Узел индикации на ПЛИС фирмы ALTERA Автор : Кузьменко Александр Сергеевич Научный руководитель : Власов Андрей Игоревич к. т. н., доцент каф. « ИУ 4» МГТУ им. Н. Э. Баумана ПРОЕКТ

Цель работы : 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 ОСЦИЛЛОГРАФ С ЭЛТ АНАЛОГОВЫЕ СРЕДСТВА: ГРАФИЧЕСКАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ПАНЕЛЬ СТРЕЛОЧНЫЙ АМПЕРМЕТР ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА: СВЕТОДИОДНАЯ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ МАТРИЦЫ

Структура узла индикации Узел индикации предназначен для отображения на 2- х строчном, 7- ми позиционном, 7- ми сегментном светодиодном индикаторе, данных, которые поступают по параллельной восьмиразрядной микропроцессорной шине - адрес / данные. Дешифратор кода 1 Дешифратор кода 2 Микропроцессорная система Входное устройство вход Адрес/данные 8

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" "; B"0010"=> B" "; B"0011=>B" "; B"0100"=> B" "; B"0101"=>B" "; B"0110"=> B" "; B"0111"=>B" "; B"1000"=> B" "; B"1001"=>B" "; B"1010"=>B" ";-- Гашение B"1011"=>B" "; B"1100"=> B" "; B"1101"=>B" "; B"1110"=> B" "; B"1111"=>B" ";-- 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 ) EPM7128SQI 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 )

Схемотехническое проектирование ( внутренняя структура ПЛИС ALTERA)

Конструкторско - технологическое проектирование ( разработка печатной платы и сборка ) Рисунок печатной платы со стороны установки элементов Рисунок печатной платы с тыльной стороны Печатная плата в сборе 2-х строчный, 7-ми разрядный, 7- ми 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 ( А 5 или А 6 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. Ext_LCD_xxx сигналы управления внешним ЖКИ.

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 7- сегментного 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 EPM7128SQI 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 электро - радиозмерительных приборов. В процессе выполнения работы был освоен программный продукт Quartus II, v. 7.1, проведены испытания узла индикации от различных источников данных