FPGA开发板硬件设计方案070516

协同集团北京研发中心◎版权所有FPGA开发板硬件设计方案引言在FPGA选型报告中，我们阐明了产品用途和设计目标，列出了具体的规格需求并最终选定了AlterastratixIIEP2S180F-1020作为FPGA器件，本文将详细说明FPGA整体设计方案。一、器件布局1、器件总体布局图协同集团北京研发中心文档基本信息文档级别总页数13文档名称FPGA开发板硬件设计方案编制人宋波所在部门硬件开发审核人曹占生编制日期2007-6-8高速A/D高速A/D高速A/D高速D/AUSB2.0RS-232扩展口24Pin扩展口24PinPOWERSUPPLY:16V大电流开关稳压器:5V、3.3V、1.8V、1.2VLDO:2.8VDC/DC:12VDC/DC:-5V高速A/D高速D/A高速D/A高速D/ARJ45以太网键盘音频A/D音频A/D音频D/A音频D/ACMOS摄像头串口LCDSDCard4XPCI-Express接口DDRSDRAM接口并口LCDFPGAEP2S180SRAMFLASHDDRSDRAMJTAGMICTOR程控逻辑芯片CrystalUSB2.0RS-232高密connector高密connector高密connector高密connectorSDCardSharpLCD扩展口24PinFPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第2页共13页2、器件总体布局考虑因素实用性：将各种应用接口布置在板边方便使用，包括高速A/DD/A的SMA端子、音频A/DD/A的RCA端子、摄像头Connector、LCDConnector、键盘接口、RJ-45接口、RS-232接口、USB2.0OTG接口、CFCard(可选)、SDCard、Powersupply端子、扩展口；PCI-e和DDR存储器接口可放置于板内。电磁兼容：将电源集中放置在右上角区域，做好接地和滤波设计；将高速A/D、D/A器件集中放置在左侧，尽量缩短信号线的走线距离并避免交叉线。产品升级：将FPGA开发板分为了基板和核心板两个部分，上图红色框区域为基板，绿色框区域为核心板，板间用高速Connector连接，向后开发只需重新设计核心板，可节省大量开发时间和费用。二、功能说明1、FPGA742I/OPin外接2*64MBDDRSDRAM，可选MICRON、INFINEON和SAMSUNG任一家产品，另外在基板上再扩展一接口以满足更大容量需求外接128MBFLASH外接256KB*16SRAM155.52MHz/100MHz/33.3MHz/25MHz时钟源数字程控逻辑芯片外接12V风扇降温主要器件：FPGAEP2S180128MbFLASHAM29LV128MH113REI256K*16SRAMIDT71V416510PH64MBDDRSDRAMMT46LC16M16A2数字程控逻辑芯片EPM1270F256C32、电源电源为模拟和数字器件提供稳定可靠的直流电压，设计核心要素包括：DC16V/3.75A输入端子，Fuse保护电源输入端使用共模抑制电感ESD二极管保护、反向电压保护和滤波钽电解电容LED指示灯选用高效率大电流容量的开关稳压管提供5V、3.3V、1.8V、1.2V选用大电流容量1.5A的LDO提供2.8VDC/DC提供12V/0.5A风扇电源DC/DC提供-5V运放电源使用专用电源电感支持大电流容量电源PCBLayout注意点（参考下文说明），还要参考各芯片Datasheet中关于Layout的说明事项主要器件：开关稳压管LM2678LTC3728LTC17781.8VLDOLT196312VDC/DCLTC1872FPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第3页共13页-5VDC/DCLTC3704电源电感TOKO919AS系列电解电容—180UF\100UF\10UF\56UF等三极管和场效应管ESD二极管、保险管、Zenar二极管、肖特基二极管、LED直流风扇12V/0.2A3、高速A/D高速A/D用于数字通信接收机IF采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA做处理，设计核心要素包括：四路125Msps，12bit高速A/D，推荐使用AD9233BCPZ-125输入电压：1.8V(模拟)，3.3V(数字)，其中1.8V耗电220mA，四路要880mA，要使用大电流容量稳压管供电，因为是高速芯片，每个供电管脚接0.1uF去耦电容RF/IF输入，经Transformer转换为两路信号，2Vp-p输入，Transformer后端RC网络要根据输入信号的频率而变换Freqencyrange(MHz)RC(pF)0~70331570~200335200~300155300~15NC125MHz有源晶振时钟，经Transformer转换为差分信号CLK+/CLK-，一个晶振可负载两个A/D芯片利用肖特基二极管对输入的模拟和时钟信号电平进行钳制I2C控制指令(SCLK/SDIO)A/DData输出经Buffer进入FPGA，前后加20~100欧姆电阻有助于减少overshooting和ringing主要器件：A/DConverterAD9233BCPZ-125125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WT/ETC1-1-13Buffer74VCX162244SchottkyDiodeHSMS28124、高速D/A高速D/A用于数字宽带通信，将数字信号转化为模拟信号供给下一级做处理，设计核心要素包括：四路125Msps，12bit高速D/A，推荐使用AD9752输入电压：5V(模拟\数字)，0.1uF去耦、1uF滤波电容125MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个D/A芯片模拟差分信号输出，电阻网络调整输出共模电压数字信号输入端接