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 5 3 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
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
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). 4. Klawiatura 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 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
Rys.6. Schemat klawiatury COL0 P4 COL1 P8 COL2 P16 COL3 P20 ROW0 P44 ROW1 P45 ROW2 P46 ROW3 P47 Tabela 2. Zestawienie wyprowadzeń klawiatury 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
Lista ćwiczeń 1. Układy kombinacyjne 2. Wyświetlacz LED 3. Układy sekwencyjne 4. Klawiatura 5. Modulator PWM 6. 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