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2014年7月

ZYNQのAD変換ボード、やっと出図

2014.07.31

半年くらい設計していたZYNQのAD変換ボードをやっと出図できました。

Np1068_all

スペックは、

  • 12bit 125MHz ADC 8ch (最大32chまで拡張)
  • アナログ入力のフルスケールは±1V
  • 2次のバターワースフィルタ入り(たぶん)
  • 拡張基板へ行くディジタル信号は全部で10
  • 基板サイズは、88mm×175mm
  • DDR3メモリ1GB
  • GTXトランシーバを2ch
  • PCI Express Gen2対応
  • ギガビットイーサ & PoE対応
  • USB3.0搭載
  • ZYNQQSPI ROMからブート可能
  • SDカード搭載
  • Serial ATA Gen3対応
  • デバッグ用USB-UART
  • 汎用ディジタルポート 8
  • 5V単一電源またはPoEで動作

となりました。なんだか、特電の集大成のようなボードになりました。とにかく、苦労しました。詰め込めるだけ詰め込んだので、一発で動けばいいのですが・・。

名前を何にしようか悩んでいるところですが、Cosmic AnalyzerとかCosmo Zとか、そんな名前にしたいと思います。

 

アナログ部は、今作っている18bit ADCでDNLやINLを減らしたり、ゲイン誤差を抑えるノウハウを獲得したので、そのノウハウをふんだんに盛り込みました。

ただ、PCI ExpressのGen2対応とか、SATA3対応とかは、やってみないとわかりません。そもそもPCI Express Cablingなので、x1でGen2に対応したケーブルやPC側のボードがあるかどうかもわかりません。まぁ、ディジタル部は「おまけ」みたいなものなので、このボードの本質的なところではありません。

 

このボードはどういう用途を想定しているかというと、最初の応用例は、光電子増倍管を多数つなげるような事例です。

このボードに拡張ボードを挿せば、1セットあたり32個の光電子増倍管からの信号を受けられます。2セット、3セットと増やしていけば、とてもたくさんの光電子増倍管からの信号を受けることができます。

そして、パルス波形をリアルタイムにFPGAで処理して、イベントが起きた時刻と、パルスの幅、高さなどの特徴量に抽出して、それをひたすら記録していきます。私はパルスの形状から特徴量を抽出するところは、Vivado HLSを使ってC→VHDLの高位合成を試してみたいと考えています。

もちろん、素粒子物理学の計測だけではなく、XILINXのGTXを使ったギガビットデータ転送の実験にも使えます。100MHz程度でサンプリングした最大32chのデータをリアルタイムに処理できるので、マルチパスの無線やフェーズドアレイレーダの開発などにも使えるのではないかと思っています。

sun

来週の金曜日。8月8日には生の基板が出来上がってきます。それを基板屋さんに即日届ければ、8月12日に最初の1枚の実装が仕上がるとのことです。

早く動かしてみたい。楽しみです。

ZYNQのADCボードの設計が大詰め

2014.07.28

ZYNQ搭載のADCボードを開発しています。

仕様は、

  • ZYNQ7030
  • 125MHz 12bitADCが32ch
  • DDR3メモリ1GB
  • SATA3
  • PCIe Gen2x1
  • 汎用GTX×4
  • SDカード
  • GbE&PoE

というものです。LinuxとWebサーバを搭載していて、計測データがWebブラウザ経由で見れたり、FTPで取ってこれるという測定器を目指しています。

今日、ついに、すべてのネットがつながって、UnroutedやShort CircuitなどのViolationがなくなりました。きっとこの状態で出図しても動くのでしょうが、せっかくだからもう少し開発を続けます。

今日、昼の2時くらいの状態。

Zynqadc_0728_1

ここで、右下の空いた箇所に、PCI ExpressのExternal Cablingコネクタを詰め込みました。その結果、USBコネクタが少し上にずれました。

Zynqadc_0728_2

上の図が夕方の状態。家に帰ってからも作業続行です。

そして、夜の状態。

Zynqadc_0728_3

MGT用に1.0Vと1.2Vのスイッチング電源を追加して、PCI Expressの配線を通して、スイッチング電源を移動させて、真ん中に大きな空白を作りました。この空いた場所に、EZ-USB FX3を詰め込みたいと思います。

もう、なひたふの工数を1人月以上かけている気がしますが、せっかくだから完璧を目指したいものです。

Zynqadc_0728_4

早く会いたい!

ZYNQ ADボードの設計続き

2014.07.14

月曜日の動かない頭を動かそうと、ウォーミングアップのつもりで配線を引いていたら、こんな時間になってしまいました。

Zynqad_0714_1

1.0Vのコア電源とかもつなぎ終わり、未配線はあと35本となりました。

でも、ここから先が結構大変なんです。何種類もある電源をどうするか決めていなかったところもあるし、PCI ExpressコネクタやUSB3.0コネクタとかいろいろあります。

もう一頑張り!

ZYNQ ADCボードのイーサとGTXの配線

2014.07.08

今夜もZYNQ ADCボードのイーサとGTXの配線をしました。

Zynq_adc_0708
ギガビットイーサには12本の信号と、2本のMDIO、それからRESETとINITで、全部で16本の配線があるようです。このZYNQは図の左上のほうからイーサの配線が出てくるので、画面右にあるギガビットイーサのPHYにつなぐにはDDR3を迂回するしかないと思っていました。

DDR3を迂回すると距離が延びるので200MHzくらいの信号では不安・・・そんな風に考えていたのです。

しかし、やってみると、ZYNQの下をすいすい通せるではないですか!

そういうわけで、イーサの端子からPHYまではほぼ一直線に引けました。

Zynq_adc_0708_2

それから、ギガビットトランシーバGTXの配線です。

コンデンサが多くて嫌になるかと思いきや、意外とあっさりと引けました。

Zynq_adc_0708_3

慣れてくると目でみただけで特性インピーダンスがわかるようになりそうです。

 

おっと! うっかりPCI Express Cablingの配線を削除してしまいました。PCIeをもとに戻そうかと思ったのですが、USB3.0を乗せようと思っているので、PCIeを置くスペースがもうない。

右下にあるSDカードの裏には、PCIeか、USB3.0か、どちらか一方しか置けません。

Zynq_adc_0708_4

もう、こうなったら、PCIeでも、USB3.0でもいいので、縦に出てくるコネクタを探すことにします。

ZYNQ搭載のAD変換ボードの設計を再開

2014/7/7

4月半ばで止まっていた「ZYNQ搭載ADCボード」の設計を再開しました。

いま、こんな感じです。

Np1068_0707_2

この2日間で、

  • 各種電源回路の配置・配線
  • コンフィグ回路の完成
  • DDR3の配線の完成
  • PoE回路の完成
  • 右下のほうに余白を作る

を行いました。

右下のほうに余白を作ったのは、ここにUSB3.0を乗せるためです。

125MHzでサンプリングした8chのADCデータをリアルタイムにUSB3.0で取り込みできるようになります。といってもUSB3.0じゃ帯域がたりないので、ZYNQでデータ処理したものを取り込むことになると思います。

あと、

  • Gigabit Etherの配線
  • GTXの配線とSATAの配線
  • GTXの電源を作る
  • システム全体の電源のみなおし
  • USB3.0コントローラの搭載
  • 配線のインピーダンス整合や、等長配線
  • シルクの見直し

といった作業が残っています。基板の出図までにはあと1週間くらいかかりそうです。

 

 

※6月と5月の日記はありません。何もしていなかったようです。反省。


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