外接外设¶
常见接口或协议¶
小心损坏
注意：下面的各类接口只负责数据的传输，一般外设模块都另外需要连接电源（VCC）、接地（GND）引脚。 千万注意选择正确的电平/电压（一般为 CMOS 电平，注意 FPGA 只能连接 3.3V IO 电平的模块），并且避免短路、插反，不允许带电插拔，避免损坏芯片或 FPGA。
关于 UART/SPI/I2C 三种接口的介绍视频（搬运自 YouTube）：Bilibili。
Pmod 规范¶
Pmod（Peripheral Module Interface）是 Digilent 提出的，适用于各类开发板的接口扩展规范。它定义了引脚的物理外观、电气特性、接口定义等，能够兼容各类协议。遵循 PMOD 规范的外设能够互相兼容，减少了外设的复杂性。相关介绍可见：
- 博客介绍：http://xilinx.eetrend.com/d6-xilinx/article/2018-05/12915.html
- 接口规范：https://reference.digilentinc.com/_media/reference/pmod/digilent-pmod-interface-specification.pdf
各种常用的通信协议都被 Pmod 标准所支持，当然用户也可以自行规定引脚含义。实验板上共提供了 8 个标准 12 Pin Pmod 接口，用于连接外设模块，其供电电压与 IO 电平均为 3.3V。同时，相邻的 Pmod 接口可以用于连接宽体的模块，以提供更多 IO 信号。
在项目模板的 io.xdc 中定义了各个 Pmod 接口的引脚约束，其中 pmod_io[0] 到 pmod_io[3] 对应 Pmod 接口的 1-4 引脚，pmod_io[4] 到 pmod_io[7] 对应 Pmod 接口的 7-10 引脚，如上图。板子上的引脚旁标记了引脚编号，上面一排是 1-6，下面一排是 7-12。
UART 协议¶
通用非同步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter），又称为“串口”，一般有两个引脚（RX、TX）。每个引脚负责一个方向，两个方向异步发送，传送时不包含时钟，速率需要事先协定好（称为波特率/Baud）。可参考实现：
- https://github.com/z4yx/thinpad_top/blob/rev.3/thinpad_top.srcs/sources_1/new/async.v
- https://www.fpga4fun.com/SerialInterface.html
I²C 协议¶
I²C（Inter-Integrated Circuit），同步协议，一般有两个引脚：数据（SDA）、时钟（SCL），每个引脚都是双向的，在 FPGA 中需要使用特别的 三态数据类型（inout）。
按照规范，两根数据线均需要上拉电阻，可按照 此教程 开启 FPGA 片内相应引脚的上拉电阻。
一般来说，由发送方提供时钟，接收方需要在每次接受数据后进行应答。可参考 https://www.fpga4fun.com/I2C.html。
I²S 协议¶
I²S（Inter-Integrated Sound），一般用于数字音频传输，包含时钟（SCLK/BCLK）、帧使用（LRCK/WS）、数据（SDATA）。适合需要自定义音频的场合。如果只需要播放背景音乐等固定的音乐，建议直接购买 MP3 语音模块。
SPI 协议¶
SPI（Serial Peripheral Interface），同步协议，一般有四个引脚：时钟（SCK）、MOSI、MISO、片选（SSEL/CS）。
两个方向可全双工发送。由 master 端确定时钟速率。可参考 https://www.fpga4fun.com/SPI.html。
脉冲接口¶
最简单的接口，直接输出或输入脉冲信号（由高低电平变化表示）。如超声波模块中，使用一个信号线控制超声波的发射，经过一段时间后，另一个引脚会收到返回的脉冲。或者类轨迹球模块中，可计数一段时间内的脉冲个数，表示向某个方向移动的距离。
类 SRAM 接口¶
类似于 SRAM 或者内置 ROM IP 等的使用方法，可以是同步或者异步接口。包括（可选）时钟（CLK）、片选（CE）、读使能（RE）、写使能（WE）、地址、数据。
模块推荐¶
注意电平
以下的模块为我们推荐的型号，但选择时 并未确认模块的供电电压和 IO 电平，购买和使用前请务必查看手册或向店家确认 IO 电平为 3.3V，以免损坏实验板。
实验板对外可提供 5V/3.3V 的供电电源，如果模块需要其他电压的电源，需要自行购买 DCDC 模块以转换电源电压。
如果需要同时连接多个模块，建议购买 面包板，并自学其使用/回忆电子学实验内容，方便公用电源、地线。
选购之前请务必对所选的模块有 完整的了解，包括其功能、接口、通讯协议等，使用前必须 通读整篇文档或 datasheet！
Pmod 模块¶
下面列出的模块适用于实验板的 Pmod 接口。如需其他模块，也可先在各类电商平台搜索，实验板可以支持几乎所有 Pmod 模块。
