《领航者ZYNQ之FPGA开发指南 V2.0》第三章 硬件资源详解（上）

正点原子运营

1）实验平台：正点原子领航者V2FPGA开发板
2)  章节摘自【正点原子】《领航者ZYNQ之FPGA开发指南 V2.0》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609032204975
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_linhanz(V2).html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群:712557122

第三章 硬件资源详解

本章，我们将向大家详细介绍领航者ZYNQ开发板各部分的硬件原理图，让大家对领航者ZYNQ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：
12333.1领航者ZYNQ的IO分配
3.2核心板外设详解
3.3底板外设详解
3.4开发板使用注意事项
3.5ZYNQ的学习方法


3.1领航者ZYNQ的IO分配
ZYNQ-7020核心板的主控芯片为XC7Z020CLG400-2，ZYNQ-7010核心板的主控芯片为XC7Z010CLG400-1。XC7Z020芯片比XC7Z010芯片多出一个BANK，即BANK13，我们将BANK13的IO引出至J4扩展口，因此J4扩展口仅ZYNQ-7020核心板支持。
XC7Z020芯片有6个用户I/O BANK（比XC7Z010多一个BANK）和最大253个用户I/O，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。ZYNQ的IO口分成了PL和PS两部分，我们将分别介绍PL和PS两部分的IO分配。
3.1.1PL端的IO分配
ZYNQ的PL侧和传统FPGA一样，可以灵活地分配到不同的IO口上。在XC7Z020中，PL端的IO被分成了3组，每一组称为一个IO Bank，分别是BANK13、BANK34、BANK35。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，领航者开发板都将它们连接到了3.3V的电源上。PL端的3个IO BANK分别如图 3.1.1.1、图 3.1.1.2和图 3.1.1.3所示：

