Узел индикации на ПЛИС фирмы ALTERA

ПРОЕКТ
Узел индикации на ПЛИС
фирмы ALTERA
Автор: Кузьменко Александр Сергеевич
-----------------------------Научный руководитель: Власов Андрей Игоревич
к.т.н., доцент каф. «ИУ4» МГТУ им. Н.Э. Баумана
Цель работы:

Разработка
универсального
узла
отображения
информации
для
измерительных
устройств
с
применением интегральных схем программируемой
логики (ПЛИС)
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 отображения
информации в измерительных
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 различных
средств отображения информации
АНАЛОГОВЫЕ СРЕДСТВА:
ОСЦИЛЛОГРАФ С ЭЛТ
СТРЕЛОЧНЫЙ АМПЕРМЕТР
ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА:
СВЕТОДИОДНАЯ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ МАТРИЦЫ
ГРАФИЧЕСКАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ПАНЕЛЬ
Структура узла индикации
Узел индикации предназначен для отображения на 2-х
строчном,
7-ми позиционном,
светодиодном
параллельной
адрес/данные.
7-ми сегментном
индикаторе, данных, которые поступают по
восьмиразрядной микропроцессорной шине -
+5V
Микропроцессорная система
8
вход
Входное
устройство
8
8
8
8
8
8
JTAG0
Дешифратор кода 1
Адрес/данные
Data/ Address BUS
8
JTAG1
Дешифратор кода 2
8
8
8
8
8
8
8
LCD
+5V
Логические функции узла индикации
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";--Гашение
B"1011"=>B"1111111"; B"1100"=> B"1111111";
B"1101"=>B"1111111"; B"1110"=> B"1111111";
B"1111"=>B"0111111";--Переполнение
Схемотехническое проектирование
(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 проектирование
(схема электрическая принципиальная)
X1
TCK
3
TDO
2
GND
10
GND
4
+5V
D1:2
PLM
DO1
DO2
R1
R3
R5
1k
TMS
1
1k
5
EPM7128SQI100-10
1k
TDI
1k
9
R7
DO3
DO4
DO5
IDC10MS
DO6
D1:1
+5V
6
DO8
DO9
93
TCK
75
DO7
41
TMS
64
X3
+5V
VCCINT
PLM
TDI
17
DO10
TDO
DO11
VCCIO
D0
1
D1
2
D2
3
D3
4
D4
5
D5
6
D6
7
D7
8
9 WR
10 RD
11 ALE
12 RST
13 +5V
14 GND
1
WR
DIN7
GNDINT
DIN8
11
RD
40
DIN10
12
DO18
8
C9
2
4
6
7
8
3 C2...C9
5
0.1 8
DO19
DO20
DO21
88
DIN11
14
DO17
84
DIN6
9
DO16
68
DIN5
8
DO15
53
DIN4
7
10
DO14
36
DIN3
4
DO13
20
DIN2
3
DO12
5
DIN1
2
DO22
DIN12
91
DO23
GNDIO
GCLRn
DO24
13
100
+5V
28
89
К53-1А-16В-33МКФ
C1
DO25
DO27
61
OE1
92
DO26
45
GCLK1
90
DO28
76
OE2
DO29
97
DO30
DO31
EPM7128S_1
DO32
60
47
49
57
58
59
48
50
46
35
38
42
43
44
37
39
29
31
26
24
23
30
27
25
34
62
55
52
33
32
56
54
EPM7128S_1
X2
D2:1
9
TDI
5
TMS
17
1
TCK
64
+5V
VCCINT
PLM
TDI
41
TMS
93
TCK
75
TDO
VCCIO
R2
R4
R6
1
R8
20
DIN2
3
36
DIN3
4
53
DIN4
7
+5V
5
DIN1
2
IDC10MS
68
DIN5
8
84
DIN6
9
DIN7
10
GNDINT
DIN8
11
40
DIN10
12
14
8
C
C117
0
2
4
6
31 C10...C17
5
0.1 8
88
DIN11
DIN12
91
GNDIO
GCLRn
13
1
CLK
87
28
89
90
61
OE1
92
D1:3
45
GCLK1
OE2
PLM
DO1
76
DO2
97
DO3
DO4
DO5
EPM7128S_2
DO6
DO7
DO8
X4
DO9
+5V
DO10
1
DO11
3
2
2
3
4
22k
+5V
1k
GND
1k
GND
4
1k
TDO
2
10
1k
3
6
DO12
DO13
R10
DO14
5
1
DO15
6
DO16
7
DO17
8
DO18
9
DO19
10
DO20
11
DO21
12
CS1
DO22
13
CS2
DO23
14
DO24
15
DO25
16
D/ I
17
EN
18
19
DO26
DO27
R9
3.9k
DO28
DO29
+5V
20
DO30
DO31
DO32
EPM7128S_1
70
71
66
65
51
69
67
63
72
77
79
81
74
73
78
80
82
94
96
99
87
83
95
98
85
86
19
15
16
18
21
22
1
CLK
+5V
R11
150
R12
150
R13
150
R14
150
R15
150
R16
150
R17
150
R18
150
R19
150
R20
150
R21
150
R22
150
R23
150
R24
150
R25
150
R26
150
R27
150
R28
150
R29
150
R30
150
R31
150
R32
150
R33
150
R34
150
R35
150
R36
150
R37
150
R38
150
R39
150
R40
150
R41
150
R42
150
R43
150
R44
150
R45
150
R46
150
R47
150
R48
150
R49
150
R50
150
R51
150
R52
150
R53
150
R54
150
R55
150
R56
150
R57
150
R58
150
R59
150
R60
150
R61
150
R62
150
R63
150
R64
150
R65
150
R66
150
H1
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
EPM7128SQI100-10
6
D2:2
14
PLM
SA_SC10_11
DO1
DO2
+5V
DO3
DO4
DO5
H2
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DO6
DPY
LED
A
B
DO7
DO8
C
D
DO9
DO10
E
DO11
F
DO12
G
DO13
DP
DO14
AN
DO15
DO16
6
DO17
14
DO18
DO19
SA_SC10_11
+5V
DO20
H3
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DO21
DPY
LED
A
B
DO22
DO23
C
D
DO24
E
DO26
F
DO27
DO25
G
DO28
DP
DO29
AN
DO30
DO31
6
DO32
57
63
60
58
55
56
62
59
27
15
22
24
25
26
21
23
100
94
96
18
19
99
95
98
82
74
32
37
16
85
30
34
14
EPM7128S_2
SA_SC10_11
H4
+5V
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
H5
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
D2:3
6
PLM
14
DO1
DO2
DO3
SA_SC10_11
H6
+5V
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DO4
DO5
DO6
DPY
LED
A
B
DO7
DO8
C
D
DO9
DO10
E
F
DO11
G
DO12
DO13
DP
DO14
AN
DO15
6
DO16
14
DO17
DO18
SA_SC10_11
DO19
+5V
DO20
DO21
H7
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DO22
DPY
LED
A
B
DO23
DO24
C
D
DO25
DO26
E
DO27
F
DO28
G
DO29
DP
DO30
AN
DO31
DO32
6
EPM7128S_2
14
SA_SC10_11
+5V
78
77
86
33
35
80
83
29
79
38
42
44
31
81
39
43
46
49
52
54
48
47
50
51
65
66
67
69
70
71
72
73
R67
150
R68
150
R69
150
R70
150
R71
150
R72
150
R73
150
R74
150
R75
150
R76
150
R77
150
R78
150
R79
150
R80
150
R81
150
R82
150
R83
150
R84
150
R85
150
R86
150
R87
150
R88
150
R89
150
R90
150
R91
150
R92
150
R93
150
R94
150
R95
150
R96
150
R97
150
R98
150
R99
150
R100
150
R101
150
R102
150
R103
150
R104
150
R105
150
R106
150
R107
150
R108
150
R109
150
R110
150
R111
150
R112
150
R113
150
R114
150
R115
150
R116
150
R117
150
R118
150
R119
150
R120
150
R121
150
R122
150
H8
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
H9
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
H10
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
H11
+5V
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
H12
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
H13
+5V
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
H14
1
13
10
8
7
2
11
9
3
DPY
LED
A
B
C
D
E
F
G
DP
AN
6
14
SA_SC10_11
+5V
Схемотехническое проектирование
(внутренняя структура ПЛИС ALTERA)
Конструкторско-технологическое
проектирование
(разработка печатной платы и сборка)
Рисунок печатной платы со
стороны установки элементов
Печатная плата в сборе
Рисунок печатной платы с
тыльной стороны
2-х строчный, 7-ми разрядный, 7ми сегментный индикатор
Конструкторско-технологическое
проектирование
(устройство в сборе)
Программирование 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 ПЛИС
Входные сигналы
 D0…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 сигналы
 POS0_Indicator[6..0]… POS6_Indicator [6..0]
сигналы управления цифровыми сегментами
индикатора.
 POS0_DT… POS6_DT сигналы управления
децимальными точками индикатора.

Программирование 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 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
сигналом
col(x) регистра при условии неактивности сигнала
ALE. Для преобразования двоичного кода в код 7сегментного 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 узла
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 затрат
разработанного 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.
Заключение


В результате выполненной работы, создан
универсальный узел, отображение цифровой
информации с применением интегральных схем
программируемой логики фирмы ALTERA, который
возможно использовать в широком спектре электрорадиозмерительных приборов.
В процессе выполнения работы был освоен
программный продукт Quartus II, v. 7.1, проведены
испытания узла индикации от различных
источников данных