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ZYNQ核心板学习笔记

FPGA技术江湖 来源:数字积木 2024-10-24 18:08 次阅读

以下文章来源于数字积木,作者数字积木

1,板卡概述

此款开发板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片,型号为 XC7Z020-2CLG484I,484 个引脚的 FBGA 封装。ZYNQ7000 芯片可成处理器系统部分 Processor System(PS)和可编程逻辑部分 Programmable Logic(PL)。在 该开发板上,ZYNQ7000 的 PS部分和 PL 部分都搭载了丰富的外部接口和设备,方便用户的使用和功能验证。另外开发板上集成了 JTAG_UART 下载器电路,用户只用一个 USB 线就可以对开发板进行下载和调试。下图为整个板卡的系统组成图 :

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该开发平台定位于初学者的入门学习以及功能开发验证使用。

开发平台所能含有的接口和功能如下:

USB TYPE-C电源输入接口,支持DP协议电源输入 ,支持5V,9V,12V 等电压配置,默认输入配置为12V ;

采用 TI的型号为 TPS82130SILT的 MicroSiP 电源模块 ,为板上提供 1.0V, 1.5V,1.8V,3.3V,5.0V等多路供电

Xilinx ARM+FPGA 芯片 Zynq-7000 XC7Z020-2CLG484I

两片大容量的 4Gbit(共 8Gbit)高速 DDR3 SDRAM,可作为 ZYNQ 芯片数据的缓存,也可以作为操作系统运行的内存 , DDR型号为 MT41K256M16TW-107IT 。

一片 256Mbit 的 QSPI FLASH, 可用作 ZYNQ 芯片的系统文件和用户数据的存储 ,flash型号为 N25Q128A13ESE40F ;

1 路 Micro SD 卡座,用于存储操作系统镜像和文件系统。

一片EMMC芯片 ,容量为 8Gbytes , 用于存储操作系统镜像和文件系统 , 型号为 MTFC8GAKAJCN-4M。

一路10/100M/1000M以太网RJ45接口, 可用于和电脑或其它网络设备进行以太网数据交换;

一路 HDMI 图像视频输出接口, 能实现 1080P 的视频图像传输;

板载一个 33.333Mhz 的有源晶振,给 PS 系统提供稳定的时钟源,一个 50MHz 的有源晶振,为 PL 逻辑提供额外的时钟;

一路 USB JTAG 口,集成有JTAG和UART功能,通过 USB 线及板载的 JTAG 电路对 ZYNQ 系统进行调试和下载。

一片 IIC 接口的 EEPROM ,型号为 M24C08-WDW6TP , 容量为 1Kbytes;

通过跳线帽进行启动模式修改,支持JTAG,SD卡,FLASH启动模式,方便用户开发调试 。

一路USB接口 , 可用于开发板连接鼠标、键盘和 U 盘等 USB 外设;

2个FPGA状态指示灯(DONE , INIT_B),用于方便查看FPGA的状态 。

2 个系统复位按键, 采用专用的复位芯片,用于控制芯片的系统复位 ;

4 个用户发光二极管 LED,包括2个单色LED和2个RBG LED ,均连接在PL端进行控制;

2 个FPGA状态指示灯 ,连接到FPGA的DONE和INIT引脚上,用于标识FPGA配置完成以及初始化状态。

3个电源状态指示灯,分别用于标识电源输入有效,调试口输入有效,以及电源模式输出有效。

2 个 PL 控制按键,4个微型拨码开关,均连接在PL端。

一片IIC接口的温度传感器芯片,可用于检测环境温度。

LCD屏幕接口,采用RGB888时序接口,支持显示屏幕 以及触摸功能。

板卡设计有OLCD屏幕接口,采用IIC接口,支持简单内容的显示。

一路风扇控制接口,12V供电,支持PWM风扇调速 。

2 路 40 针的扩展口(2.54mm 间距),用于扩展 ZYNQ 的 PL 部分的 IO。

2,结构尺寸

开发板的尺寸为精简的 80mm x 75mm, PCB 采用 10 层板设计。板子四周有 4 个螺丝定位孔,用于固定开发板,定位孔的孔径为 2.5mm(直径),下图为整个板卡的结构示意图:

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板卡实物图如下 :

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3,电源设计

3.1 电源输入

采用USB TYPE-C电源输入为板卡供电,供电的USB连接器位号为 J21,LED9为电源输入指示灯 ,当电源输入有效时,LED9点亮 。

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3.2 PD协议

通过CH224K芯片提供 PD 供电支持 ,支持5V,9V,12V 等电压请求,默认输入配置为12V 。

CH224 单芯片集成 USB PD 等多种快充协议,支持 PD3.0/2.0,BC1.2 等升压快充协议,支持 4V 至 22V 输入电压,自动检测VCONN 及模拟 E-Mark 芯片,最高支持 100W 功率,内置 PD 通讯模块,集成度高,外围精简。集成输出电压检测功能,并且提供过温、过压保护等功能。可广泛应用于各类电子设备拓展高功率输入如无线充电器、电动牙刷、充电剃须刀、锂电池电动工具等各类应用场合。

