心板正面图AC7A200核心板背面图(二)FPGA前面已经介绍过了，我们所使用的FPGA型号为XC7A200T-2FBG484I，属于Xilinx公司Artix-7系列的产品，速度等级为2，温度等级为工业级。

此型号为FBG484封装，484个引脚。

Xilinx ARTIX-7 FPGA的芯片命名规则如下：图2-2-1为开发板所用的FPGA芯片实物图。

图2-2-1 FPGA芯片实物FPGA供电系统Artix-7 FPGA电源有V CCINT, V CCBRAM, V CCAUX, V CCO, V MGTAVCC和V MGTAVTT。

了解FPGA比特流结构FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种电路板，它由可编程逻辑门阵列（PLA）以及一系列可编程电源、寄存器、内存等组成。

相比于固定功能的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）芯片，FPGA具有更大的灵活性和可编程性。

在FPGA中，比特流结构是实现FPGA的核心组件之一比特流结构是FPGA中逻辑门阵列（LUT）和可编程连接资源（IOB）之间的数据通信路径。

LUT是FPGA的基本构建块，它可以实现逻辑功能。

IOB是FPGA与外部设备之间的接口，用于输入输出数据。

比特流结构负责将输入数据从IOB传递到LUT，并将计算结果从LUT输出到IOB。

它包含了一系列的可编程连线资源（CLB）和可编程切换器（Switches），用于在不同的LUT之间进行数据传输。

比特流结构中的CLB是一系列的LUT与寄存器的组合。

LUT和寄存器通过可编程连线连接起来，形成一个可编程的逻辑函数。

每个CLB可以实现不同的逻辑功能，如与门、或门等。

在比特流结构中，多个CLB可以通过可编程切换器连接在一起，以实现更加复杂的逻辑功能。

在比特流结构中，也包含了一些全局资源，如时钟管理器和全局信号分配资源。

时钟管理器用于产生时钟信号，并将时钟信号分配给各个LUT和寄存器。

全局信号分配资源用于将输入输出信号从IOB传递到各个CLB中的LUT和寄存器。

比特流结构中的可编程连线资源起到了连接各个逻辑元件的作用。

它包含了一系列的可编程连线和可编程交换机。

可编程连线由一组可编程交线连接起来，可以将信号从一个LUT传递到另一个LUT。

可编程交换机则用于控制可编程连线的连接和断开，以实现不同的逻辑功能。

FPGA的比特流结构可以通过硬件描述语言（HDL）进行编程。

HDL可以描述逻辑电路的行为和结构，并生成相应的比特流配置文件。

配置文件可以将用户的逻辑设计烧录到FPGA中，使其具有特定的功能和行为。

引言在FPGA 选型报告中，我们阐明了产品用途和设计目标，列出了具体的规格需求并最终选定了AlterastratixIIEP2S180F-1020作为FPGA 器件，本文将详细说明FPGA 整体设计方案。

一、器件布局1、器件总体布局图[ri SYNERTOIME LJ 协同航因FP GA咼速A/D RJ45以太网 咼速A/D 扩展口24PinRS-232 RS-232咼速A/D 咼速A/D 咼速D/A 咼速D/A 咼速D/A咼速D/AFPGA EP2S180音频A/D程控逻 辑芯片音频A/D高密connector音频D/ASharpLCD体布局考像因并口LCD串口LCD音频D/A POWERSUPPLY:16V 大电流开关稳压器：5V 、3.3V 、1.8V 、1.2V LDO:2.8V DC/DC:12V DC/DC:-5VSDCard SDCard键盘4XPCI-Express :妾口ng口展扩尹山而性：将各种使用接口布置在板边方便使用，包括高速A/DD/A 的SMA A/DD/A 的RCA 端子、摄像头Connector 、LCDConnector 、键盘接口、RJ-45、RS-232接口、USB2.0OTG 接口、CFCard （可选）、SDCard 、Powersupply 口展扩端子、扩展口；PCI-e 和DDR 存储器接口可放置于板内。

