Узел индикации на Узел индикации на ПЛИС фирмы ALTERAПЛИС фирмы ALTERA

Автор: Кузьменко Александр Сергеевич

------------------------------

Научный руководитель: Власов Андрей Игоревич к.т.н., доцент каф. «ИУ4» МГТУ им. Н.Э. Баумана

ПРОЕКТ

Цель Цель работы:работы: Разработка универсального узла отображения

информации для измерительных устройств с применением интегральных схем программируемой логики (ПЛИС)

Решаемые задачи:Решаемые задачи: Анализ средств и методов отображения

информации в измерительных устройствах Выбор элементной базы узла индикации Разработка схемотехнической и

конструктивной реализации узла индикации Программирование ПЛИС Возможности применения реализованного

узла индикации

Анализ средств и методов Анализ средств и методов отображения информации в отображения информации в измерительных устройствахизмерительных устройствах

Одной из важных функций любого измерительного прибора является визуализация результатов измерений. Получаемые результаты измерений могут выводиться в графическом или цифровом виде. Для отображения процессов, например, изменяющихся во времени, чаще всего используют графические средства отображения. В аналоговых приборах это электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), а в цифровых жидкокристаллические (ЖК), светодиодные или плазменные индикаторные панели высокого разрешения. Для отображения цифровой информации в аналоговых измерительных устройствах, обычно, применяются стрелочные приборы, а в цифровых светодиодные и жидкокристаллические матрицы.

Примеры применения Примеры применения различных средств различных средств отображения информацииотображения информации

ОСЦИЛЛОГРАФ С ЭЛТ

АНАЛОГОВЫЕ СРЕДСТВА:

ГРАФИЧЕСКАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ПАНЕЛЬ

СТРЕЛОЧНЫЙ АМПЕРМЕТР

ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА:

СВЕТОДИОДНАЯ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ МАТРИЦЫ

Структура узла индикацииСтруктура узла индикацииУзел индикации предназначен для отображения на 2-х

строчном, 7-ми позиционном, 7-ми сегментном

светодиодном индикаторе, данных, которые поступают по параллельной восьмиразрядной микропроцессорной шине - адрес/данные.

+5V

8 8 8 8

LCD

8 8 8 8 8

8 8 8

+5V

JTAG0

8 8

JTAG1

Data/ Address BUS

Дешифратор кода 1

Дешифратор кода 2

Микропроцессорная система

Входное устройств

о

входАдрес/данные

8

Логические функции узла Логические функции узла индикациииндикации

Информация поступающая по 8-ми разрядной шине адрес/данные в двоичном коде должна быть преобразована в двоичный код 7-ми сегментного индикатора, в соответствии с таблицей

Binary_code[] => Seven_segment[];B"0000"=>B"1000000"; B"0010"=> B"0100100"; B"0011”=>B"0110000"; B"0100"=> B"0011001";B"0101"=>B"0010010"; B"0110"=> B"0000010"; B"0111"=>B"1111000"; B"1000"=> B"0000000";B"1001"=>B"0010000";B"1010"=>B"1111111";--ГашениеB"1011"=>B"1111111"; B"1100"=> B"1111111"; B"1101"=>B"1111111"; B"1110"=> B"1111111"; B"1111"=>B"0111111";--Переполнение

Схемотехническое Схемотехническое проектированиепроектирование(выбор элементной базы)(выбор элементной базы) Дешифраторы двоичного кода в двоичный

семисегментный код, можно реализовать на элементах жесткой логики. Для сокращения числа компонентов и удобства монтажа узла, схема построена на основе микросхем программируемой логики (ПЛИС) EPM7128SQI100-10 фирмы Altera. В качестве устройства отображения информации выбраны светодиодные индикаторы с большим размером символов для удобства восприятия информации оператором.

Источник питания выбран стандартный напряжением 5 В и с максимальным током нагрузки 1 А.

Схемотехническое Схемотехническое проектированиепроектирование(схема электрическая (схема электрическая принципиальная)принципиальная)

