Счетное устройство видеоимпульсов на ПЛИС

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Дипломная работа

Счетное устройство видеоимпульсов на ПЛИС

Дата защиты:       21 июня 2006г.

Оценка: отлично

Челябинск – 2006

Содержание

Введение................................................................................................. 3

1 Актуальность темы.............................................................................. 3

2 Цели и задачи....................................................................................... 5

3 Анализ задания и выбор платформы................................................... 5

1. Составление схемы устройства.......................................................... 7

2. Выбор элементов................................................................................ 9

2.1 Выбор ПЛИС. Описание внутренней структуры ПЛИС.................. 9

2.2 Компаратор..................................................................................... 13

2.3 Генератор тактовой частоты........................................................... 15

2.4 Индикатор....................................................................................... 16

2.4.1 Описание контроллера HD44780.................................................. 17

2.4.2 Подключение ЖКИ-модуля......................................................... 18

2.4.3 Программирование и управление ЖКИ-модуля:......................... 25

2.5 Стабилизаторы................................................................................ 32

2.5 Программатор ByteBlaster............................................................... 34

2.6 Сборка устройства.......................................................................... 35

3. Конфигурирование ПЛИС................................................................ 36

3.1 Система проектирования MAX+plus II........................................... 36

3.2 Описание программы конфигурации ПЛИС.................................. 36

3.2.1 Антидребезговая система (antibounce)......................................... 37

3.2.1,1 Встроенная макрофункция – счетчик lpm_counter................... 38

3.2.2 Двоичо-десятичный счетчик (counter10)..................................... 40

3.2.3 Устройство управлением индикатора (wh1602LCD)................... 41

3.2.3,1 Машина конечных автоматов.................................................... 42

3.2.4 Делитель тактовой частоты для работы индикатора(divFreq)..... 46

3.2.5 Общая структура программы....................................................... 46

Заключение........................................................................................... 47

Литература............................................................................................ 48

Приложение 1 (Принципиальная схема устройства)............................ 49

Приложение 2 (Список портов ввода вывода ПЛИС epm 3256a)........ 50

Приложение 3 (Текст программы)....................................................... 51

Введение

1 Актуальность темы

Реальная перспектива использования человеком огромных энергий, скрытых в недрах атома, появилась впервые в 1939 году. На сегодняшний день широкое практическое применение получают различного  рода ядерные излучения, несмотря на то, что они опасны для организма человека и в то же время неощущаемы, поэтому для обнаружения и измерения ядерных излучений  необходимы специальные приборы.

Основной частью приборов для регистрации ядерных излучений является элемент, воспринимающий излучения, - детектор излучения. Для этой цели используются счетчики разных типов, позволяющие зарегистрировать  попавшую в него частицу в виде кратковременного электрического тока – импульса. Наиболее широкое применение имеют газоразрядные счетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения. Постепенно их начинают вытеснять сцинтилляционные счетчики (СС), действие которых основано на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах под ударами частиц. Основными элементами такого счетчика являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В начале 20 века визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики. Позднее СС был полностью вытеснен.

Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки. Принцип действия СС состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (Люминесценция). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (Фотоэлектронная эмиссия), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, -квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и -квантов с атомами сцинтиллятора.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации «медленных нейтронов» в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации «быстрых нейтронов» используются водородсодержащие сцинтилляторы. Для спектрометрии -квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером.

ФЭУ, предназначенные для СС, должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (108—108), малым временем собирания электронов (~ 10–8 сек), при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени СС 10–9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 В в виде импульсов трапециевидной формы (видеоимпульсов).

Чтобы не только обнаружить ядерное излучение, но и измерить его интенсивность, недостаточно одного детектора излучения. Необходимы еще электронные устройства, подсчитывающие число электрических импульсов, то есть число попавших в детектор частиц, и устройства, показывающие результат подсчета [1].

Данная работа посвящена разработке электронного устройства считающего число электрических импульсов.