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CH224K 使用 Type-C 母口供电,电平配置支持 5/9/12/15/20V(图中电平方式配置为 12v),通过修改 CFG1 ,CFG2,CFG3的连接关系来配置请求电压 ,用户可修改 CFG 引脚的配置来调整输入请求电压 。实际请求的电压取决于电源适配器支持的输出模式 。

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3.3 排针供电

板卡还设计有一路排针的电源接口 ,可作为电源输入或输出使用 。排针位号为 J6 , 为 2.54mm 间距的 4PIN 单排排针 。

当用户不方便使用 Type-C 接口供电时, 也可使用该排针接口为板卡进行供电 ,输入电压支持 5V- 15V 范围 。

或者使用 Type-C 接口供电时,该接口也可支持为其他模块提供供电 。

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3.4 电源模块

采用 TI的型号为 TPS82130SILT的 MicroSiP 电源模块 ,为板上提供 1.0V, 1.5V,1.8V,3.3V,5.0V等多路供电 ;通过 TI 的 TPS51200 生成 DDR3 需要的 VTT 和 VREF 电压。

TPS82130 是一款 17V 输入 3A 降压转换器 MicroSiP 电源模块,经优化具有小解决方案尺寸和高效率等特性。该模块集成了一个同步降压转换器和一个电感器,以简化设计、减少外部元件数量并缩小 PCB 面积。该模块采用紧凑的薄型封装,适合通过标准表面贴装设备进行自动组装。

TPS51200 器件是一款灌电流和拉电流双倍数据速率 (DDR) 终端稳压器,专门针对低输入电压、低成本、低噪声的空间受限型系统而设计。

各个电源分配的功能如下表所示:

电源 功能
+1.0V ZYNQ的核心电压
+1.5V DDR3 , ZYNQ Bank502
+1.8V ZYNQ 辅助电压, ZYNQ PLL, ZYNQ Bank501 VCCIO, 以太网,USB2.0 等
+3.3V ZYNQ VCCIO, 以太网,串口,HDMI ,FLASH, EEPROM , SD card 等
+5.0V LCD ,HDMI , 扩展接口
VREF, VTT DDR3

因为 ZYNQ 的 PS 和 PL 部分的电源有上电顺序的要求,在电路设计中,按照ZYQN 的电源要求设计,上电依次为 1.0V -> 1.5V -> 1.8 V -> 3.3V -> 5.0V 。下图为电源的电路设计:

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3.5FPGA供电系统

ZYNQ 芯片的电源分 PS 系统部分和 PL逻辑部分,两部分的电源分别是独立工作。PS 系统部分的电源和 PL 逻辑部分的电源都有上电 顺序,不正常的上电顺序可能会导致 ARM 系统和 FPGA 系统无法正常工作。

PS 部分的电源有 VCCPINT、VCCPAUX、VCCPLL 和 PS VCCO。VCCPINT 为 PS 内核供电引脚,接 1.0V;VCCPAUX 为 PS 系统辅助供电引脚,接 1.8V;VCCPLL 为 PS 的内部时钟PLL 的电源供电引脚,也接 1.8V;PS VCCO 为 BANK 的电压,包含 VCCO_MIO0,CCO_MIO1 和 VCCO_DDR,根据连接的外设不同,连接的电源电源也会不同,在该核心板上,VCC_MIO0 连接 3.3V, VCCO_MIO1 连接 1.8V,VCCO_DDR 连接 1.5V。PS 系统要求上电顺序分别为先 VCCPINT 供电,然后 VCCPAUX 和 VCCPLL,最后为 PS VCCO。断电的顺序则相反。

PL 部分的电源有 VCCINT, VCCBRAM, VCCAUX 和 VCCO。VCCPINT 为 FPGA 内核供电引脚,接 1.0V;VCCBRAM 为 FPGA Block RAM 的供电引脚;接 1.0V;VCCAUX 为 FPGA辅助供电引脚, 接 1.8V;VCCO 为 PL 的各个 BANK 的电压,包含 BANK13,BANK34,BANK35,在 AX7020 开发板上,BANK 的电压连接 3.3V。PL 系统要求上电顺序分别为先VCCINT 供电,再是 VCCBRAM, 然后是 VCCAUX,最后为 VCCO。如果 VCCINT 和 VCCBRAM的电压一样,可以同时上电。断电的顺序则相反。

4,ZYNQ7000

4.1 主芯片介绍

开发板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片,型号为 XC7Z020-2CLG484I。

zynq7000系列的结构如下图所示。芯片的 PS 系统集成了两个 ARM Cortex-A9 处理器,AMBA互连,内部存储器,外部存储器接口和外设,外设主要包括 USB 总线接口,以太网接口,SD/SDIO 接口,I2C 总线接口,CAN 总线接口,UART 接口,GPIO 等。

