Platine Arty S7 pour Makers et Hobbystes (base Spartan-7)

Aborder le FPGA sans repartir de zéro sur le câblage : c'est la promesse de la famille Arty. L'Arty S7 place un FPGA AMD Spartan-7 derrière une rangée d'en-têtes Arduino/chipKIT et quatre ports Pmod, de sorte qu'un shield ou un module existant se branche directement. La carte se programme sous AMD Vivado, édition WebPACK gratuite comprise, et se décline en deux tailles de FPGA, S7-25 et S7-50, sur un circuit imprimé identique.
 

Spécifications visuelles de la carte Arty S7

Digilent positionne l'Arty S7 comme une carte d'introduction pour makers, étudiants et ingénieurs qui découvrent la logique programmable. La compatibilité avec l'écosystème Arduino en fait un pont naturel pour qui vient du monde des microcontrôleurs.

Spécifications techniques

L'Arty S7-50 embarque un Spartan-7 XC7S50 : 52 160 cellules logiques, 8 150 slices, 2700 Kbits de Block RAM, 120 slices DSP et cinq blocs de gestion d'horloge. La carte bénéficie de fréquences internes supérieures à 450 MHz et d'un convertisseur analogique-numérique XADC intégré : deux canaux, 12 bits, jusqu'à 1 Méch/s.

La mémoire de 256 Mo de DDR3L sur bus 16 bits à 325 MHz (650 MT/s) et 128 Mbits de Flash Quad-SPI permet de stocker la configuration. Selon les approvisionnements, cette Flash peut être une S25FL127S ou une S25FL128S ; la programmation depuis Vivado et le démarrage QSPI ne sont pas affectés. La configuration du FPGA se fait par JTAG ou depuis la Flash.

Deux oscillateurs à quartz équipent la carte : un 12 MHz pour l'horloge système générale et un 100 MHz destiné au générateur d'interface mémoire (MIG) qui pilote la DDR3L. À noter, l'entrée 12 MHz ne peut pas attaquer directement une PLL (dont l'entrée minimale est 19 MHz) et doit passer par un MMCM, ce que gère l'assistant Clocking Wizard.

Un circuit FT2232HQ réunit la programmation USB-JTAG et un pont USB-UART sur un seul connecteur micro-USB. L'alimentation se fait par l'USB ou par une source externe de 7 à 15 V sur l'embase jack, un cavalier sélectionnant la source.

Côté interaction, la carte offre quatre interrupteurs, quatre boutons plus deux boutons de reset (carte et FPGA), quatre LED vertes et deux LED RGB. L'extension est le point fort : quatre ports Pmod (standard et haute vitesse) et un connecteur pour shields Arduino/chipKIT. Le câble micro-USB de programmation n'est pas fourni d'origine.

Ce que l'Arty S7 apporte à vos projets

Ce qui distingue la carte, c'est sa connectique d'extension. Plutôt que d'intégrer des périphériques figés, Digilent a fait le choix inverse : exposer un maximum d'entrées-sorties derrière des standards répandus. Le connecteur de shield accepte la vaste bibliothèque de cartes filles Arduino et chipKIT ; les quatre ports Pmod donnent accès aux modules Digilent : convertisseurs, capteurs, commandes de moteur, interfaces de communication.
 
 

 
  

La carte arrive donc avec peu de périphériques embarqués. Quatre interrupteurs, quatre boutons, quelques LED, et c'est tout. C'est un choix assumé, pas une lacune : l'utilisateur ajoute exactement les fonctions dont il a besoin, sans payer celles qu'il n'utilisera pas. Ceux qui possèdent déjà des shields ou des Pmod y trouvent leur compte ; les autres prévoiront quelques modules, ou câbleront une plaque d'essai sur les en-têtes.

Les limites méritent d'être connues. Le Spartan-7 ne propose pas de lignes de transcepteur sériel rapide : un projet qui en a besoin s'orientera vers l'Arty A7 à FPGA Artix-7. Pour un traitement reposant sur un processeur ARM matériel, l'Arty Z7 à SoC Zynq-7000 est le bon choix. Enfin, les outils AMD ne sont pas téléchargeables dans tous les pays : ce point conditionne l'usage de la carte et mérite vérification avant l'achat.

