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
