2.3 元件选型

2.3 元件选型

本节将对 AZPR EvBoard 所使用的元件进行选型,并制作一览表。需要进行选型的有 FPGA、配置电路、USB 串口转换电路、晶体振荡器、复位电路、LED、按键开关、排线插座以及电源电路。

2.3.1 元件选型标准

元件的选型标准有如下两个条件。

  • FPGA 电路板选用贴片式元件,电源电路板选用插入式元件

    电子元件分为插入式和贴片式两种。插入式元件是指带引脚的元件。例如碳阻就属于这一类。将引脚弯曲后插入通孔,从反面用焊锡焊接进行安装。贴片式元件是指安装在电路板表面的元件。在电路板表面铜膜上使用焊锡焊接组装。

    FPGA 电路板基本上使用贴片元件。贴片式元件面积较小,因此可以安装更多元件。而使用贴片元件的缺点在于焊接难度比较高。由于我们选定的 FPGA 为贴片式,因此其他元件也都同样选用贴片式。

    贴片式电阻、电容根据尺寸不同存在多种封装,封装名使用 4 位数来表示。例如 2012 表示 2.0mm×1.2mm 的封装、1608 表示 1.6mm×0.8mm 的封装、1005 表示 1.0mm×0.5mm 的封装。我们设计的 AZPR EvBoard 主要使用 1608 或 2012 贴片元件。

    电源电路板使用单面板进行设计。由于仅在电路板的反面制作布线样式,在表面安装元件,从背面用烙铁焊接。因此选用插入式元件。

  • 可以在秋叶原店铺购买到

    我们尽量选择能够直接在秋叶原店铺里购买的元件。但是 FPGA 和配置 ROM 无法在秋叶原店铺购买到,所以选择了网购。

2.3.2 元件选型

下面详细介绍各个元件的选型。

  • FPGA 的选型

    VQG100 封装的 Spartan-3E 有 XC3S100E、XC3S250E、XC3S500E 这 3 种。型号数值越大,电路规模也就越大。

    为了决定 FPGA 的规模,我们先要估算 AZPR SoC 的电路规模。以 XC3S250E 作为目标 FPGA 进行逻辑综合后的结果如图 2-5 所示。结果显示所有资源的使用率(Utilization)都在 100% 以下,所以我们选用 XC3S250E。

    图 2-5 FPGA 使用率报告

    配置 ROM 则根据使用 FPGA 的规模,选用了 XCF02S。Spartan-3E 的规格书的第 77 页对此有详细说明。关于规格书的下载,我们将在 2.4 节中说明。XC3S250E 外观如照片 2-2 所示。

    照片 2-2 XC3S250E

  • 配置电路、USB 接口电路的选型

    虽然赛灵思公司公开了 Spartan-3E 系列 FPGA 用的并口电路,但是近年搭载并口的计算机非常稀少。

    因此我们使用了可以通过 USB 连接配置的 IC。使用的 IC 为 FTDI 公司生产的 FT2232D 或者 FT2232L(以下为 FT2232)。该芯片内部包含两个串口接口,其中一个可以作为配置用的 JTAG 使用。在 AZPR EvBoard 上,将 A 通道作为 JTAG、将 B 通道作 为 UART 使用。

    另外,使用了 FT2232 的配置电路无法使用赛灵思公司的 iMPACT 工具进行配置。使用 iMPACT 进行配置时需要专用的下载线。但是专用下载线的价格从 1 万到数万日元不等,会增加我们的成本。因此我们设计的 AZPR EvBoard,如果将 USB 配置电路关闭,也可以使用下载线进行连接。FT2232D 的外观如照片 2-3 所示。

    照片 2-3 FT2232D

  • 时钟、复位 IC 的选型

    时钟我们使用京瓷公司生产的 KC7050B,振荡频率为 10MHz。

    复位 IC 选用 Renesas 公司生产的 M51957 或者 RNA51957BFP。这些 IC 通过连接外部按键,可以作为复位开关使用,还具有当电压值降低到一定值以下时自动复位的电压监视功能。

    KC7050B 的外观如照片 2-4 所示,M51957 的外观如照片 2-5 所示。

    照片 2-4 KC7050B

    照片 2-5 M51957

  • 按键和 LED 的选型

    我们要安装 4 个按键开关。按键开关一般使用插入式元件,但是 AZPR EvBoard 使用贴片式按键开关。另外我们还安装了开关的去抖电路。我们将在 2.4.3 节详细说明开关的抖动问题。按键开关的外观如照片 2-6 所示。

    照片 2-6 按键开关

    关于 LED,我们要安装七段数码管和独立的 LED 灯。七段数码管也以带有引脚、在电路板反面用烙铁焊接的类型为主流,但是在 AZPR EvBoard 上我们使用贴片类型产品。由于电路板面积以及 FPGA 的 I/O 引脚数有限,我们只安装两个七段数码管。贴片类型的七段数码管的外观如照片 2-7 所示。另外再安装两个独立 LED。同样也是使用贴片类型。贴片类型 LED 的外观如照片 2-8 所示。

    照片 2-7 LF-301VA

    照片 2-8 贴片 LED

  • 电源电路的选型

    电源电路使用线性变压器。线性变压器是指可以将高电压转换为低电压的元件。在 AZPR EvBoard 上,通过 AC 适配器输入 5V 电压,然后再通过线性变压器产生 1.2V、2.5V、3.3V 电压。

    在对线性变压器选型之前,首先需要预估各个电压所需要的电流大小。我们使用赛灵思公司提供的 XPower Estimator(XPE) 对功耗进行估算。XPower Estimator 可以通过下面的链接获得。

    XPower Estimator

    http://japan.xilinx.com/products/technology/power.htm

    XPower Estimator 可以在逻辑综合时通过读取 Map Report 来估算功耗。Map Report 是在 ISE 逻辑综合时,以 MRP 形式输出的。AZPR SoC 的功耗报告如图 2-6 所示。通过图 2-6 可以知道各个电压只需提供 500mA 左右的电流便足够了。考虑到外围电路的能耗,请选用输出电流为 1A 以上的 AC 适配器。

    图 2-6 AZPR SoC 功耗报告

    通过估算功耗,我们选用 LM317 作为线性变压器。市面上有多个厂家制造的 LM317,AZPR EvBoard 选用了 ST Micro Electronics 公司制造的产品。只要引脚排列一致,选用任何一家的产品均可。LM317 的外观如照片 2-9 所示。

    照片 2-9 LM317

  • 排线插座的选型

    为了连接余下的用户 I/O,我们使用符合 VPort 规格的双排 10 针排线插座。VPort 是 VPort Lab 所提倡的单片机接口规格,其中包含标准化的 10 针排线插座引脚排列。排线插座的外观如照片 2-10 所示。

    照片 2-10 排线插座

    至此,主要元件的选型就结束了。选定的元件一览如表 2-3 所示。其中也标注了 IC 必要的外设电阻、电容的大小,我们将会在 2.4 节进行详细说明。

    表 2-3 元件一览表

    电路板 分类 元件 型号(值) 数量
    FPGA 电路板 FPGA FPGA Spartan-3E
    XC3S250E-VQG100
    1
    电容
    ( 单面电路板 :插入式零件 :
    双面电路板 :贴片式零件 )
    0.1[μF] 16
    配置电路 配置 ROM XCF02S 1
    缓冲 IC 74VHC125 或 74VHCV125 1
    贴片电阻 4.7[kΩ] 3
    330[Ω] 1
    100[Ω] 3
    贴片电容 0.1[μF] 1
    贴片 LED 绿 1
    USB- 串口转换电路 USB- 串口转换芯片 FT2232D 或 FT2232L 1
    EEPROM(可选) 93C46 1
    USB 接头 UX60A-MB-5ST 1
    晶体振荡器 6[MHz] 1
    磁珠 1.5[A] 1
    贴片电阻 33[Ω] 2
    470[Ω] 1
    1.5[kΩ] 1
    2.2[kΩ] 1
    10[kΩ] 1
    贴片电容 33[pF] 2
    0.01[μF] 1
    0.033[μF] 1
    0.1[μF] 2
    时钟电路 晶体振荡器 10[MHz] 1
    贴片电阻 100[Ω] 1
    复位电路 复位芯片 M51957B 或 RNA51957BFP 1
    按钮 LS6J2M-T 或 PTS525SM 或 SKQGAB 1
    贴片电阻 1[kΩ] 1
    7.5[kΩ] 1
    10[kΩ] 1
    贴片电容 1[μF] 1
    LED 贴片 LED 2
    贴片电阻 330[Ω] 2
    七段数码管 七段数码管 LF-301VA 2
    贴片电阻 150[Ω] 16
    开关 按钮 LS6J2M-T 或 PTS525SM 或 SKQGAB 4
    IC 74VHC14 或 74AC14 或 74HC14 1
    贴片电阻 100[Ω] 4
    2.2[kΩ] 6
    贴片电容 0.1[μF] 1
    1[μF] 4
    VPort 兼容接口 排线插座 5 针脚 ×2 列 2
    与电源板的连接 针形插座 5 针脚 ×2 列 1
    电源电路板 电源电路 线性变压器 LM317 3
    插入式电阻 240[Ω] 5
    330[Ω] 2
    插入式 LED 绿 1
    插入式陶瓷电容 0.1[μF] 4
    插入式电解电容 100[μF] 4
    电源接头 内径 2.1[mm] 1
    电源开关 拨动开关 1
    其他 AC 适配器 5[V] 1[A] 以上 1
    USB 线 A 公头、迷你 B 公头 1
    电路板支脚 MPS-08 2

