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ZYNQ核心板學習筆記

FPGA技術江湖 ? 來源:數字積木 ? 2024-10-24 18:08 ? 次閱讀

以下文章來源于數字積木,作者數字積木

1,板卡概述

此款開發板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片,型號為 XC7Z020-2CLG484I,484 個引腳的 FBGA 封裝。ZYNQ7000 芯片可成處理器系統部分 Processor System(PS)和可編程邏輯部分 Programmable Logic(PL)。在 該開發板上,ZYNQ7000 的 PS部分和 PL 部分都搭載了豐富的外部接口和設備,方便用戶的使用和功能驗證。另外開發板上集成了 JTAG_UART 下載器電路,用戶只用一個 USB 線就可以對開發板進行下載和調試。下圖為整個板卡的系統組成圖 :

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該開發平臺定位于初學者的入門學習以及功能開發驗證使用。

開發平臺所能含有的接口和功能如下:

USB TYPE-C電源輸入接口,支持DP協議電源輸入 ,支持5V,9V,12V 等電壓配置,默認輸入配置為12V ;

采用 TI的型號為 TPS82130SILT的 MicroSiP 電源模塊 ,為板上提供 1.0V, 1.5V,1.8V,3.3V,5.0V等多路供電

Xilinx ARM+FPGA 芯片 Zynq-7000 XC7Z020-2CLG484I

兩片大容量的 4Gbit(共 8Gbit)高速 DDR3 SDRAM,可作為 ZYNQ 芯片數據的緩存,也可以作為操作系統運行的內存 , DDR型號為 MT41K256M16TW-107IT 。

一片 256Mbit 的 QSPI FLASH, 可用作 ZYNQ 芯片的系統文件和用戶數據的存儲 ,flash型號為 N25Q128A13ESE40F ;

1 路 Micro SD 卡座,用于存儲操作系統鏡像和文件系統。

一片EMMC芯片 ,容量為 8Gbytes , 用于存儲操作系統鏡像和文件系統 , 型號為 MTFC8GAKAJCN-4M。

一路10/100M/1000M以太網RJ45接口, 可用于和電腦或其它網絡設備進行以太網數據交換;

一路 HDMI 圖像視頻輸出接口, 能實現 1080P 的視頻圖像傳輸;

板載一個 33.333Mhz 的有源晶振,給 PS 系統提供穩定的時鐘源,一個 50MHz 的有源晶振,為 PL 邏輯提供額外的時鐘;

一路 USB JTAG 口,集成有JTAG和UART功能,通過 USB 線及板載的 JTAG 電路對 ZYNQ 系統進行調試和下載。

一片 IIC 接口的 EEPROM ,型號為 M24C08-WDW6TP , 容量為 1Kbytes;

通過跳線帽進行啟動模式修改,支持JTAG,SD卡,FLASH啟動模式,方便用戶開發調試 。

一路USB接口 , 可用于開發板連接鼠標、鍵盤和 U 盤等 USB 外設;

2個FPGA狀態指示燈(DONE , INIT_B),用于方便查看FPGA的狀態 。

2 個系統復位按鍵, 采用專用的復位芯片,用于控制芯片的系統復位 ;

4 個用戶發光二極管 LED,包括2個單色LED和2個RBG LED ,均連接在PL端進行控制;

2 個FPGA狀態指示燈 ,連接到FPGA的DONE和INIT引腳上,用于標識FPGA配置完成以及初始化狀態。

3個電源狀態指示燈,分別用于標識電源輸入有效,調試口輸入有效,以及電源模式輸出有效。

2 個 PL 控制按鍵,4個微型撥碼開關,均連接在PL端。

一片IIC接口的溫度傳感器芯片,可用于檢測環境溫度。

LCD屏幕接口,采用RGB888時序接口,支持顯示屏幕 以及觸摸功能。

板卡設計有OLCD屏幕接口,采用IIC接口,支持簡單內容的顯示。

一路風扇控制接口,12V供電,支持PWM風扇調速 。

2 路 40 針的擴展口(2.54mm 間距),用于擴展 ZYNQ 的 PL 部分的 IO。

2,結構尺寸

開發板的尺寸為精簡的 80mm x 75mm, PCB 采用 10 層板設計。板子四周有 4 個螺絲定位孔,用于固定開發板,定位孔的孔徑為 2.5mm(直徑),下圖為整個板卡的結構示意圖:

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板卡實物圖如下 :

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3,電源設計

3.1 電源輸入

采用USB TYPE-C電源輸入為板卡供電,供電的USB連接器位號為 J21,LED9為電源輸入指示燈 ,當電源輸入有效時,LED9點亮 。

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3.2 PD協議

通過CH224K芯片提供 PD 供電支持 ,支持5V,9V,12V 等電壓請求,默認輸入配置為12V 。

CH224 單芯片集成 USB PD 等多種快充協議,支持 PD3.0/2.0,BC1.2 等升壓快充協議,支持 4V 至 22V 輸入電壓,自動檢測VCONN 及模擬 E-Mark 芯片,最高支持 100W 功率,內置 PD 通訊模塊,集成度高,外圍精簡。集成輸出電壓檢測功能,并且提供過溫、過壓保護等功能。可廣泛應用于各類電子設備拓展高功率輸入如無線充電器、電動牙刷、充電剃須刀、鋰電池電動工具等各類應用場合。