| 功能 | 型号 | 协议 | 简介 | 购买链接 |
|---|---|---|---|---|
| 音频输入/输出 | WM8731 | I2S | 音频输入/输出模块 | 自制模块，请联系助教团队获取（原理图 样例代码） |
| 音频输入/输出 | MES-Linein-MIC/MES-Speaker | I2S | 音频输入/输出模块 | https://item.taobao.com/item.htm?id=762086873533 |
| 音频输入/输出 | PSI-PMOD-AUDIO-001 | AC97 | 音频输入/输出模块 | https://item.taobao.com/item.htm?id=616327384190 |
| 音频输出 | PMOD-AUDIO | I2S | 音频输出模块 | https://item.taobao.com/item.htm?id=617206846401 |
| NOR Flash | PMOD-SPI-NOR-FLASH | SPI | 16MB NOR Flash，可以用来存储数据 | 自制模块，请联系助教团队获取 |
| 无线通信 | PSI-EMOD-BLUETOOTH | UART | 蓝牙串口传输模块，可与手机连接传输数据 | https://item.taobao.com/item.htm?id=602102213182 （已下架） |
| 无线通信 | PmodBT2 | UART | 蓝牙串口传输模块 | https://www.mouser.cn/ProductDetail/Digilent/410-214?qs=s%2FdyVPQMB4z05kZmem7h5Q%3D%3D |
| 温度传感器 | PSI-EMOD-SENSOR-001 | 1-Wire | 基于 DS18B20 的温度传感器模块 | https://item.taobao.com/item.htm?id=616627001082 （已下架） |
| EEPROM 存储器 | PSI-EMOD-MEMORY-001 | I2C | 2K 字节 EEPROM 存储器，可方便地存储少量持久化数据 | https://item.taobao.com/item.htm?id=617136619926 |
| 摄像头 | PSI-EMOD-OV7670 | 并行 | OV7670 摄像头模组，较低分辨率（30 万像素，640x480），适合 FPGA 使用 | https://item.taobao.com/item.htm?id=625385869412 （已下架） |
| 摄像头 | PMOD_CAM_5M | 并行 | OV5640 摄像头模组，500 万像素（2592x1944） | https://item.taobao.com/item.htm?id=524514493918（已下架） |
| 摄像头 | PMOD-CAMERA | 并行 | OV2640 摄像头模组，200 万像素（1622x1200） | https://item.taobao.com/item.htm?id=710247485191 |
| 颜色传感器 | PMOD COLOR MODULE TCS3472 | I2C | TCS3472 颜色传感器 | https://item.taobao.com/item.htm?id=712469416493#detail（已下架） https://www.mouser.cn/ProductDetail/Digilent/410-348?qs=f9yNj16SXrJeCy%252BYmMCoTQ%3D%3D |
| 旋钮 | PMOD ENC ROTARY ENCODER | Rotary Encoder | N/A | https://www.digikey.cn/en/products/detail/digilent-inc/410-117/4090075 |
此外，可以前往以下店铺，尝试发现更多 Pmod 模块，注意其中部分模块的功能实验板已经内置，请勿重复购买。
一些 PMOD 模块在 PCB 上标明了引脚的信号名称。如果没有的话，可以询问商家获取文档，找到其中的原理图，根据原理图就可以知道 PMOD 各个引脚对应的信号名称。
传感器类¶
下面的模块需要使用杜邦线，手工连接到实验板的 GPIO 接口上。
| 功能 | 型号 | 接口 | 简介 | 购买链接 |
|---|---|---|---|---|
| 运动、姿态传感器 | JY901S | UART | 三轴向加速度、陀螺仪、角度、绝对方向传感器，自带滤波 | https://item.taobao.com/item.htm?id=634627673077 购买时联系卖家焊好排针 |
| 激光测距 | VL53L0X | I2C | 激光 ToF 测距，量程 3~200cm，精度 3%，测量时间 20ms | https://detail.tmall.com/item.htm?id=609293677802 |
