“在本文中，我將向大家展示一個(gè)結(jié)合了樹(shù)莓派Pico (RP2040) 與 Cyclone 10 FPGA 的PCB設(shè)計(jì)項(xiàng)目。我將解釋項(xiàng)目中的一些設(shè)計(jì)決策，如何準(zhǔn)備生產(chǎn)所需的文件，以及如何在本次項(xiàng)目的贊助商NextPCB完成PCBA下單。此外，我們還將用 C 語(yǔ)言和 Verilog 硬件描述語(yǔ)言（HDL）開(kāi)發(fā)一些固件，來(lái)共同“點(diǎn)亮”這塊板子，并玩轉(zhuǎn)它的兩個(gè)核心：RP2040 和 FPGA。話不多說(shuō)，讓我們開(kāi)始吧！”

目錄

• 頂層硬件/軟件架構(gòu)
• RP2040+FPGA 硬件設(shè)計(jì)指南與文檔
• PCB布局、功能分區(qū)與引腳定義
• 在NextPCB + HQ-Online（華秋商城）下 PCBA 訂單
• 硬件上電（冒煙）測(cè)試與注意事項(xiàng)
• RP2040 GPIO測(cè)試 (LED閃爍)
• RP2040 ADC + PWM 示例
• Cyclone 10 FPGA IO 測(cè)試 (DIP開(kāi)關(guān) + LED)
• Cyclone 10 FPGA JTAG 編程
• Cyclone 10 FPGA QSPI Flash 配置測(cè)試
• 項(xiàng)目核心測(cè)試：RP2040 + FPGA (SPI通信)
• RP2040 + FPGA SPI 最高速度測(cè)試
• RP2040 OLED顯示示例
• 其他板載外設(shè)測(cè)試
• 總結(jié)

頂層硬件/軟件架構(gòu)

首先，這個(gè)項(xiàng)目背后的初衷是設(shè)計(jì)一塊集成 RP2040 微控制器和低成本 FPGA 的板卡，用于實(shí)驗(yàn)各種芯片間的數(shù)字通信方案，例如 SPI 總線和自定義 IO 總線（使用PIO）。

我們可以將系統(tǒng)設(shè)置成這樣：從 RP2040 的角度看，F(xiàn)PGA 是完全“透明”的，就像一個(gè)內(nèi)存映射 I/O（MMIO）的外設(shè)擴(kuò)展。反之，我們也可以在 FPGA 上實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟核處理器，并將RP2040配置為一個(gè)從設(shè)備。這種架構(gòu)非常靈活，擁有無(wú)限的應(yīng)用可能。

下圖展示了我們項(xiàng)目中要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)硬件/軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

RP2040 側(cè)

在 RP2040 這邊，我們會(huì)使用一個(gè)主 SPI 外設(shè)來(lái)處理與 FPGA 的底層通信。在固件（軟件棧）中，我們會(huì)實(shí)現(xiàn)某種形式的 MMIO 尋址、IO 讀寫(xiě)操作、解碼等。通過(guò)這種方式，我們可以將 MMIO 外設(shè)的尋址操作從固件的應(yīng)用層中抽象出來(lái)。

然后，我們可以為 FPGA 上實(shí)現(xiàn)的自定義硬件外設(shè)編寫(xiě)一些固件驅(qū)動(dòng)程序。這樣做同樣能將自定義外設(shè)的操作細(xì)節(jié)從應(yīng)用層的視角中抽象出來(lái)。

最終，使用 RP2040 微控制器自身的硬件定時(shí)器外設(shè)，和使用一個(gè)在 FPGA 上自定義設(shè)計(jì)的硬件定時(shí)器外設(shè)，體驗(yàn)將幾乎沒(méi)有差別。當(dāng)然，我們不會(huì)僅僅為了多幾個(gè)定時(shí)器就大費(fèi)周章，但你應(yīng)該能明白這個(gè)思路。

FPGA (Cyclone 10) 側(cè)

