一种基于MisTerFPGA技术的IO板的制作方法

一种基于mister fpga技术的io板
技术领域
1.本实用新型涉及集成电路技术领域，具体为一种基于mister fpga技术的io板。


背景技术：

2.mister是一个基于fpga技术的开源项目，旨在使用目前世界上先进的电路仿真技术重现各种经典计算机系统的原始硬件及电路结构，例如pc486、apple ii、altair、super nintendo entertainment system和sega mega drive等等，此项目对于体验和研究这些经典计算机系统上的一些经典软件程序具有一定的价值，目前已经可以完美的重构几十种计算机系统，mister采用了terasic公司生产的de10
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nano fpga开发板作为基础，此开发板板载一颗cyclone v soc fpga 5cseba6u23i7芯片以及一颗arm cortex
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a9 处理器，其基本的io接口包括1个microsd卡插槽、1个hdmi2.0数字接口、1个rj45千兆以太网接口、1个usb micro
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ab 2.0 on
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the
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go接口（以下简称usb micro otg）、一个usb
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uart接口、一个usb blaster接口和2个gpio接口，可以用于拓展更多io接口，通过这些io接口可以驳接鼠标、键盘、操纵杆和其他控制器等外围设备，它可以使软件程序能够像在真实的硬件上一样运行，相对于目前的一些虚拟机和模拟器具有更加精准的运行结果和更加高效的计算效率。为了更加真实的还原这些经典计算机系统的真实运行情况以及实际的操作方式mister通过de10
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nano fpga开发板上的gpio1接口拓展了一块128mb的sdram内存板，可以允许程序在140mhz的低速频率下运行实现更加精准的运行，同时在第二gpio接口上拓展出一块额外的io板，此板的作用是进一步的拓展mister的输入输出功能增加了3.5mm立体声接口以及光纤音频输出接口以及模拟综合输出接口并增加了散热风扇以及三个功能按键。
3.目前的mister的硬件电路设计在usb设备输入部分存在严重缺陷，输入部分的问题在于mister所采用的de10
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nano fpga开发板仅有1个usb micro otg接口，在使用者想要同时接入多个usb设备（比如鼠标键盘移动硬盘等）的时候，不得不选择外接usb hub来拓展usb接口数量，但是由于usb2.0协议规范中“总线供电”模式下所接入的usb设备最多只能获得0.5a的电流，实际使用中经常会出现很多问题。比如，接入的usb设备过多时供电不足造成的设备工作异常，接入大功率usb移动硬盘等设别时供电不足整机无法启动，外接的usb hub设备连接线容易松动，经常拔插外置usb hub还有损坏开发板上唯一的usb micro otg接口，导致昂贵的de10
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nano fpga开发板报废的隐患，复杂繁琐的接线方式也占用更多额外空间影响美观等等问题。此外现有的fpga开发板上层通过第二gpio接口上拓展出一块额外的io板，底层可选配一个额外定制的usbhub模块，此模块虽然解决了外接usb hub接线麻烦存在损坏de10
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nano fpga开发板usb micro otg接口的隐患问题，但是依然采用“总线式供电”没法根本解决供电不足造成的问题，总共有三层结构，整体的体积较大，三层结构占用空间大，功能模块较为散乱，集成度和稳定性较低，增加了生产加工制造组装上的复杂程度，进而增加了整体的生产用料和制造成本。


技术实现要素：

4.本实用新型目的在于提供一种基于mister fpga技术的io板，能够外接多个usb设备且供电稳定，占用空间较小，具有较高的集成度和稳定性。
5.为达成上述目的，本实用新型提出如下技术方案：一种基于mister fpga技术的io板，io板的底部设置有母板，母板为de10
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nano fpga开发板， io板上集成有usb hub模块，usb hub模块包括若干usb接口和一个usb hub芯片，所述usb接口和usb hub芯片设置在io板上，所述fpga开发板上gpio口中的电源针脚对usb hub模块进行供电。
