一. 简介 哈喽，大家好，在前面的一些设计中，本人使用的最多的是ESP32和STM32作为主控的项目，例如AuroraFOC/Ebullient这两个项目，但是作为以FPGA开发为主的工程师，一直没有发布以FPGA作为主控的项目，感觉这样不是特别好，毕竟大家关注是为了学习FPGA相关的知识，主要原因有一下两点吧: 成本太高: 一片FPGA芯片的价格基本上是单片机10倍以上，另外PCB设计中至少采有6层以上的设计，6层以上PCB的生产费用嘎嘎高。 PCB设计难度太大: 会涉及到高速信号的设计，例如DDR3，另外上电时序也需要控制、散热问题等等，有一个环节出现问题，可能就会导致不能够正常使用，报废率较高。 但是为了回归FPGA主题，让大家学习FPGA的时候能够接触更多有趣的项目，所以我决定花些功夫设计一款ZYNQ7020核心板: Ethereal，后续项目将使用此板作为主控板进行设计。 二. Ethereal来源 对比了 正点原子, 黑金，米联客等几家的ZYNQ7020核心板，它们都有一个共性: 需要搭配底板才能使用，这一点我觉得不太友好，对标的用户应该是企业，而不是我们普通学者。 所以我打算结合我的使用习惯，使得大部分普通用户使用起来更加方便。通过颜值选择了正点原子的ZYNQ7020核心板(产品图如下)作为参考进行设计，故设计的Ethereal可以完美兼容他们的底板（部分IO有点区别)。 三. Ethereal产品介绍 先介绍一下正点原子的ZYNQ7020核心板参数: DDR3:1GB(512MB*2 PS) EMMC:8GB(PS) QSPI FLASH: 32MB（PS） 板载: 千兆以太网芯片(PS)，复位按键(PS)，一个PS LED, 一个PL LED，JTAG下载接口(1 *6)，3710 2*50P母座 Ethereal核心板参数： DDR3:1GB(512MB*2 PS) EMMC:8GB(PL) QSPI FLASH: 32MB（PS） 板载：type-c USB 串口(PS 可以用来供电),TF卡座(PS)，BOOT选择开关，复位按键(PS)，一个PS LED, 一个PL LED，JTAG下载接口(1 *6)，3710 2*50P母座 可以看出在板载资源上一些差异,正是因为这些差异可以使得Ethereal可以直接使用，无需搭配底板。 其它家的EMMC基本上都是挂载在PS侧了，因为可以直接使用，简单方便。Ethereal则是挂载在了PL侧，使用起来虽然难度加大了，但是更为灵活了，可以满足一些特殊的要求。 四. PCB参数 外形尺寸: 57.5mm * 45mm 工作电压: 5V 工作电流: 58mA ~ 530mA @ 5V PCB层数: 10层 PCB的相关参数与正点原子的ZYNQ7020核心板保持一致。
I²C是一种串行、半双工通信总线，使用多主从架构，是由Philips公司在1980年代初设计的，主要用于近距离、低速的芯片之间的通信。由于其简单性，它被广泛用于微控制器与传感器阵列，显示器，IoT设备，EEPROM等之间的通信。
还记得刚开始做嵌入式的时候，面对芯片数据手册（datasheet）那叫一个头大！ 动辄几十页的文档，密密麻麻的术语和图表，简直像天书。 后来我发现很多工程师都有类似的困扰。即便现在我已经用过成百上千种芯片，面对一些“奇葩”数据手册，依然会抓狂。 选芯片和读数据手册，其实可以有章法可循。这篇文章我想分享一下我这些年总结的经验，教你如何快速上手一份数据手册，少走弯路。 我会以 SiC45x 降压 DC/DC 转换芯片为例，带你一步步拆解数据手册的阅读技巧。 从哪里开始读数据手册？ 别笑，我的第一步真的是直接翻到典型应用电路（Typical Application Circuit）。 这部分通常是数据手册的“门面担当”，能让你迅速抓住芯片的核心用法。 如果一份数据手册连典型应用电路都没有，我十有八九会直接 Pass 掉这颗芯片！ 为什么？因为典型应用电路就像一份“速成指南”，能告诉你： 芯片的基本接法是什么样； 需要多少外部元件； 大概能用在什么场景。 以 SiC45x 的典型应用电路（见图1）为例，它在数据手册的第一页就给了我们不少信息： 图1：SiC45x 典型应用电路 通过这个图，哪怕你对这颗芯片一无所知，也能快速get到： 输入电压范围是 4.5V 到 20V； 没有外部 MOSFET，说明这颗芯片内部集成了功率管（对高功率稳压器来说挺硬核！）； 支持 I2C 通信，还能改地址； 有 RT/SYNC 引脚，说明可以调开关频率； 有 ENABLE、PGood、SALRT 等状态引脚，说明可能不依赖 I2C 也能用。 虽然这些信息不足以直接画原理图，但已经足够让你对芯片有个初步印象，是个不错的起点！ 例外情况：如果是微控制器（MCU），因为功能太复杂，数据手册通常不会有完整的典型应用电路，而是会拆分成几个关键模块的接法，比如去耦电容、晶振、编程接口等。 如果 MCU 数据手册还贴心地附上“最小硬件连接”示意图，那真是良心厂家，值得加分！ 