TARJETA DE DISEÑO ABIERTO PARA DESARROLLO Y EDUCACIÓN
Diego J. Brengi, Salvador E. Tropea, Juan P. D. Borgna
Electrónica e Informática
Instituto Nacional de Tecnología Industrial
Buenos Aires, Argentina
email: {brengi, salvador}@inti.gov.ar
RESUMEN
En este artículo se presenta el diseño e implementación
de un circuito impreso con FPGA, pensado para ser utiliza-
do como ayuda y referencia para laboratorios de desarrollo
e instituciones educativas que deseen trabajar con esta tec-
nología. Este trabajo forma parte del proyecto FPGALibre
cuyo objetivo principal es el de facilitar el intercambio de
los elementos necesarios para el desarrollo con dispositivos
FPGA. Por este motivo, para el diseño y la verificación del
circuito impreso se utilizaron solamente herramientas de
software libre. El diseño realizado se ofrece abiertamente
para ser reproducido, modificado, adaptado o comercializa-
do.
Palabras clave: hardware, FPGA, educación, desarrollo.
1. INTRODUCCIÓN
El intercambio y la copia de circuitos físicos (hardware) es
complejo debido al costo de replicación y por eso no pue-
den aplicarse los mismos criterios que para el software libre
[1]. Sin embargo puede mantenerse el mismo espíritu con
los archivos y toda la información de diseño asociada a un
circuito. A este concepto se lo llama “Hardware Libre”,
“Hardware Abierto” o “Free Hardware” [2], [3], [4]. Es im-
portante comprender además que las herramientas de soft-
ware para realizar estos diseños también deberían ser libres
para no condicionar el uso, adaptación y mejora del hard-
ware en cuestión.
Basados en esta filosofía y dentro del proyecto FPGALi-
bre [5], [6], se aborda el diseño e implementación de un cir-
cuito impreso con FPGA, pensado para ser utilizado en ám-
bitos de desarrollo e instituciones educativas.
Cabe mencionar que existen varios circuitos publicados
con FPGAs [7], [8], [9], [10], utilizados para los mismos fi-
nes, sin embargo ninguno de los observados cumplía con
los objetivos y pautas de diseño propuestos en la siguiente
sección.
2. OBJETIVOS Y PAUTAS DE DISEÑO
Los objetivos concretos planteados para este desarrollo fue-
ron:
- Obtener un diseño de referencia para la implementación
de una placa con FPGA que sea de utilidad para cual-
quier interesado en abordar esta tecnología pensando en
la utilización de componentes de fácil acceso y sin de-
mandar demasiados recursos económicos.
- Adoptar la modalidad y los conceptos de “Hardware Li-
bre” antes, durante y luego del desarrollo.
Para lograr estos objetivos se impusieron las siguientes
pautas de diseño:
- Utilizar herramientas de software libre para permitir la
modificación del circuito sin forzar la adquisición de
costosos programas de diseño de PCBs.
- Seleccionar componentes que puedan soldarse en forma
manual.
- Seleccionar, dentro de lo posible, componentes muy uti-
lizados que puedan obtenerse fácilmente en los comer-
cios.
- Circuito simple, sencillo y de funcionalidades básicas.
- Circuito impreso que pueda fabricarse regionalmente.
- Dispositivo FPGA con capacidad suficiente para permi-
tir realizar prácticas y desarrollos de baja y mediana
complejidad.
- Bajo costo. Si bien es imposible competir con productos
fabricados en grandes cantidades, existen otros factores
a tener en cuenta a la hora de abordar la fabricación de
hardware como por ejemplo la capacidad para adaptar y
modificar los circuitos, los altos costos de importación
(monetarios y administrativos) para pocas unidades, el
grado de independencia tecnológica, la experiencia ad-
quirida, etc.
3. DESARROLLO
Como punto de partida se buscó realizar un diseño de simi-
lares características y prestaciones que la placa “Memec
2SLC board Spartan II demo board (DS-DB -2SLC)” que
posee una FPGA Spartan II XC2S100 con encapsulado
PQ208. Habiendo tomado experiencia con este dispositivo
y debido a la facilidad de manejo del encapsulado mencio-
nado con respecto a las alternativas BGA, se optó por utili-
zarlo en el diseño, dejando para un proyecto posterior la uti-
lización de dispositivos más modernos como Spartan 3. De
esta forma se logró un primer diseño bautizado S2PROTO.

Luego de la fabricación de los impresos, se ensamblaron
tres de ellos, utilizados exitosamente en trabajos propios del
laboratorio, con los que se estudiaron los defectos de diseño
y la posibilidad de realizar mejoras en el mismo. A partir de
la experiencia obtenida se encaró el desarrollo de un segun-
do diseño buscando las siguientes mejoras:
- Se agregaron leyendas en la serigrafía para facilitar el
ensamble, y una mejor indicación de las señales y los
conectores.
