CHUYÊN NGÀNH : Vô Tuyến - Điện Tử
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG CHIP FPGA VÀ CPU 89S8252, bản vẽ nguyên lý, bản vẽ thiết kế, thuyết minh, LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ, NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP, SỬ DỤNG CHIP FPGA VÀ CPU 89S8252
Abstract
In the past few years data communications in industrial applications has expanded a hundredfold.Originally the data communications occurred only in the front office that sent daily or weekly reports to some remote headquarters.Today communication between programmable logic controllers and other electronic control systems on the factory floor is commonplace.Since programmable logic controllers are used on most machines for control,they also can provide secondary services such as sending anh receiving information about the machine’s status and operation .It is commonplace to link each machine to a local area network with a terminal in the maintenance office and another terminal in production offices.
Trong nhiều năm qua việc ứng dụng vào công nghiệp phát triển rất mạnh mẽ .Ban đầu trao đổi thông tin chỉ để báo cáo kết quả hàng tuần hàng ngày từ các chi nhánh về trụ sở chính .Ngày nay ,cùng với sự phát triển của lập trình điều khiển và các hệ thống điều khiển công nghiệp mà ứng dụng lập trình điều khiển vào điều khiển công nghiệp trở nên phổ biến .Chúng có thể trao đổi dữ liệu về thông tin trạng thái cũng như tình trạng hoạt động như thế nào . Phổ biến nhất là có thể kết nối giữa các máy trong mạng với nhau và giữa mạng với mạng .
LỜI CẢM ƠN
Luận Án Tốt Nghiệp là một bước ngoặt quan trọng nhất trong mỗi giai đoạn học của mỗi học viên .Đây là chiếc cầu nối kiểm chứng lý thuyết và thực tế .
Em xin gửi đến thầy Tống Văn On lời cảm ơn chân thành với sự trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc về sự hướng dẫn đầy chu đáo và nhiệt tình của thầy .
Và em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn rất nhiều đến các thầy cô trong bộ môn Điện Tử –Bộ môn Viễn Thông đã tận tình ,hết lòng chỉ bảo và truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quí giá để góp phần rất lớn trong quá trình từng bước hoàn chỉnh luận án .
Nhân dịp này ,em xin gửi đến gia đình bạn bè lời cảm ơn chân tình,những người đã hết lòng giúp đỡ ,tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian qua để em có được cơ hội hoàn thành Luận Án Tốt Nghiệp .
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
----o0o----
LÝ LỊCH KHOA HỌC
Họ và tên: NGUYỄN BẢO KỲ
Sinh 10/3/1976 - Nam
Đơn vị công tác:Công Ty KaSaTi
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Nguyên quán :Thành Phố Biên Hòa –Tỉnh Đồng nai
Nơi sinh : Thành Phố Biên Hòa –Tỉnh Đồng nai
Địa chỉ liên lạc :21/34 Hậu Giang Q.TB
Dân tộc: Kinh
Tôn giáo: Phật
Thành phần gia đình: Trí thức
Thành phần bản thân: Trí thức
Sức khỏe: tốt
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC
Chế độ học: Chính quy
Từ 9/1994 đến 5/1999: Học tại Đại học Quốc gia TP HCM- Trường Đại Học Bách Khoa TpHCM
Ngành học: Điện tử
Đề tài tốt nghiệp :CARD LẤY MẪU TIẾNG NÓI
Nơi bảo vệ luận án tốt nghiệp: Trường Đại Học Bách Khoa
Người hướng dẫn: Thầy Ths Võ Tấn Thông
TRÊN ĐẠI HỌC
Từ 9/2000 đến 2004: Học cao học chuyên ngành Vô Tuyến – Điện Tử tại Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM
Tên luận án: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG CHIP FPGA VÀ CPU 89S8252
Ngày và nơi bảo vệ: 27/4/2013 tại Trường Đại học Bách Khoa TpHCM
Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Như Anh –Ths Tống Văn On
III. HOẠT ĐỘNG KHOA HỌC KỸ THUẬT
1- Quá trình hoạt động khoa học kỹ thuật chuyên môn. Trước và sau khi tốt nghiệp đã làm và hiện đang làm công tác khoa học – kỹ thuật gì? (kỹ thuật, nghiên cứu, thí nghiệm, giảng dạy, quản lý, phục vụ khoa học).
|
Thời gian |
Tóm tắt quá trình hoạt động khoa học – kỹ thuật, nơi công tác |
|
Từ 8/1999 đến nay
|
Nhân viên kỹ thuật Công Ty KaSati |
2- Kết quả hoạt động khoa học – kỹ thuật:
Công trình thiết kế, thi công, nghiên cứu khoa học và kỹ thuật, sáng kiến phát minh, giáo trình, giáo án, phương án, tác phẩm.... Đã và đang tiến hành các hoạt động khoa học – kỹ thuật. Ghi rõ nơi, thời gian trước và sau khi tốt nghiệp, độc lập tiến hành hay cộng tác với người khác, tự nhận xét về kết quả và tác dụng, v.v...
3- Tham dự các cuộc hội nghị khoa học – kỹ thuật quốc tế (trong nước hoặc ngoài nước): tham quan khảo sát, thực tập sản xuất, kỹ thuật.... Ở nước ngoài (thời gian, nơi, nội dung chuyên môn).
4- Khen thưởng và giải thưởng về hoạt động khoa học – kỹ thuật (thời gian, hình thức khen thưởng, cơ quan quyết định).
5- Khả năng chuyên môn, nguyện vọng hiện nay về hoạt động khoa học – kỹ thuật (ghi cụ thể và tỉ mỉ).
Nguyện vọng được đào tạo cao hơn nữa để phục vụ cho công việc nghiên cứu.
