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隨著芯片制造工藝的進步和EDA開發工具的發展，FPGA芯片的應用領域越來越廣泛，掌握FPGA設計技術已經成為一個電子設計工程師的必備技能。對初學者來說，有一塊好的FPGA開發板對學習FPGA設計非常重要，ZX-2開發板就是至芯科技專門為零基礎的FPGA初學者推出的一塊FPGA開發板。 ZX-2開發板實物如圖所示，隨開發板贈送的有一條FPGA下載線和一條USB數據線。下載線可進行JTAG方式下載和AS方式下載，USB數據線是USB轉串口模塊與PC進行通信使用，此外整個板卡的電源也通過USB數據線來提供，省去了外部電源的連接，使整個板卡更加簡潔易用。 板卡上主要芯片、功能模塊和接口： 1.FPGA主芯片：ALTERA 公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8。Cyclone IV系列是ALTERA公司推出的被市場廣泛認可的低成本、低功耗的FPGA系列。該芯片有6272個邏輯單元（LE），270Kbits嵌入式存儲器，15個嵌入式18×18乘法器，2個通用PLL，10條全局時鐘網絡，8個用戶IO塊，最大用戶IO個數為91。 板卡提供JTAG和AS兩種配置FPGA接口，JTAG方式主要用于板卡調試，下載速度快，但程序不會寫入存儲器，掉電后需要重新用JTAG下載后FPGA才能工作。AS方式可以將配置程序燒寫到非易失存儲器中，掉電再次上電后FPGA可以從存儲器中讀取配置開始工作。用戶可根據板卡上的絲印選擇對應的配置接口連接下載線進行FPGA配置。 2.存儲器：ZX-2上有三種存儲器：SDRAM（hynix公司的HY57V281620A，容量128Mbit），E2PROM（micochip的24LC64，容量64Kbit)，FLASH(ST公司的M25P16，容量16Mbit)。其中M25P16是FPGA配置信息存儲芯片，板卡所選的FPGA型號芯片的配置文件大約2Mbit，剩余容量可供用戶使用。 3.電源：ZX-2板卡通過B型USB接口與PC機USB連接的5V電壓來供電，通過AMS1117芯片產生3.3V，2.5V，1.2V三種電壓。 4.時鐘：ZX-2上有一個50M的晶體振蕩器，該時鐘通過專用時鐘管腳引入FPGA。FPGA內部有2個通用PLL，該時鐘可以作為PLL的輸入時鐘用來生成所需要的其他頻率的時鐘。 5.USB-RS232接口：ZX-2板卡上的B型USB接口除了是供電接口外，也是USB-RS232模塊與PC進行通信的接口。板卡選用Prolific公司生產的PL2303作為USB-RS232的轉換芯片，該器件作為USB-RS232雙向轉換器，一方面從主機接收USB數據并將其轉換為RS232信息流格式發送給外設；另一方面從RS232外設接收數據轉換為USB數據格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發者無需考慮固件設計。 6.VGA接口：VGA接口與FPGA直接使用電阻分壓進行數模轉換，由FPGA產生8bit圖像數據信號和行場同步信號，可實現256色顯示。 7.PS2接口：ZX-2提供了一個PS2接口，可外接PS2接口的鼠標和鍵盤，PS2直接引入了FPGA內部，可以在FPGA內部編寫代碼模塊來解析鼠標或鍵盤的輸入信息。 8.AD/DA模塊：ZX-2板卡選用TI公司的TLC549和TLC5620作為AD和DA轉換芯片，其中TLC549可實現將電位器控制的電壓作為輸入的模擬信號進行AD轉換，TLC5620可將FPGA輸出的數字信號轉換為模擬電壓，并可在測量孔中測量實際轉換得到的電壓值。 9.7段數碼管顯示模塊：ZX-2提供了一個有6個7段數碼管的顯示模塊，FPGA通過譯碼芯片74HC138來控制數碼管的顯示。低電平時點亮對應的顯示段。 10.輕觸按鍵：ZX-2提供了4個輕觸按鍵與FPGA相連，當按鍵按下時輸入給FPGA低電平，松開按鍵時輸入給FPGA高電平。 11.蜂鳴器：當FPGA輸出低電平時蜂鳴器鳴叫。 12.LED燈：ZX-2提供了4個LED燈與FPGA相連，FPGA輸出為低電平時點亮LED燈。 13.擴展接口：擴展接口為間距2.54mm的30 pin接插件，其中有5V,3.3V和地線各兩根，用戶可以用擴展IO數為24。 測試程序說明及測試效果 由于時間所限本測試程序測試方面僅包括LED燈，輕觸按鍵，7段數碼管，VGA接口。具體實現功能如下： 1.多種LED燈顯示效果：實現了LED燈的8種顯示效果，分別為從左到右單個循環點亮，從左到右依次點亮再依次熄滅，從左到右依次點亮反序熄滅，從右到左單個循環點亮，從右到左依次點亮再依次熄滅，從右到左依次點亮反序熄滅，兩邊先亮中間后亮，中間先亮兩邊后亮。 2.數字時鐘：實現一個24小時數字時鐘，并在7段數碼管上顯示出來，時鐘具有對時功能和鬧鐘功能，可以使用輕觸按鍵進行時鐘對時和鬧鐘時間設定。 在時鐘正常顯示時，點一下按鍵S1后可以發現時鐘的小時部分開始閃爍，表明此時可以進行小時數值的修改，此時每點一次按鍵S2，小時數字加1，每點一次按鍵S3小時數字減1，設置好小時后，再次點按鍵S1，分鐘數值閃爍，表明可設置分鐘，可以用按鍵S2、S3進行設置，同樣的方法設置秒鐘的數值，當時間設定完成后點按鍵S4來確定時間設置完成。 在時鐘正常顯示時，點住按鍵S1約5秒鐘可以發現全部時鐘數值部分開始閃爍，表明此時可以進行鬧鐘時間設定，此時松開按鍵S1可發現小時數值閃爍頻率較快，表明當前可進行鬧鐘的小時數值設定，可以用按鍵S2、S3進行設置，輕點按鍵S1，分鐘數值閃爍較快，表明當前可進行鬧鐘的分鐘數值設定，可以用按鍵S2、S3進行設置，再次輕點按鍵S1，秒鐘數值閃爍較快，表明當前可進行鬧鐘的秒鐘數值設定，可以用按鍵S2、S3進行設置，設置完成后點按鍵S4來確定鬧鐘時間設置完成。當時鐘走到設定的鬧鐘時間時，蜂鳴器將發出一秒的鳴叫。 3.VGA圖像輸出：實現分辨率為1024*768@60的圖像輸出，交替輸出不同的四種圖像進行測試，在圖像上疊加了與數字時鐘顯示一致的時間顯示和至芯科技的logo圖。 實現效果如下圖所示： 試用總結 作為一款專門針對零基礎FPGA初學者的開發板，ZX-2選擇了簡單易用的ALTERA的cyclone IV作為入門學習的FPGA，quartus2作為開發環境，能很快讓初學者掌握FPGA設計的基本流程，ZX-2提供了基本的輸入輸出模塊和顯示模塊，可滿足初學者根據需要進行一些實踐操作來更深入的理解FPGA設計。隨著學習的深入還可以充分利用板上的SDRAM和串口等資源來進行基于嵌入式軟核NIOS ii的入門學習。 |
