FPGA的最小硬件系統(tǒng)設計

1、FPGA的最小硬件系統(tǒng)設計項目設計項目名稱：基于EP1K10TC100-3芯片的最小硬件系統(tǒng)設計 姓 名： 蔣 流 洲 院 系： 應用技術學院 專 業(yè)： 09電子信息工程（應電應本） 學 號： 7 指導教師： 徐 正 坤 完成時間: 2011年6月 30日設計題目基于EP1K10TC100-3芯片的FPGA最小系統(tǒng)設計設計要求1原理圖要合理規(guī)劃，設計正確；2元件的布線布局要整潔美觀；3覆銅、過孔等后期處理符合要求；設計過程1 創(chuàng)建一個PCB項目工程環(huán)境，后綴為.PRJPCB；2 在PCB項目工程下面新建原理圖文件；3 對原理圖文件進行ERC檢查，并改正錯誤地方；4進行封裝檢查；5在PCB項目工

2、程下去新建PCB文件并導入文件；6對PCB的布局布線以及一些后期處理；7進行實訓總結；成績評定指導教師評語課程設計等級目 錄1 設計項目名稱、內容與要求 1頁1.1 設計內容 1頁1.2 具體要求 1頁2 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路整體架構 1頁2.1 系統(tǒng)總體原理框圖與設計說明 1頁2.2 最小系統(tǒng)原理圖設計與PCB設計工具介紹 1頁3 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路原理圖設計 3頁3.1 基于Altium Designer 的原理圖設計流程 3頁3.2 單元電路原理圖分析與設計 3頁3.3 FPGA 最小系統(tǒng)整體電路原理圖與元器件清單 5頁4 FPGA 最小系統(tǒng)電路 PCB 板設計 6頁4.1

3、 基于Altium Designer 的PCB 設計流程6頁4.2 最小系統(tǒng)電路PCB 板設計 7頁4.3 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路整體PCB 版圖12頁5 總結（Closing） 12頁參考書目（Reference）：12頁附錄（Appendix）： 13頁1 設計項目名稱、內容與要求1.1 設計內容 Altium Designer中以設計項目為中心，一個設計項目中可以包含各種設計文件，如原理圖SCH 文件，電路圖PCB 文件及各種報表，多個設計項目可以構成一個Project Group（設計項目組）。因此，項目是Altium Designer工作的核心，所有設計工作均是以項目來展開的。完

4、成FPGA 最小EP1K10TC100-3芯片的系統(tǒng)的PCB 、原理圖的設計。1.2 具體要求1 掌握FPGA開發(fā)板的六大組成部分的設計。2 初步掌握Altium Designer 的使用，設計流程。3 掌握 Altium Designer 的高級設計方法。4 完成FPGA 最小EP1K10TC100-3芯片系統(tǒng)的PCB 、原理圖的設計。5 學習調試方法；探討 FPGA最小EP1K10TC100-3芯片系統(tǒng)設計。6 FPGA的開發(fā)流程及設計方法。2 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路整體架構2.1 系統(tǒng)總體原理框圖與設計說明1 原理框圖2 電源電路采用LT1086-3芯片和LT1587-芯片，將輸入的

5、電壓+5V直流轉換為電壓為+3V和+1.5V電源，復位電路采用高低電平控制；3 顯示電路采用依次顯示的6個7端數(shù)碼管進行顯示；4 下載電路采用JTAG模式進行計算機與芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞；外部時鐘電路將產生頻率可調的秒脈沖信號。2.2 最小系統(tǒng)原理圖設計與PCB設計工具介紹在Altium Designer中進行原理圖設計的具體步驟如下。2.2.1 新建PCB項目及原理圖文件Altium Designer中的設計是以項目為單位的，通常一個PCB設計項目中包含原理圖文件和PCB 文件，在進行原理圖設計前，需要創(chuàng)建一個PCB設計項目，然后再在新建的PCB項目中添加空白原理圖文檔，當打開新建的原理圖文檔

