知らなくてヤバかった！初心者が FPGA 評価キットを使って 7seg 時計作ってみた #1 <仕様書・基板作成編> - 半導体事業

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設計 FPGA/CPLD/ASIC Intel® Programmable Solutions Group (現 Altera Corporation)

どうも初めまして。

マクニカ 2022年度新卒社員の無知無知くんです。

電気電子工学科卒ですが、回路図読めない、半田怖い、プログラミングできない、が私の初期状態。

FPGA について全くの初心者である私が、今年の夏新人研修の製作実習を無事に終えることができました。

ここでは、実習内容を振り返りながら今だからわかる事前に知っておけば良かったことを再確認し、[過去の自分への教訓] にしたいと思います。

では、3ヶ月間の奮闘っぷりをご覧ください。

はじめに

無知無知くんが FPGA を使用して作成したモノは、"7セグメント LED 時計" です。

「こんなミスあったな、懐かしい」または「ちょうどここ分からなかった」など、人によって感想は様々だと思いますが見ていただけると幸いです。

ちなみに、そもそも FPGA って何？という方は、先輩の記事『FPGAとは？超初級編』をご覧ください。

▶ 関連コンテンツ:　これからはじめるインテル FPGA

製作物の紹介

まずは完成した 7セグメント LED 時計 (以下７seg 時計) をご覧ください。

★ 写真をクリックすると
動画が再生されます

0~12時の間は左側の顔が表示されます。
ボタンを押すと右側の困った顔に。

それ以降の時間では通常で左側の顔。
ボタンを押すとニッコリ笑顔です。

7セグメント LED は、通常時 14:30 のように時:分が4桁で表示されますが、
プッシュボタンを押している間だけ、下2桁が秒の表示に切り替わります。

そして、ドットマトリクス LED には顔が表示され、７セグの時刻に応じた表情を見せてくれます ❤

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使用した部品と開発ソフトウェア

7seg 時計を作成した部品や開発ソフトウェアは、次のとおりです。

部品

インテル® Cyclone® 10 LP 評価キット

EK-10CL025U256
※ メーカーの Web ページはこちら

7セグメント LED

OSL-40562-IG

ドットマトリクス LED

MOA20UB019GJ

ユニバーサル基板

PICOK 400A 94V-01521
(横113mm、縦156mm)

プッシュボタン

コネクター(pitch: 2.54mm)

抵抗、トランジスター

など

開発ソフトウェア

インテル® Quartus® Prime Lite Edition 21.1
Questa* - Intel® FPGA Starter Edition 2021.2

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実習課題と計画

この製作実習で出された課題は 2つありました。

　① ハードウェア言語で動作させること

　② Nios® II ソフトコア・プロセッサーを使用し、ソフトウェア言語で動作させること

実施内容は、下図のとおりステップごとに分かれていました。

無知無知くんは、わからないながらも考え、
時計表示をハードウェア言語で、ドットマトリクス LED の制御を Nios® II に実行させることにしました。

そして早速、7seg 時計の開発の土台となるステップ 1. 仕様書作成に取り掛かりました。

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仕様書を作成

仕様書には、7seg 時計の概要や動作仕様の詳細の他、部品表、ピンリスト、接続図などを書きました。

GPIO のピン番号を特定

7seg やドットマトリクス LED などは自作する拡張基板に搭載し、

Cyclone® 10 LP 評価キット上の GPIO ピンソケットと接続します。

そのため、"Cyclone® 10 LP のユーザー I/O ピン" と "GPIO ピンソケットのピン" の配置を

調べる必要がありました。

早速、無知無知くんはインテル社の公式 Web サイトから回路図を入手しました。

ctrl キー + F で評価キットの回路図に書かれたピンレイアウトから GPIO を探しまくり、ヘッダーのどこに対応しているかを調べました。

調査の結果、GPIO ピンソケットの GPIO として使えるピンは 35 本と判明。

拡張基板に乗せる全ての部品のピン数が、35 以下だったら OK とわかり、いざ部品調達へ！

今は簡単にネット注文ができますが「実際にモノを見て手に取って勉強して来い」との先輩の命令、いやアドバイスにより、秋葉原という未知の領域へ足を踏み入れた無知無知くんでした。

接続図を作成

買ってきた部品を GPIO ピンソケットのどのピンにつなげるかを考え、接続図を作成しました。

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半田づけ

ビビってこのお方とは距離を置いていたのですが…、目が合っちゃいました。

ロックオンされたらヤルしかなく…

はいー！

接続することだけ考えた結果、このような配線になりました！！

なんでこんなぐちゃぐちゃ空中配線をしてしまったんだろうかって

今なら思えます。

しかし、このときは達成感で満たされていましたねぇ。

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そんなこんなで、ステップ 1 の課題を終えました。

振り返ってみると...

知らなくてヤバかったこと

知らヤバ 1. ピンと部品の接続関係

実は、評価ボート上の Cyclone® 10 LP の I/O ピンと GPIO ピンソケットのピンの接続関係、そして GPIO ソケットと自作基板上の部品とのピンの相関関係がわかっていませんでした....

GPIO、はいはい、見つければいいのね　　　　　　　 →　次何するの...?

部品のピンと I/O ピン、どこをつなげるか決めるのね　→　次何するの...?

"次何するのマン" になってしまった無知無知くん。

なぜなら、"GPIO と拡張基板の部品を配線するだけで、Cyclone® 10 LP の各 I/O ピンが各部品へつながる" という根本的な部分を理解していなかったのです。

Cyclone® 10 LP の評価ボードは FPGA と GPIO ピンソケットの各ピンがすでにつながっているので、自分は 7seg LED などの部品の各ピンと GPIO ピンソケットのピン、"どこ" と "どこ" を接続するか決めれば良いだけだったんですよねー。そこに時間がかかってしまいました。