【项目分享】自制FPGA最小系统板（PCB可直接打板）

既然购买的价格那么昂贵，不妨自己DIY一块低成本的、能够满足入门要求的，适合用于自制的小项目的FPGA最小系统板。达尔闻特邀分享者来自西北大学的余昊、惠玉皎分享了他们第一块FPGA系统板设计。

针对自己的需求可以选择不同型号的FPGA，大家可以根据下图选择适合自己的FPGA型号。

我选择的FPGA是原ALTERA公司Cyclone ⅣE系列的EP4CE6E22C8N。选它有三个最直接的理由：

• 价格较低，一片仅需20元左右 

• TQFP封装形式，方便焊接 

• 共92个GPIO，数量刚好够用

在电子设计竞赛中常常使用FPGA与单片机配合完成赛题的要求。对于FPGA的初学者或需要使用FPGA做一些简单的小项目，这款器件是一个很好的选择。但是由于设计的是FPGA的最小系统板，大多数的外设硬件电路需要自己设计焊接，因此还需要用户有一定的硬件设计焊接基础。

以下是FPGA最小系统板的分解部分：

首先确定最小系统板的供电，设计两种供电方式：一种是通过板载的排针直接提供5V为FPGA供电，二是通过microUSB接口为板子供电。

然后该器件一共需要三种不同电压的电源：1.2V电源为逻辑器件供电，3.3V为IO接口供电，2.5V为PLL供电。这三种电源通过AMS1117系列的LDO产生。FPGA的电源部分如下图：

上图中，J1为microUSB接口，可以为板子提供5V的电源。0Ω电阻R1可以起到保险丝的作用，可以把R1替换成自恢复保险丝，如果板子发生意外短路事故可以保护板子。如果不希望设备从USB接口获取电源则不安装R1即可。2.5V、3.3V和1.2V电源分别通过三个AMS1117产生。右侧的电容阵列是用作电源的滤波。

✦ FPGA引脚与外设：

设计完电源部分后，就得考虑FPGA的引脚与外设该如何连接了。

时钟电路：FPGA最小系统板上最重要的就是系统的时钟源了。FPGA内部没有振荡电路，无法像单片机一样使用无源晶振作为振荡源，只能使用有源晶振，因此这里采用一个50MHz的有源晶振连接在FPGA的CLK1引脚上，电路如下。

JTAG接口：为了方便下载代码，需要留出一个JTAG接口用于通讯。

JTAG接口的几个数据引脚需要连接10kΩ的上拉、下拉电阻，没有这些电阻或连接错误会导致代码下载失败。

按键部分：在板子上一共留了3个按键，其中两个是用户自定义的按键，另一个是用于系统复位的复位按键。

LED部分：为了方便调试代码、指示运行状态等，设计了两个LED指示灯。

FLASH部分：由于FPGA内部没有非易失性的存储器，掉电无法保存代码和数据，因此需要有外置的FLASH用于存储代码和数据。

串口通信：为了方便最小系统板与电脑通信和调试，利用CH340g设计了一个USB转串口通信电路，可以通过microUSB接口与电脑进行串行通信。

由于IO101连接的是FPGA的nCEO引脚，在使用到该IO的时候，需要将nCEO设置为普通IO模式，否则在综合时会报错。

OLED：在项目制作中经常会使用到OLED，因此也预留了SPI协议的OLED接口。

GPIO：到这里原理图设计就差不多完成了，只需要把剩余的IO、电源口连接到外部的排针上就可以了。

✦ PCB与焊接：

PCB 3D效果图：

EP4CE6E22C8N是采用TQFP封装的，这很大程度上方便了PCB的设计和手工焊接，PCB采用2层板设计，尺寸仅6.7cm×5.5cm。板子正面安装有FPGA芯片、microUSB接口、JTAG接口、LDO、按键、LED、限流电阻、一些滤波电容等，背面安装有CH340、有源晶振、FLASH一些滤波电容和上下拉电阻。

排针可以采用加长的双排母，这样不仅方便将FPGA最小系统板插在PCB上，还方便利用板子正面的排针连接逻辑分析仪等仪器外设方便调试。

值得注意的是芯片底部的散热焊盘是芯片的第145个引脚，必须焊接到地。第一次焊这块板子的时候就嫌散热焊盘在底部不好焊，偷懒没有焊上，后来程序怎么都烧不进去，上网查了资料才发现散热焊盘是必须接地的。

一块告白女朋友，饱含理工男浪漫的开发板（板上丝印为两人姓氏缩写）

最小系统板全部物料成本约在30元/块（PCB是免费打样的）。虽然性能不是很强大，但相对于售价百元左右的最小系统板来说可以大大降低FPGA小项目的设计制作成本，非常适合新手用来做FPGA的训练项目。

接下来，我们会分享基于这块FPGA核心板实现的自制电子琴弹奏《我的祖国》等项目分享，敬请期待哦。

写在最后：作为初学者给大家分享了自己刚完成的FPGA最小系统板，希望对想入门FPGA的小伙伴有帮助。当然上文若有不妥之处，欢迎指正。欢迎加入达尔闻技术交流群，进群方式：添加妮姐微信（459888529），备注技术交流即可邀请入群。