Alita FPGA Linux

Koheron Alpha-250 FPGA Manual

开发教程

By Oceani Cheng on June 19, 2024

Koheron Alpha-250 FPGA 手册（完整版）珍藏版、周年纪念版、限量版等等

0 为什么写这个

因为我们要做一个里德堡原子探头，需要用这玩意做光电信号采集处理终端。然而好像只有官方参考文档可以参考，没有其他任何包括CSDN什么的第三方资料。没事，俺可以根据官方文档和ChatGPT自己弄一个，就当是自己必须从头学起的笔记了。

1 关于 Koheron Alpha-250 FPGA

ALPHA-250是围绕Zynq 7020 SoC构建的可编程板。

Zynq 7020 SoC具有100 MHz射频前端，带有14位ADC和16位DAC，频率为250 MSPS。射频通道由一个双PLL、超低抖动时钟发生器锁时（clocked）。时钟发生器包括一个4通道24位ADC和一个4通道16位DAC。该板具有全面的开源FPGA/Linux参考设计。这个挺贵的： git

一个要快3万啦。

相关名词：

  • Zynq 7020 SoC将一个ARM处理器和一个FPGA（现场可编程门阵列）集成在同一个芯片上，提供了强大的计算和信号处理能力。
    • 是AMD（AMD, yes!）公司生产的，带了双核 Cortex-A9 MPCore，ARM架构的，Up to 866MHz。
    • 这儿有详细的参数。不仔细研究了。
  • 射频（RF）前端工作频率为100 MHz，意味着它能够处理高达100 MHz频率的信号。
    • 14-bit ADCs（模数转换器），将模拟信号转换为数字信号，14位的分辨率表示它可以将模拟信号量化为 \(2^{14} = 16,384\) 个不同的级别。
    • 16-bit DACs（数模转换器），将数字信号转换为模拟信号，16位的分辨率表示它可以将数字信号转换为 \(2^{16} = 65,536\)个不同的电平。
    • 这两个转换器的采样速率为250 MSPS（每秒250百万次采样），表示它们每秒钟可以处理250百万个样本。
  • RF通道由双PLL（锁相环）超低抖动时钟发生器提供时钟信号。抖动是指信号周期之间的微小变化，低抖动时钟可以提高系统的精度和稳定性。
  • 除了RF前端的14位ADC和16位DAC外，板子还包括：
    • 4 通道 24-bit ADC：更高分辨率的模数转换器，适用于需要高精度信号处理的应用。
    • 4 通道 16-bit DAC：用于高精度的数模转换。

1.2 Alpha-250 FPGA 架构简介

git

ALPHA250

git

ALPHA250-4

ALPHA250-4 的采样率是 ALPHA250 的两倍，为250 MSPS，相比之下 ALPHA250 的采样率为125 MSPS。另外，ALPHA250-4 的模拟带宽是100 MHz，而 ALPHA250 的模拟带宽是50 MHz。 由于采样率和带宽的提升，ALPHA250-4 更适合需要处理更高频率信号的应用。

  • 12 V外部电源
    • 外部电源连接器是一个插孔，具有1.95毫米的中心引脚和6毫米的外径。 -此连接器上只能提供12V。运行ALPHA250至少需要1A。根据扩展连接器的负载，可能需要更多的电流。最大电流为3A（由保险丝保护）。
  • USB 2.0
    • 它在5V下提供1A的电流（与膨胀连接器的5V电源共享）。电源和数据引脚受到ESD保护。

    • 电源和数据引脚是ESD（静电放电）保护的，可以防止静电引起的短路和设备损坏。

  • Micro USB 2.0
    • Micro USB 2.0连接与UART0 PS核心通过FTDI设备连接，这通常用于调试串行接口。电源和数据引脚受到ESD保护。

    • FTDI设备是一个USB到串行转换器，它允许USB接口与UART接口进行通信。常见的FTDI设备型号有FT232R、FT232H等。通过这种设备，可以在电脑上通过USB端口与开发板进行串行通信。

    • UART0 PS（Processor System）核心是Zynq处理器中的一个串行通信接口。它允许处理器通过串口与外部设备通信，通常用于调试和控制。

    • 在这种配置下，Micro USB 2.0接口通过FTDI设备连接到Zynq的UART0 PS核心，然后可以使用串口终端程序（如gtkterm或Tera Term）连接到开发板，进行调试和控制。

  • 千兆以太网：ALPHA250能够使用10/100/1000 Mbit以太网。
  • Micro SD卡：Micro SD card 通过一个电平转换器（level-shifter）连接到 SD0 PS 核心. The SD card I/Os are ESD protected.

