ICE40UP5k FPGA学习平台电路的设计、项目需求以及相关参考资源

元器件信息 2022-12-02 16:14 306 0

MCU vs FPGA
- 共性
  - 逻辑/处理
  - 输入输出
  - 时钟/定时
  - 多任务/多线程
  - 总线
    - SPI
    - I2C
    - UART
  - 模拟输入/输出
    - ADC
    - DAC
- 差异
  - MCU - 单兵作战
  - FPGA - 群殴
平台介绍
- 核心板
  - 特性
    - 基于Lattice的FPGA - ICE40UP5K
      - 参见文章
    - 通过LPC11U35进行下载及UART配置/通信
      - U盘的方式拖拽下载
      - 注意：需要生成rbt格式的文件
      - 板上ISP焊点可以用于升级LPC11U35的固件
    - 板上一颗R、G、B三色LED，分别连接FPGA的三根专用于驱动LED的管脚39、40、41，可以用于状态显示及数字逻辑实验
      - 最高24mA
    - 一个RESET按键，用于对RISC-V系统进行复位
    - 总计28根输入/输出可用于扩展
    - 板上晶体振荡器时钟产生12MHz供FPGA和LPC11U35工作（使用温度传感器的时候不能使用外部时钟），FPGA可以通过内部锁相环工作于更高频率。
    - 一个温度传感器，用作温度测量 - 兼容树莓派Pico的功能
    - 2个高速比较器，搭配FPGA的逻辑实现ADC的功能 - 兼容树莓派Pico的功能
    - 同USB直接连接的5V输出以及经板上LDO产生的3.3V直流电压输出，可以给扩展板供电，电流为200mA
  - 原理图
    - 核心板原理图
- 扩展板
  - 特性
    - 2个按键输入
    - 4个单色LED
    - 12个WS2812B RGB三色灯（同核心板上的R、G、B三色灯不同）
    - 1个姿态传感器
    - 1个128*64 OLED显示屏，SPI总线连接
    - 1个蜂鸣器
    - 1个可调电位计（用于电压表，提供可变电压源）
    - 1路音频信号输入（用做示波器信号源）
    - 8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）
  - 扩展板原理图
项目
- 项目1 - 利用ADC制作一个数字电压表
  - 要求
    - 旋转电位计可以产生0-3.3V的电压
    - 利用板上的串行ADC对电压进行转换
    - 将电压值在板上的OLED屏幕上显示出来
  - 技能点
    - 使用比较器制作一个Sigma Delta的串行ADC
    - OLED的显示驱动
    - 数值的变换
- 项目2 - 利用PWM制作一个音乐播放器
  - 要求
    - 通过PWM产生不同的音调，并驱动板上蜂鸣器将音调输出
    - 能够播放三首不同的曲子，每个曲子的时间长度为1分钟，可以切换播放
    - 曲子的切换使用小脚丫核心板上的按键，需要有按键消抖的功能
    - 播放的曲子的名字在OLED屏幕上显示出来（汉字显示）
  - 技能点
    - PWM
    - 按键输入及消抖
    - OLED的显示驱动
    - OLED的字符显示
- 项目3 - 利用DAC制作一个可调波形、频率、幅度、直流偏移的DDS信号发生器
  - 要求
    - 能够产生正弦波、三角波、方波，可以通过小脚丫上的拨码开关控制波形的切换
    - 产生信号的幅度0-3Vpp之间可调，调节分辨率精确到10mV，可以通过电位计进行调节
    - 产生信号的频率100Hz - 2MHz之间可调，频率调节分辨率可达10Hz
    - 将1KHz - 10KHz频率范围的信号同时送到蜂鸣器，驱动蜂鸣器发出声音，调节频率和信号的幅度会改变蜂鸣器的声音输出
    - 产生的波形、波形的幅度、波形的频率都实时显示在OLED屏幕上
  - 技能点
    - DDS
      - 波形改变
      - 幅度调节
      - 频率调节
    - 按键控制
    - PWM
    - OLED显示驱动
- 项目4 - 声音控制的节日彩灯
  - 要求
    - 利用扩展板上的麦克风输入电路，将放大以后的音频信号通过核心板上的比较器构成的ADC进行量化（8bit分辨率即可）
    - 量化后的音频信号的音量和频率来控制扩展板上12个WS2812B，来产生不同的效果
    - 手机播放音乐，来控制彩灯