图 3.1.1.1 PL端的BANK13

图 3.1.1.2 PL端的BANK34

图 3.1.1.3 PL端的BANK35

需要说明的是，XC7Z020芯片比XC7Z010芯片多出一个BANK13，XC7Z020芯片比XC7Z010芯片多出一个BANK，即BANK13，我们将BANK13的IO引出至J4扩展口，因此J4扩展口仅ZYNQ-7020核心板支持。
为了让大家更快更好的使用我们的领航者ZYNQ开发板，这里特地将ZYNQ PL端的IO引脚分配做了一个总表，以便大家查阅。领航者ZYNQ PL端IO引脚分配总表如下表所示：
表 3.1.1 领航者ZYNQ PL端IO引脚分配总表
信号名        方向        管脚        端口说明
系统时钟（50Mhz）        　        　        　
sys_clk        input        U18        系统时钟，频率：50Mhz
PL复位按键        　        　        　
sys_rst_n        input        N16        PL复位复位，低电平有效
2个PL功能按键        　        　        　
key[0]        input        L14        PL按键KEY0
key[1]        input        K16        PL按键KEY1
3个PL_LED灯        　        　        　
led[0]        output        H15        （底板）PL_LED0
led[1]        output        L15        （底板）PL_LED1
led        output        J16        （核心板）PL_LED
触摸按键        　        　        　
touch_key        input        F16        触摸按键 tpad
蜂鸣器        　        　        　
beep        output        M14        蜂鸣器
RS232/RS485串口        　        　        　
uart_rxd        input        k14        串口接收端UART2_RX
uart_txd        output        M15        串口发送端
ATK MODULE        　        　        　
uart_rx        input        T19        RXD端口 UART3_RX
uart_tx        output        J15        TXD端口
gbc_key        input        G14        KEY端口
gbc_led        output        N15        LED端口
IIC总线（EEPROM/RTC实时时钟/音频配置）        　        　        　
iic_scl        output        E18        IIC时钟信号线
iic_sda        inout        F17        IIC双向数据线
CAN总线        　        　        　
can_rx        input        L16        CAN总线接收
can_tx        output        J14        CAN总线发送
RGB TFT-LCD接口        　        　        　
lcd_hs        output        N18        RGB LCD行同步
lcd_vs        output        T20        RGB LCD场同步
lcd_de        output        U20        RGB LCD数据使能
lcd_bl        output        M20        RGB LCD背光控制
lcd_clk        output        P19        RGB LCD像素时钟
lcd_rst        output        L17        RGB LCD复位信号
lcd_rgb[0]        output        W18        RGB LCD蓝色（最低位）
lcd_rgb[1]        output        W19        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[2]        output        R16        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[3]        output        R17        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[4]        output        W20        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[5]        output        V20        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[6]        output        P18        RGB LCD蓝色
lcd_rgb[7]        output        N17        RGB LCD蓝色（最高位）
lcd_rgb[8]        output        V17        RGB LCD绿色（最低位）
lcd_rgb[9]        output        V18        RGB LCD绿色
lcd_rgb[10]        output        T17        RGB LCD绿色
lcd_rgb[11]        output        R18        RGB LCD绿色
lcd_rgb[12]        output        Y18        RGB LCD绿色
lcd_rgb[13]        output        Y19        RGB LCD绿色
lcd_rgb[14]        output        P15        RGB LCD绿色
lcd_rgb[15]        output        P16        RGB LCD绿色（最高位）
lcd_rgb[16]        output        V16        RGB LCD红色（最低位）
lcd_rgb[17]        output        W16        RGB LCD红色
lcd_rgb[18]        output        T14        RGB LCD红色
lcd_rgb[19]        output        T15        RGB LCD红色
lcd_rgb[20]        output        Y17        RGB LCD红色
lcd_rgb[21]        output        Y16        RGB LCD红色
lcd_rgb[22]        output        T16        RGB LCD红色
lcd_rgb[23]        output        U17        RGB LCD红色（最高位）
lcd_scl        output        R19        触摸屏IIC接口的时钟
lcd_sda        inout        P20        触摸屏IIC接口的数据
ct_rst        output        M19        触摸屏的复位t_cs
ct_int        input        U19        触摸屏的中断 t_pen
HDMI接口        　        　        　
tmds_data_p[0]        output        G19        HDMI的DATA0通道的P端
tmds_data_p[1]        output        K19        HDMI的DATA1通道的P端
tmds_data_p[2]        output        J20        HDMI的DATA2通道的P端
tmds_clk_p        output        J18        HDMI的CLK通道的P端
tmds_scl        output        R19        HDMI的SCL信号
tmds_sda        output        P20        HDMI的SDA信号
tmds_hpd        input        L19        HDMI的热插拔信号
摄像头接口（OV5640/OV7725）        　        　        　
cam_sgm_ctrl/cam_pwdn        output        V15        OV7725时钟选择信号（0：使用引脚XCLK提供的时钟 1：使用摄像头自带的晶振提供时钟）/
OV5640电源休眠控制信号
cam_rst_n        output        P14        cmos 复位信号，低电平有效
cam_vsync        input        U12        cmos 场同步信号
cam_href        input        T12        cmos 行同步信号
cam_pclk        input        W14        cmos 数据像素时钟
cam_data[0]        input        R14        cmos 数据
cam_data[1]        input        U13        cmos 数据
cam_data[2]        input        V13        cmos 数据
cam_data[3]        input        U15        cmos 数据
cam_data[4]        input        U14        cmos 数据
cam_data[5]        input        W13        cmos 数据
cam_data[6]        input        V12        cmos 数据
cam_data[7]        input        Y14        cmos 数据
cam_scl        output        T10        cmos SCCB时钟信号线
cam_sda        inout        T11        cmos SCCB双向数据线
音频（WM8960）        　        　        　
aud_bclk        input        M18        WM8960的位时钟
aud_daclrc        input        G18        WM8960的对齐时钟
aud_adclrc        input        L20        WM8960的对齐时钟
aud_adcdat        input        M17        WM8960的ADC数据线
aud_dacdat        output        G17        WM8960的DAC数据线
aud_mclk        output        E19        WM8960的主时钟
PL端以太网RGMII接口        　        　        　
eth_rst_n        output        G15        以太网芯片复位信号，低电平有效  
eth_rx_clk        input        K17        RGMII接收数据时钟
eth_rx_ctl        input        E17        RGMII输入数据有效信号
eth_rxd[0]        input        B19        RGMII输入数据RXD[0]
eth_rxd[1]        input        A20        RGMII输入数据RXD[1]
eth_rxd[2]        input        H17        RGMII输入数据RXD[2]
eth_rxd[3]        input        H16        RGMII输入数据RXD[3]
eth_tx_clk        input        B20        RGMII发送数据时钟
eth_tx_ctl        output        K18        RGMII输出数据有效信号
eth_tx_data[0]        output        D18        RGMII输出数据TXD[0]
eth_tx_data[1]        output        C20        RGMII输出数据TXD[1]
eth_tx_data[2]        output        D19        RGMII输出数据TXD[2]
eth_tx_data[3]        output        D20        RGMII输出数据TXD[3]
eth_mdc        output        F20        以太网管理接口的时钟
eth_mdio        inout        F19        以太网管理接口的双向数据
在上表中，表格中列出来了除扩展口外，开发板上所有的PL 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_正点原子领航者ZYNQ开发板原理图文件夹下，有提供Excel格式的管脚分配表格，表格里共两个工作表，一个是“PL IO引脚列表”，另一个是“PS IO引脚列表”，方便大家查看。
3.1.2PS端的IO分配
在ZYNQ PS端同样也包含了3个IO BANK，如下图所示：