PL端结构与A7系列相似,大体就包括电源模块、时钟CMT、IO模块(IOB、GTP、memory interface、pcie)、CLB、BRAM、GTP、DSP、jtag调试口等。

PS端包含1个APU单元,APU内有两个cotex-a9核用于运算,一个SCU用于处理数据的一致性,然后包含L1、L2级缓存,一个GIC用于中断控制,一个256KB SRAM用于程序运行,另外包含TTC、看门狗、DAP调试口等。PS端还包含一个Central Interconnect,用于互连IOP(CAN、SPI、UART、SD、USB、ETHERNET等外设),互连flash,互连DDR,互连OCM Interconnect。PS端还包含clock生成模块、复位模块等。

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4.2 ZYNQ7000命名规则

Zynq其命名规则遵循一定的规则和约定。型号由系列代号,数字序列,速度等级,封装类型,温度等级等部分组成, 例如,Zynq-7000系列包括Zynq-7010、Zynq-7020、Zynq-7030、Zynq-7040、Zynq-7100、等型号,其中数字和字母的组合表示不同的芯片性能等级,速度等级包括 -1 ,-L1,-2 ,-L2,-3等,温度等级支持商业级,工艺级等。详细内容见于下图 :

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4.3 芯片资源

PS 系统部分的主要参数如下:

基于 ARM 双核 CortexA9 的应用处理器

每个 CPU 32KB 1 级指令和数据缓存,512KB 2 级缓存 2 个 CPU 共享

片上 boot ROM 和 256KB 片内 RAM

外部存储接口,支持 16/32 bit DDR2、DDR3 接口

两个千兆网卡支持:发散-聚集 DMA ,GMII,RGMII,SGMII 接口

两个 USB2.0 OTG 接口,每个最多支持 12 节点

两个 CAN2.0B 总线接口

两个 SD 卡、SDIO、MMC 兼容控制器

2 个 SPI,2 个 UARTs,2 个 I2C 接口

4 组 32bit GPIO,54(32+22)作为 PS 系统 IO,64 连接到 PL

PS 内和 PS 到 PL 的高带宽连接

PL 逻辑部分的主要参数如下:

逻辑单元 Logic Cells:85K

查找表 LUTs: 53,200

触发器(flip-flops): 106,400

乘法器 18x25MACCs:220

Block RAM:4.9 Mb

两个 AD 转换器,可以测量片上电压、温度感应和高达 17 外部差分输入通道,最大转换速率为1MBPS

4.4 各bank电压

该主芯片的各个BANK功能以及BANK描述如下 :

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FPGA的器件管脚按照Bank进行划分,每个Bank独立供电,以使FPGA I/O适应不同电压标准,增强I/O设计的灵活性。主芯片各个板卡的设计如下表:

BANK 设计电压 备注
BANK0 3.3V 配置BNAK
BANK13 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK33 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK34 3.3V PL_IO , HR BANK
BANK35 1.8V PL_IO , HR BANK
BANK500 3.3V PS_MIO
BANK501 1.8V PS_MIO
BANK502 1.5V PS_DDR

4.5 调试接口

板卡集成由一路 USB JTAG 口,集成有JTAG和UART功能,通过 USB 线及板载的 JTAG 电路对 ZYNQ 系统进行调试和下载,无需外置仿真器和串口调试器。用户无需购买额外的下载器,只要一根 USB 线就能进行 ZYNQ 的开发和调试了,调试的USB接口位号为 J8 。当调试USN输入有效时,LED10会点亮。

通过 FT2232H 提供JTAG和UART支持 。FT2232H是一个USB2.0高速(每秒480兆位)至UART/FIFO 芯片。具有在多种工业标准串行或并行接口配置的能力。有两个多协议同步串行引擎(MPSSE)允许使用JTAG,I2C和SPI两个通道同时进行通信。多协议同步串行引擎 (MPSSE) 是某些 FTDI 客户端 IC 的一项功能,允许模拟多种同步串行协议,包括 SPI、I2C 和 JTAG。

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5,时钟配置

板上分别为 PS 系统和 PL 逻辑部分提供了有源时钟, PS 系统和 PL 逻辑可以单独工作。

5.1 PS系统时钟源

ZYNQ 芯片通过开发板上的 X1 晶振为 PS 部分提供 33.333MHz 的时钟输入,3.3V 供电。时钟的输入连接到 ZYNQ 芯片的 BANK500 的 PS_CLK_500 的管脚上。其原理图如图 所示:

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时钟引脚分配:

信号名称 ZYNQ 引脚
PS_CLK_500 F7

5.2 PL系统时钟源

板上提供了单端 50MHz 的 PL 系统时钟源,3.3V 供电。晶振输出连接到FPGA 的全局时钟(MRCC),这个 GCLK 可以用来驱动 FPGA 内的用户逻辑电路。该时钟源的原理图如图所示

