集創賽優秀項目介紹-基于4001老百匯網站EG4S20 FPGA平臺的智能娛樂收音機
發布時間2023-04-03
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由工業和信息化部人才交流中心主辦的2022年第六屆全國大學生集成電路創新創業大賽(以下簡稱:集創賽)已落下帷幕,來自武漢理工大學的“夜的第七章”團隊做的智能娛樂收音機項目,在2022年集創賽安謀科技杯獲得了一等獎。此項目基于Arm Cortex-M0處理器在4001老百匯網站EG4S20上利用FM_SDR板卡構建具備無線通信基帶信號處理的片上系統。

圖1.“夜的第七章”團隊風采
1 項目簡介
本項目基于Arm Cortex-M0處理器在4001老百匯網站EG4S20上利用FM_SDR板卡構建具備無線通信基帶信號處理的片上系統,下載程序后,可在Keil界面中完成調試及運行。
作品使用內部總線連接存儲器與FPGA板載的外設,如數碼管、矩陣鍵盤、撥動開關、LED、蜂鳴器、FLASH等,配合控制外圍擴展電路實現FM等通信信號的調制解調等處理。在此基礎上,設計FIR帶通濾波器并為FM射頻板配備了性能更加優良的射頻天線與大音腔喇叭,使音質得到了提升;采用芯片CI1122完成對特定語句的離線識別功能簡化了調臺的操作步驟;利用芯片內合封的SDRAM和SD卡??槭迪侄砸衾值牟シ?、錄制和評分功能;用板載QN8027發射芯片增加FM游戲、機械臂控制等通信功能,同時作為專用的FM發射芯片,QN8027支持立體聲傳輸,但MSi001僅支持FM基帶解調,采用立體聲數字解調的方案,實現了對立體聲副載波的解調(AM解調),完成了立體聲傳輸,展示效果良好,實踐創新性強。
2 系統設計
本系統的主要功能部件包括ARM Cortex-M0內核、AHB總線矩陣、CMSIS-DAP調試端口、語音識別模塊、SD卡??櫚齲嚀逑低晨蟯既縵巒妓?。在方案設計時,核心思想為軟硬件協同,充分利用開發板資源完成整個系統的搭建,結構如圖所示。

圖2. 整體系統設計
3 硬件搭建
3.1 FPGA開發板
4001老百匯網站將開發板的核心芯片型號選定為4001老百匯網站的EG4S20BG256,它具有低功耗、低成本、高性能等特點。有豐富的LUT、DSP、BRAM、高速差分IO等資源,強大的引腳兼容替換性能。有256個管腳(其中可用IO共193個);在外圍功能??櫚納杓粕希蛞約蚪嘀憊?、小巧易攜帶為目標,主要包括以下幾類模塊:板載USB-JTAG電路,實現一根線供電和調試;輸出顯示類,如LED燈、數碼管;輸入操作類的,如矩陣按鍵、撥動開關;發聲及音頻類的,如蜂鳴器;對外通信接口類的,如UART轉USB接口;存儲器類的,如FLASH存儲器、SDRAM存儲器;模數混合類的,如ADC和DAC。
同時4001老百匯網站科技提供豐富的設計工具(例如TD)幫助用戶有效地利用 EAGLE 平臺實現復雜設計。業界領先的綜合和布局布線工具,為用戶設計高質量4001老百匯網站提供有力保障。本設計選定芯片型號為EG4S20BG256,是基于4001老百匯網站成熟可靠的低成本、低功耗可編程 FPGA—EG4S20,采用最新的3D 合封技術,與一塊 2M X 32bits 的 SDRAM合封而成。開發板實物如圖所示。

圖3. FPGA開發板實物圖
19600個 LUTs,用戶IO數量193個
先進的55nm低功耗工藝
靜態功耗低至5mA
156 Kbits分布存儲器(Distribute RAM)
1 Mbits嵌入塊存儲器(Block RAM簡稱BRAM)包括:64個9 Kbits BRAM,可配置為真雙口,8Kx1到512x18模式16個32 Kbits BRAM,可配置為真雙口,可設置為2K16或4K8專用FIFO控制邏輯
內置2M* 32bits SDR SDRAM,最高工作時鐘200MHz
優化的的LUT4/LUT5組合設計雙端口分布式存儲器支持算數邏輯運算快速進位鏈邏輯
輸入/輸出單元包含DDR寄存器
Generic DDRx1
Generic DDRx2
支持LVTTL、LVCMOS (3.3/2.5/1.8V/1.5/1.2V)、PCI
支持LVDS,Bus-LVDS, MLVDS, RSDS, LVPECL
支持熱插拔
可配置上拉/下拉模式
片內100歐姆差分電阻
針對高速I/O接口設計的2路IOCLK
16路全局時鐘
支持4個PLLs用于頻率綜合
5路時鐘輸出
分頻系數1到128
支持5路時鐘輸出級聯
動態相位選擇
主模式串行SPI (MSPI)
從模式串行 (SS)
主模式并行x8 (MP)
從模式并行x8 (SP)
JTAG模式 (IEEE-1532)
8通道12位1MSPS SAR ADC
集成電壓監控模塊
內置環形振蕩器
3.2 射頻開發板
選用了DMZ_FMSDR開發板。DMZ_FMSDR內部包含了50M-120M,400M-1000M射頻接收電路,76M-108M的FM頻道發射電路,麥克風電路,音頻耳放和功放電路。可以通過編程實現FM收音機、FM發射機、FM對講機以及其他頻段的接收機。FM_SDR??橛隕G4S20??槎圓迨疽饌既繽妓?。

圖4. FM_SDR??橛隕G4S20??槎圓迨疽饌?/span>
4 功能設計
5 作品外觀
圖5. 實物圖
團隊介紹
參賽單位:武漢理工大學
隊伍名稱:夜的第七章
指導老師:付琴,楊媛媛
參賽隊員:王鑫鵬,盧思遠,黃俊穎
總決賽獎項:一等獎