第９卷第２期 电手元器件主用 Ｖｏ１．９ Ｎｏ．２ ２００７年２月 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｆｅｂ．２ｏｏ７ 基于Ｘｉｌｉｎｘ ＸＣ３Ｓ５００Ｅ的ＦＰＧＡ 最小开发板制作 陈月强 ．刘星 （１．西安电子科技大学，陕西 西安７１００７１； ２．中国兵器工业２０３研究所，陕西 西安７１００６５） 摘 要：介绍了一种基于Ｘｉｌｉｎｘ￣２＂司ＸＣ３Ｓ５００Ｅ的ＦＰＧＡ最小开发板制作方法。利用本方法制作 的开发板与芯片制造商或第三方生产的开发板相比，具有更简单的结构，能够使初学者更快 地熟悉ＦＰＧＡ的开发。 关键词：最小开发板；Ｘｉｌｉｎｘ；现场可编程门阵列；印刷电路板 ０ 引言 在初学ＦＰＧＡ的过程中，开发板起着至关重 要的作用。只有通过阅读官方提供的数据手册， 并在开发板上进行开发实践，才能真正地掌握 ＦＰＧＡ的开发技术。现在的芯片供应商以及第三 方公司提供了各种型号芯片的开发板．以供设计 人员学习与实际开发使用ｆ如Ｘｉｌｉｎｘ公司提供了 图１ 开发板功能结构框图 Ｓｐａ￣ａｎ一３Ｅ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｋｉｔ．ＣＰＬＤ Ｄｅｓｉｇｎ Ｋｉｔ开发板 存贮器模块ｆＤＲＡＭ）。 等）。但是，一般情况下，这些开发板为了保证 １．１ ＦＰＧＡ模块 其通用性和多功能性，都包含了许多功能模块， 如ＲＳ／２鼠标／键盘接口、ＶＧＡ接口和ＲＳ２３２串口 在通常情况下．在线可编程门阵列ＦＰＧＡ都 等。但初学者的学习过程可能很少涉及这些接口 是设计的主体。ＦＰＧＡ在结构上由逻辑功能块排 模块．并且由于这些模块的存在．使得原理图与 列为阵列．并由可编程的内部连线来连接这些功 ＰＣＢ板图都比较复杂，从而增加了初学者学习 能块．以实现一定的逻辑功能。ＦＰＧＡ的功能由 ＦＰＧＡ开发的难度。因此，本文给出一种实用的 逻辑结构的配置数据决定。工作时．这些配置数 最小开发板设计．该设计仅包含最常用的功能模 据存放于片内的ＳＲＡＭ或熔丝图上。由于ＳＲＡＭ是 块，以使初学者能很快开始ＦＰＧＡ的开发设计。 易失性的．存贮其上的配置数据在掉电时即被清 除，所以，基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ器件，在工作前需 １ 开发板的功能结构 要从芯片外部加载配置数据。这些配置数据一般 存贮在片外的ＥＰＲＯＭ或Ｅ ＰＲＯＭ等存贮器件上， 图１所示是一种开发板的功能结构框图。一 也可以通过ＪＴＡＧ线直接与ＰＣ机相连，这样方便 般情况下．一个最小开发板中除包含必要的 现场修改器件的逻辑功能。 ＪＴＡＧ模块、配置芯片模块和外部时钟模块（晶体 振荡器）之外，仅包含一组ＡＤＣ和ＤＡＣ以及外部 １．２配置芯片 如上所述，配置芯片内存贮有一些配置数 收稿日期：２００６—０９－０５ 据，以供ＦＰＧＡ芯片下载，从而实现某种逻辑功 ２２ 电子元器件主用 ２００７．２ ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第９卷第２期 ２Ｏ０７年２月 瞬薅霪锩瘗瘟 Ｖ０１．９ Ｎｏ．２ 能。本设计中的配置芯片具有在系统可编程功 能。可重复进行多次的读写操作，且具有非易失 性。 １．３ ＪＴＡＧ模块 ＪＴＡＧ规范不仅推动了可测试性设计的发展， 大大降低了电路板测试的成本和时间，而且可为 芯片内部寄存器提供一种方便有效的“下载”和 “读取”方式，从而可实现对片外配置数据存贮 芯片或ＦＰＧＡ的测试以及配置数据的下载。本模 块中需要包含转换开关，用于选择与ＦＰＧＡ或配 置芯片的连接。 １．４ ＤＡＣ和ＡＤＣ 数模转换器和模数转换器用于完成数字信号 与模拟信号的转换，以便为ＦＰＧＡ用数字化处理 模拟信号提供支持。 １．５ ＤＲＡＭ 双口ＲＡＭ一般用于扩充ＦＰＧＡ的内部存贮单 元、存贮初始数据、中间计算数据和最终计算结 果。可为ＦＰＧＡ与其它设备或器件之间传递数据 提供缓存。 １．６晶体振荡器 外部时钟用来为ＦＰＧＡ提供精确的时钟源， 以确保逻辑功能的正确实现。 ２芯片选用 为了对开发板有更好的了解， 下面简单介绍 下选用芯片的主要特点及功能。 ２．１ ＸＣ３Ｓ５００Ｅ ＰＱ２０８ Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｓｐａｒｔａｎ３Ｅ系列中的一款ＦＰＧＡ芯 片。Ｓｐａｒｔａｎ３系列的ＦＰＧＡ是Ｘｉｌｉｎｘ公司专门针对 大容量、低成本需求的电子设计而开发的。图２ 所示是其结构框图，该芯片采用９０ ｎｍ工艺；可 支持多种电平的Ｉ／Ｏ标准；含有丰富的逻辑资源， 其中包括层次结构的ＳｅｌｅｃｔＲＡＭ和ＤＣＭ ｆ数字时 钟管理单元）等。本设计选用了ＸＣ３Ｓ５００Ｅ ＰＱ２０８ 芯片。该芯片的等效逻辑门数为５０万，等价于 １０４７６个ＬＣｓ，同时还具有１５８个用户Ｉ／Ｏ、６５个差 分Ｉ／Ｏ对、７３ ｋＢ的分布式ＲＡＭ、３６０ ｋＢ的ＲＡＭ和 Ｆｅｂ．２Ｏ０７ 图２ Ｓｐａｒｔａｎ３Ｅ系列结构框图 ２０个专用乘法器。可见ＸＣ３Ｓ５００Ｅ ＰＱ２０８具有丰 富的资源，可满足用户的基本需求。该芯片采用 的是塑料扁平封装，共有２０８个管脚。 ２．２ ＸＣＦ０４Ｓ ＶＯ２０ 这是Ｘｉｌｉｎｘ公司提供的在系统可编程配置芯 片，具有４ ＭＢ存贮密度。该芯片可为ＸＣ３Ｓ５００Ｅ 提供一种易于使用、成本低且可重复编程的配置 数据存贮方法。该芯片支持ＩＥＥＥ１１４９．１标准的 ＪＴＡＧ边界扫描测试和编程。图３所示是ＸＣＦ０４Ｓ的 结构框图。 ２．３ ＣＹ７Ｃ０２５ ＴＱＦＰ１００ ＣＹＰＲＥＳＳ公司生产的８ Ｋｘｌ６ Ｂ ＳＲＡＭ是一款 真正的双ＥｌＲＡＭ。可支持两个端Ｅｌ同时对同一单 元的读操作．或同时对不同单元的读或写操作。 该芯片采用６５０ ａｍ技术工艺，并可支持多片级 联。芯片的两个端Ｅｌ具有独立的控制信号，可通 过一个称之为“ｍａｉｌｂｏｘ”的机制进行端Ｅｌ之间的 通信。ＣＹ７Ｃ０２５的结构框图如图４所示。 ２．４ ＡＤ５４４５ ＹＲＵ ＴＳＳＯＰ２０ ＡＤ５４４５是ＡＤ公司生产的１２ ｂｉｔ精度ＤＡＣ，最 高可支持２０ Ｍｓｐｓ的采样速率。此外，该芯片还 具有数据反馈功能，可以读取芯片内部寄存器的 数据。ＡＤ５４４５的结构框图如图５所示。 “ 帆 ｎａＥＣＤ ．ｎｅｔ ２００ ７．２电手元器件左用 ２３维普资讯 http://www.cqvip.com