IV. HOẠT ĐỘNG CHÍNH TRỊ XÃ HỘI
Tóm tắt quá trình tham gia các đoàn thể quần chúng (thanh niên cộng sản, công đoàn...) các hội khoa học (hội phổ biến, hội khoa học chuyên ngành...) các phong trào lớn (cải tiến quản lý hợp tác xã, ...) ghi rõ nơi, thời gian.
CƠ QUAN XÁC NHẬN Ngày 22 tháng 5 năm 2013
(Ký tên và đóng dấu) Người khai ký tên
PHẦN 1
GIỚI THIỆU MẠNG CÔNG NGHIỆP
1.GIỚI THIỆU MẠNG CÔNG NGHIỆP
Trong nhiều thập niên năm qua việc ứng dụng mạng thông tin vào lĩnh vực công nghiệp đã bùng nổ rất mạnh mẽ.Các hệ thống mạng phát triển rất mạnh và đa dạng .
Việc ứng dụng mạng công nghiệp đã mang lại những lợi ích rõ nét
- Chi phí lắp đặt hệ thống
- Nhân công điều hành
- Tiện ích quản lý hệ thống
- Cải thiện môi trường làm việc
Mở rộng ra từ mạng cục bộ ,các hệ thống cục bộ có thể kết nối với nhau tạo ra một mạng diện rộng .Như vậy chỉ với một máy tính có thể quản lý tập trung mạng điều khiển .
Có thể xem mô hình mạng công nghiệp gần giống như các mô hình mạng khác.Tuy nhiên có sự đa dạng trong kiểu dữ liệu mạng công nghiệp .
Các dạng dữ liệu trong mạng công nghiệp :
- Tín hiệu máy đang hoạt động hay đang nghỉ
- Số máy trong mạng
- Tình trạng tốt hay xấu của từng máy
- Chu kỳ hoạt động của máy
- Cấu hình của các máy
- Tín hiệu kiểm tra mạng
- Thông tin trả lời từ các máy
- .......................
2.KHẢO SÁT GIAO THỨC VÀ CẤU TRÚC MẠNG
2.1.Mô hình TCP/IP:
Mô hình TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) là mô hình cho mạng Internet được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Cấu trúc các lớp của TCP/IP có một số điểm tương đồng với mô hình OSI (Open System Interconnect) nhưng có những bỏ bớt một số lớp. So với 7 lớp của mô hình OSI, cấu trúc TCP/IP chỉ có 4 sau đây:
Lớp truy xuất mạng : Network Access Layer.
Lớp liên mạng : Internet Layer.
Lớp vận chuyển : Transport Layer.
Lớp ứng dụng : Application Layer.
Chức năng của các lớp :
2.1.1.Lớp truy xuất mạng (Network Access Layer):
Lớp truy xuất mạng đại diện cho các bộ phận kết nối vật lý như cáp, bộ chuyển đổi (Adapter), card mạng, giao thức kết nối, giao thức truy cập mạng. Lớp này có nhiệm vụ trao đổi dữ liệu giữa các máy chủ và mạng.
TCP/IP không định nghĩa lớp này mà dùng các chuẩn có sẵn như IEEE, X25, RS232, ETHERNET,...
2.1.2.Lớp liên mạng (Internet Layer):
Chịu trách nhiệm cung cấp địa chỉ logic cho giao diện mạng vật lý để điều khiển việc truyền thông tin giữa các máy. Lớp này nhận dữ liệu từ lớp vận chuyển, đóng gói thành các IP datagram với các IP header chứa thông tin của việc truyền dữ liệu, sau đó chuyển xuống lớp truy xuất mạng để truyền. Lớp này cũng cung cấp các giao thức để thông báo lỗi.
2.1.3.Lớp vận chuyển:
Lớp vận chuyển có nhiệm vụ phân phát dữ liệu tới các chương trình ứng dụng khác nhau. Lớp này có hai nghi thức quan trọng là TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol). Đơn vị dữ liệu ở lớp này là các bản tin.
2.1.4.Lớp ứng dụng:
Đây là lớp cao nhất, dùng để truy xuất các dịch vụ trên mạng bằng các chương trình ứng dụng. Một chương trình ứng dụng sẽ tương tác với các nghi thức của lớp này để gửi và nhận dữ liệu. Các dịch vụ trên lớp này gồm có: truyền thư (SMTP), truyền nhận file (FTP) , truy cập từ xa (TELNET),...
2.2.Nghi thức Ethernet:
Lớp truy xuất mạng trong TCP/IP sử dụng các nghi thức mạng có sẵn như : Ethernet, IEEE 802, X25, Frame Relay, ATM.Trong các mạng LAN, nghi thức được sử dụng phổ biến nhất là mạng Ethernet.
Ethernet:
Dựa trên điều khiển đa truy cập CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect).
Các chức năng cơ bản của Ethernet là:
- Truyền và nhận các gói dữ liệu.
- Giải mã các gói và kiểm tra địa chỉ trước khi phát cho phần mềm lớp trên.
- Kiểm tra lỗi.
2.2.1.Điều khiển đatruy cập CSMA:
Trước khi truyền dữ liệu trên mạng, một trạm Ethernet phải lắng nghe hoạt động của kênh truyền. Nếu phát hiện kênh truyền bị bận, nó sẽ chờ mà không truyền. Nếu kênh truyền trống thì nó sẽ truyền.
Sau bit cuối cùng của một khung truyền trạm Ethernet phải đợi một khoảng thời gian nhất định để tạo một khoảng cách giữa các khung. Khoảng cách này chính là thời gian cho phép các trạm khác có thể chiếm kênh truyền.