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CH224K 使用 Type-C 母口供電,電平配置支持 5/9/12/15/20V(圖中電平方式配置為 12v),通過修改 CFG1 ,CFG2,CFG3的連接關系來配置請求電壓 ,用戶可修改 CFG 引腳的配置來調整輸入請求電壓 。實際請求的電壓取決于電源適配器支持的輸出模式 。

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3.3 排針供電

板卡還設計有一路排針的電源接口 ,可作為電源輸入或輸出使用 。排針位號為 J6 , 為 2.54mm 間距的 4PIN 單排排針 。

當用戶不方便使用 Type-C 接口供電時, 也可使用該排針接口為板卡進行供電 ,輸入電壓支持 5V- 15V 范圍 。

或者使用 Type-C 接口供電時,該接口也可支持為其他模塊提供供電 。

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3.4 電源模塊

采用 TI的型號為 TPS82130SILT的 MicroSiP 電源模塊 ,為板上提供 1.0V, 1.5V,1.8V,3.3V,5.0V等多路供電 ;通過 TI 的 TPS51200 生成 DDR3 需要的 VTT 和 VREF 電壓。

TPS82130 是一款 17V 輸入 3A 降壓轉換器 MicroSiP 電源模塊,經優化具有小解決方案尺寸和高效率等特性。該模塊集成了一個同步降壓轉換器和一個電感器,以簡化設計、減少外部元件數量并縮小 PCB 面積。該模塊采用緊湊的薄型封裝,適合通過標準表面貼裝設備進行自動組裝。

TPS51200 器件是一款灌電流和拉電流雙倍數據速率 (DDR) 終端穩壓器,專門針對低輸入電壓、低成本、低噪聲的空間受限型系統而設計。

各個電源分配的功能如下表所示:

電源 功能
+1.0V ZYNQ的核心電壓
+1.5V DDR3 , ZYNQ Bank502
+1.8V ZYNQ 輔助電壓, ZYNQ PLL, ZYNQ Bank501 VCCIO, 以太網,USB2.0 等
+3.3V ZYNQ VCCIO, 以太網,串口,HDMI ,FLASH, EEPROM , SD card 等
+5.0V LCD ,HDMI , 擴展接口
VREF, VTT DDR3

因為 ZYNQ 的 PS 和 PL 部分的電源有上電順序的要求,在電路設計中,按照ZYQN 的電源要求設計,上電依次為 1.0V -> 1.5V -> 1.8 V -> 3.3V -> 5.0V 。下圖為電源的電路設計:

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3.5FPGA供電系統

ZYNQ 芯片的電源分 PS 系統部分和 PL邏輯部分,兩部分的電源分別是獨立工作。PS 系統部分的電源和 PL 邏輯部分的電源都有上電 順序,不正常的上電順序可能會導致 ARM 系統和 FPGA 系統無法正常工作。

PS 部分的電源有 VCCPINT、VCCPAUX、VCCPLL 和 PS VCCO。VCCPINT 為 PS 內核供電引腳,接 1.0V;VCCPAUX 為 PS 系統輔助供電引腳,接 1.8V;VCCPLL 為 PS 的內部時鐘PLL 的電源供電引腳,也接 1.8V;PS VCCO 為 BANK 的電壓,包含 VCCO_MIO0,CCO_MIO1 和 VCCO_DDR,根據連接的外設不同,連接的電源電源也會不同,在該核心板上,VCC_MIO0 連接 3.3V, VCCO_MIO1 連接 1.8V,VCCO_DDR 連接 1.5V。PS 系統要求上電順序分別為先 VCCPINT 供電,然后 VCCPAUX 和 VCCPLL,最后為 PS VCCO。斷電的順序則相反。

PL 部分的電源有 VCCINT, VCCBRAM, VCCAUX 和 VCCO。VCCPINT 為 FPGA 內核供電引腳,接 1.0V;VCCBRAM 為 FPGA Block RAM 的供電引腳;接 1.0V;VCCAUX 為 FPGA輔助供電引腳, 接 1.8V;VCCO 為 PL 的各個 BANK 的電壓,包含 BANK13,BANK34,BANK35,在 AX7020 開發板上,BANK 的電壓連接 3.3V。PL 系統要求上電順序分別為先VCCINT 供電,再是 VCCBRAM, 然后是 VCCAUX,最后為 VCCO。如果 VCCINT 和 VCCBRAM的電壓一樣,可以同時上電。斷電的順序則相反。

4,ZYNQ7000

4.1 主芯片介紹

開發板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片,型號為 XC7Z020-2CLG484I。

zynq7000系列的結構如下圖所示。芯片的 PS 系統集成了兩個 ARM Cortex-A9 處理器,AMBA互連,內部存儲器,外部存儲器接口和外設,外設主要包括 USB 總線接口,以太網接口,SD/SDIO 接口,I2C 總線接口,CAN 總線接口,UART 接口,GPIO 等。

