小梅哥FPGA学习历程之芯航线FPGA学习平台介绍

小梅哥

        上一帖，本人简单介绍了一下FPGA的技术现状以及我们在学习FPGA时遇到的各种问题，最终录制一套优质的视频教程，所以决定开发一套配套的FPGA开发板。

        回顾上帖，请看：http://www.openedv.com/posts/list/59933.htm


        在正式设计这套FPGA开发板之前，那么我也是经历了自学，做项目，参加培训，整理总结，教学授课，工业项目的过程。在自学时，没有一个好的学习方法，学了一年多，没有丝毫起色，当时确实比一般的同学知道的多一点，我也觉得自己已经基本入门了FPGA，于是就承接了老师一个项目，很简单的一个项目，结果花了三个月时间，也没把项目做出来。一向自诩能力不错的我于是遭受了深深的打击，于是决定一定要学好FPGA，学习FPGA，最好的方式就是参加培训。于是我报了某著名培训班的课程，才只学了一个多月，我就明显的感觉到，自己之前的学习方法是多么的愚笨，多么的没有效率。学完之后，便开始总结归纳，总想把自己这段柳暗花明又一村的经历和经验分享出来。于是我活跃于各大论坛网站，分享一些简单的技术帖子供学习者入门学习，并给网友一一解答疑问。然而，最终发现，这样不是长久之计，众多的朋友，遇到问题并不是因为自己对理论有多么不了解，而是因为他们从一开始就没有一个正确的学习方法，所以我决定用视频教程的方式将自己的一些心得感悟分享出来，以供需要的朋友交流学习。

经历过FPGA学习到项目设计，个人感觉在学习和使用FPGA之间，通常存在以下矛盾：

1、学习FPGA时，希望FPGA开发板板载资源越多越好，以学习足够多的知识内容。

2、开发项目，希望FPGA开发板提供足够用户IO，板载外设越少越好，但又不能只单有一块FPGA芯片，为了能够运行NIOS II系统，大容量高速存储器也是必备的。

3、新技术新外设不断出现，以太网、USB、音频处理、视频处理、数字信号处理，FPGA能干的事情越来越多，越来越向大众化迈进。看到各种高端的技术和应用，好想学，可是手头板子没有集成最新出的功能对应硬件，要学还得再买整块板子，好心塞。

        同众多的学习者一样，我曾经在学习时也遇到过这些问题，手头目前还有四块不同厂家的开发板，有的是单核心板，有的则是包含各种外设的全功能板。随着时间的推移，这些开发板也都越来越不值钱，大有食之无味，弃之可惜的感觉。因此，在此次开发芯航线FPGA开发板的过程中，我们也是仔细分析和参考了众多开发板的设计方案，在硬件设计上充分兼顾到学习和开发，以及后期升级三方面需求

开发板主板如下所示：

以下为开发板主板硬件资源一览：

FPGA主芯片EP4CE10F17C8N，拥有10K的逻辑单元，两个独立锁相环，180个用户IO管脚，423936bit嵌入式RAM，46个9位嵌入式硬件乘法器……资源丰富，完全可以满足绝大部分中小型设计的资源需求。

动态刷新随机存取存取存储器（SDRAM）HY57V281620，拥有128Mbit的存储器资源，最高运行速度133MHz，即可使用逻辑直接驱动，用来进行大量数据存储（视频图像数据，ADC采集数据），也可作为NIOS II处理器运行内存，用来运行较大的NIOS II软件系统。

静态随机存取存储器（SRAM）IS61LV25616，拥有512K字节的存储容量，10ns获取时间，数据存取效率远超动态刷新随机存取存储器（SDRAM），可作为高速数据缓存或作为NIOS II处理器的运行内存（相较于使用SDRAM作为存储器的NIOS II系统，使用SRAM作为存储器的NIOS II系统性能要高出20%到30%左右）

电可擦除只读存储器（EEPROM）AT24C64，拥有64K位的存储容量，使用两线制IIC接口，可读可写，掉电数据不丢失，可用来存储各种配置数据（如触摸屏校准参数）

串行FLASH芯片W25Q16，拥有2M字节的存储空间，使用SPI接口，默认作为FPGA芯片的上电配置器件，当使用NIOSII软核时，还可以作为软件代码的存储空间，让NIOS II软件能够畅快运行。同时，在NIOS II中，还可以使用EPCS 控制器，将该存储器当做通用型FLASH进行读写，以存储运行过程中产生的各种数据。

USB转串口芯片CH340，实现USB转串口协议的，使得芯航线开发板能够使用一根普通的USB mini数据线即可与PC进行通信，实现方便灵活的通信和控制。

翠绿色LED灯，LED最为最基础的输出设备，单个LED能够显示两种不同的状态，4个LED组合能够最多显示16种状态，方便设计和调试。

独立按键，三个独立按键，可以作为用户控制按键，实现对系统运行状态的控制

红外遥控接收，开发板自带红外遥控接收器，可接收38KHz的红外遥控信号，从而为开发板提供红外遥控功能，另外，当开发板上用户按键不够用时，也可以使用红外遥控来作为开发板的扩展键盘，以提供更加灵活的系统输入方案。

蜂鸣器，当用户有输入请求或者系统有输出请求时，使用一个蜂鸣器发声来提示用户输入或者输出有效。以获得更加直观的输入输出体验。

同时，为了尽量提升板卡的可扩展性和实用性，芯航线开发板上提供了多个通用或专用接插口，用来方便的扩展各种外设模块，接插口主要有：

两个40Pin的排针接口，该接口与友晶DE2的单个40Pin接口完全兼容，每个接插口提供36个通用IO口，一个5V供电和一个3.3V供电，芯航线团队设计的扩展模块全部围绕这两个接口展开。

一个CMOS摄像头的摄像头接口，该接口兼容市面上主流的CMOS摄像头，方便需要进行图像采集处理的朋友插接摄像头进行项目开发（OV7670，OV7725全兼容）

一个LCD液晶屏的接口，该接口100%兼容正点原子开发的STM32开发板配套液晶屏，方便大家使用手头现有的液晶屏插接到开发板上进行数据显示，同时该接口也可用来插接我们开发的数码管_VGA_PS2摄像头模块，以进行简易逻辑功能设计。我们设开发的4.3寸TFT触摸液晶模组也完美支持该接口，可直接插接在此接口上，进行图像的显示。

三组电源接口，方便喜欢DIY的用户直接从开发板上取电，给外挂模块供电，满足无限创意需求。

这样的设计方案，学习者只需要通过插接不同的模块即可学习不同的功能，例如数码管、VGA、PS2、AD、DA、矩阵键盘、图像采集、USB2.0高速通信。

为了配合开发板主板进行功能学习，到目前为止，我们共设计了5个外设模块，分别为数码管_VGA_PS2学生模块，4*4矩阵按键模块，4通道10位串行ADC和4通道8位串行DAC模块，USB2.0模块以及4.3寸TFT触摸液晶组件。

数码管_VGA_PS2学生模块：

集成8位高亮数码管，8bit VGA驱动电路，PS2键盘鼠标接口电路，方便学生进行本科课程设计和毕业设计。例如数字钟、数字秒表、电梯控制器、出租车计价器、计算器、电子密码锁等本科生课程设计或毕业设计中最常见的题目

4*4矩阵按键模块：

提供16个按键，使用8个通用GPIO口，即可为开发板扩展16个按键输入，使系统有较好的输入体验，方便学生进行本课课程设计和毕业设计，上述提到的很多题目如计算器、电子密码锁都需要用到矩阵键盘

ADDA模块：

4通道10位串行ADC和4通道8位串行DAC模块，ADC使用TI公司生产的TLV1544型模数转换器，该转换器拥有10位分辨率，支持4个外部通道输入以及三个参考电压校准通道，使用标准SPI接口，方便进行模拟数据采集。DAC使用TI公司生产的TLC5620型数模转换器，该转换器拥有8位分辨率，支持4个通道输出，每个通道输出都可支持电压倍增模式。即实际每个通道可达9位分辨率

以下为小梅哥使用该ADDA模块，采用直接数字频率合成（DDS）原理设计的一个双路信号发生器，每个通道输出信号都为100Hz的正弦波，同时两路信号相位相差90度，频率和相位都可以通过上位机软件使用串口更改。

4.3寸的TFT触摸液晶模组：

和很多朋友一样，小梅哥也对视觉效果比较棒的东西有着非常浓厚的兴趣，很早之前就想自己用SOPC设计一台属于自己的示波器或者逻辑分析仪。在没有独立屏幕做显示时，我也曾使用串口，结合上位机软件做过虚拟示波器，但是整体性能受到串口通信速度的限制，因此无法显示频率较高的信号波形，所以为了显示速度较高的信号，因此特意设计了一款4.3寸的TFT触摸液晶模组，该液晶模组使用480*272分辨率的TFT真彩屏，具有16位色彩分辨率，能够显示非常靓丽的图形，该TFT屏的驱动时序与VGA完全一致，只是时间参数稍有不同，因此，想学习VGA驱动的朋友，这个TFT屏绝对是一个绝佳的替代品。虽然在这个720p、1080p都显得有些落后的年代，480*272的分辨率显得非常简陋，但是，进行仪器仪表设计，本身也不需要太高的显示分辨率，因此从整体性价比上来说，这个屏是非常值得用来进行学习和功能开发的。配合电阻触摸屏我们能够实现一些有创意的设计。同时，考虑到很多学校的学生手头有友晶科技DE2系列开发板，因此我们的TFT屏也设计了有兼容DE2开发板通用GPIO的接口，方便学生朋友直接将该屏直接插接到DE2开发板上使用。

以下为小梅哥使用纯Verilog实现的10通道逻辑分析仪工作界面：

USB2.0模块：

在很多时候，我们希望让FPGA与PC机实现高速通信，例如将FPGA使用高速ADC采集到的数据发送到PC机上进行进一步分析处理。为了实现FPGA与PC机实现高速通信，我们特开发了USB2.0通信模块，模块使用经典的USB2.0芯片CY7C68013，与FPGA使用16位slave fifo接口，实现高速USB数据传输。模块通过兼容DE2通用扩展接口的40针接口与FPGA芯片连接，因此，该模块同样适配DE2开发板，方便手头有DE2开发板的同学使用。大家都知道，DE2开发板集成的USB方案是需要使用nios ii软核驱动，这对于时间和经验的同学来说，要想实现，难度太大，而本模块则可以以一个简单fifo的角色存在于电路中，方便用户快速开发。同时，为了满足DIY用户的需求，模块同时将芯片所有IO使用通用排针引出，让用户可以自行发挥扩展。

板卡虽小，创意无限：

数字逻辑，片上系统，均可学习；电压表、示波器、采集卡、逻辑分析仪、频率计、信号发生器、音频分析、视频处理……各种好玩实用项目由你发挥，学术验证、电设竞赛、工业控制多种领域，施展拳脚。

OK，板卡的设计理念就讲到这里，总之一句话，板卡虽简，创意无限。关于板子的更多信息，请加入芯航线FPGA技术支持群：472607506

下一贴，小梅哥将对板卡的焊接调试过程进行简单介绍。