FPGA原型設(shè)計(jì):加快電子元件的PCB設(shè)計(jì)周期
通過使用 FPGA 原型板,您可以在提交最終硬件之前測(cè)試和驗(yàn)證電子元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種方法不僅可以減少錯(cuò)誤,還可以顯著縮短開發(fā)時(shí)間。在這篇博客中,我們將深入探討基于 FPGA 的系統(tǒng)原型驗(yàn)證如何改變 PCB 設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證、增強(qiáng)電子元件測(cè)試并支持快速原型 FPGA 工作流程。讓我們探索一下幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)流程的實(shí)際優(yōu)勢(shì)、工具和技術(shù)。
FPGA 原型設(shè)計(jì)涉及在制造最終 PCB 或 ASIC 之前使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 來仿真和測(cè)試硬件設(shè)計(jì)。與軟件仿真不同,軟件仿真可能會(huì)遺漏實(shí)際問題,F(xiàn)PGA 原型板允許您在與最終產(chǎn)品非常相似的硬件環(huán)境中運(yùn)行設(shè)計(jì)。這意味著您可以在周期的早期捕獲功能錯(cuò)誤、測(cè)試 timing constraints 并驗(yàn)證系統(tǒng)性能。
為什么這對(duì)電氣工程師很重要?根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù),近 50% 的 PCB 重新設(shè)計(jì)是由于功能邏輯錯(cuò)誤造成的,而這些功能錯(cuò)誤本可以更早地被發(fā)現(xiàn)。通過將基于 FPGA 的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)集成到您的工作流程中,您可以實(shí)現(xiàn)接近 70-80% 的一次成功率,從而節(jié)省數(shù)周甚至數(shù)月的重新設(shè)計(jì)時(shí)間。此外,它還允許并行開發(fā)硬件和軟件,從而加快上市時(shí)間。
在傳統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)中,工程師通常依靠物理原型的多次迭代來測(cè)試和改進(jìn)他們的電路。由于制造和裝配延遲,每次迭代可能需要數(shù)周時(shí)間。通過使用 FPGA 的 PCB 設(shè)計(jì)原型,您可以通過在硬件上以數(shù)字方式測(cè)試您的設(shè)計(jì)來繞過大部分延遲,這些硬件可以在幾小時(shí)而不是幾天內(nèi)重新配置。
例如,考慮一個(gè)目標(biāo)信號(hào)速率為 2.5 Gbps 的高速通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。使用 FPGA,您可以仿真 PCB 布局的關(guān)鍵路徑,測(cè)試信號(hào)完整性,并調(diào)整阻抗不匹配(例如,差分對(duì)的目標(biāo)是 50 歐姆),而無(wú)需焊接單個(gè)元件。Xilinx Vivado 或 Intel Quartus 等工具可讓您將設(shè)計(jì)映射到 FPGA,運(yùn)行實(shí)時(shí)測(cè)試并快速迭代。
這種快速原型 FPGA 方法還支持早期軟件集成。固件開發(fā)人員可以開始對(duì) FPGA 原型進(jìn)行編碼和測(cè)試,同時(shí)硬件團(tuán)隊(duì)完成 PCB 布局。對(duì)于復(fù)雜項(xiàng)目,這種并行工作流可以將總開發(fā)時(shí)間縮短 30-40%。
在電子元件測(cè)試方面,F(xiàn)PGA 原型驗(yàn)證提供了無(wú)與倫比的靈活性。以下是為電氣工程師量身定制的一些主要優(yōu)勢(shì):
實(shí)際驗(yàn)證:FPGA 允許您在模擬最終系統(tǒng)的條件下測(cè)試組件。例如,您可以仿真電源 IC 對(duì) 1A/us 負(fù)載瞬變的響應(yīng),并驗(yàn)證穩(wěn)定性,而不會(huì)損壞物理硬件。
可重構(gòu)性:與固定原型不同,F(xiàn)PGA 原型板可以重新編程以測(cè)試不同的配置。需要在設(shè)計(jì)中將 12 位 ADC 換成 16 位 ADC?只需更新 FPGA 固件即可模擬更改。