RD

1

+5V

8

8

8

8

GND

ALE

D7

D4

CLK

CS1

C2...C9

CLK

+5V

1k R1

+5V

+5V

WRWR

D6

RD

D2

D0

D1

D3

+5V

1k R5 1k R7

D/ I

EN

3

1

2

22k R10

C20.1

C30.1

C40.1

C50.1

C60.1

C70.1

C80.1

C90.1

+5V

1

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

150R122

150R119

150R120

150R116

150R117

150R113

150R114

150R110

150R111

150R107

150R108

150R104

150R105

150R101

150R102

150R98

150R99

150R95

150R96

150R92

150R93

150R89

150R90

150R86

150R87

150R83

150R84

150R80

150R81

150R76

150R77

150R78

150R73

150R74

150R70

150R71

150R67

150R68

1k R2

14

3

1213

6

87

910

12

45

11

X3

1k R6 1k R8

RST

D5

+5V

3.9kR9

CS2

C100.1

C110.1

C120.1

C130.1

C140.1

C150.1

C160.1

C170.1

+5V

C10...C17

+5V

150R112

150R115

150R118

150R121

150R100

150R103

150R106

150R109

150R88

150R91

150R94

150R97

150R75

150R79

150R82

150R85

150R69

150R72

C1

К53-

1А-1

6В-3

3МКФ

20

18

17

15

12

9

6

3

19

16

13

11

10

7

5

4

2

1

14

8

X4

+5V

+5V

1k R3

150R66

150R63

150R64

150R60

150R61

150R57

150R58

150R54

150R55

150R51

150R52

150R48

150R49

150R45

150R46

150R42

150R43

150R39

150R40

150R36

150R37

150R33

150R34

150R30

150R31

150R27

150R28

150R24

150R25

150R20

150R21

150R22

150R17

150R18

150R14

150R15

150R11

150R12

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V1k R4

2 GND

5 TMS

3 TDO1 TCK

9 TDI

10 GND

4 +5V

X2

IDC10MS

150R56

150R59

150R62

150R65

150R44

150R47

150R50

150R53

150R32

150R35

150R38

150R41

150R19

150R23

150R26

150R29

150R13

150R16

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H7

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H4

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H2

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H1

+5V

2 GND

5 TMS

3 TDO1 TCK

9 TDI

10 GND

4 +5V

X1

IDC10MS

100

14DIN12

11DIN10

10DIN8

8DIN6

3DIN3

76

28

40

84

36

41

9DIN7

12DIN11

7DIN5

2DIN2

4DIN4

1DIN1

45

61

13

88

68

53

20

5

93

97

17TMS

90OE1

92OE2

89GCLK1

64TCK

75TDO

6TDI

91GCLRn

PLM

GNDIO

VCCIO

GNDINT

VCCINT

EPM7128S_1

D1:1

87

14DIN12

11DIN10

10DIN8

8DIN6

3DIN3

76

28

40

84

36

41

9DIN7

12DIN11

7DIN5

2DIN2

4DIN4

1DIN1

45

61

13

88

68

53

20

5

93

97

17TMS

90OE1

92OE2

89GCLK1

64TCK

75TDO

6TDI

91GCLRn

PLM

GNDIO

VCCIO

GNDINT

VCCINT

EPM7128S_2

D2:1

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H3

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H5

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H6

85DO30

32DO27

98DO24

19DO21

62DO7

58DO4

57DO1

37DO28

16DO29

30DO31

34DO32

99DO22

95DO23

82DO25

74DO26

23DO16

100DO17

94DO18

96DO19

18DO20

15DO10

22DO11

24DO12

25DO13

26DO14

55DO5

56DO6

59DO8

27DO9

21DO15

63DO2

60DO3

PLM

D2:2

EPM7128S_2

EPM7128SQI100-10

71DO30

67DO27

51DO24

48DO21

83DO7

33DO4

78DO1

69DO28

70DO29

72DO31

73DO32

47DO22

50DO23

65DO25

66DO26

43DO16

46DO17

49DO18

52DO19

54DO20

38DO10

42DO11

44DO12

31DO13

81DO14

35DO5

80DO6

29DO8

79DO9

39DO15

77DO2

86DO3

PLM

D2:3

EPM7128S_2

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H14

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H11

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H9

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H8

32DO30

55DO27

25DO24

23DO21

48DO7

57DO4

60DO1

52DO28

33DO29

56DO31

54DO32

30DO22

27DO23

34DO25

62DO26

39DO16

29DO17

31DO18

26DO19

24DO20

35DO10

38DO11

42DO12

43DO13

44DO14

58DO5

59DO6

50DO8

46DO9

37DO15

47DO2

49DO3

PLM

D1:2

EPM7128S_1

EPM7128SQI100-10

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H10

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H12

6

14

3

9DP

7E

13B

2F

11G

1A

10C

8 D

AN

DPYLED

SA_SC10_11

H13

18DO30

19DO27

98DO24

87DO21

67DO7

65DO4

70DO1

15DO28

16DO29

21DO31

22DO32

83DO22

95DO23

85DO25

86DO26

80DO16

82DO17

94DO18

96DO19

99DO20

77DO10

79DO11

81DO12

74DO13

73DO14

51DO5

69DO6

63DO8

72DO9

78DO15

71DO2

66DO3

PLM

D1:3

EPM7128S_1

Схемотехническое Схемотехническое проектированиепроектирование(внутренняя структура ПЛИС (внутренняя структура ПЛИС ALTERAALTERA) )

