ВВЕДЕНИЕ 14
1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 15
1.1. Постановка задачи 15
1.2. Обзор существующих решений 16
1.3. Языки описания аппаратуры 18
1.4. Среды разработки 19
1.5. Описание используемых интерфейсов 21
1.5.1 AXI4-Lite 21
1.5.2 Serial Peripheral Interface (SPI) 24
2. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА МЕЖИНТЕРФЕЙСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
AXI-TO-SPI НА ПЛИС 26
2.1. Структурно-функциональная схема первого исполнения устройства 18
2.2. Функциональная схема первого исполнения устройства 31
2.3. Реализация блоков устройства 32
2.3.1. Блок AXI_SLAVE 32
2.3.2. Блок SPI_MASTER 35
2.3.3. Блок AXI_TO_SPI 38
2.3.4. Блок FREQ_DIVIDER 40
2.4. Структурно-функциональная и функциональная схемы второго исполнения устройства 41
2.5. Описание принципиальной схемы устройства 42
2.6. Расчет потребления токов и мощности 44
3 .ТЕСТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА МЕЖИНТЕРФЕЙСНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ AXI-TO-SPI НА ПЛИС 45
3.1. Методика тестирования 45
3.2. Тестирование устройства AXI_TO_SPI_DEVICE 46
4. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 49
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 49
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 49
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений 49
4.1.3. Технология QuaD 51
4.1.4. SWOT-анализ 51
4.2. Определение возможных альтернатив проведения научных исследований 53
4.3. Планирование научно-исследовательских работ 55
4.3.1. Структура работ в рамках научного исследования 55
4.3.2. Определение трудоемкости выполнения работ 56
4.3.3. Разработка графика проведения научного исследования 56
4.3.4. Бюджет научно-технического исследования 57
4.4. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования 59
5. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 62
5.1. Характеристика рабочего места 63
5.2. Вредные факторы производственной среды 63
5.2.1. Освещенность рабочей зоны 63
5.2.2. Производственный шум 65
5.2.3. Микроклимат помещения 67
5.2.4.Электромагнитное излучение 68
5.3. Опасные факторы производственной среды 69
5.3.1. Поражение электрическим током 69
5.3.2. Пожарная безопасность 71
5.4. Региональная безопасность 71
5.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 71
5.6. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 75
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ 79
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Отладочная плата NI Digital Electronics FPGA Board 81
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Тестирование устройства и отдельных блоков с описанием процессов обмена данными в используемых интерфейсах 85
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Апробация устройства в качестве генератора синусоидального сигнала 99
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Функциональная схема первого исполнения устройства 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Структурно-функциональная схема второго исполнения устройства 106
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Функциональная схема второго исполнения устройства 108
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Выбор элементной базы для первого и второго исполнений устройства 109
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Использование soft-процессора Microblaze 110
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Условно-графические обозначения и посадочные места элементов 111
ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Принципиальная схема устройства 127
ПРИЛОЖЕНИЕ 11. Спецификация к ПЭС (часть 1) 129
ПРИЛОЖЕНИЕ 12. Спецификация к ПЭС (часть 2) 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Сборочный чертеж 131
ПРИЛОЖЕНИЕ 14. Общий вид печатной платы 132
Объектом исследования является разработка межинтерфейсного взаимодействия между интерфейсами AXI и SPI на ПЛИС.
Цель работы - анализ алгоритмов работы блоков последовательного интерфейса SPI, параллельного интерфейса AXI4-Lite и разработка межинтерфейсного адаптера между интерфейсами AXI и SPI на ПЛИС.
В результате исследования изучена документация по работе последовательного интерфейса SPI, параллельного интерфейса AXI4-Lite и ЦАП MCP4922 и разработаны граф-схемы алгоритмов автомата работы блоков данных интерфейсов. В итоге были спроектированы 2 варианта исполнения устройства, один из которых был протестирован и апробирован в качестве генератора синусоидальных сигналов.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики: использование языка описания аппаратуры VHDL.
Результаты исследования и апробация: разработаны 2 исполнения устройства и была проведена апробация одного из исполнений в качестве генератора синусоидального сигнала.
Область применения: автоматизированная система управления
технологическим процессом, системы передачи данных.
Значимость работы заключается в проектировании межинтерфейсного адаптера, который позволит передавать данные с ПК и преобразовать их в синусоиду с необходимой амплитудой, используя микросхему с ПЛИС и ЦАП, а также различные IP-ядра для интеграции в проект.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время остро стоит вопрос о передачи данных между различными устройствами, но проблема состоит в том, что используемые устройства подключаются по различным интерфейсам. Поэтому для выполнения данных задач следует использовать межинтерфейсные адаптеры для передачи необходимых данных.
На данный момент имеется несколько реализаций устройств межинтерфейсных взаимодействий. Они имеют различное быстродействие и требование к аппаратным ресурсам. Но к сожалению, не все реализации имеют открытый доступ, поэтому перед разработчиком стоит задача в выборе интерфейсов и создания адаптера, позволяющим передавать верные данные.
Целью работы является реализация межинтерфейсного адаптера AXI-to-SPI.
Задачи:
1. Изучение работы последовательных и параллельных интерфейсов;
2. Выбор процедуры для аппаратной реализации межинтерфейсного адаптера AXI-to-SPI на ПЛИС;
3. Реализация межинтерфейсного адаптера AXI-to-SPI;
4. Тестирование разработанного межинтерфейсного адаптера AXI-to-SPI на временных диаграммах;
5. Разработка системы апробации устройства и структурно - функциональной схемы для разрабатываемой системы;
6. Выбор компонентов для проведения апробации разработанного устройства;
7. Подключение soft-процессорного ядра Microblaze c последующим созданием IP-core для второго исполнения данного устройства;
8. Написать программу для генерации синусоиды для Microblaze;
9. Проведение апробации устройства на выбранных компонентах;
10. Проектирование устройства на печатной плате с созданием принципиальной схемы устройства, компоновкой и трассировкой элементов.
1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
1.1. Постановка задачи
Глобальная задача данной работы заключается в передаче в эфир аналогового сигнала определенной формы и определенной частоты с программным управлением при помощи терминала на ПК.
Реализовано устройство межинтерфейсного взаимодействия между ПК и
ЦАП. Данное устройство разработано в виде модулей в САПР Xilinx Vivado на
языке описания аппаратуры VHDL в специальной среде моделирования и натурно
на специально собранном макете.
При проектировании данного устройства был обоснован выбор проектного
решения поставленной задачи, выбор используемого языка описания аппаратуры
и составлена структурно-функциональная схема двух исполнений устройства.
При разработке данного устройства произошло ознакомление с
программным продуктом Xilinx Vivado и средой тестирования Modelsim 10.2c,
изучены методики программирования последовательных и параллельных
интерфейсов и в итоге было осуществлено программирование модулей
интерфейсов, а также протестирована работа данных модулей за счет
программирования модулей тестирования (testbench) и произведено
моделирование в специальной среде Modelsim.
Также была спроектирована печатная плата с выбранными компонентами:
сконфигурированы библиотеки элементов и посадочные места, собрана
принципиальная схема, проведена трассировка и компоновка элементов на
печатной плате.
Кроме того, во втором исполнении устройства была проведена интеграция
IP-ядер в единое устройство, изучен механизм интеграции soft-процессора
Microblaze и написан программный код на языке C.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
