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basys2手册中文版.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.42M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    Digilent 的 Basys2 板参考手册 引言 该Basys2板是一种电路设计和实施平 台，任何人都可以使用它获得建立真正的 数字电路的经验。围绕着赛灵思Spartan - 3E 现场可编程门阵列和ATMEL的AT90USB2 的USB控制器，Basys2板提供完整的、随 时可用的硬件适合电路实现从基本逻辑器 件到复杂的控制器。拥有一系列板上的 I / O设备和所有需要支持的FPGA电路，这 样的设计可以创造无数无需任何其他元件 的设计。 4个标准的扩展连接器允许设计使用 面包板、用户设计的电路或Pmods扩展 Basys2板板，（Pmods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 投入 和许多其他功能）。6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。该Basys2 ﹡8个LED，4位7段显示器，4个按键，8滑动开关 的PS / 2端口 板适用于所有赛灵思ISE工具的版本，包括 免费版在内。配有一条可以同时提供电源和 实现下载的USB下载线，所以不需要任何其 他电源供应器或编程电缆。 ﹡10万门的赛灵思Spartan-3E FPGA ﹡AtmelAT90USB2全速USB2端口提供电源和编程/数据传输接口 ﹡赛灵思平台的Flash ROM来存储FPGA配置 ﹡用户可设置的时钟（25/50/100MHz），加上短路块可以选择 该Basys2板可以通过USB2.0端口提供 电源和板载编程。Digilent的免费使用的基于 PC端的Adept的软件会自动检测到Basys2板，同时提供了一个FPGA和板载的Flash ROM的编程接口，并允许用户传 输数据（更多内容详见www.digilentinc.com或http://www.digilentchina.net/）。 ﹡ 4个6针头扩展连接器 ﹡ 所有I / O信号都有ESD和短路的保护。 图1 Basys2板的结构图和功能模块 和8位VGA端口 第二种时钟 该Basys2板设计的与免费的赛灵思ISE WebPACK的CAD软件相配套。WebPACK可以用来通过示意图或者 HDLs的方式设计电路，模拟、合成电路和创建规划文件。 WebPACK的可以从www.xilinx.com/ise/免费下载。 Basys2板上有一个内置的自检（演示）程序在它的ROM中，该程序可以测试板子上的所有功能。要运行测试， 跳线设置至ROM模式（见下文），并且同时给板子提供电源。如果测试程序从ROM中抹去，它可以在任何时间下载并 重新安装。Basys2板的测试项目以及详尽的文件，参考设计和教程见www.digilentinc.com/Basys2。 Basys2板供电 该Basys2板通常是从USB供电电缆，但电池连接器的存在使得板子也可以 使用外部供电。要使用USB电源，只需连接USB下载线即可。为了权力在Basys2 使用电池或其他外部电源，可以附加为3.5V-5.5V的电池组（或其他电源）到2针 ，100密尔电池连接器间距（三节AA电池串联成为一个理想的4.5 + / - 伏电源）。 电压高于5.5V的任何电源连接器可能造成永久性的损害。 输入功率是经由电源开关（SW8）到4个6针扩充接口和一个Linear Technology的LTC3545电压调节器。 LTC3545主要给板子产生3.3V电源， 它也促使产生二次调节为FPGA供应所需的2.5V-1.2V电压。通过板子的总电流 是由FPGA配置、时钟频率和外部连接决定的。在测试 图2 Basys2电源电路
