【应用】国产海狮系列FPGA SL2E-5E用于扩展外设接口，集成flash，工作频率高达300MHz

2022-03-08 世强
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本文介绍的板卡主要功能是多串口设备通信采集板卡，通过串口采集的数据会送到加密模块进行加密处理。


1.  应用介绍

板卡部分功能框图如下所示。

   

图 1 板卡主要功能框图


该板卡采用处理器的2个SPI接口通过SPI转4 UART器件扩展了8个UART通信接口，分别接到8个串口设备。除此之外，处理器还需要和一个加密模块进行通信，加密模块采用的是local bus并行总线接口，而处理器本身并不具有并行总线，只能通过外部器件进行扩展。因为加密模块的通信速率只需要大概500Kbit，而处理器的SPI接口速率可以达到10Mbps，因此完全可以采用SPI接口来实现。因为现在几乎找不到带并行总线的转换芯片，即使有，也不一定能符合加密模块的时序要求，所以考虑采用FPGA来实现。这里选择了西安智多晶的SL2E-5E 5K系列的FPGA，它具有体积小，使用灵活的特点，不需要外接配置芯片，很适合这个应用。


本文介绍了SL2E-5E的设计和使用方法，供其他人作为设计参考。


2.    SL2E-5E介绍

SL2E-5E是西安智多晶海狮系列的FPGA。SL2E-5E主要性能特点如下：

●具有5040个逻辑单元

●集成108Kbit存储器

●支持1.2Gbps的MIPI接口

●支持 400Mbps DDR2 SDRAM 接口

●编程/区域擦除周期：最小 100,000 cycles


SL2E-5E的逻辑单元框图如下所示。

图 2 SL2E-5E逻辑单元框图

3.     SL2E-5E原理图设计

SL2E-5E原理图设计如下图所示。

图 3 SL2E-5E原理图


图中上方为SL2E-5E芯片电路图，其中上半部分的右侧为SPI接口，接处理器，左侧为并行local bus，接加密模块。左下角B2引脚为时钟输入，这里外接了25MHz的有源晶振，在FPGA内部可以直接用25MHz作为时钟，也可以通过内部PLL进行倍频后使用。


原理图下方分别为JTAG接口、3.3V电源滤波电容和1.2V内核电源电路。JTAG接口用来给FPGA下载程序。3.3V和1.2V需要每个引脚配置1颗1μF陶瓷电容作为去耦使用。1.2V内核电源根据厂家建议，需要提供最大1A电流，这里选用圣邦微的SGM6010把3.3V转换为1.2V给FPGA内核供电，最大可以输出3A电流。


 4.     SL2E-5E实物图

SL2E-5E的PCB实物图如下所示。

图 4 SL2E-5E PCB图

其中上方为JTAG接口，中间为SL2E-5E芯片，右边为3.3V转1.2V芯片，左边为25M有源晶振。PCB的设计主要的原则就是SL2E-5E相关器件尽量靠近，比如晶振，1.2V电源等。因为设计上没有用到高速信号，所以PCB的布线也不需要特殊处理。


5.     结论

西安智多晶的SL2E-5E是一款集成了5K逻辑单元的小规模FPGA，但是比CPLD容量更大，能实现更多的逻辑设计，同时该FPGA内部集成了Flash，不需要再外接配置用的Flash，简化了电路设计。此外选的FPGA型号为SL2E-5E-8N84I，芯片封装为QFN84，尺寸只有7mmx7mm，有效节约了PCB空间。这一设计是用SPI接口扩展一个并行接口，速率并不高，采用SL2E-5E完全可以满足要求。

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