嵌入式开发之路

第四章 实验平台简介

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description本章介绍正点原子领航者ZYNQ 开发板：核心板+底板的双板架构、板载资源全览、丝印识读技巧，以及LCD 屏、摄像头、高速AD/DA 等可搭配外设，帮你快速熟悉后续所有实验的硬件平台。
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第四章 实验平台简介

工欲善其事，必先利其器。本章介绍我们后续所有实验的硬件平台——正点原子领航者ZYNQ 开发板。熟悉这块板子的资源布局，后面的学习会顺畅很多。

本章在讲什么

本章回答四个问题：

  1. 板子上有什么——底板和核心板的资源清单；
  2. 这些资源怎么连到芯片——硬件资源框图和芯片Bank 分布；
  3. 板子上的丝印怎么读——器件丝印、引脚丝印、功能丝印、板名丝印；
  4. 可以搭配哪些外设——LCD 屏、摄像头、高速AD/DA 模块。

核心概念拆解

1. 开发板总体架构：核心板 + 底板

领航者开发板采用核心板+底板的分层设计，方便基于核心板做二次开发。底板外形尺寸120mm×160mm。

图4.1.1 领航者ZYNQ 开发板底板资源图

底板主要资源一览：

  • 人机交互：2 个PL LED、2 个PS LED、2 个PL 功能按键、2 个PS 功能按键、1 个PL 复位按键、1 个电容触摸按键、1 个有源蜂鸣器；
  • 通信接口：CAN（TJA1050 收发器）、RS232（DB9 母头）、RS485（与RS232 复用IO）、USB 串口、PL 端千兆以太网（RJ45）、PS 端千兆以太网（RJ45）、4 路USB HOST + 1 路USB SLAVE；
  • 显示与音频：RGB888 TFT-LCD 接口、HDMI 输出、OLED/摄像头模块接口、ES8388 音频编解码芯片、耳机输出、音频输入、MIC、扬声器；
  • 存储与扩展：EEPROM（AT24C64）、RTC 实时时钟（PCF8563）+ 电池座、Micro SD 卡接口、2 个20×2 扩展口（共72 个扩展IO，J4 扩展口仅ZYNQ-7020 可用）、ATK MODULE 接口、XADC 接口；
  • 其他：BOOT 模式选择开关、14-Pin JTAG 接口、电源开关、DC6~16V 电源输入、5V/3.3V 电源输入输出排针、电源指示灯。

底板的四大特点：接口丰富、设计灵活（核心板+底板）、资源充足、人性化设计（丝印标注、方框框出、大丝印标出常用外设）。

2. 核心板资源

核心板分ZYNQ-7020 和ZYNQ-7010 两种型号，外形尺寸仅45mm×57.5mm，采用贴片式板对板连接器（2 个2×50P BTB 连接座），除主控芯片和DDR3 容量不同外，其余外设完全相同。

图4.1.2 ZYNQ-7020 核心板资源图

图4.1.3 ZYNQ-7010 核心板资源图

核心板资源明细：

资源 ZYNQ-7020 核心板 ZYNQ-7010 核心板
主控芯片 XC7Z020CLG400-2 XC7Z010CLG400-1
PL 逻辑单元 85K 28K
BRAM 4.9Mbit 2.1Mbit
DDR3 2 片NT5CC256M16，共8Gbit（1GB） 2 片NT5CC128M16，共4Gbit（512MB）
速度等级 -2（更高，支持频率更高） -1

两种核心板共有：1×6 下载接口（与底板14-Pin JTAG 功能一致）、PL LED、PS LED、PL 晶振50MHz（给PL 提供时钟）、PS 晶振33.333MHz（给PS 提供时钟）、电源指示灯、PL 配置状态指示灯（DONE LED）、PS 千兆以太网PHY 芯片（YT8521S）、PS 复位按键、QSPI FLASH（W25Q256，32MB，存镜像数据）、eMMC（8GB，PS 端大容量非易失存储）。