Trong trường hợp xảy ra xung đột (khi có hai trạm cùng phát hiện ra kênh trống và truyền dữ liệu lên), trạm Ethernet sẽ phát hiện ra xung đột nhờ so sánh dữ liệu trên đường truyền với dữ liệu đã phát. Cả hai trạm sẽ cùng ngưng phát và chờ trong một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại. Do thời gian chờ phát lại của mỗi trạm là ngẫu nhiên nên có thể tránh được việc tái xung đột, tuy nhiên nếu điều này xảy ra, các trạm sẽ phải chờ một lần nữa với thời gian chờ ngẫu nhiên tăng lên để giảm xác suất tái xung đột.
2.2.2.Định dang khung Ethernet:
|
Preamble (8 byte) |
Destination Address (6 byte) |
Source Address (6 byte) |
Type (2 byte) |
Data (46->1500 byte) |
FCS (3 byte) |
2.2.2.1.Preamble :
Gồm 8 byte:
- 7 byte đầu có giá trị 10101010 có chức năng đồng bộ cho phần cứng.
- 1 byte có giá trị 10101011 báo cho biết bắt đầu của 1 frame.
2.2.2.2. Destination Address và Source Address:
Địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, mỗi trạm Ethernet được gán một địa chỉ 48 bit cố định.
2.2.2.3.Type :
Xác định loại dữ liệu.
2.2.2.4.Data :
Chứa dữ liệu nhận được từ lớp trên. Trường dữ liệu bao gồm IP Header, TCP Header, và dữ liệu. Chiều dài của trường dữ liệu từ 46-1500 byte.
2.2.2.5.FCS (Frame Check Sequence):
Cho phép trạm nhận xác định việc truyền có bị lỗi hay không.
2.3.Khảo sát Token Ring
Token Ring có 2 loại khung cơ bản
2.3.1.Khung Token
Khung Token có chiều dài 3 byte
- Start: Byte mở đầu
- Access control:Byte điểu khiển
- End :Byte kết thúc
2.3.2.Khung dữ liệu/lệnh
Khung dữ liệu/lệnh có kích thước thay đổi tùy thuộc vào trường thông tin.Khung dữ liệu mang thông tin của lớp trên.Trong khi đó khung lệnh mang thông tin điều khiển và không chứa thông tin của lớp trên.
- Start:Mở đầu khung
- Access control :Phân biệt khung Token hoặc khung lệnh /dữ liệu
- Frame control :Phân biệt loại thông tin điều khiển
- Destination address:Địa chỉ đến của khung
- Source address:Nơi xuất phát của khung
- Data:Có kích thước thay đổi mang thông tin
- FCS:Kiểm tra lỗi khung
- End:Kết thúc
- Frame status:Báo trạng thái khung nhận được
PHẦN 2
GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT TÍNH CRC
KIỂM TRA DƯ THỪA THEO CHU KỲ CRC
Trường kiểm tra lỗi FCS được thực hiện qua giải thuật tính CRC.Các CRC khác nhau ứng với các đa thức sinh ứng khác nhau.
- CRC8 =X^8 + X^2 + X^1 + 1
- CRC16=X^16+ X^15+ X^2 + 1
- CRC32=X^32+ X^26+ X^23+ X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+11
Thuật toán tính CRC:
M:Bản tin cần phát
R:Phần dư kết quả chia
G:Đa thức sinh
Thực hiện phép tính :
(M*2n) / G =Q + R /G
Kết quả phần dư R chính là CRC cần gán vào bản tin để phát .
Việc lấy bản tin nhân 2n tức là thêm vào số số không bằng bậc của đa thức sinh . Sau đó thực hiện chia module – 2 cho đa thức sinh .Phần dư R chính là CRC cần tìm .
Tại đầu phát bản tin M được thêm vào thành phần CRC trước khi phát
Tại đầu thu khi nhận được chuỗi dữ liệu cũng được xử lý như đầu phát .Tuy nhiên kết quả cho R là bằng không thì kết luận việc truyền không bị lỗi .Nếu phần dư R khác không thì kết luận việc truyền bị lỗi .
Có 2 cách thực hiện tính CRC:
- Phần cứng
- Phần mềm
Trong đề tài sử dụng tính CRC8 bằng phần mềm với đa thức sinh
CRC8 =X^8 + X^2 + X^1 + 1
Đa thức sinh :100000111 .Tính CRC-8
Tính CRC-8 có chuỗi dữ liệu sau với đa thức sinh 100000111
11110000 11010000 10101010 10000000 00000000
10000011 1
01110011 01
|
1000001 11
0110010 100
100000 111
010010 0111
10000 0111
00010 0000000
10 0000111
00 00001110 10101
1000 00111
0110 100100
100 000111
010 1000111
10 0000111
00 10000000 1
10000011 1
00000011 0000000
10 0000111
01 00001110
1 00000111
0 00001001 00000
1000 00111
0001 00111000
1 00000111
0 00111111
PHẦN 3
ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ FSK
Hệ thống mạng được thiết kế đặt trong môi trường công nghiệp .Do vậy dữ liệu rất dễ bị nhiễu và suy hao .Để tăng độ tin cậy trong việc truyền dữ liệu ,tín hiệu từ máy tính gửi xuống cần được điều chế và giải điều chế .
KHẢO SÁT ĐIỀU CHẾ FSK
Tín hiệu điều chế FSK có tần số thay đổi tùy thuộc vào luồng dữ liệu nhị phân được phát.
Điều chế FSK rất thông dụng với việc truyền dữ liệu tốc độ thấp từ 300 đến 1200 baud.