上拉和下拉电阻（可选）主要器件：D/AConverterAD9752125MHzCrystalCB3LV-3CTransformerADT1-1WTFPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第4页共13页5、AudioA/DAudioA/D用于数字音频接收机采样功能，将模拟信号转化为数字信号供给FPGA做处理，设计核心要素包括：两路Stereo，16bitAudioD/A，推荐使用AD1877输入电压：5V(模拟\数字)，0.1uF、10nF去耦、1uF滤波电容12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片左右两声道模拟输入TTL串行数据输出主要器件：AudioA/DConverterAD187712.288MHzCrystal6、AudioD/AAudioD/A用于将数字音频信号转化为模拟信号，设计核心要素包括：两路Stereo，24bitAudioA/D，推荐使用AD1853输入电压：5V(模拟\数字)，0.1uF滤波电容12.288MHz有源晶振时钟，单端输入，一个晶振可负载两个A/D芯片左右两声道模拟差分输出运放和低通滤波，采用±5V供电，如果声音效果不佳，还可采用外接直流电源±15V供电喇叭和耳机两种音频输出方式主要器件：AudioD/AConverterAD185312.288MHzCrystalOP275运放器LA4525喇叭功放LA4536A耳机功放三、接口说明1、RS-232两路RS-232Transceiver，9Pin标准RS-232接口，接口定义为DCD\RXD\TXD\DTR\GND\DSR\RTS\CTS\RI一路选用MAX3380，2TX/2RX普通Transceiver，传输速率460kbps，连接RXD\CTS\TXD\RTS\GND一路选用MAX3245，3TX/5RX高速Transceiver，传输速率1Mbps，全部连接2、RJ-45一路以太网控制器，ISABUS接口，推荐使用CS8900A输入电压：3.3V(模拟\数字)，0.1uF去耦电容20MHz无源晶振时钟，双端输入TX/RX差分信号输出双向buffer主要器件：以太网控制器CS8900ABuffer74VCX16324520MHzCrystalNVRAMAT93C46AFPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第5页共13页内部集成X’FMR的RJ-45接口3、USB2.0OTG两路高速(全速)USB2.0OTGTransceiver，推荐使用ISP1504A输入电压：5V\3.3V\2.8V\1.8V，0.1uF滤波电容，利用电源分配开关提供5V电压给USB接口19.2MHz无源晶振时钟，双端输入一路标准USB接口，接口定义为5V\D-\D+\GND一路MiniUSB接口，接口定义为5V\D-\D+\ID\GND，ID连接TransceiverID引脚，标准USB接口没有该功能，TransceiverID引脚经1K电阻接地主要器件：高速(全速)USB2.0OTGTransceiverISP1504A19.2MHzCrystal双路USB电源分配开关MIC2536ESDFilterIP4059（可选）4、CMOS摄像头CMOS摄像头接口没有固定标准，可以采用48PinCSIConnector，包括CSI数据传输(MCLK\FV\LV\PIXCLK\DATA[15:0])、GPIO传感器控制(RESET\POWD)、I2C(SDA\SCLK)和电源供电四个部分输入电压：2.8V\1.8V(模拟\数字)，0.1uF滤波电容一般摄像头都是8bit数据信号接上拉电阻，最好都通过buffer驱动和FPGA通信我们现在有一个Freescale的CMOS摄像头，48PinCSIConnector接口，只需安装驱动程序即可5、CF&SDCardCF&SD都可作为外设存储器，SD卡可兼容MMC卡，3.3V输入电压SD9Pin结构，接口定义为Data2\Data3\CMD\gnd\3.3V\CLK\gnd\Data0\Data1，FPGA输出的Data可直接连接外设存储器MMC7Pin结构，两侧比SD卡各少一个DatapinCF50Pin结构较复杂，从功能上说，SD可以实现大容量存储，个人认为不需要再在板上设计CF接口接口选择：CFSAMTECCFT-150(可选)6、JTAGJTAG有20Pin和14Pin两种标准接口，两者电气特性一致，没有本质差别我们选用20Pin结构，接口定义为PinnodescriptionPinnodescriptionPinnodescriptionPinnodescription1Vref6GND11RTCK16GND2VCC7TMS12GND17NC3TRST8GND13TDO18GND4GND9TCK14GND19NC5TDI10GND15SRST20GNDFPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第6页共13页TRST\TDI\TMS\NRST可接不高于10K上拉电阻防止误触发TCK\RTCK可接不高于10K下拉电阻防止误触发VCC3.3V供电，Vref也可直接连接3.3V7、键盘外接键盘采用20PIN接口接口定义如下图8、LCD接口配合我们目前有的一套34PINSHARPLCD接口，接口定义如下：40PIN并口LCD，接口定义如下图FPGA开发板硬件设计方案协同集团北京研发中心◎版权所有第7页共13页16PIN串口LCD，接口定义如下图5V/3.3V/2.8V/1.8V供电，加10uF滤波电容9、MICTORTektronixandAgilentlogicanalyzerconnectorsAgilent有90Pin、40Pin两种标准接口，我们选用40Pin接口，3.3V供电要和JTAGTRST/TDI/TDO/TCK/TMS五个引脚连接数据和时钟引脚可根据Agilent式样书布线MIC