- Se utilizaron reguladores tipo LM1117 de bajo costo y
fácil adquisición en las tiendas locales.
- Se bajó el costo del impreso mediante una reducción del
20% en el área del mismo al quitar el sector de prototi-
pado rápido.
- Se aumentó la capacidad de E/S modificando algunos de
los conectores y se agregó un conector DB-9 para la co-
municación serie.
3.1. Software de diseño
Para el diseño de los esquemáticos y del circuito impreso se
seleccionó el software Kicad [11], por considerarlo la herra-
mienta más evolucionada de su tipo dentro de la categoría
del software libre. Kicad posee licencia GPL [12], y existen
versiones para sistemas operativos Windows y GNU/Linux.
Los ejemplos suministrados por el autor demostraron que
las capacidades del software cumplían con las necesidades
del proyecto. Para este trabajo se utilizó sistema operativo
Debian GNU/Linux [13]. La Fig. 1 muestra el modo de vi-
sualización tridimensional y la Fig. 2 muestra tanto el es-
quemático como el PCB.
3.2. Circuito impreso
El circuito impreso se realizó en doble faz teniendo un ta-
maño aproximado de 12x10 cm. Las pistas más delgadas
fueron de 10 mils y para la verificación de espaciado míni-
mo se utilizó una distancia de 8 mils. La fabricación de cir-
cuito impreso se encargó a una empresa local a la cual se le
enviaron los archivos Gerber generados con Kicad.
3.3. Componentes electrónicos utilizados
La placa posee muy pocos componentes. Mencionados bre-
vemente son:
- FPGA: Xilinx XC2S150-PQ208 o XC2S100-PQ208
- Driver RS-232: MA3221
- Memoria: Xilinx XC18V01-SOC20
- Reguladores: LM1117-2.5 y LM1117-3.3
- Resistores, leds, capacitores y un transistor.
- Conectores, llave y pulsador.
Los componentes utilizados se consiguieron, en su ma-
yoría, en las tiendas de electrónica e importadores del rubro.
Las pocas excepciones, que debieron traerse por pedido,
fueron el dispositivo FPGA, su memoria de configuración,
el chip adaptador para niveles RS-232 y algunos de los ca-
pacitores SMD. En la documentación del trabajo se ofrece
un listado de los proveedores utilizados para los componen-
tes involucrados.
3.4. Soldadura de los componentes
La soldadura de los componentes se realizó manualmente
en el laboratorio. Para esta tarea se utilizó una estación de
soldadura para trabajos de reparación y montaje de compo-
Fig. 1. Visualización 3D del diseño en Kicad.
Fig. 2. Vista del pcb y el esquemático diseñados con Kicad.

nentes SMD. Sin embargo, esta estación sólo es necesaria
para los componentes SMD de paso pequeño, tales como el
dispositivo FPGA, el driver RS-232 y la memoria. Para sol-
dar los primeros dos se utilizó la técnica de mini-ola (mini-
wave). Posteriormente fue necesario corregir algunas solda-
duras de la FPGA con una punta fina de 0.4 mm. La Fig. 3
muestra el circuito impreso con todos los componentes sol-
dados.
3.5. Verificación y prueba
Terminado el ensamble se procedió con la etapa de verifica-
ción del circuito. Luego de comprobar las tensiones de ali-
mentación se empleó la cadena JTAG para realizar pruebas
de los terminales de entrada y salida, los leds, la transmisión
y la recepción serie. Para esta tarea se empleó el programa
GNU Jtag [14]. Por último, y como prueba final, se realizó
la grabación de un bitstream. La documentación ofrece una
guía detallada sobre como realizar paso a paso la primera
puesta en marcha y la verificación inicial del circuito. La
Fig. 4 muestra la placa desarrollada conectada al circuito
JTAG.
3.6. Documentación
Para cumplir con los objetivo planteados, se generó extensa
documentación del circuito desarrollado:
- Documento introductorio.
- Archivos de diseño del esquemático y del circuito im-
preso en formato Kicad.
- Archivos Gerber enviados para fabricación del impreso.
- Listado de proveedores de componentes utilizados.
- Listado de precios y estimación de costo unitario.
- Pasos para la verificación y prueba del circuito.
- Bitstream para verificación.
- Ejemplo VHDL para verificación.
- Licencia de uso y modificación.
En la Fig. 5 se presenta un diagrama en bloques descrip-
tivo que forma parte de la documentación.
4. CARACTERISTICAS PRINCIPALES
Algunas de las principales características del circuito son:
- Diseño brindado bajo licencia GPL para permitir su li-
bre utilización, implementación, modificación y comer-
cialización.
- Diseño ensamblado y probado.
- Desarrollado y probado con herramientas de software li-
bre: Kicad y GNU Jtag.