核心板特点：体积小巧、集成方便、资源丰富、性能稳定（10 层板设计，独立地层和电源层）、人性化设计。

3. 硬件资源框图与芯片Bank 信息

图4.2.1 领航者ZYNQ 开发板硬件资源框图

理解这块板子的关键是芯片的Bank（存储组）划分：

图4.2.2 XC7Z010 的Bank 示意图

  • XC7Z010 有5 个Bank：Bank 502/501/500 属于PS 端，Bank 34/35 属于PL 端。Bank 34/35 是HR（high-range）Bank，支持1.2V、1.35V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V 及LVDS 等IO 电平标准；
  • XC7Z010 包含2 个CMT；
  • XC7Z020 比XC7Z010 多一个PL 端Bank 13（引出到底板J4 扩展口，所以J4 仅7020 可用）和2 个额外的CMT（共4 个）。

芯片的Bank IO 分布图在绘制原理图阶段就能规划各Bank 的IO 引出方式，避免PCB 走线阶段出现大量交叉线而返工：

图4.2.3 CLG400 封装的XC7Z010 的Bank IO 分布图

图4.2.4 CLG400 封装的XC7Z020 的Bank IO 分布图

芯片手册中还给出了IO 特性说明（区分PS 端MIO、DDR 时钟、普通IO、JTAG 管脚、时钟专用管脚SRCC/MRCC、电源管脚等）、内存分组和电源/GND 位置，这些资料均可在Xilinx 官方的ug865-Zynq-7000-Pkg-Pinout.pdf 手册中查到。

4. 底板与核心板外设速览

底板外设要点（按类别归纳）：

  • PL 侧基础外设：PL LED（默认控制信号经IO 口直连）、PL 按键（默认高电平，按下变低）、PL 复位按键（默认高，按下变低）、触摸按键TPAD（JL223B 芯片，触摸输出高、松开输出低）、有源蜂鸣器；
  • PS 侧基础外设：PS LED、PS 按键（按下变低）、PS 复位按键、USB 转串口（CH340，USB 供电最大仅500mA，跑ARM 建议用电源适配器）；
  • 通信类：RS232/RS485（复用IO，RS485 通信必须A 接A、B 接B）、CAN（CANH 接CANH、CANL 接CANL）、双千兆网口（PL 端用YT8531 芯片）、USB2.0（4 HOST + 1 SLAVE）、Micro SD（SPI/SDIO 驱动）；
  • 显示音频类：RGB888 LCD（1677 万色，支持触摸）、HDMI（无板载PHY 芯片，由PL 逻辑模拟实现）、ES8388 音频编解码；
  • 存储类：EEPROM AT24C64（掉电保存参数）、RTC PCF8563（报警/定时器/时钟输出）+ 电池、BOOT 模式选择开关（JTAG/QSPI FLASH/SD Card 启动）；
  • 测量扩展类：XADC 接口（测0~1V 外部模拟电压，也可测芯片内部温度电压）、40PIN 扩展口×2（72 个IO + 电源引脚）、ATK MODULE 接口（蓝牙/GPS/MPU6050 等模块）。

核心板外设要点：主控芯片、DDR3（既做大内存缓冲，也是PS 端运行内存）、6-PIN 下载接口、PL/PS LED、PL 端50MHz 晶振（PL 各种频率时钟都由它倍频/分频而来）、PS 端33.3333MHz 晶振、DONE 指示灯（PL 配置完成后点亮）、YT8521 PHY 芯片、QSPI Flash（存PS 程序数据和PL 配置镜像）、eMMC。

5. 软件资源：37 个PL 例程 + 43 个PS 例程

所有例程均为原创开发，注释详细、代码风格统一、难度由浅入深：

  • PL 端37 个例程：从流水灯、按键控制LED/蜂鸣器起步，进阶到PWM 呼吸灯、IP 核（PLL/RAM/FIFO）、UART 串口、RGB LCD/HDMI 显示、IIC 读写EEPROM、以太网、高速AD/DA、FIR 滤波、频谱仪等；
  • PS 端43 个例程：从Hello World、MIO/EMIO 控制LED 起步，进阶到中断、自定义IP 核、QSPI Flash/SD 卡/eMMC 读写、双核AMP、FreeRTOS、BRAM/DDR 数据交互、DMA、摄像头显示（OV5640/OV7725）、lwIP 网络实验、LVGL 界面等。