6、時，系統(tǒng)會自動進入原理圖編輯界面。2.2.2 設置原理圖編輯界面的系統(tǒng)參數(shù)和工作環(huán)境為適應不同用戶的操作習慣，以及不同的項目的原理圖格式需求，Altium Designer允許用戶設置原理圖編輯界面的工作環(huán)境，例如設置網(wǎng)格的大小和類型以及鼠標指針類型等，其中大多數(shù)參數(shù)都可以用系統(tǒng)默認值，但根據(jù)用戶個人習慣來適當調整環(huán)境設置，將會給設計者帶來方便，顯著提高設計效率。在對原理圖編輯界面進行調整后，用戶還需要對原理圖的圖紙尺寸及版面進行設置，以滿足圖紙使用者的要求，圖紙的格式、規(guī)格要根據(jù)實際情況進行選擇，良好的圖紙格式會使圖紙管理工作變得更加輕松。尤其是在一個項目中包含多張原理圖的時候。2.2.3

7、布置元件并調整元件屬性和布局這一步是原理圖設計的關鍵，用戶根據(jù)實際電路的需要，選擇合適的電子元件，然后載入包含所需元件的集成元件庫，從元件庫中提取元件放置到原理圖的圖紙上，同時還須設定零件的標識、封裝等屬性。對于當前元件庫中沒有的元件，則可以自行定義。在布置新建PCB 項目及原理圖文件元件時，元件之間的位置要盡量合理，這樣能減少原理圖布線過程的工作量，提高原理圖的可讀性。2.2.4原理圖布線原理圖布線就是利用“Wiring”工具欄中的連線工具將圖紙上的獨立元件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，構成一個完整的原理圖。2.2.5 檢查、仿真、校對及線路調整當原理圖繪制完成以后，用戶還需要利用系統(tǒng)

8、所提供的各種工具對項目進行編譯，找出原理圖中的錯誤，進行修改，如有需要，也可以在繪制好的電路圖中添加信號進行軟件模擬仿真，檢驗原理圖的功能。2.2.6 輸出報表，保存文件原理圖校對結束后，用戶可利用系統(tǒng)提供的各種報表生成服務模塊創(chuàng)建各種報表，例如網(wǎng)絡列表、元件列表等。為后續(xù)的PCB 板設計做準備。獲得報表輸出后，保存原理圖文檔或打印輸出原理圖，設計工作結束。PCB板設計流程圖設計過程介紹如下。2.2.1 繪制編譯原理圖繪制編譯原理圖是PCB板設計的準備工序，設計者將其設計的電路采用原理圖的形式輸入系統(tǒng)，通過編譯過程檢驗原理圖設計是否滿足原理圖設計規(guī)則的要求，同時生成連線網(wǎng)絡，這些工作步驟在前幾

9、章已經(jīng)作了詳細介紹。在特殊情況下，例如電路比較簡單的情況下可以不進行原理圖設計而直接進入PCB 板的設計過程，然后在PCB 編輯器中手工布線或者利用網(wǎng)絡管理器人工創(chuàng)建網(wǎng)絡表后進行交互布線。2.2.2 添加PCB 文件這一步是PCB 板設計中的第一步，首先必須在已有的項目中添加新的PCB 文件，這樣，該PCB 文件就與該項目中的原理圖聯(lián)系起來，這是非常重要的，新建的PCB 文件還需要設置一些主要參數(shù)，例如：電路板的結構及其尺寸、PCB板的層數(shù)、格點的大小和形狀。一般情況下大多數(shù)參數(shù)可以用系統(tǒng)的默認值。2.2.3 同步PCB 文件同步PCB 文件是將原理圖中的內容與PCB 文件中的內容同步起來，這