Logiciel, outils et matériel compatible

La conception matérielle passe par AMD Vivado, dont l'édition WebPACK prend en charge les deux variantes de l'Arty S7. Digilent fournit des board files et des fichiers de contraintes (XDC) qui déclarent le brochage complet, réduisant le travail d'affectation des broches.

Le Spartan-7 étant une logique programmable sans processeur matériel, les projets à logiciel embarqué reposent sur un cœur soft MicroBlaze instancié dans le FPGA. L'application C se développe alors sous Vitis (ou l'ancien SDK Xilinx), et Digilent indique qu'on peut démarrer sur MicroBlaze sans expérience préalable du FPGA. La programmation et le débogage se font par le port USB-JTAG, sans sonde externe ; l'utilitaire Adept de Digilent complète la panoplie pour dialoguer avec la carte.

Le matériel compatible fait la différence. Le connecteur de shield ouvre la porte aux cartes filles Arduino et chipKIT, tandis que les quatre ports Pmod accueillent les modules Digilent prêts à l'emploi, avec leurs blocs IP associés. L'ensemble des cartes FPGA et SoC de la marque figure dans la gamme cartes FPGA / SoC Digilent.

Chaîne d'outils logicielle et matérielle de l'Arty S7

Du board file au bitstream, la chaîne reste courte, et les projets de démonstration officiels servent de point de départ immédiat.

Applications et cas d'usage

La souplesse de connexion de l'Arty S7 la rend adaptée à des projets très divers, de l'exercice d'initiation au système embarqué instrumenté.

Apprentissage de la logique programmable

Interrupteurs, boutons et LED suffisent aux premiers exercices en VHDL ou Verilog. La compatibilité Arduino offre ensuite une transition douce pour qui vient du microcontrôleur et découvre la conception matérielle.

Systèmes embarqués à processeur soft

Un cœur MicroBlaze instancié dans le Spartan-7 donne un microcontrôleur sur mesure, avec les périphériques exactement adaptés à l'application. Les 256 Mo de DDR3L servent de mémoire de travail, le pont USB-UART de console.

Traitement et acquisition audio

Associée à un module Pmod I2S2, la carte capture et restitue un flux audio stéréo. C'est une base classique pour des projets de filtrage, d'effets ou de mise en sourdine pilotée par les interrupteurs.

Instrumentation et mesure environnementale

Le convertisseur XADC intégré et les nombreux Pmod permettent de collecter des grandeurs physiques (température, gaz, lumière) puis de les traiter et de les afficher, éventuellement sur un shield à écran tactile.

Traitement d'image à bas coût

Interfacé avec un capteur CMOS, le FPGA construit un pipeline d'imagerie compact et économe en énergie, une application que Digilent met en avant pour la gamme Spartan-7.

Prototypage avec shields et modules du commerce

Le double standard Arduino + Pmod fait de l'Arty S7 une plateforme d'intégration : on assemble un prototype à partir de cartes filles existantes avant d'en figer la logique dans le FPGA.

Ressources & documentation Digilent

Digilent publie plusieurs projets de référence qui couvrent les fonctions clés de la carte. Chacun est résumé ci-dessous, avec le lien vers la ressource officielle.

Démonstration entrées-sorties (GPIO)

Projet d'introduction qui exerce les périphériques de base : interrupteurs, boutons, LED et pont USB-UART. C'est le premier projet à charger pour vérifier que la chaîne d'outils et la carte fonctionnent, et il sert de squelette à des conceptions plus ambitieuses. Il se construit intégralement sous Vivado.

 

Consulter la démonstration GPIO

Démonstration XADC

Écrit en Verilog, ce projet illustre l'usage du convertisseur analogique-numérique du Spartan-7. Des tensions comprises entre 0 et 1 V, appliquées sur l'embase JXADC, sont mesurées ; les six LED utilisateur s'allument progressivement à mesure que l'écart de tension augmente, et les quatre interrupteurs sélectionnent le canal lu. Une base directe pour toute application d'acquisition analogique.
  