PL端結構與A7系列相似,大體就包括電源模塊、時鐘CMT、IO模塊(IOB、GTP、memory interface、pcie)、CLB、BRAM、GTP、DSP、jtag調試口等。

PS端包含1個APU單元,APU內有兩個cotex-a9核用于運算,一個SCU用于處理數據的一致性,然后包含L1、L2級緩存,一個GIC用于中斷控制,一個256KB SRAM用于程序運行,另外包含TTC、看門狗、DAP調試口等。PS端還包含一個Central Interconnect,用于互連IOP(CAN、SPI、UART、SD、USB、ETHERNET等外設),互連flash,互連DDR,互連OCM Interconnect。PS端還包含clock生成模塊、復位模塊等。

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4.2 ZYNQ7000命名規則

Zynq其命名規則遵循一定的規則和約定。型號由系列代號,數字序列,速度等級,封裝類型,溫度等級等部分組成, 例如,Zynq-7000系列包括Zynq-7010、Zynq-7020、Zynq-7030、Zynq-7040、Zynq-7100、等型號,其中數字和字母的組合表示不同的芯片性能等級,速度等級包括 -1 ,-L1,-2 ,-L2,-3等,溫度等級支持商業級,工藝級等。詳細內容見于下圖 :

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4.3 芯片資源

PS 系統部分的主要參數如下:

基于 ARM 雙核 CortexA9 的應用處理器

每個 CPU 32KB 1 級指令和數據緩存,512KB 2 級緩存 2 個 CPU 共享

片上 boot ROM 和 256KB 片內 RAM

外部存儲接口,支持 16/32 bit DDR2、DDR3 接口

兩個千兆網卡支持:發散-聚集 DMA ,GMII,RGMII,SGMII 接口

兩個 USB2.0 OTG 接口,每個最多支持 12 節點

兩個 CAN2.0B 總線接口

兩個 SD 卡、SDIO、MMC 兼容控制器

2 個 SPI,2 個 UARTs,2 個 I2C 接口

4 組 32bit GPIO,54(32+22)作為 PS 系統 IO,64 連接到 PL

PS 內和 PS 到 PL 的高帶寬連接

PL 邏輯部分的主要參數如下:

邏輯單元 Logic Cells:85K

查找表 LUTs: 53,200

觸發器(flip-flops): 106,400

乘法器 18x25MACCs:220

Block RAM:4.9 Mb

兩個 AD 轉換器,可以測量片上電壓、溫度感應和高達 17 外部差分輸入通道,最大轉換速率為1MBPS

4.4 各bank電壓

該主芯片的各個BANK功能以及BANK描述如下 :

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FPGA的器件管腳按照Bank進行劃分,每個Bank獨立供電,以使FPGA I/O適應不同電壓標準,增強I/O設計的靈活性。主芯片各個板卡的設計如下表:

BANK 設計電壓 備注
BANK0 3.3V 配置BNAK
BANK13 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK33 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK34 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK35 1.8V PL_IO , HR BANK
BANK500 3.3V PS_MIO
BANK501 1.8V PS_MIO
BANK502 1.5V PS_DDR

4.5 調試接口

板卡集成由一路 USB JTAG 口,集成有JTAG和UART功能,通過 USB 線及板載的 JTAG 電路對 ZYNQ 系統進行調試和下載,無需外置仿真器和串口調試器。用戶無需購買額外的下載器,只要一根 USB 線就能進行 ZYNQ 的開發和調試了,調試的USB接口位號為 J8 。當調試USN輸入有效時,LED10會點亮。

通過 FT2232H 提供JTAG和UART支持 。FT2232H是一個USB2.0高速(每秒480兆位)至UART/FIFO 芯片。具有在多種工業標準串行或并行接口配置的能力。有兩個多協議同步串行引擎(MPSSE)允許使用JTAG,I2C和SPI兩個通道同時進行通信。多協議同步串行引擎 (MPSSE) 是某些 FTDI 客戶端 IC 的一項功能,允許模擬多種同步串行協議,包括 SPI、I2C 和 JTAG。

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5,時鐘配置

板上分別為 PS 系統和 PL 邏輯部分提供了有源時鐘, PS 系統和 PL 邏輯可以單獨工作。

5.1 PS系統時鐘源

ZYNQ 芯片通過開發板上的 X1 晶振為 PS 部分提供 33.333MHz 的時鐘輸入,3.3V 供電。時鐘的輸入連接到 ZYNQ 芯片的 BANK500 的 PS_CLK_500 的管腳上。其原理圖如圖 所示:

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時鐘引腳分配:

信號名稱 ZYNQ 引腳
PS_CLK_500 F7

5.2 PL系統時鐘源

板上提供了單端 50MHz 的 PL 系統時鐘源,3.3V 供電。晶振輸出連接到FPGA 的全局時鐘(MRCC),這個 GCLK 可以用來驅動 FPGA 內的用戶邏輯電路。該時鐘源的原理圖如圖所示