图 3.1.2.1 PS端的BANK500

图 3.1.2.2 PS端的BANK501

图 3.1.2.3 PS端的BANK502

ZYNQ不同的IO BANK可以采用不同的供电电压，IO BANK的引脚电平和供电电压的电平保持一致，我们根据PS端连接不同的外设来选择不同的供电电压。BANK500、BANK501和BANK502分别采用3.3V、1.8V和1.35V供电。
与PL端IO BANK不同的是，PS端的IO连接是是相对固定的，用户不能够像PL引脚那样，将PS端的IO随意分配到某个外设。PS端外设的IO口与MIO（多路复用IO）之间，具有固定关系的映射，某个外设的IO口可能会映射到不同的MIO上，某个MIO也有可能会具有多个外设的IO口映射到其上面。两者之间的映射如下图所示：

图 3.1.2.4 PS端外设和MIO之间的映射

领航者ZYNQ开发板所使用到的所有外设与MIO之间所选择的映射关系如下表所示：
表 3.1.2 领航者ZYNQ PS端IO引脚分配总表
信号名        管脚        端口说明
2个PS功能按键
ps_key[0]        MIO12        PS按键KEY0
ps_key[1]        MIO11        PS按键KEY1
3个PS_LED灯
ps_led[0]（底板）        MIO7        PS_LED0
ps_led[1]（底板）        MIO8        PS_LED1
ps_led（核心板）        MIO0        PS_LED
QSPI FLASH
QSPI_CS#        MIO1        QSPI FLASH的片选，低电平有效
QSPI_SCK        MIO6        QSPI FLASH的时钟
QSPI_D0        MIO2        QSPI FLASH的数据位0
QSPI_D1        MIO3        QSPI FLASH的数据位1
QSPI_D2        MIO4        QSPI FLASH的数据位2
QSPI_D3        MIO5        QSPI FLASH的数据位3
PS UART
PS_UART_RXD        MIO14        PS UART的接收
PS_UART_TXD        MIO15        PS UART的发送
PS 以太网
ETH_TXCK        MIO16        PS以太网RGMII接口的TX_CLK
ETH_TXD0        MIO17        PS以太网RGMII接口的TX_D0
ETH_TXD1        MIO18        PS以太网RGMII接口的TX_D1
ETH_TXD2        MIO19        PS以太网RGMII接口的TX_D2
ETH_TXD3        MIO20        PS以太网RGMII接口的TX_D3
ETH_TXCTL        MIO21        PS以太网RGMII接口的TX_CTL
ETH_RXCK        MIO22        PS以太网RGMII接口的RX_CLK
ETH_RXD0        MIO23        PS以太网RGMII接口的RX_D0
ETH_RXD1        MIO24        PS以太网RGMII接口的RX_D1
ETH_RXD2        MIO25        PS以太网RGMII接口的RX_D2
ETH_RXD3        MIO26        PS以太网RGMII接口的RX_D3
ETH_RXCTL        MIO27        PS以太网RGMII接口的RX_CTL
ETH_MDC        MIO52        PS以太网MDIO接口的时钟
ETH_MDIO        MIO53        PS以太网MDIO接口的数据
PS USB接口
OTG_DIR        MIO29        USB总线方向控制
OTG_STP        MIO30        数据传输的结束信号
OTG_NXT        MIO31        当前数据接收完成指示信号
OTG_CLK        MIO36        PHY的时钟输出
OTG_DATA7        MIO39        双向数据总线位7
OTG_DATA6        MIO38        双向数据总线位6
OTG_DATA5        MIO37        双向数据总线位5
OTG_DATA4        MIO28        双向数据总线位4
OTG_DATA3        MIO35        双向数据总线位3
OTG_DATA2        MIO34        双向数据总线位2
OTG_DATA1        MIO33        双向数据总线位1
OTG_DATA0        MIO32        双向数据总线位0
SD卡
SD_CLK        MIO40        SD卡的时钟信号
SD_CMD        MIO41        SD卡的命令信号
SD_D0        MIO42        SD卡的DATA0
SD_D1        MIO43        SD卡的DATA1
SD_D2        MIO44        SD卡的DATA2
SD_D3        MIO45        SD卡的DATA3
eMMC存储器
eMMC_CCLK        MIO48        eMMC的时钟信号
eMMC_CMD        MIO47        eMMC的命令信号
eMMC_D0        MIO46        eMMC的DATA0
eMMC_D1        MIO49        eMMC的DATA1
eMMC_D2        MIO50        eMMC的DATA2
eMMC_D3        MIO51        eMMC的DATA3
3.2开发板底板原理图详解
3.2.1底板电源
底板电源拓扑结构如下图所示：

