Placa Aceleradora Spartan Edge

A Spartan Edge Accelerator Board (abreviada como SEA Board) é uma placa de desenvolvimento FPGA leve, baseada no chip Xilinx Spartan-7 e que segue o fator de forma de shield Arduino. Assim, você pode usá-la como um shield Arduino para controlar um LCD e uma câmera ou como uma placa de desenvolvimento FPGA independente. Além disso, com a ajuda do chip ESP32 integrado, a placa SEA também adiciona funções de WiFi e Bluetooth ao seu Arduino.

Spartan-7 é o chip FPGA mais novo e mais econômico entre a família de FPGAs da Xilinx, oferecendo a melhor relação desempenho por watt da categoria.

Além disso, fornecemos APIs FPGA completas para Arduino, o que significa que usuários de Arduino podem usar as funções de FPGA sem saber nada sobre FPGA. Esta placa ampliará a capacidade do Arduino de várias maneiras, como processamento simples de imagens e aplicações de visão computacional, criptografia e descriptografia de sinais, e amostragem e processamento de sinais.

Recursos

Processamento de imagem em alta velocidade

• Interface mipi e mini HDMI integradas
• Suporta câmera Raspberry Pi v1.0 (OV5640)
• Suporte máximo para transmissão de imagem a 30fps

Internet das Coisas criptografada

• WiFi e Bluetooth para IoT com ESP32
• Suporta AWS, Azure e outros serviços em nuvem
• Suporta algoritmo de criptografia por software

Múltiplas extensões de portas de E/S

• 20 portas de E/S estendidas definidas pelo usuário (modo independente)
• 10 portas de E/S estendidas definidas pelo usuário (modo shield Arduino)
• APIs FPGA completas para Arduino

Módulos funcionais integrados

• ADC e DAC de 8 bits
• Acelerômetro e giroscópio de 6 eixos
• 2 LEDs RGB de usuário e botões

Dois modos de desenvolvimento personalizados

• Modo Shield Arduino
• Modo FPGA Independente

Observação: Os usuários podem escolher diferentes conectores de pinos de acordo com suas necessidades e soldar os pinos conforme as necessidades de desenvolvimento.

Usuários-alvo

• Desenvolvedores Arduino
• Desenvolvedores de IoT
• Desenvolvedores de FPGA

Casos de aplicação

• Engenharia Vivado com entrada de câmera MIPI e saída HDMI
• Caso de referência com LED onboard, DIP switch, ADC e DAC
• Caso com giroscópio onboard
• Fornece expansão GPIO/UART/ADC/DAC/RGB-LED para Arduino
• Caso de gerador de sinal (requer configuração do Arduino)
• Caso de gerador de sinal controlado por ESP32
• Uso do caso com a plataforma IoT AWS GreenGrass
• Caso de reconhecimento de cores e rastreamento de objetos
• Caso de reconhecimento gráfico (reconhecimento de triângulo, círculo e quadrado)
• Caso de reconhecimento de caracteres digitais
• Implementação do algoritmo de criptografia e descriptografia AES em FPGA
• Implementação do algoritmo PID em FPGA

Novas aplicações serão atualizadas.............

Para mais recursos de casos, visite esta página no Github.

Especificações

Parâmetro	Valor
FPGA
Chip FPGA	Spartan-7 XC7S15
Células lógicas	12,800
Slices	2000
Flip-Flops de CLB	16000
RAM distribuída máx. (Kb)	150
Block RAM/FIFO c/ ECC (36 kb cada)	10
RAM distribuída máx. (Kb)	150
RAM de bloco total (Kb)	360
RAM distribuída máx. (Kb)	150
Blocos de gerenciamento de clock (1 MMCM + 1 PLL)	2
Slices DSP	20
Wireless
Chip wireless	Espressif ESP32-D0WDQ6
WiFi	802.11 b/g/n 2.4GHz
Bluetooth	Bluetooth 4.1 com BLE
Periférico
Vídeo	Mini HDMI x1
Câmera	Interface CSI/MIPI x1 (compatível com Raspberry Pi Camera V1 - OV5640)
Cartão SD	20
Slices DSP	Slot para cartão Micro SD/TF x1
FPGA GPIO	Conector de 10 pinos (IO9~IO0)
Arduino GPIO	Conector de 32 pinos (fator de forma Arduino)
Grove	Conector Grove x2 (I2C/D2)
LED	LED monocromático x2 LED RGB x2
Botão	Boot x1 Reset x1 FPGA Reset x1 Usuário x2
Switch	Chave de modo de alimentação x1 DIP Switch de 5 canais x1
Alimentação
Tensão de operação	5V
Tensão de IO	5V
Modo de alimentação	USB Tipo C 5V VIN 8~17V Arduino Micro USB 5V
Outros
ADC	ADC1173 de 8 bits
Acelerômetro e giroscópio	LSM6DS3TR de 6 eixos

cuidado

A tensão de IO do shield SEA é 5V, e a tensão de IO do FPGA é 3,3V, então fizemos um divisor de tensão para tornar a tensão dos IOs compatível. A tensão de IO de 3,3V da série SAM D21 será menor que 3,3V após a divisão de tensão, o que não é suficiente para acionar o IO do FPGA. Portanto, no momento, a placa de desenvolvimento SEA só oferece suporte a placas Arduino com IO de 5V, como Arduino UNO e Seeeduino V4.2.

Visão geral de hardware

Número	Detalhe
1	FPGA : XC7S15-1FTGB196C
2	WiFi/Bluetooth : ESP32-D0WDQ6
3	Acelerômetro e giroscópio de 6 eixos : LSM6DS3TR
4	DAC : DAC7311IDCKR
5	Buck-DCDC : TPS62130
6	USB-para-UART : CP2102-GMR
7	USB : Tipo-C
8	Mini HDMI
9	Interface CSI ：Câmera MIPI (compatível com Raspberry Pi Camera V1 - OV5640)
10	Cabeçalho Arduino : Compatível com Arduino UNO
11	DIP Switchs : K1-K4 switches de usuário K5 Alterna modo de programação do FPGA ->>>> JTAG : Usando a ferramenta oficial de programação da Xilinx ->>>> Slave : Usando o ESP32 para programar o FPGA
12	Botão do ESP32 ：Boot e RST
13	Botão do FPGA ：USER1 USER2 FPGA_RST
14	LED de usuário: L1/L2/RGB1/RGB2 PWR : Alimentação ligada FPGA_DONE : Acende após programar o FPGA com o esp32.
15	Interruptor de alimentação : USB->Alimentado por USB Tipo C (5V DC) 5V->Alimentado pelo pino VIN (8~17V DC)
16	Modo de alimentação: OFF->Isola a alimentação do Arduino e do Shield ON->Conecta a alimentação do Arduino e do Shield
17	Cabeçalho de saída do DAC e entrada do ADC
18	FPGA IO : IO9~IO0
19	Interface de download JTAG do FPGA
20	Conector Grove : 1x I2C; 1x D2&D3
21	Antena de chip cerâmica
22	ADC : ADC1173
23	SPI Flash : W25Q32JVZPIG
24	Switch analógico ：DG2788A
25	LDO : XC6221B102MR
26	LDO : RT9013-18GB
27	LDO : CJ1117-3V3
28	Slot para cartão SD : Cartão Micro SD/TF

Primeiros Passos

A Spartan Edge Accelerator Board pode funcionar em dois modos:

• Modo Shield Arduino
• Modo Independente

Em resumo, ela pode funcionar como um shield Arduino para trazer recursos de FPGA e Wireless ao Arduino, e também pode funcionar como uma placa de desenvolvimento FPGA sem um Arduino.

Modo de shield Arduino

Neste wiki, usamos o Seeeduino V4.2; você também pode usar o Arduino UNO, eles são totalmente compatíveis entre si.

Hardware

Materiais necessários

• Seeeduino V4.2 x1
• Spartan Edge Accelerator Board x1
• Cartão Micro SD ou cartão TF x1
• Cabo de dados USB Type C x1

Conexão de hardware

• Etapa 1. Insira o cartão Micro SD ou cartão TF no slot de cartão SD
• Etapa 2. Conecte a SEA Board ao Arduino
• Etapa 3. Use um dos três métodos a seguir para alimentar o sistema

Porta de alimentação	Tensão de entrada	Posição do interruptor de alimentação	Posição do modo de alimentação
Alimentado pela porta USB Type C da SEA board	5V CC	USB	ON
Alimentado pela porta micro USB do Seeeduino V4.2	5V CC	-	ON
Alimentado pela porta CC do Seeeduino V4.2	8~17V CC	5V	ON

cuidado

Você também pode alimentar a SEA board e o Arduino ao mesmo tempo, mas certifique-se de que você definiu a posição do modo de alimentação como OFF. Só então a alimentação do sistema será isolada e você poderá alimentar o Arduino e a SEA board separadamente.

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Inicialização do ESP32 da Spartan Edge Accelerator Board

Primeiro, para trabalhar com Arduino, devemos carregar o bitstream (Lógica FPGA) do cartão SD para o FPGA (xc7s15) on‑board. A biblioteca a seguir mostrará como fazer isso via ESP32 on‑board.

uma biblioteca para Spartan Edge Accelerator Board

O objetivo desta biblioteca é carregar o bitstream (Lógica FPGA) do cartão SD para o FPGA (xc7s15) on‑board pelo ESP32 on‑board.

O ambiente de desenvolvimento de software é o Arduino IDE com suporte a placas ESP32.

Desde a versão 1.6.4, o Arduino permite a instalação de pacotes de plataforma de terceiros usando o Boards Manager. Temos pacotes disponíveis para Windows, Mac OS e Linux (32 e 64 bits).

• Instale a versão atual do Arduino IDE upstream no nível 1.8 ou posterior. A versão atual está no site do Arduino.
• Inicie o Arduino e abra a janela de Preferences.
• Insira https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json no campo Additional Board Manager URLs. Você pode adicionar vários URLs, separando‑os com vírgulas.
• Abra o Boards Manager no menu Tools > Board e instale a plataforma esp32 (e não se esqueça de selecionar sua placa ESP32 no menu Tools > Board após a instalação).
• selecione tool->board->DOIT ESP32 DEVKIT

Link de lançamento estável: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json
Link de lançamento de desenvolvimento: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_dev_index.json
Se você quiser mais detalhes, pode clicar no link

Uso da biblioteca

• 1. Baixar a ESP32 Boot Library

Em seguida, adicione esta biblioteca ao seu Arduino IDE.

Se você não souber como instalar a biblioteca, por favor verifique:

Installing Additional Arduino Libraries

Você pode encontrar duas pastas de exemplos nesta biblioteca

Exemplo	Descrição
01LoadDefaultBitstream	Este exemplo carregará o arquivo /overlay/default.bit do cartão SD para o FPGA
02LoadConfigBitstream	Este exemplo lerá um arquivo no formato ini /board_config.ini no cartão SD e então carregará no FPGA o bitstream especificado pelo valor da chave overlay_on_boot.

• 2. Preparar o cartão SD
  2.1 Formate o cartão SD com o sistema de arquivos FAT16/FAT32.

2.2 Crie uma subpasta de nível superior chamada overlay no cartão SD.
2.3 Coloque seus arquivos de bitstream ou bitstream de exemplo (devem ter a extensão .bit) na pasta overlay.

dica

O bitstream de exemplo: extensão de GPIO controlada pela interface SPI, com suporte a ADC/DAC/RGB‑LED, veja o código‑fonte.

2.4 Se você executar o exemplo 01LoadDefaultBitstream, renomeie o arquivo de bitstream em overlay para default.bit.

2.5 Se você executar o exemplo 02LoadConfigBitstream, coloque o board_config.ini na pasta raiz do cartão SD.
2.6 Insira o cartão SD na Spartan (Edge Accelerator) Board.

• 3. Fazer upload do exemplo
  3.1 Conecte a Spartan Board ao PC através de um cabo USB Type‑C e instale o driver USB232 (chip CP2102).
  3.2 Coloque o interruptor de alimentação (perto do slot USB Type‑C) para o lado USB para ligar a placa.
  3.3 Abra um dos exemplos da biblioteca pelo Arduino IDE.
  3.4 Verifique as configurações de Board & Port no Arduino IDE conforme descrito na última seção.
  3.5 Pressione o botão 'BOOT' na Spartan Board por mais de 1 segundo para forçar o ESP32 a entrar no modo Bootloader.
  3.6 Pressione o botão 'Upload' no Arduino IDE para fazer upload do exemplo (binário compilado) para o ESP32.

• 4. Executar o exemplo
  4.1 Certifique‑se de que o DIP‑switch K5 on‑board (o último) esteja no lado Slave (ON), o que permite a programação do FPGA por outro dispositivo (MCU).
  4.2 Pressione o botão 'RST' na Spartan Board para iniciar o exemplo.
  4.3 Alguns segundos após a inicialização do exemplo, o LED FPGA_DONE (cor vermelha) na placa acenderá.

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Exemplo de IO da Spartan Edge Accelerator Board

Em seguida, o tutorial a seguir mostrará como controlar os recursos GPIO/ADC/DAC/RGB‑LED da Spartan Edge Accelerator Board com Arduino.

• Baixe a IO Example Library:

• Adicione esta biblioteca ao seu Arduino IDE. Se você não souber como instalar a biblioteca, por favor verifique:

Installing Additional Arduino Libraries

• Vá até a pasta examples, escolha qualquer exemplo, dê um duplo clique no arquivo .ino.

• Faça upload da demonstração. Se você não souber como fazer upload do código, por favor verifique How to upload code.

Modo Stand-alone

Hardware

Materiais necessários

• Spartan Edge Accelerator Board x1
• Cabo de dados USB Type C x1

Basta alimentar a Spartan Edge Accelerator Board via cabo USB Type C.

Software

A Spartan Edge Accelerator Board também pode funcionar como uma tradicional placa de desenvolvimento FPGA. O tutorial a seguir mostrará como usá‑la no modo stand‑alone.

Nesta seção, você aprenderá sobre os recursos do modo Project para criação de projeto, gerenciamento de arquivos‑fonte, análise de projeto, definição de restrições e gerenciamento das execuções de síntese e implementação. Isto pode ser usado como uma referência rápida.

Antes de tudo, você deve baixar a biblioteca de tutoriais do Vivado; precisaremos de alguns arquivos‑fonte.

• Etapa 1: Criando um projeto

  Iniciando o Vivado

  Criando um novo projeto

1. Depois que o Vivado abrir, selecione Create Project na página Getting Started.

2. Clique em Next no assistente New Project

3. Especifique o nome e o local do projeto (selecione “Create project subdirectory” para criar uma pasta para o seu projeto)

4. Clique em Next.

5. Selecione RTL Project como Project Type e clique em Next. (selecione Do not specify sources at this time e adicione seus arquivos logo em seguida)

   (O Vivado Design Suite permite diferentes pontos de entrada de design dependendo dos tipos de arquivos‑fonte e das tarefas de design. Você pode escolher o tipo de projeto adequado.)

6. Selecione o componente xc7s15ftgb196-1 para o projeto e clique em Next, como mostrado na figura 1.

7. Clique em Finish

O Vivado IDE abre o project_tutorial no layout padrão, como mostrado na figura 2.

O Flow Navigator mostra claramente o processo básico de projeto.

As Sources são compostas por Constraints, Simulation Sources e Utility Sources.

O Design Runs cria synth_1 e impl_1 por padrão.

O status de execução do Vivado é exibido no canto superior direito.

• Passo 2: Adicionar e Criar Seus Arquivos

  neste passo, adicionamos test.v , test_pin.xdc , test_sim.v em nosso projeto. Esses arquivos estão localizados em diferentes pastas de vivado_tutorial/vivado_tutorial.srcs

1. Clique em Add Sources em PROJECT MANAGER do Flow Navigator para adicionar o arquivo RTL.

2. Selecione Add or create design sources e clique em Next.

3. Clique no botão e selecione opções ou clique diretamente nas opções para adicionar ou criar arquivos, como mostrado na figura 3.

4. Aqui, adicionamos arquivos RTL diretamente. Selecione Add Files e adicione o arquivo test.v no seu diretório, como mostrado na figura 4.

5. Clique em Finish.

6. Clique em Add Sources em PROJECT MANAGER do Flow Navigator novamente para adicionar o arquivo de constraints.

7. Selecione Add or create constraints e clique em Next.

8. Clique em Add Files e adicione seu arquivo de constraints test_pin.xdc , como mostrado na figura 5

9. Clique em Finish.

10. Clique em Add Sources em PROJECT MANAGER do Flow Navigator novamente para adicionar o arquivo de simulação.

11. Selecione Add or create simulation sources e clique em Next.

12. Clique em Add Files e adicione seu arquivo de simulação test_sim.v , como mostrado na figura 6

13. Clique em Finish.

    Finalmente, o arquivo que adicionamos aparecerá em Sources, como mostrado na figura 7.

• Passo 3: Elaborar o Projeto RTL

  O Vivado IDE inclui um ambiente de análise RTL e customização de IP. Há também várias RTL Design Rule Checks (DRCs) para examinar maneiras de melhorar o desempenho ou o consumo de energia no projeto RTL.

1. Selecione Open Elaborated Design no Flow Navigator para elaborar o projeto.

2. Certifique-se de que o menu suspenso Layout Selector na barra de ferramentas principal esteja com Default Layout selecionado. O Elaborated Design habilita várias visualizações de análise, incluindo uma RTL Netlist, Schematic e Graphical Hierarchy. As visualizações têm um recurso de seleção cruzada, que ajuda você a depurar e otimizar o RTL.

3. Explore a hierarquia lógica na janela RTL Netlist e examine o Schematic. Você pode percorrer o schematic clicando duas vezes nas células para avançar na hierarquia, ou usando comandos como Expand Cone ou Expand/Collapse no menu pop-up do Schematic.

4. Selecione qualquer instância lógica no Schematic e clique com o botão direito para selecionar os comandos Go to Source ou Go to Definition.

5. Clique na janela Messages na parte inferior do Vivado IDE e examine as mensagens.

6. Clique no botão Collapse All na barra de ferramentas de Messages.

7. Expanda o Elaborated Design e as mensagens, como mostrado na figura 8.

8. Clique em um dos links e o Text Editor abre o arquivo-fonte RTL com a linha relevante destacada.
9. Feche as janelas do Text Editor.
10. Feche o Elaborated Design clicando no X no lado direito do banner da janela Elaborated Design e clique em OK para confirmar.

• Passo 4: Usando o IP Catalog

  O Xilinx IP Catalog fornece acesso aos recursos de configuração e geração de IP do Vivado. Você pode classificar e pesquisar o Catalog de várias maneiras. O IP pode ser customizado, gerado e instanciado.

1. Clique no botão IP Catalog no Flow Navigator, em Project Manager.

2. Navegue pelo IP Catalog para examinar as várias categorias e capacidades de filtragem de IP.

3. Escolha o IP correspondente e realize customização nativa e configuração do IP dentro da ferramenta e selecione OK

4. Feche a aba do IP Catalog clicando no X na aba da janela.

• Passo 5: Executar a Simulação Comportamental

  O Vivado IDE integra o Vivado Simulator, que permite adicionar e gerenciar fontes de simulação no projeto. Você pode configurar opções de simulação e criar e gerenciar conjuntos de fontes de simulação. Você pode executar simulação comportamental em fontes RTL antes da síntese.

1. No Flow Navigator, em Project Manager, clique no comando Settings. A caixa de diálogo Settings é aberta com Project Settings na parte superior e Tool Settings abaixo disso, como mostrado na figura 9.

2. Examine as configurações disponíveis na página Simulation e clique em Cancel para fechar a caixa de diálogo.
3. Clique no comando Run Simulation no Flow Navigator e, em seguida, clique em Run Behaviora Simulation no submenu, como mostrado na figura 10.

4. Arraste a barra para a esquerda e use essas ferramentas para dar zoom in ou zoom out para ver a imagem apropriada, como mostrado nas figuras 11 e 12.

5. Clique em X no canto superior direito da figura 13 e clique em OK para fechar a SIMULATION.

• Passo 6: Revisar as Configurações do Design Run

  Design runs são uma maneira de configurar e armazenar as muitas opções disponíveis nas diferentes etapas do processo de síntese e implementação. Você pode configurar essas opções e salvar as configurações como estratégias a serem usadas em execuções futuras.

1. No Flow Navigator, em Project Manager, clique no comando Settings.

2. Selecione a página Synthesis em Project Settings. Para uma descrição completa dessas opções, consulte o Vivado Design Suite User Guide: Synthesis(UG901).

3. Selecione a página Implementation em Project Settings. Para uma descrição completa dessas opções, consulte o Vivado Design Suite User Guide: Implementation(UG904).

• Passo 7: Sintetizar e Implementar o Projeto

  Após configurar as opções de run de síntese e implementação, você pode run synthesis e run implementation em Design Runs ou clicar no botão ou clicar nos botões correspondentes no Flow Navigator para fazer isso. O status de execução do Vivado é exibido no canto superior direito enquanto estiver sintetizando e implementando.

​ Para este tutorial, executaremos essas etapas em Design Runs.

1. Clique com o botão direito em syth_1 e selecione Launch Runs, como mostrado na figura 14.

2. Clique em ok e o status de execução é exibido no canto superior direito, como mostrado na figura 15.

3. Clique em Open Synthesized Design para mais projeto e análise. Você pode ver Report Timing Summary , Report Utilization e outros, como mostrado na figura 16.

4. Execute Implementation da mesma forma, como mostrado na figura 17.

5. Clique em Open implemented Design para ver relatórios após a implementação

• Passo 8: Gerar um Arquivo Bitstream

  Após Implementing the Design, podemos ver synthesis e implement Complete em Design Runs, como mostrado na figura 18.

Clique em Generate Bitstream no Flow Navigator.

• Passo 9: Baixar o arquivo

  Após Generate Bitstream, você tem duas maneiras de carregar o arquivo para o FPGA.

  Você pode usar a interface JTAG (no canto superior direito da figura 19) para carregar o arquivo bit no FPGA no Vivado, ou usar o ESP32 (no canto inferior direito da figura 19) para carregar o arquivo bit no FPGA.

Siga as etapas abaixo para carregar o bitstream no FPGA através da interface JTAG

1. Ligue a placa e conecte o Platform Cable USB II (ou cabo compatível).

2. Clique em Open Target e Auto Connect no Flow Navigator.

3. Depois de conectar à placa com sucesso, clique em Program Device, escolha o arquivo bit e clique em Program, como mostrado na figura 20.

1. Após baixar o arquivo bit, o LED FPGA_DONE acenderá.

   Neste projeto, se você pressionar qualquer tecla ou ambas (USER1 e USER2), o LED L1 apagará.

Visualizador Online do Esquemático

Recursos

• [PDF] Spartan-7 FPGAs Datasheet
• [PDF] ESP32 Datasheet
• [PDF] Spartan-Edge-Accelerator-Board Eagle File

Suporte Técnico e Discussão sobre o Produto

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