在 FPGA 這邊，我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)硬件從 SPI 外設(shè)來(lái)處理與 RP2040 的通信。然后，我們會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)傳遞給一個(gè)自定義的總線管理器，該管理器內(nèi)部應(yīng)包含某種狀態(tài)機(jī)，用于編解碼傳入/傳出的 SPI 數(shù)據(jù)。在這一步，串行的 SPI 數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為并行的總線數(shù)據(jù)/控制信號(hào)。

接著，我們會(huì)連接一個(gè) MMIO 控制器，它負(fù)責(zé)控制自定義外設(shè)的內(nèi)存 IO 操作，并標(biāo)準(zhǔn)化每個(gè)自定義外設(shè)的掛載方式。這使得系統(tǒng)更具擴(kuò)展性和可移植性。

同樣，這也只是系統(tǒng)工作方式的一個(gè)例子。它當(dāng)然也可以將 SPI 總線橋接到 AXI-4/AXI-Lite 總線，以便掛載軟核處理器或標(biāo)準(zhǔn)的硬件 IP 核，可能性還有很多。

RP2040-FPGA 芯片間連接

RP2040 微控制器和 Cyclone 10 FPGA 芯片之間有兩條總線連接：

1. SPI 總線 (4線)

   使用 SPI 總線，我們可以利用 RP2040 的硬件外設(shè)與 FPGA 進(jìn)行高速通信（最高可達(dá)62.5Mbps）。我們還可以通過(guò) RP2040 內(nèi)部的 DMA 單元實(shí)現(xiàn)批量數(shù)據(jù)傳輸，從而極大地減少 CPU 的干預(yù)。

2. 自定義IO總線 (4線)

   利用 RP2040 獨(dú)特的 PIO（可編程I/O），我們可以輕松實(shí)現(xiàn)任何自定義的數(shù)字通信協(xié)議，以達(dá)到非常高的數(shù)據(jù)傳輸速度。這為未來(lái)的無(wú)限可能性和實(shí)驗(yàn)敞開(kāi)了大門。

硬件設(shè)計(jì)指南與文檔

在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)，官方文檔和指南是我們最好的朋友。Intel/Altera提供了許多非常有用的文檔，我在設(shè)計(jì)這塊板子時(shí)都用到了，包括：

• Cyclone 10 LP 器件數(shù)據(jù)手冊(cè)
• Cyclone 10 LP 設(shè)計(jì)指南
• Cyclone 10 LP (10CL006) 引腳信息

RP2040 也是如此，樹(shù)莓派官網(wǎng)上有幾份很有幫助的文檔：

• RP2040 參考手冊(cè)
• RP2040 硬件設(shè)計(jì)指南
• 樹(shù)莓派 Pico 數(shù)據(jù)手冊(cè)

你也可以參考我之前關(guān)于 RP2040 的項(xiàng)目，它演示了如何圍繞 RP2040 微控制器設(shè)計(jì)自定義 PCB 板，我在這個(gè)項(xiàng)目中也完全沿用了那部分設(shè)計(jì)。

https://deepbluembedded.com/raspberry-pi-pico-rp2040-schematic-pcb-design-in-kicad/

PCB 布局、功能分區(qū)與引腳定義

這是板子在KiCAD 3D視圖中的頂層和底層布局。我特意將所有東西按邏輯分區(qū)，并保持其易用性。在 CAD 軟件里看起來(lái)很大的 PCB，現(xiàn)實(shí)中很容易變得笨拙難用。我盡力將用戶需要交互的元件放在易于觸及和操作的位置。

板子尺寸為：6cm x 9cm(它非常小，不像在CAD軟件里看起來(lái)那么大)

1. 直流電源輸入 + USB

板上有兩個(gè) USB-C 接口，一個(gè)用于電源輸入(+5V)和 RP2040 的 USB 通信（UF2燒錄程序時(shí)需要），另一個(gè) USB 口連接到一個(gè) USB 轉(zhuǎn) UART 橋接芯片，通往FPGA。

2. 電源 (穩(wěn)壓器)

板上有三個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)模擬電壓參考，它們分別是：

• +3V3 (FPGA+RP2040 Vcc)
• +1V2 (FPGA Core)
• +2V5 (FPGA Aux.)
• +3.3VA (REF3033)

3. RP2040 MCU電路 + QSPI FLASH

RP2040 微控制器需要 +3.3V 的 IOVdd 輸入電壓、內(nèi)部穩(wěn)壓器提供的 +1.1V 核心電壓、100nF 的去耦電容和一個(gè) 12MHz 的晶體振蕩器。

與市面上大多數(shù)微控制器不同，RP2040 沒(méi)有內(nèi)置閃存，因此需要一個(gè)外部 QSPI 閃存芯片。你可以選擇2MB、4MB、8MB或16MB的閃存。

在我的板子上，我使用了 RP2040 的 XIP（eXcute-In-Place）接口所允許的最大閃存容量：16MB(128Mbit)。

我還增加了一個(gè)RESET按鈕，以及用于UF2編程的BOOT按鈕。

4. Cyclone 10 LP (10CL006) FPGA電路

FPGA 芯片有很多 Bank 和特殊功能的 IO 引腳，需要按照 Intel/Altera 官方文檔中詳細(xì)說(shuō)明的方式進(jìn)行連接。

VCCIO、VCCA 和 VCCINT 引腳都按數(shù)據(jù)手冊(cè)建議連接。MSEL[2:0] =ASx1(Active Serial) 模式允許 FPGA 從一個(gè) SPI 串行閃存芯片加載配置比特流。我使用了一個(gè)64Mbit的QSPI閃存芯片。

我用作 FPGA 主時(shí)鐘源的 CMOS 振蕩器是一個(gè)50MHz的振蕩器。當(dāng)然，我們可以利用 FPGA 內(nèi)部的2個(gè)PLL單元來(lái)調(diào)整這個(gè)頻率（這款FPGA的PLL最高可達(dá)400MHz）。

5. RP2040 板載外設(shè)

連接到RP2040微控制器的板載外設(shè)有：

• 2個(gè)按鍵 (Reset, Boot)
• 1個(gè) LED (可用 PWM 控制)
• 1個(gè) OLED 0.96 英寸顯示屏
• 1個(gè)旋轉(zhuǎn)電位器
• 1個(gè)6軸 IMU 傳感器 (ICM-42670)

6. FPGA 板載外設(shè)

連接到Cyclone 10 LP FPGA的板載外設(shè)有：

• 8個(gè) DIP 開(kāi)關(guān)
• 8個(gè) LED
• 4個(gè)按鍵
• 1個(gè)模擬 RGB (PWM) LED
• 1個(gè) NeoPixel RGB (WS2812) LED
• 1個(gè) 64kBit I2C EEPROM芯片 (24C64)

7. IO端口

板上有4組排針端口：

• 2x (25x2) IO 排針: RP2040 = 15個(gè) IO, FPGA = 41個(gè)IO
• 1x FPGA JTAG 排針
• 1x RP2040 SWD 排針

RP2040+FPGA 板引腳定義圖

這是我們項(xiàng)目板卡的引腳定義圖。

在 @NextPCB 上下單

可以在網(wǎng)頁(yè)上下單，也可以使用 KiCad 的插件：

到貨了！

硬件上電（冒煙）測(cè)試與注意事項(xiàng)

首先，我需要手動(dòng)焊接/安裝一些直插元器件。

然后，我用顯微鏡和“Fine Needle”萬(wàn)用表探頭快速檢查，確保關(guān)鍵電源網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有短路，并檢查關(guān)鍵電源路徑（VCC, VCCINT, VCCA等）的導(dǎo)通性。

一切看起來(lái)都很完美。下一步，我從我的“限流”電源上給板子通電（+5V/50mA）。這樣做是為了以防萬(wàn)一，即使有問(wèn)題，也不會(huì)有足夠大的電流造成嚴(yán)重?fù)p壞。謝天謝地，它完美地工作了起來(lái)，只消耗了幾個(gè)毫安的電流。