Конструкторско-Конструкторско-технологическое технологическое проектированиепроектирование(разработка печатной платы и сборка)(разработка печатной платы и сборка)

Рисунок печатной платы со стороны установки элементов

Рисунок печатной платы с тыльной стороны

Печатная плата в сборе

2-х строчный, 7-ми разрядный, 7-ми сегментный индикатор

Конструкторско-Конструкторско-технологическое технологическое проектированиепроектирование(устройство в сборе)(устройство в сборе)

Программирование ПЛИСПрограммирование ПЛИС

В схеме узла используются 2 микросхемы ПЛИС, выполняющие все требуемые функции с идентичными прошивками, отличающимися только номером адресной линии выборки (А5 или А6 в проекте PAM_PSS_WORK2) и назначением внешних выводов. Файлы программирования ПЛИС созданы с помощью ПО «Quartus II 7.1». Для программирования используется специальный кабель ByteBlasterMV, подключаемый к LPT-порту любого компьютера.

ByteBlasterMV Электрическая схема

ByteBlasterMV

Программирование ПЛИСПрограммирование ПЛИС

Входные сигналыD0…D7 параллельная 8-битная совмещенная

шина адрес/данные. RST начальная инициализация индикатора

– отображение «0» во всех позициях.ALE стробирующий импульс записи

адреса.WR стробирующий импульс записи

данных.  Выходные сигналыPOS0_Indicator[6..0]… POS6_Indicator [6..0]

сигналы управления цифровыми сегментами индикатора.

POS0_DT… POS6_DT сигналы управления децимальными точками индикатора.

Ext_LCD_xxx сигналы управления внешним ЖКИ.

Программирование ПЛИСПрограммирование ПЛИС

Запись данных в ПЛИС производится следующим образом. На линиях D0…D7 внешнее устройство выставляет сигналы, транслируемые на ЖКИ (d0,d1,d2,d4) и сигнал выборки ПЛИС ( логическая «1» на d5 или d6). На вход ALE подается стробирующий импульс, фиксирующий их в адресном регистре. Далее на эти же линии выставляются сигналы:

Разряды 0…4 – двоичный код отображаемого символа;

Разряды 5…7 – двоичный код позиции индикатора, в которую данный символ должен быть выведен.

Программирование ПЛИСПрограммирование ПЛИС

При помощи декодера старших разрядов формируется сигнал разрешения записи в регистры данных (сигналы col[6..0]). При подаче стробирующего импульса на вход WR по его спадающему фронту данные защелкиваются в регистре данных. Логические элементы AND3 в конкретный момент времени разрешают запись только выбранного сигналомcol(x) регистра при условии неактивности сигнала ALE. Для преобразования двоичного кода в код 7-сегментного индикатора использованы декодеры описанные выше. Для вывода на индикатор десятичной точки используется разряд 4 шины данных. Для полного заполнения индикатора данной ПЛИС требуется 7 циклов записи.

Возможности применения Возможности применения узла индикацииузла индикации

Узел может применяться в измерительных приборах: частотомерах, измерителях импульсов, температуры, давления и т.д., в технологических системах для отладки микропроцессорных устройств, контроля шин адресов и/или данных, а так же в устройствах в качестве индикатора данных. В данном случае узел был применён в системе пересчёта импульсов, поступающих от датчика ионизирующего гамма-излучения.

Оценка эффективности и Оценка эффективности и затрат разработанного затрат разработанного устройства устройства Не высокая стоимость комплектующих, в

частности ПЛИС EPM7128SQI100-10 фирмы ALTERA, а так же применение высокотехнологичных методов проектирования с помощью САПР даёт привлекательное соотношение цена/качество.

Универсальный узел индикации даёт возможность без затрат на дополнительную разработку применять его в различных микропроцессорных и микроконтроллерных устройствах.

Не большое количество электронных компонентов в узле индикации и выполнение на высоком технологическом уровне, даёт основание полагать о достаточно высокой надёжности устройства.

ЗаключениеЗаключение

В результате выполненной работы, создан универсальный узел, отображение цифровой информации с применением интегральных схем программируемой логики фирмы ALTERA, который возможно использовать в широком спектре электро-радиозмерительных приборов.

В процессе выполнения работы был освоен программный продукт Quartus II, v. 7.1, проведены испытания узла индикации от различных источников данных