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時鐘引腳分配:

信號名稱 ZYNQ 引腳 ZYNQ IO 電平
FPGA_CLK_50M Y19 3.3V

6,PS端設計

6.1 啟動模式配置

板卡支持三種啟動模式。這三種啟動模式分別是 JTAG 調試模式,QSPI FLASH 和 SD 卡啟動模式。ZYNQ 芯片上電后會檢測響應 MIO 口的電平來決定那種啟動模式。用戶可以通過核心板上的跳線來選擇不同的啟動模式 。

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ZYNQ7000 完整的啟動模式MIO配置如下表 (節選自UG585):

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6.2 QSPI FLASH

開發板配有一片 256Mbit 大小的 Quad-SPI FLASH 芯片,型號為 N25Q128A13ESE40F ,它使用3.3V CMOS 電壓標準。由于 QSPI FLASH 的非易失特性,在使用中, 它可以作為系統的啟動設備來存儲系統的啟動鏡像。這些鏡像主要包括 FPGA 的 bit 文件、ARM 的應用程序代碼以及其它的用戶數據文件。

SPI FLASH 連接到 ZYNQ 芯片的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上,在系統設計中需要配置這些 PS 端的 GPIO 口功能為 QSPI FLASH 接口。

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配置芯片引腳分配:

信號名稱 ZYNQ 引腳名 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平
PS_CFG_SPI_CS PS_MIO1_500 A1 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ0 PS_MIO2_500 A2 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ1 PS_MIO3_500 F6 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ2 PS_MIO4_500 E4 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ3 PS_MIO5_500 A3 3.3V
PS_CFG_SPI_SCLK PS_MIO6_500 A4 3.3V

6.3 EMMC

板配有一片大容量的 8GB 大小的 eMMC FLASH 芯片,型號為MTFC8GAKAJCN-4M,它支持 JEDEC e-MMC V5.0 標準的 HS-MMC 接口,電平支持 1.8V或者 3.3V。eMMC FLASH 和 ZYNQ 連接的數據寬度為 4bit。

由于 eMMC FLASH 的大容量和非易失特性,在 ZYNQ 系統使用中,它可以作為系統大容量的存儲設備,比如存儲 ARM 的應用程序、系統文件以及其它的用戶數據文件。

EMMC 連接到了 ZYNQ 的 PS 端接口,接口采用 SD 模式。EMMC 具備體積小,容量大,使用方便,速度快等優點,數據時鐘可以達到 50MHZ。由于直接焊接在板上,因此可以在震動或者環境相對惡劣的場合使用。

eMMC FLASH 連接到 ZYNQ 的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上,在系統設計中需要配置這些 PS 端的 GPIO 口功能為 EMMC 接口。

EMMC 的電路設計如下:

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EMMC 的參數如下:

芯片類型:MTFC8GAKAJCN-4M

容量:8G Byte

廠家:Micron

EMMC芯片引腳分配:

信號名稱 ZYNQ 引腳名 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平
SD1_EMMC_DATA0 PS_MIO10 G7 3.3V
SD1_EMMC_DATA1 PS_MIO13 A6 3.3V
SD1_EMMC_DATA2 PS_MIO14 B6 3.3V
SD1_EMMC_DATA3 PS_MIO15 E6 3.3V
SD1_EMMC_CLK PS_MIO12 C5 3.3V
SD1_EMMC_CMD PS_MIO11 B4 3.3V
SD1_EMMC_RST PS_MIO9 C4 3.3V

6.4 以太網

板卡設計有一路10/100M/1000M以太網RJ45接口, 可用于和電腦或其它網絡設備進行以太網數據交換;

板上通過 Realtek RTL8211E-VL 以太網 PHY 芯片用戶提供網絡通信服務 ,RTL8211E是Realtek瑞昱推出的一款高集成的網絡接收PHY芯片,它符合10Base-T,100Base-TX和1000Base-T IEEE802.3標準,該芯片在網絡通信中屬于物理層,用于MAC與PHY之間的數據通信。目前有RTL8211E-VB-CG、RTL8211E-VL-CG、RTL8211EG-VB-CG等三個版本。

以太網 PHY 芯片是連接到 ZYNQ 的 PS 端 BANK501 的 GPIO 接口上。RTL8211E-VL 芯片支持 10/100/1000 Mbps 網絡傳輸速率,通過 RGMII 接口跟 Zynq7000 PS 系統的 MAC 層進行數據通信。RTL8211E-VL 支持MDI/MDX 自適應,各種速度自適應,Master/Slave 自適應,支持 MDIO 總線進行 PHY 的寄存器管理。

RTL8211E的電路設計如下:

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RTL8211E-VL 上電會檢測一些特定的 IO 的電平狀態,從而確定自己的工作模式。配置電路以及配置項如下圖所示:

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當網絡連接到千兆以太網時,FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的數據傳輸時通過 RGMII總線通信,傳輸時鐘為 125Mhz,數據在時鐘的上升沿和下降樣采樣。

