uklady_fpga_w_przykladach_05.pdf

KURS

Układy FPGA w przykładach,

część 5

Projekty przykładowe

Pierwsze cztery części kursu

dały nam elementarne

wiadomości o architekturze

układów FPGA z rodziny

Spartan 3, a teraz przechodzimy

do przykładowych projektów

przygotowanych w języku VHDL.

Pierwszy przykład wydaje się

być banalny, ale bez niego

trudno nam będzie zagłębić się

w projekty bardziej efektowne.

Zaczynamy od projektu z gatunku

podstawowych w większości typowych

projektów cyfrowych m przedstawimy

sposób wykonania debouncera , czyli

układu likwidującego drgania styków

mikroprzełączników dołączonych do

wejść układu FPGA.

Problem likwidacji drań styków

doskonale znają konstruktorzy, któ-

rzy budowali jakiekolwiek układy

reagujące na liczbę naciśnięć przyci-

sków dołączonych do wejść mikro-

kontrolerów lub dowolnych innych

układów cyfrowych. Dobrym testem,

dogłębnie pokazującym problem jaki

Rys. 2. Skutki drgań styków prze-

łącznika (jeden z przykładowych

wyników rejestracji)

Rys. 3. Skutki drgań styków prze-

łącznika (inny przykładowy wynik

rejestracji napięcia na stykach

przełącznika)

mamy do rozwiązania, jest dołącze-

nie do wejścia zegarowego kilku-

bitowego licznika styków np. ty-

powego mikroprzełącznika ( rys. 1 ).

Łatwo się można wtedy przekonać,

że jedno naciśnięcie przycisku po-

woduje zmianę stanu licznika o kil-

ka a w skrajnych przypadkach kil-

kanaście stanów. Na rys. 2 i rys. 3

pokazano dwa przykładowe przebie-

gi napięcia na stykach mikroprze-

łącznika włączonego jak pokazano

na rys. 1, zdjęte za pomocą oscy-

loskopu cyfrowego. Liczba „prze-

skoczonych” przez licznik stanów

podczas zdejmowania przedstawio-

nych przebiegów była w obydwu

przypadkach większa niż wynika

to z oscylogramów. Jest to wynik

zbyt małej rozdzielczości poziomej

oscyloskopu zastosowanego do po-

miarów m znaczna część „śmieci”

wynikających z drgań styków oscy-

loskop po prostu zgubił. Nie zmie-

nia to faktu, że przełączniki, także

DiodyLED

CLK

Licznik

kontrolny

Rys. 1. Schemat blokowy układu

umożliwiającego wykrycie drgań

styków przełączników

www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl

Okazja dla Czytelników EP zainteresowanych układami FPGA

Zestaw sprzętowy wykorzystywany w kursie jest do dostępny do 15.03.2007 na zasadach promocyj-

nych. Zakup zestawu składającego się z modułów ZL9PLD (uniwersalna płytka bazowa) oraz ZL10PLD

(modułu DIP z układem XC3S200 z rodziny Spartan 3 ﬁrmy Xilinx) jest premiowany programatorem

ZL4PRG (odpowiednik DLC III), za pomocą którego można programować i konﬁgurować w systemie

układy CPLD i FPGA ﬁrmy Xilinx.

www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl

Elektronika Praktyczna 2/2007

103

KURS

Rys. 4. Symbol graficzny debouncera

Wybrany przez

nas nie jest z ca-

łą pewnością naj-

bardziej oszczędny

(jeśli chodzi o zaję-

te zasoby sprzęto-

we FPGA), ale ma

wiele praktycznych

zalet m jedną

z nich jest zacho-

wanie czasu trwa-

nia zwarcia sty-

ków przycisku, co

nie jest możliwe

w wielu prostszych

rozwiązaniach.

Przedstawione

rozwiązanie jest

VHDLmową adaptacją propozycji

przedstawionej w pierwszym wyda-

niu książki „ Fundamentals of Digital

Logic ” autorstwa Stephena Browna

i Zvonko Vranesica (Kluwer 1995).