6.进一步的，在本实用新型中，所述电源针脚为第二gpio接口提供+5v供电针脚。
7.进一步的，在本实用新型中，所述io板设置有视频信号解码芯片，视频信号解码芯片用于将原始的rgbhv信号合成输出为标准的ntsc/pal试制的rgbs视频信号、色差yprpb视频信号、复合视频信号以及s
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video视频信号，此信号将可以安全稳定的接入普通的显示设备。
8.进一步的，在本实用新型中，所述io板包括板卡基座，所述板卡基座为印刷电路板，所述板卡基座设置有功能按键，所述板卡基座的中部安装有散热风扇，所述散热风扇的两侧设置有风扇接口和风扇调速开关，所述风扇接口用于连接风扇，所述风扇调速开关对风扇档位进行控制，所述板卡基座的右端还设置有serial串口接口、模拟音频接口和综合输出接口，所述板卡基座上还设置有视频输出切换开关，用于视频输出的转换控制。
9.进一步的，在本实用新型中，所述usb接口为四个，四个usb接口分别为第一usb接口、第二usb接口、第三usb接口和第四usb接口，所述第二usb接口和第三usb接口位于板卡基座顶部的左端，所述第一usb接口和第四usb接口位于板卡基座顶部左端的两侧。
10.进一步的，在本实用新型中，所述io板上设置有usb micro otg接口a，母板上设置有usb micro otg接口b，usb micro otg接口a通过usb桥接器连接usb micro otg接口b，母板上还设置有主fpga芯片、电源接口、内存板、usb
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uart接口、rj45以太网接口、hdmi接口、usb blaster接口、第一gpio接口、第二gpio接口和microsd插槽。
11.有益效果，本申请的技术方案具备如下技术效果：
12.1、本实用新型将usb hub功能集成到io板中，统一io板和usb hub部分供电线路，彻底的解决了usb设备接入因供电不稳定产生的各种问题，提高了外接usb设备运行的稳定性和可靠性，集成后的使用方式更加简便可以做到即插即用，而无需对使用者做额外的说明。
13.2、本实用新型增加了rgbs视频信号、色差yprpb视频信号、复合视频信号（composite video signal）以及s
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video（separate video）视频信号输出功能，大大的拓展了产品使用的场合。
14.3、本实用新型相对于现有的产品具有高度的集成度和稳定性，将原本零散的几个功能模块系统的整合在一起，又优化了整个产品的空间更加便于携带和放置，极大的提高了使用者操作上简便性，在增加了功能的同时减少了尺寸和体积，降低了生产加工制造组装上的复杂程度，减少了整体的制造用料和成本。
15.应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。
16.结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方
面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
17.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
18.图1为本实用新型母板和io板连接后的立体结构示意图。
19.图2为本实用新型母板和io板连接后的立体结构示意图。
20.图3为本实用新型io板结构示意图。
21.图4为本实用新型io板结构示意图。
22.图5为本实用新型母板结构示意图。
23.图6为本实用新型部分电路示意图。
24.图6a为本实用新型图6部分电路示意图。
25.图6b为本实用新型图6部分电路示意图。
26.图6c为本实用新型图6部分电路示意图。
27.图6d为本实用新型图6部分电路示意图。
28.图7为本实用新型部分电路示意图。
29.图8为本实用新型部分电路示意图。
30.图9为本实用新型部分电路示意图。
31.图中，各附图标记的含义如下：1、板卡基座；2、散热风扇；3、风扇调速开关；4、风扇接口；5、serial串行接口；6、音频接口；7、综合输出接口；8、视频输出切换开关；9、视频信号解码芯片；10、功能按键；11、usb micro otg接口a；12、第一usb接口；13、第二usb接口；14、usb hub芯片；15、第三usb接口；16、第四usb接口；17、母板；18、电源接口；19、hdmi接口；20、usb blaster；21、第二gpio接口；22、rj45以太网接口；23、usb
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uart接口；24、usb micro otg接口b；25、内存板；26、第一gpio接口；27、主fpga芯片；28、usb桥接器；29、microsd插槽。
具体实施方式
32.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
33.如图1
