9. FPGA开发模块
模块描述
FPGA（现场可编程门阵列）是一种可重复编程的逻辑器件，采用硬件描述语言（Verilog/VHDL）进行开发。本模块基于Altera Cyclone IV系列（EP4CE6F17C8N），包含6K逻辑单元、276Kb存储器、2个PLL。具有高速并行处理、确定性延时、丰富I/O等特点，特别适合高速数据采集、数字信号处理、高速通信、图像处理等电赛题目。
工作原理
[JTAG接口] → [AS/JTAG配置] → [FPGA配置数据]
↓
[50MHz晶振] → [PLL倍频/分频] → [用户时钟] → [EP4CE6F17C8N]
↓
┌───────────┴──────────┐
↓ ↓
[逻辑单元阵列] [内部存储器]
(6K LE) (276Kb RAM)
↓ ↓
[可编程逻辑] [数据缓存]
↓ ↓
[I/O单元×179] ←──── [配置逻辑]
↓
[LVDS/CMOS电平输出]
技术指标
- 器件型号: EP4CE6F17C8N (Cyclone IV E) - 逻辑单元: 6,272 LE - 存储器: 276 Kb (M9K块) - 乘法器: 30个18×18 - PLL: 2个 - I/O引脚: 179个 - 最高频率: 300MHz+ (取决于设计) - 电源: 1.2V核心 + 3.3V I/O - 配置: JTAG/AS主动配置 - 工作温度: 0°C至85°C (商业级)
接口管脚定义 (部分常用)
| 管脚 | 名称 | 功能 | Bank |
| —— | —— | —— | —— |
| 23 | CLK | 全局时钟输入 | - |
| 88-91 | TCK/TMS/TDI/TDO | JTAG接口 | - |
| 25 | nCONFIG | 配置控制 | - |
| 1-79 | IOL1-IOL79 | 用户I/O | Bank1-8 |
| 144 | GND | 地 | - |
| 142 | VCCIO3.3 | I/O电源 | 3.3V |
板上设置和信号指示
- 电源: 1.2V+2.5V+3.3V多路供电 - 时钟源: 50MHz有源晶振 - 配置芯片: EPCS4串行配置芯片 - JTAG接口: 10针JTAG下载接口 - LED指示: 8个用户LED - 按键: 4个独立按键 - 拨码开关: 4位拨码开关 - 扩展接口: 2.54mm GPIO排针
电气指标
- 核心电压: 1.2V±5%, 电流约200mA - I/O电压: 2.5V/3.3V可选 - I/O驱动: 最大25mA/引脚 - LVDS: 支持高速差分I/O - 功耗: 静态约0.5W, 动态取决于设计 - 配置时间: AS模式约100ms - PLL范围: 输入5-472MHz, 输出0.59-472MHz
使用说明
1. 开发工具: Quartus II 13.0或更高版本 2. 语言: Verilog HDL或VHDL 3. 工程创建: 新建工程→选择器件EP4CE6F17C8N 4. 管脚分配: 使用Pin Planner分配引脚 5. 编译: Analysis & Synthesis → Fitter → Assembler 6. 仿真: ModelSim仿真验证时序 7. 下载: JTAG下载（临时）或AS配置（永久） 8. 时序约束: 创建SDC文件约束时钟
全国大学生电子设计竞赛相关赛题
- 2021年E题: 简易电路特性测试仪（高速信号生成） - 2019年E题: 纸张计数显示装置（图像处理） - 2017年B题: 滚球控制系统（高速视觉） - 2015年E题: 风力摆控制系统（实时控制） - 2013年F题: 射频功率放大器（高速ADC采集） - 2011年D题: 波形采集与重现（高速DAC输出）
应用技术要点总结
1. 时钟管理: 使用PLL生成所需时钟，注意时钟域crossing 2. 高速采集: 并行ADC接口设计，使用FIFO缓存数据 3. 数字滤波: 实现FIR/IIR滤波器，利用乘法器资源 4. 状态机: 使用三段式状态机设计控制逻辑 5. 时序约束: 正确添加时序约束，满足建立保持时间 6. IP核使用: 调用Altera IP核（PLL/FIFO/RAM等） 7. MCU通信: 通过SPI/UART与MCU交互数据 8. 并行处理: 充分发挥FPGA并行性，流水线设计