2 Цели и задачи

1.                 Необходимо реализовать счетное устройство апериодических видеоимпульсов с заданными параметрами:

·                    Диапазон изменения амплитуды входного сигнала 5…20В;

·                    Длительность импульса τ, не менее 10 нс;

·                    Минимальный интервал между импульсами , 10 мкс.

2.                  Для отображения счета необходимо наличие индикатора. Реализовать индикатор, на котором высвечивается число импульсов в непрерывном режиме счета через некоторый промежуток времени.

3.                  Управление устройством осуществляется посредством кнопок:  старт/стоп – (начало счета/конец счета), сброс – (сброс счетчика).

3 Анализ задания и выбор платформы

 Конечно, реализовать простой счетчик на дискретных элементах (триггерах), что может быть проще? Однако сложность заключается в том, что разработка счетчика на дискретных элементах потребует сложной настройки, что увеличит время разработки и цену устройства. Для моих целей нужен высокоскоростной счетчик. Реализовать его нужно на современной элементной базе. Платформы, на которых можно реализовать счетчик, на сегодняшний день нашлось две ПЛИС и микроконтроллеры, был сделан выбор в пользу первой, то есть ПЛИС  так как она легче поддается функциональным изменениям (в дальнейшем это устройство может быть использовано в других целях) и тактовая частота обработки сигнала не фиксирована как у микроконтроллера, её можно задавать аппаратно и делить её в зависимости от необходимости. Итак ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема ).

Из наиболее известных производителей ПЛИС следует отметить фирму Altera. Небольшая, вначале, компания удачно решила задачи стоящие перед ними в начале (определить элементарные базис ПЛИС, разработать математические методы синтеза устройств в выбранном базисе, создать интегрированную систему проектирования цифровых устройств на ПЛИС), путем постепенного согласованного усложнения элементной базы и средств проектирования. Ее успех ко второй половине 90-х годов вывели её в число основных производства микросхем ПЛИС.

Была выбрана ПЛИС семейства MAX 3000 EPM3256A

Технология EEPROM обеспечивает сохранение конфигурации при отключении питания. Число логических эквивалентных вентилей ПЛИС находится в диапазоне 600-5000, количество программируемых пользователем выводов 44-208. Микросхемы могут быть запрограммированы с помощью программатора, в этом случае можно использовать все линии Ввода/Вывода (I /O). Кроме того, все ПЛИС имеют возможность внутрисистемного программирования (in-system programmability) через порт типа JTAG с использованием устройств типа BitBlaster, ByteBlaster и MasterBlaster, тогда 4 порта JTAG резервируются для этой цели. Выводы имеют возможность эмуляции режимов открытого коллектора и третьего (высокоимпедансного) состояния [2].

1. Составление схемы устройства

Входной сигнал, подаваемый на счетное устройство, представляет собой случайные трапецвидные импульсы разной амплитуды и длительности. Обнаружения импульсов производиться по амплитуде, для этого необходим компаратор. Сигнал с выхода компаратора подается на цифровую микросхему (ПЛИС), работающую с TTL уровнями, т.е. логический ноль 0.8...1.6 В логическая единица 1.65...2.0 В.

Для счета количества импульсов, поступаемых с компаратора, необходим счетчик. Счетчик планируется реализовать на ПЛИС.

Еще понадобиться индикатор, который будет отображать число этих импульсов. Целесообразно выбрать LCD индикатор со встроенным контроллером TTL логики, для облегчения работы, и напряжением питания +5В.

Генератор тактовой частоты необходимо выбрать исходя их следующих критериев: максимальная частота определяется скоростью работы ПЛИС, минимальная частота определяется минимальным интервалом между импульсами входного сигнала. Следовательно, интервал частот будет в пределах от 10 МГц до 150 МГц.

Источник питания: Проще всего решить проблему питания, взять готовый источник от персонального компьютера, но он имеет широкий диапазон выходных токов, с выходными напряжениями +5В, -5В, +12В, -12В. Для питания счетного устройства выберем напряжение +12В. В самом устройстве установим интегральные стабилизаторы для питания ПЛИС +3.3В, а для питания компаратора, генератора тактовой частоты и индикатора +5В.

