《ATK-DFPGL22G 之FPGA开发指南》第三章 硬件资源详解（上）

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第三章  硬件资源详解

1）实验平台：正点原子 ATK-DFPGL22G开发板

2) 章节摘自【正点原子】ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item_o.htm?id=692712955836

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz-PGL22G.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）FPGA技术交流QQ群:435699340

本章，我们将向大家详细介绍ATK-DFPGL22G开发板各部分的硬件原理图，让大家对ATK-DFPGL22G开发板的各部分硬件原理有个深入理解，并向大家介绍开发板的使用注意事项，为后面的学习做好准备。

本章包括以下几个部分：

1.1          开发板的IO分配

1.2          开发板原理图详解

1.3          开发板使用注意事项

1.4          FPGA的学习方法

1.1 ATK-DFPGL22G开发板的IO分配

开发板的主控芯片为PangoLogos系列PGL22G-6MBG324，PGL22G IO bank包括Bank L0、Bank L1、Bank L2、Bank R0、Bank R1和Bank R2。PGL22G-6MBG324总共 324 个 IO，其中 240 个为可用 IO。了解器件的 IO 分配方式，有助于我们在硬件设计时根据器件的一些约束，对设计进行合理的 IO 分配，减少硬件出错的可能性。

1.1.1 FPGABANK原理图

PangoLogos和传统FPGA一样，可以灵活地分配到不同的IO口上。在PGL22G中，IO被分成了6组，每一组称为一个IO Bank，分别是Bank L0、Bank L1、Bank L2、Bank R0、Bank R1和Bank R2。同一个Bank中的所有IO供电相同，而各个Bank的IO供电可以不同，ATK-DFPGL22G开发板都将它们连接到了3.3V的电源上。3个IO BANK分别如图 3.1.1、图 3.1.2和图 3.1.3所示：                              

图 3.1.1 BANK L0

图 3.1.2  BANK R1

图 3.1.3 BANK R2

需要说明的是，P2扩展口既有BANK L0引出的引脚又有 BANK R1引出的引脚，BANK L0引出的引脚电压是3.3V，BANK R1引出的引脚是1.8V。P3扩展口的扩展IO都是3.3V。

为了让大家更快更好的使用我们的ATK-DFPGL22G开发板，这里特地将开发板的IO引脚分配做了一个总表，以便大家查阅。开发板IO引脚分配总表如下表所示：

1.1.2 IO引脚分配

表 3.1.1 ATK-DFPGL22G IO引脚分配总表

在上表中，表格中列出来了除扩展口外，开发板上所有的IO引脚，扩展口上的引脚IO可以参考开发板的原理图或者直接查看开发板上的丝印标注。

另外在资料盘（A盘）→3_正点原子ATK-DFPGL22G开发板原理图文件夹下，有提供Excel格式的管脚分配表格，方便大家查看。

1.2 FPGA开发板原理图详解
1.2.1 开发板电源

开发板电源拓扑结构如下图所示：

图 3.2.1 开发板电源拓扑

整个板子的电源来自电源适配器的12V供电电压，经过DC-DC芯片（型号为JW5060）之后，转变为系统+5V电压，再经过电源开关后，给系统供电。USB串口的+5V也可以用来给系统供电，但是需要特别注意，由于USB接口的驱动能力有限，所以不能驱动供电电流需求大的器件如LCD，这种情况下，请改用电源适配器供电。如上图所示，系统+5V电压用于电压转换，经过DC-DC芯片EA3059，分别输出1.1V、1.35V、1.8V、和3.3V电压。还用于电压转换，LDO（线性稳压器）芯片XC6206P252MR用于将系统+5V电压转变为+2.5V做为开发板的专用外部参考电压。

使用+5V电压供电的开发板外设包括ATK MODULE、USB UART接口、RGB LCD接口、HDMI接口、扩展口。使用+3.3V电压供电的开发板外设包括JTAG、QSPI、扩展口、红外接收头、单总线接口、摄像头接口、EEPROM、RTC、TOUCH KEY、BEEP、Micro SD、以太网。使用+1.35V电压供电的开发板外设包括DDR。使用+1.8V电压供电的开发板外设包括MIPI DSI接口、扩展口、数码管。电源适配器供电的电源接口原理图如下图所示：

图 3.2.2 电源适配器供电电源接口

DC_IN用于外部直流电源输入，输入电压（12V）经过U15 DC-DC芯片转换为5V电源输出，其中D4是防反接二极管，避免外部直流电源极性接反的时候，烧坏开发板。

ATK-DFPGL22G开发板板的供电电源可以从电源适配器供电，也可以通过USB供电，无论通过哪种方式供电，都经过电源开关K1控制是否对开发板供电，其原理图如下图所示：

图 3.2.3 电源按键开关

VBTN为电源适配器输入的12V电压经电源转换芯片转换后得到的5V电压，VUSB为通过USB接口输入的电压。

下面是+5V电压经过EA3059转换为其他电压的原理图：

图 3.2.4 开关电源电压转换电路

从上图可以看到EA3059芯片的功能还是很强大的，单个芯片就可以转换出四种不同的电压，这里我们需要注意它输出的四路电压顺序是 1.1V>1.8V&1.35V&3.3V（1.8V 、1.35V和3.3V同时输出），这是怎么做到的呢？主要靠芯片的使能来控制（EN1~EN4），我们可以看到使能EN1是直接连接到5    V电源，EN2、EN3和EN4都是通过RC电路连接到5V电源，这就意味着EN1是直接被激活，而EN2、EN3和EN4需要先把电容给充电充满才能激活，所以EN1比EN2、EN3和EN4快一步，因此1.1V电压输出（EN1 控制）要比1.8V&1.35V&3.3V电压输出（EN2、EN3和EN4控制）提前输出。

除了+5V电压之外，ATK-DFPGL22G开发板板还提供了2.5V的电源电压，是由5V电压转换而来，其电压转换电路原理图如下图所示：

图 3.2.5 电压转换电路

上图所示，当电路接通后，LDO（线性稳压器）芯片XC6206P252MR将+5V电压分别转变为+2.5V。

除了这些之外，ATK-DFPGL22G开发板还板载了两组5V和3.3V输入输出接口，其原理图如下图所示：

图 3.2.6 电源输入输出接口

图中，VOUT1和VOUT2分别是3.3V和5V的电源输入输出接口，有了这2组接口，我们可以通过开发板给外部提供3.3V和5V电源了，虽然功率不大（最大1000mA），但是一般情况都够用了，大家在调试自己的小电路板的时候，有这两组电源还是比较方便的。同时这两组端口，也可以用来由外部给开发板供电。

1.2.2 时钟输入

FPGA开发板提供给FPGA的时钟晶振为50M，电路如下图所示：

图 3.2.7 时钟晶振电路

1.2.3 JTAG接口

图 3.2.8 JTAG 接口电路

这里，我们采用的是10脚的JTAG接法，使用FPGA TCK、FPGA TDO、FPGA TDI、FPGA TMS四个引脚来对FPGA进行下载测试。

1.2.4 按键电路

按键有复位按键与普通按键，电路原理图分别如下两图所示：

图 3.2.9 普通按键

KEY0~KEY3为普通按键输入，外接上拉电阻，未按下时按键端口输出高电平，按下时输出低电平。按键作为最简单的输入设备，适合在需要给系统输入控制信号的场合使用。

图 3.2.10 复位按键

RESET为复位按键，按下时低电平复位。

1.2.5 LED

FPGA开发板板载了4个LED，在调试代码的时候，使用LED来指示程序执行状态，是一个很好的辅助调试方法。电路原理图如下图所示：

图 3.2.11  LED电路

图中通过四个NPN型三极管S8050来驱动四个LED灯，LED0~LED3连接到FPGA开发板的IO，这个IO可以控制三极管Q21~ Q24的导通。当LED0~LED3输出高电平的时候Q21~ Q24导通，相当于LED灯的正极连接到+3.3V，LED灯形成一个通路，因此LED灯会被点亮。同理，当LED灯输出低电平的时候Q21~ Q24不导通，那么LED灯就没有形成一个通路，因此LED灯不会被点亮。

1.2.6 有源蜂鸣器

蜂鸣器是现代常用的一种电子发声器，主要用于产生声音信号。蜂鸣器（Buzzer）常用于计算机、打印机、报警器、电子玩具等电子产品中。常用的蜂鸣器有两种：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的有“源”不是电源，而是震荡源，有源蜂鸣器内部带有震荡源，所以有源蜂鸣器只要通电就会叫。无源蜂鸣器内部不带震荡源，直接用直流电是驱动不起来的，需要2K-5K的方波去驱动。

FPGA开发板板载了一个有源蜂鸣器，电路原理图如下图所示：

图 3.2.12 有源蜂鸣器

图中通过一个NPN型三极管S8050来驱动蜂鸣器，BEEP连接到FPGA开发板的IO，这个IO可以控制三极管Q1的导通。当BEEP输出高电平的时候Q1导通，相当于蜂鸣器的正极连接到+3.3V，蜂鸣器形成一个通路，因此蜂鸣器会鸣叫。同理，当BEEP输出低电平的时候Q1不导通，那么蜂鸣器就没有形成一个通路，因此蜂鸣器也就不会鸣叫。

1.2.7 电容触摸按键

FPGA开发板板载一个触摸按键，触摸按键在稳定性、使用寿命、抗干扰能力等方面都优于传统的机械按键，被广泛应用于遥控器，便携电子设备，楼道电灯开关，各类家电控制面板等场景。下图是FPGA与触摸按键之间的连接框图：

图 3.2.13 触摸按键连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.14 电容触摸按键

图中1K电阻是电容充电电阻，JL223B是触摸按键专用驱动芯片，用于产生稳定无毛刺的信号。 AR101的1脚TPAD信号就是处理后的IO信号。当用户触摸了触摸按键时，TPAD会变为高电平。用户用户不触摸触摸按键时，TPAD信号为低电平。

1.2.8 数码管

FPGA开发板板载了6个共阳数码管，电路原理图如下图所示：

图 3.2.15 数码管

需要说明的是，这里的数码管使用的是共阳型数码管，该数码管的引脚如果直接使用FPGA 3.3V电压Bank的引脚是可以正常驱动的。

如上图所示电路之所以设计的比较复杂是因为我们这款FPGA开发板的数码管引脚连接的是1.35V的Bank与1.8V的Bank。这两个Bank的引脚做数码管的驱动的时候，并不能采用直接通用的驱动方式。所以在硬件电路的设计中考虑到FPGA的驱动能力，对数码管的段选以及位选的驱动电路做了一些调整。

观察上图原理图我们可以看到，位选部分我们采用S8050三极管做控制，故可以得到当三极管控制端为高电平时，三极管导通，对应的数码管位选端接地，呈现低电平。同时对段选部分分析，当三极管的控制端高电平的时候，对应开启旁边的NMOS管，该MOS管接入3.3V以达到持续为数码管提供稳定的供电的目的，但是MOS管会有开启的关断的延迟，如果不修改驱动方式会对数码管的显示造成影响，所以我们在代码中对段选的控制做了一定的处理，来解决显示异常的问题。

1.2.9 ADC输入测试

该ADC为PGL22G芯片的片内ADC资源硬核，每个ADC分辨率为10bit、采样率为1MSPS，有12个Channels，其中10个Analog Input与GPIO复用，另外2个采用专用模拟输入引脚。12个Channels的扫描方式完全由FPGA灵活控制，用户可以通过User Logic决定最终由几个Channels分享1MSPS的ADC采样率。

ADC提供对片上电压及温度的监测功能。可对VCC、VCCAUX、VDDM（内部LDO输出电压）进行检测；详细特性参数如下图所示

图 3.2.16 ADC硬核特性

如果大家想了解更多有关ADC硬核的细节，可以参考【正点原子】ATK-DFPGL22G开发板资料盘(A盘)\8_FPGA参考资料\Logos系列FPGA模数转换模块（ADC）.pdf。

1.2.10 RGB LCD模块接口

TFT-LCD是一种液晶显示屏，它采用薄膜晶体管（TFT）技术提升图像质量，如提高图像亮度和对比度等。相比于传统的CRT显示器，TFT-LCD有着轻薄、功耗低、无辐射、图像质量好等诸多优点，因此广泛应用于电视机、电脑显示器、手机等各种显示设备中。FPGA开发板板载的RGB LCD模块接口电路如下图所示：

图 3.2.17 RGB LCD 模块接口

图中，RGBLCD是RGB LCD液晶接口，采用RGB888数据格式，最大支持256*256*256=1677W色颜色显示，并支持触摸屏（支持电阻屏和电容屏）。该接口仅支持RGB接口的液晶（不支持MCU接口的液晶），目前正点原子的RGB接口LCD模块有：4.3寸（ID:4384 , 800*480）和7寸（ID:7084, 800*480和ID:7016，1024*600）等尺寸可选。

图中的T_MISO/IIC2_SDA/T_PEN/T_CS/IIC2_SCL用于实现对液晶触摸屏的控制（支持电阻屏和电容屏），连接到IO的触摸屏的4个信号如图中的CT_INT、CT_RST、IIC2_SCL、IIC2_SDA所示，它们也可以使用PS端的EMIO来连接到PS系统。LCD_BL用于控制LCD的背光，LCD_BL为1表示打开背光。