當網絡連接到百兆以太網時,FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的數據傳輸時通過 RMII總線通信,傳輸時鐘為 25Mhz。數據在時鐘的上升沿和下降樣采樣。

以太網引腳分配如下:

信號名稱 ZYNQ 引腳名 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
ETH_GCLK PS_MIO16_501 D6 1.8V RGMII 發送時鐘
ETH_TXD0 PS_MIO17_501 E9 1.8V 發送數據 bit0
ETH_TXD1 PS_MIO18_501 A7 1.8V 發送數據 bit1
ETH_TXD2 PS_MIO19_501 E10 1.8V 發送數據 bit2
ETH_TXD3 PS_MIO20_501 A8 1.8V 發送數據 bit3
ETH_TXCTL PS_MIO21_501 F11 1.8V 發送使能信號
ETH_RXCK PS_MIO22_501 A14 1.8V RGMII 接收時鐘
ETH_RXD0 PS_MIO23_501 E11 1.8V 接收數據 Bit0
ETH_RXD1 PS_MIO24_501 B7 1.8V 接收數據 Bit1
ETH_RXD2 PS_MIO25_501 F12 1.8V 接收數據 Bit2
ETH_RXD3 PS_MIO26_501 A13 1.8V 接收數據 Bit3
ETH_RXCTL PS_MIO27_501 D7 1.8V 接收數據有效信號
ETH_MDC PS_MIO52_501 D10 1.8V MDIO 管理時鐘
ETH_MDIO PS_MIO53_501 C12 1.8V MDIO 管理數據

6.5 DDR

板上配有兩個的4Gbit(512MB)的DDR3芯片(共計8Gbit),型號為 MT41K256M16TW-107IT 。DDR的總線寬度共為32bit。該DDR3存儲系統直接連接到了ZYNQ處理系統(PS)的BANK 502的存儲器接口上。

DDR3 的硬件設計需要嚴格考慮信號完整性,在電路設計和 PCB 設計的時候已經充分考慮了匹配電阻/終端電阻,走線阻抗控制,走線等長控制, 保證 DDR3 的高速穩定的工作。

DDR的電路設計如下圖 :

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6.6 SD 卡

板包含了一個Micro型的SD卡接口,以提供用戶訪問SD卡存儲器,用于存儲ZYNQ芯片的BOOT程序,Linux操作系統內核, 文件系統以及其它的用戶數據文件。SDIO信號與ZYNQ的PS BANK501的IO信號相連,因為該BANK的VCCMIO設置為1.8V,但SD卡的數據電平為3.3V, 我們這里通過 MAX13035EETE+ 電平轉換器來連接。

SD卡的電路設計如下:

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SD 卡槽引腳分配

信號名稱 ZYNQ 引腳名 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
SD0_SDIO_CLK PS_MIO28 A12 1.8V SD時鐘信號
SD0_SDIO_CMD PS_MIO29 E8 1.8V SD命令信號
SD0_SDIO_D0 PS_MIO30 A11 1.8V SD數據Data0
SD0_SDIO_DATA1 PS_MIO31 F9 1.8V SD數據Data1
SD0_SDIO_DATA2 PS_MIO32 C7 1.8V SD數據Data2
SD0_SDIO_DATA3 PS_MIO33 G13 1.8V SD數據Data3
SD0_SDIO_CATAD PS_MIO34 B12 1.8V SD卡插入信號

6.7 USB

板卡使用的USB2.0收發器是一個1.8V的,高速的支持ULPI標準接口的USB3320C-EZK。ZYNQ的USB總線接口和USB3320C-EZK收發器相連接,實現高速的USB2.0 Host模式和Slave模式的數據通信。USB3320C的USB的數據和控制信號連接到ZYNQ芯片PS端的BANK501的IO口上 。

USB2.0 引腳分配 :

信號名稱 ZYNQ 引腳名 ZYNQ 引腳號 備注
OTG_DATA4 PS_MIO40 E14 USB 數據 Bit4
OTG_DIR PS_MIO41 C8 USB 數據方向信號
OTG_STP PS_MIO42 D8 USB 停止信號
OTG_NXT PS_MIO43 B11 USB 下一數據信號
OTG_DATA0 PS_MIO44 E13 USB 數據 Bit0
OTG_DATA1 PS_MIO45 B9 USB 數據 Bit1
OTG_DATA2 PS_MIO46 D12 USB 數據 Bit2
OTG_DATA3 PS_MIO47 B10 USB 數據 Bit3
OTG_CLK PS_MIO48 D11 USB 時鐘信號
OTG_DATA5 PS_MIO49 C14 USB 數據 Bit5
OTG_DATA6 PS_MIO50 D13 USB 數據 Bit6
OTG_DATA7 PS_MIO51 C10 USB 數據 Bit7
OTG_RESETN PS_MIO39 C13 USB 復位信號

7,PL端外設

7.1 用戶LED

板卡設計有4 個用戶發光二極管 LED,包括2個單色LED和2個RBG LED ,均連接在PL端進行控制 ;

