Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium

Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium

Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium
(wersja robocza)
Zdjęcie opracowanej na potrzeby prowadzenia laboratorium płytki przedstawiono na
Rys.1. i oznaczono na nim najważniejsze elementy:
1) Zasilacz i programator.
2) Układ logiki programowalnej firmy XILINX Spartan2 (XC2S15).
3) Wyświetlacz LED (4x7segmentów).
4) Klawiatura matrycowa 4x4.
5) Dioda świecąca.
6) Przetwornik akustyczny (głośnik).
6
3
5
1
2
4
Rys.1. Zdjęcie płytki
1. Zasilacz i programator
Płytka stanowiska laboratoryjnego zasilana jest poprzez port USB. Do poprawnej
pracy układ Spartan2 wymaga dołączenia dwóch napięć zasilających, o wartościach
odpowiednio 2,5V i 3,3V. Stąd też zadaniem układu zasilającego jest obniżenie
napięcia z portu USB (5V) do wymaganego poziomu.
Zastosowany układ logiki programowalnej wymaga po każdym włączeniu zasilania
odtworzenia zaprogramowanej struktury logicznej. W tym celu na płytce umieszczony
został układ programatora. Zadaniem którego jest odebranie poprzez interfejs USB
i przesłanie poprzez interfejs JTAG danych służących do konfiguracji. Od strony
komputera PC do wysyłania danych konfiguracyjnych którego okno główne
przedstawiono na Rys.2. Program ten po wybraniu pliku z zapisanymi danymi
konfigurującymi umożliwia jego przesłanie. Ponadto możliwe jest również przesłanie
pliku demonstrującego działanie elementów płytki.
Rys.2. Okno główne programu do przesyłania danych konfiguracyjnych
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki
1
Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium
(wersja robocza)
2. Spartan2 XC2S15
W stanowisku laboratoryjnym zastosowano układ FPGA firmy XILINX którego
schemat blokowy przedstawiono na Rys.3.
Do najistotniejszych cech tego układu należą:
- 15000 bramek logicznych
- 4 bloki po 4K bity pamięci RAM
- 8x12 matryca CLB (na Rys.4. przedstawiono polowe bloku CLB)
- 86 dostępnych wejść/wyjść (60 w obudowie VQ100)
Rys.3. Blokowa struktura układu XC2S15 firmy Xilinx
Rys.4. Schemat połowy bloku CLB (w jednym bloku są dwa identyczne układy)
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki
2
Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium
(wersja robocza)
3. Wyświetlacz
Na płytce umieszczono dwa dwucyfrowe wyświetlacze LED co daje
możliwość wyświetlenia liczby czterocyfrowej. Każda z cyfr może być uzyskana
przez włączenie lub wyłączenie poszczególnych segmentów.
Rys.5. Oznaczenie segmentów wyświetlacza
Wyświetlacze LED zostały dołączone do układu XC2S15 w taki sposób, że segmenty
świecą gdy na wyjściu odpowiadającemu danemu segmentowi pojawia logiczne 0,
gdy pojawia się logiczna 1 segment nie świeci (obowiązuje więc tzw. logika ujemna).
Tabela 1.
Zestawienie wyprowadzeń wyświetlacza LED
Cyfra
WLED2
WLED1
Segment LEWA PRAWA LEWA PRAWA
a
P70
P59
P98
P83
b
P69
P58
P97
P82
c
P68
P57
P96
P81
d
P67
P56
P95
P80
e
P66
P55
P93
P74
f
P65
P54
P87
P73
g
P62
P53
P86
P72
DP
P60
P52
P84
P71
4. Klawiatura
Klawiatura składa się z 16 mikroprzełączników połączonych zgodnie, ze
schematem przedstawionym na Rys.6. Zastosowany układ klawiatury nosi nazwę
klawiatury matrycowej, gdyż jej obsługa polega na sprawdzeniu pomiędzy którym
wierszem i którą kolumną nastąpiło połączenie.
Obsługę takiej klawiatury rozpoczyna się od wystawienia logicznego 0 na
wyprowadzenie układu dołączone do konkretnego wiersza (ROWx), jeżeli na którymś
wejściu „kolumnie” (COLx) pojawi się stan logiczny 0 oznaczać to będzie że
wciśnięty jest klawisz znajdujący się na przecięciu wybranego wiersza i kolumny.
Diody służą do zabezpieczenia układu przed skutkami równoczesnego
przyciśnięcia kilku klawiszy, a jednocześnie zapewniają możliwość poprawnego
zdekodowania wciśniętych klawiszy.
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki
3
Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium
(wersja robocza)
Rys.6. Schemat klawiatury
Tabela 2.
Zestawienie wyprowadzeń klawiatury
COL0
COL1
COL2
COL3
ROW0
ROW1
ROW2
ROW3
P4
P8
P16
P20
P44
P45
P46
P47
5. Dioda świecąca
Dioda świecąca podłączona jest do wyprowadzenia P32 układu XC2S15 w taki
sposób, ze świeci gdy na tym wyjściu pojawia się 0, nie świeci gdy jest stan 1.
6. Przetwornik akustyczny
Stanowisko pomiarowe wyposażono w mały przetwornik akustyczny (głośnik)
dołączony do wyprowadzenia P31 układu XC2S15. Dla uzyskania dźwięku konieczne
jest wygenerowanie przebiegu prostokątnego o częstotliwości „słyszalnej”.
7. Taktowanie układów synchronicznych
Do wejścia zegarowego P39 układu XC2S15 doprowadzony jest sygnał
prostokątny o częstotliwości ok. 8 MHz.
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki
4
Programowalne Układy Cyfrowe – Laboratorium
(wersja robocza)
Lista ćwiczeń
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Układy kombinacyjne
Wyświetlacz LED
Układy sekwencyjne
Klawiatura
Modulator PWM
Złożony projekt
Opis ćwiczeń
1. Zapoznanie się z działaniem programu ISE WebPack, tworzenie deklaracji wejść
i wyjść, stworzenie prostego układu kombinacyjnego.
2. Zaprojektowanie dekodera dla czterocyfrowego wyświetlacza 7 segmentowego LED.
3. Zasady tworzenia automatów w układach FPGA, liczniki i prosty „automat”.
4. Obsługa klawiatury metodą skaningową. Dekodowanie wciśniętego klawisza
i wyświetlanie.
5. Zbudowanie modulatora PWM złożonego z dwóch liczników, sterowanie jasnością
świecenia LED.
6. Wprowadzanie wartości nastaw modulatora PWM z klawiatury z jednoczesnym
wyświetlaniem ustawień na wyświetlaczu LED.
Instytut Metrologii, Elektroniki i Automatyki
5