Библиографическое описание:

Алферьев А. В. Структурные особенности программируемой платы Digilent Nexys 2 // Молодой ученый. — 2016. — №13. — С. 138-144.



Плата Nexys 2 является мощной платформой для проектирования цифровых систем, созданной на базе ядра XilinxSpartan — 3EFPGA. Она включает в себя высокоскоростной USB2 порт, 16 Мбайт энергонезависимой памяти (ПЗУ) и оперативной памяти (ОЗУ), а также несколько устройств ввода/вывода, порты (переключатели, кнопки) делают плату идеальной платформой для цифровых систем всех видов, в том числе встроенные процессорные системы, основанные на Xilinx-xMicroBlaze. Порт USB2 обеспечивает плату мощностью и интерфейсом для программирования, с помощью данного порта можно использовать Nexys 2 с ноутбуком или ПК, чтобы создать портативную проектируемую станцию. На 1 рисунке представлен внешний вид платы

C:\Users\Алеша\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\Nexys2_revC_top_600__03616.1449787177.1280.1280.png

Рис. 1. Макет платы Nexys 2

Nexys 2 приносит ведущие технологии на цифровую платформу, с помощью которой любой человек может получать опыт цифрового проектирования. Данная плата даёт возможность провести бесчисленное множество логических цифровых операций на базе программируемой логической интегральной схемы (FPGA-ПЛИС), работать с платой можно и за ее пределами за счет использования любого из пяти разъемов расширения. Четыре разъема 12-контактных периферийных модулей могут разместить до восьми периферийных модулей каждый для добавления новых функций, таких как управление системой, преобразования от аналоговой к цифровой (A/D) и от цифровой к аналоговой (D/A), аудиосхемы, управление датчиками и привода интерфейсов. Все доступные пользователю сигналы на плате Nexys 2 являются электростатическими разрядами (ESD) и защитой от короткого замыкания обеспечивая долгий срок службы в любых условиях. Данная плата полностью совместима со всеми версиями XilinxISE, к примеру WebPackCAD.

Основные особенности Nexys 2:

‒ установленная FPGASpartan-3E, имеющая 1200000 вентилей в корпусе BGA320;

‒ порт USB2 на основе конфигурации ПЛИС и высокоскоростных переходов (используя набор программного обеспечения);

‒ USB-питание (можно также использовать батареи или от розетки);

‒ память 16 Мбайт Intel StrataFlash ОЗУ;

‒ 16 Мбайт Micron ПЗУ;

‒ 50 МГц резонатор, а также разъем для дополнительного резонатора;

‒ 8 светодиодов, 4-разрядный дисплей семисегментный, 4 кнопки, 8 переключателей;

‒ один разъем расширения на сто выводов типа FX2.

На рисунке 2 представлены блок-схема и особенности Nexys 2

C:\Users\Алеша\Desktop\п1.png

Рис. 2. Блок-схема и особенности Nexys 2

Источники питания.

Входное питание на плату Nexys 2 управляется с помощью кабеля USB с постоянным током и напряжением от 5 до 15 В, центр положительный, 2.1 мм питания от розетки или от аккумулятора. USB-схема всегда питается от USB-кабеля, если USB-кабель не подключен, то схема остается обесточенной. На рисунке 3 представлена блок-схема питания платы.

C:\Users\Алеша\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\п2.png

Рис. 3. Блок-схема питания Nexys 2

Шина входной мощности приводит в действие регулятор напряжения 3.3 В, которая поставляет все необходимые токи платы. Некоторые устройства требуют подать напряжение в размерах 2.5 В, 1.8 В и 1.2 В в дополнение к основному питанию, и эти дополнительные расходные материалы созданы регуляторами, которые учитывают подачу от основного источника 3.3 В. Первоначальные запасы создаются высокоэффективными регуляторами переключения из линейной технологии. Эти регуляторы можно использовать не только эффективно для мощности USB, они также позволяют Nexys 2 проработать длительный период времени без батареи.

