Firma Digilent jest największym na świecie producentem zestawów startowych z układami FPGA i SoC firmy Xilinx. Firma stopniowo rozszerza swoją ofertę o rozwiązania przemysłowe, jak na przykład prezentowany w artykule komputer w formacie mechanicznym PC/104, wyposażony w rekonfigurowalny układ FPGA z rodziny Artix-7 firmy Xilinx.

Fot. 1. Wygląd zestawu USB104 A7 z dołączonym ekspanderem Pmod i kartą SYZYGY (Zmod)

Komputer Digilent USB104 A7 (fotografia 1) to uniwersalny, rekonfigurowalny system cyfrowy, który można stosować alternatywnie do klasycznych rozwiązań w formacie mechanicznym PC/104. Moduł USB104 A7 nie ma charakterystycznego systemu złącz z magistralą ISA, wyposażono go natomiast w złącze SYZYGY, które można wykorzystać do instalacji kart rozszerzeń funkcjonalnych, np. ZMOD ADC1410 (fotografia 2), ZMOD DAC1411 (fotografia 3) a także innych, zgodnych ze standardem SYZYGY.

Fot. 2. Wygląd karty rozszerzającej przetwornika ADC ZMOD ADC1410

Fot. 3. Wygląd karty rozszerzającej przetwornika DAC ZMOD DAC1411

Wyposażenie zestawu USB104 A7

„Sercem” systemu USB104 A7 jest układ FPGA z rodziny Artix-7 firmy Xilinx (XC7A100T-1CSG324I), który oferuje użytkownikom ponad 100 000 rekonfigurowalnych komórek logicznych, 240 rekonfigurowalnych bloków DSP, a także 8 transceiverów GTP o maksymalnej szybkości transmisji 6,6 Gb/s. Konfiguracja startowa układu FPGA jest przechowywana w pamięci Flash QSPI o pojemności 16 MB.

Zastosowany przez producenta układ FPGA, podobnie do pozostałych komponentów, jest przystosowany do pracy z przemysłowym zakresie temperatur (-40…+85^oC)

Do układu FPGA dołączono pamięć DDR3 o pojemności 512 MB z 16-bitową magistralą danych, o maksymalnej częstotliwości taktowania 800 MHz. Użytkownik ma do dyspozycji także dwa kanały USB, dołączane do zewnętrznego komputera za pomocą jednego interfejsu, a to dzięki zintegrowaniu na pokładzie zestawu USB104 A7 huba USB. Jeden z kanałów USB służy do konfiguracji i debugowania pracy FPGA, natomiast drugi jest wykorzystywany jako konwerter komunikacyjny DPTI (Digilent Parallel Transfer Interface) dla aplikacji użytkownika. Rolę lokalnego interfejsu użytkownika spełniają dwa przyciski chwilowe, a także 4 LED-y, dołączone bezpośrednio do wyprowadzeń FPGA.

Oprócz wspomnianego wcześniej złącza SYZYGY, komputer USB104 A7 wyposażono w trzy 12-stykowe złącza Pmod. Pozwalają one na dołączenie do układu FPGA różnorodnych ekspanderów z wyprowadzeniami zgodnymi ze standardem firmy Digilent.

W skład zestawu prezentowanego w artykule, poza komputerem z układem FPGA, wchodzą także zasilacz sieciowy, kabel USB i cztery tuleje montażowe.

Przykłady praktyczne

Producent przygotował dla użytkowników kilka przykładowych projektów dla FPGA, w tym również bazujące na „miękkim” mikroprocesorze Microblaze. Jeden z dostępnych przykładów dla środowiska Vivado Design Suite 2020.1 pokazano w postaci schematu blokowego na rysunku 4. Mikroprocesor Microblaze można oczywiście wykorzystać we własnych aplikacjach, odpowiednio modyfikując wykonywany przez niego program.

Rys. 4. Schemat blokowy przygotowanej przez firmę Digilent aplikacji demonstrującej użycie „miękkiego” mikroprocesora Microblaze w zestawie USB104 A7

Dostępne są bezpłatnie także kompletne projekty demonstracyjne dla Vivado, ilustrujące wykorzystanie we współpracy z zestawem USB104 A7 ekspandery ze złączami SYZYGY – ZmodADC (fotografia 5) i ZModDAC.

Fot. 5. Komputer USB104 A7 z dołączonym przetwornikiem ADC Zmod ADC1410 podczas weryfikacji przykładu demonstracyjnego przygotowanego przez firmę Digilent