10、種同步是通過網(wǎng)絡列表來實現(xiàn)的，網(wǎng)絡列表示描述電路連接的列表文件，是連接原理圖設計和PCB板設計的紐帶，同步過程中，系統(tǒng)會顯示同步操作將對PCB文件進行得的修改內容，用戶可以逐個選擇是否進行修改，這個過程將在以后詳細介紹。同步完成后，PCB 文件中將具有原理圖中所有元件的PCB 封裝，以及元件的連接關系。2.2.4 PCB 板元件布局規(guī)則設置好的元件布局是布線成功的保障，AltiumDesigner 中提供了自動布局的功能，可以按照用戶設置的布局規(guī)則，自動進行元件位置的布局。即使用戶采用交互布局的方式進行布局，系統(tǒng)也會自動檢查當前布局狀態(tài)，顯示當前違反布局規(guī)則的錯誤或警告。降低由于布局失誤為后續(xù)

11、工作帶來的麻煩。為得到一個滿意的元件布局，用戶必須設置好PCB 板元件布局規(guī)則。2.2.5 布線規(guī)則設置布線規(guī)則是布線時依據(jù)的各個規(guī)范，如安全間距、導線寬度等，這是對自動布線的約束。布線規(guī)則的設置也是印制電路板設計的關鍵之一，需要一定的實踐經(jīng)驗，布線規(guī)則設置不能過高也不能過低，當約束條件設置得過高，給布線帶來較大的困難，會使布線成功率降低，約束條件設置得過低，不限質量將受到影響，會給實際產品帶來隱患，甚至無法滿足實際需要。2.2.6 輸出生產制造文件在繪制完成PCB 板后，系統(tǒng)可以生成各種生產制造文件和輸出報表，例如PCB 光繪文件“Gerber”、數(shù)控鉆文件“NC drill”、元件插置文件

12、“Pick and Place”和材料清單報表等，使用這些文件，設計者就可以開始批量生產PCB 板以及進行元件自動焊接。3 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路原理圖設計3.1 基于Altium Designer 的原理圖設計流程電路原理圖設計是EDA設計的基礎，原理圖設計的大致流程如圖1 所示。設計過程介紹如下。3.2 單元電路原理圖分析與設計3.2.1 電源電路模塊和復位電路該電路實現(xiàn)對輸入+5V到輸出+3V和+1.5V電壓的轉換，以及利用穩(wěn)壓二極管對輸入電源進行穩(wěn)壓；復位電路是采用高低電平原理對芯片的nCONEIG管腳控制，達到復位的作用。3.2.2濾波電路模塊采用電容并聯(lián)，對變壓之后的+3V和+

13、1.5V電源進行濾波。3.2.3外部時鐘電路由+5V電壓利用NE555JG芯片產生頻率可調的脈沖信號3.2.4下載電路采用JTAG配置模式，利用計算機并行口進行計算機和芯片之間的數(shù)據(jù)傳遞。3.2.5 顯示電路數(shù)碼管采用逐一顯示的原理，利用74LS138對公共陰極進行控制，始終顯示一個，顯示的時候利用動態(tài)掃描程序，顯示出肉眼不能分辨的動態(tài)顯示。3.3 FPGA 最小系統(tǒng)整體電路原理圖與元器件清單3.3.1 系統(tǒng)原理利用Altium Designer 6軟件對電路進行設計，電路采用分塊設計，對電源電路和復位電路、電源濾波電路，下載電路、外部時鐘電路以及顯示電路分開模塊化進行設計。原理圖如下所示FP

14、GA最小系統(tǒng)原理圖3.3.2元器件清單4 FPGA 最小系統(tǒng)電路 PCB 板設計4.1 基于Altium Designer 的PCB 設計流程利用Altium Designer設計PCB 板通常需要經(jīng)過，同步PCB文件、元件布局、PCB 布線等幾個步驟，其具體的的流程圖如圖2 所示。4.2 最小系統(tǒng)電路PCB 板設計Altium Designer 新建PCB工程文件新建工程PCB工程如圖所示，單擊此處，新建PCB工程。2.7 給新建的PCB工程添加原理圖文件單擊如圖所示的Schematic選項，出現(xiàn)空白原理圖，然后對圖紙按要求進行一些必要的設置，然后進行原理圖的編輯。2.8 原理圖的ERC（電