- Impreso doble faz de 12x10 cm de fácil fabricación y
posibilidad de montaje manual de los componentes.
- Soporte para dispositivos Xilinx Spartan II PQ208 (has-
ta XC2S150 equivalente a 150.000 compuertas).
- Puerto de niveles RS-232 para implementar transmisión
y recepción serie.
- Puerto JTAG compatible con el cable Parallel III de Xi-
linx, también conocido como DLC5[15]. Circuito reali-
zado en Kicad, y también disponible en el proyecto FP-
GALibre [16].
- 152 pines de I/O disponibles para el usuario distribuidos
en cinco conectores. Estos permiten conectar plaquetas
adicionales con pulsadores, leds, displays, etc.
- Alimentación simple de 5V CC.
5. RESULTADOS
Se ha obtenido un diseño básico y de referencia para el de-
sarrollo de aplicaciones con FPGA, realizado totalmente
con herramientas de software libre, de diseño claramente
documentado y construcción accesible para cualquier pe-
queño laboratorio de electrónica.
Fig. 4. Circuito JTAG y placa bajo prueba.
Fig. 3. Vista frontal de la placa S2PROTO v1.34.

Este diseño ha sido verificado y se emplea en los traba-
jos y prácticas realizadas en nuestro laboratorio. Toda la in-
formación del diseño se brinda libremente lo que permite
copiar, adaptar, mejorar y comercializar este hardware
según los requerimientos particulares de cada interesado.
Es nuestro deseo que este desarrollo junto con otras he-
rramientas de software libre contribuyan a la difusión de
esta tecnología dentro de laboratorios electrónicos de pe-
queñas y medianas empresas como así también en el ámbito
universitario. Se contempla además la posibilidad de formar
un grupo de interesados en este hardware y realizar una pe-
queña producción en serie para reducir y compartir los cos-
tos de fabricación de cada unidad.
Al momento de publicarse este artículo, toda la informa-
ción de diseño mencionada podrá descargarse del sitio web
del proyecto FPGALibre.
6. REFERENCIAS
[1] Free Software Foundation, Inc. “The Free Software Defini-
tion”, http://www.gnu.org/philosophy/free-sw.html.
[2] Opencollector.org, “Writings on Open Source Hardware”.
http://www.opencollector.org/Whyfree/
[3] Ivan González, Juan González, Francisco Gómez-Arribas,
“Hardware libre: clasificación y desarrollo de hardware re-
configurable en entornos GNU/Linux”, http://www.iearobo-
tics.com/personal/juan/publicaciones/art4/hardware-li-
bre.pdf, Sept. 2003.
[4] D. J. Brengi, “Navegando en busca del "Free Hardware”,
http://utic.inti.gov.ar/proyectos/free_hardware/index.html,
May. 2004.
[5] Salvador E. Tropea, Diego J. Brengi, Juan P. D. Borgna,
“FPGALibre: Herramientas de Software Libre para diseño
con FPGAs” FPGA Based Systems. ISBN 84-609—8998-4,
pp. 173–180, Mar. 2006.
[6] Proyecto FPGA Libre, http://fpgalibre.sourceforge.net/
[7] OPENCORES.ORG, http://www.opencores.org/
[8] Olmedo Sergio D., Pereyra Esteban N., Manfredi Gustavo
A. “Kit de desarrollo educativo con CPLD” FPGA Based
Systems. ISBN 84-609—8998-4, pp. 207–214, Mar. 2006.
[9] Juan P. Oliver, Sebastián Fernandez “Desarrollo de Platafor-
mas Reconfigurables con Interfaz PCI como Proyecto de
Grado” FPGA Based Systems. ISBN 84-609—8998-4, pp.
215–222, Mar. 2006.
[10] Fernando I. Szklanny, Elio A. De María, Carlos E. Maidana,
Edgardo Gho. “Una plataforma didáctica para el aprendizaje
de técnicas de diseño con circuitos lógicos programables”
FPGA Based Systems. ISBN 84-609—8998-4, pp. 223–228,
Mar. 2006.
[11] Jean-Pierre Charras, “Kicad: GPL PCB Suite”, http://www.-
lis.inpg.fr/realise_au_lis/kicad/
[12] GNU General Public License,
http://www.gnu.org/copyleft/gpl.html
[13] Debian project. http://www.debian.org/
[14] Telka, M., et al, “JTAG Tools“,
http://openwince.sourceforge.net/jtag/
[15] Xilinx, Inc. “JTAG Programmer Guide”,
http://toolbox.xilinx.com/docsan/3_1i/pdf/docs/jtg/jtg.pdf
[16] Proyecto FPGA Libre, “Cable JTAG”,
http://fpgalibre.sourceforge.net/hard.html
Fig. 5. Diagrama en bloques descriptivo.