PHẦN 4
GIỚI THIỆu
1.TỔNG QUAN VỀ VHDL
Very High Speed IC Hardware Description Language là một chuẩn dùng trong công nghiệp được viết tắt là VHDL.Nó được coi là một ngôn ngữ mô tả phần cứng có thề dùng thiết kế các hệ thống số với các cấp độ khác nhau :từ mức là các giải thuật (cấp độ trừu tượng ) đến các mức cụ thể thực hiện trên các cổng logic.
Trong chương này chúng ta sẽ đề cập đến những vấn đề cơ bản của VHDL. với các phương pháp thiết kế truyền thống .
VHDL là dạng mô tả ngôn ngữ gần gũi với người thiết kế .VHDL bắt đầu từ những mô tả đơn giản đến các hệ thống phức tạp mới hình thành .Quá trình tiếp cận VHDL cũng được thực hiện qua trình tự như vậy .Các mô tả đơn giản được chúng ta tiếp cận ,sau đó các thiết kế phức tạp hơn được xây dựng trên nền tảng đó.Quá trình chúng ta tiếp cận như vậy đối với VHDL giúp chúng ta hiểu rõ hơn hệ thống thay vì chúng ta bắt tay ngay vào xây dựng một hệ thống lớn.
1.1.CÁC THUẬT NGỮ VHDL
Trong VHDL tồn tại những thuật ngữ liên quan mà trong các phần sau sẽ được đề cập đến .Các khối cơ bản của VHDL được sử dụng hầu hết trong các thiết kế,các thuật ngữ sau được định nghĩa cho các khối cơ bản trong VHDL.
Entity –Tất cả các thiết kế trong một hợp phần gọi là entity.Entity là khối cơ bản nhất trong một thiết kế .Mức trên cùng của một thiết kế gọi là top-level entity.Nếu chúng ta thực hiện một thiết kế được phân cấp ,thì dưới các mô tả mức cao là các mô tả có mức thấp hơn (lower-level).Các mô tả mức thấp hơn gọi là lower-level entity.
Architecture-Tất cả các entity đều tồn tại phần mô tả kiến trúc thiết kế bên trong nó (Architecture description). Trong phần kiến trúc thiết kế này các hoạt động của một hệ thống được mô tả một cách rõ ràng .Một entity có thể bao gồm nhiều phần kiến trúc thiết kế khác nhau.Một kiến trúc có thể là thiết kế theo dạng hành vi ,trong khi đó một kiến trúc khác có thể được thiết kế theo dạng cấu trúc.
Configuration –Các mô tả configuration nhằm mục đích chỉ định architecture body nào được sử dụng trong thiết kế trong số nhiều architecture mà một entity có thể có và chỉ định cặp entity_architecture body nào sẽ tương ứng với các phần khai báo trong architecture đó .Các mô tả configuration có thể coi là danh sách các phần được sử dụng trong thiết kế .
Package- Một package được coi là một tập hợp các kiểu dữ liệu được sử dụng thường xuyên trong thiết kế và các chương trình con trong thiết kế hệ thống.
Attribute-Các thuộc tính của dữ liệu được mô tả kèm theo các đối tượng VHDL hoặc định nghĩa trước dữ liệu cho các đối tượng trong VHDL.Ví dụ như nhiệt độ giới hạn khi hoạt động của một thiết bị nào đó .
Generic –Generic là một thuật ngữ trong VHDL mô tả cho các thông số được dùng trong entity.Giả sử trong mô tả ở mức các cổng tồn tại các thông số là độ trễ cạnh lên và cạnh xuống của xung ,các giá trên được mô tả qua GENERIC phù hợp với các ENTITY.
Proces-Đây là thuật ngữ sử dụng thường xuyên trong các thiết kế.Process là đơn vị thực thi cơ bản trong VHDL.Tất cả hoạt động được thể hiện dựa trên các mô tả VHDL mà trong đó các mô tả được phân thành một hay nhiều các process.
1.2.CÁC KIỂU THIẾT KẾ TRUYỀN THỐNG
Trong thiết kế truyền thống, các công cụ CAE (Computer Aided Engineering) được người thiết kế sử dụng .Khi sử dụng CAE,các người thiết kế phải tạo ra schematic cho các thiết kế .
Các schematic bao gồm các ký hiệu mô tả các thành phần cơ bản của thiết kế và được kết nối bằng những đường tín hiệu .Các ký hiệu mô tả đó phụ thuộc vào các thư viện đã dựng sẵn .
Các thành phần cơ bản được kết nối bằng các đường tín hiệu .Các kết nối này rất quan trọng việc xây dựng thiết kế ,các netlist tương ứng với mỗi thiết kế nhận được từ những thiết kế này .Các netlist này giúp tạo ra các kiểu giả lập nhằm kiểm tra lại thiết kế trước khi xây dựng ,đồng thời cung cấp các thông tin cho các phần mềm xây dựng một thiết kế phần cứng thật sự .
Hình dưới mô tả một ví dụ thiết kế reset-set-flip-flop (RSFF) xây dựng theo một ký hiệu mô tả cái khái quát flip-flop trên với thiết kế :
- Ngõ vào của thiết bị: SET và RESET.
- Ngõ ra của thiết bị : Q và QB.
- Chức năng của thiết bị được thể hiện qua tên của ký hiệu .
Các ký hiệu định rõ giao tiếp bên ngoài của thiết bị và chức năng của thiết kế.Các kết nối bên trong ký hiệu thể hiện qua các schematic xây dựng trên những thành phần cơ bản (trong ví dụ này các cổng logic được sử dụng ).
