Download luận văn đồ án tốt nghiệp với đề tài: Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA, cho các bạn có thể tham khảo

1. Tóm Tắt Nội Dung Khóa Luận
Máy hiển thị sóng hay còn gọi là máy dao động số có nhớ (DSO) là một thiết bị
không thể thiếu trong đo lường điều khiển. Cùng với sự phát triển của khoa khọc công
nghệ mà ngày nay chúng ta có những máy hiện sóng có tính năng rất phong phú và
kích thước cũng được giảm xuống đáng kể, bớt cồng kềnh và đặc biệt giá thành lại hạ
xuống rất nhiều. Ngày nay công nghệ sản xuất FPGA rất phát triển nên khóa luận này
em xin trình bày về cách thiết kế một máy dao động số có nhớ dựa trên công nghệ
FPGA.
Khóa luận được chia làm hai phần: Phần lý thuyết em xin trình bày một cách
tổng quan nhất về công nghệ FPGA, giới thiệu sơ qua về các bước thực hiện trong
FPGA. Phần thứ hai em xin trình bày về các loại máy dao động số có nhớ, cấu tạo và
nguyên tắc hoạt động của máy dao động tương tự và máy dao động số có nhớ. Cuối
cùng là phần em trình bày về các bước thiết kế một máy dao động số trên FPGA và
một số kết quá thu được.
i

2. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
Mục lục
Mở đầu........................................................................................................................................1
Chương 1.....................................................................................................................................2
TỔNG QUAN VỀ FPGA.........................................................................................................2
1.1 FPGA LÀ GÌ?.................................................................................................................2
1.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI FPGA...............................................................................................3
1.3. ỨNG DỤNG...................................................................................................................3
1.4. CẤU TRÚC MỘT FPGA...............................................................................................4
1.4.1 Khối logic FPGA......................................................................................................4
1.4.2 Các phần tử tích hợp sẵn...........................................................................................5
1.4.3 Quy trình thiết kế FPGA tổng quát...........................................................................5
1.4.3.1 Mô tả ban đầu về thiết kế...................................................................................6
1.4.3.2 Thực thi.............................................................................................................8
1.4.3.3 Quá trình Nạp (download) và lập trình (program)........................................10
1.5 TỔNG QUAN VỀ VHDL..............................................................................................10
1.5.1 Giới thiệu về ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL....................................................10
1.5.2 Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL................................................12
1.5.2.1 Thực thế (entity) của mô hình .........................................................................12
1.5.2.2 Kiến trúc của mô hình.....................................................................................13
TỔNG QUAN VỀ OSCILLOSCOP........................................................................................14
2.1 . DAO ĐỘNG KÍ ĐIỆN TỬ...........................................................................................14
2.2 PHÂN LOẠI OSCILLOSCOP......................................................................................15
2.3 CẤU TRÚC CỦA OSCILLOSCOP ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ......................................16
2.3 CẤU TRÚC CỦA OSCILLOSCOP ĐIỆN TỬ SỐ.......................................................17
CÁC BƯỚC THIẾT KẾ MỘT OSCILLOSCOP SỐ CÓ NHỚ...............................................22
3.1 CÁC THÀNH PHẦN TRONG THIẾT KẾ...................................................................23
3.1.1.Bộ nhớ.....................................................................................................................23
3.1.2 Bộ biến đổi tương tự - số ADC..............................................................................25
..........................................................................................................................................25
3.1.3 Bộ khuếch đại đệm .................................................................................................27
3.1.4 Điều khiển logic......................................................................................................29
3.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT....................................................................................................32
3.2.1 Cấu hình để nạp vào FPGA....................................................................................32
3.2.2 Chế độ tiền trigger...................................................................................................33
3.2.3 Dò điểm trigger.......................................................................................................34
3.3.4 Bộ tạo xung.............................................................................................................36
3.3.6 Giao diện logic cổng song song..............................................................................37
3.3.7 Điều khiển ADC .....................................................................................................38
Chương 4...................................................................................................................................39
CHƯƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN KIT DE2...........................................................39
4.1 TỔNG QUAN VỀ KIT DE2 VÀ CHIP CYCLONE II.................................................39
Nguyễn Văn Thông K49ĐB ii

3. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
4.2 CHƯƠNG TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG............................................................................44
4.2.1. Chương trình chính điểu khiển DSO......................................................................44
4.2.2 Chương trình điểu khiển logic cổng song song.......................................................46
4.2.3 Chương trình điểu khiển FIFO................................................................................47
4.2.4 Chương trình tạo dạng xung chia theo tỉ lệ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32......................49
4.2.4 Chương trình dò điểm trigger..................................................................................50
..........................................................................................................................................50
Kết luận.....................................................................................................................................52
PHỤ LỤC..................................................................................................................................53
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................................70
Nguyễn Văn Thông K49ĐB iii

4. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADC : Analog -to- Digital Converter
ASIC : Application-Specific Integrated Circuit
CPLD : Complex Programmable Logic Device
DAC : Digital-to-Analog Converter
DRAM : Dynamic Random Access Memory .
DSO : Digital Storage Oscilloscop
DSP : Digital Signal Processing.
E2
: EEPROM.
EEPROM : Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory.
FIFO : First In First Out
FPGA : Field-Programmable Gate Array
HDL : Hardware Description Language
I/O : Input/Output
LAB : Logic Array Block.
LE : logic Element.
LUT : Look Up Table
MAC : Multication and accumulation
PC : Personal Computer
PLA : Programmable Logic Array
RAM : Random Access Memory
ROM : Read-Only Memory
SPLD : Simple Programable Devices.
SRAM : Static Random Access Memory.
Nguyễn Văn Thông K49ĐB iv

5. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
VHDL : VHSIC hardware description language
VHSIC : Very High Speed Itergrated Circuit
WCLK : Write Clock.
WE : Write Enable.
WRST : Write Reset.
Nguyễn Văn Thông K49ĐB v

6. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo khoa Điện tử -
Viễn thông trường Đại học Công Nghệ- ĐHQG Hà Nội, những người đã tận tình dạy
dỗ, chỉ bảo em trong suốt bốn năm học vừa qua tại nhà trường.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thăng Long và
CN Phan Văn Minh , những người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu tại trường, các thầy đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống,
phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em khi ra
trường làm việc thực tế.
Em xin cảm ơn tới toàn thể cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử - vi hệ thống những
người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt hai năm qua.
Em xin gửi lời cảm ơn tới Ths. Nguyễn Kiêm Hùng cùng toàn thể cán bộ làm
việc trong phòng ” các hệ thống tích hợp thông minh” đã chỉ bào và tạo điện kiện cho
em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu FPGA trong phòng.
Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh
thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt
là tập thể lớp K49ĐB, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong suốt
những năm qua.
Hà nội, ngày 27 tháng 5 năm 2008
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Thông
Nguyễn Văn Thông K49ĐB vi

7. Mở đầu
Dao động kí (Oscilloscop) là một thiết bị đo lường điện tử phổ biến nhất hiện
nay, không giống như các loại máy đo khác chỉ cho ta các thông số của tín hiệu,
Oscilloscop còn cho phép ta quan sát tức thời dạng của tín hiệu. Nhiệm vụ chính của
một Oscilloscop là hiển thị một cách thật chính xác, chi tiết dạng tín hiệu dưới dạng
hàm số của điện áp và thời gian. Ngoài ra một nhiệm vụ không kém phần quan trọng
khác của oscilloscop là so sánh các dạng sóng khác nhau và đo lường mối quan hệ về
thời gian và pha giữa chúng.
Có thể nói quá trình phát triển của oscillscop gắn liền với quá trình phát triển của
kĩ thuật điện tử. Mở đầu là oscilloscop tương tự, một vài thập niên gần đây là
oscilloscop số, gần đây nhất là một số công ty đo lường hàng đầu thế giới vừa cho ra
đời oscilloscop hỗn hợp giữa số và tương tự được tính hợp với các tính năng mạnh mẽ
nhất thừa hưởng từ ngành công nghiệp máy tính.
Thế kỉ 21 là thế kỉ của thông tin và kĩ thuật số với sự phát triển và ứng dụng rộng
rãi của các bộ vi xử lý. Bằng việc đưa sức mạnh kĩ thuật số vào thực tiễn, các bộ vi xử
lý ngày một thay đổi cách sống của xã hội loài người. Khóa điện tử, máy điện thoại,
nồi cơm điện…..của chúng ta đang ngày một thông minh hơn, mạnh mẽ và nhanh nhờ
các bộ vi xử lý. Tất cả các ngành công nghiệp lớn như: viễn thông, điều khiển công
nghiệp, sản xuất hàng tiêu dùng… đều ý thức được và sử dụng triệt để công nghệ mới
và họ cũng vấp phải những vần đề mới cần giải quyết đó là các vấn đề liên quan tới
tín hiệu và điều khiển số và tương tự của thế giới thực. Oscilloscop với vai trò là một
thiết bị giám sát, đo kiểm phải đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe do các
ngành công nghiệp này đắt ra.
Với mục đích là tìm hiểu và thiết kế một oscilloscop số, khóa luận này trình bày
và phân tính cấu tạo, nguyên lí hoạt động của các loại oscilloscop, các tính năng tiến
tiến của chúng, đặc biệt là cách thiết kế một oscilloscop kĩ thuật số có nhớ dùng chip
FPGA làm trung tâm điều khiển.
1

8. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ FPGA
1.1 FPGA LÀ GÌ?
FPGA (Field-Programmable Gate Array) là vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử
logic mà người dùng có thể lập trình được. Vi mạch FPGA được cấu thành từ các bộ
phận:
 Các khối logic cơ bản lập trình được (logic block)
 Hệ thống mạch liên kết lập trình được
 Khối vào/ra (IO Pads)
 Phần tử thiết kế sẵn khác như DSP slice, RAM, ROM, nhân vi xử lý...
So sánh FPGA với ASIC và các vi mạch bán dẫn khác:
ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) là một vi mạch IC được thiết kế
dành cho một ứng dụng cụ thể.
FPGA cũng được xem như một loại vi mạch bán dẫn chuyên dụng ASIC, nhưng
nếu so sánh FPGA với những ASIC đặc chế hoàn toàn hay ASIC thiết kế trên thư viện
logic thì FPGA không đạt đựợc mức độ tối ưu như những loại này, và hạn chế trong
khả năng thực hiện những tác vụ đặc biệt phức tạp, tuy vậy FPGA ưu việt hơn ở chỗ
có thể tái cấu trúc lại khi đang sử dụng, công đoạn thiết kế đơn giản do vậy chi phí
giảm, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sử dụng.
Còn nếu so sánh với các dạng vi mạch bán dẫn lập trình được dùng cấu trúc
mảng phần tử logic như PLA, PAL, CPLD thì FPGA ưu việt hơn các điểm:
 Tác vụ tái lập trình của FPGA thực hiện đơn giản hơn.
 Khả năng lập trình linh động hơn
 Kiến trúc của FPGA cho phép nó có khả năng chứa khối lượng lớn cổng
logic (logic gate), so với các vi mạch bán dẫn lập trình được có trước nó.
Thiết kế hay lập trình cho FPGA được thực hiện chủ yếu bằng các ngôn ngữ mô
tả phần cứng HDL như VHDL, Verilog, AHDL, các hãng sản xuất FPGA lớn như
Nguyễn Văn Thông K49ĐB 2

9. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
Xilinx, Altera thường cung cấp các gói phần mềm và thiết bị phụ trợ cho quá trình
thiết kế, cũng có một số các hãng thứ ba cung cấp các gói phần mềm kiểu này như
Synopsys, Synplify... Các gói phần mềm này có khả năng thực hiện tất cả các bước
của toàn bộ quy trình thiết kế IC chuẩn với đầu vào là mã thiết kế trên HDL (còn gọi là
mã RTL).
1.2. LỊCH SỬ RA ĐỜI FPGA
FPGA được thiết kế đầu tiên bởi Ross Freeman, người sáng lập công ty Xilinx
vào năm 1984, kiến trúc mới của FPGA cho phép tích hợp số lượng tương đối lớn các
phần tử bán dẫn vào 1 vi mạch so với kiến trúc trước đó là CPLD. FPGA có khả năng
chứa tới từ 100.000 đến hàng vài tỷ cổng logic, trong khi CPLD chỉ chứa từ 10.000
đến 100.000 cổng logic; con số này đối với PAL, PLA còn thấp hơn nữa chỉ đạt vài
nghìn đến 10.000.
CPLD được cấu trúc từ số lượng nhất định các khối SPLD (Simple programable
devices, thuật ngữ chung chỉ PAL, PLA). SPLD thường là một mảng logic AND/OR
lập trình được có kích thước xác định và chứa một số lượng hạn chế các phần tử nhớ
đồng bộ (clocked register). Cấu trúc này hạn chế khả năng thực hiện những hàm phức
tạp và thông thường hiệu suất làm việc của vi mạch phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của
vi mạch hơn là vào yêu cầu bài toán.
Kiến trúc của FPGA là kiến trúc mảng các khối logic, khối logic, nhỏ hơn nhiều
nếu đem so sánh với một khối SPLD, ưu điểm này giúp FPGA có thể chứa nhiều hơn
các phần tử logic và phát huy tối đa khả năng lập trình của các phần tử logic và hệ
thống mạch kết nối, để đạt được mục đích này thì kiến trúc của FPGA phức tạp hơn
nhiều so với CPLD.
Một điểm khác biệt với CPLD là trong những FPGA hiện đại được tích hợp
nhiều những bộ logic số học đã sơ bộ tối ưu hóa, hỗ trợ RAM, ROM, tốc độ cao, hay
các bộ nhân cộng (multication and accumulation, MAC), thuật ngữ tiếng Anh là DSP
slice dùng cho những ứng dụng xử lý tín hiệu số DSP.
Ngoài khả năng tái cấu trúc vi mạch toàn cục, một số FPGA hiện đại còn hộ trợ
tái cấu trúc cục bộ, tức là khả năng tái cấu trúc một bộ phận riêng lẻ trong khi vẫn đảm
bảo hoạt động bình thường cho các bộ phận khác.
1.3. ỨNG DỤNG
Nguyễn Văn Thông K49ĐB 3

10. Khóa luận tốt nghiệp Thử nghiệm thiết kế dao động ký số trên FPGA
Ứng dụng của FPGA bao gồm: xử lý tín hiệu số DSP, các hệ thống hàng không,
vũ trụ, quốc phòng, tiền thiết kế mẫu ASIC (ASIC prototyping), các hệ thống điều
khiển trực quan, phân tích nhận dạng ảnh, nhận dạng tiếng nói, mật mã học, mô hình
phần cứng máy tính...
Do tính linh động cao trong quá trình thiết kế cho phép FPGA giải quyết lớp
những bài toán phức tạp mà trước kia chỉ thực hiện nhờ phần mềm máy tính, ngoài ra
nhờ mật độ cổng logic lớn FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối
lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực.
1.4. CẤU TRÚC MỘT FPGA
Cấu trúc tổng thể của một FPGA được minh họa ở hình sau.
Hình 1: Cấu trúc tổng thế một FPGA
1.4.1 Khối logic FPGA
Hình 2: Khối logic FPGA
Phần tử chính của FPGA là các khối logic (logic block). Khối logic được cấu
thành từ LUT và một phần tử nhớ đồng bộ flip-flop.
Nguyễn Văn Thông K49ĐB 4

11. DOWNLOAD ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG
MÃ TÀI LIỆU: 50889
DOWNLOAD: + Link tải: Xem bình luận
Hoặc : + ZALO: 0932091562