图 3.2.1.1 底板电源拓扑

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，核心板的电源就来自系统+5V电压。PS端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。系统+5V电压除了直接驱动某些外设之外，还用于电压转换，LDO（线性稳压器）芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.8用于将系统+5V电压分别转变为+3.3V和+1.8V，然后给各个外设供电。
使用+5V电压供电的底板外设包括ATK MODULE、CAN、RGB LCD接口、AUDIO、HDMI接口、核心板、扩展口、USB HUB。使用+3.3V电压供电的底板外设包括RS232、EEPROM、RTC、TOUCH KEY、BEEP、摄像头接口、XADC接口、JTAG、Micro SD、AUDIO、PL以太网、HDMI接口、扩展口、USB OTG。使用+1.8V电压供电的底板外设包括Micro SD、USB OTG。电源适配器供电的电源接口原理图如下图所示：

图 3.2.1.2 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。
ZYNQ开发板底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 3.2.1.3 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。
除了+5V电压之外， ZYNQ开发板底板还提供了3.3V、1.8V的电源电压，都是由5V电压转换而来，其电压转换电路原理图如下图所示：

图 3.2.1.4 电压转换电路

当电路接通后，LDO（线性稳压器）芯片AMS1117-3.3和AMS1117-1.8将系统+5V电压分别转变为+3.3V和+1.8V。通过电压转换芯片得到3.3V电压，点亮电源指示灯PWR，可以通过电源指示灯 PWR判断开发板供电是否正常。
除了这些之外，领航者ZYNQ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 3.2.1.5 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。
3.2.2ZYNQ 启动模式
ZYNQ支持4种启动模式，分别是JTAG、NAND、QSPI FLASH和SD Card。为了方便用户的操作，领航者底板板载了一个控制ZYNQ启动模式的拨码开关，原理图如图 3.2.2.1所示。

图 3.2.2.1 PS BOOT模式选择开关

PS的模式选择开关1（BOOT_MODE0）由MIO4（和QSPI_D2引脚复用）引脚控制，PS的模式选择开关2（BOOT_MODE1）由MIO5（和QSPI_D3引脚复用）引脚控制，底板上的两个拨码开关用于设置ZYNQ的BOOT模式：
当拨开开关1设置为“ON”、拨开开关2设置为“ON”时，ZYNQ PS端在上电后的启动源被设置为JTAG；
当拨开开关1设置为“ON”、拨开开关2设置为“OFF”时，ZYNQ PS端在上电后的启动源被设置为NAND FLASH。由于ZYNQ开发板并没有板载NAND FLASH存储器，因此不能从NAND FLASH启动，此模式对于本开发板来说没有用。
当拨开开关1设置为“OFF”、拨开开关2设置为“ON”时，ZYNQ PS端在上电后的启动源被设置为QSPI FLASH；
当拨开开关1设置为“OFF”、拨开开关2设置为“OFF”时，ZYNQ PS端在上电后的启动源被设置为SD Card。
3.2.3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。
为方便大家使用，领航者底板使用的是有源蜂鸣器，原理图如下图所示：

图 3.2.3.1 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PL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。
3.2.4PL LED
领航者底板板载了两个PL 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。其电路原理图如下图所示：

图 3.2.4.1 LED

上面的“PL_LED0”和“PL_LED1”是PL的2个LED，当PL的IO口输出高电平“1”时，点亮LED灯，输出低电平“0”时，熄灭LED灯。
3.2.5PS LED
领航者底板板载了两个PS 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 3.2.5.1 LED

其中下面的“PS_LED0”和“PS_LED1”是连接到PS的两个LED，当PS的IO口输出高电平“1”时，点亮LED灯，输出低电平“0”时，熄灭LED灯。
3.2.6PL按键
领航者ZYNQ开发板底板板载了一个PL复位按键和两个PL功能按键，其电路原理图如下图所示：

图 3.2.6.1 复位/按键接口

图中，最上面的“PL_RESET”按键为PL端的复位按键，按下时低电平复位，一般作为PL逻辑的系统复位信号。紧接着下面的“PL_KEY0”和“PL_KEY1”为PL端的功能按键输入。它们都外接上拉电阻，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。
3.2.7PS按键
领航者底板板载了两个PS功能按键，其电路原理图如下图所示：

图 3.2.7.1 复位/按键接口

图中，最下面的两个按键“PS_KEY0”和“PS_KEY1”作为PS端的功能按键，它们都外接上拉电阻，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。
3.2.8电容触摸按键
领航者底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ZYNQ与触摸按键之间的连接框图：