1.2.1.Tương quan giữa các ký hiệu và các entity
Tất cả các thiết kế đều dựa trên các ENTITY.Các ENTITY được xem là các ký hiệu đại diện tồn tại trong các thiết kế dựa trên CAE.Dưới đây là phần mô tả ở mức trên cho RSFF:
ENTITY rsff IS
PORT (set,reset:IN BIT;
q,qp:OUT BIT);
END rsff;
Từ khóa ENTITY là từ khóa bắt đầu cho một khai báo ENTITY.Qua khai báo cho ENTITY trên chúng ta biết được những thông tin cho thiết kế rsff:
- Tên của khai báo ENTITY là rsff.
- ENTITY trên khai báo phần thiết kế bao gồm 4 ngõ (vào/ra) thông qua từ khóa PORT.
- Từ khóa IN mô tả có 2 ngõ set và reset là ngõ vào có dạng tín hiệu là BIT.
- Từ khóa OUT mô tả có 2 ngõ qvà qb là ngõ có dạng tín hiệu là BIT.
Các khai báo trong ENTITY cho các ngõ tương ứng với các mô tả trong ký hiệu được dùng trong CAE.
ENTITY là cách mô tả tổng quát nhất cho các giao tiếp của thiết kế với các thiết bị bên ngoài.Các thông số cho một giao tiếp bao gồm số các ngõ (vào/ra),hướng của các ngõ ,dạng tín hiệu tồn tại ở các ngõ .
1.2.2.Tương quan giữa các schematic và architecture
Schematic cho rsff được mô tả tương ứng trong VHDL là architecture.Các architecture đều xây dựng trên nền tảng là các ENTITY và chúng mô tả các hành vi ứng xử trong ENTITY đó .Để thực hiện mô tả ARCHITECTURE cho ENTITY rsff ta có thể thực hiện như sau:
ARCHITECTURE netlist OF rsff IS
COMPONENT nand
PORT(a,b:IN BIT;
C:OUT BIT;
END COMPONENT;
BEGIN
U1:nand
PORT MAP(set,qb,q);
U2:nand
PORT MAP(reset,q,qb);
END netlist;
Từ khóa ARCHITECTURE được sử dụng bắt đầu cho mô tả kiến trúc của ENTITY. ARCHITECTURE có tên là netlist và có tên ENTITY tương ứng là rsff.Trong ENTITY có thể có nhiều ARCHITECTURE trong nó ,các ARCHITECTURE có thể là dạng mô tả hành vi hoặc đối với ví dụ trên nó có thể mô tả dưới dạng cấu trúc .Giữa 2 từ khóa ARCHITECTURE và BEGIN là các khai báo cho các đường tín hiệu hay các thành phần được sử dụng trong cấu trúc đó .
Trong ví dụ trên thành phần cổng logic NAND được khai báo cho ARCHITECTURE.Trình biên dịch cần biết các thông tin về giao tiếp của các thành phần được sử dụng trong ARCHITECTURE,các giao tiếp đó được mô tả sau từ khóa PORT.Mọi mô tả được đặt giữa 2 từ khóa BEGIN và END ,các mô tả đó xảy ra đồng thời với nhau .
1.2.3.Thành phần component
Thành phần NAND được sử dụng 2 lần trong ví dụ trên tương ứng là U1 và U2.Thành phần NAND được sử dụng với cái tên là U1 với ngõ đầu tiên nối với tín hiệu set, ngõ thứ 2 nối với tín hiệu qb và ngõ thứ 3 nối với tín hiệu q.Nếu chúng ta quan sát mô tả của COMPONENT chúng ta sẽ thấy ngõ đầu tiên là a,ngõ thứ 2 là b,đó là 2 ngõ vào ,ngõ thứ 3 là ngõ ra với tên là c.Do đó các ngõ sẽ có các tín hiệu tương ứng nối với nó.Cụ thể là :Ngõ a của thành phần NAND trong U1 nối với tín hiệu set,ngõ b nối với tín hiệu qb và ngõ c sẽ được nối với tín hiệu q.Đối với U2,chúng ta sẽ thấy được các kết nối sau từ khóa PORT MAP.Chúng ta còn một cách mô tả qua đó chúng ta sẽ thấy mọi kết nối được rõ ràng hơn .
U1:PORT MAP(a=>set,
B=>qb,
C=>q);
U2:PORT MAP(a=>reset,
b=>q,
c=>qb);
1.2.4.Các mô tả hành vi (Behaviour)
Để mô tả với cùng một mạch như vậy ta có thể sử dụng thiết kế dạng hành vi.Đây là dạng thiết kế mô tả một hệ thống thông qua việc thể hiện rõ cách thức hoạt động ,hành vi ứng xử của nó .Thiết kế này được thực hiện bằng một tập hợp lệnh được thực thi theo thứ tự.Khi ta chọn kiểu thiết kế dạng hành vi,cấu trúc của hệ thống hoàn toàn không thể hiện .
ACRCHITECTURE behaviour OF rff IS
BEGIN
q<=not (qb AND set);
qb<=NOT(q AND reset);
END behaviour;
1.2.5.Các mô tả hành vi tuần tự
Trong cách thiết kế bằng mô tả hành vi trên,các chức năng của rsff không được nêu rõ trong những mô tả VHDL.Ngoài 2 cách thiết kế trên ,chúng ta còn cách thiết kế thứ 3 dựa vào mô tả chức năng theo thuật toán của thiết bị thông qua sử dụng cú pháp PROCESS.Các mô tả đó có thể trình bày như sau :
ARCHITECTURE sequential OF rsff IS
BEGIN
IF set =’1’ AND reset =’0’ THEN
q<=’0’;
qb<=’1’;
ELSIF set =’0’ AND reset =’1’THEN
q<=’1’;
qb<=’0’;
ELSIF set =’0’ AND reset =’0’THEN
q<=’1’;
qb<=’1’;
END IF;
END PROCESS;
END sequential;
Các mô tả được thực hiện bắt đầu bằng một từ khóa PROCESS và kết thúc bằng từ khóa END PROCESS.
1.2.6.Mô tả PROCESS
Một mô tả PROCESS gồm 3 phần.Phần đầu tiên gọi là danh sách độ nhạy (SENSITIVITY LIST);phần thứ hai được coi là phần khai báo (DECLARATION) đặt trước từ khóa BEGIN và phần sau từ khóa BEGIN là phần mô tả .Các tín hiệu đặt trong dấu ngoặc đơn sau từ khóa PROCESS là danh sách độ nhạy của PROCESS khi có sự thay đổi giá trị xảy ra trên một trong các tín hiệu trong danh sách này,các lệnh trong PROCESS sẽ được thực thi .
1.2.7.Vùng khai báo của PROCESS
Phần khai báo biến của PROCESS nằm trong khoảng giữa cuối danh sách độ nhạy và từ khóa BEGIN.Trong ví dụ trên,phần khai báo này được để trống.Trong phần này các biến hay các hằng số được khai báo ,các biến khai báo chỉ được hiểu trong phạm vi PROCESS đó .Khi gán giá trị cho biến ta dùng ký hiệu “:= “ .Chú ý trong một PROCESS ta không khai báo SIGNAL .
1.2.8.Vùng thực thi tuần tự trong PROCESS
Các mô tả trong phần này sẽ được thực thi một cách tuần tự trong PROCESS khi có bất kỳ tín hiệu nào thay đổi trong danh sách độ nhạy sau từ khóa PROCESS.Trong ví dụ này các mệnh đề IF sẽ được kiểm tra đầu tiên và thực thi khi các mệnh đề IF này đúng .
1.2.9.Các mô tả Configuration
Một ENTITY có thể có hơn một ARCHITECTURE,phần này cung cấp sự chỉ định ARCHITECTURE nào đó được sử dụng trong thiết kế trong số nhiều ARCHITECTURE mà một ENTITY có thể có,và chỉ định cặp ENTITY-ARCHTECTURE nào ứng với các COMPONENT được khai báo .Ta xét ví dụ sau :
CONFIGURATION rsffcon1 OF rsff IS
FOR netlist
FOR U1,U2:nand USE ENTITY work.mynand(version1);
END FOR ;
END rsffcon1;
Thiết kế dùng mô tả CONFIGURATION thường dùng trong thiết kế phân cấp.Chúng ta có thể hiểu phần CONFIGURATION trong ví dụ trên như sau :CONFIGURATION tên là rsffcon1.Hai thành phần U1 và U2 kiểu NAND được sử dụng trong kiến trúc netlist,sử dụng ENTITY mynand,với version1 trong thư viện có tên là WORK.ENTITY rsff có ARCHITECTURE là netlist,và thành phần nand có ENTITY là mynand và ARCHITECTURE là version1.
PHẦN 5
TỔNG QUAN FPGA
FPGA :
FPGA thích hợp cho nhiều ứng dụng vì chúng có tốc độ thích hợp (tầm xung nhịp: 50 đến 200 MHz). Các FPGA tiêu biểu chứa nhiều bản sao của một tế bào hay phần tử logic (LE=Logic Element) cơ bản lập trình được. Một phần tử logic (LE) có thể cài đặt một mạng các cổng logic mà đưa vào 1 hay 2 flip flop. Các LE được sắp xếp theo cột hay ma trận trong chip.
Để thực hiện các phép toán phức tạp, các LE được nối lại bằng cách dùng mạng nối kết lập trình được. Mạng này chứa các kết nối hàng và/hoặc cột cho toàn chip. Các nối kết giữa các LE gần nhau thì ngắn hơn và nhanh hơn.
Field-Programmable Gate Array (FPGA) đã xuất hiện như giải pháp cơ bản cho vấn đề tranh thủ thời gian để đưa ra thị trường và rủi ro tài chính phải gánh chịu trong quá trình nghiên cứu sản phẩm của công nghệ điện tử. Nó cho phép chế tạo ngay và giá sản phẩm rất thấp. FPGA là 1 thiết bị cấu trúc logic có thể được người sử dụng lập trình trực tiếp mà không phải sử dụng bất kỳ 1 công cụ chế tạo mạch tích hợp nào.
Các thiết bị lập trình được đóng vai trò quan trọng lâu dài trong thiết kế các phần cứng số. Chúng là các chip đa dụng có thể được cấu hình theo nhiều cách cho nhiều ứng dụng. Loại đầu tiên của thiết bị có thể lập trình được sử dụng rộng rãi là Programmable read-Only Memory (PROM). PROM là thiết bị lập trình chỉ được 1 lần gồm 1 dãy các ô nhớ chỉ đọc. PROM có thể thực hiện bất kỳ hàm logic theo bảng sự thật nào bằng cách sử dụng các đường địa chỉ như các ngõ nhập và ngõ xuất được xác định bởi nội dung các bit nhớ.
Có 2 loại PROM cơ bản, 1 loại chỉ có thể được lập trình bởi nhà sản xuất và 1 loại có thể được lập trình bởi người dùng. Loại thứ nhất được gọi là mask-programmable và loại thứ 2 được gọi là field-programmable. Khi sản xuất các chip logic, hiệu suất tốc độ cao có thể đạt được với các chip mask-programmable vì các kết nối bên trong thiết bị được thực hiện bằng phần cứng khi sản xuất. Ngược lại, các kết nối của field-programmable luôn cần đến 1 số loại chuyển mạch lập trình được (cầu chì chẳng hạn) và vì vậy chậm hơn kết nối cứng. Tuy nhiên, thiết bị field-programmable chứa đựng các ưu điểm có giá trị hơn sự hạn chế về tốc độ.
- Các chip field-programmable rẻ hơn các chip mask-programmable khi sản xuất với số lượng nhỏ.
- Các chip field-programmable có thể được lập trình tức thì trong vài phút,trong khi các chip mask–programmable khi sản xuất phải mất hàng tuần hay hàng tháng.
Hai biến thể field-programmable của PROM là Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM) và Electrically Erasable Programmable Read- Only Memory (EEPROM) cung cấp 1 ưu điểm: cả hai có thể được xóa và lập trình lại nhiều lần.
Một loại thiết bị lập trình được khác, được thiết kế đặc biệt để thực hiện các mạch logic là Progammable Logic Device (PLD). Một PLD thông thường gồm một dãy các cổng AND được nối với một dãy các cổng OR. Mạch logic có thể được thực hiện trong PLD theo dạng tổng của tích (sum-of-products). Loại cơ bản nhất cua PLD là Progammable Array Logic (PAL): PAL gồm một khối các cổng AND lập trình được nối đến một khối các cổng OR cố định. Một loại PAL khác linh hoạt hơn là Programmable Logic Array (PLA). PLA cũng có cấu trúc giống PAL nhưng các kết nối là lập trình được. PLA có cả 2 loại mask programmable và field programmable.
Cả 2 loại PLD trên cho phép thực hiện các mạch logic có tốc độ cao.Tuy nhiên cấu trúc đơn giản của chúng chỉ cho phép thực hiện các mạch logic nhỏ.
Loại thiết bị lập trình được tổng quát nhất gồm 1 dãy các phần tử rời rạc có thể được kết nối với nhau theo mô tả của người sử dụng. Loại thiết bị này được gọi là Mask–Programmable Gate Array (MPGA). Các MPGA phổ biến nhất gồm các hàng transistor có thể được kết nối để thực hiện các mạch logic. Các kết nối do người dùng định nghĩa này có thể có trong cả các hàng và các cột. Ưu điểm chính của MPGA so với PLD là nó cung cấp 1 cấu túc tổng quát cho phép thực hiện các mạch logic lớn hơn. Vì cấu trúc kết nối của chúng có thể mở rộng cùng với số lượng logic.
Field Programmable Gate Array (FPGA) đã kết hợp khả năng lập trình của PLD và cấu trúc kết nối có thể mở rộng của MPGA. Do đó các thiết bị lập trình loại này có mật độ logic cao hơn.
Cấu trúc FPGA
Mô hình FPGA
Giống như MPGA, 1 FPGA gồm 1 dãy các phần tử rời rạc có thể được kết nối với nhau theo 1 cách chung. Giống như PLA, các kết nối giữa các phần tử là có thể lập trình được. FPGA được giới thiệu đầu tiên bởi công ty Xilinx năm 1985.Kể từ đó có nhiều loại FPGA đã được nhiều công ty phát triển Actel, Altera, Plessey, Plus Logic, Advanced Micro Devices (AMD), Quick Logic, Concurrent Logic, Crosspoint Solutions…
Hình trên mô tả mô hình lý thuyết của 1 FPGA. Nó gồm 1 dãy 2 chiều các logic block có thể được kết nối bằng các nguồn kết nối chung. Các nguồn kết nối gồm các đoạn dây nối (segment) có thể có chiều dài khác nhau. Bên trong các kết nối là các chuyển mạch lập trình được dùng để nối các logic block với các đoạn dây hoặc các đoạn dây với nhau. Mạch logic được cài đặt trong FPGA bằng cách ánh xạ logic vào các logic block riêng rẻ và sau đó nối các logic block cần thiết qua các chuyển mạch.
Các logic block
Cấu trúc và nội dung của logic block được gọi là kiến trúc của nó. Kiến trúc của logic block có thể được thiết kế theo nhiều cách khác nhau. Một số logic block có thể chỉ đơn giản là các cổng AND 2 ngõ nhập. Các logic block khác có cấu trúc phức tạp hơn như các multiplexer hay các bảng tìm kiếm (look up-table). Trong một số loại FPGA, các logic block có thể có cấu trúc hoàn toàn giống như PAL. Hầu hết các logic block chứa 1 số loại flip-flop, để hỗ trợ cho việc thực hiện các mạch tuần tự.
Các nguồn kết nối
Cấu trúc và nội dung của các nguồn kết nối trong FPGA được gọi là kiến trúc routing (routing architecture). Kiến trúc routing gồm các đoạn dây nối và các chuyển mạch lập trình được. Các chuyển mạch lập trình được có thể có nhiều cấu tạo khác nhau như pass transistor được điều khiển bởi cell SRAM, các cầu chì nghịch (anti-fuse), EPROM transistor và EEPROM transistor. Giống như logic block có thể nhiều cách khác nhau để thiết kế các kiến trúc routing. Một số FPGA cung cấp nhiều kết nối đơn giản giữa các logic block, một số khác cung cấp ít các kết nối hơn nên routing phức tạp hơn .
Ứng dụng của FPGA
FPGA có thể sử dụng trong hầu hết các ứng dụng hiện đang dùng MPGA, PLD và các mạch tích hợp nhỏ (SSI).
Các mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt (ASICs)
FPGA là một phương tiện tổng quát nhất để thực hiện các mạch logic số. Chúng đặc biệt thích hợp cho việc thực hiện các ASICs. Một số ví dụ ứng dụng đã được công bố: FIFO 1 megabit, giao tiếp vi kênh IPM PS/2, bộ truyền /nhận dạng T1,…
Thiết kế mạch ngẫu nhiên
Mạch logic ngẫu nhiên thường được thưc hiện bằng PAL. Nếu tốc độ của mạch không đòi hỏi khắt khe (các PAL nhanh hơn hầu hết các FPGA) thì mạch có thể được thực hiện bằng FPGA. Hiện nay, FPGA có thể thực hiện 1 mạch cần từ 10 đến 20 PAL.
Thay thế các chip SSI cho mạch ngẫu nhiên
Các mạch hiện tại trong các sản phẩm thương mại thường chứa nhiều chip SSI. Trong nhiều trường hợp các chip SSI này có thể được thay thế bằng FPGA và kết quả là giảm diện tích của board mạch.
Chế tạo mẫu
FPGA rất lý tưởng cho các ứng dụng tạo mẫu sản phẩm .Giá thành thực hiện thấp và cần thời gian ngắn để thực hiện thiết kế,cung cấp nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp truyền thống để chế tạo mẫu phần cứng. Các bản mẫu ban đầu có thể được thực hiện rất nhanh và những thay đổi sau đó được thực hiện dễ dàng và ít tốn kém .
Máy tính dựa trên FPGA
Một loại máy tính hoàn toàn mới có thể được chế tạo với các FPGA có thể tái lập trình ngay trên mạch FPGA. Các máy này có một mạch chứa các FPGA với các chân board nối với các chip lân cận giống như thông thường .Ý tưởng là 1 chương trình phần mềm có thể được “biên dịch “(sử dụng kỹ thuật tổng hợp mức cao,mức logic và mức sơ đồ hoặc bằng tay) vào ngay phần cứng. Phần cứng này sẽ được thực hiện bằng cách lập trình bo mạch FPGA. Phương pháp này có 2 ưu điểm chính: một là không cần quá trình lấy lệnh như các bộ vi xử lý truyền thống vì phần cứng đã gộp cả các lệnh. Kết quả là tốc độ có thể tăng lên hàng trăm lần. Hai là môi trường tính toán có thể được thực hiện song song mức cao, làm tăng tốc thêm nữa.
Tái cấu hình phần cứng trực tuyến
FPGA cho phép có thể thay đổi theo mong muốn cấu trúc cuả một máy đang hoạt động. Một ví dụ là các thiết bị máy tính từ xa có thể được thay đổi trực tuyến để khắc phục sự cố hay có lỗi thiết kế. Kiểu FPGA thích hợp nhất cho các ứng dụng này là những FPGA có các chuyển mạch lập trình được.
Tóm lại FPGA có thể sử dụng có hiệu quả trong nhiều ứng dụng thực tế. Nếu so sánh với MPGA thì nó có 2 lợi điểm quan trọng: FPGA có giá thành tạo mẫu thấp hơn, thời gian chế tạo ngắn hơn.PHẦN 6
TỔNG QUAN PROJECT MANAGER
Project Manager là một ứng dụng cho phép tích hợp xử lý các môi trường thiết kế khác nhau như :
- Trình soạn thảo hình vẽ.
- Trình soạn thảo ngôn ngữ.
- Trình soạn thảo trạng thái .
Project Manager thực hiện các chức năng sau :
- Tự động tải các trình soạn thảo thiết kế khi Project được mở.
- Kiểm tra lỗi các trình soạn thảo thiết kế khi Project được mở .
- Hiển thị các quá trình biên dịch .
- Hiển thị trạng thái và tất cả các lỗi trong cửa sổ trạng thái .
Hiển thị thông tin các trình soạn thảo
......................................
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1.Các vấn đề đã thực hiện trong luận án:
- Thiết kế và thi công hoàn thành mạch điều chế ,giải điều chế FSK trao đổi dữ liệu giữa máy tính và các Kit trong mạng
- Thiết kế và thi công hoàn thành Kit, trong đó thực hiện điều chế giải điều chế FSK ;xử lý đồng bộ bit dùng FPGA ;đồng bộ khung dữ liệu.
- Tìm hiểu và xử dụng CPU 89S8252 phục vụ nhu cầu mở rộng .
- Viết chương trình giao tiếp với các Kit trong mạng .Giao tiếp cho phép người sử dụng có thể khai thác mạng một cách dễ dàng .
2.Những hạn chế và hướng phát triển của luận án:
2.1.Những hạn chế
- Chưa thực hiện kết nối điều khiển một máy công nghiệp cụ thể
ØCác tùy chọn để sử dụng còn hạn chế
ØSử dụng cổng COM nên tốc độ còn hạn ch
2.2.Hướng phát triển
- Cần lập trình tối ưu hơn nữa, làm cho chương trình linh hoạt hơn trong việc xét tương quan các giá trị, giảm tối đa việc hao phí tài nguyên. Đặc biệt nên được thử nghiệm thực tế mạng công nghiệp.
- Truyền đồng bộ dùng USB nâng cao tốc độ truyền
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.Industrial electronics Thomas E.kissell
2.http:/www.xilinx.com
3.Hợp ngữ và lập trình ứng dụng Tống Văn On-Hoàng Đức Hải
4. http://www.macs.hw.ac.uk/~pjbk/nets/crc/
5. http://www.token-ring-analyser.co.uk/
6. http://www.fddi-analyser.co.uk/
7. http://pclt.cis.yale.edu/pclt/comm/tcpip.htm
8.http://www.atmel.com/
9. http://www.lan-analyser.co.uk/
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG CHIP FPGA VÀ CPU 89S8252, bản vẽ nguyên lý, bản vẽ thiết kế, thuyết minh, LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ, NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CÔNG NGHIỆP, SỬ DỤNG CHIP FPGA VÀ CPU 89S8252