Управление устройством осуществляется с помощью двух кнопок, следовательно, необходимо антидребезговое устройство, которое можно реализовать на ПЛИС.

На конец мне нужен программатор ByteBlaster для программирования (прошивки) ПЛИС.

Структурная схема изображена на рис. 1.1.

Рис 1.1 Структурная схема устройства

2. Выбор элементов

2.1 Выбор ПЛИС. Описание внутренней структуры ПЛИС

Основными элементами структуры ПЛИС семейства MAX3000 являются:

·                   логические блоки (ЛБ, LAB, Logic Array Blocks);

·                   макроячейки (МЯ, macrocells);

·                   логические расширители (expanders), параллельный (parallel) и разделяемый (shareable);

·                   программируемая матрица соединений (ПМС, Programmable Interconnect Array, PIA);

·                   элементы ввода/вывода (ЭВВ, I/Ocontrol block).

Рис 2.1.1 Функциональная схема ПЛИС семейства MAX3000

ПЛИС семейства MAX3000 имеют четыре вывода, закрепленных за глобальными цепями (dedicated inputs). Это глобальные цепи синхронизации сброса и установки в третье состояние каждой макроячейки. Кроме того, эти выводы можно использовать как входы или выходы пользователя для «быстрых» сигналов, обрабатываемых в ПЛИС.

Как видно из рис 2.1.1, в основе архитектуры ПЛИС семейства МАХ3000 лежат логические блоки, состоящие из 16 макроячеек каж­дый. Логические блоки соединя­ются с помощью программируемой матрицы соединений (ПМС). Каждый логи­ческий блок имеет 36 входов с ПМС.

На рис 2.1.2 приведена структурная схема макроячейки ПЛИС семейства MAX3000. Макроячейка ПЛИС семейства MAX3000 со­стоит из трех основных узлов:

·                      локальной программируемой матрицы (LAB local array);

·                      матрицы распределения термов(product-term select matrix);

·                      программируемого регистра (programmable register).

Комбинационные функции реализуются на локальной программируемой матрице и матрице распределения термов, позволяющей объединять логические произведения либо по ИЛИ (OR), либо по исключающему ИЛИ (XOR). Кроме того, матрица распределения термов позволяет скоммутировать цепи управления триггером макроячейки.

Режим тактирования и конфигу­рация триггера выбираются автоматически во время синтеза проекта в САПР Max+Plus II в зависимости от выбранного разработчиком типа триггера при описании проекта.

В ПЛИС семейства MAX 3000 до­ступно 2 глобальных тактовых сигнала, что позволяет проектировать схемы с двухфазной синхронизацией.

Для реализации логических функций большого числа переменных используются логические расширители.

Рис 2.1.2 Структурная схема макроячейки ПЛИС

Разделяемый логический расширитель (рис.2.1.3) позволяет реализовать логическую функцию с большим числом входов, предоставляя возможность объединить макроячейки, входящие в состав одного логического блока. Таким образом, разделяемый расширитель формирует терм, инверсное значение которого передается матрицей распределения термов в локальную программируемую матрицу и может быть использовано в любой макроячейки данного логического блока. Как видно из рис.2.1.3, имеется 36 сигналов локальной ПМС, а также 16 инверсных сигналов с разделяемых логических расширителей, что позволяет в пределах одного логического блока реализовать функцию до 52 термов ранга 1.

Рис 2.1.3 Разделяемый логический расширитель

Параллельный логический расширитель (рис. 2.1.4) позволяет использовать локальные матрицы смежных макроячеек для реализации функций, в которые входят более 5 термов. Одна цепочка параллельных расширителей может включать до 4 макроячейки, реализуя функцию 20 термов. Компилятор системы Max+Plus II поддерживает размещение до 3-х наборов не более 5 параллельных расширителей в каждом.

Рис 2.1.4 Параллельный логический расширитель

На рис. 2.1.5 приведена структура программируемой матрицы соединений.

На ПМС выводятся сигналы от всех возможных источников: элементов ввода-вывода, сигналов обратной связи логического блока, специализированных выделенных выводов. В процессе программирования только необходимые сигналы «заводятся» на каждый логический блок.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5