图 3.2.8.1 触摸按键连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.8.2 电容触摸按键

图中1K电阻是电容充电电阻，AR101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。
3.2.914-Pin JTAG接口
领航者底板板载一个14针标准JTAG调试口（JTAG），该JTAG口与核心板的6-Pin JTAG接口是硬件连通的，该接口可以直接和Xilinx下载器（调试器）连接，用于下载程序或者对程序进行在线调试。
JTAG接口一般由TMS、TDI、TDO、TCK、3.3V电源和GND组成。其原理图如下图所示：

图 3.2.9.1 14针标准JTAG调试口

3.2.10USB串口
领航者底板板载了一个UART转USB接口的转换芯片，一般用于PS程序调日志显示功能，下图是其与ZYNQ之间的连接框图：

图 3.2.10.1 PS端UART连接框图

其原理图如下图所示：

图 3.2.10.2 USB TypeC串口

USB转串口芯片，我们选择的是CH340C，是国内芯片公司南京沁恒的产品，稳定性经测试还不错，所以我们还是要支持下国产。
USB TypeC是一个Type C座，提供CH340C和电脑通信的接口，同时可以给开发板供电，VUSB就是来自电脑USB的电源，USB TypeC是本开发板的可选供电口（由于该接口供电电流较小，推荐使用电源适配器进行供电）。图中U22（XC6206P332MR）将输入的5V电压转成3.3V，此处之所以用单独的3.3V给CH340供电，是为了当开发板断电后，电脑仍然能够识别到开发板的串口COM号。
而U11和U12芯片（74LVC1G125GW）是为了防止开发板断电后，CH340C_RXD和CH340C_TXD引脚电压反灌给FPGA芯片。
图中的P5排针可以选择切换CH340的引脚连接至PS引脚，或者PL的引脚。当作为PS串口的时候，需要通过跳帽（或者杜邦线）将图中P5的1号脚和3号脚连接在一起，将2号脚和4号脚连接在一起；而当作为PL串口的时候，需要通过跳帽（或者杜邦线）将图中P5的3号脚和5号脚连接在一起，将4号脚和6号脚连接在一起。
3.2.11RS232 接口
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准，在早期它是个人计算机上的通讯接口之一，虽然现在在个人电脑上几乎看不到他的身影了，但他还是广泛应用在工业领域。
领航者底板板载了一个母头RS232接口，连接到了PL端的IO上，如下图所示：

图 3.2.11.1 RS232接口连接框图

为了减少外设接口对IO的占用，领航者开发板的RS232接口和RS485接口复用IO，可以通过跳线帽来进行选择打开哪个接口。其电路原理图如下图所示：

图 3.2.11.2 RS232 接口

由于FPGA输入输出引脚为数字信号，3.3V代表逻辑“1”，0V代表逻辑“0”；而计算机串口采用RS-232电平，它是负逻辑电平，即-15V~-5V代表逻辑“1”，+5V~+15V代表逻辑“0”。因此当计算机与FPGA通信时，需要一个电平转换芯片，这里我们选择的是SP3232（也可以用MAX3232）来做电平转接，同时图中的P1用来选择打开RS232接口（COM2）还是RS485接口。
当使用跳帽将U2_RX连接UART2_TX，U2_TX连接UART2_RX时，可以完成ZYNQ和RS232接口的通信；当使用跳帽将RS485_RX连接UART2_TX，RS485_TX连接UART2_RX时，可以完成ZYNQ和RS485接口的通信。当未使用跳帽进行连接时，FPGA的UART2_TX和UART2_RX两个IO本身硬件已连接到40PIN扩展口上，可以作为40PIN扩展口IO使用。
3.2.12RS485 接口
RS-485接口是针对UART串口的一种接口标准，它定义了串行通信系统中发送器和接收器的一系列电气特性。相比于RS-232，RS-485标准的通信系统抗干扰能力较强，可实现长距离数据传输，同时支持多个收发器连接到同一个通信网络中。因此，RS-485在工业控制领域以及有类似需求的领域得到了广泛的应用。领航者底板板载的RS485接口与ZYNQ PL的连接框图如下图所示：