第９卷第２期 电子元器件壶用 Ｖｏ１．９ Ｎｏ．２ ２００７年２月 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｆｅｂ．２００７ 一一 图４ ＣＹ７Ｃ０２５结构框图 ＣＬＫ ＡＶＤＤ ＤＶＤＤ ＣＳ Ｒ／Ｗ ＤＡＴＡ ＩＮＰＵＴＳ 图５ ＡＤ５４４５结构框图 Ｒ 卜Ｉ：（）Ｍ ＡＶ ｌｊＶ ‘一ＭＩ一 图６ ＡＤ９２２０结构框图 ２．５ ＡＤ９２２０ ＳＯＩＣ２８ 降低消费类电子、通信和数字视频产品中完整 ＡＤ９２２０是ＡＤ公司生产的ｌ２ ｂｉｔ精度ＡＤＣ，具 ＦＰＧＡ系统供电所需的外接元件数量。ＴＰｓ７５００３ 有１０ Ｍｓｐｓ采样速率。该芯片由＋５ Ｖ电源供电，并 有两个９５％效率的３Ａ降压控制器和一个３００ ｍＡ的 可由外部接入基准电压。这种高速Ａ／Ｄ转换器将 ＬＤＯ调整器：所有通道均可调整输出电压，范围 模拟量传输并转换为数字量的总误差优于０．３％ 是１．２０～６．５ Ｖ：输入电压范围为２．２～６．５ Ｖ；所有 ＦＳＲ：模拟信号频带宽度为４００ ｋＨｚ。ＡＤ９２２０的 三种电源均有单独的软起动；使用小型陶瓷电容 结构框图如图６所示。 能使ＬＤＯ稳定：每种电源可单独使能，因而加电 ２．６ ＴＰＳ７５００３ 次序灵活。ＴＰＳ７５００３的结构框图如图７所示。 ＴＰＳ７５００３是ＴＩ公司推出的用于Ｘｉｌｉｎｘ的Ｓｐａｒ— ３开发板原理图及ＰＣＢ板图 ｔａｎＩＩ仃ＩＥ／３／３Ｅ系列ＦＰＧＡ的高效率功率管理集成电 路。这种新的三路器件的效率高达９５％，可大大 基于本文篇幅的限制，本设计中的开发板电 ２４ 电予元器件盔用 ２００７．２ ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．ｎｅｔ 维普资讯 http://www.cqvip.com
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第９卷第２期 电子元器件壶用 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏ１．９ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２００７ ２００７年２月 比热容的测量及液氮汽化热的测量等．都取得了 良好的效果 总之，与水银温度计、铜一康热电偶温度计 及半导体热敏电阻温度计相比，ＡＤ５９０具有更多 优点，因此在常温范围内可以取代它们，并可广 泛的应用于科技和工业领域中。 （上接第２５页） 振荡器。底层的器件有电源芯片以及其它元件 （如电阻和电容）。ＦＰＧＡ留作扩展的引脚所连接的 插件、ＤＲＡＭ留作接收板外信号连接的插件等分 布在ＰＣＢ板边沿，以方便操作。 因为开发板中包含有模拟电路部分ｆＡＤＣ的 输入部分和ＤＡＣ的输出部分），所以在开放板上有 ＤＲＡＭ、ＡＤＣ、ＤＡＣ等常用芯片。该开发板留有 丰富的扩展插件，以便通过与其它板体或设备的 连接来实现更多功能的开发。本开发板的设计以 简单为原则，力图通过对开发板的简化，使初学 者能够很快熟悉ＦＰＧＡ的设计。 数字地和模拟地。为避免数字地和模拟地之间的 串扰，该开发板采用“一点共地”的原则进行处 理 ４ 结束语 本文设计的最／Ｊ￣ＦＰＧＡ开发板只包含ＦＰＧＡ、 ２８ 电子元器件主用 ２００７．２ Ｗ＇Ｗ ．ＣｈｉｎａＥＣＤ．聊ｆ
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