1.3 主电路及外围接口电路

Basys3板卡主电路的电路原理图请见附录，下面针对板卡上的简单外围电路进行介绍。

1．电源电路

板卡可以通过两种方式进行供电：一种是通过 J4 的 USB 端口供电；另一种是通过J6的接线柱进行供电（5V）。通过 JP2跳线帽的不同选择进行供电方式的选择。电源开关通过SW16进行控制，LD20为电源开关的指示灯。板卡的电源电路如图1.2所示。

对于大多数的设计，利用USB端口供电都能够满足要求。只有在一些特殊应用场合，USB端口不能满足供电要求，如板卡连接了很多外围设备或电路板，这时需要采用外部电源供电或电池组供电。

采用外部电源供电时，需要将外部电源接头与板卡外部电源接线柱（J6）相连，同时将跳线J2设置为“EXT”状态。外部电源电压应为4.5～5.5V，并且至少能提供 1A 的电流。

采用外部电池组供电时，需要将电池的正极端子与J6的排针“EXT”相连，负极端子与J6的排针“GND”相连。外部电池组的最大电压为5.5VDC，电池组的最小电压取决于实际的应用。如果USB主机功能（J2）使用，至少需要4.6V的供电电压；在其他情况下，最小电压为3.6V。

注意： 只有在特别情况下电源电压才可以为3.6V电压。

板卡上使用的电源电压为3.3V、1.8V和1.0V，分别通过线性稳压芯片从主电源输入电路中获得。板卡电源如表1.4所示。

2．Artix-7 FPGA引脚分配

板卡包含16个拨动开关、5个按键、16个独立的LED指示灯和4位7段数码管，如图1.3所示。实际应用中，如果误把分配给按键或拨动开关的FPGA引脚定义为输出，那么容易出现短路现象。因此，按键和拨动开关通过电阻与FPGA相连，以防止短路损坏FPGA。5个按键作为瞬时开关，默认状态为低电平，当被按下时输出高电平。拨动开关根据拨动位置产生恒定高电平或低电平信号。16个独立高效率的LED指示灯的阳极分别通过330Ω电阻与FPGA相连，当对应I/O引脚为高电平时，点亮相应的LED指示灯。此外，上电指示灯、FPGA编程状态指示灯和USB端口状态指示灯，用户不能使用。

板卡上Artix-7 FPGA的引脚分配如表1.5和表1.6所示，表中给出了用户I/O信号、VGA及键盘接口信号、Pmod子板信号及7段数码管显示等信号与FPGA引脚的对应关系。详细内容请查看板卡用户手册。

3．LED灯电路

LED灯电路如图1.4所示。当 FPGA 输出为高电平时，相应的 LED 点亮；否则，LED 熄灭。板上配有 16个LED，在实验中灵活应用，可用作标志显示或代码调试的结果显示，既直观明了又简单方便。

4．拨码开关电路

拨码开关电路如图1.5所示。使用该 16位拨码开关时需要注意：当开关拨到下挡时，表示FPGA 的输入为低电平。

图1.4 LED灯电路

图1.5 拨码开关电路

5．按键电路

按键电路如图1.6所示。板上配有5个按键，当按键按下时，表示FPGA的相应输入脚为高电平。在开发学习过程中，建议每个工程项目都有一个复位输入，这样有利于代码调试。

6．数码管电路

数码管电路如图1.7所示。板卡使用的是一个4位带小数点的七段共阳数码管，每一位都由七段LED组成。每一段LED都可以单独描述，当相应的输出脚为低电平时，该段位的LED点亮。虽然每一位数码管都有128种状态，但是实际中常用的是十进制数。位选位也是低电平选通。

每一位数码管的七段LED的阳极都连接在一起，形成共阳极节点，七段LED的阴极都是彼此独立的，如图1.8所示。共阳极信号用于4位数码管的输入信号使能端，4位数码管中相同段位的阴极连接到一起，分别命名为CA～CG。例如，4个数码管的D段LED的阴极都连接在一起，形成一个单独的电路节点，命名为CD。这些七段LED的阴极信号用于4位数码管显示，这种信号连接方式会产生多路显示，用户必须根据数码管的阳极使能信号来分别点亮相应数码管的段位。