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时钟引脚分配:

信号名称 ZYNQ 引脚 ZYNQ IO 电平
FPGA_CLK_50M Y19 3.3V

6,PS端设计

6.1 启动模式配置

板卡支持三种启动模式。这三种启动模式分别是 JTAG 调试模式,QSPI FLASH 和 SD 卡启动模式。ZYNQ 芯片上电后会检测响应 MIO 口的电平来决定那种启动模式。用户可以通过核心板上的跳线来选择不同的启动模式 。

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ZYNQ7000 完整的启动模式MIO配置如下表 (节选自UG585):

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6.2 QSPI FLASH

开发板配有一片 256Mbit 大小的 Quad-SPI FLASH 芯片,型号为 N25Q128A13ESE40F ,它使用3.3V CMOS 电压标准。由于 QSPI FLASH 的非易失特性,在使用中, 它可以作为系统的启动设备来存储系统的启动镜像。这些镜像主要包括 FPGA 的 bit 文件、ARM 的应用程序代码以及其它的用户数据文件。

SPI FLASH 连接到 ZYNQ 芯片的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上,在系统设计中需要配置这些 PS 端的 GPIO 口功能为 QSPI FLASH 接口。

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配置芯片引脚分配:

信号名称 ZYNQ 引脚名 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平
PS_CFG_SPI_CS PS_MIO1_500 A1 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ0 PS_MIO2_500 A2 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ1 PS_MIO3_500 F6 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ2 PS_MIO4_500 E4 3.3V
PS_CFG_SPI_DQ3 PS_MIO5_500 A3 3.3V
PS_CFG_SPI_SCLK PS_MIO6_500 A4 3.3V

6.3 EMMC

板配有一片大容量的 8GB 大小的 eMMC FLASH 芯片,型号为MTFC8GAKAJCN-4M,它支持 JEDEC e-MMC V5.0 标准的 HS-MMC 接口,电平支持 1.8V或者 3.3V。eMMC FLASH 和 ZYNQ 连接的数据宽度为 4bit。

由于 eMMC FLASH 的大容量和非易失特性,在 ZYNQ 系统使用中,它可以作为系统大容量的存储设备,比如存储 ARM 的应用程序、系统文件以及其它的用户数据文件。

EMMC 连接到了 ZYNQ 的 PS 端接口,接口采用 SD 模式。EMMC 具备体积小,容量大,使用方便,速度快等优点,数据时钟可以达到 50MHZ。由于直接焊接在板上,因此可以在震动或者环境相对恶劣的场合使用。

eMMC FLASH 连接到 ZYNQ 的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上,在系统设计中需要配置这些 PS 端的 GPIO 口功能为 EMMC 接口。

EMMC 的电路设计如下:

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EMMC 的参数如下:

芯片类型:MTFC8GAKAJCN-4M

容量:8G Byte

厂家:Micron

EMMC芯片引脚分配:

信号名称 ZYNQ 引脚名 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平
SD1_EMMC_DATA0 PS_MIO10 G7 3.3V
SD1_EMMC_DATA1 PS_MIO13 A6 3.3V
SD1_EMMC_DATA2 PS_MIO14 B6 3.3V
SD1_EMMC_DATA3 PS_MIO15 E6 3.3V
SD1_EMMC_CLK PS_MIO12 C5 3.3V
SD1_EMMC_CMD PS_MIO11 B4 3.3V
SD1_EMMC_RST PS_MIO9 C4 3.3V

6.4 以太网

板卡设计有一路10/100M/1000M以太网RJ45接口, 可用于和电脑或其它网络设备进行以太网数据交换;

板上通过 Realtek RTL8211E-VL 以太网 PHY 芯片用户提供网络通信服务 ,RTL8211E是Realtek瑞昱推出的一款高集成的网络接收PHY芯片,它符合10Base-T,100Base-TX和1000Base-T IEEE802.3标准,该芯片在网络通信中属于物理层,用于MAC与PHY之间的数据通信。目前有RTL8211E-VB-CG、RTL8211E-VL-CG、RTL8211EG-VB-CG等三个版本。

以太网 PHY 芯片是连接到 ZYNQ 的 PS 端 BANK501 的 GPIO 接口上。RTL8211E-VL 芯片支持 10/100/1000 Mbps 网络传输速率,通过 RGMII 接口跟 Zynq7000 PS 系统的 MAC 层进行数据通信。RTL8211E-VL 支持MDI/MDX 自适应,各种速度自适应,Master/Slave 自适应,支持 MDIO 总线进行 PHY 的寄存器管理。

RTL8211E的电路设计如下:

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RTL8211E-VL 上电会检测一些特定的 IO 的电平状态,从而确定自己的工作模式。配置电路以及配置项如下图所示:

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当网络连接到千兆以太网时,FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的数据传输时通过 RGMII总线通信,传输时钟为 125Mhz,数据在时钟的上升沿和下降样采样。