6. 开发板丝印详解

丝印是熟悉板子的捷径，分四类：

  1. 器件丝印：每个元器件的"身份证明"（如R17、R18），配合位图（从PCB 导出的元器件位置图）可以把原理图和实物对应起来：

图4.3.1 电阻位置示意图

  1. 引脚丝印：集中在扩展口上，每个引脚都标注了对应FPGA 引脚，做扩展实验时可直接按丝印分配引脚，不必翻原理图：

图4.3.2 开发板扩展口引脚丝印图

  1. 功能丝印：标注接口各信号的含义。以摄像头接口为例——GND（共地）、SCL/SDA（IIC 配置）、D0/D2/D4/D6（数据引脚）、PCLK（像素时钟）、PWDN（休眠信号），另一侧还有VSYNC（场同步）、HREF（行同步）、RST（复位）等：

图4.3.3 摄像头接口的丝印图

图4.3.4 摄像头模块

  1. 板名丝印：Logo 和板名。此外核心板和底板上还有方向丝印，防止插反：

图4.3.5 核心板和底板的连接方向丝印

7. 可搭配的外设

外设一：RGB LCD 液晶屏（领航者只支持RGB LCD，不支持MCU 屏）：

型号 尺寸 分辨率 触摸芯片 触摸点数
ATK-4384 4.3 寸 800×480 GT1151/GT911 5 点
ATK-7084 7 寸 800×480 FT5206/CST340 5 点
ATK-7016 7 寸 1024×600 CST340/FT5206/GT911 5 点
ATK-1018 10.1 寸 1280×800（IPS） GT9271 10 点

TFT LCD 的成像原理：背景光层发光→经薄膜晶体管控制液晶排列→折射到RGB 滤光层→滤出想要的RGB 颜色。所有例程兼容全部RGB LCD 屏。

外设二：摄像头模块，支持三种：OV5640 单目、OV5640 双目、OV7725。OV5640 的主要特点：1.4μm 像素+OmniBSI 技术（高灵敏、低噪声）、自动图像控制（AEC/AWB/ABLC/ABF）、SCCB 接口（兼容IIC）配置、支持RawRGB/RGB565/YUV/JPEG 等输出格式、最高QSXGA（500W）图像输出、支持自动对焦、自带嵌入式微处理器和有源晶振。

图4.4.5 OV5640 单目摄像头

外设三：双路高速AD 模块（ATK_DUAL_HS_AD）：转换速率50MSPS、位宽10 位、精度±0.9LSB。

图4.4.7 双路高速AD 模块

外设四：双路高速DA 模块（ATK_DUAL_HS_DA）：转换速率125MSPS、位宽10 位、精度±0.5LSB。

图4.4.8 双路高速DA 模块

外设五：高速AD/DA 模块：DA 速率125MSPS、AD 速率32MSPS、位宽均8 位，一块模块同时实现模数和数模转换。

初学者容易踩的坑

  1. 用USB 串口给整板供电跑大程序：USB 供电最大只有500mA，跑PS 端ARM 处理器或驱动屏幕/网口时电流不够，务必使用电源适配器（DC6~16V）供电。
  2. RS485/CAN 接线随意：RS485 必须A 接A、B 接B；CAN 必须CANH 接CANH、CANL 接CANL，接反会通信异常。
  3. 买错LCD 屏：领航者只有RGB LCD 接口，不支持MCU 接口屏；买屏幕时认准RGB 接口型号。
  4. 以为J4 扩展口都能用：J4 扩展口连接的是XC7Z020 独有的Bank 13，ZYNQ-7010 核心板无法使用。
  5. 分不清两颗晶振的用途：50MHz 是PL 端时钟源，33.333MHz 是PS 端时钟源，写逻辑时要用对时钟。
  6. 找不到引脚分配就慌：扩展口丝印已标出FPGA 引脚号，多数情况下无需翻原理图。

小结 & 下一步

本章认识了领航者ZYNQ 开发板的整体架构：核心板（7010/7020 两种配置，含ZYNQ 芯片、DDR3、QSPI Flash、eMMC、双晶振）+ 底板（LED、按键、蜂鸣器、串口、网口、LCD、HDMI、音频、扩展口等丰富外设）。我们学习了芯片Bank 划分与IO 分布的查看方法，了解了四类丝印的识读技巧，以及LCD 屏、摄像头、高速AD/DA 等可搭配外设。板载37 个PL 例程和43 个PS 例程由浅入深，是后续学习的路线图。

下一章将对开发板的硬件资源做更深入的详解，为第一个实验做好准备。

关系图谱

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