FPGA的最小硬件系统设计

《FPGA的最小硬件系统设计》项目设计项目名称：基于EP1K10TC100-3芯片的最小硬件系统设计姓名：蒋流洲院系：应用技术学院专业：09电子信息工程（应电应本）学号：200915254137指导教师：徐正坤完成时间:2011年6月30日设计题目基于EP1K10TC100-3芯片的FPGA最小系统设计设计要求1．原理图要合理规划，设计正确；2．元件的布线布局要整洁美观；3．覆铜、过孔等后期处理符合要求；设计过程1．创建一个PCB项目工程环境，后缀为.PRJPCB；2．在PCB项目工程下面新建原理图文件；3．对原理图文件进行ERC检查，并改正错误地方；4．进行封装检查；5．在PCB项目工程下去新建PCB文件并导入文件；6．对PCB的布局布线以及一些后期处理；7．进行实训总结；成绩评定指导教师评语课程设计等级目录1设计项目名称、内容与要求……………………………………1页1.1设计内容………………………………………………………1页1.2具体要求………………………………………………………1页2FPGA最小系统硬件电路整体架构………………………………1页2.1系统总体原理框图与设计说明………………………………1页2.2最小系统原理图设计与PCB设计工具介绍……………………1页3FPGA最小系统硬件电路原理图设计……………………………3页3.1基于AltiumDesigner的原理图设计流程…………………3页3.2单元电路原理图分析与设计…………………………………3页3.3FPGA最小系统整体电路原理图与元器件清单……………5页4FPGA最小系统电路PCB板设计………………………………6页4.1基于AltiumDesigner的PCB设计流程………………………6页4.2最小系统电路PCB板设计……………………………………7页4.3FPGA最小系统硬件电路整体PCB版图………………………12页5总结（Closing）………………………………………………12页参考书目（Reference）：…………………………………………12页附录（Appendix）：………………………………………………13页1设计项目名称、内容与要求1.1设计内容AltiumDesigner中以设计项目为中心，一个设计项目中可以包含各种设计文件，如原理图SCH文件，电路图PCB文件及各种报表，多个设计项目可以构成一个ProjectGroup（设计项目组）。因此，项目是AltiumDesigner工作的核心，所有设计工作均是以项目来展开的。完成FPGA最小EP1K10TC100-3芯片的系统的PCB、原理图的设计。1.2具体要求﹝1﹞掌握FPGA开发板的六大组成部分的设计。﹝2﹞初步掌握AltiumDesigner的使用，设计流程。﹝3﹞掌握AltiumDesigner的高级设计方法。﹝4﹞完成FPGA最小EP1K10TC100-3芯片系统的PCB、原理图的设计。﹝5﹞学习调试方法；探讨FPGA最小EP1K10TC100-3芯片系统设计。﹝6﹞FPGA的开发流程及设计方法。2FPGA最小系统硬件电路整体架构2.1系统总体原理框图与设计说明﹝1﹞原理框图﹝2﹞电源电路采用LT1086-3芯片和LT1587-芯片，将输入的电压+5V直流转换为电压为+3V和+1.5V电源，复位电路采用高低电平控制；﹝3﹞显示电路采用依次显示的6个7端数码管进行显示；﹝4﹞下载电路采用JTAG模式进行计算机与芯片之间的数据传递；外部时钟电路将产生频率可调的秒脉冲信号。2.2最小系统原理图设计与PCB设计工具介绍在AltiumDesigner中进行原理图设计的具体步骤如下。2.2.1新建PCB项目及原理图文件AltiumDesigner中的设计是以项目为单位的，通常一个PCB设计项目中包含原理图文件和PCB文件，在进行原理图设计前，需要创建一个PCB设计项目，然后再在新建的PCB项目中添加空白原理图文档，当打开新建的原理图文档时，系统会自动进入原理图编辑界面。2.2.2设置原理图编辑界面的系统参数和工作环境为适应不同用户的操作习惯，以及不同的项目的原理图格式需求，AltiumDesigner允许用户设置原理图编辑界面的工作环境，例如设置网格的大小和类型以及鼠标指针类型等，其中大多数参数都可以用系统默认值，但根据用户个人习惯来适当调整环境设置，将会给设计者带来方便，显著提高设计效率。在对原理图编辑界面进行调整后，用户还需要对原理图的图纸尺寸及版面进行设置，以满足图纸使用者的要求，图纸的格式、规格要根据实际情况进行选择，良好的图纸格式会使图纸管理工作变得更加轻松。尤其是在一个项目中包含多张原理图的时候。2.2.3布置元件并调整元件属性和布局这一步是原理图设计的关键，用户根据实际电路的需要，选择合适的电子元件，然后载入包含所需元件的集成元件库，从元件库中提取元件放置到原理图的图纸上，同时还须设定零件的标识、封装等属性。对于当前元件库中没有的元件，则可以自行定义。在布置新建PCB项目及原理图文件元件时，元件之间的位置要尽量合理，这样能减少原理图布线过程的工作量，提高原理图的可读性。2.2.4原理图布线原理图布线就是利用“Wiring”工具栏中的连线工具将图纸上的独立元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。2.2.5检查、仿真、校对及线路调整当原理图绘制完成以后，用户还需要利用系统所提供的各种工具对项目进行编译，找出原理图中的错误，进行修改，如有需要，也可以在绘制好的电路图中添加信号进行软件模拟仿真，检验原理图的功能。2.2.6输出报表，保存文件原理图校对结束后，用户可利用系统提供的各种报表生成服务模块创建各种报表，例如网络列表、元件列表等。为后续的PCB板设计做准备。获得报表输出后，保存原理图文档或打印输出原理图，设计工作结束。PCB板设计流程图设计过程介绍如下。2.2.1绘制编译原理图绘制编译原理图是PCB板设计的准备工序，设计者将其设计的电路采用原理图的形式输入系统，通过编译过程检验原理图设计是否满足原理图设计规则的要求，同时生成连线网络，这些工作步骤在前几章已经作了详细介绍。在特殊情况下，例如电路比较简单的情况下可以不进行原理图设计而直接进入PCB板的设计过程，然后在PCB编辑器中手工布线或者利用网络管理器人工创建网络表后进行交互布线。2.2.2添加PCB文件这一步是PCB板设计中的第一步，首先必须在已有的项目中添加新的PCB文件，这样，该PCB文件就与该项目中的原理图联系起来，这是非常重要的，新建的PCB文件还需要设置一些主要参数，例如：电路板的结构及其尺寸、PCB板的层数、格点的大小和形状。一般情况下大多数参数可以用系统的默认值。2.2.3同步PCB文件同步PCB文件是将原理图中的内容与PCB文件中的内容同步起来，这种同步是通过网络列表来实现的，网络列表示描述电路连接的列表文件，是连接原理图设计和PCB板设计的纽带，同步过程中，系统会显示同步操作将对PCB文件进行得的修改内容，用户可以逐个选择是否进行修改，这个过程将在以后详细介绍。同步完成后，PCB文件中将具有原理图中所有元件的PCB封装，以及元件的连接关系。2.2.4PCB板元件布局规则设置好的元件布局是布线成功的保障，AltiumDesigner中提供了自动布局的功能，可以按照用户设置的布局规则，自动进行元件位置的布局。即使用户采用交互布局的方式进行布局，系统也会自动检查当前布局状态，显示当前违反布局规则的错误或警告。降低由于布局失误为后续工作带来的麻烦。为得到一个满意的元件布局，用户必须设置好PCB板元件布局规则。2.2.5布线规则设置布线规则是布线时依据的各个规范，如安全间距、导线宽度等，这是对自动布线的约束。布线规则的设置也是印制电路板设计的关键之一，需要一定的实践经验，布线规则设置不能过高也不能过低，当约束条件设置得过高，给布线带来较大的困难，会使布线成功率降低，约束条件设置得过低，不限质量将受到影响，会给实际产品带来隐患，甚至无法满足实际需要。2.2.6输出生产制造文件在绘制完成PCB板后，系统可以生成各种生产制造文件和输出报表，例如PCB光绘文件“Gerber”、数控钻文件“NCdrill”、元件插置文件“PickandPlace”和材料清单报表等，使用这些文件，设计者就可以开始批量生产PCB板以及进行元件自动焊接。3FPGA最小系统硬件电路原理图设计3.1基于AltiumDesigner的原理图设计流程电路原理图设计是EDA设计的基础，原理图设计的大致流程如图1所示。设计过程介绍如下。3.2单元电路原理图分析与设计3.2.1电源电路模块和复位电路Vin31+1.52GNDU2LT1086-3Vin31+1.52GNDU3LT1587-1.5100nFC1100nFC19100μFC17GND5VCC3.3VCCD1LED100μFC163.3VCC1.5VCC100nFC18330RR2123P1Header3H5VCC5VCCGND1GND1GND1D74.7KR14S1RESETGND3.3VCCnCONFIG该电路实现对输入+5V到输出+3V和+1.5V电压的转换，以及利用稳压二极管对输入电源进行稳压；复位电路是采用高低电平原理对芯片的nCONEIG管脚控制，达到复位的作用。3.2.2滤波电路模块100nFC3100nFC4100nFC5100nFC6100nFC7100nFC8100nFC9100nFC10100nFC11100nFC12100nFC131.5VCC100nFC2100nFC143.3VCCGND1GND1采用电容并联，对变压之后的+3V和+1.5V电源进行滤波。3.2.3外部时钟电路TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U4NE555JG5VCCGND0.01μFC150.1μFC205.1KR212KR2210KR23DISCDISC12P6GND由+5V电压利用NE555JG芯片产生频率可调的脉冲信号3.2.4下载电路TCK1GND2VCC4TDO3TMS5NC6NC7NC8TDI9GND10P2FPGA_JTAG4.7KR154.7KR1610KR1710KR1810KR1910KR20GND3.3VCCnCECONF_DONEnSTATUSnCONFIGMSEL0MSEL11KR61KR71KR8TCKTDOTMSTDIGND3.3VCCGNDGND3.3VCC3.3VCC3.3VCC采用JTAG配置模式，利用计算机并行口进行计算机和芯片之间的数据传递。3.2.5显示电路K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS6K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS5K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS4K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS3K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS2K1f2g3e4d5K6c8DP7b9a10DS1A1B2C3OE2A4OE2B5OE16Y77GND8Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y015VCC16U574LS138aaaaaabbbbbbccccccddddddeeeeeeffffffggggggDPDPDPDPDPDP12345678P7DPabcdefgK1K2K3K4K5K65VCC123P8ROW0ROW1ROW2GNDK1K2K3K4K5K65VCCROW0ROW1ROW2数码管采用逐一显示的原理，利用74LS138对公共阴极进行控制，始终显示一个，显示的时候利用动态扫描程序，显示出肉眼不能分辨的动态显示。3.3FPGA最小系统整体电路原理图与元器件清单3.3.1系统原理利用AltiumDesigner6软件对电路进行设计，电路采用分块设计，对电源电路和复位电路、电源滤波电路，下载电路、外部时钟电路以及显示电路分开模块化进行设计。原理图如下所示FPGA最小系统原理图3.3.2元器件清单4FPGA最小系统电路PCB板设计4.1基