至芯科技ZX-2开发板评测

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至芯科技ZX-2开发板评测
                                                 -----by jephen
随着芯片制造工艺的进步和EDA开发工具的发展，FPGA芯片的应用领域越来越广泛，掌握FPGA设计技术已经成为一个电子设计工程师的必备技能。对初学者来说，有一块好的FPGA开发板对学习FPGA设计非常重要，ZX-2开发板就是至芯科技专门为零基础的FPGA初学者推出的一块FPGA开发板。
    ZX-2开发板实物如图所示，随开发板赠送的有一条FPGA下载线和一条USB数据线。下载线可进行JTAG方式下载和AS方式下载，USB数据线是USB转串口模块与PC进行通信使用，此外整个板卡的电源也通过USB数据线来提供，省去了外部电源的连接，使整个板卡更加简洁易用。


板卡上主要芯片、功能模块和接口：
    1.FPGA主芯片：ALTERA 公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8。Cyclone IV系列是ALTERA公司推出的被市场广泛认可的低成本、低功耗的FPGA系列。该芯片有6272个逻辑单元（LE），270Kbits嵌入式存储器，15个嵌入式18×18乘法器，2个通用PLL，10条全局时钟网络，8个用户IO块，最大用户IO个数为91。
    板卡提供JTAG和AS两种配置FPGA接口，JTAG方式主要用于板卡调试，下载速度快，但程序不会写入存储器，掉电后需要重新用JTAG下载后FPGA才能工作。AS方式可以将配置程序烧写到非易失存储器中，掉电再次上电后FPGA可以从存储器中读取配置开始工作。用户可根据板卡上的丝印选择对应的配置接口连接下载线进行FPGA配置。
    2.存储器：ZX-2上有三种存储器：SDRAM（hynix公司的HY57V281620A，容量128Mbit），E2PROM（micochip的24LC64，容量64Kbit)，FLASH(ST公司的M25P16，容量16Mbit)。其中M25P16是FPGA配置信息存储芯片，板卡所选的FPGA型号芯片的配置文件大约2Mbit，剩余容量可供用户使用。
    3.电源：ZX-2板卡通过B型USB接口与PC机USB连接的5V电压来供电，通过AMS1117芯片产生3.3V，2.5V，1.2V三种电压。
    4.时钟：ZX-2上有一个50M的晶体振荡器，该时钟通过专用时钟管脚引入FPGA。FPGA内部有2个通用PLL，该时钟可以作为PLL的输入时钟用来生成所需要的其他频率的时钟。
    5.USB-RS232接口：ZX-2板卡上的B型USB接口除了是供电接口外，也是USB-RS232模块与PC进行通信的接口。板卡选用Prolific公司生产的PL2303作为USB-RS232的转换芯片，该器件作为USB-RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。
    6.VGA接口：VGA接口与FPGA直接使用电阻分压进行数模转换，由FPGA产生8bit图像数据信号和行场同步信号，可实现256色显示。
    7.PS2接口：ZX-2提供了一个PS2接口，可外接PS2接口的鼠标和键盘，PS2直接引入了FPGA内部，可以在FPGA内部编写代码模块来解析鼠标或键盘的输入信息。
    8.AD/DA模块：ZX-2板卡选用TI公司的TLC549和TLC5620作为AD和DA转换芯片，其中TLC549可实现将电位器控制的电压作为输入的模拟信号进行AD转换，TLC5620可将FPGA输出的数字信号转换为模拟电压，并可在测量孔中测量实际转换得到的电压值。
    9.7段数码管显示模块：ZX-2提供了一个有6个7段数码管的显示模块，FPGA通过译码芯片74HC138来控制数码管的显示。低电平时点亮对应的显示段。
    10.轻触按键：ZX-2提供了4个轻触按键与FPGA相连，当按键按下时输入给FPGA低电平，松开按键时输入给FPGA高电平。
    11.蜂鸣器：当FPGA输出低电平时蜂鸣器鸣叫。
    12.LED灯：ZX-2提供了4个LED灯与FPGA相连，FPGA输出为低电平时点亮LED灯。
13.扩展接口：扩展接口为间距2.54mm的30 pin接插件，其中有5V,3.3V和地线各两根，用户可以用扩展IO数为24。

测试程序说明及测试效果
由于时间所限本测试程序测试方面仅包括LED灯，轻触按键，7段数码管，VGA接口。具体实现功能如下：
    1.多种LED灯显示效果：实现了LED灯的8种显示效果，分别为从左到右单个循环点亮，从左到右依次点亮再依次熄灭，从左到右依次点亮反序熄灭，从右到左单个循环点亮，从右到左依次点亮再依次熄灭，从右到左依次点亮反序熄灭，两边先亮中间后亮，中间先亮两边后亮。
    2.数字时钟：实现一个24小时数字时钟，并在7段数码管上显示出来，时钟具有对时功能和闹钟功能，可以使用轻触按键进行时钟对时和闹钟时间设定。
在时钟正常显示时，点一下按键S1后可以发现时钟的小时部分开始闪烁，表明此时可以进行小时数值的修改，此时每点一次按键S2，小时数字加1，每点一次按键S3小时数字减1，设置好小时后，再次点按键S1，分钟数值闪烁，表明可设置分钟，可以用按键S2、S3进行设置，同样的方法设置秒钟的数值，当时间设定完成后点按键S4来确定时间设置完成。
在时钟正常显示时，点住按键S1约5秒钟可以发现全部时钟数值部分开始闪烁，表明此时可以进行闹钟时间设定，此时松开按键S1可发现小时数值闪烁频率较快，表明当前可进行闹钟的小时数值设定，可以用按键S2、S3进行设置，轻点按键S1，分钟数值闪烁较快，表明当前可进行闹钟的分钟数值设定，可以用按键S2、S3进行设置，再次轻点按键S1，秒钟数值闪烁较快，表明当前可进行闹钟的秒钟数值设定，可以用按键S2、S3进行设置，设置完成后点按键S4来确定闹钟时间设置完成。当时钟走到设定的闹钟时间时，蜂鸣器将发出一秒的鸣叫。
3.VGA图像输出：实现分辨率为1024*768@60的图像输出，交替输出不同的四种图像进行测试，在图像上叠加了与数字时钟显示一致的时间显示和至芯科技的logo图。
实现效果如下图所示：

试用总结
作为一款专门针对零基础FPGA初学者的开发板，ZX-2选择了简单易用的ALTERA的cyclone IV作为入门学习的FPGA，quartus2作为开发环境，能很快让初学者掌握FPGA设计的基本流程，ZX-2提供了基本的输入输出模块和显示模块，可满足初学者根据需要进行一些实践操作来更深入的理解FPGA设计。随着学习的深入还可以充分利用板上的SDRAM和串口等资源来进行基于嵌入式软核NIOS ii的入门学习。