> 电磁兼容：将电源集中放置在右上角区域，做好接地和滤波设计；将高速A/D 、D/A 器件集中放置在左侧，尽量缩短信号线的走线距离并避免交叉线。

>产品升级：将FPGA 开发板分为了基板和核心板两个部分，上图红色框区域为基板，绿色框区域为核心板，板间用高速Connector 连接，向后开发只需重新设计核心板，可节省大量开发时间和费用。

二、功能说明1、FPGA> 742I/OPin> 外接2*64MBDDRSDRAM ，可选MICRON 、INFINEON 和SAMSUNG 任一家产品，另外在基板上再扩展一接口以满足更大容量需求 > 外接128MBFLASH > 外接256KB*16SRAM> 155.52MHz/100MHz/33.3MHz/25MHz 时钟源> 数字程控逻辑芯片 >外接12V 风扇降温高密connectorCrystalDDRSDRAMSRAM> 主要器件：FPGAEP2S180128MbFLASH AM29LV128MH113REI256K*16SRAM IDT71V416510PH64MBDDRSDRAMMT46LC16M16A2数字程控逻辑芯片EPM1270F256C32、电源电源为模拟和数字器件提供稳定可靠的直流电压，设计核心要素包括：> DC16V/3.75A输入端子，Fuse保护> 电源输入端使用共模抑制电感> ESD二极管保护、反向电压保护和滤波钽电解电容> LED指示灯> 选用高效率大电流容量的开关稳压管提供5V、3.3V、1.8V、1.2V> 选用大电流容量1.5A的LDO提供2.8V> DC/DC提供12V/0.5A风扇电源> DC/DC提供-5V运放电源> 使用专用电源电感支持大电流容量> 电源PCBLayout注意点（参考下文说明），还要参考各芯片Datasheet中关于Layout 的说明事项> 主要器件：开关稳压管LM2678LTC3728LTC17781.8VLDOLT196312VDC/DCLTC1872-5VDC/DCLTC3704电源电感TOKO919AS系列电解电容—180UF\100UF\10UF\56UF等三极管和场效应管ESD二极管、保险管、Zenar二极管、肖特基二极管、LED直流风扇12V/0.2A3、高速A/D高速A/D用于数字通信接收机IF采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA 做处理，设计核心要素包括：> 四路125Msps,12bit高速A/D,推荐使用AD9233BCPZ-125> 输入电压：1.8V（模拟），3.3V（数字），其中1.8V耗电220mA，四路要880mA,要使用大电流容量稳压管供电，因为是高速芯片，每个供电管脚接0.1uF去耦电容> RF/IF输入，经Transformer转换为两路信号，2Vp-p输入，Transformer后端RC网络要根据输入信号的频率而变换> 125MHz有源晶振时钟，经Transformer转换为差分信号CLK+/CLK-,—个晶振可负载两个A/D芯片> 利用肖特基二极管对输入的模拟和时钟信号电平进行钳制> I2C控制指令（SCLK/SDIO）> A/DData输出经Buffer进入FPGA，前后加20~100欧姆电阻有助于减少overshooting 和ringing> 主要器件：A/DConverterAD9233BCPZ-125125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WT/ETC1-1-13Buffer74VCX162244SchottkyDiodeHSMS28124、高速D/A高速D/A用于数字宽带通信，将数字信号转化为模拟信号供给下一级做处理，设计核心要素包括：> 四路125Msps，12bit高速D/A,推荐使用AD9752> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF去耦、1uF滤波电容> 125MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个D/A芯片> 模拟差分信号输出，电阻网络调整输出共模电压> 数字信号输入端接上拉和下拉电阻（可选）> 主要器件：D/AConverterAD9752125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WT5、AudioA/DAudioA/D用于数字音频接收机采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA做处理，设计核心要素包括：> 两路Stereo,16bitAudioD/A,推荐使用AD1877> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF、10nF去耦、1uF滤波电容> 12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片> 左右两声道模拟输入> TTL串行数据输出> 主要器件：AudioA/DConverterAD187712.288MHzCrystal6、AudioD/AAudioD/A用于将数字音频信号转化为模拟信号，设计核心要素包括：> 两路Stereo，24bitAudioA/D,推荐使用AD1853> 输入电压：5V（模拟\数字），0.1uF滤波电容> 12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片> 左右两声道模拟差分输出> 运放和低通滤波，采用±5V供电，如果声音效果不佳，还可采用外接直流电源土15V 供电> 喇叭和耳机两种音频输出方式> 主要器件：AudioD/AConverterAD185312.288MHzCrystalOP275运放器LA4525喇叭功放LA4536A耳机功放三、接口说明1、RS-232> 两路RS-232Transceiver，9Pin标准RS-232接口，接口定义为DCD\RXD\TXD\DTR\GND\DSR\RTS\CTS\RI> 一路选用MAX3380,2TX/2RX普通Transceiver，传输速率460kbps，连接RXD\CTS\TXD\RTS\GND> 一路选用MAX3245，3TX/5RX高速Transceiver，传输速率1Mbps，全部连接2、RJ-45> 一路以太网控制器，ISABUS接口，推荐使用CS8900A> 输入电压：3.3V（模拟\数字），0.1uF去耦电容> 20MHz无源晶振时钟，双端输入> TX/RX差分信号输出> 双向buffer> 主要器件：以太网控制器CS8900ABuffer74VCX16324520MHzCrystalNVRAMAT93C46A内部集成X'FMR的RJ-45接口3、USB2.0OTG> 两路高速（全速）USB2.0OTGTransceiver，推荐使用ISP1504A> 输入电压：5V\3.3V\2.8V\1.8V,0.1uF滤波电容，利用电源分配开关提供5V电压给USB 接口> 19.2MHz无源晶振时钟，双端输入> 一路标准USB接口，接口定义为5V\D-\D+\GND> 一路MiniUSB接口，接口定义为5V\D-\D+\ID\GND,ID连接TransceiverID引脚，标准USB接口没有该功能，TransceiverID引脚经1K电阻接地> 主要器件：高速（全速）USB2.0OTGTransceiverISP1504A19.2MHzCrystal双路USB电源分配开关MIC2536ESDFilterIP4059（可选）4、CMOS摄像头> CMOS摄像头接口没有固定标准，可以采用48PinCSIConnector，包括CSI数据传输（MCLK\FV\LV\PIXCLK\DATA[15:0]）、GPIO传感器控制（RESET\POWD）、I2C（SDA\SCLK）和电源供电四个部分> 输入电压：2.8V\1.8V（模拟\数字），0.1uF滤波电容> 一般摄像头都是8bit数据> 信号接上拉电阻，最好都通过buffer驱动和FPGA通信> 我们现在有一个Freescale的CMOS摄像头，48PinCSIConnector接口，只需安装驱动程序即可5、CF&SDCard> CF&SD都可作为外设存储器，SD卡可兼容MMC卡，3.3V输入电压> SD9Pin结构，接口定义为Data2\Data3\CMD\gnd\3.3V\CLK\gnd\DataO\Data1，FPGA输出的Data可直接连接外设存储器> MMC7Pin结构，两侧比SD卡各少一个Datapin> CF50Pin结构较复杂，从功能上说，SD可以实现大容量存储，个人认为不需要再在板上设计CF接口> 接口选择：CFSAMTECCFT-150（可选）6、JTAG> JTAG有20Pin和14Pin两种标准接口，两者电气特性一致，没有本质差别> 为TRST\TDI\TMS\NRST可接不高于10K上拉电阻防止误触发> TCK\RTCK可接不高于10K下拉电阻防止误触发> VCC3.3V供电，Vref也可直接连接3.3V7、键盘> 外接键盘采用20PIN接口> 接口定义如下图8、LCD接口>配合我们目前有的一套34PINSHARPLCD接口，接口定义如下:vcc1•2GNDOE_ACD34FLM_VSYNG_SPSLP_HYSYNC5«6LSGLKLD5_B57■8LD4_B4LD3_B39■10LD2_B2LD11_G51112LD10_G4LD9_G31314LD8_G2LD17_R515«16LD16_R4LD15.R317«18LD14_R2 CONTRAST19•20LCDON SPL.SPR21«22REVPS23«24GLSLD1_B125■26LDO_BOLD7_G127■28LD6_G0LD13_R12930LD12_R0TOP31«32BOTTOMLEFT33«34RIGHT >40PIN并口LCD,接口定义如下图DVDD_1.8V IPU_SD_CLK SERLCD_CS LGDRST2GNDLED_AD1LED_AD2GPIO13V3IPU_SD_D_IOIPU_SER_RSTIPU_SD_D_ICVDD_£775VPM_VBLITELED L KPGPIO2IPU_VSYNCHO1•«2IPU_LD0IPU_LD134IPU_LD2IPU_LD956IPU_LD4IPU_LD578IPU_LD17IPU_LD8910IPU_LD7IPU_LD61112IPU_FAR_RSTLCDRSTO1314IPU_WRIPU_LD915163V3IPU_LD111718IPU_LD10IPU_LD191920GNDIPU_LD152122IPU_LD12IPU_LCS02324IPU_LD14IPU_RD2526IPU_LD16LED_MD12728PM_VBLITELED_MD22930LED_MD3LED_MD43132NCGND3334CVDD_2.775VLED_KP3536NCDVDD_1.8V3738NVCC7GPIO13940GPIO2>16PIN串口LCD,接口定义如下图> 5V/3.3V/2.8V/1.8V供电，加10uF滤波电容9、MICTOR> TektronixandAgilentlogicanalyzerconnectors> Agilent有90Pin、40Pin两种标准接口，我们选用40Pin接口，3.3V供电> 要和JTAGTRST/TDI/TDO/TCK/TMS五个引脚连接> 数据和时钟引脚可根据Agilent式样书布线> MICTOR选择依赖逻辑分析仪设备厂家的标准，不同的厂家标准不同，也可参考FS2公司的产品说明，对应38PinMictor10、板间高密度高速接口现在还不能确定基板和核心板间有多少线需要连接，SAMTECDPAF-3.0高密接口有184Pin,占用面积合适（1*5cm）,围绕核心板边放置4个高密接口可以有4*184=736Pin应该可以满足设计需求。