※ 贴片元件封装为 1608 或 2012。

2.3.3 元件的选购

下面就元件的选购方法进行说明。我们选定的外围元件,都可以在秋叶原的店铺内购得。在此介绍几个秋叶原有代表性的电子元件店铺。

而 FPGA 和配置 ROM,需要在网上购买。关于出售电子元件的网站以及网购方法,下面也会详细介绍。

  • 秋叶原元件店铺

    在秋叶原有很多家元件店铺,但不同店铺擅长的电子部品系列却不相同。具有代表性的店铺位置如 图 2-7 所示。

    图 2-7 秋叶原元件店铺地图

    • ①秋月电子通商

      秋月电子通商经营的贴片式元件较多。例如 USB- 串口转换芯片 FT2232 和复位芯片 M51957B 都可以在此购得。另外,虽然该店不能制作 AZPR EvBoard 电路板,但是这里的原创套件非常丰富。

    • ②千石电商

      千石电商主要经营电阻、电容芯片等各种无源器件。另外工具产品也很多。

    • ③若松通商

      若松通商是经营 PC 元件等部件的综合性元件商。电子元件产品主要在三楼,从套件到各种通用逻辑 IC 都有销售,该店的经营范围很广。

    • ④⑤ MARUTSU

      和千石电商一样,在该店也可以买到很多无源器件。另外该店也经营贴片元件。

    • ⑥ Radio Center、⑦ Radio Depart

      Radio Center 和 Radio Depart 都是在一座建筑内集中了多家元件店铺,各家店铺分别结账。各个店铺分别经营特定系列的商品,这里有一些比较难以买到的接头等产品。

  • 网上元件店铺

    下面介绍两家在网络上销售电子元件的企业。

    • Digi-Key

      Digi-Key 是一家位于美国的网络电子元件销售企业,有大量库存和丰富的品种。Digi-Key 的 URL 为:

      Digi-Key

      http://www.digikey.jp/

      Digi-Key 直接从美国向日本销售商品,因此属于出口,所以需要填写购买方的经营内容、用途、目的等信息。在购买过程中会出现要求填写出口相关信息的画面,如图 2-8 所示。笔者在这里的经营内容填写“个人 / 个人使用”,用途填写“教育相关”、使用目的填写“制作基于 FPGA 的教学电路板”。请注意使用目的需要填写得详细一些。如果此处填写比较含糊,Digi-Key 的客服会发来邮件进行确认,也许会导致发货延迟。

      图 2-8 出口相关信息填写画面

      另外在 Digi-Key 购买商品满 7500 日元(约 450 元)免运费。通常运费需要 2000 日元(约 120 元),因此将需要的元件集中起来、一次性购买 7500 日元以上比较划算。还有,订单总额在 10000 日元(约 600 元)以下时,不需要付 5% 的消费税。

    • RS-Online

      RS-Online 是一家英国企业,但在日本有库房,基本上订单可以翌日到货。而且不需要填写出口信息。购买 8000 日元(约 500 元)以下商品时,运费为 460 日元(约 28 元)。购买满 8000 日元免运费。消费税一律按 5% 计算。网站 URL 如下所示。

      RS-Online

      http://jp.rs-online.com/web/

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