    • SD0 PS 核心指Zynq处理器系统（Processor System, PS）中的第一个SD控制器（SD0）。SD控制器用于与SD卡进行数据传输。

    • 电平转换器（level-shifter）：Zynq处理器的I/O电压为1.8V或3.3V，而MicroSD卡工作在3.3V电压下。电平转换器的作用是将处理器的I/O电平转换为SD卡所需的电平，确保两者能够正常通信。另外，电平转换器还可以提供一定的电气隔离，保护处理器和SD卡免受电压不匹配带来的潜在损害。

    • 可以使用Linux命令如lsblk或dmesg查看SD卡的挂载情况。
    • 在Linux系统中挂载SD卡: 
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      sudo mount /dev/mmcblk0p1 /mnt/sdcard
    • 弹出SD卡： 
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      sudo umount /mnt/sdcard
  • 扩展连接器 git

    ALPHA250-4的不同就是右下角倒数第三个 VCCIO_3V3 改成了 VCCIO_1V8.

    太复杂了，先不研究。Mark在这里。

    1.3 Alpha-250 FPGA 子系统

    1.3.1 射频ADC

    射频ADC有2个采集通道，具有14位分辨率和250 Msps最大采样率（使用的是Linear Technologies的LTC2157-14 ADC芯片）。 它在SMA连接器上有两个标有IN0和IN1的输入。

  • 输入是直流耦合的（输入信号可以包含直流（0 Hz）分量）
  • 有50欧姆的终端匹配。为了达到最佳的DC偏置，输入信号应来自50Ω输出阻抗源。这样可以确保信号被正确地传输到ADC。
  • 输入信号的峰值-峰值电压范围是1 Vpp（峰-峰值），即信号在-500 mV到500 mV之间，ADC能够正确采集和转换输入电压在这个范围内的信号。
  • 输入端口配有瞬态电压抑制器（TVS），TVS会钳制超过±8 V的电压，防止输入信号过高导致ADC损坏。
  • 总的流程：
    • 连接信号源：将你的信号源通过SMA连接器连接到IN0或IN1输入端口。
    • 匹配阻抗：确保信号源的输出阻抗为50 Ω，以优化信号传输和DC偏置。
    • 信号范围：确认信号的峰-峰值范围在1 Vpp（-500 mV到500 mV）内。 a250_rf-adc

a250的射频-adc

2 操作指南

2.1 开机

首先，将micro-SD卡插入micro-SD插槽。然后连接电源的12V插孔。绿色LED（PWGD）说明通电了，橙色LED（DONE）说明FPGA完成啦。反正表示系统已正确启动。

2.2 连接板子

2.2.1 LAN

和板子连接最主要的方法就是以太网接口，就是插网线。

2.2.2 直接连电脑

从here抄的。 首先得给 Zynq 板子分配好 静态IP地址。静态IP地址确保每次设备重启或连接时，其IP地址保持不变，对于设备之间的直接通信特别重要，因为IP地址不会改变，通信双方可以始终知道如何找到对方。 ？？？部分讲了怎么分配静态IP地址。

  1. 第一步， 新建一个以太网接口。 编辑这个文件 /etc/network/interfaces 
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      iface eth0 inet static # 指定eth0接口使用静态IP地址。
  address 10.42.0.42 # 为eth0接口分配静态IP地址 10.42.0.42
  gateway 10.42.0.1 # 指定默认网关为 10.42.0.1
  netmask 255.255.255.0 # 指定子网掩码为 255.255.255.0，即 /24。
  network 10.42.0.0 # 指定网络地址为 10.42.0.0。
  broadcast 10.42.0.255 # 指定广播地址为 10.42.0.255