为了点亮一段LED，阳极应为高电平，阴极为低电平。然而，板卡使用晶体管驱动共阳极节点，使得共阳极的使能反向。因此AN0～AN3和CA～CG/DP信号都是低电平有效。当AN0～AN3为高电平时，4个数码管均不亮；AN0～AN3为低电平时，对应的数码管的共阳极端为高电平，如果该数码管的阴极信号CA～CG和小数点DP为低电平，则对应LED段点亮。如果AN0～AN3同时为低电平，则4个数码管会显示同样的内容。

实际应用中，经常需要多个数码管显示，一般采取动态扫描显示方式。这种方式利用了人眼的滞留现象，即多个发光管轮流交替点亮。板卡上的4个数码管，只要在刷新周期1～16ms（对应刷新频率为1kHz～60Hz）期间使4个数码管轮流点亮一次（每个数码管的点亮时间就是刷新周期的1/4），则人眼感觉不到闪烁，宏观上仍可看到4位LED同时显示的效果。例如，刷新频率为62.5Hz，4个数码管的刷新周期为16ms，每一位数码管应该点亮1/4刷新周期，即4ms。

4位数码管的扫描显示控制时序图如图1.9所示，当数码管对应的阳极信号为高电平时，控制器必须按照正确的方式驱动相应数码管的阴极为低电平。例如，如果AN1为低电平且保持4ms，7段信号CA、CA和CC为低电平，则对应数码管显示为“7”；若AN1无效，AN0低电平有效且保持4ms，7段信号CB和CC为低电平，对应数码管显示为“1”，这样周而复始，则两个高位数码管始终显示“71”。

7．VGA显示电路

VGA显示电路如图1.10所示。板卡利用14路FPGA信号生成一个VGA端口，VGA端口具有4位的红、绿、蓝基色和两个标准行同步、场同步信号。色彩信号由电阻分压电路产生，支持12位的VGA彩色显示，具有4096种不同的颜色，VGA显示的终端电阻为75Ω。对于每一种红、绿、蓝基色的VGA信号，都有16级信号电平，这样产生的色彩信号的增量在0V（全部关闭）和0.7V（全部打开）之间。由于没有采用视频专用 DAC芯片，所以色彩过渡表现不是十分完美。

实际应用中，利用FPGA设计视频控制器电路驱动同步信号和色彩信号时，一定要确保正确的时序，否则VGA显示电路不能正常工作。

8．I/O扩展电路

4个标准的扩展连接器如图1.11所示，其中一个为专用AD信号Pmod接口。通过扩展接口可以使用面包板、用户设计的电路或Pmod模块扩展板卡。Pmod是价格便宜的模拟和数字I/O模块，能提供一个A/D＆D/A转换、电机驱动器、传感器等许多其他功能。8针连接器上的信号免受ESD 损害和短路损害，从而确保了在任何环境中的使用寿命更长。

板卡上标有“JXADC”字样的Pmod扩展连接器与FPGA的辅助模拟输入引脚相连。通过JXADC连接器，可以将差分模拟信号输入到Artix-7（XADC）内部的模拟-数字转换器。

Artix-7内部的XADC模块是一个双通道、12位的模数转换器，转换速率为1MSPS。通过动态配置端口（Dynamic Reconfiguration Port，DRP）可以控制和读取XADC模块。XADC模块也包括一定数量的片上传感器，用来测量片上的供电电压和芯片温度。

9．Pmod模块

Xilinx大学计划提供了各种各样低成本、简单I/O Pmod外围接口模块，是扩展其各种FPGA板卡性能的理想方案。XUP提供的Pmod外围接口模块包括传感器、I/O、数据采集和转换、接插件、扩展存储器等模块，下面介绍一些常用的Pmod模块，按照模块功能划分如下。