图 3.2.12.1 RS485接口连接框图

原理图如下图所示：

图 3.2.12.2 RS485 接口

RS485的电平特性和LVDS类似，都是通过两线间的电压差表示逻辑“1”和逻辑“0”，逻辑“1”的两线间线压差为+（2至6）V，逻辑“0”的两线间线压差为-（2至6）V。RS485的电平不能直接连接到ZYNQ芯片的引脚上，需要通过电平转换芯片（SP3485）将RS485的差分电平信号转换成3.3V的数字电平信号。
上图中的RS485_RX和RS485_TX的信号命名是以SP3485芯片来说的，即RS485_RX为SP3485芯片的接收侧，连接FPGA的串口发送引脚；RS485_TX为SP3485芯片的发送侧，连接FPGA的串口接收引脚。除此之外，由于RS485通信属于半双工通信，不能同时发送和接收数据，因此RS485_DE信号用于控制SP3485的通信方向。当RS485_DE信号为高电平时，SP3485芯片将接收到的FPGA引脚电平转换为差分信号；当RS485_DE信号为低电平时，SP3485芯片将差分信号转换为数字信号，并连接至FPGA的接收引脚。
需要说明的是，RS485_DE信号并没有连接到ZYNQ的引脚上，而是连接至自动选择方向电路，从而可以节省ZYNQ的一个IO引脚，图 3.3.11.3中的三极管Q5、MBR0520等器件组成了自动方向选择电路。自动选择方向电路是根据RS485_RX的电平状态来改变RS485_DE信号的电平状态，从而最终改变SP3485芯片的电平转换方向。当RS485_RX信号为低电平时，三极管Q5截止，此时RS485_DE信号被上拉到3.3V，SP3485芯片将接收到的FPGA引脚电平转换为差分信号；当RS485_RX信号为高电平时，三极管Q5导通，此时RS485_DE信号连接至GND，SP3485芯片将差分信号转换为数字信号，并连接至FPGA的接收引脚。
3.2.13RGB 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。领航者底板板载的RGB LCD模块接口电路如下图所示：

图 3.2.13.1 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ZYNQ PL端的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。
3.2.14XADC接口
ZYNQ SOC内部集成了一个高速ADC模块，AD采样速率高达1Mbps，该XADC模块既可以测量ZYNQ芯片内部的温度和电压，也可以用来测量外部的模拟电压，测试外部模拟电压的范围是0~1V。领航者底板的XADC接口（J1）其原理图如下图所示：

图 3.2.14.1 XADC接口

板上的XADC接口（J1）用于测量外部输入的模拟电压。其中，输入端的R107、R108、C105组成抗混叠滤波器，用来移除输入信号中的高频谐波部分，防止高频谐波超过采样频率的一半。
3.2.15OLED/摄像头模块接口
领航者ZYNQ开发板板载了一个OLED/摄像头模块接口，电路原理图如下图所示：

图 3.2.15.1 OLED/摄像头模块接口

图中的OLED/摄像头接口可以用来连接正点原子OLED模块或者正点原子摄像头模块，正点原子摄像头模块支持OV7725、OV5640和其他类似接口的摄像头。
3.2.16EEPROM
EEPROM (Electrically Erasable Progammable Read Only Memory，E2PROM)即电可擦除可编程只读存储器，是一种常用的非易失性存储器（掉电数据不丢失），也常在嵌入式领域中作为数据的存储设备，在物联网及可穿戴设备等需要存储少量数据的场景中也有广泛应用。
领航者底板板载的EEPROM是Atmel公司的AT24C64，使用I2C接口进行通信，该芯片的容量为64Kb，对于一般应用来说是足够了。驱动该E2PROM只需要用到两个IO，其与ZYNQ之间的连接框图如下图所示：

图 3.2.16.1 EEPROM连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.16.2 EEPROM

硬件原理图里我们把A0~A2均接地，对AT24C64来说也就是把地址位设置成了0了，写代码的时候要注意这点。另外AT24C64采用IIC协议进行数据的读写，而IIC的串行时钟线SCL和数据线SDA均是开漏的，所以需要接上拉电阻。
3.2.17实时时钟
领航者底板板载了一个I2C接口的实时时钟RTC，实时时钟芯片采用NXP公司的PCF8563，可以提供年月日时分秒、星期以及日历功能。数字时钟一般用于给系统提供时间功能。PCF8563与ZYNQ之间的连接框图如下图所示：

图 3.2.17.1 RTC连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.17.2 实时时钟RTC

PCF8563需要外接一个32.768KHz的无源时钟，采用直接供电（VCC3.3）和备用电源供电两种供电方式。PCF8563采用IIC协议进行通信，与EEPROM共用IIC引脚。为了开发板掉电以后实时时钟还可以正常运行，还需要配一个电池给PCF8563供电，图中为BAT1为电池座，我们将纽扣电池（型号CR1220，电压为3V）放入BAT1插座以后，当系统掉电后，纽扣电池还可以继续给PCF8563供电。原理图中的BAT54C是一款正向电压为320mV的半导体二极管，防止3.3V和电池互相导通。
3.2.18ATK模块接口
领航者ZYNQ开发板板载了一个ATK模块接口，电路原理图如下图所示：