Consulter la démonstration XADC

Démonstration Clocking (Clocking Wizard)

Ce banc d'essai est conçu pour apprendre à manipuler l'assistant Clocking Wizard d'AMD. Depuis un PC, via UART, on lit et écrit les registres du bloc de gestion d'horloge (CMT) pour modifier à la volée fréquences et phases des horloges générées, dont les sorties sont dirigées vers des ports Pmod afin d'être observées à l'oscilloscope. Une LED signale le verrouillage de l'horloge, une autre un débordement de la réception UART.
 
 

Consulter la démonstration Clocking

Démonstration audio Pmod I2S2

Ce projet Vivado, en Verilog, associe l'Arty S7 au module Pmod I2S2 branché sur un port Pmod pour créer une liaison directe de l'entrée ligne vers la sortie ligne. Le volume du flux audio est proportionnel au nombre d'interrupteurs fermés : tous ouverts, le son est coupé ; tous fermés, il est à pleine amplitude, avec une progression linéaire entre les deux. Le bouton de reset réinitialise la démonstration. Un casque ou des enceintes et une source audio sont nécessaires.

Consulter la démonstration Pmod I2S2

Ressources Blog Digilent

Le blog Digilent recense cinq projets réalisés avec l'Arty S7, qui donnent une idée concrète de son champ d'application.

Cinq projets pour l'Arty S7

L'article rassemble cinq réalisations menées avec la carte. La première est un système de détection de température qui surveille quatre zones, avec seuil réglable par zone, acquisition d'une image de référence et remise à zéro de l'alarme. La deuxième transforme la carte en éthylomètre : un capteur d'alcool (Alcohol 2 Click) mesure l'éthanol dans le souffle, le niveau relatif s'affichant sur un bargraphe à LED. La troisième ajoute une entrée-sortie audio via le module Pmod I2S2, sous forme d'un passe-through exploitable dans presque n'importe quel montage. La quatrième construit un système d'imagerie à bas coût, le FPGA s'interfaçant directement avec un capteur CMOS pour un pipeline compact et économe. La cinquième combine l'Arty S7, quatre Pmod et un écran tactile (MTDS) pour collecter, traiter et afficher des données environnementales, en construisant d'abord la plateforme matérielle puis le logiciel associé.
 

Lire l'article sur le blog Digilent

Résumé des caractéristiques techniques

• FPGA : AMD Spartan-7, deux variantes : XC7S25 (Arty S7-25) ou XC7S50 (Arty S7-50), sans processeur matériel
• Ressources (S7-25 / S7-50) : 23 360 / 52 160 cellules logiques, 80 / 120 slices DSP, 1 620 / 2 700 Kbits de Block RAM
• Convertisseur : XADC 12 bits, 2 canaux, jusqu'à 1 Méch/s (commun aux deux variantes)
• Mémoire : 256 Mo DDR3L bus 16 bits (650 MT/s), 128 Mbits Flash Quad-SPI
• Horloges : oscillateurs 12 MHz (système) et 100 MHz (interface DDR3L)
• Interface : USB-JTAG et pont USB-UART (FT2232HQ) sur un seul micro-USB (câble non fourni)
• Interaction : 4 interrupteurs, 4 boutons + 2 resets, 4 LED vertes, 2 LED RGB
• Extension : 4 ports Pmod (standard et haute vitesse), connecteur shield Arduino/chipKIT
• Logiciel : AMD Vivado (WebPACK gratuit), Vitis, Adept, cœur soft MicroBlaze
• Alimentation : USB ou source externe 7-15 V sur embase jack, sélection par cavalier

Questions fréquentes

Quel FPGA équipe l'Arty S7 ?

Un FPGA AMD Spartan-7 XC7S50. C'est une logique programmable au sens strict, sans processeur ARM matériel, contrairement à un SoC Zynq. Pour du logiciel embarqué, on instancie un cœur soft MicroBlaze.