LED通過 TXS0108 電平轉換芯片連接到FPGA的引腳 , FPGA一側的的IO電壓為1.8V。當FPGA的IO電平為低時,LED點亮。

LED燈的電路設計如下 ;

1beff6a6-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

LED的 引腳分配 :

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
PL_LED0 B20 1.8V 單色LED0
PL_LED1 B21 1.8V 單色LED1
PL_LED_R0 A22 1.8V RGB_LED0的紅色控制
PL_LED_G0 A21 1.8V RGB_LED0的綠色控制
PL_LED_B0 B22 1.8V RGB_LED0的藍色控制
PL_LED_R1 E20 1.8V RGB_LED1的紅色控制
PL_LED_G1 D21 1.8V RGB_LED1的綠色控制
PL_LED_B1 E21 1.8V RGB_LED1的藍色控制

7.2 按鍵

板卡設計有 2 個 PL 控制按鍵 ,連接在PL端 , FPGA一側的的IO電壓為1.8V ,當按鍵按下時,FPGA側檢測到高電平,按鍵松開時,檢測到低電平。按鍵的電路設計如下:

1c1542b2-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

按鍵的引腳分配如下:

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
PL_BUTTON0 C19 1.8V
PL_BUTTON1 C22 1.8V

7.3 編碼開關

板卡設計有4個微型撥碼開關,連接在PL端,FPGA一側的的IO電壓為1.8V 。

1c55c4d6-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

編碼開關的引腳分配如下:

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
PL_DIP_SW0 C20 1.8V
PL_DIP_SW1 D20 1.8V
PL_DIP_SW2 D22 1.8V
PL_DIP_SW3 E19 1.8V

7.4 調試串口

調試串口設計在PL端,連接到FT2232芯片的串口收發引腳上,IO電平為3.3V。

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
PL_UART0_RX V7 3.3V ZYNQ_UART的RX端
PL_UART0_TX V8 3.3V ZYNQ_UART的TX端

7.5 EEPROM

板卡設計有一片 IIC 接口的 EEPROM ,型號為 M24C08-WDW6TP , 容量為 1Kbytes;

1c78616c-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
EEPROM_SDA AB14 3.3V
EEPROM_SCL AB15 3.3V

7.6 風扇控制

板卡設計有一路風扇控制接口,12V供電,支持PWM風扇調速 。風扇的控制由 ZYNQ 芯片來控制,控制管腳連接到 FPGA的 IO ,如果 IO 電平輸出為高,MOSFET 管導通,風扇工作,如果 IO 電平輸出為低,風扇停止。板上的風扇設計圖如下圖 所示:

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信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
FAN_PWM_3V3 W5 3.3V 風扇控制,PWM信號

7.7 OLED接口

板卡設計有OLCD屏幕接口,采用IIC接口,支持簡單內容的顯示。采用4PIN 2.54間距的單排排針,包括3.3V供電,地,SDA,SCL信號 。

1cbad592-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
EEPROM_SDA AB14 1.8V
EEPROM_SCL AB15 1.8V

7.8 溫度傳感器

板卡設計有一片IIC接口的溫度傳感器芯片,可用于檢測環境溫度。

1ce98784-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
SDA_TEM V22 3.3V
SCL_TEM W22 3.3V

7.9 HDMI

板卡設計有一路 HDMI 圖像視頻輸出接口, 能實現 1080P 的視頻圖像傳輸;開發板上通過 FPGA 的差分 IO直接連接到 HDMI 接口的差分信號和時鐘,在 FPGA 內部實現 HMDI 信號的差分轉并行再進行編解碼,實現 DMI 數字視頻輸入和輸出的傳輸解決方案,最高支持 1080P@60Hz 的輸入和輸出的功能。

板卡上采用 TPD12S016RKTR 芯片作為HDMI的接口防護芯片 。TPD12S016 是一款單芯片高清多媒體接口 (HDMI) 器件,具有自動方向感應 I2C 電壓電平轉換緩沖器、負載開關和集成式低電容高速靜電放電 (ESD) 瞬態電壓抑制 (TVS) 保護二極管。通過 55mA 限流 5V 輸出 (5V_OUT) 為 HDMI 電力線供電。5V_OUT 和熱插拔檢測 (HPD) 電路的控制與 LS_OE 控制信號無關,其通過 CT_HPD 引腳進行控制,使得在啟用 HDMI 鏈路前即可激活檢測方案(5V_OUT 和 HPD)。SDA、SCL 和 CEC 線路上拉到 A 側的 VCCA。在 B 側,CEC_B 引腳上拉到內部 3.3V 電源軌,SCL_B 和 SDA_B 均上拉到 5V 電源軌 (5V_OUT)。SCL 和 SDA 引腳滿足 I2C 規范,可驅動高達 750pF 電容負載,超出了 HDMI 1.4 規范。HPD_B 端口配有毛刺脈沖濾波器,可在插入 HDMI 連接器時避免由插座跳起引起的錯誤檢測。TPD12S016 的 5V_OUT 引腳具有反向電流阻斷功能。系統斷電時,SCL_B、SDA_B 和 CEC_B 引腳也具有反向電流阻斷功能。