    大约20K个门、50MHz的时钟源、所有LED点亮的电路中，从1.2V电源约为100mA的电流流出，从2.5V电源为50mA， 从3.3V电源为50mA。如果给FPGA增加电路、或者添加外围板则需要更大的电流。 该Basys2板采用4层印刷电路板，有专用的VCC和GND层。FPGA和电路板上的其它IC具有较大的陶瓷旁路电容， 他们尽可能放在每个VCC管脚附近，从而产生了一个很干净，低噪声电源。 配置 上电后，Basys2板上必须配置FPGA，然后才能执行任何有用功能。在配置过程中，一“Bit”文件转移到FPGA 内存单元中实现逻辑功能和电路互连。借助赛灵思免费的ISE /WebPack CAD软件可以通过VHDL，Verilog语言，或基 于原理图的源文件创建.bit文件。 Digilent的基于PC的程序称为Adept，可用于配置任何存储在计算机上的适用的FPGA.bit文件。Adept使用USB下 载线从PC传送一个选定的.bit文件到FPGA（通过的FPGA的JTAG编程接口）。Adept也可以把.bit文件下载到非易失性 ROM（所谓“Platform Flash”）。一旦编程，该Platform Flash可以在上电、重启、甚至跳线（JP3连接）时传输给FPGA 已存储在ROM中的.bit文件。该FPGA保留.bit文件的配置，直到电源复位。Platform Flash配置也将保留，直到它被重 新编程，而不受电源的影响。 给Basys2板编程时，需要将跳线设置到PC模式，并且将USB下载线 连到板子上。启动Adept软件，并且等待FPGA和Platform Flash ROM 被识别。使用浏览功能将需要的.bit文件与FPGA关联起来，再将 需要的.mcs文件与Platform Flash ROM关联。右键单击该设备 进行编程，并选择了“编程”功能。该配置文件将被发送到 FPGA或Platform FlashFlash，软件将显示编程是否成功。 “状态的LED”发光二极管（LD_8）将在FPGA成功配置后闪烁。 Adept的更多资料，请参阅Digilent网站上提供的Adept的资料。 晶振 该Basys2板包括一个主要的，用户可设置的硅振荡器， 可通过在JP4跳线位置的选择产生高达25MHz，50MHz的， 或100MHz的时钟。最初，该跳线不加载，必须在地方焊接。 IC6插座可以提供第二个晶振（即IC6插座可插上任何3.3V CMOS的半个DIP封装的晶振）。主要的振荡器和第二个振荡 器连接到全局时钟输入引脚分别在B8脚和M6脚。 Basys2的编程电路 图3 这两种时钟输入可以驱动的Spartan 3E上的时钟合 成器DLL，如果内部的频率允许，将是一个从4倍输入频率 到任何输入频率可以整除的频率的广泛范围。 主要的硅振荡器使用灵活并且价格便宜，但它缺乏晶体振 荡器频率稳定度。一些电路驱动VGA显示器可以通过在IC7插座 安装一个晶体振荡器使图像略有改善。对于这些零件，可以从 任何目录分销商购买25MHz（或50MHz）晶体振荡器，推荐 （例如www.digikey.com上的零件编号为SG-8002JF-PCC）。 用户I/O 4个按钮和8个滑动开关电路提供了输入信号。按键信号 平时是低电压，按钮被按下是高电压。滑动开关由它的位置决 定了是高电压还是低电压。所有的滑动开关和按键都有相应的 电阻保护以防止它们短路（如果FPGA的输出错误的定义到了 滑动开关或者按键上就会发生短路）。 8个LED和4位7段LED数码管是电路的输出。发光二极管 图4 Basys2的晶振电路 阳极是由FPGA通过限流电阻驱动的，因此当对应的FPGA引脚写入一个逻辑'1'时它们将点亮。 7段LED数码管 对4个7段LED数码管的每个LED显示屏都是按照一个“数字8”的模式安排了7个发光二极管组成部分。每段LED可 以单独照明，因此一部分的LED点亮其他的不亮一共可以组合成128组合方式。在这128个可能的组合方式，对应的十 进制数字的10个是最有用的。 这7个段的每个LED的阳极是连接在一起，成为一个共同的阳极电路节点，但LED的阴极保持独立。常见的阳极信 号为4个“数字启用”输入信号，4位显示可用。在所有4个数码管的阴极同样的段连接成7个节点的电路标号为从CA到CG （所以，例如，四个数字组合中的四个“D”类阴极在一起成为一个单一的电路称为节点“CD”）。这7个阴极信号可作为4
    位数字显示输入。该信号设计制造了一个复杂的显示，对所有数字显示而言在阴极的信号是一样的，但只有某数字相 应的阳极信号输入才会显示该数字。 扫描显示控制电路用于显示该数码管的4位数字。这个 电路驱动阳极信号，而每个数字对应的阴极信号以高于人眼 反应速度的频率连续不断的刷新。每个数字点亮的时间只有 1/4个周期，但是眼睛却无法在数字再次被点亮前的这段时间 里发觉数码管变暗。数码管是间歇性点亮的。如果更新或“刷 新”的频率降至某一特定点（约45赫兹），那么大多数人会开 始看到闪烁。四个数字间歇性的被点亮，所有四个数字应该 是每1至16毫秒驱动一次（刷新频率为1KHz-60Hz）。例如， 在60Hz的刷新频率时，整个数码管每16毫秒刷新一次，而每 个数字被点亮的时间是¼刷新周期即4毫秒。该控制器必须保证 在相应的阳极信号驱动时对应的阴极模式是正确的。为了说明这 一过程中，如果AN1是置1，而CB和CC的置0，那么，“1”将在第 1位数的位置显示出来。如果AN2是置1而CA，CB和CC置0，那 么，“7”将显示在第2位数的位置。如果A1和CB，CC驱动4毫秒 ，然后A2和CA，CB，CC驱动4毫秒后并维持该驱动状态，数码 管在前两个数字的位置显示“17”中的。图6显示了以4位7段控制器 为例的时序图。 图5 Basys2I/O电路 图6 7段数码管的时序图 图7 7段数码管 PS/2 接口 6针微型 DIN 连接器可以接一个 PS / 2鼠标或键盘。大多数 PS / 2设备可以工作在3.3V 的电源下，但一些较老的 设备可能需要一个5V 直流电源。Basys2板（JP1连接）跳线选择给 PS / 2连接器提供3.3V 还是 VU。要提供5V 时，设 置 JP1连接到 VU，并确保 Basys2是5V 直流供电。要提供3.3V 时，设置跳线至3.3V。在3.3V 电源时，任何板上电源 （包括 USB）都可以使用。 鼠标和键盘都使用两条串行总线（时钟和数据）与主机进行通信的设备。两者都使用11位字，其中包括一个启动， 停止，奇校验位，但数据包是不同的，另外键盘接口允许双向数据传输（这样主机设备可以点亮键盘上的状态指示灯）。 总线时序如下图所示。时钟和数据信号传输数据时只驱动发生，否则他们是在“闲置”状态逻辑'1'。时序图定义鼠标到主 机的通信和键盘与主机的双向通信的信号要求。一个 PS / 2接口电路可以用在 FPGA 来创建一个键盘或鼠标接口。
    图8 PS/2 接口和 Basys2 PS/2 电路 键盘 该键盘采用集电极开路驱动程序，这样连接键盘或主机 设备可以驱动两条总线（如果主机设备不会发送数据到键盘， 然后主机可以只使用输入端口）。 PS/2键盘在按键按下时使用代码通信。一个按键按下时，会 发送一个代码，如果这个键一直被按着，那么每隔100ms 就发送 一次代码。当一个键松开时，一个“F0”代码将被发送，然后原来的 图9 PS/2的信号时序图 代码将不再发送。如果键可以“转移”产生一个新的字符（例如一个 大写字母），然后转变字符除了发送扫描码，主机必须确定使用哪个 ASCII 字符。某些键，称为扩展键，在扫描码前发 送“E0”（他们可能发送不止一个扫描码）。当一个扩展键释放时，一个“E0 F0”关键码发送，然后是扫描代码。大多数键 扫描码如图所示。主机设备还可以将数据发送到键盘。下面是一些常见主机发送的命令。 图10 键盘扫描码 ED 设置Num Lock, Caps Lock, 和Scroll Lock的指示灯。键盘在收到“ED”后返回“FA”，主机设置一个字节来控 制指示灯的状态：Bit 0控制Scroll Lock，Bit 1控制Num Lock，Bit 2控制Caps Lock。Bit3-Bit7不用。 EE 自检。键盘收到“EE”后返回“EE”。 F3 设置扫描频率。在收到“FA”后返回“F3”，主机在发送一个字节设置扫描频率。 FE 重新发送。在收到“FE”后键盘直接发送刚发送的扫描码。 FF 重启。重新启动键盘。 键盘只有当数据总线和时钟总线同时为高（或闲置）才可以发送数据到主机。由于主机是“主控者”，键盘必须在 发送数据之前检查主机是否使用总线。为了方便检验，时钟总线用作“清除发送”的信号。如果主机的时钟总线拉低时， 键盘不能发送任何直到时钟总线再次恢复。键盘发送数据到11位字，其中包含1个“0”起始位，8位的扫描码（LSB 在前）， 1个奇偶校验位，一个'1'停止位。键盘发送数据时产生11次高低电平的变化（时钟过渡约为20 - 30kHz 的），数据只有 在在时钟的下降沿是有效的。
    鼠标 鼠标在移动时输出时钟和数据信号，否则将保持为逻辑1。每当鼠标移动时，3个11位的信号将从鼠标发送到主机。 每个11位字中包含1个“0”起始位，8位的数据位（LSB 在前），1个奇偶校验位，一个'1'停止位。因此，每次传输包含33 位数据，其中位0、11、22是'0'开始位，10、21、33位是'1'停止位。三个8位数据字段包含数据流向如下图所示。数据 在时钟的下降沿是有效的，时钟周期为20到30kHz 的。 图11 鼠标数据格式 假设鼠标在一个相对坐标系中移动，移动到右边生成一个在 X 领域的正数，移动到左边生成一个负数。同样，移 动鼠标起来生成一个在 Y 领域正数，向下移动代表一个负数（XS 和 YS 是正负标志位， '1'表示一个负数）。在 X 和 Y 的数字大小代表了鼠标的移动速度，数字越大，鼠标移动速度越快（XV 和 YV 是溢出标志位 ，1'是指发生溢出）。如 果鼠标不断移动，每50毫秒重复33位传输。在 L 和 R 领域的状态字节表示左、右按键（'1'表示的是按钮被按下）。 VGA 接口 图12 VGA 和 Bayas2的接口电路 图13 CRT 显示系统 该 Basys2板采用10个 FPGA 的信号创建一个带8位颜色和两个标准同步信号的 VGA 端口（HS 水平同步和 VS 垂直同步）。颜色信号使用电阻分压器电路，与 VGA 显示的75欧姆的终端电阻协同工作以创建水平的8个红色和绿色的 VGA 信号，以及四个蓝信号（人的眼睛对蓝色敏感，所以蓝色分四个级别）。该电路，如图12所示，生产彩色视频信 号为0V（完全关闭）和0.7V（完全打开）之间等额递增的进行。一个视频控制器电路必须使得 FPGA 同步和正确的驱 动时产生彩色信号，从而产生一个显示系统。 VGA 系统（略） 扩展连接器 该 Basys2板提供4个6针连接器的外围模块。每个连接器提供正电源、接地和4个独特的 FPGA 信号。几个6针模 块板，可以附加到由 Digilent 的提供连接器，包括 A / D 转换器、扬声器放大器、麦克风、H 桥放大器等等。更多信息 请参阅 www.digilentinc.com。 FPGA 引脚定义 下表显示的是 Basys2板上的 Spartan-3E 的所有管 脚定义。灰色的是用户无法使用的。
    自检 该 Basys2板在 ROM 中预装了简单的 自检/示例程序。该示例(在网站上也可获得) 展示了赛灵思 FPGA 的 CAD 工具如何连接 Basys2电路。由于该程序是在 ROM 中，它 也可以用来检查板子的功能。要演示运行， 设置的 ROM /USB 跳线（JP3）到 ROM， 给板子供电。7段式数码管将显示持续的计数， 打开开关相应的 LED 将被点亮，按钮按下时 将关闭数码管相应位置的显示，和一个可测试 的 VGA 端口。 如果 Platform Flash ROM 中没有自检程 序，可以通过 Adept 编程软件重新编程到 FPGA 或者下载到 Platform Flash ROM 中。 图14 Basys2 Pmod 接口电路
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