    - OLED上通过波形显示被量化的音频信号的波形和频谱，波形和频谱可以切换
  - 技能点
    - 利用高速比较器制作ADC
    - 波形显示及FFT频谱分析
    - WS2812B彩灯单线时序控制
    - OLED的显示驱动
- 项目5 - 可定时的音乐时钟
  - 要求
    - 使用扩展板上的12颗彩灯对应于12个小时
    - 核心板上的FPGA产生时钟，在OLED显示评上通过模拟或者数字的方式显示当前的时间 - 小时、分、秒
    - 将“小时”的信息通过12颗彩灯来显示，效果自行设计
    - 具有定时的功能，通过扩展板上的按键设置时间，到该时间点即（彩灯闪烁 + 音频播放），持续5秒钟时间
    - 音频播放通过扩展板上的蜂鸣器来实现
  - 技能点
    - 时钟分频、计时、定时
    - 按键输入、消抖
    - PWM、音频播放
    - WS2812B彩灯单线时序控制
- 项目6 - 用彩灯显示的水平仪/节日焰火
  - 要求
    - 利用扩展板上的MMA7660姿态传感器来感知板子的角度
    - 用扩展板上的12颗彩灯以灯光流动的方式显示板子的角度信息
    - 用扩展板上的12颗彩灯制作焰火的效果，并通过板子的角度变换来改变焰火的显示效果
    - 同时通过蜂鸣器播放节日音乐
  - 技能点
    - 姿态传感器的信息读取及处理
      - I2C总线
      - 数据处理
    - WS2812B彩灯单线时序控制
- 项目7 - 音频信号采集/FFT频谱分析
  - 要求
    - 扩展板上的麦克风将声音信号转变为模拟电信号
    - 利用核心板上的比较器构成Sigma Delta ADC对音频模拟信号进行采集
    - 量化后的信号在OLED显示屏上进行波形显示
    - 同时利用FPGA内部的乘法器对采集到的信号进行FFT变换，将变换后的频谱显示在OLED上
    - 能够计算并显示出信号的频率、幅度、谐波分量
  - 技能点
    - 串行ADC的制作
    - 数据采集及信息处理
    - OLED的显示
      - SPI总线
    - FFT变换
    - 数据计算
- 项目8 - 计数器/频率计
  - 要求
    - 利用核心板上的高速比较器 + PWM构成的直流偏置电压生成，对外部信号进行频率测量和占空比测量
    - 将测量的频率和占空比的结果显示在OLED屏幕上
    - 测试信号可以来自核心板自己产生的PWM信号 - 可调频率、可调占空比，通过杜邦线将PWM输出的信号连接到比较器的输入端
  - 技能点
    - 频率测量、周期测量、占空比测量
    - OLED显示驱动
      - SPI总线
    - PWM
- 项目9 - RISC-V软核的设计或移植
  - 要求
    - 设计或移植一款RISC-V软核（网上有很多）
    - 基于该软核做一些简单的扩展：
      - 能够点量核心板和扩展板上的LED
      - 能够识别扩展板上的按键
      - 扩展SPI接口功能，能够在扩展板的OLED上显示信息
      - 扩展I2C接口功能，能够读取MMA7660姿态传感器的信息，并显示在OLED上
      - 能够读取核心板上18B20的温度传感器的信息，显示在OLED上
  - 技能点
    - RISC-V软核的移植
    - 外设扩展
    - 软件编程
- 项目10 - SDR通信数据收发系统（调制信号的观察需要测量仪器）
  - 要求
    - FPGA+R-2R DAC产生FM信号，载波频率为10.7MHz，频带宽度为50KHz，可以用频谱仪查看产生信号的频谱
    - 通过核心板的高速比较器+FPGA逻辑构成的ADC对输入的10.7MHz的载波调制信号进行采样
    - FPGA逻辑完成FM解调
    - FPGA将姿态传感器的状态信息通过FM调制发射出去，再通过FM解调将数据恢复出来，通过核心板上的UART总线发到上位机PC上，在PC的串口助手中显示当前姿态传感器的信息
  - 技能点
    - DDS/数字调制
    - 中频采样
    - 数字变频
    - 数字解调
    - UART
参考资源
- 项目页面
- StepFpga网站
- 电子森林百科
- 搜索电子森林
- www.bing.com国际版
  - 图片模式
- Github

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