Небольшие ПЛИС в линейке AMD, такие как AMD Spartan™ 7 и AMD Artix™ 7, идеально подходят для многих приложений, поскольку они обеспечивают детерминированность, низкую задержку и очень гибкий ввод-вывод.
В этом проекте мы собираемся создать небольшой модуль, содержащий AMD Spartan 7 FPGA, вместе с его вспомогательными компонентами для создания штампа. Этот штамп будет простой, небольшой печатной платой, которую можно будет легко включить в другие проекты, что избавит от необходимости каждый раз проектировать с нуля.
Цель состоит не только в том, чтобы сделать марку как можно меньше и дешевле, но и в том, чтобы найти применение нескольким устройствам Spartan 7 FPGA, которые остались у меня от другого проекта.
Ввиду специфики данного проекта, поскольку мы проектируем физический элемент, мы не сможем немедленно протестировать окончательный дизайн.
Таким образом, данный проект будет охватывать разработку требований, архитектуры, выбор компонентов и проектирование схем.
Как только это будет завершено, я отправлю плату на макетирование и изготовление.
Будет реализован следующий проект по тестированию и выпуску ПЛИС-марки Spartan 7.
Схемы и макеты будут доступны в исходном формате всем желающим.
ТребованияВсе проекты должны начинаться с набора требований, которые определяют функциональное и нефункциональное поведение проекта. Эти требования также предоставят требования к интерфейсу.
- REQ1 — Марка должна включать в себя ПЛИС AMD Spartan 7 XC7S6 в корпусе CSGA225.
- REQ2 — штамп должен быть рассчитан на большие значения в диапазоне AMD Spartan 7 FPGA, включая XC7S15 и XC7S25.
- REQ3 — Штамп должен иметь энергонезависимую память для хранения потока конфигурации ПЛИС.
- REQ4 — Штамп должен быть выполнен в квадратном формате.
- REQ5 — Штамп должен обеспечивать 20 входов/выходов на каждой стороне квадрата.
- REQ6 — По возможности следует использовать дифференциальные пары ввода-вывода.
- REQ7 — Штамп должен обеспечивать JTAG через свои контакты ввода-вывода
- REQ8 — Штамп должен обеспечивать программирование через USB
- REQ9 — Конфигурация ПЛИС должна быть доступна для выбора между NVRAM и JTAG
- REQ10 — Марка должна иметь генератор 25 МГц
- REQ11 — Марка должна быть снабжена 5В
- REQ12 — Штамп должен генерировать все необходимые напряжения ядра и ввода-вывода.
- REQ13 — Необходимо обеспечить несколько входов 5 В — как минимум по одному на каждую сторону
- REQ14 — Необходимо предусмотреть несколько заземлений — не менее одного на каждую сторону
- REQ15 — Соединения должны быть расположены на расстоянии, позволяющем устанавливать разъемы с шагом 0,1 мм.
- REQ16 — Марка должна иметь как минимум один светодиод, доступный пользователю.
Следующий шаг в этом процессе — создание архитектуры, отражающей требования. Хотя это довольно просто, это все равно стоит сделать.
Элемент питания будет получать 5 В от платы и генерировать напряжение ядра, вспомогательное напряжение и напряжение ввода/вывода для FPGA. Данные конфигурации будут храниться в NVRAM, в то время как USB JTAG будет обеспечивать возможности программирования для FPGA и памяти NVRAM.
Предполагается, что на выходе JTAG между USB JTAG и FPGA также будут подключены разъемы для обеспечения прямого доступа к JTAG с использованием программатора Digilent HS3 или Smart Link.
Генератор будет иметь стандартную частоту 100 МГц и позволит создавать диапазон частот с использованием внутренних схем ФАПЧ.
Матрица соответствияВ профессиональном инженерном проекте матрица соответствия — это метод, с помощью которого мы демонстрируем соответствие нашего решения требованиям.
Матрица соответствия показывает, что мы соответствуем, за исключением одного требования, которое соответствует частично. Частичное соответствие возникает из-за того, что мы предоставим устройство программирования USB JTAG на штампе; однако фактический разъем USB не будет реализован на штампе. Это позволяет пользователю штампа расположить разъем USB там, где это лучше всего для него.
Фоновое чтениеПрежде чем мы начнем создавать схемы, нам нужно прочитать некоторую дополнительную информацию, чтобы убедиться, что мы проектируем систему правильно, и это поможет мне спроектировать ее. Я прочитал следующее
ДизайнПрежде чем приступить к схематическому процессу, нам необходимо провести проектирование и анализ, чтобы убедиться, что наша система будет работать так, как ожидается.
Первый шаг — убедиться, что у нас есть точная оценка мощности, которая будет определять параметры проекта электропитания.
Основное потребление мощности будет от ПЛИС. Таким образом, нам необходимо создать точную оценку мощности.
Для этого мы можем воспользоваться одной из таблиц оценки мощности AMD.
Этот инструмент позволяет нам определять использование ресурсов, тактовую частоту и частоту переключения для точной оценки энергопотребления устройства.
Поскольку XC7S6 — это устройство с наименьшей емкостью, обычно оно будет иметь высокую загрузку.
