応用回路設計のための第一歩 ―― I/O規格とLED表示，スイッチ入力，アナログ出力，RS-232通信のための回路の設計法

　本稿で解説した各機能を搭載したFPGA周辺機能ボード（以下，ベース・ボードと呼ぶ）がマルツパーツ館から発売される予定です．I/Oにつながる回路のほか，FPGAを動作させるために必要な回路も含まれています（写真A)．

写真A　FPGA周辺機能ボードの外観

●FPGAを動作させるための回路

（１）FPGA基板実装部
　ベース・ボードには，付属FPGA基板を搭載するコネクタが用意されています．ベース・ボードの各I/O機能は，このコネクタを介してFPGAから制御できます．また，ベース・ボード上に搭載されているJTAGダウンロード機能用の専用信号ピンも含まれています．過去にCQ出版社が雑誌に付属したFPGA基板とある程度の互換性があります．

（２）JTAGダウンロード・ボード部
　ベース・ボードの特徴は，さまざまなメーカのFPGAに対応しているということです．本誌付属FPGA基板向けのLattice社のほか，Altera社とXilinx社のパラレル・ポートJTAGダウンロード回路と同等品が搭載されています．ターゲットFPGAのメーカは，ジャンパで設定します．

　JTAGのダウンロードを行うためには，パソコン側にはDサブ25ピン形状のLPTポートが搭載されている必要があります．パソコンと本ボードを接続するために，Dサブ25ピンのストレート・ケーブルを用意する必要があります．

（３）電源供給部
　５V～６Vの電源を3.3Vに変換して，FPGA基板やそのほかの回路に供給します．供給可能な電流は最大1.0Aを想定して設計されています．

（４）リセット回路
　ベース・ボードには，リセット・スイッチが用意されています．このスイッチの押下によって駆動される信号は，システム・リセットの役目を持たせています．

• 電源投入直後のパワーONリセットを発光する（電圧監視）
• 3.3Vの電源電圧が低下することで，パワーONリセットを発行する（電圧監視）
• リセット信号を発行する（マニュアル・リセット）

（5）クロック・オシレータ部
　一般的にFPGAで回路設計を行う場合には，なんらかのクロックを使用します．ベース・ボードでは，10MHｚのクロックを発生させる水晶発振器（クロック・オシレータ）をあらかじめ搭載されています．
 

●I/O機能

（１）7セグメントLED部
　ベース・ボードには4けた分の7セグメントLEDが搭載されています．スタティック点灯方式によって，点灯と消灯が可能です．つまり，複雑な操作を伴わずに，FPGAのI/OピンからHレベルまたはLレベルを出力することで，LEDを点灯/消灯できます．

　FPGAからはLレベルの出力を行うと，対応する7セグメントLEDのエレメントは「点灯」します．

　逆にHレベルの出力を行うと，今度は「消灯」します．

（２）スイッチ入力部
　ベース・ボードには，4個のタクタイル・スイッチと4ビット分のDIPスイッチが搭載されています．

　タクタイル・スイッチの回路には抵抗とコンデンサによるフィルタと，シュミット・トリガ・インバータICによるチャタリング除去回路が組み込まれています．

　4ビット分のDIPスイッチは，プルアップ抵抗が実装されただけの簡単な機構です．頻繁にON/OFFすることは想定されていません．

（３）RS-232シリアル通信部
　パソコンとの通信方法として，簡単に機能検査ができるシリアル通信機能があると，なにかと便利です．

　ベース・ボードには2線式のシリアル通信機能があります．シリアル通信部分にはRS‐232ドライバICが搭載されているため，パソコンとはDサブ9ピン形状のストレート・ケーブルを介して接続することで，通信が可能です．

　なお，転送レートはドライバICの機能制約上，最大転送レートが430Kbpsまでです．

（４）パラレルI/O部
　ベース・ボードには8ビットの入力ポートと，8ビットの出力ポートが用意されています．

　ポートのコネクタとFPGAの間にはバッファが挿入されています．これは過電圧が入力されたり，出力電流をFPGAは十分に流せないということで，過負荷をFPGAにかけないためです．

（５）8ビット分解能R-2Rはしご型DAC部
　ベース・ボードには，8ビット分解能のD-Aコンバータが搭載されています．D-Aコンバータは，パラレルI/O部のうち，8ビット・ディジタル出力太共通の信号線を使用します．そこでDAC出力イネーブル信号を用意しています．