KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA THIẾT KẾ BO MẠCH THỰC HÀNH MÔN KĨ THUẬT SỐ

SVTH: LÊ VĂN SÁU

Lớp 04DT3, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: Ths.DƯ QUANG BÌNH, NGUYỄN TRUNG KIÊN

Khoa Điện Tử - Viễn Thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết ASIC, nguyên lý hoạt động của chip FPGA và quy trình thiết kế FPGA, từ đó đề xuất một phương pháp thiết kế IC số dựa trên công nghệ FPGA và nghiên cứu ứng dụng phương pháp này để xây dựng ứng dụng “Bo mạch thực hành cho bộ môn Kỹ thuật số”. Bo mạch được thi công trên nền tảng IC XC2C256-CoolRunner II của hãng Xilinx. Đề tài đã xây dựng xong thư viện nhỏ các IC số và sử dụng các IC này để xây dựng một số bài thực hành từ căn bản đến phức tạp. ABSTRACT This thesis researched ASIC’s theories, FPGA’s specification and flow char in FPGA design, and building a method to design digital electronic circuit base on FPGA technology. Then apply this method in bulding the application “Electronic board use for Digital experiment”. This board is implemented with IC CoolRunner II XC2C256 of Xilinx. This thesis finished building small digital IC library and some sample circuits that use this library for basic to advanced digital experiment.

I.Mở đầu Trong đào tạo Đại học, việc nâng thời gian thực hành, thiết bị thí nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc củng cố lý thuyết và nâng cao kỹ năng thực tế của sinh viên. Thực hành, thí nghiệm kĩ thuật số là môn không thể thiếu đối với sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông nhưng thiết bị thí nghiệm ở trường thường nhập từ nước ngoài về với giá thành đắt và số lượng chỉ đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu cần thí nghiệm của sinh viên. Hơn nữa qua một thời gian sử dụng các bài thực hành được xây dựng trên các thiết bị này bị lỗi thời so với giáo trình học mới và không sử dụng được nữa gây lãng phí. Trong các công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử, công nghệ chip ASIC có nhiều tính năng vượt trội và thường được sử dụng trong các ứng dung chuyên biệt. ASIC có ứng dụng để thiết kế thử nghiệm các các chip mới trên các chip FPGA trước khi đưa vào sản xuất. Tại sao không sử dụng tính chất này để xây dựng các IC số cơ bản và ghép nối các IC đó để tạo thành mạch logic trong các bài thực hành môn Kỹ thuật số? Việc thực hành Kỹ thuật số bằng các IC số riêng biệt đem lại nhiều ưu điểm thực tế nhưng thiết kế và thử nghiệm mạch số trên chip FPGA đem lại nhiều lợi ích về thời gian, công sức và chi phí hơn.

II.Tổng quan

ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) là một thuật ngữ chỉ các vi mạch tích hợp chuyên dụng trong điện tử học. ASIC là một vi mạch IC được thiết kế dành cho một ứng dụng cụ thể. ASIC ngày nay được ứng dụng hầu như khắp mọi nơi, ví dụ như vi xử lý của điện thoại di động, hay chip xử lý trong các máy móc tự động, các phương tiện truyền thông, xe cộ, tàu vũ trụ, các hệ thống xử lý, các dây chuyền công nghiệp...

KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 FPGA (Field programmable Gate Array) mảng cổng lập trình được dạng trường là một nhánh của ASIC lập trình được. Một số nhà sản xuất gọi nó là PLD (Programmable Logic Device_ Các linh kiện lập trình được) phức tạp CPLD (complex PLD). FPGA thuộc họ ASIC lập trình được. Nó là dòng sản phẩm mới nhất của họ ASIC và phát triển nhanh chóng, thay thế TTL trong các hệ thống vi điện tử.

Với các tính chất: Các tài nguyên cơ bản giàu có có khả năng lập trình kết nối nhờ các ma trận các kết nối bao quanh; các cổng I/O lập trình được chiều và mode hoạt động (1,2 V ; 3.3V; đến 5V); việc thiết kế và thử nghiệm mạch sô mới có thể hoàn thành trong vài giờ. FPGA lý tưởng trong việc tạo ra các mẫu đầu tiên cho việc tạo ra mẫu đầu tiên cho các hệ thống số hoặc đối với ứng dụng chuyên biệt sản xuất số lượng thấp.

Verilog là một ngôn ngữ mô tả phần cứng được dùng rộng rãi trong thiết kế mạch số và tương tự. Nó là ngôn ngữ chuẩn công nghiệp, được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Cùng với tính chặt chẽ của nó làm cho quá trình gỡi rối thuân lợi, dễ kiểm soát mô hình được tạo ra, giảm thời gian kiểm tra, thử nghiệm. Trên cơ sở quy trình thiết kế IC số trên FPGA của Xilinx, ta có thể ứng dụng các công cụ được hỗ trợ trong quy trình này để xây dựng một quy trình thiết kế các mạch số dựa trên các thư viện IC số đã được xây dựng trước. Tất nhiên quy trình thiết kế cơ bản được sử dụng cho thiết kế thư viện IC số và sử dụng ngôn ngữ Verilog trong thiết kế và kiểm tra thiết kế. Đề tài cũng đã xây dựng được bo mạch thực hành trên chip CPLD CoolRunnerII (một nhánh con trong FPGA) và một số mạch thực hành đi kèm. Với Bo mạch này người dùng có thể: 1.Sử dụng phương pháp trên để tự xây dựng các bài thực hành Kỹ thuật số khác; 2.Triển khai thử nghiệm thiết kế các IC mới; 3.Xây dựng mạch điện tử số cho các ứng dụng trong thực tế khác.

III. Những nghiên cứu thực nghiệm hoặc lý thuyết 1. Xây dựng quy trình thiết kế mạch số trên CPLD sử dụng công cụ Schematic Quy trình xây dựng thiết kế chip trên FPGA của Xilinx giúp cho người thiết kế có thể làm được những dự án đơn giản đến phức tạp, bằng cách sử dụng một trong những ngôn ngữ VHDL, Verilog ..... Trên cơ sở quy trình thiết kế gốc, đề tài đã nghiên cứu đề xuất xây dựng quy trình thiết kế thư viện IC số và bài thực hành số trên nền tảng chip CPLD_một họ của FPGA sử dụng công cụ Schematics của phần mềm Xilinx ISE. Libraries (thư viện): Sau khi có thông tin về linh kiện, chúng ta tiến hành phân tích các đặc tính của nó và dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) để xây dựng linh kiện đưa vào hệ thống thư viện linh kiện. Các IC trong thư viện được kiểm tra đánh giá hoạt động đúng đắn trước khi đưa vào sử dụng Specification ( Đặc điểm kĩ thuật). Sử dụng thư viện linh kiện trên để vẽ sơ đồ mạch bằng 2 phương pháp: Schematic Capture và Synthesis. Trong đó phương pháp Schematic có thể cho sinh viên sử dụng thực hành thiết kế mạch. Synthesis dùng để tạo thư viện IC hoặc vẽ mạch số bằng Verilog dùng cho nghiên cứu thiết kế các mạch số phức tạp.

Hình 1: Sơ đồ khối qui trình thiết kế IC trên CPLD

KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 Verification (kiểm định ) Bước mô phỏng (simulation) kiểm tra cho phép sinh viên có thể phân tích hoạt động của mạch đã thiết kế ở nhà trước khi triển khai trên bo mạch thực hành tại phòng thí nghiệm. Implemention (triển khai thiết kế): Mọi bước kiểm tra đã được hoàn thành. Do đó đây là lúc ta cần đặt thiết kế này lên chip XC2C256 của bo mạch thí nghiệm để chạy thử. Tiến hành đo đạc để kiểm tra kết quả hoạt động trên thực tế. Sau khi nạp mạch thiết kế lên CPLD các mạch đầu cuối có thể được ghép nối để cho ứng dụng cuối.

2. Quy trình kiểm tra thiết kế Đề tài đã xây dựng một thư viện với khá nhiều IC số. Các IC này trước khi đưa vào ứng dụng đều phải được kiểm tra tính đúng đắn của nó. Có 2 cấp độ kiểm tra được thực hiện trên đề tài: mô phỏng hoạt động trên công cụ ISE Simulator và kiểm nghiệm hoạt động thực tế trên CPLD CoolRunner 2 bằng máy phân tích logic GLA-1132. Kết quả được đối chiếu với chức năng hoạt động của IC được cho bởi nhà sản xuất để đánh giá. Dưới đây là một trong các kết quả kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm đánh giá IC DM74LS193 thực tế và IC DM74LS193 thiết kế trên CPLD 2.1.Kiểm nghiệm thiết kế IC DM74LS193

IC DM74LS193 là IC có chức năng đếm lên hoặc đếm xuống cho phép nạp xóa các giá trị ban đầu. Với đầu ra là mã BCD cho phép dễ dàng ghép nối với mạch hiển thị làm chức năng chuyển đổi BCD sang Led bảy đoạn DM7447A.