图 3.2.18.1 ATK 模块接口

如图所示，U4是一个1*6的排母座，可以用来连接正点原子开发的“ATK-USB-UART 模块”或者其他ATK接口的外设模块。当连接“ATK-USB-UART 模块”时，则实现UART串口通信功能。其中，UART3_TX和UART3_RX连接到了PL的IO口上。
3.2.19I2S音频编解码
领航者底板的音频编解码芯片采用Wolfson公司的WM8960，WM8960是一颗低功耗、高性能的立体声多媒体数字信号编解码器。下图是WM8960与ZYNQ之间的连接框图：

图 3.2.19.1 WM8960音频编解码连接框图

ZYNQ通过PL IO模拟I2S总线与WM8960进行音频数据双向传输，I2C总线用于对WM8960进行配置。WM8960具有一个音频信号输入接口和一个音频信号输出接口，除此之外，还具有一个直接驱动扬声器的输出接口。其电路原理图如下图所示：

图 3.2.19.2 WM8960

WM8960内部集成了24位高性能DAC&ADC，可以播放最高192K@24bit的音频信号，并且自带段EQ调节，支持3D音效等功能。不仅如此，该芯片还结合了立体声差分麦克风的前置放大与扬声器、耳机和差分、立体声线输出的驱动，减少了应用时必需的外部组件，直接可以驱动耳机（16Ω@40mW）和喇叭（8Ω/0.9W），无需外加功放电路。
图中，SPK-和SPK+连接了一个板载的8Ω2W小喇叭（在开发板背面）。MIC是板载的麦克，可用于录音机实验，实现录音。PHONE是3.5mm耳机输出接口，可以用来插耳机。LINE_IN 则是线路输入接口，可以用来外接线路输入，实现立体声录音。IIC1_SCL和IIC1_SDA是与AT24C64等共用一个IIC接口。
图中，电源端口均串联了33欧姆电阻，用于和滤波电容一起构成RC滤波电路，以滤除掉电源网络上的噪声。
3.2.20HDMI接口
领航者底板板载高清晰度多媒体接口HDMI（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接口，可以连接显示器用来实现图片和视频的显示。领航者开发板通过PL侧的差分IO直接连接到HDMI接口的差分信号和时钟，通过FPGA逻辑实现TMDS信号的差分转并行和编解码，实现数字视频输入和输出的传输解决方案，最高支持1080P的输出功能。
其与ZYNQ之间的连接框图如下图所示：

图 3.2.20.1 HDMI连接框图

当开发板作为HDMI主设备时，HDMI接口外接显示设备，HPD(hot plug detect)热插拔信号作为输入。开发板在作为HDMI主设备时，需要提供给HDMI显示设备一个+5V的电源。另外HMDI主设备会通过IIC总线来读取HDMI显示设备的设备信息。
其电路原理图如下所示：

图 3.2.20.2 HDMI接口

需要说明的是，HDMI的IIC引脚是5V电平的，需要将其转换为ZYNQ PL端所需的3.3V电压。电平转换电路如下图所示：

图 3.2.20.3 HDMI的IIC电平转换电路

其中，IIC2_SCL和IIC2_SDA连接到ZYNQ PL侧的IO口上，HDMI_SCL_LS和HDMI_SDA_LS连接到HDMI插座上。
当总线空闲即IIC2_SCL和IIC2_SDA都被ZYNQ驱动为高电平时，MOS管截止，HDMI_SCL_LS和HDMI_SDA_LS也被上拉电阻R55和R61上拉到+5V的高电平。
当IIC2_SCL或IIC2_SDA被ZYNQ驱动为低电平时，MOS管导通，此时HDMI_SCL_LS或HDMI_SDA_LS也被下拉到了GND。
若HDMI_SDA_LS需要向ZYNQ发送低电平时，HDMI_SDA_LS为低，MOS管内部二极管导通IIC2_SDA被下拉到了低电平。以此实现了双向电平转换的功能。
3.2.21PL端千兆以太网接口（RJ45）
领航者底板板载了一个以太网PHY芯片，型号也为YT8511。与PS端自带的以太网MAC层硬核逻辑不同的是，用户可以使用PL端的逻辑资源来实现一个以太网MAC层软逻辑，可以通过编写Verilog代码来实现。此外，用户还可以通过EMIO来将PL端的RGMII接口耦合到PS端的以太网MAC层硬核逻辑。
PL端的PHY芯片与ZYNQ PL的连接框图如下图所示：