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5所述的基于mister fpga技术的io板，其中io板包括板卡基座1，板卡基座1为印刷电路板，io板在使用时，io板连接有母板17，本实施例的母板17为de10
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nano fpga开发板。
34.如图1
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3所示，io板的左侧区域集成有usb hub模块，并同时使用de10
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nano fpga
开发板上gpio口中的+5v电源针脚进行供电，usb hub模块包括第一usb接口12、第二usb接口13、第三usb接口15、第四usb接口16和usb hub芯片14，第一usb接口12、第二usb接口13、第三usb接口15、第四usb接口16和usb hub芯片14均设置在板卡基座1上，其中优选的排布方式为第一usb接口12、第二usb接口13、第三usb接口15、第四usb接口16均位于板卡基座1的顶部，且第二usb接口13、第三usb接口15位于板卡基座1顶部的左端，第一usb接口12和第四usb接口16位于板卡基座1顶部左端的两侧，方便连接的同时也不占用下部空间，更加合理的利用母板17顶部的空间，实际测试中此项改良可以在外接大功率usb设备（如usb机械移动硬盘）时保持稳定的运行，同时此改良也将usb hub功能首次集成至mister的io板中不再需要单独外接usb hub使用，大大的提高了整体的功能完整性、稳定性、使用便捷性以及整体美观度。可以知道的是，将usb hub功能集成到io板中，统一io板和usb hub部分供电线路，彻底的解决了usb设备接入的各种问题，提高了外接usb设备运行的稳定性和可靠性，集成后的使用方式更加简便可以做到即插即用，而无需对使用者做额外的说明。
35.io板的右侧区域进行了如下的布局设计，板卡基座1的中部安装有散热风扇2，散热风扇2的两侧设置有风扇接口4和风扇调速开关3，风扇接口4用于连接风扇2，风扇调速开关3对风扇2档位进行控制，此外，板卡基座1的右端还设置有serial串行接口5、音频接口6和综合输出接口7，其中综合输出接口7类型可以为s
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video接口，进而可以连接一些老式电视机或者显示设备。板卡基座1，io板上设置的散热风扇2负责给fpga芯片和整机散热，serial串行接口5用于连接以串行数据传输的控制器；音频接口6提供3.5cm\光纤音频输出；综合输出接口7输出各种模拟视频信号以及模拟音频信号；板卡基座1上还设置有视频输出切换开关8，用于切换综合输出接口7中4种模拟视频信号类型。
36.在使用过程发现，现有的设备视频输出部分不够完善，现有的mister视频输出部分仅提供hdmi数字信号输出和rgbhv模拟信号输出，但是对于很多的计算机系统其原始的视频输出还包括复合视频信号（composite video signal）输出以及s
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video（separate video）信号输出，这对很多希望能完整的体验这些经典计算机系统运行原始效果的用户来说是一种功能上的缺陷，目前来说需要这些信号输出的用户只能额外去选择市面上效果并不好的视频转换器进行转码，其带来很多的画质损失。因此在板卡基座1上还设置有视频信号解码芯片9，视频信号解码芯片9用于将原始的rgbhv信号合成输出为标准的ntsc/pal试制的rgbs视频信号、色差yprpb视频信号、复合视频信号（composite video signal）以及s
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video（separate video）视频信号，此信号将可以安全稳定的接入普通的显示设备。增加了rgbs信号、色差yprpb信号、复合视频信号（composite video signal）以及s
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video（separate video）信号输出功能，大大的拓展了产品使用的场合。
37.视频信号解码芯片9n能够将低解版中原始的模拟视频信号进行解码输出多种模拟视频信号，板卡基座1还设置有三个功能按键10，三个功能按键10完成一些基础的操作：比如冷重启、系统核心复位、菜单、蓝牙连接、控制器按键功能映射等；io板上设置有usb micro otg接口a 11，母板17上设置有usb micro otg接口b 24，usb micro otg接口a 11通过usb桥接器28连接usb micro otg b 24。
38.母板17上还设置有主fpga芯片27、电源接口18、额外接入的内存板25、usb
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uart接口23、rj45以太网接口22、hdmi接口19、usb blaster 接口20、第一gpio接口26、第二gpio接口21和microsd插槽29。