Hình 3: Kết quả mô phỏng hoạt động của IC Hình 4: Kết quả kiểm nghiệm hoạt động thực

Hình 2: Sơ đồ khối qui trình thiết kế IC trên CPLD

KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009

DM74LS193 trên CPLD(Xc2C256) tế bằng máy phân tích logic GLA-1132

Về nguyên lý hoạt động: IC DM74LS193 thiết kế trên CPLD thực thi đầy đủ các trạng thái hoạt động của IC DM74LS193 của các nhà sản xuất. Về các đặc tính điện:

Thông số

Điều kiện DM74LS193

thực tế

Điều kiện DM74LS193

trên XC2C256

DM74LS193

Min Max

DM74LS193 trên XC2C256 Min Max

UNIT

Vcc 4.75 5.25 1.7 3.6 V Vol Vcc = Vmin , Vil =0.8V,

Vih = 2V, Iol = 16mA Vccio = 3V Iol = 8mA 0.4 0.4 V

Voh Vcc = Vmin , Vil =0.8V, Vih = 2V, Ioh = 0.4mA

Vccio = 3V Iol = -8mA 2.4 0.4 V Vih 2 2 3.9 V Vil 0.8 -0.3 0.8 V Iil Vcc = Vmax; Vi = 0.4V VCCIO to 3.0V - 1.6mA - 8mA Iih Vcc = Vmax; Vi = 2.4V VCCIO to 3.0V 40mA 8 mA Nhận xét: Từ bảng so sánh trên ta thấy đặc tính điện của 2 dòng IC này tương đối giống nhau tuy nhiên CPLD linh hoạt hơn vì có nhiều chế độ cấu hình cho IO cho phép giao tiếp được với rất nhiều họ IC khác nhau. Tần số hoạt đông tối đa thiết kế trên CPLD cũng lên tới 240MHz (Theo tài liệu kỹ thuật của CPLD CoolRunner II.)

. Hình 5: bảng cấu hình IO CPLD 2.2 Kiểm nghiệm mạch thực hành đếm xung sử dụng IC DM7490 và DM7447 Ứng dụng phương pháp xây dựng mạch số sử dụng công cụ Schematic của Xilinx ISE, sử dụng 2 IC đã được thiết kế và kiểm tra hoạt động trong thư viện: IC đếm BCD DM7490A và IC chuyển đổi BCD sang Led 7 đoạn DM7447A để xây dựng bộ đếm thập phân hiển thị ra Led 7 đoạn. Mạch được kiểm tra qua mô phỏng rồi đo đạc trên máy phân tích số GLA – 1132 để kiểm tra tính đúng đắn. Cuối cùng thử nghiệm trên mạch thực tế cho hiển thị ra Led 7 đoan.

Hình 6: Sơ đồ mạch đếm thiết kế trên CPLD

KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009

Hình 7. Giản đồ xung đo được khi mô phỏng

bằng ISE Simulator Hình 8. Giản đồ xung đo được từ máy phân

tích số GLA – 1132

Nhận xét: Mạch thực tế kết nối mạch trên với Led 7 đoạn bên ngoài chạy ổn định và đúng nguyên lý hoạt động. Điều này chứng tỏ được sự linh hoạt vượt trội của mạch số thiết kế trên công nghệ FPGA so với các mạch IC số truyển thống mà không cần các công đoạn mua IC, làm mạch đồng, hàn mạch. Người dùng chỉ cẩn tập trung chính vào phần thiết kế mạch ứng dụng.

IV. Đánh giá kết quả Bo mạch thiết kế thành công, có thể nạp xóa được chương trình trên chip CPLD Cool RunnerII qua cổng Parallel của máy tính bằng phần mềm Webpack ISE. Quá trình thiết kế, kiểm tra, thử nghiệm thư viện IC số và một số bài thực hành Kỹ thuật số trên bo mạch chạy ổn định. Nếu bo mạch sử dụng chip FPGA với số lượng tài nguyên và chân IO lớn, mạch số thiết kế sẽ lớn hơn tốc độ cao hơn có thể sử dụng cho môn học “Thiết kế hệ Vi xử lý” và nhiều môn học khác.

V. Kết luận Bo mạch thực hành môn kĩ thuật số này hổ trợ tốt việc giảng dạy môn kỹ thuật số trong việc tạo ra nhiều bài thực hành khác nhau từ đơn giản đến phức tạp trong lĩnh vực điện tử số. Ngoài ra bo mạch có thể được sử dụng để phục vụ việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm tra đặc tính của một IC mới hoặc một mạch phức tạp gồm nhiều IC số kết nối với nhau mà không cần tốn kinh phí và thời gian để làm mạch đặc biệt là mạch nhiều lớp. Bo mạch còn có thể dùng cho mục đích thương mại, người thiết kế chỉ việc sử dụng các module được thiết kế đi kèm để tạo ra các mạch số dùng cho mục đích riêng của mình. Lời cảm ơn

Em xin cảm ơn thầy Bình, thầy Kiên. Các thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ rất nhiệt tình để em có thể hoàn thành được đề tài này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy!

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thầy Huỳnh Việt Thắng, Bài giảng môn Kĩ Thuật Số, Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng [2] Các tài liệu kỹ thuật của Xilinx [3] Verilog-2001 Behavioral and Synthesis Enhancements, Clifford E. Cummings cliffc@sunburst-design.com / www.sunburst-design.com