[经验]

介绍设计一款FPGA最小系统的过程

2023-3-27 11:57:14

1509 FPGA开发板 LCD屏 PCB板滤波电容

　　一。确定方案和目的
　　FPGA 开发板目前存在芯片昂贵、引脚多、电路复杂、编程困难、采购困难等因素，从而导致国内中低端产品很少使用，所以研发一块适合大众的、能够比较简单入门的FPGA最小系统是有必要的。
　　本节介绍设计一款FPGA最小系统的过程，通过设计来学习PCB电路板（四层）和FPGA编程入门知识，具体要求如下：
　　方案：调试芯片+FPGA芯片+闪存要求：
　　01. 了解FPGA芯片最小系统的构成，和简单的数字电路；
　　02. 了解高云晨曦系列FPGA芯片的使用和编译方法；
　　03. FPGA最小系统要有LED显示、LCD屏幕显示、红外遥控功能；
　　04. 设计最小系统电路板要做到最小，推荐四层电路板；
　　05. 进行电路板的实际加工和贴片，了解电路板的整体过程；

　　二。理论依据
　　01. 查询高云FPGA晨曦系列的芯片参数、封装、电气特点等等；
　　02. 然后学习FPGA数字电路设计代码的编写和构建；
　　03. 查询LED芯片、LCD屏幕、可编程LED、红外芯片等外围芯片手册的说明；

　　三。原理图纸绘制

　　01. FPGA芯片的电源要求高，需要设计好电源电压和内核电压，稳压电路的设计；
　　02. FPGA芯片需要设计下载电路，推荐下载器下载；
　　03. 也可使用CH521下载，下载方式请参考荔枝糖FPGA开发板方式；
　　04. FPGA芯片的外围电路一定设计好，滤波电容和消磁电感、有源晶振等；
　　05. 根据LCD屏幕、可编程LED、红外芯片说明等电路的设计；
　　四。 PCB电路板设计

　　01. 首先确定PCB电路板板框，匹配通用的USB外壳（U盘类）；
　　02. 要选型每一个器件的封装，贴片电阻电容类、芯片封装类、插接件类；
　　03. 也可使用CH521下载，下载方式请参考荔枝糖FPGA开发板方式；
　　04. 电路板器件的布局，注意信号屏蔽和功能分类等；
　　05. 器件比较多需要进行四层布线、建立专门的电源层；
　　06. 器件标注小取消标注，但是在贴片的时候需要提供器件位号的图纸；
　　07. 器件的采购分为平台提供、客户提供、不贴的器件，需要分类整理；
　　08. BOM表单需要详细的型号，和部分兼容型号；
　　09. PCB下单需要考虑贴片的可行性，贴片有最小尺寸要求，不满足需要拼版处理；
　　10. PCB拼版需要加入工艺边、点位点、或者邮票孔；

　　五。电路板加工
　　01. PCB设计完成需要进行规则检查，满足最基础的规则约束；
　　02. PCB规则通过后，还需要需要进行可加工性能评估，进行Gerber检查项目下图；
　　03. 完整的加工主要是PCB电路板下单、SMT贴片下单、BOM器件订单；
　　04. 电路板的拼版，注意贴片机最小要求尺寸；
　　05. 大约1周左右加工完成，实物如下

　　六。 FPGA程序下载测试

　　module led （
　　input sys_clk，
　　input sys_rst_n，
　　output reg ［2:0］ led // 110 B， 101 R， 011 G
　　）;
　　reg ［23:0］ counter;
　　always @（posedge sys_clk or negedge sys_rst_n） begin
　　if （！sys_rst_n）
　　counter 《= 24‘d0;
　　else if （counter 《 24’d100） // 0.5s delay
　　counter 《= counter + 1;
　　else
　　counter 《= 24‘d0;
　　end
　　always @（posedge sys_clk or negedge sys_rst_n） begin
　　if （！sys_rst_n）
　　led 《= 3’b110;
　　else if （counter == 24‘d100） // 0.5s delay
　　led［2:0］《= {led［1:0］，led［2］};
　　else
　　led 《= led;
　　end
　　endmodule
　　01. 首先进行创建定义信号线和寄存器；
　　02. 上升沿触发计时器进行计数和相关数字逻辑；
　　03. 进行逻辑分析仪采集实际输出信号，确定时间和数字的正确；

原作者：Dream_doing 千里优选教学基地