Таким образом, оценка мощности будет предполагать, что используются все ресурсы ПЛИС.
Это дает мне оценку общей мощности на кристалле в 0,351 Вт.
Распределение мощности и графики
Использование логики
Нам также необходимо выбрать другие компоненты, чтобы мы могли определить требования к питанию для них. Основные компоненты:
- FT232H — USB-JTAG-чип
- 93LC56BT — JTAG PROM используется с FT232H
- ИС25ЛП256Д — FPGA PROM хранит конфигурацию
- KC2520Z100.000C15XXK — Генератор 100 МГц
Базовая FPGA требует 4,3 Мбит конфигурационной памяти, и мы также хотим поддерживать устройство XC7S25, которому требуется 9,9 Мбит конфигурационных данных. Таким образом, мы выбрали память QSPI объемом 256 Мбит. Это предоставит разработчикам возможность реализовывать мультизагрузочные и резервные решения.
Я выбрал FT232H, потому что это одно из устройств, поддерживаемых AMD Vivado ™ Design Suite для программирования через USB с целью реализации функциональности USB JTAG.
Следующим шагом после определения компонентов является создание общего бюджета мощности системы, чтобы гарантировать правильность выбора решения по электропитанию.
В качестве силового устройства был выбран RICHTEK RT7273GQW — трехвыходной импульсный стабилизатор, способный выдавать выходной ток 3 А, чего будет более чем достаточно.
Преимущество трехканальной конструкции заключается в ее компактности и возможности создания решения меньшего размера, чем это было бы возможно с тремя дискретными источниками питания.
Из технического описания RT7273 нам необходимо определить максимальную и минимальную энергоэффективность для прогнозируемой эффективности и наихудшие токи нагрузки.
Необходимо учитывать эффективность выбранных силовых импульсных преобразователей.
Выбрав компоненты и определив оценку мощности, мы можем приступить к созданию схемы модуля.
Выбрав компоненты и определив оценку мощности, мы можем приступить к созданию схемы модуля.
СхемыДля создания схем я использовал Altium Designer, инструмент, которым я владею уже некоторое время, но который я лично не использовал в последнее время. Схемы организованы в иерархическом дизайне, что позволяет повторно использовать их в нескольких проектах, если это необходимо.
Элементы дизайна:
- Власть: Этот модуль создает питание 1v0, 1v8 и 3v3 из входного напряжения.
- Энергонезависимая оперативная память: Этот модуль содержит энергонезависимую память конфигурации.
- ПЛИС: Он содержит устройство AMD Spartan 7 XC7S6 и обеспечивает ввод/вывод.
- JTAG-интерфейс: Этот модуль содержит устройство FTDI FT4232, которое обеспечивает JTAG-доступ к ПЛИС и программирует NVRAM.
Как и в большинстве моих проектов, я предпочитаю максимально упрощать верхний уровень. Схемы прикреплены к проекту внизу.
Элемент конструкции питания описан ниже — он генерирует требуемые напряжения 1v0, 1v8 и 3v3. Я включил контрольные точки на каждой из выходных и входных шин, а также несколько контрольных точек на земле.
Мой план по компоновке — обеспечить два метода интерфейса. Первый будет зубцами, которые можно будет припаять для поверхностного монтажа платы.
Второе, что я, скорее всего, буду использовать для доводки, — это сделать 0,1-дюймовое отверстие для сопряжения коллектора для каждого зубца.
Соответственно, для питания и заземления я добавил по пять штырьков для каждого. Мы можем изменить посадочное место до желаемой формы, как только дойдем до этапа макета.
Настройка NVRAM довольно проста, как показано ниже. Я добавил подтягивающие резисторы и последовательные согласующие резисторы на случай, если они понадобятся.
Самый сложный элемент дизайна — страница FPGA. На этой странице мы обрабатываем настройки конфигурации, распределение ввода-вывода и подключение питания.
Первый шаг — выделить внешние входы/выходы штампа в соответствии с требованиями. Я планирую сделать доступными выводы JTAG, а также VIN и Ground. Для повышения гибкости конструкции я разрешу BANK 34 использовать выбираемое напряжение ввода/вывода, которое может питаться от всего, на чем установлен штамп.
Общее количество пользовательских вводов-выводов составит 77 пинов.
Чтобы максимально упростить страницу ПЛИС, я буду использовать иерархическую структуру для управления неиспользуемыми вводами/выводами, а также соединениями питания и заземления.
Для программирования дизайна нам необходимо реализовать интерфейс JTAG. Мой план предполагает использование USB и устройства FTDI, запрограммированного через AMD Vivado. Чтобы сохранить гибкость штампа, я не буду реализовывать разъем USB непосредственно на штампе.
Вместо этого я выведу сигналы DP и DM на замки края. Я также планирую сделать сигналы JTAG доступными на замках края. Причина этого в том, чтобы при желании можно было создавать цепи JTAG в системе, использующей S7 Stamp.
Следующие шагиПроект завершен и готов к производству. Некоторые кадры процесса проектирования можно увидеть ниже.
Позже летом, как только у меня будет марка, будет еще один проект. Надеюсь, этот проект будет посвящен продвижению дизайна.
Спонсируется AMD