成本效益:為每次設(shè)計(jì)迭代構(gòu)建物理 PCB 原型可能花費(fèi)數(shù)千美元。FPGA prototyping 通過限制所需的物理修訂數(shù)量來減少這筆費(fèi)用。
時(shí)序分析:FPGA 允許您測(cè)量關(guān)鍵時(shí)序參數(shù),例如建立和保持時(shí)間(例如,確保 100 MHz 時(shí)鐘有 2 ns 的裕量),以防止最終 PCB 出現(xiàn)問題。
并非所有 FPGA 板都是一樣的,為基于 FPGA 的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)選擇合適的板取決于您的項(xiàng)目要求。以下是需要考慮的事項(xiàng):
邏輯容量:確保 FPGA 具有足夠的 logic elements (LEs) 或 configurable logic blocks (CLB) 來支持您的設(shè)計(jì)。對(duì)于中端 SoC 設(shè)計(jì),具有 100,000 個(gè) LE 的電路板(如 Xilinx Spartan-7 系列)可能就足夠了。
I/O 功能:檢查 I/O 引腳的數(shù)量和類型。如果您的 PCB 設(shè)計(jì)涉及 PCIe 等高速接口(高達(dá) 5 Gbps),則需要一塊帶有支持這些速度的收發(fā)器的電路板。
連接:尋找具有 USB、以太網(wǎng)或 JTAG 接口的電路板,以便在 PCB 設(shè)計(jì)原型設(shè)計(jì)期間輕松進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸。
軟件支持:確保與您已經(jīng)使用的設(shè)計(jì)工具兼容,例如用于 Xilinx FPGA 的 Vivado 或用于 Intel 器件的 Quartus。
流行的選項(xiàng)包括 Digilent Nexys A7(Xilinx Artix-7 FPGA,~50,000 個(gè) LE,非常適合中小型項(xiàng)目)和 Terasic DE10-Nano(Intel Cyclone V,帶有用于嵌入式系統(tǒng)的 ARM Cortex-A9)。對(duì)于更大的設(shè)計(jì),可以考慮高端電路板,如 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC,它支持?jǐn)?shù)千兆位收發(fā)器和超過 500,000 個(gè) LE。
準(zhǔn)備好將快速原型 FPGA 集成到您的工作流程中了嗎?請(qǐng)按照以下步驟簡(jiǎn)化您的 PCB 設(shè)計(jì)周期:
首先概述PCB的關(guān)鍵規(guī)格,例如時(shí)鐘速度(例如,125 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘)、數(shù)據(jù)速率和功率限制(例如,3.3V邏輯電平)。這可確保您的 FPGA 原型與最終硬件目標(biāo)保持一致。
根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),選擇與您的設(shè)計(jì)復(fù)雜性相匹配的電路板。對(duì)于混合信號(hào)項(xiàng)目,請(qǐng)確保電路板支持模擬接口或具有用于外部 ADC/DAC 的分線引腳。
使用 VHDL 或 Verilog 等 HDL(硬件描述語(yǔ)言)來描述您的電路。然后,使用 Xilinx Vivado 等工具在 FPGA 上綜合和實(shí)現(xiàn)它。注意 timing reports,以確保 critical paths 滿足 design的約束條件(例如,在 10 ns 周期內(nèi)沒有違規(guī))。
通過將真實(shí)或仿真組件連接到 FPGA 板來運(yùn)行電子元件測(cè)試。例如,將傳感器與 4-20 mA 輸出連接,以在 PCB 制造之前驗(yàn)證信號(hào)調(diào)節(jié)邏輯。
使用內(nèi)置調(diào)試工具(如邏輯分析儀或 JTAG 接口)實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)。如果出現(xiàn)時(shí)序問題(例如,數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn) 1 ns 的偏移),請(qǐng)?jiān)谲浖姓{(diào)整您的設(shè)計(jì)并重新上傳到 FPGA——無(wú)需焊接。