Peut-on utiliser des shields Arduino sur l'Arty S7 ?

Oui. La carte dispose d'un connecteur compatible avec les shields Arduino et chipKIT, en plus de ses quatre ports Pmod. C'est l'un de ses principaux atouts : réutiliser des cartes filles du commerce plutôt que de tout recâbler. Certaines broches sont partagées entre un port Pmod et le connecteur de shield et ne doivent pas être employées simultanément.

L'Arty S7 convient-elle aux débutants ?

C'est l'une des cartes d'introduction de Digilent, pensée pour les makers et les étudiants. Digilent indique qu'on peut démarrer un projet MicroBlaze sans expérience préalable du FPGA. La compatibilité Arduino facilite la transition depuis le microcontrôleur, même si la prise en main de Vivado demande un temps d'apprentissage.

Quel logiciel faut-il pour programmer la carte ?

AMD Vivado, dont l'édition WebPACK suffit pour les deux variantes. Pour le développement sur cœur MicroBlaze, on ajoute Vitis ou le SDK Xilinx. Les outils AMD ne sont pas disponibles au téléchargement dans tous les pays : il est prudent de vérifier ce point avant l'achat, car ils sont indispensables à l'usage de la carte.

Comment alimenter et programmer l'Arty S7 ?

La carte s'alimente par le connecteur micro-USB ou par une source externe de 7 à 15 V sur l'embase jack, un cavalier choisissant la source. La programmation se fait par le même connecteur micro-USB via le circuit USB-JTAG intégré. Le câble micro-USB n'est pas fourni d'origine.

L'Arty S7 dispose-t-elle de mémoire externe ?

Oui, 256 Mo de DDR3L sur bus 16 bits (650 MT/s), pilotés par le générateur d'interface mémoire (MIG) cadencé sur l'oscillateur 100 MHz. Une Flash Quad-SPI de 128 Mbits stocke par ailleurs la configuration du FPGA.

Faut-il choisir la carte Arty S7, l'Arty A7 ou l'Arty Z7 ?

L'Arty S7 (Spartan-7) est la carte d'entrée, sans transcepteur rapide. L'Arty A7 (Artix-7) ajoute des lignes de transcepteur sériel pour les liaisons haut débit. L'Arty Z7 repose sur un SoC Zynq-7000, avec un processeur ARM matériel : c'est le choix pour un projet à base de système d'exploitation ou de logiciel lourd.

À qui s'adresse ce produit ?

L'Arty S7 vise en priorité les makers et les étudiants qui découvrent la logique programmable et veulent réutiliser l'écosystème Arduino qu'ils connaissent déjà. Les enseignants y trouvent une carte d'initiation dont les périphériques de base suffisent aux premiers exercices, tout en laissant la place à des montages plus poussés via Pmod et shields. Les ingénieurs et développeurs embarqués l'emploient pour prototyper autour d'un cœur MicroBlaze, avec le confort de deux tailles de FPGA sur un circuit identique. Les concepteurs de projets d'instrumentation, d'audio ou d'imagerie apprécient la combinaison du XADC, de la DDR3L et de la connectique d'extension. En revanche, un projet réclamant des transcepteurs sériels rapides ou un processeur ARM matériel se tournera vers l'Arty A7 ou l'Arty Z7.

Ce qu'il faut retenir

Cette carte se juge à sa connectique autant qu'à son FPGA. En misant sur les standards Arduino et Pmod plutôt que sur des périphériques intégrés, Digilent livre une plateforme volontairement dépouillée, que chacun équipe selon ses besoins. Le choix entre deux tailles de Spartan-7 sur un même circuit sécurise le passage du prototype au projet abouti, sans reprise du brochage ni du code. Reste une carte d'introduction, sans transcepteur rapide ni processeur matériel : son terrain, c'est l'apprentissage, le prototypage et les systèmes embarqués légers, là où la souplesse d'extension compte davantage que la puissance brute.

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