当网络连接到百兆以太网时,FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的数据传输时通过 RMII总线通信,传输时钟为 25Mhz。数据在时钟的上升沿和下降样采样。

以太网引脚分配如下:

信号名称 ZYNQ 引脚名 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
ETH_GCLK PS_MIO16_501 D6 1.8V RGMII 发送时钟
ETH_TXD0 PS_MIO17_501 E9 1.8V 发送数据 bit0
ETH_TXD1 PS_MIO18_501 A7 1.8V 发送数据 bit1
ETH_TXD2 PS_MIO19_501 E10 1.8V 发送数据 bit2
ETH_TXD3 PS_MIO20_501 A8 1.8V 发送数据 bit3
ETH_TXCTL PS_MIO21_501 F11 1.8V 发送使能信号
ETH_RXCK PS_MIO22_501 A14 1.8V RGMII 接收时钟
ETH_RXD0 PS_MIO23_501 E11 1.8V 接收数据 Bit0
ETH_RXD1 PS_MIO24_501 B7 1.8V 接收数据 Bit1
ETH_RXD2 PS_MIO25_501 F12 1.8V 接收数据 Bit2
ETH_RXD3 PS_MIO26_501 A13 1.8V 接收数据 Bit3
ETH_RXCTL PS_MIO27_501 D7 1.8V 接收数据有效信号
ETH_MDC PS_MIO52_501 D10 1.8V MDIO 管理时钟
ETH_MDIO PS_MIO53_501 C12 1.8V MDIO 管理数据

6.5 DDR

板上配有两个的4Gbit(512MB)的DDR3芯片(共计8Gbit),型号为 MT41K256M16TW-107IT 。DDR的总线宽度共为32bit。该DDR3存储系统直接连接到了ZYNQ处理系统(PS)的BANK 502的存储器接口上。

DDR3 的硬件设计需要严格考虑信号完整性,在电路设计和 PCB 设计的时候已经充分考虑了匹配电阻/终端电阻,走线阻抗控制,走线等长控制, 保证 DDR3 的高速稳定的工作。

DDR的电路设计如下图 :

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6.6 SD 卡

板包含了一个Micro型的SD卡接口,以提供用户访问SD卡存储器,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。SDIO信号与ZYNQ的PS BANK501的IO信号相连,因为该BANK的VCCMIO设置为1.8V,但SD卡的数据电平为3.3V, 我们这里通过 MAX13035EETE+ 电平转换器来连接。

SD卡的电路设计如下:

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SD 卡槽引脚分配

信号名称 ZYNQ 引脚名 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
SD0_SDIO_CLK PS_MIO28 A12 1.8V SD时钟信号
SD0_SDIO_CMD PS_MIO29 E8 1.8V SD命令信号
SD0_SDIO_D0 PS_MIO30 A11 1.8V SD数据Data0
SD0_SDIO_DATA1 PS_MIO31 F9 1.8V SD数据Data1
SD0_SDIO_DATA2 PS_MIO32 C7 1.8V SD数据Data2
SD0_SDIO_DATA3 PS_MIO33 G13 1.8V SD数据Data3
SD0_SDIO_CATAD PS_MIO34 B12 1.8V SD卡插入信号

6.7 USB

板卡使用的USB2.0收发器是一个1.8V的,高速的支持ULPI标准接口的USB3320C-EZK。ZYNQ的USB总线接口和USB3320C-EZK收发器相连接,实现高速的USB2.0 Host模式和Slave模式的数据通信。USB3320C的USB的数据和控制信号连接到ZYNQ芯片PS端的BANK501的IO口上 。

USB2.0 引脚分配 :

信号名称 ZYNQ 引脚名 ZYNQ 引脚号 备注
OTG_DATA4 PS_MIO40 E14 USB 数据 Bit4
OTG_DIR PS_MIO41 C8 USB 数据方向信号
OTG_STP PS_MIO42 D8 USB 停止信号
OTG_NXT PS_MIO43 B11 USB 下一数据信号
OTG_DATA0 PS_MIO44 E13 USB 数据 Bit0
OTG_DATA1 PS_MIO45 B9 USB 数据 Bit1
OTG_DATA2 PS_MIO46 D12 USB 数据 Bit2
OTG_DATA3 PS_MIO47 B10 USB 数据 Bit3
OTG_CLK PS_MIO48 D11 USB 时钟信号
OTG_DATA5 PS_MIO49 C14 USB 数据 Bit5
OTG_DATA6 PS_MIO50 D13 USB 数据 Bit6
OTG_DATA7 PS_MIO51 C10 USB 数据 Bit7
OTG_RESETN PS_MIO39 C13 USB 复位信号

7,PL端外设

7.1 用户LED

板卡设计有4 个用户发光二极管 LED,包括2个单色LED和2个RBG LED ,均连接在PL端进行控制 ;

LED通过 TXS0108 电平转换芯片连接到FPGA的引脚 , FPGA一侧的的IO电压为1.8V。当FPGA的IO电平为低时,LED点亮。

LED灯的电路设计如下 ;