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HDMI接口的引腳定義如下 :

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
HDMI_CLK_P L18 3.3V
HDMI_CLK_N L19 3.3V
HDMI_DATA_P0 M15 3.3V
HDMI_DATA_N0 M16 3.3V
HDMI_DATA_P1 J15 3.3V
HDMI_DATA_N1 K15 3.3V
HDMI_DATA_P2 K16 3.3V
HDMI_DATA_N2 L16 3.3V
HDMI_LOS_CE P16 3.3V
HDMI_CT_HPD H15 3.3V
HDMI_HPD P15 3.3V
HDMI_SCL_3V3 R16 3.3V
HDMI_SDA_3V3 R15 3.3V
HDMI_CEC N15 3.3V

7.10 RGB_LCD

板卡設計有LCD屏幕接口,采用RGB888時序接口,支持顯示屏幕以及觸摸功能 。采用FPC連接器和屏幕相連接,FPC引腳定義兼容正點原子的LCD RGB屏幕接口,用戶可自行購買正點原子的RGB LCD顯示屏幕進行開發調試 。

1d72c3be-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

RGB_LCD接口的引腳定義如下 :

信號名稱 ZYNQ 引腳號 ZYNQ IO 電平 備注
LCD_R0 W21 3.3V 8 位 RED 數據線0
LCD_R1 V20 3.3V 8 位 RED 數據線1
LCD_R2 AB22 3.3V 8 位 RED 數據線2
LCD_R3 W20 3.3V 8 位 RED 數據線3
LCD_R4 AB21 3.3V 8 位 RED 數據線4
LCD_R5 AA22 3.3V 8 位 RED 數據線5
LCD_R6 Y21 3.3V 8 位 RED 數據線6
LCD_R7 AA21 3.3V 8 位 RED 數據線7
LCD_G0 Y20 3.3V 8 位 GREEN 數據線0
LCD_G1 AB20 3.3V 8 位 GREEN 數據線1
LCD_G2 V18 3.3V 8 位 GREEN 數據線2
LCD_G3 AA18 3.3V 8 位 GREEN 數據線3
LCD_G4 AB17 3.3V 8 位 GREEN 數據線4
LCD_G5 AA17 3.3V 8 位 GREEN 數據線5
LCD_G6 AB16 3.3V 8 位 GREEN 數據線6
LCD_G7 AA16 3.3V 8 位 GREEN 數據線7
LCD_B0 Y16 3.3V 8 位 BLUE 數據線0
LCD_B1 Y15 3.3V 8 位 BLUE 數據線1
LCD_B2 U21 3.3V 8 位 BLUE 數據線2
LCD_B3 U20 3.3V 8 位 BLUE 數據線3
LCD_B4 U19 3.3V 8 位 BLUE 數據線4
LCD_B5 V19 3.3V 8 位 BLUE 數據線5
LCD_B6 Y18 3.3V 8 位 BLUE 數據線6
LCD_B7 V17 3.3V 8 位 BLUE 數據線7
LCD_CLK W16 3.3V 像素時鐘。
LCD_HSYNC W15 3.3V 水平同步信號。
LCD_VSYNC AA14 3.3V 垂直同步信號。
LCD_DE Y14 3.3V 數據使能信號。
LCD_BL V15 3.3V 背光控制信號。
LCD_RESET U16 3.3V LCD 復位信號(低電平有效)
TP_CS U22 3.3V 電容觸摸屏復位信號(CT_RST)
TP_MOSI U17 3.3V 電容觸摸屏 IIC_SDA 信號(CT_SDA)
TP_MISO T21 3.3V NC,電容觸摸屏未用到
TP_SCK V13 3.3V 電容觸摸屏 IIC_SCL 信號(CT_SCL)
TP_PEN T22 3.3V 電容觸摸屏中斷信號(CT_INT)

7.11 擴展口

擴展口 J2 和J30J均為 40 管腳的 2.54mm 的雙排連接器,為用戶擴展更多的外設和接口,擴展口上包含 5V 電源 1 路,3.3V 電源 2 路,地 3 路,IO 口 34 路。IO 口的信號連接到 ZYNQ PL 的 BANK13 和 BANK34 上,電平為 3.3V。

切勿直接跟 5V 設備直接連接,以免燒壞 FPGA。如果要接 5V 設備,需要接電平轉換芯片。

在擴展口和 FPGA 連接之間串聯了 ESD (Electro-Static discharge , 靜電放電) 防護芯片 ,用于保護 FPGA 以免外界電壓或電流過高造成損壞。

PCB 設計上 P 和 N 的走線使用差分走線,控制差分阻抗為 100 歐姆。擴展口(J2 J3),ESD的電路如圖 下所示:1dbfbb7e-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

J2 擴展口原理圖

1e02f8bc-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

J3 擴展口原理圖

1e2c1c6a-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

ESD防護芯片原理圖(部分)