Суммарный ток платы зависит от конфигурации ПЛИС, тактовой частоты и внешних соединений. В тестовой цепи с 50 МГц счетчиком и светодиодами с подсветкой около 200 мА взято из источника 1.2 В, 50 мА от питания 2.5 В и 100 мА от источника питания 3.3В. Необходимый ток будет увеличиваться, если более крупные схемы сконфигурированы ПЛИС, и если прилагаются периферийные платы. Приведенная ниже таблица 1 обобщает параметры питания

Таблица 1

Параметры питания суказанием соответствующих устройств.

Подаваемое напряжение

Устройства иих маркировка

Ток (максимальный/изначальный)

3.3В основное

IC6: LTC1765

3A/100мА

2.5В ПЛИС

IC7: LTC3417

1.4A/50мА

1.2В ПЛИС

IC7: LTC3417

1.4A/200мА

1.8В ПОЗУ

IC8: LTC1844

150мА/90мА

3.3В USB

IC5: LTC1844

150мА/60мА

Плата Nexys 2 также может получать питание от периферийной платы, подключенной к разъему периферийного модуля или от большого 100-контактного расширительного разъема. Перемычки возле разъемов периферийного модуля и большого расширительного разъёма можно подключить к контактам Nexys 2, потребив мощность шины. Также данные перемычки можно использовать для маршрутизации либо входной шины питания, либо регулируемого питания 3.3 В к выводам периферийного модуля. В свою очередь разъем расширения может разорвать соединение со входной шиной питания.

Мощность с USB входа подается непосредственно на схему, а на остальной части платы с помощью электронного переключателя. Контроллер USB на плате переключается только после информирования основным ПК (хост), что требуется ток, больший чем 100 мА. USB-хост может поставлять только 500 мА тока на 5 В. При использовании питания от USB, необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить плату Nexys 2 и все остальные подключенные периферийные платы необходимым током, иначе может произойти повреждение хоста. Плата Nexys 2 обычно потребляет около 300 мА тока USB, оставляя около 200 мА для периферийных плат. Если периферийным платам потребуется больше тока, чем USB-кабель может подать, необходимо использовать дополнительный источник питания.

Особенности ПЛИС.

ПЛИС на плате должна быть сконфигурирована (запрограммирована) пользователем, прежде чем можно будет выполнять конкретные функции. Во время конфигурации битовый файл передаётся в ячейки памяти в пределах ПЛИС с целью определить логические функции и соединительные элементы цепи. ISE/ WebPackCAD от Xilinx может быть использован для создания битовых файлов из VHDL или Verilog. ПЛИС может быть запрограммирована двумя способами: непосредственно с ПК с помощью подключения USB-порта и от логической функции, хранящейся в ПЗУ на плате. Перемычка на плате Nexys 2 определяет, какой источник (ПК или ПЗУ на плате) ПЛИС будет использоваться для загрузки конфигурации. ПЛИС будет автоматически загружать данную конфигурацию от флеш-памяти платы при включении питания ПЛИС, перемычка установлена в положение «Masterserial». Если перемычка установлена в режим «JTAG», то ПЛИС будет ждать программирования пользователем с ПК (через USB-кабель).

Программное обеспечение для ПК может использоваться для синтеза ПЛИС и ПЗУ. Кабель USB используется для передачи выбранного битового файла с ПК или ПЗУ на ПЛИС. После того, как ПЛИС синтезирована, она будет оставаться таковой до тех пор, пока не будет перезагружен кнопкой сброса ПЛИС. Флеш-память будет хранить файл до тех пор, пока не произойдет новый синтез с другим битовым файлом, содержащим логическую функцию. На рисунке 4 показан цикл программирования ПЛИС и возвращения в исходное состояние.