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LED的 引脚分配 :

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
PL_LED0 B20 1.8V 单色LED0
PL_LED1 B21 1.8V 单色LED1
PL_LED_R0 A22 1.8V RGB_LED0的红色控制
PL_LED_G0 A21 1.8V RGB_LED0的绿色控制
PL_LED_B0 B22 1.8V RGB_LED0的蓝色控制
PL_LED_R1 E20 1.8V RGB_LED1的红色控制
PL_LED_G1 D21 1.8V RGB_LED1的绿色控制
PL_LED_B1 E21 1.8V RGB_LED1的蓝色控制

7.2 按键

板卡设计有 2 个 PL 控制按键 ,连接在PL端 , FPGA一侧的的IO电压为1.8V ,当按键按下时,FPGA侧检测到高电平,按键松开时,检测到低电平。按键的电路设计如下:

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按键的引脚分配如下:

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
PL_BUTTON0 C19 1.8V
PL_BUTTON1 C22 1.8V

7.3 编码开关

板卡设计有4个微型拨码开关,连接在PL端,FPGA一侧的的IO电压为1.8V 。

1c55c4d6-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

编码开关的引脚分配如下:

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
PL_DIP_SW0 C20 1.8V
PL_DIP_SW1 D20 1.8V
PL_DIP_SW2 D22 1.8V
PL_DIP_SW3 E19 1.8V

7.4 调试串口

调试串口设计在PL端,连接到FT2232芯片的串口收发引脚上,IO电平为3.3V。

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
PL_UART0_RX V7 3.3V ZYNQ_UART的RX端
PL_UART0_TX V8 3.3V ZYNQ_UART的TX端

7.5 EEPROM

板卡设计有一片 IIC 接口的 EEPROM ,型号为 M24C08-WDW6TP , 容量为 1Kbytes;

1c78616c-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
EEPROM_SDA AB14 3.3V
EEPROM_SCL AB15 3.3V

7.6 风扇控制

板卡设计有一路风扇控制接口,12V供电,支持PWM风扇调速 。风扇的控制由 ZYNQ 芯片来控制,控制管脚连接到 FPGA的 IO ,如果 IO 电平输出为高,MOSFET 管导通,风扇工作,如果 IO 电平输出为低,风扇停止。板上的风扇设计图如下图 所示:

1c9dcb14-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
FAN_PWM_3V3 W5 3.3V 风扇控制,PWM信号

7.7 OLED接口

板卡设计有OLCD屏幕接口,采用IIC接口,支持简单内容的显示。采用4PIN 2.54间距的单排排针,包括3.3V供电,地,SDA,SCL信号 。

1cbad592-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
EEPROM_SDA AB14 1.8V
EEPROM_SCL AB15 1.8V

7.8 温度传感器

板卡设计有一片IIC接口的温度传感器芯片,可用于检测环境温度。

1ce98784-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
SDA_TEM V22 3.3V
SCL_TEM W22 3.3V

7.9 HDMI

板卡设计有一路 HDMI 图像视频输出接口, 能实现 1080P 的视频图像传输;开发板上通过 FPGA 的差分 IO直接连接到 HDMI 接口的差分信号和时钟,在 FPGA 内部实现 HMDI 信号的差分转并行再进行编解码,实现 DMI 数字视频输入和输出的传输解决方案,最高支持 1080P@60Hz 的输入和输出的功能。

板卡上采用 TPD12S016RKTR 芯片作为HDMI的接口防护芯片 。TPD12S016 是一款单芯片高清多媒体接口 (HDMI) 器件,具有自动方向感应 I2C 电压电平转换缓冲器、负载开关和集成式低电容高速静电放电 (ESD) 瞬态电压抑制 (TVS) 保护二极管。通过 55mA 限流 5V 输出 (5V_OUT) 为 HDMI 电力线供电。5V_OUT 和热插拔检测 (HPD) 电路的控制与 LS_OE 控制信号无关,其通过 CT_HPD 引脚进行控制,使得在启用 HDMI 链路前即可激活检测方案(5V_OUT 和 HPD)。SDA、SCL 和 CEC 线路上拉到 A 侧的 VCCA。在 B 侧,CEC_B 引脚上拉到内部 3.3V 电源轨,SCL_B 和 SDA_B 均上拉到 5V 电源轨 (5V_OUT)。SCL 和 SDA 引脚满足 I2C 规范,可驱动高达 750pF 电容负载,超出了 HDMI 1.4 规范。HPD_B 端口配有毛刺脉冲滤波器,可在插入 HDMI 连接器时避免由插座跳起引起的错误检测。TPD12S016 的 5V_OUT 引脚具有反向电流阻断功能。系统断电时,SCL_B、SDA_B 和 CEC_B 引脚也具有反向电流阻断功能。

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1d4ed878-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

HDMI接口的引脚定义如下 :

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
HDMI_CLK_P L18 3.3V
HDMI_CLK_N L19 3.3V
HDMI_DATA_P0 M15 3.3V
HDMI_DATA_N0 M16 3.3V
HDMI_DATA_P1 J15 3.3V
HDMI_DATA_N1 K15 3.3V
HDMI_DATA_P2 K16 3.3V
HDMI_DATA_N2 L16 3.3V
HDMI_LOS_CE P16 3.3V
HDMI_CT_HPD H15 3.3V
HDMI_HPD P15 3.3V
HDMI_SCL_3V3 R16 3.3V
HDMI_SDA_3V3 R15 3.3V
HDMI_CEC N15 3.3V

7.10 RGB_LCD

板卡设计有LCD屏幕接口,采用RGB888时序接口,支持显示屏幕以及触摸功能 。采用FPC连接器和屏幕相连接,FPC引脚定义兼容正点原子的LCD RGB屏幕接口,用户可自行购买正点原子的RGB LCD显示屏幕进行开发调试 。

1d72c3be-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

RGB_LCD接口的引脚定义如下 :

信号名称 ZYNQ 引脚号 ZYNQ IO 电平 备注
LCD_R0 W21 3.3V 8 位 RED 数据线0
LCD_R1 V20 3.3V 8 位 RED 数据线1
LCD_R2 AB22 3.3V 8 位 RED 数据线2
LCD_R3 W20 3.3V 8 位 RED 数据线3
LCD_R4 AB21 3.3V 8 位 RED 数据线4
LCD_R5 AA22 3.3V 8 位 RED 数据线5
LCD_R6 Y21 3.3V 8 位 RED 数据线6
LCD_R7 AA21 3.3V 8 位 RED 数据线7
LCD_G0 Y20 3.3V 8 位 GREEN 数据线0
LCD_G1 AB20 3.3V 8 位 GREEN 数据线1
LCD_G2 V18 3.3V 8 位 GREEN 数据线2
LCD_G3 AA18 3.3V 8 位 GREEN 数据线3
LCD_G4 AB17 3.3V 8 位 GREEN 数据线4
LCD_G5 AA17 3.3V 8 位 GREEN 数据线5
LCD_G6 AB16 3.3V 8 位 GREEN 数据线6
LCD_G7 AA16 3.3V 8 位 GREEN 数据线7
LCD_B0 Y16 3.3V 8 位 BLUE 数据线0
LCD_B1 Y15 3.3V 8 位 BLUE 数据线1
LCD_B2 U21 3.3V 8 位 BLUE 数据线2
LCD_B3 U20 3.3V 8 位 BLUE 数据线3
LCD_B4 U19 3.3V 8 位 BLUE 数据线4
LCD_B5 V19 3.3V 8 位 BLUE 数据线5
LCD_B6 Y18 3.3V 8 位 BLUE 数据线6
LCD_B7 V17 3.3V 8 位 BLUE 数据线7
LCD_CLK W16 3.3V 像素时钟。
LCD_HSYNC W15 3.3V 水平同步信号。
LCD_VSYNC AA14 3.3V 垂直同步信号。
LCD_DE Y14 3.3V 数据使能信号。
LCD_BL V15 3.3V 背光控制信号。
LCD_RESET U16 3.3V LCD 复位信号(低电平有效)
TP_CS U22 3.3V 电容触摸屏复位信号(CT_RST)
TP_MOSI U17 3.3V 电容触摸屏 IIC_SDA 信号(CT_SDA)
TP_MISO T21 3.3V NC,电容触摸屏未用到
TP_SCK V13 3.3V 电容触摸屏 IIC_SCL 信号(CT_SCL)
TP_PEN T22 3.3V 电容触摸屏中断信号(CT_INT)

7.11 扩展口

扩展口 J2 和J30J均为 40 管脚的 2.54mm 的双排连接器,为用户扩展更多的外设和接口,扩展口上包含 5V 电源 1 路,3.3V 电源 2 路,地 3 路,IO 口 34 路。IO 口的信号连接到 ZYNQ PL 的 BANK13 和 BANK34 上,电平为 3.3V。

切勿直接跟 5V 设备直接连接,以免烧坏 FPGA。如果要接 5V 设备,需要接电平转换芯片。

在扩展口和 FPGA 连接之间串联了 ESD (Electro-Static discharge , 静电放电) 防护芯片 ,用于保护 FPGA 以免外界电压或电流过高造成损坏。

PCB 设计上 P 和 N 的走线使用差分走线,控制差分阻抗为 100 欧姆。扩展口(J2 J3),ESD的电路如图 下所示:1dbfbb7e-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

J2 扩展口原理图

1e02f8bc-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

J3 扩展口原理图

1e2c1c6a-90c1-11ef-a511-92fbcf53809c.png

ESD防护芯片原理图(部分)

ESD防护芯片具有静电和浪涌保护功能,选用型号为:RCLAMP0524P , 具体的参数如下。

属性 参数值
商品类型 静电和浪涌保护(TVS/ESD)
反向截止电压(Vrwm) 5V
最大钳位电压 12V
峰值脉冲电流(Ipp)@10/1000us 3.5A@8/20us
击穿电压 5.5V
类型 TVS

J2扩展口引脚分配

J2引脚 信号名称 ZYNQ引脚名 ZYNQ引脚号 备注
PIN1 GND
PIN2 VCC5V0 5.0V电源输出
PIN3 IO0_N1 W12
PIN4 IO0_P1 V12
PIN5 IO0_N2 AB12
PIN6 IO0_P2 AA12
PIN7 IO0_N3 Y10
PIN8 IO0_P3 Y11
PIN9 IO0_N4 AB11
PIN10 IO0_P4 AA11
PIN11 IO0_N13 U9
PIN12 IO0_P13 U10
PIN13 IO0_N6_CC AA8 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN14 IO0_P6_CC AA9 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN15 IO0_N7_CC Y8 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN16 IO0_P7_CC Y9 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN17 IO0_N8_CC Y5 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN18 IO0_P8_CC Y6 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN19 IO0_N9 W10
PIN20 IO0_P9 W11
PIN21 IO0_N10 AB4
PIN22 IO0_P10 AB5
PIN23 IO0_N5 AB9
PIN24 IO0_P5 AB10
PIN25 IO0_N12 AA4
PIN26 IO0_P12 Y4
PIN27 IO0_N11 V9
PIN28 IO0_P11 V10
PIN29 IO0_N14 AB1
PIN30 IO0_P14 AB2
PIN31 IO0_N16 AB6
PIN32 IO0_P16 AB7
PIN33 IO0_N15 AA6
PIN34 IO0_P15 AA7
PIN35 IO0_N17 V4
PIN36 IO0_P17 V5
PIN37 DGND - -
PIN38 DGND - -
PIN39 VCC3V3 - - 3.3V电源输出
PIN40 VCC3V3 - - 3.3V电源输出

J3扩展口引脚分配

J3引脚 信号名称 ZYNQ引脚名 ZYNQ引脚号 备注
PIN1 GND - -
PIN2 VCC5V0 - - 5.0V电源输出
PIN3 IO0_N18 K18
PIN4 IO0_P18 J18
PIN5 IO0_N19 J17
PIN6 IO0_P19 J16
PIN7 IO0_N20 M17
PIN8 IO0_P20 L17
PIN9 IO0_N21 J22
PIN10 IO0_P21 J21
PIN11 IO0_N22 M18
PIN12 IO0_P22 N18
PIN13 IO0_N23 K20 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN14 IO0_P23 K19 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN15 IO0_N24 N20 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN16 IO0_P24 N19 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN17 IO0_N25 M20 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN18 IO0_P25 M19 连接到ZYNQ的CC引脚上
PIN19 IO0_N26 R21
PIN20 IO0_P26 R20
PIN21 IO0_N27 L22
PIN22 IO0_P27 L21
PIN23 IO0_N28 T19
PIN24 IO0_P28 R19
PIN25 IO0_N29 M22
PIN26 IO0_P29 M21
PIN27 IO0_N30 P18
PIN28 IO0_P30 P17
PIN29 IO0_N31 P22
PIN30 IO0_P31 N22
PIN31 IO0_N32 T17
PIN32 IO0_P32 T16
PIN33 IO0_N33 P21
PIN34 IO0_P33 P20
PIN35 IO0_N34 T18
PIN36 IO0_P34 R18
PIN37 DGND - -
PIN38 DGND - -
PIN39 VCC3V3 - - 3.3V电源输出
PIN40 VCC3V3 - - 3.3V电源输出

8,其他资源

8.1 供电以及状态灯

板卡设计有2 个FPGA状态指示灯 ,连接到FPGA的DONE和INIT引脚上,用于标识FPGA配置完成以及初始化状态。

板卡设计有3个电源状态指示灯,分别用于标识电源输入有效,调试口输入有效,以及电源模式输出有效。

LED位号 功能
LED5 3.3V电源输出有效
LED6 DONE信号指示
LED7 INIT信号指示
LED8 PS端复位这状态
LED9 电源输入有效
LED10 USB_JTAG调试输入有效

8.2 对外接口

板卡对外接口列表如下:

位号 说明
J21 USB_TYPE_C电源输入
J8 USB_TYPE_C调试输入
P2 HDMI输出
P1 RJ45网络接口
J5 PL_UART,4PIN单排排针,2.54间距
J1 启动模式选择,4PIN单排排针,2.54间距
J6 电源输入/输出,4PIN单排排针,2.54间距
J7 OLED显示屏幕,4PIN单排排针,2.54间距
J2 扩展IO,40PIN排针
J3 扩展IO,40PIN排针
J4 风扇控制接口
J20 RGB_LCD接口,FPC连接器

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原文标题:ZYNQ核心板用户手册

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