ESD防護芯片具有靜電和浪涌保護功能,選用型號為:RCLAMP0524P , 具體的參數如下。

屬性 參數值
商品類型 靜電和浪涌保護(TVS/ESD)
反向截止電壓(Vrwm) 5V
最大鉗位電壓 12V
峰值脈沖電流(Ipp)@10/1000us 3.5A@8/20us
擊穿電壓 5.5V
類型 TVS

J2擴展口引腳分配

J2引腳 信號名稱 ZYNQ引腳名 ZYNQ引腳號 備注
PIN1 GND
PIN2 VCC5V0 5.0V電源輸出
PIN3 IO0_N1 W12
PIN4 IO0_P1 V12
PIN5 IO0_N2 AB12
PIN6 IO0_P2 AA12
PIN7 IO0_N3 Y10
PIN8 IO0_P3 Y11
PIN9 IO0_N4 AB11
PIN10 IO0_P4 AA11
PIN11 IO0_N13 U9
PIN12 IO0_P13 U10
PIN13 IO0_N6_CC AA8 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN14 IO0_P6_CC AA9 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN15 IO0_N7_CC Y8 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN16 IO0_P7_CC Y9 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN17 IO0_N8_CC Y5 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN18 IO0_P8_CC Y6 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN19 IO0_N9 W10
PIN20 IO0_P9 W11
PIN21 IO0_N10 AB4
PIN22 IO0_P10 AB5
PIN23 IO0_N5 AB9
PIN24 IO0_P5 AB10
PIN25 IO0_N12 AA4
PIN26 IO0_P12 Y4
PIN27 IO0_N11 V9
PIN28 IO0_P11 V10
PIN29 IO0_N14 AB1
PIN30 IO0_P14 AB2
PIN31 IO0_N16 AB6
PIN32 IO0_P16 AB7
PIN33 IO0_N15 AA6
PIN34 IO0_P15 AA7
PIN35 IO0_N17 V4
PIN36 IO0_P17 V5
PIN37 DGND - -
PIN38 DGND - -
PIN39 VCC3V3 - - 3.3V電源輸出
PIN40 VCC3V3 - - 3.3V電源輸出

J3擴展口引腳分配

J3引腳 信號名稱 ZYNQ引腳名 ZYNQ引腳號 備注
PIN1 GND - -
PIN2 VCC5V0 - - 5.0V電源輸出
PIN3 IO0_N18 K18
PIN4 IO0_P18 J18
PIN5 IO0_N19 J17
PIN6 IO0_P19 J16
PIN7 IO0_N20 M17
PIN8 IO0_P20 L17
PIN9 IO0_N21 J22
PIN10 IO0_P21 J21
PIN11 IO0_N22 M18
PIN12 IO0_P22 N18
PIN13 IO0_N23 K20 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN14 IO0_P23 K19 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN15 IO0_N24 N20 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN16 IO0_P24 N19 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN17 IO0_N25 M20 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN18 IO0_P25 M19 連接到ZYNQ的CC引腳上
PIN19 IO0_N26 R21
PIN20 IO0_P26 R20
PIN21 IO0_N27 L22
PIN22 IO0_P27 L21
PIN23 IO0_N28 T19
PIN24 IO0_P28 R19
PIN25 IO0_N29 M22
PIN26 IO0_P29 M21
PIN27 IO0_N30 P18
PIN28 IO0_P30 P17
PIN29 IO0_N31 P22
PIN30 IO0_P31 N22
PIN31 IO0_N32 T17
PIN32 IO0_P32 T16
PIN33 IO0_N33 P21
PIN34 IO0_P33 P20
PIN35 IO0_N34 T18
PIN36 IO0_P34 R18
PIN37 DGND - -
PIN38 DGND - -
PIN39 VCC3V3 - - 3.3V電源輸出
PIN40 VCC3V3 - - 3.3V電源輸出

8,其他資源

8.1 供電以及狀態燈

板卡設計有2 個FPGA狀態指示燈 ,連接到FPGA的DONE和INIT引腳上,用于標識FPGA配置完成以及初始化狀態。

板卡設計有3個電源狀態指示燈,分別用于標識電源輸入有效,調試口輸入有效,以及電源模式輸出有效。

LED位號 功能
LED5 3.3V電源輸出有效
LED6 DONE信號指示
LED7 INIT信號指示
LED8 PS端復位這狀態
LED9 電源輸入有效
LED10 USB_JTAG調試輸入有效

8.2 對外接口

板卡對外接口列表如下:

位號 說明
J21 USB_TYPE_C電源輸入
J8 USB_TYPE_C調試輸入
P2 HDMI輸出
P1 RJ45網絡接口
J5 PL_UART,4PIN單排排針,2.54間距
J1 啟動模式選擇,4PIN單排排針,2.54間距
J6 電源輸入/輸出,4PIN單排排針,2.54間距
J7 OLED顯示屏幕,4PIN單排排針,2.54間距
J2 擴展IO,40PIN排針
J3 擴展IO,40PIN排針
J4 風扇控制接口
J20 RGB_LCD接口,FPC連接器

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