别错过两个“描述”部分 数据手册里通常有两个地方会介绍芯片的功能，一个是开头的描述（Description），另一个是稍后几页的操作描述（Operational Description）。这两个部分乍看有点重复，但其实各有侧重。 开头的描述：通常在第一页，像是芯片的“自我介绍”，简明扼要地告诉你这颗芯片是干啥的，适合什么场景。读完这个，你大概就能判断芯片符不符合你的需求。 操作描述：这个部分一般在引脚定义、绝对最大值和框图之后，内容更详细，会把开头的描述再细化一遍，还会分模块讲解芯片的各个功能块。 图2：SiC45x 数据手册的两种描述 以 SiC45x 为例（见图2），开头的描述让你快速了解芯片是个降压转换器，支持 I2C 控制，而操作描述则会进一步拆解每个功能模块，比如开关频率设置、I2C 通信协议等。 建议：选芯片时可以先快速扫一眼这两个部分，设计原理图时再反复回来查操作描述里的公式和设置方法。 绝对最大值：设计的安全底线 看完典型应用电路和描述，我会直接跳到绝对最大值（Absolute Maximum Ratings）和推荐工作条件（Recommended Operating Conditions）。这两部分是芯片的“红线”，告诉你芯片能承受的极限和建议的工作范围。 图3：SiC45x 绝对最大值表格 以 SiC45x 的绝对最大值（见图3）为例： 最大输入电压是 28V，但推荐工作电压只有 20V。这意味着你不能直接用 24V 电源供电，但如果有上游的过压保护（比如钳位到 24V），20V 是可以安全使用的。 还会列出每个引脚的最大电压和电流，方便你检查设计是否超限。 Tips：绝对最大值是“不能碰的雷区”，但不代表芯片能长期稳定工作在这些极限条件下。推荐工作条件才是你设计时的参考标准！ 引脚定义表：设计时的“速查宝典” 了解了芯片的基本功能和电气限制后，我会去看引脚定义表（Pin Description），也叫引脚功能表。这个表格通常在典型应用电路和绝对最大值之间，列出了每个引脚的名称、功能和简单描述。设计电路时，这个表格是我翻得最多的部分，堪称“速查宝典”。 图4：SiC45x 引脚定义表 比如 SiC45x 的引脚定义表（见图4），我们能快速知道 RT/SYNC 引脚是用来设置开关频率的。但具体用多大的电阻对应什么频率？这时需要翻到操作描述里的“RT/SYNC 引脚和开关模式配置”部分，里面会有详细的电阻值表格（见图5）。 图5：SiC45x 开关频率设置表格 功能框图：深入理解芯片内部 几乎所有数据手册都会有个功能框图（Functional Block Diagram），展示芯片的内部结构。SiC45x 的框图如图6所示： 图6：SiC45x 功能框图 框图不一定每次都用得上，但关键时刻能帮大忙，比如： 搞清楚不同地（GND）之间的连接方式； 了解芯片的驱动电路类型； 弄明白如何绕过某些功能模块； 看内部电压是怎么生成的。 我通常会在设计后期或者调试时参考框图，尤其是遇到奇怪问题时，它能帮你从芯片内部逻辑去分析。 那些密密麻麻的图表怎么办？ SiC45x 数据手册光图表就占了9页！（见图7）说实话，我平时不太会逐一细看这些图表，它们不是我的标准阅读流程。但某些场景下，比如想了解芯片的启动特性或效率曲线，图表还是很有用的。 图7：SiC45x 数据手册中的图表页 建议：除非有特殊需求（比如分析启动时间或热性能），可以先跳过图表，专注前面的核心内容。 PCB 布局建议：参考但别盲从 SiC45x 数据手册有个亮点：整整三页的 PCB 布局建议！（见图8）这在数据手册里算少见，尤其对开关电源这种对布局敏感的芯片，布局建议特别重要。 图8：SiC45x PCB 布局建议 不过，我得提醒一句：别把布局建议当“圣经”。厂家提供的建议通常是通用的，实际设计中你可能需要根据具体情况调整。比如，SiC45x 的布局建议里提到电源和地平面怎么布，但图示里有些细节可能不太合理。我的做法是参考这些建议作为起点，然后结合自己的经验优化。 别忘了检查勘误表！ 数据手册不是完美的，尤其是刚发布时，难免有印刷错误或遗漏。这些问题通常会在 勘误表 部分修正，列在数据手册末尾或单独文档里。Errata 还可能指出芯片本身的硬件问题，比如某个引脚功能有 Bug，未来版本会修复。 Tips： 一定要用最新版数据手册，直接从厂家官网下载。 尤其是 MCU，勘误表可能单独发布，设计前务必查阅。 总结：从“天书”到“工具书” 读数据手册就像啃一本技术“天书”，但只要掌握方法，就能把它变成你的“工具书”。通过 SiC45x 的例子，我分享了我的阅读流程： 先看典型应用电路，快速了解芯片用法； 读两个描述部分，抓住芯片的核心功能； 检查绝对最大值和推荐工作条件，确保设计安全； 熟读引脚定义表，设计时反复参考； 必要时看功能框图和图表，解决疑难问题； 参考 PCB 布局建议，但灵活调整； 别忘了检查勘误表，避免踩坑。 希望这些经验能让你下次面对数据手册时信心满满！如果你有其他读数据手册的技巧，欢迎在评论区分享，咱们一起进步！
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