| 超声测距 | —— | 脉冲 | 精度较低，量程大，可根据需求选择型号 | https://detail.tmall.com/item.htm?id=12632417946 |
| 手势传感 | PAJ7620U2 | I2C | 可识别上下左右挥动、顺时针、逆时针旋转等手势 | https://detail.tmall.com/item.htm?id=569499698342&skuId=4401524435517 |
模拟接口类¶
下面列出一些常用的模拟接口，主要为音频输入、输出相关模块。
| 功能 | 型号 | 接口 | 简介 | 购买链接 |
|---|---|---|---|---|
| 蜂鸣器 | —— | —— | 无源蜂鸣器，可以直接用 FPGA IO 引脚播放简单的频率，产生音乐 | https://item.taobao.com/item.htm?id=12773366240 |
| 音频播放 | VS1053B | SPI | 自带 TF 卡槽，可以由 SPI 控制，播放其中的 mp3 音乐，或录制一段音频 | https://detail.tmall.com/item.htm?id=604374710689 |
| 音频播放 | MP3-TF-16P | UART | 自带 TF 卡槽，由串口控制播放音乐 | https://item.taobao.com/item.htm?id=555798813610 |
| 小喇叭 | —— | —— | 配合上面的音频播放模块一起购买 | https://item.taobao.com/item.htm?id=542182665254 联系卖家，接口改成杜邦线 |
无线通信¶
汇承 HC-12 433MHz 无线通讯（UART 串口透明传输，可理解为无线的串口线）。 必须成对购买，两端直接连接到 UART 接口，不需要其他硬件：https://detail.tmall.com/item.htm?id=41299178593。
非板子的一侧，需要准备一个充电宝供电，并购买 https://detail.tmall.com/item.htm?id=43037505556 等类似模块，方便连线。
调试方法¶
可以购买模块供 PC 调试相应的协议使用（强烈建议购买外设时搭配购买，能极大地方便调试工作）：
- CP2102 模块（UART 串口转 USB）：https://detail.tmall.com/item.htm?id=41337916197&skuId=4141815325445
- 逻辑分析仪（类似示波器，可解码任何数字协议，但不能发送数据）：https://item.taobao.com/item.htm?id=587348570376 （已下架）
如果有不同接口调试需要，建议另行购买单片机（如 Arduino）进行。在使用中如果遇到问题，建议使用 ILA/逻辑分析仪采集信号进行观察。
注意事项¶
- 购买任何物品记得开发票（除非不需要报销）。发票抬头：清华大学，税号：12100000400000624D。
- 购买模块时，记得让店家帮忙 焊好排针。自己选择模块时，要注意选择 2.54mm 间距排针/排母接口的，或者同时向店家询问，购买将模块接口转换成杜邦线的转接线，以免无法连接。
- 购买足够的杜邦线，在长度和数量上留出裕量，反正也很便宜。注意不要买错极性（即公母），以及间距（2.54mm），建议直接购买大量母 - 母、公 - 公线缆，确保足够。
- 使用任何芯片前，仔细阅读附带的文档（datasheet），尤其是时序图相关部分。寻找文档时， 优先使用 Google，寻找相应主芯片的英文手册。建议有条件的先行使用 PC 进行调试，确保芯片功能完好并掌握时序后，再上板使用。一些可能需要的工具模块已经在上面列出。推荐使用“串口助手”等软件进行辅助调试，也可用 Python 等语言的相关第三方库进行，可自行搜索。
- 芯片需要的 VCC、GND 一般可以直接从实验板获得。如果带不动（比如表现诡异或者无响应，尤其是音频播放模块较为耗电），则需要额外供电，请一定联系助教确认。
- 如果对于自己选择的模块、连线方式有疑问，请务必在购买前 联系店家或助教确认，以免耽误开发时间。
FAQ¶
这里会记录同学们的常见问题，和助教的回答。
杜邦线是否可以接得很长？
可以，但是要注意以下几点：线路上的电流不能过大（如音频模块的电源、地线），信号频率不能过高（建议低于 1MHz），需要妥善保护连接处避免线路中断。如果需要很长的线缆，建议直接购买长杜邦线，或考虑使用无线传输。
使用充电宝对无线传输的模块供电，需要注意的事情？
充电宝通常输出电压均为 5V，需要检查被供电的所有模块的电压范围，如果均可以接受 5V 供电，可以直接购买 USB 公头转杜邦线的模块进行供电，否则需要购买 USB 接口的稳压模块等，以转换电源电压。这些模块推荐到淘宝 Telesky 旗舰店选购。