驗(yàn)證后,使用 FPGA 原型驗(yàn)證的見解來最終確定您的 PCB 布局。降低的錯(cuò)誤率意味著更少的重新旋轉(zhuǎn)和更順暢的生產(chǎn)路徑。
雖然基于 FPGA 的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)提供了許多好處,但它并非沒有挑戰(zhàn)。以下是常見的障礙和實(shí)用的解決方案:
設(shè)計(jì)映射復(fù)雜性:由于架構(gòu)的差異,將 PCB 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為 FPGA 可能很棘手。如果需要,使用分區(qū)工具將大型設(shè)計(jì)拆分到多個(gè) FPGA,并利用供應(yīng)商提供的庫(kù)來處理通用 IP 模塊。
時(shí)序差異:由于 routing delay 的差異(例如,F(xiàn)PGA 內(nèi)部延遲為 0.5 ns,PCB 走線延遲為 1 ns),F(xiàn)PGA timing 可能無(wú)法與最終 PCB 完美匹配。通過在仿真期間添加時(shí)序裕量并使用示波器測(cè)量驗(yàn)證關(guān)鍵路徑來緩解這種情況。
資源限制:如果您的 design 超出了 FPGA的容量,請(qǐng)考慮將非關(guān)鍵功能卸載到外部硬件或升級(jí)到更高容量的板。
FPGA 原型驗(yàn)證廣泛用于各行各業(yè)的 PCB 設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證。以下是一些示例:
汽車系統(tǒng):工程師使用 FPGA 對(duì) ADAS(高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng))控制器進(jìn)行原型設(shè)計(jì),在 PCB 生產(chǎn)之前以 100 Hz 刷新率測(cè)試傳感器融合算法。
電信:高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)(例如 10 Gbps 以太網(wǎng))在 FPGA 板上經(jīng)過驗(yàn)證,以確保信號(hào)完整性和抖動(dòng)性能(例如,將抖動(dòng)保持在 10 ps RMS 以下)。
消費(fèi)電子產(chǎn)品:FPGA 原型設(shè)計(jì)可加速 IoT 設(shè)備的設(shè)計(jì),允許快速測(cè)試低功耗模式(例如 1 mW 待機(jī)功率)和無(wú)線協(xié)議。
快速原型 FPGA 領(lǐng)域正在迅速發(fā)展。最近的文章強(qiáng)調(diào)了模塊化 FPGA 平臺(tái)的增長(zhǎng)趨勢(shì),這些平臺(tái)支持大規(guī)模 SoC 設(shè)計(jì)的多 FPGA 設(shè)置。此外,EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具的進(jìn)步使將具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)門的復(fù)雜設(shè)計(jì)映射到 FPGA 變得更加容易,只需最少的人工干預(yù)。
另一個(gè)令人興奮的發(fā)展是將 AI 驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化集成到 FPGA 工具中。這些算法可以在原型設(shè)計(jì)期間自動(dòng)調(diào)整 timing constraints 或功耗(例如,通過 clock gate 將動(dòng)態(tài)功耗降低 15%),從而進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)周期。
對(duì)于電氣工程師來說,F(xiàn)PGA 原型驗(yàn)證不僅僅是一種工具,它還改變了游戲規(guī)則,改變了我們進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)原型驗(yàn)證和電子元件測(cè)試的方式。通過在工作流程中采用 FPGA 原型板,您可以通過快速原型 FPGA 技術(shù)實(shí)現(xiàn)更快的迭代、更低的成本和更高的設(shè)計(jì)精度。無(wú)論您是在簡(jiǎn)單的微控制器板還是復(fù)雜的 SoC 上工作,基于 FPGA 的系統(tǒng)原型驗(yàn)證都使您能夠自信地測(cè)試、驗(yàn)證和改進(jìn)。
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