（1）输入/输出

1）PmodKYPD：16-Button Keypad，16键键盘。

● 4×4矩阵键盘，16个带有标示的按键；

● 上拉电阻与每行相连，每行和每列都在Pmod接口里有专用的引脚。

2）PmodBTN：Push Buttons，按键开关。

4个消抖触摸式按键开关。

3）PmodSWT：Slide Switches，滑动开关。

4个滑动开关。

4）PmodLED：High Bright LEDs，高亮度LED指示灯。

4个逻辑级输入，4个高亮度红色LED指示灯。

5）Pmod8LD：8 High Bright LEDs，8个高亮度LED指示灯。

8个输入逻辑电平、8个高亮度绿色LED灯。

6）PmodSSD：Seven-segment Display，七段数码显示器。

● 两个高亮度七段数码管显示器；

● 做工小巧，尺寸为0.80英寸×0.80英寸；

● 套件中附带两个6英寸6针下载线和两个6针接口。

7）PmodI ² S：Stereo Audio Output，立体声音频输出模块。

● 立体声数模转换器，支持所有的主流音频数据接口格式；

● 支持16～24位的多采样率音频，包括48kHz、96kHz和192kHz的采样率；

● 3～5V工作电压，0.80英寸×1.15英寸。

8）PmodAMP2：Audio Amplifier，音频放大器。

● 无滤波、高效率、单声道D类功率放大器；

● 数字增益选择。

9）PmodAMP3：Stereo Power Amplifier，立体声功率放大器。

● 数字输入、立体声、D类音频功率放大器；

● 支持常见的I ² S音频格式；

● 独立的左右声道，并且能够单独控制每个声道音量；

● 工作电压为3.3V。

10）PmodRS232：Serial Converter & Interface，串行转换器及接口。

● 具有发送和接收数据的功能；

● 可选RTS和CTS同步交换功能（REV．B）；

● 做工精巧，1.00英寸×1.30英寸；

● 可以将逻辑电平转换成串行通信所需的RS 232电平。

11）PmodUSBUART：USB to UART Interface，USB转UART连接器。

12）PmodSD：SD Card Slot，SD卡插槽。

为Xilinx大学计划系统和微控制器板卡提供一个SD卡接口。

13）PmodCLP：Character LCD w/parallel Interface，字符LCD w/并行接口。

● 16×2字符显示，带背光功能的液晶屏；

● 尺寸大小：3.3英寸×2.3英寸，并行数据接口。

14）PmodCLS：Character LCD w/serial Interface，字符LCD w/串行接口。

● 16×2字符显示，带背光功能的液晶屏；

● 通过使用UART、SPI或TWI接口来灵活连接；

● 尺寸大小：3.75英寸×1.75英寸。

15）PmodNIC100：Network Interface Controller，网络接口控制器。

● 标准SPI接口；

● IEEE 802.3兼容的以太网控制器；

● 10/100 Mbit/s数据传输率；

● 集成MAC；集成10BASE-T PHY；集成100BASE-TX PHY。

16）PmodBT2：Bluetooth Interface，蓝牙接口。

● 兼容蓝牙2.1/2.0/1.2/1.1 ；

● 具有多种模式，包括从模式、主模式、触发主模式、自动连接主模式、自动连接DTR模式、自动连接ANY模式；

● 简单的UART接口，小尺寸。

17）PmodWiFi：802.11b/g/n WiFi Interface，802.11b/g/n WiFi接口模块。

● IEEE 802.11兼容的射频收发器；

● 序列化的专有MAC地址；

● 1/2 Mbit/s数据率；IEEE 802.11b/g/n兼容；

● 集成PCB天线；传输距离远达400m（1300英尺）；

● 通过美国FCC、加拿大IC、欧盟ETSI及日本ARIB无线电监管认证；

● 通过WiFi认证（WFA ID：WFA7150）。

18）PmodOLED：Organic LED Graphic Display，有机LED图形显示。

● 128×32像素、0.9毫米OLED显示屏；

● 标准SPI接口；

● 最高10MHz时钟频率；

● 含内部显示缓冲区。

19）PmodIOXP：I/O Expansion Module，I/O扩展模块。

● 通过I ² C接口与主机通信的I/O端口扩展模块；

● 用于事件记录的16单元的FIFO；

● 19个可配置I/O接口；

● 可支持最大11×8矩阵的按键解码；

● PWM生成器，集电极开路的中断输出；

● 两个可编程的逻辑块，去抖动的I/O引脚。

20）PmodENC：Rotary Encoder，旋转编码器。

● 旋轴按键编码器；

● 串联电阻的滑动开关。

21）PmodJSTK：Two Axis Joystick，两轴操纵杆。

● 两轴电阻操纵杆（CTS 252A103B60NB），操纵杆也具备一个按键的功能；

● 两个附加的用户按键。

22）PmodRF2：IEEE 802.15 RF Transceiver，射频收发器。

● 满足IEEE 802.15标准；

● 支持ZigBee、MiWi ^TM 、MIWI P2P等无线网络协议；

● 工作在ISM频段2.405～2.48GHz；

● 简单的SPI通信接口；

23）PmodGPS：GPS Receiver，GPS接收器。

● 标准UART接口；

● 输入电压：3～3.6V；

● 最大更新率10Hz（默认更新率1Hz）；

● 超低功耗、超高灵敏度。

（2）数据转换

1）PmodR2R：Resistor Ladder D/A Converter，梯形电阻D/A转换器。

● 频率高达25MHz的8位数字到模拟转换器；

● 由示波器的简单附件来说明数据转换的过程；

● 利用一个工程设计领域应用数十年的经典电路实现数模的转换。

2）PmodDA1：Four 8-bit D/A Outputs，四路8位D/A输出接口。

● 4个D/A转换通道；

● 超低功耗。

3）Pmod-DA2：Two 12-bit D/A Outputs，两路12位D/A输出接口。

● 两个National Semiconductor DAC121S101，12位D/A转换器；

● 两个同步D/A转换通道；

● 做工精细、超低功耗。

4）PmodAD1：Two 12-bit D/A Outputs，两路12位A/D输入接口。

● 两个两级Sallen-Key抗干扰滤波器；

● 两个同步A/D转换通道，每通道可高达1MSa；

● 超低功耗。

5）PmodAD2：Four Channel 12-bit A/D converter，4通道12位A/D转换器。

● 最高可用4个模拟转数字通道；

● 分辨率高达12 bit，I ² C接口；

● 板上提供2.048V参考电压，参考电压可变。

（3）连接器

1）PmodCON4：RCA Audio Jacks，RCA音频接口。

可灵活配置针头接口和RCA接口。

2）PmodPS2：Keyboard/Mouse Connector，键盘/鼠标接口。

● 电源通路跳线；

● 做工精巧。

（4）传感器/执行器

1）PmodOD1：Open Drain Output，漏极开路输出。

● 4.1A最大输出电流（t<5s）；

● 3.0A恒电流（25℃），2.2A恒电流（85℃）；

● 一个6针接口用来输入；

● 两个输出螺丝接线端；

● 该模块使用On-Semiconductor的NTHD4508NT功率FET输出晶体管，可以驱动高电流设备。该输出晶体管由一个系统级板卡的逻辑信号来驱动。

2）PmodOC1：Open Collector Output，集电极开路输出。

● 4个输出钳位二极管；

● 最大工作电压为40V；

● 做工精细、精致小巧，0.75英寸×0.80英寸；

● 该模块使用MMBT3904输出晶体管来驱动高电流器件。该输出晶体管由一个系统级板卡的逻辑信号来驱动。该晶体管可以作为一个开关，并可以驱动继电器和启动LED灯、电动机及其他外部设备。

3）PmodACL2：3-Axis MEMS Accelerometer，3轴MEMS加速度计。

基于ADI公司的ADXL3623轴MEMS加速度计。

4）PmodGYRO：3-Axis Digital Gyroscope，3轴数字陀螺仪。

● 便准SPI和I2C接口；

● 250/500/2000dps 可选分辨率；

● 两个可定制中断引脚；

● 支持断电和睡眠模式；

● 用户可配置信号滤波。

5）PmodSTEP：Stepper Motor Driver，步进电动机驱动器。

● 可用于连接4脚或6脚步进电动机；

● 可以通过外部供电，或主板供电；

● 包含信号状态指示灯。

6）PmodMAXSONAR：Ultrasonic Range Finder，超声波测距仪。

● 有效检测范围：6～255英寸（相当于0.15～6.5m），精度为1英尺。

● 工作频率为42 kHz，测量间隔为50ms。

● 连续测量工作模式，采样率为20 Hz，三种测量方式：

● 5字节的串行数据；

● 模拟电压输出，VCC/512表示1英寸。

● 脉冲宽度输出，147µs 表示1英寸。

● 工作电压范围：2.5～5.5V，拖动电流典型值为2mA。

7）PmodCMPS：3-Axis Digital Compass，三轴数字罗盘。

● ±8高斯场检测；

● I ² C通信接口，最大数据输出率为160Hz。

8）PmodALS：Ambient Light Sensor，环境光传感器。

● 通过一个独立的环境光强传感器示范光强数字传感；

● 3线 SPI™ 通信接口；

● 8比特分辨率。

9）PmodLS1：Infrared Light Detector，红外线探测器。

● 具有4个4针接口的反射或透射光探测器；

● 板载灵敏度调节仪；

● 4个对输入状态监测的板载LED指示灯。

10）PmodTMP2：Thermometer/Thermostat，温度计/恒温器。

● 一个以ADT7420为核心的温度传感器和恒温控制板；

● 支持最高16位的分辨率；

● 标准精度优于0.25℃；

● 拥有4个可选择地址的I2C接口；

● 240ms连续转换时间；

● 可编程的温度阈值控制引脚；

● 支持3.3V和5V接口；

● 无须校准，附带一根10' 4针 MTE 线。

11）PmodMIC：Microphone w/Digital Interface，数字麦克风。

● OnSemi公司的 SA575低电压语音压扩器；

● National Semiconductor公司的 ADCS7476AIM 12位A/D转换器；

● 3～5V的工作电压；

● 做工精巧（0.80英寸×1.10英寸）。

（5）其他

1）PmodBB：Wire Wrap/Bread Board，绕接/面包板。

2）PmodRTCC：Real-time Clock/Calendar，实时时钟/日历。

● 可支持一个纽扣型电池的实时时钟/日历；

● I ² C接口；

● 可产生方波输出的多功能引脚；

● 两个可使用的闹钟；

● 128B的EEPROM；

● 64B的静态随机存储器（Static Random Access Memory，SRAM），附带一根10' 4针MTE 线。

10．存储器

板卡包含一块32Mbit闪存，通过4（quad-mode，x4）串行外围接口（SPI）模式与Artix-7 FPGA相连。FPGA与闪存之间的连接和引脚排列如图1.12所示。

FPGA配置文件可以写入Quad SPI闪存，并且能够通过设置FPGA模式使得板卡上电时自动读取FPGA配置文件。Artix-7 35T配置文件大约需要2MB的存储空间，因此用户可以使用的闪存空间约占48%。

11．时钟

板卡有一个100MHz有源晶振，与引脚W5相连。输入的时钟信号驱动混合模式时钟管理器（Mixed-mode Clock Manager，MMCM）和锁相环（Phase-Locked Loop，PLL），能够产生工程项目需要的各种频率和相位关系的时钟信号。然而，如果使用100MHz的输入时钟信号来驱动MMCMs和PLLs，Artix-7有一些限制条件。对于Artix-7时钟资源和限制条件，用户可以参见Xilinx官网提供的文档——“7 Series FPGAs Clocking Resources User Guide”。

Xilinx提供了LogiCORE ^TM 时钟IP向导，用于帮助用户生成设计所需要的不同时钟信号。根据用户指定的期望频率和相位关系，该向导能够正确地例化所需要的MMCMs和PLLs，然后生成容易使用的组件，可以添加到用户的设计项目中。进入Vivado集成设计套件流程向导，找到工程管理器窗口界面下的IP目录，即可选择时钟向导。

12．USB-UART桥接（串口）

板卡含有一个USB-UART桥接芯片FTDI FT2232HQ（与J4端子相邻），用户可以通过PC应用程序，使用标准的Windows串口指令与板卡通信。从网址www.ftdichip.com下载USB转串口驱动程序，即可将USB数据包转换为UART或串口数据。串口数据与FPGA之间的收发通过两线串口实现（TXD/RXD）。如果安装了驱动程序，从PC端利用I/O指令可以直接与串口通信，收发串行数据到FPGA的引脚B18和A18。芯片FT2232HQ和Artix-7 FPGA之间的连接如图1.13所示。

板卡上有两个指示灯，用于显示数据收发状态，分别是发送指示灯（LD18）和接收指示灯（LD17）。

芯片FT2232HQ同样用于USB-JTAG电路的控制器，然而USB-UART和USB-JTAG两种功能彼此完全独立，互不影响。如果用户使用FT2232的UART功能，JTAG电路根本不会影响UART数据的传输，反之亦然。利用一个芯片将上述两种功能进行整合的目的是：板卡只需一根Micro USB连接线即可实现编程、UART通信和供电。

13．FPGA调试及配置电路

上电后，必须配置FPGA，然后才能执行任何有用的功能。存储FPGA配置数据的文件为比特流（bitstream）文件，扩展名为.bit。借助Xilinx的Vivado软件可以通过VHDL、Verilog HDL或基于原理图的源文件创建“.bit”文件。在配置过程中，将该“.bit”的文件转移到FPGA内存单元中实现逻辑功能和电路互连。

比特流文件存放于FPGA内部的基于静态随机存储器（SRAM）的存储单元，定义了FPGA的逻辑功能和电路连接。如果关闭板卡电源、按下复位按键或通过JTAG端口写入新的配置文件，原有比特流文件也随之丢失。

典型的Artix-7 35T比特流文件为17 536 096bits，需要花费很长时间传送。在编程下载到板卡之前，通过压缩比特流文件可以减少传送时间，然后允许FPGA在配置过程中自行解压比特流文件。根据设计的复杂程度，利用Vivado集成设计套件在生成比特流文件时进行压缩，可以实现10倍的压缩比。

下载程序有如下3种方式：

用Vivado通过USB-JTAG方式（J4端口，标有“PROG”字样）下载“.bit”文件到FPGA芯片；

● 用Vivado通过Quad-SPI方式下载“.bit”文件到Flash芯片，实现掉电不易失；

● 用U盘或移动硬盘通过J2的USB端口下载“.bit”文件到FPGA芯片（建议将“.bit”文件放到U盘根目录下，且只放1个），该U盘应该是FAT32文件系统。

注意： ① 下载方式通过JP1的短路帽进行选择；

② 系统默认主频率为100MHz。

编程模式选择由板卡最右上角的蓝色跳线JP1（标有“MODE”）确定，M1M2跳线和配置方式的对应如图1.14所示，通过更改“Mode”跳线JP1的位置选择下载模式。

编程下载成功后，点亮“DONE”指示灯（LD19）。任何时候按下“PROG”按键，FPGA内部的配置存储器都会重新复位。此时，无论选择哪种编程下载方式，FPGA复位后都会立即尝试重新编程下载。

Adept是Xilinx大学计划板卡与PC之间的接口软件，其功能如下：

● 使用户通过计算机配置板卡上的FPGA等逻辑器件；

● 使计算机与开关板进行数据传送，读写指定的寄存器，扩展I /O；

● 自动检测与计算机相连的板卡，并对硬件平台进行诊断和测试。

Adept软件可以在Xilinx大学计划网站进行下载。安装前先不连接板卡，执行安装文件，安装完成后，即可连接板卡并使用Adept软件。不同版本的Adept软件及连接的板卡不同，使得执行Adept软件后的界面也略有不同。

运行Adept软件，软件界面如图1.15所示。在图中的“Config”选项卡中，单击“Browse”按钮，选择设计产生的比特流文件（.bit文件），然后单击“Program”按钮，软件开始对FPGA直接编程。

注意： 这样加载的程序是直接下载到FPGA中的。