Na rys. 4 pokazano symbol gra-

ﬁczny debouncera , którego sposób

Plan kursu

1. Wprowadzenie

• Budowa zestawu uruchomie-

niowego

• Programowanie i konﬁguracja

układu XC3S200

• Tryby konﬁguracji układu

XC3S200

• Zasilanie układu XC3S200

• Linie I/O w układzie XC3S200

• JTAG jako uniwersalny

interfejs do programowania

i konﬁgurowania

2. Budowa, cechy funkcjonalne

i parametry układów FPGA

z rodziny Spartan 3

• CLB

• IOB

• Globalne sygnały zegarowe

• DCM

• Sprzętowe multiplikatory

• Pamięć BlockRAM

3. Projekty przykładowe

• Debouncer

• Klawiatura matrycowa

• Obsługa wyświetlacza multi-

pleksowego LED

• Obsługa wyświetlacza LCD

• Sterownik LCD 2x16 (pro-

sty)

• Sterownik LCD 2x16 (za-

awansowany)

• Komunikacja via RS232

i USB

• Sterownik VGA

• Implementacja mikrokontrole-

ra PicoBlaze

pochodzące od renomowanych pro-

ducentów, całkiem nieźle spełniają

rolę generatorów impulsów quasim-

losowych. Bez dodatkowych zabie-

gów nie da się z nich korzystać do

realizacji zadań, na wynik których

chcielibyśmy mieć wpływ.

List. 1. Opis działania debouncera w języku VHDL

process

begin

wait until (clock_100hz’event) and (clock_100hz = ‚1’);

shift_pb(2 downto 0) <= shift_pb(3 downto 1);

shift_pb(3) <= pb;

case shift_pb is

when „0000” =>

state <= ‚0’;

when „1111” =>

state <= ‚1’;

when others =>

state <= state;

end case;

pb_debounced <= state;

end process;

end;

zakres 60…150 Hz zapewnia po-

prawną obsługę także bardzo tanich

(czyli niskiej jakości) mikroprzełącz-

ników.

„Odkłócanie” styków przełączni-

ka odbywa się w 4mbitowym reje-

strze przesuwającym, który co każ-

dy takt zegara clock_100hz wsuwa

na bit MSB stan wejścia monito-

rującego przełącznik ( pb ). Zmiana

stanu na wyjściu pb_debounced ,

która oznacza wciśnięcie przycisku

(niezależnie od tego, czy stanem

„po wciśnięciu” jest logiczne 0 czy

też 1), wymaga przesunięcia stanu

odpowiadającego „wciśnięciu” przez

cały rejestr (4 takty sygnału zegaro-

wego), tak samo jak dzieje się po

puszczeniu przycisku. Sposób dzia-

łania układu powoduje, że odkłóco-

ny sygnał wyjściowy jest opóźniony

względem wejściowego o czas odpo-

wiadający 4 taktom sygnału clock_

100hz m rys. 5 . W przypadku, gdy

czas impulsu wejściowego (ważne:

nieważna jest jego polaryzacja!) jest

Realizacja

Możliwych sposobów sprzętowej

likwidacji drgań styków jest bardzo

wiele, podobnie jak ma to miej-

sce w rozwiązaniach programowych.

działania opisano w języku VHDL

( list. 1 ). Wejście clock_100hz służy

do podawania sygnału taktującego

o częstotliwości ok. 100 Hz. Można

ją oczywiście zmienić, dostosowu-

jąc „czułość” debouncera do jako-

ści współpracujących przełączników.

Przeprowadzone próby wykazały, że

Rys. 5. Przykładowa reakcja wyj-

ścia debouncera (przebieg dolny)

na wciśnięcie przycisku (przebieg

górny)

Rys. 6. Nawet kilka krótkich impul-

sów na wejściu debouncera (prze-

bieg górny) nie wywołuje zmiany

stanu na jego wyjściu (przebieg

dolny)

Kompletny projekt dla WebPacka 8.2i wraz

z plikami źródłowymi opublikujemy na

CDmEP3/2007B.