    根据自己的网络情况修改。注意两点：

    • 网络ID相同：主机和Zynq板子的网络配置必须在同一个子网内。即，主机的IP地址和板子的IP地址在网络部分（如 10.42.0）必须相同，这样它们才能在同一个局域网内进行通信。
    • 主机ID不同：主机的IP地址和板子的IP地址的主机部分（如 42）必须不同，以确保每个设备有唯一的IP地址，避免IP地址冲突。 例如，如果Zynq板子的IP地址是 10.42.0.10，那么主机的IP地址可以是 10.42.0.42。这两个IP地址在同一个子网内（即网络ID相同），但主机ID不同。
  2. 重启网络接口： 
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    $ sudo ifdown eth0 && sudo ifup eth0

2.2.3 串行接口连接主机（Host）

原始文档在这儿. 串行UART调试接口可以通过micro USB连接器访问。 重要提示：先打开电路板，等待电路板启动，然后再连接串行电缆。 要在主机和Zynq板子之间设置USB串行连接，可以按照以下详细步骤操作：

  1. 连接串行端口到计算机USB端口 你需要一根USB转串口（UART）电缆，一端是USB接口，另一端是串口接口（通常是TTL级别的3.3V或5V，或者DB9接口）。比如可以买微雪 Waveshare 的。 git 然后，将电缆的USB端插入你的计算机的USB端口，将电缆的串口端连接到Zynq板子的串行端口（通常是板子上的一个UART接口或DB9接口）。
  2. 使用终端程序连接到板子
    • 选择终端程序：
      • Linux：可以使用gtkterm、minicom等终端程序。
      • Windows：可以使用Tera Term、PuTTY等终端程序。
    • 安装终端程序：
      • Linux：你可以使用包管理器安装gtkterm。例如，在Ubuntu上： 
        1

         sudo apt-get install gtkterm
      • Windows：下载并安装Tera Term，可以在Tera Term官网找到安装程序。
  3. 编辑波特率和选择端口
    • 波特率设置：
      • 打开终端程序（如gtkterm或Tera Term）。
      • 在终端程序中，找到串口设置选项（通常在“设置”或“配置”菜单下）。
      • 将波特率设置为115200。这通常是Zynq板子的默认通信速度。
      • 波特率（Baud rate）是指在数据通信中，每秒钟传输的符号（信号变化）的次数。“波特”（Baud），通常表示为每秒多少比特（bits per second, bps）。对于现代串行通信来说，波特率通常等同于比特率，即每秒钟传输的比特数。
    • 选择端口：
      • 在终端程序中，选择正确的串口端口。你需要找到计算机识别的串口端口名称。
        • Linux：串口设备通常以/dev/ttyUSB0或/dev/ttyACM0等形式出现。你可以使用命令dmesg | grep tty来查找。
        • Windows：串口设备通常显示为COM3、COM4等。你可以在设备管理器中查看端口名称。
  4. 重启板子 按下Zynq板子的复位按钮或断电后重新上电。

通过以上步骤，你应该能够在终端程序中看到Zynq板子的启动信息和控制台输出，并能够与板子进行交互。这种连接方式通常用于调试和监控板子的运行状态。

Koheron OS 的安装

Koheron OS 是个定制的 Ubuntu 22.04 操作系统（或者说，Linux发行版），专门为用于Xilinx Zynq平台上的开发和运行优化过。

下载地址：从这儿可以下载镜像。

初始账号密码： Login is “root”, password is “changeme”.

PS： Koheron OS 用的是 动态IP地址 模式。

安装 Vivado HLx

Vivado HLx (High-Level Synthesis) 是Xilinx 公司发布的FPGA硬件设计工具套件的一部分，用来简化和加速FPGA设计的开发过程。

它叫高层次综合 (High-Level Synthesis)，是因为它支持使用高级编程语言（如C、C++和SystemC）进行硬件设计。它可以将这些高级语言的代码转化为硬件描述语言（HDL）代码，然后将DHL代码综合为可以在FPGA上实现的网表，最后将网表映射到FPGA资源上，并进行布局布线，生成用于FPGA编程的比特流文件。

从这儿可以下载2017.2版本。

下载之后，需要安装 Xilinx Vivado SDK 2017.2 在Koheron OS（算是Linux）上。打开一个Terminal然后Run：

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$ chmod +x Xilinx_Vivado_SDK_2017.2_0616_1_Lin64.bin # 赋予执行权限。chmod +x命令把 .bin（二进制可执行文件） 文件设置为可执行文件。注意根据下载版本进行调整2017.2。
$ sudo ./Xilinx_Vivado_SDK_2017.2_0616_1_Lin64.bin # sudo 是超级用户（root）权限，后面是运行安装包文件，然后写入系统目录和进行配置。

之后，第一个Select Edition to Install

Koheron OS 中找到 Zynq 的动态IP地址

动态IP地址，表示这个IP地址是动态分配的，通过DHCP（动态主机配置协议）从路由器或DHCP服务器动态获取的。

每次设备连接到网络时，DHCP服务器会从一个可用IP地址池中分配一个IP地址给设备。这种方式的优点是管理方便，特别是对于大量设备的网络。

动态IP地址可能会变化，每次连接到网络时，设备会获得不同的IP地址。

静态IP地址是手动配置的，管理员在设备上直接设置IP地址。这种方式确保设备始终使用相同的IP地址，适用于需要固定IP地址的设备，如服务器、网络打印机等。

首先：

  1. 板子安了 Koheron OS 了
  2. 板子通过 本地路由器 连接到局域网了。

然后！

输入命令：

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$ ip addr show | grep -w inet | grep eth

这是一个在Linux系统中常用的Shell命令组合。

  • 第一个 ip addr show 意思是显示所有网络接口的详细信息，包括IP地址、MAC地址等。

  • 第二个 grep -w inet 意思是从ip addr show的输出中筛选出包含inet的行。inet表示IPv4地址（如果想查看IPv6地址则是inet6）。-w选项确保只匹配完整的单词inet，而不是那些包含类似inet字符的单词。

  • grep eth 进一步从包含inet的行中过滤出包含eth的行，eth通常是以太网接口的前缀（例如eth0, eth1等）。

组合在一起用于快速查找以太网接口的IPv4地址信息。

会出现（例如）：

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inet 192.168.1.11/24 brd 192.168.1.255 scope global dynamic eth0

网络接口 eth0 的IPv4地址是 192.168.1.11

子网掩码是 /24（表示子网掩码为 255.255.255.0。这个掩码意味着网络部分是前24位，即 192.168.1 ，主机部分是后8位。）

brd 表示广播地址。广播地址用于向子网上的所有主机发送消息。广播地址是 192.168.1.255，且作用域(scope)是 global，是全局可路由的，即可以在整个网络范围内使用。

Here, the IP地址的 network ID（网络部分） is 192.168.1.

然后主机部分的ID，一个8位的2进制数显示在板子的8个LED灯上，亮就是1，不亮就是0.

ip

10001000，就是17.

最后动态IP等于网络部分加主机部分 = 192.168.1.17.

用 Koheron OS 给 Zynq board 分配 静态IP地址

在 Koheron OS 中，找到/etc/network/interfaces文件，注释掉这一行 face eth0 inet dhcp (这是用于设置DHCP的) # iface eth0 inet dhcp 然后Uncomment掉底下 Static IP configuration lines，注意要按照自己的网络配置修改一下。

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iface eth0 inet static
address 10.42.0.100 # 广播 IP address
gateway 10.42.0.1
netmask 255.255.255.0
network 10.42.0.0
broadcast 10.42.0.255

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Software Development Kit ｜ Koheron SDK

Koheron 软件开发工具包（SDK）是一个简化Xilinx Zynq®板嵌入式开发工具。它很方便地实现了硬件（FPGA）开发和软件（Linux C++驱动程序）开发之间的同步。

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$ git clone https://github.com/Koheron/koheron-sdk.git
$ cd koheron-sdk
$ make setup

Python API

我们可以用Python编程来控制Koheron。

首先得在Koheron OS里安装Python和相应的Python库。

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$ sudo apt-get install python-pip
$ pip install --upgrade koheron
$ pip install numpy

然后想要在Python中向板子发送命令的话，板子需要：

  • 其Python驱动程序与仪器C++驱动程序一致；
  • 连接到仪器的Python应用程序。

基本的控制程序可以从Koheron Python的GitHub网页上pull下来。其中最重要的是connect函数： connect(host, instrument_name) 它能创建一个客户端对象（弹出来一个窗口），并通过TCP（传输控制协议，一种网络通信协议）连接到仪器上。

Python驱动程序的名称如下：

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from koheron import connect
from led_blinker import LedBlinker

client = connect('192.168.1.100', 'led-blinker')
driver = LedBlinker(client)

print(driver.get_forty_two())
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