39.主fpga芯片27负责硬件电路仿真运算，电源接口18用于接入主供电+5v电源，内存板25配合主fpga芯片27进而使得设备以最高140mhz的频率工作，usb
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uart接口23可以使设备与电脑usb连接进行数据传输，rj45以太网接口22可以提供联网连接、ftp、smb、nas等网络功能，hdmi接口19可以输出数字视频、音频信号，usb blaster 20用于程序烧录、调试、dbug等，第一gpio接口26用于连接拓展的sdram内存板，第二gpio接口21用于连接io板，microsd插槽29用于安装microsd卡存储系统和程序数据。
40.其中图6
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图9示出本实施例中的电路示意图，图6为了更清晰的表达，将图6分割为6a、6b、6c和6d，图6电路表示的是io板与de10
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nano fpga开发板通过第二gpio接口21连接的部分，即对第二gpio接口21中的信号进行处理分离出原始的模拟视频（rgbhv）信号、模拟音频信号、工作状态指示信号、serial串口数据传输信号、+5v供电的电路示意图。图7电路表示的是io板中集成的usb hub部分电路结构，其+5v供电部分由de10
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nano fpga开发板上第二gpio接口21中提供，提供4个usb接口。图8电路表示的是io板中视频解码部分，通过ad724解码芯片将第二gpio接口21中分离出来的原始模拟视频信号（rgbhv）进行调制合成，输出符合ntsc\pal试制规范的rgbs视频信号、色差yprpb视频信号、复合视频信号（composite video signal）以及s
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video（separate video）视频信号，并通过一个4路开关切换输出信号类型。图9电路表示的是io板上模拟视频、模拟音频输出的接口，此接口采用s
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video（mini din10p）型号母座可以同时传输10路信号，负责将io板中生成的rgbs视频信号、色差yprpb视频信号、复合视频信号（composite video signal）以及s
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video（separate video）视频信号、模拟音频信号输出去。
41.工作原理（实际使用过程）：使用者在获得本实施例中的de10
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nano fpga开发板、内存板以及io板之后即可开始组建一套完整的mister fpga系统，分别将内存板25以及本io板插入de10
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nano fpga开发板上的gpio1接口 26、第二gpio接口21，并用usb桥接器28连接io板上的usb micro otg接口a 11以及de10
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nano fpga开发板上的usb micro otg接口b 24，然后将hdmi数字信号线接入hdmi接口19用来连接液晶显示器或者液晶电视等显示设备，同时使用者也可以根据使用情况选择模拟视频音频信号线接入io板上综合输出接口7来连接crt彩色监视器或者crt电视机等显示设备，将装好系统、内核程序、用户资料的microsd卡（exfat格式）插入microsd插槽29，装好内核程序、用户资料的移动硬盘或者u盘插入io板中4个usb接口（exfat格式，仅作为数据存储扩充设备，非必须部件），将键盘、鼠标、控制器、蓝牙适配器、wifi适配器等设备接入4个usb接口上（根据使用者具体的使用情况选择接入需要的设备），最后将+5v（额定电流2a或者更高）供电电源接入de10
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nano fpga开发板上的电源输入接口18，此时显示设备上将显示出mister开机画面，然后利用io板上的三个功能按键进行蓝牙设备的配对以及控制器的按键功能映射，之后就可以通过鼠标键盘或者控制器进行操作选择具体的内核程序进行加载运行，在使用中使用者还可以通过rj45以太网接口或者wifi无线网卡连接路由器并通过电脑采用ftp或者smb等方式对接入mister的microsd卡和移动存储设备进行读写操作，使用完毕后断开+5v供电电源。
42.和虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。