图 3.2.21.1 PL端千兆以太网PHY芯片连接框图

其原理图如下图所示：

图 3.2.21.2 PL端千兆以太网接口

YT8511芯片支持10/100/1000Mbps网络传输速率，通过RGMII接口跟ZYNQ PL端的IO进行数据通信，并支持通过MDIO总线进行PHY寄存器的管理。
开发板的底板上还为PL端的PHY芯片板载了一个自带网络变压器的RJ45插座（ATK91131A），它们能够满足高带宽通信的需求，比如，可以使用网线连接到电脑，来与电脑上位机进行通信。
3.2.22USB 2.0接口
领航者底板板载了1个连接PS端的USB2.0收发器芯片，USB2.0收发器采用的是一个1.8V的，高速且支持ULPI标准接口的USB3320C芯片，再通过一个USB HUB芯片GL850扩展出4路USB HOST接口。ZYNQ的USB总线接口和USB3320C收发器相连接，实现高速的USB2.0 Host模式的数据通信。另外还外扩了一个SLAVE模式的接口。USB HOST口采用侧立式的USB 接口(USB Type A)，USB HOST口采用迷你USB接口(Mini USB)。
USB3320C与ZYNQ之间的连接框图如下图所示：

图 3.2.22.1 USB连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.22.2 USB接口原理图1

图 3.2.22.3 USB接口原理图2

USB2.0 PHY芯片USB3320C工作在1.8V电压下，与ZYNQ PS BANK 501的MIO之间通过ULPI标准高速接口来进行通信。USB总线接口差分信号(OTG_D P/N)通过一个USB HUB芯片GL850G扩展出了4路USB HOST接口，此外，USB2.0 PHY芯片USB3320C还直接连接到了一个USB Slave接口上。
若工作在Slave模式下，则需要将USB HUB芯片GL850G的5V电源断开（经过实际测试，工作在Slave模式下时，为USB HUB芯片GL850G提供5V电源会干扰到USB slave模式的正常工作），即将P4跳线帽的1、2脚短接在一起，这样就把USB HUB芯片GL850G的5V电源通过一个电阻连接到了GND上。如果工作在HOST模式下，则需要为USB HUB芯片GL850G提供5V电源，即将P4跳线帽的2、3脚短接在一起，这样就把USB HUB芯片GL850G的5V电源连接到了底板的+5V电源网络上。
4个HOST接口，可分别用来连接不同的USB SLAVE设备，可以用来连接鼠标、键盘等不同的设备。SLAVE模式的接口，可以用来连接HOST设备，以满足特定的应用需求。
3.2.23Micro SD卡接口
领航者底板板载了一个Micro SD（TF）卡接口。Micro SD卡一般用于存储ZYNQ芯片的BOOT程序，Linux操作系统内核, 文件系统以及其它的用户数据文件。
下图是其与ZYNQ之间的连接框图：

图 3.2.23.1 Micro SD连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.23.2 Micro SD接口

上图中的SD_CD信号用于Micro Card的热插拔检测，当插上Micro Card时，CD信号会被拉低。SD_CD信号连接到了IO BANK500上的MIO 10，该BANK IO为3.3V，因此该引脚的上拉电平为3.3V。由于在领航者开发板中，ZYNQ PS端连接到Micro SD的IO是位于BANK501上面，BANK501的供电电压是1.8V，而Micro SD的工作电压是3.3V，所以要使用电平转换芯片TXS02612RTWR将3.3V的电平转换为1.8V的电平。
3.2.24CAN接口
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11898）。目前CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。
领航者底板板载一个CAN收发器芯片，型号为TJA1050芯片。该芯片是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口芯片。该器件为总线提供差分发射能力并为CAN控制器提供差分接收能力。CAN接口与ZYNQ PL之间的连接框图如下图所示：

图 3.2.24.1 CAN接口连接框图

其电路原理图如下图所示：

图 3.2.24.2 CAN

原理图中R20为终端匹配电阻。TJA1050转换得到的数字电平信号连接到了ZYNQ的PL端的IO上，领航者CAN TX和RX是与扩展口IO复用的，所以使用CAN接口时要加上跳线帽P3来导通CAN TX和RX与IO口的连接。
3.2.25IO扩展口
领航者底板板载两个40PIN的IO的扩展口，位于开发板的边缘位置，其原理图如下图所示：

图 3.2.25.1 J3扩展口

该扩展口排针规格是2*20 Pin，其中包括36个IO口、1个+3.3V、1个+5V、2个GND。它可以用来连接不同的功能模块，例如，正点原子开发的高速AD/DA模块、双目摄像头模块等。

图 3.2.25.2 J4扩展口

该扩展口排针规格是2*20 Pin，其中包括36个IO口、1个+3.3V、1个+5V、2个GND。值得一提的是，该扩展口大部分IO连接到了XC7Z020芯片独有的BANK13，因此仅ZYNQ-7020核心板可以使用这个扩展口。