FPGA是Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，是一种可编程的集成电路芯片，目前使用较多的是以下几种FPGA芯片：我们所采用的FPGA芯片为Cyclone ⅡEP2C5Q208C8N1.核心板EP2C5Q208C8N介绍（1）简介核心板主芯片采用CycloneII FPGA芯片EP2C5Q208C8，它拥有4,608个LEs，片上RAM 共计119,808bits），13个18×18硬件乘法器、2个高性能PLL以及多达142个用户自定义IO。

板上提供了大容量的SDRAM和Flash ROM等存储单元。

标准的2.54mm间距的扩展插座供用户方便使用，电源管理模块只需要外接DC5V电源即可。

所以，不管从性能上而言，还是从系统灵活性上而言，无论您是初学者，还是资深硬件工程师，它都会成为您的好帮手。

（2）特点1. 系用双层PCB 设计，高密度走线。

电源和时钟设计完善，性能稳定可靠、结构美观。

支持FPGA 开发，提供引脚信息，预留PLL 资源，支持扩展设计；2. 该核心板配置有Flash 和SDRAM，是一块独立的SOPC 最小系统板，支持SOPC 开发，支持基于Nios II软核处理器和多内核的开发；3. 核心板适合于产品原型的快速开发、学生参加各种电子设计大赛、学习FPGA 和SOPC 设计技术等，亦可用于系统设计前期快速评估设计方案；4. 例程采用了模块化设计的方案，简单明了，容易上手。