C:\Users\Алеша\Desktop\п3.png

Рис. 4. Цикл программирования ПЛИС Spartan 3E

Плата Nexys 2 также может быть запрограммирована с помощью языков описания аппаратур (VerilogHDL, VHDL), подключив необходимый кабель для программирования в разъем JTAG. Обычно используют кабель фирмы DigilentJTAG3. После программирования платы можно подавать входные данные на переключатели и кнопки и наблюдать результат выполнения логической функции на 4-разрядном дисплее и светодиодах.

Счётчик.

Плата Nexys 2 включает в себя резонатор 50 МГц и разъём для дополнительного резонатора. Тактовые сигналы от резонаторов связаны с тактами входных контактов на ПЛИС, чтобы они могли управлять счётчиком синтеза блоков, доступных в ПЛИС. Тактовые синтезаторы (библиотеки DLL) обеспечивают управление счётчиком, такие как увеличение частоты вдвое или вчетверо, деление частоты входного сигнала с любым коэффициентом деления и определение точных времен фронта, среза и задержек между различными синхросигналами. Ниже на рисунке 5 представлена блок-схема счетчика на плате.

C:\Users\Алеша\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\п3.png

Рис. 5. Блок-схема счётчика Nexys 2

Пользовательские входы ивыхода Nexys 2.

На рисунке 6 представлен набор устройств входных и выходных устройств платы.

Рис. 6. Входы и выходы Nexys 2

Рассмотрим сначала входные устройства: переключатели и кнопки. Четыре кнопки и восемь переключателей предусмотрены для входов схемы. Кнопочные сигналы как правило слабые и они приводятся в действие сильными входными сигналами только при нажатии кнопки. Переключатели генерируют постоянные сильные и слабые входные сигналы в зависимости от их положения. Кнопки и переключатели используют группу резисторов для защиты от коротких замыканий (замыкание может произойти, если контакт ПЛИС, привязанный к кнопке или переключателю будет определен как выходной, а не входной контакт).

К выходным устройства относятся восемь светодиоды и 4-разрядный семисегментный дисплей. Светодиодные аноды приводятся в движение от ПЛИС с помощью 390-Омных резисторов, поэтому выходная логическая «1» будет подсвечивать их с помощью 3–4 мА тока возбуждения. Есть ещё девятый светодиод, показывающий включение питания ПЛИС. На рисунке 7 представлена электрическая схема входов и выходов платы.

Рис. 7. Схема входов и выходов Nexys 2

Плата Nexys 2 содержит 4-разрядный семисегментный светодиодный дисплей. Каждая из четырех цифр состоит из семи сегментов, расположенных в виде «цифра 8», со светодиодами, встроенными в каждый сегмент. Светодиоды сегментов освещаются отдельно друг от друга. Поэтому любой из 128 возможных вариантов освещения диодов может отображаться на цифре при том, что остальные сегменты не освещаются. Из 128 способов обычно используют 10 соответствующих цифр, они наиболее востребованы для отображения на дисплее. На рисунке 8 представлен набор цифр на семисегментном дисплее, а также стандартный вид цифры без включенных диодов.

Рис. 8. Набор основных комбинаций сегментов на дисплее

Аноды из семи светодиодов, образующих каждую цифру связаны между собой в один узел цепи, но катоды остаются разделёнными. Общие сигналы анода доступны в виде четырёх входных сигналов к дисплею. Катоды соответствующих сегментов на всех четырех дисплеев соединены в семь узлов схемы с маркировкой от CA до CG (так, например, четыре «D» катодов из четырех цифр группируются в один узел цепи под названием «CD»). Данные катоды доступны в качестве входных сигналов на 4-разрядном дисплее. На рисунке 9 представлена схема подключения сигнала для создания мультиплексированного дисплея, где катодные сигналы являются общими для всех цифр, но они освещают только заданный анодный сигнал конкретного сегмента.

Рис. 9. Схема подключения сигнала к дисплею

Литература:

  1. Digilent Nexys 2 Board Reference Manual, July 11, 2011.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle