Ứng dụng linh kiện tái cấu hình trong đo lường

Nghién cùn ve nguyén ly va còng cu làm viec vói linh kien tài cau hinh va ùng dung cùa càc linh kien loai này trong do luòng, cu thè là che tao càc thièt bi khoa hoc co khà nàng tài cau

DAI HOC QUOC GIÀ HA NÓI

TRl/ÒNG DAI HOC KHOA HOC TI/ NHIÉN

DE TAI: QT-09-07 ÙNG DUNG LINH KIEN TÀI CÀU HÌNH TRONG DO LlTÒNG

CHÙ TRI: TRAN VÌNH THÀNG

DAI HOC Q U O C G I À HA NQi

! TRUNG TÀM THÒNG TIN THU VIÈN

oràm

HA NÓI 2009

ThS Nguyén Ngoc Dinh

d Muc tiéu va noi dung nghién ciru

Nghién cùn ve nguyén ly va còng cu làm viec vói linh kien tài cau hinh va ùng dung cùa càc linh kien loai này trong do luòng, cu thè là che tao càc thièt bi khoa hoc co khà nàng tài cau hinh phuc vu nhiéu muc dich do luòng khàc nhau Trén co so dò xày dung càc thièt bi do luòng co cùng kièn trùc phàn cùng nhung co khà nàng tài cau hinh

Noi dung bao gòm: tìm hièu ve càc loai linh kien tài cau hinh nhu PLD FPGA cau trùc va tinh nàng cùa nò, qua dò tim càc còng cu thich bop de phàt trièn, cau hinh bòa linh kien theo càc mach logie trén nguyén tàc cùa càc thièt bi do luòng bay dugc dùng trong thirc té

e Càc két qua dat du'O'c

Khoa hgc:

Tièp càn va nàm bàt dugc phuong phàp va còng cu xày dung càc mach dien tu trén linh kien FPGA, qua dò trién khai ùng dung loai linh kièn này che tao thièt bi do luòng, a day là thièt bi tich bop mày tao song sine va do tin hièu còng huong phuc vu thi nghiém Vat ly - Xàc dinh van toc truyén àm trong khóng khi Phuc vu dào tao va nghién cùn trién khai thuc càc he do vat ly

01 bài bào gùi dàng lèn tap chi DHQG Ha Noi

01 khóa luan tòt nghiép Dai hgc

Thuc tién:

- Xày dung thành còng bài thi nghiém do toc dò van toc truyén àm trong khóng khi vói nhiéu 'Ihièt bi'" tich bop trén cùng mot phàn cùng xày dung trén board mach FPGA Spartan 3AN

f Tinh hình kinh phi eùa de tài

Tóng kinh phi: 25.000.000 dong

Trong dò: Vat tu: 9.500.000 dòng

Tbòngtin: 1.500.000 dòng Thué khoàn chuyén mòn: 10.000.000 dòng Quan ly phi, dién nuóc; 2.000.000 dòng

KHOA QUÀN LY CHÙ TRÌ DE TÀI

(Ky va ghi rò ho tèn) (Ky va ghi ro ho tén)

2^

PCS TS Uà Huy Bang Tran VTnh Thàng

TRlTÒTVG DAI HOC KHOA HOC Tlf NHIÉN

II Report

a Project: Applications of Reconfiguable devices in Measurement (Code: QT-09-07)

b Coordinator: Tran Vinh Thang

e Co-operators: MSc Nguyén Ngoc Dinh

d Objectives and scientific contents

Research and develop about reconfigurable devices as PLD, FPGA include: metholds, toois and its applications Design and build the reconfigurable Instruments base

on FPGA devices and measurement principles

e Results

Scientific:

- To approach an application of reconfigurable devices in measurement instruments To opened out a R&D capacity for applying in education training, and measurement science

Real applications:

- 01 paper submits to VNU's journal of Science

- 01 Bachelor thesis

- Building sucessfuly a new measurement instrument using for experiment

in physics - the speed of sound in the air experiment The instrument included a signal generator RMS value measurement and display that located in only one FPGA device named Spartan 3AN

f Budget

Total: 25.000.000 VND

MUC LUC

Trang

L Gioì thieu 5

2 Tinh hình nghicn ciru linh kien tài cau hình trong do luòìig 5

3 Càc thièt bj do lu^òtig hien dai 5

4 Linh kien tài cau hình FPGA 7

5 Thièt bi do luòng sii* dung linh kièn tài cau hình 14

6 iTng dung trong bài thuc hành Vat ly 18

7 Két luan 20

8 Tài lièu tham khào 21

9 Phuluc 24

Muc tièu nghién ciru: Tìm hièu ve mot loai linh kien dién tu hién dai va khà nàng ùng

dung cùa nò trong linh vuc do luòng, cu thè là trong càc phép do vat ly nhàm phuc vu truc tièp viec giàng day va nghién cùru khoa hgc trong ITnh vuc Vat ly tai Khoa Vat ly -Truòng Dai hgc Khoa hgc Tu nhién, DH Quòc già Ha Noi

1 Gioì thieu

Càc linh kien co khà nàng tài cau hinh nhu FPGA hién nay dang dugc su dung ròng rài trong nhiéu Imh vuc cùa cuòc song va trong san suàt Vói nhiéu uu diém noi tròi nhu khà nàng tich bop cao, toc dò chuyén manh nhanh, va dugc nhiéu bang lón phàt trién [1 11], càc linh kien loai này ngày càng phò bién trong nhiìng ITnh vuc do luòng toc dò nhanh va co khà nàng xù ly tòt càc bài toàn phùc tap dac biet trong nhùng ITnh vuc do luòng trong khoa hgc hat nhàn, hat co bàn [18, 20, 21, 29] Dac biet, vói khà nàng tài cau hinh cùa linh kien, thièt bi su dung nò co thè dugc su dung vói nhiéu muc dich khàc nhau tùy vào nguòi su dung [16, 23, 24, 26, 27, 31]

2 Tinh hình nghién ciru linh kièn tài cau hình trong do luòng

a Trong nude

Hién nay, nhiéu truòng dai hgc va vien nghién cùn lón trong nuóc dà va dang giàng day, nghién cùu càc linh kién lai càu hinh nhu FPGA Tuy nhién do muc dich su dung chù yéu trong càc ITnh vuc xù ly thòng tin va truyén thòng, dièu khién tu dóng It co don

vi nghién cùn ùng dung linh kien loai này trong do luòng chat lugng cao nhu yéu càu cua Vat ly hgc Do dò viec nghién cùn ùng dung cùa linh kien này trong do luòng càc tin hièu vat ly trong nuóc bua hen nhiéu ùng dung góp phàn phàt trién dào tao va nghién cùn khoa hgc

b Ngoài nuóc

Ò càc nuóc co trinh dò khoa hgc phàt trién viec ung dung nhijng linh kien tài càu hình trong càc thièt bi do luòng dà góp phàn kbòng nho cho phàt trién cua khoa hgc Dién hinh trong ITnh vuc do tin bieu bién dòi nhanh co tbòi gian song ngàn nhu cua càc hat co bàn [24-3IJ Trong ITnh vuc thién van hgc, do luòng y té dòi bòi viec xu ly anh co kich thuóc lón va da chiéu cùng dèu su dung nhiing linh kien này [21-31]

3 Càc thièt bj do lu*òTig hien dai

Mot thièt bj ha}' he thòng do luòng truóc day thuòng chùa càc thànli phàn co ban: càc càm bién bò khuéch dai co dò òn thàp bò xù ly tin hièu tuong tu va hién thi Ngày nay

ky thuàt so phàt trién kéo theo nò va còng nghé che tao mach tich bop vói càu trùc, dò phùc tap khàc nhau cho phép càc he thòng do ngày càng chinh xàc va da chùc nàng Mac

dù vay, chùng cùng van chi chùa nhirng thành phàn co bàn nhu theo hinh 1.1

Hinh 1.1: So dò khòi cùa mot thièt bi do luòng hién dai

Trong dò CB+TKD (càm bién va tién khuéch dai) co chùc nàng nhu bò bién dòi càc tin hieu kbòng dién thành dién va khuéch dai dù lón de dàp ùng dugc dién àp cùng nhu tró khàng vào cùa bò chuyén dòi tuong tu - so ADC Tin hièu so tu ADC dugc dua vào mot bò xù ly so co thè là vi dièu khién (Microcontroller - MC) vi xù ly (Microprocessor

- MP) bay bò xù ly tin hieu so (Digital Signal Processor - DSP) Dù liéu so dugc xù ly o

dò bang boat dòng cùa phàn mèm truóc khi cho ra bò chuyén dòi so - tuong tu (DAC), hién thi bay dua vào mày tinh de luu trù hoac xù ly ve sau

Qua he thòng trén chùng ta co thè thày vai trò quan trong cua bò xù ly so dugc thirc hién bòi phàn mèm chùa trong chip xù ly Dac biet \'ói su phàt trién ngày càng cao cùa càc chip xù ly trung tàm càc thuàt toàn xù ly bang phàn mèm cho phép thuc hién dugc tàt cà càc phép toàn ma truóc day kbòng thè thuc hién dugc bang càc mach tuong

tu Chinh bòi le dò he thòng do luòng dua trén nèn ky thuàt so dàn dàn dugc thay thè cho càc mach dién tu tuong tu co càu trùc còng kénh va kém linh boat Vi du hoàn toàn kbòng càn mach tu>'èn tinh \ói càc cam bién phi tuyén co thè lày già tri trung binh Igc nhièu chi bang mot doan chuong trinh con dièu này don gian hon nhiéu so mói mot mach dién tuyén tinh bòa hay mot mach chia tuong tu

4 Linh kièn tài càu hình FPGA

a Gioì thièu ve FPGA

•

Khi càc he thòng so ngày càng phùc tap, toc dò ngày càng cao thi xàc suàt xày ra lòi he thòng trong qua trinh thièt ké cùng càng lón Do dò de thuàn tién cho viec thù nghiém, tao màu, phàt trién ùng dung, hay san xuàt ò quy mò nhó nguòi ta dà che tao ra càc linh kien (thièt bi) logie khà trinh (Programmable Logic Devices), tue là càc linh kien

so co thè dugc càu hình lai nhiéu làn cho càc ùng dung logie khàc nhau Mot so loai linh kien logie khà trinh don gian nhu: EPROM, EEPROM, Flash ROM PLD va phùc tap hon là CPLD (Complex Programmable Logic Devices) va FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application-Specific Integrated Circuit)

Còng nghé FPGA dà xuàt hien nhu mot giài phàp co bàn cho vàn de rùt ngàn thòi gian va chi phi ban dàu thàp Nò cho phép nguòi dùng som tao ra san phàm cho thj truòng, tao nèn sue canh tranh lón do là mot thiét bi tài càu hinh co thè dugc nguòi su dung lap trinh truc tièp ma kbòng pbài su dung bàt ky mot còng cu che tao mach tich bop nào FPGA dugc hàng Xilinx - My giói thieu dàu tién vào nàm 1985 Flién nay FPGA dà dugc nhièu còng ty phàt trién là Actel, Altera Plus Logic, AMD,

Mot chip FPGA gòm mot day càc phàn tu ròi rac ggi chung là logie block co thè dugc két nói vói nhau theo mot càch chung va càc két nói giùa càc phàn tu co thè lap trinh dugc Trén hinh 1.2 là mò hình tóng quàt cùa mot chip FPGA trong dò bao gòm càc khòi co bàn [1]:

- Càc khòi logie (logie block): Kién trùc cùa khòi logie co thè dugc thièt ké theo

nhiéu càch khàc nhau Mot so khòi logie co thè chi là càc còng NAND 2 dàu vào tuy

nhién cùng co thè nò là mot bò dòn kénh (muìliplexer) Hàu hét càc khòi logie chùa mot

so loai flip-flop de ho trg cho viec thuc hién càc mach tuàn tir nhùng chip FPGA hién dai con dugc tich bop san nhùng khòi logie phùc tap nhu bò nhàn bò ALU khòi tao xung khòi DSP

- Càc nguòn tài nguyén két noi: càu trùc va noi dung cùa càc nguòn két nói trong

FPGA dugc ggi là kièn trùc routing {routìng circhitecture) Kién trùc routing gòm càc

doan day nói va càc chuyén mach lap trinh dugc Càc chuyén mach lap trinh dugc co thè

co nhiéu càu tao khàc nhau Giòng nhu khòi logie, co nhièu càch de thièt ké kién trùc routing

b Càc cong cu va quy trinh thièt kè

Quy trinh thièt kè FPGA dugc mò tà nhu trén hinh 1.3 [3]

Mó tà ban dàu (Specifìeation)

Khi xày dung mot ùng dung trén FPGA ta se pbài dat ra yéu càu pbài thiét ké thuc hién tòi uu nhàt vói nhùng ùng dung dò Buóc dàu tién cua quy trinh thiét ké này co nhicm vu tièp nhàn càc yéu càu cùa thiét kè va xày dung nèn kièn trùc tóng quàt cua thiét

ké

Trong buóc này tu nhùng yéu càu cùa thiét ké va dua trén khà nàng cua còng nghé hién co nguòi thiét ké sé xày dung nèn toàn bò kièn trùc tóng quan cho thiét ké NghTa là trong buóc này nguòi thièt ké kién trùc phai mò tà dugc nhùng vàn de sau:

> Thiét ké co nhùng khòi nào?

r- Mói khòi co chùc nàng gì?

> Hoat dòng cùa thièt ké va cùa mói khòi ra sao?

> Phàn tich càc ky thuàt su dung trong thiét kè va càc còng cu phàn mèm ho trg thièt kè

Mot thiét ké co thè dugc mó tà su dung ngòn ngù mò ta phàn cùng, nhu VHDL hay Verilog HDL hoac co thè mò tà qua so dò mach (schematic capture) Mot thièt ké co thè vùa bao gòm ban ve so dò mach mò tà so dò khòi chung, vùa co thè dùng ngòn ngù HDL de mò tà chi tièt cho càc kliòi trong so dò

8

Hình 1.3: Quy trinh thièt ké FPGA

- Tóng hpp logie (Logie Synthesis)

Tóng bop logie là qua trinh tóng bop càc mò ta thiét kè thành so dò bò tri mach (netlist) - hinh 1.4 [4] Qua trinh chia thành 2 buóc: chuyén dòi càc ma RTL ma HDL

thành mó tà duói dang càc bièu thùc dai so Boolean va dua trén càc biéu thùc này két

bop vói thu vien té bào chuàn san co de tóng hgp nén mot thiét kè tòi un

Thuv thi (Implementation)

Ta dà co so dò bò tri netlist mò tà tóng thè thièt ké tal mùc còng (chi gòm càc còng logie co bàn va càc mach logie khàc nhu: MUX) Qua trinh này se dat so dò netlist này lén chip, ggi là qua trinh thuc thi (Device Implementation)

Qua trinh gòm càc buóc:

- Anh xa (mapping hay con ggi fitting - àn khóp) - hình 1.5: chuàn bi dù liéu dàu vào

xàc dinh kich thuóc càc khòi Càc khòi này se phai phù hgp vói càu trùc cùa mot té bào logie (logie celi) co bàn cùa FPGA va dat chùng vào càc vi tri tòi un cho viec di day

0

Dat khòi va dinh tuyén (Place & Route):

Dat khòi: dat càc khòi anh xa vào càc logie celi ó vi tri tòi un cho viec noi day

' / /

Hình 1.6: Dat khòi +Dinh tuyén: Buac này thuc hién viéc noi day càc logie celi,

Routing l'PCA

Hình 1.7: Dinh tuyén

De thuc hién viéc này, chùng ta càn co càc thòng tin sau:

'r- Càc thòng tin vat ly ve thu vien logie celi, vi du kich thuóc, càc diém de két nói,

dinh thòi càc trò ngai trong khi di day

>* Mot netlist du'P'c tong hap sé chf ra chi tiét càc thuc thè va mòi quan he kèl nói bao gòm cà càc duòng dàn bi han che trong thiét ké

^ Tàt cà càc yéu càu cua tién trinh cho càc lóp két nói, bao gòm càc luàt thiét ké cho càc lóp chay day, tró khàng va dién dung tièu thu nàng lugng, càc luàt ve

su dàn dién trong mòi lóp

Nap (download or program)

Sau qua trinh thuc hién, thiét ké càn dugc nap vào FPGA duói dang dòng bit (bit stream), day là thòng tin chùa càu hình cho chip Qua trinh nap thièt ké vào FPGA thuòng nap vào bò nhó ngoài nhu SRAM (download) Flash ROM PROM (program) Dòng bit dugc truyén lue này sé mang thòng tin dinh nghTa càc khòi logie cùng nhu két nói cùa thiét ké Chù y khi nào vào RAM, thòng tin càu hình se bién màt khi ngàt nguòn

e Thièt bj thir nghiém - Board Spartan 3AN FPGA Xilinx

Chip FPGA Spartan 3E cùa Xilinx là mot chip co già thành thàp phù hgp \'ói nhiéu ùng dung Khóa luan su dung bo mach Spartan-3E Stater Kit [8] nhu trén hình 1.8

12

Hinh 1.8 Mach thù nghiém thiét bi do co khà nàng tài càu hinh

Bo mach tich hgp nhiéu mach ùng dung vói càc thòng so co bàn sau:

Chip FPGA Spartan 3E: (XC3S500E-4FG320C) 500K System Gate 10476 Logic Cells, 360K Block Ram Bits

- Clocks: 50 MHz crystal clock oscillator

- Memory: 128 Mbit Parallel Flash, 16 Mbit SPI Flash, 64 MByte DDR SDRAM

- Cormectors and Interfaces: Ethernet 10/100 Phy, JTAG USB download, 2 còng pin RS-232 Serial Port, còng PS/2-cho mouse/keyboard, 4 nùt bàm, 8 led, 6 hàng chàn móròng

9 Hién thi: 16 character 9 2 Line LCD

Digital Analog Converter: DAC LTC2624 Linear Technology \'ói 4 bò Digital Analog Converter 12-bit

-Analog - Digital Converter: DAC LTC2624 Linear Technology vói 4 bò ADC 12-bit 3Msps

Board mach nà}' hoàn toàn co khà nàng thù nghiém viéc xày dung mot thiét bi do tài càu hinh dugc dùng cho càc bài thi nghiém Vat ly

5 Thiét bi do lu'òtig su* dung linh kièn tài cau hình

Con ggi là thiét bi do luòng co khà nàng tài càu hình dugc xày dung dira trén linh kien tài càu hình SDÌ - User Define Instruments

a Càc thièt bi nhièu muc dich su duns

Hinh 5.1 Mach phàn cùng cùa GuoRuey Tsai va Min Chuan Lin [16]

Vói mach phàn cùng co dinh này càc thiét bj dà dugc xày dung là: mày phàt tin hieu tùy y, bò phàn tich bàm truyén DC, bò phàn tich mang dùng, qua dò va thòi gian thuc, bò phàt hién pha vi du ve bò tao song tùy y nhu trén hinh 5.2

14

+ * + • + • • • * * * • t » »

ZZL

Hinh 5.2 Tin hièu phàt cùa bò tao song

b Càc thièt bj chat luang cao

Bao gòm càc thiét bi nhu khuéch dai lock-in [21, 24], do va dièu khién bò dich chuyén chinh xàc [20] dém photon toc dò cao [18, 28], he do CT dùng trong y tè [23], càc he quang hgc co do nhay cao [26], hay trong càc thiét bi hat nhàn [29 31]

c Thù* nghiém vói bo phàt tin hieu cùng DDS (tòng hop so truc tièp)

Bò DDS phàt song Sine ó 4 tàn so khàc nhau bién dò nhu nhau ó cà 4 tàn so Vi thè ta thày thang do bién dò ó cà 4 truòng hgp là nhu nhau (50mV/div dinh là 2.8V day

là -1.2V) con thang do thòi gian là khàc nhau tùy thuóc vào tàn so song Góc thòi gian là

ó giùa vi vay ta thày thòi gian co già tri àm, con góc bién dò (ùng vói già tri 0) là ó vi tri cuc tiéu cua dò thi song Trén hinh 5.2 5.3, 5.4 va 5.5 tuong ùng là càc minh hga ó càc tàn so 0.1 Hz, lOHz, IkHzvà lOOkHz

P.O0S/OS/Z1 13:?3:44 yOKOGAWA •

Mnrna1 200S/S 53/diM

Hinh 5.2: Song Sine tàn so O.lHz

Bò DDS co uu diém nói bàt dò là co thè tao ra song sine vói tàn so rat nhó ò day

là 0.1 Hz De tao dugc tàn so nhó nhu vay ó càc linh kièn khàc là rat khó khan va phùc tap Do tàn so rat nhó nén thòi gian de quét toàn man hinh dao dòng ky là khà dai tu -25s dén 25s tue là màt 50s

Già tri bién dò do dugc tu cuc tiéu dén cuc dai là 1.7V Già tri cuc tiéu ùng vói

OV, già tri cuc dai ùng vói 1.7V Bang càc già tri dugc luu trong ROM: cuc tiéu tuong ùng vói già tri so dàu vào cùa bò DAC là ''000000000000" cuc dai tuong ùng vói già trj

so là ^'011111110000'" Nhu vay là phù hgp vói còng thùc ly thuyét tinh thè dàu ra cùa bò DAC Theo còng thùc dò, thè dàu ra cùa bò DAC là:

r „ „ =^tM]x(33P-±5o/.,

<"' 4096

Thay già tn so cuc dai là "011111110000'" tuong ùng so a dang thàp phàn là

2032, ta sé thu dugc thè dàu ra cuc dai là:

VouT= 1.637V ± 0.082V

16

YOKOGAWA • IO'

.:.^2ùl.M

Noma 1 20kS/S SOnvau

P-P ( C I ) i.6bb6VU

r r c q C C l » 10 OOOOOIiz

CHI 1 1 0.500 U/riiu

7009 OS/ZI n : 1 7 : 1 9 fif YOKOGAWA • 85

Nnrrifì 1

P-P ( t i ) 1.6666/U Fr(:t((Cl ) 1 OOOOOOkflz

Hình 5.4: Song Sine tàn so IKHz

.A HOC QUÒC GIÀ HA NO