例程中的各个功能模块可在以后的项目开发中直接使用，可加快项目的系统搭建速度，实用性强；5. FPGA 的所有I/O 口全部引出，均可用于扩展。

6. 性价比高。

针对学生用户定价，让更多的学生加入FPGA 学习的行列。

（3）核心板详细配置1. FPGA 芯片：EP2C5Q208C8 / EP2C8Q208C8EP2C5Q208C8：含4,608 Les；119,808 RAM bits；2 个PLL；13 Multipliers；143 个I/O 口EP2C8Q208C8：含8,256 Les；165,888 RAM bits；2 个PLL；18 Multipliers；139 个I/O 口2. 配置芯片：EPCS1 / EPCS4 FPGA 串行配置芯片含1 M bit Flash / 4 M bit FlashEP2C5Q208C8：配置EPCS1EP2C8Q208C8：配置EPCS43. FLASH：AM29LV160DB 16M bit（2 M×8 Bit/1 M×16 Bit）4. SRAM ：IS61LV25616 256K×16 Bit5. I2C 存储器电路：24LC16B 16K bit（8 Blocks×256×8 Bit）6. SPI 存储器电路：93LC46B 1K bit（64×16 Bit）7. 有源晶振：50 MHz8. 电源芯片：LM1117-3.3V、LM1117-1.5V9. 调试接口：AS、JTAG 调试接口10.核心板尺寸：100mm×79mm2.音频采集WM8731芯片介绍简介WM8731是一款带有集成耳机驱动器的极低功耗、高质量音频编码解码器，专为便携数字音频应用而设计。

Titan2 FPGA开发平台用户手册P390核心板2 / 24芯驿电子科技（上海）有限公司文档版本控制目录文档版本控制 (2)目录 (3)(一) 简介 (4)(二) FPGA芯片 (5)(三) DDR4 (6)(四) QSPI Flash (11)(五) 时钟配置 (12)(六) LED灯 (14)(七) 电源 (15)(八) 结构图 (16)(九) 连接器管脚定义 (16)3 / 244 / 24芯驿电子科技（上海）有限公司(一) 简介P390(核心板型号，下同)核心板，FPGA 芯片是基于紫光同创FPGA Titan2的主芯片PG2T390HFFBG900设计。

核心板在FPGA 的HP 端口上连接了4片DDR4存储芯片组成64位的数据带宽，每片DDR4容量高达2GB 。

HP 端的内存带宽高达100Gb/s （1600M*64bit)。

另外核心板上也集成了1片128MBit 大小的QSPI FLASH ，用于启动存储配置和系统文件。

这款核心板的4个板对板连接器扩展出了276个IO ，其中BANK L1和BANK L2的92个IO 的电平可以通过更换核心板上的LDO 芯片来修改，满足用户不用电平接口的要求；另外核心板也扩展出了16对高速收发器接口。

对于需要大量IO 的用户，此核心板将是不错的选择。

而且IO 连接部分，FPGA芯片到接口之间走线做了等长和差分处理，并且核心板尺寸仅为80*60（mm ），对于二次开发来说，非常适合。

P390核心板正面图5 / 24(二) FPGA 芯片前面已经介绍过了，我们所使用的FPGA 型号为PG2T390HFFBG900，属于紫光同创公司Titan2系列的产品，速度等级为6，温度等级为工业级。

此型号为FFBG900封装，900个引脚。

紫光同创 Titan2 FPGA 的芯片命名规则如下：图2-1-1为开发板所用的FPGA 芯片实物图。

图2-2-1 FPGA 芯片实物6 / 24芯驿电子科技（上海）有限公司Titan2 FPGA 电源有V CC , V CCA, V CC_DRM ，V CCB, V CCIO, V VCC_HP ，V HSSTAVCC 、V HSSTAVCCPLL 、V HSSTVCCA 。