以下是實(shí)際測(cè)量的電源電壓：

到這一步，我信心十足地插上了 USB 線，準(zhǔn)備開(kāi)始真正的測(cè)試工作！

RP2040 GPIO 測(cè)試 (LED閃爍)

這是第一個(gè)“RP2040測(cè)試”示例，我們將閃爍板載的 LED 燈。編譯固件并使用 UF2 引導(dǎo)加載程序?qū)⑵錈浀桨遄由稀?/span>

測(cè)試結(jié)果：LED成功閃爍！

RP2040 ADC + PWM 示例

接下來(lái)，我們測(cè)試 RP2040 的 ADC。通過(guò)讀取板載的模擬旋轉(zhuǎn)電位器的值，然后用它作為占空比控制信號(hào)，來(lái)調(diào)節(jié)板載 LED 的亮度。

測(cè)試結(jié)果：轉(zhuǎn)動(dòng)電位器，LED亮度平滑變化。

Cyclone 10 FPGA IO測(cè)試 (DIP開(kāi)關(guān) + LEDs)

這是第一個(gè)“FPGA測(cè)試”示例。我將 8 個(gè) DIP 開(kāi)關(guān)通過(guò) FPGA 內(nèi)部連接到 8 個(gè) LED，用開(kāi)關(guān)控制燈的狀態(tài)。同時(shí)，將 3 個(gè)按鍵連接到 RGB LED 的紅、綠、藍(lán)引腳。這是一個(gè)非?；A(chǔ)的測(cè)試，用來(lái)驗(yàn)證 FPGA 至少能正常工作，并能接收比特流文件來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的功能。

測(cè)試結(jié)果：開(kāi)關(guān)和按鍵都能正確控制對(duì)應(yīng)的LED。

Cyclone 10 FPGA JTAG 編程

為了將比特流加載到我的 Cyclone 10 FPGA 上，我嘗試了市面上常見(jiàn)的兩種 Altera USB Blaster。由于我使用的是最新版本的 Quartus Prime（精簡(jiǎn)版），所以 Waveshare USB Blaster v2 對(duì)我來(lái)說(shuō)比較好用。

不過(guò)，便宜的 USB Blaster 也能用，電腦也能檢測(cè)到，驅(qū)動(dòng)程序也能安裝，一切正常。但它在我這里沒(méi)有出現(xiàn)在 Quartus Prime 軟件中。也許它在舊版本的軟件包下能用。

Cyclone 10 FPGA QSPI Flash 配置測(cè)試

在之前的示例中，只要按下復(fù)位按鈕或斷電，F(xiàn)PGA的 配置（比特流）就會(huì)丟失。因此，我們需要測(cè)試 QSPI Flash 的配置功能。我將比特流準(zhǔn)備成JIC（JTAG間接配置）文件格式，然后通過(guò)JTAG連接將其燒錄到QSPI存儲(chǔ)器中。

這將使我們的FPGA設(shè)計(jì)永久存儲(chǔ)在QSPI閃存中，并在上電或按下復(fù)位按鈕后自動(dòng)加載。

測(cè)試結(jié)果：斷電重啟后，F(xiàn)PGA 成功加載了之前的配置，功能恢復(fù)正常。

項(xiàng)目核心測(cè)試：RP2040 + FPGA (SPI通信)

現(xiàn)在，我們來(lái)進(jìn)行真正的核心測(cè)試。在這個(gè)例子中，我們將實(shí)現(xiàn)：

• RP2040固件(C語(yǔ)言): RP2040 將使用 ADC 讀取模擬電位器的值，將其從12位縮放到8位，然后通過(guò) SPI 發(fā)送給 FPGA 芯片。
• Cyclone10 FPGA HDL(Verilog): 在 FPGA 上，我們將創(chuàng)建一個(gè)硬件 SPI 從機(jī)模塊和一個(gè) PWM 生成器。每當(dāng) SPI 從機(jī)設(shè)備接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，它就會(huì)被鎖存并加載到 PWM 的占空比控制寄存器中。PWM 的輸出將連接到板載 RGB 的藍(lán)色 LED。

因此，RP2040的電位器將控制 FPGA 的 PWM 輸出，進(jìn)而控制 RGB 上藍(lán)色 LED 的亮度。我們將 SPI 通信速度設(shè)置為1Mbps以確保一切正常，然后再逐步提高速度。

測(cè)試結(jié)果：完美實(shí)現(xiàn)！轉(zhuǎn)動(dòng)電位器，藍(lán)色LED的亮度隨之變化。

RP2040 + FPGA SPI 最高速度

在對(duì)系統(tǒng)在 1Mbps SPI 速度下的性能充滿信心后，我開(kāi)始逐漸提高 SPI 通信速度。當(dāng)速率達(dá)到 30Mbps 時(shí)，通信開(kāi)始出錯(cuò)，這是因?yàn)槲业?FPGA 使用的是板載的原始 50MHz 時(shí)鐘源。

因此，我啟用了 FPGA 內(nèi)部的一個(gè)PLL單元，將時(shí)鐘“泵”到 30Mbps，并將該時(shí)鐘提供給我所有的HDL模塊（尤其是SPI從機(jī)）。這樣做之后，我們就可以在62.5Mbps 的速率下輕松維持穩(wěn)定的 SPI 通信，這也是 RP2040 在 125MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的最高 SPI 速度。

這對(duì)我來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直太棒了！因?yàn)槲以诰W(wǎng)上看到很多關(guān)于 SPI 線路端接以及在速度超過(guò) 30MHz 時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的討論。而我沒(méi)有使用任何并行或串聯(lián)端接電阻，只是遵循了信號(hào)完整性的通用布線最佳實(shí)踐。

RP2040 OLED 顯示示例

在結(jié)束本項(xiàng)目之前，最后一個(gè)示例演示是板載 0.96 英寸 OLED RGB 顯示屏。以下是一段演示視頻，展示了一些存儲(chǔ)在 RP2040 上并在 OLED 屏幕上顯示的圖像。

額外的電路板外設(shè)測(cè)試

鑒于這是該硬件設(shè)計(jì) PCB 項(xiàng)目的首次迭代。目前，所有測(cè)試都按預(yù)期運(yùn)行，沒(méi)有任何問(wèn)題。這已經(jīng)是一個(gè)很大的成功了！

如果其他輔助外設(shè)也能正常工作，那將是額外的勝利。剩余未測(cè)試的外設(shè)包括：

• IMU (ICM-42670) – [RP2040]

• I2C EEPROM (24C64) – [FPGA]

• Neopixel RGB (WS2812) LED – [FPGA]

我沒(méi)有時(shí)間為上述部件開(kāi)發(fā)一些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但我相信它們也能正常工作。

總結(jié)

通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，我希望你覺(jué)得它對(duì)你有幫助、有啟發(fā)，或者至少覺(jué)得它很有趣。我有很多想用這塊板子做的實(shí)驗(yàn)，特別是微控制器和 FPGA 之間的數(shù)字通信。我將盡力記錄后續(xù)的工作，并希望能在我們的油管頻道上分享一些內(nèi)容，敬請(qǐng)關(guān)注。

如果你有任何問(wèn)題，或者希望我用這塊板子做一個(gè)特定的應(yīng)用，甚至是用不同的規(guī)格（FPGA、MCU、傳感器、外設(shè)等）創(chuàng)造一塊新板子，歡迎在評(píng)論中告訴我。我很樂(lè)意聽(tīng)聽(tīng)你的看法。

以下是油管的完整項(xiàng)目視頻鏈接：

https://youtu.be/bl_8qcS0tug

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本文轉(zhuǎn)載自：https://deepbluembedded.com/rp2040-cyclone-10-fpga-pcb-design-project/，經(jīng)過(guò)翻譯、校對(duì)