15、器規(guī)則）檢查如上圖所示對原理圖進行ERC（電器規(guī)則檢查），如果有錯誤的話，將會彈出一個Message信息框，提醒錯誤的地方，然后單擊錯誤將會在原理圖錯誤的地方出現(xiàn)高亮，對錯誤的地方進行必要的修改，直到?jīng)]有錯誤出現(xiàn)。2.9對元器件進行封裝的檢查檢查是否每個元器件都有封裝，如果某些元器件沒有封裝的話，從原理圖到PCB文件的導入將會出現(xiàn)封裝的缺失，PCB板錯誤。所以檢查之后要將差封裝的元器件封裝加上，以便能夠正確導入，不使PCB板出錯。2.10 給FPGA工程添加新的PCB文件添加PCB文件以后，對PCB板進行參數(shù)設置，比如說板子形狀、尺寸、布線規(guī)則等的設置，然后單擊保存，因為如果不保存的話是將不能

16、從原理圖導入到PCB文件。2.11 PCB文件的設計使原理圖和PCB文件同時處于打開狀態(tài)，并使原理圖文件處于當前工作窗口中。單擊原理圖編輯器的“設計”|“Update PCB Dcoument Pcb1.PcbDoc”菜單如圖所示單擊之后選擇如下圖所示的使更改生效，看是否有錯誤的地方，如果有錯誤還回到原理圖進行改正，如果沒有錯誤選擇執(zhí)行更改。導入之后的PCB文件窗口如下圖所示然后對元器件進行布局和布線，布局布線之后的PCB文件如下圖所示4.3 FPGA 最小系統(tǒng)硬件電路整體PCB 版圖5 總結（Closing）1.1. 在為期兩周的實訓課程，中讓我深刻的理解到了從一個原理圖到一個真正的PCB板

17、文件夾的的設計過程，通過查詢資料和不斷的實踐對Altium Designer 軟件進行電路圖和PCB板的設計有了深刻的認識。電路的設計從模塊化分部份進行逐一設計，然后包括對電路中的模擬地和數(shù)字地的處理都有了比較深刻的認識。對PCB各種參數(shù)的設置以及對覆銅的各種要求和覆銅之后對電路板起到的作用都有著一定的了解。在制作FPGA開發(fā)板之前不光是要熟悉Altium Designer 這個設計軟件，還要對FPGA開發(fā)板有一定的了解，包括開始準備過程中對芯片的熟悉了解，對芯片管腳進行查詢和對各個管腳在電路中所起到的不同作用。以前使用開發(fā)板不知道開發(fā)板是如何實現(xiàn)計算機與芯片之間的數(shù)據(jù)的傳遞，現(xiàn)在對這些都有了

18、很深刻的認識，包括各種下載配置模式等。雖然由于條件限制，沒能夠將自己制作的PCB板實物，但是這次實訓讓我對電路的設計增添了不少興趣，通過這次實訓，讓自己學習的理論知識得到了應用，以及在老師的帶領下，解決在實訓過程中遇到的各種難題，克服各種困難，為以后工作打下了一定的基礎。參考書目（Reference）1 李輝.PLD與數(shù)字系統(tǒng)設計.M.西安電子科技大學出版社，2005 2 陳學平 蘭帆 胡勇.Protel 2004電路設計與電路仿真.北京:清華大學出版社，20073 張義和. Altium Designer 完全電路設計.北京:機械工業(yè)出版社，20074CPLD技術及其應用宋萬杰等編著，西安電子科技大學出版社，2000-65CPLD/FPGA 的開發(fā)與應用徐志軍等編著，電子工業(yè)出版社，2002-76基于CPLD/FPGA的數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設計作者： 段吉海黃智偉電子工業(yè)出版社出版日期：2004 年8月。7數(shù)字電子技術基礎（第四版），閻石主編，高教出版社8陳立萬等.脈沖與數(shù)字電路.北京：中國物資出版社.20039VHDL實用教程（修訂版） 潘松 王國棟電子科技大學出版社2001.7附錄（Appendix）管腳說明：用戶I/O：輸入輸出管腳。MSEL1:0 用于選擇配置模式，比如AS、PS