104

Elektronika Praktyczna 2/2007

KURS

List. 2. Opis VHDL „łączący” w całość debouncer , 8mbitowy licznik kon-

trolny oraz preskaler zapewniający sygnał taktujący dla debouncera

library ieee;

use ieee.std_logic_1164.all;

use ieee.std_logic_arith.all;

use ieee.std_logic_unsigned.all;

entity debouncer_top is port (

clk : in std_logic;

pbi : in std_logic;

pbo, clk100hz_o : out std_logic;

ledy : inout std_logic_vector(7 downto 0)

);

end debouncer_top;

architecture behavioral of debouncer_top is

component licznik port (

clk: in std_logic;

q: inout std_logic_vector(7 downto 0)

);

end component licznik;

component debouncer port (

clock_100hz, pb: in std_logic;

pb_debounced: inout std_logic

);

end component debouncer;

component preskaler port (

clk : in std_logic;

q : inout std_logic_vector (20 downto 0)

);

end component preskaler;

signal clk_int : std_logic;

signal q_presc_int : std_logic_vector(20 downto 0);

begin

cnt: licznik port map (

clk => clk_int,

q => ledy

);

kb_d: debouncer port map (

pb => pbi,

clock_100hz => q_presc_int(15), mm ok. 120 hz

pb_debounced => clk_int

);

presc: preskaler port map (

clk => clk,

q => q_presc_int

);

pbo <= clk_int;

clk100hz_o <= clk_int;

end behavioral;

Opisy innych rozwiązań debouncerów

w układach PLD można znaleźć między innymi:

http://microsys6.engr.utk.edu/~hendrich/project/

discussion/inputmswitch/inputmswitchmvhdl.html

http://www.ecgf.uakron.edu/grover/web/ecs465/

labs/pushButtonCounter.pdf

http://www.codecomments.com/

archive378m2005m3m427505.html

http://www.alsemfr.com

– debouncera ,

– preskalera, który zapewnia wła-

ściwą częstotliwość taktowania

debouncera , która jest uzyski-

wana z generatora kwarcowego

3,6864 MHz ulokowanego na

płytce ZL10PLD,

– licznika pracującego w trybie

NKB, który jest taktowany z wyj-

ścia debouncera .

Wszystkie wymienione elementy

opisano w języku VHDL i połą-

czono w całość w sposób poka-

zany na list. 2 .

Podsumowanie

Przedstawiony projekt, jakkolwiek

niezbyt skomplikowany i z pew-

nością mało efektowny, zapewnia

nam komfortową obsługę klawia-

tury (w ZL9PLD wykonanej na mi-

kroprzełącznikach). Dobra jakość

i stabilna praca tej części interfejsu

użytkownika pozwoli nam w niedłu-

gim czasie zilustrować obsługę jego

drugiej części: różnego rodzaju wy-

świetlaczy.

Jacek Majewski

jacek.majewski@pwr.wroc.pl

Piotr Zbysiński, EP

piotr.zbysinski@ep.com.pl

Rys. 7. Debouncer nie reaguje na

naciśnięcia przycisku krótsze niż 4

takty sygnału zegarowego

zestawie składającym się z płytki

bazowej ZL9PLD oraz modułu dip-

PLD ZL10PLD z układem XC3S200

z rodziny Spartan 3. Jego zasoby są

tak duże, że pewna „rozrzutność”

projektu (uzasadniona walorami

praktycznymi!) jest praktycznie bez

znaczenia.

Żeby zweryﬁkować faktyczne

możliwości prezentowanego roz-

wiązania, przygotowano opis zesta-

wu testowego, który składa się z

( rys. 8 ):

krótszy niż 4 takty sygnału wejścio-

wego, stan wyjścia pb_debounced

nie zmienia się, jak to pokazano

na rys. 6 i rys. 7 .

ok.100Hz

DiodyLED

3,6864MHz

CLK

Preskaler

CLK

PB_DEBOUNCED

Debouncer

CLK

Licznik

kontrolny

Implementacja

Zgodnie z zapowiedziami z po-

przednich części cyklu, rozwiązanie

prezentowane w artykule zostało za-

implementowane i przetestowane na

Rys. 8. Schemat blokowy testera wersyfikującego poprawność działania

debouncera

Elektronika Praktyczna 2/2007

105

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: