最具低成本、功耗优势的Nexys 4开发板详构

发布时间:2013-07-12 阅读量:1504 来源: 发布人:

【导读】Digilent公司新推出的Nexys 4是最新的Artix-7系列FPGA的开发板: Nexys 4是基于最新的Xilinx 7系列FPGA,板上核心器件是一块Artix-7 FPGA,采用了28nm工艺,与上一代45nm器件相比功耗降低了一半。是目前具有最低成本和功耗优势的,故特别适用于消费类电子以及手持和便携设备。

Nexys 4是Digilent公司的基于Xilinx公司最新的Artix-7系列FPGA的开发板。Digilent公司是一家在FPGA、微处理技术领域具备顶尖设计、制造水平的公司, 特别是它们与高校良好合作,推出的产品都有针对教育机构的优惠学术价格,为学生提供了大量高性能高性价比板卡。之前的Nexys 2和Nexys 3 FPGA开发板也非常受欢迎,甚至在很多学校都开有专门的教学课程。

Digilent公司新推出的Nexys 4
图 Digilent公司新推出的Nexys 4

因为是样品,包装比较简单,只有一块Nexys 4板卡,没有任何配件。不过Nexys 4可以通过USB供电、编程以及串口监视,只需要一根micro USB连接线就行,搭建工作平台还是很简单。

Nexys 4 FPGA开发板非常小巧,PCB尺寸109mm x 122mm,近似一个正方形状。相比Nexys 3,虽然宽度一样,但是尺寸更小。

右边是Nexys 4,宽度相当,长度少一点

图2右边是Nexys 4,宽度相当,长度少一点

 

 Nexys 4是基于最新的Xilinx 7系列FPGA,板上核心器件是一块Artix-7 FPGA (XC7A100T-1CSG324C)。Artix-7是7系列中低成本系列芯片,面向成本敏感型应用FPGA,采用了28nm工艺,与上一代45nm器件相比功耗降低了一半。Artix-7具有目前最低的成本和功耗优势,特别适用于消费类电子以及手持和便携设备。

XC7A100T-1CSG324C

图3 XC7A100T-1CSG324C

XC7A100T-1CSG324C是Artix-7系列中资源比较丰富的一款芯片,多达10万逻辑单元(Logic Cells)同时集成了硬件AXI IP资源和模拟混合信号,支持8路 6.6G 收发器、930 GMAC、13Mb BRAM、1.2Gb/s LVDS 和 DDR3-1066等。XC7A100T-1CSG324C采用了Chip scale封装,尺寸只有15mm x 15mm,最大用户IO达到210个。

Nexys 4的设计还是沿用了Digilent开发板一贯的风格,核心FPGA芯片位于开发板中心,所有外设资源排列在板子四周。Nexys 4的尺寸相比虽然更小了,板上的外设资源并没有缩水,相反增加了很多实用的功能,下面看看开发板上都有那些资源。

Nexys 4的设计
 

 


Nexys 4的设计

图 4 、5Nexys 4的设计

特点:

■Xilinx Artix-7 FPGA (XC7A100T-1CSG324C)
■128Mb PSRAM MT45W8MW16BGX-701
■128Mb 四线 SPI Flash N25Q128A13EF840E
■10/100 Ethernet SMSC LAN8720A
■PDM(脉冲密度调制) MEMs 数字麦克风
■3轴加速度计
■音频放大和扬声器接口
■温度传感器 ADT7420
■Micro USB接口(UART和编程口共用)FT2232HQ
■USB HID主机接口(鼠标、键盘)PIC24FJ128
■SD卡插槽
■100MHz CMOS 晶振
■12位VGA接口
■2个RGB 三色 LED
■5个Pmod接口
■基本IO外设:16路拨码开关、16路LED、8路7段数码管、5个按钮

 

 

Nexys 4可以说是针对学生和初学者的一款高性能的FPGA开发板,板载的Artix-7 FPGA资源非常丰富。同时开发板集成了USB、以太网口、VGA接口等常用外设以及众多基本的IO外设,完全能满足初学者的学习要求。更有力的是Nexys 4开发板集成了一些常用的扩展功能比如温度传感器、加速度计、数字麦克风等等,这样无需添加扩展模块直接利用Nexys 4开发板就能开发更广泛的应用。

大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

图6  大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

图7 大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

 

常用的接口如USB、以太网、VGA等

图8 常用的接口如USB、以太网、VGA等

 SD卡可以用来存储FPGA程序

图9 SD卡可以用来存储FPGA程序

10Nexys 4 FPGA开发板上的micro USB

图10Nexys 4 FPGA开发板上的micro USB

Nexys 4 FPGA开发板上的micro USB可以同时作为编程口和虚拟USB串口,采用了FTDI公司的FT2232HQ双路USB转串行通讯接口芯片。FT2232HQ是一款单芯片单路USB转双路串行或并行通信的USB桥接芯片,支持USB2.0高速传输。Nexys 4 FPGA开发板上micro USB即可以作为FPGA编程接口也可以作为串口通信。

 

 

Demo演示

Nexys 4 FPGA开发板出厂时在Flash预置了一个demo演示程序,首先还是上电看看Nexys 4的工作情况吧。

Nexys 4的供电方式有3种,可以通过USB编程口直接供电或者外接5V电源适配器,特别的是开发板提供了锂电池供电接口,这也说明Artix-7是非常低功耗的芯片。

开发板上有一个启动模式跳线,因为Nexys 4上的FPGA可以通过3种方式启动:SPI Flash、JTAG以及SD卡。我们先将电源选择跳线选到USB接口供电,同时启动模式选择到SPI模式。

我们先将电源选择跳线选到USB接口供电,同时启动模式选择到SPI模式。

插上micro USB连接线到电脑,打开Nexys 4上的电源开关,FPGA开始启动。USB连接后会要求安装USB的驱动,可以看到USB枚举出两个串行转换接口,同时识别出USB虚拟串口。

我们先将电源选择跳线选到USB接口供电,同时启动模式选择到SPI模式。
 

 


黄色是FPGA

图13黄色是FPGA "DONE" LED灯

FPGA启动完成后,黄色的“DONE” LED变亮,同时下方的2个三色LED不断变换颜色。而且我们也可以看到VGA显示器上出现一个监控画面。

VGA显示器上出现一个监控画面

 

 显示屏上的监视画面可以直观查看Nexys 4的一些功能模块,包括温度传感、3色LED颜色变换、3轴加速度计位置状态以及麦克风的声音。

 显示屏上的监视画面

下面看一段视频:


 

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