Việc sử dụng phần mềm trợ giúp thiết kế cùng với các vi mạch logic khả trình đã làm đơn giản hoá quá trình thiết kế mạch điện tử số, rút ngắn thời gian triển khai các thiết kế và có thể
Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa Hà Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA kỹ thuật đo Ngành : đo lờng hệ thống điều khiển M số : Đỗ quang hiệp Ngời hớng dẫn khoa học: Pgs.ts Phạm thị ngọc yến Hà nội 2005 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205109721000000 -2- Lêi cảm ơn Trong thời đại Khoa học Công nghệ, tri thức hành trang quí báu ngời Tri thức cho ta sức mạnh, niềm đam mê khát khao đợc khám phá giới Trên chặng đờng làm chủ khoa học công nghệ ngày nhiều phát minh đời đem lại thành tựu to lớn cho nhân loại Để làm chủ nhà công nghệ, tri thức chìa khóa để mở cánh cửa Cùng phát triển xà hội ngời cố gắng tìm tòi, học hỏi nâng cao hiểu biết Để có đợc thành công thiếu quan tâm, giúp đỡ thầy cô hệ trớc Tôi xin đợc gửi lời biết ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, Th.s Lê Hải Sâm đà tận tình hớng dẫn động viên Tôi suốt trình thực luận văn Tôi xin cảm ơn tới toàn thể thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật đo tin học công nghiệp, Trung tâm sau đại học Trờng ĐHBK HN đà giúp đỡ Tôi trình học tập trờng Xin cảm ơn gia đình, bạn đồng nghiệp, khoa Điện- Điện Tử Trờng Cao đẳng KT-KT CN I đà tạo điều kiện để Tôi hoàn thành luận văn -3- Mục lục Trang Lời cảm ơn Mục lục . …… … ……….…… …… Danh môc tõ viÕt tắt. Phần mở đầu . Chơng 1: Tổng quan kỹ thuật chuyển mạch . 10 1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện ... 10 1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện.. 11 1.2.1 Mạch khuếch đại . . 11 1.2.2 Mạch so sánh . 13 1.2.3 Mạch tích phân . . 14 1.2.4 Mạch vi ph©n……… …… …………………… ……… … ……….…… …… 15 1.3 Tính u việt kỹ thuật chuyển mạch tụ điện .. 15 1.3.1 Các đặc điểm . . 16 1.3.2 Tạo điện trở âm .... 16 1.3.3 M¹ch chØnh l−u tÝch cùc… ….………………………………………………… 17 1.4 LÊy mÉu tÝn hiƯu…………… ….……………………………….…………………… 19 1.4.1 D¹ng tÝn hiƯu lÊy mẫu kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 19 1.4.2 Các đặc tính tín hiệu analog lấy mẫu 20 1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ lọc san phẳng tín hiệu 21 Chơng hệ phát triĨn cđa FPAA……………….……….………….… 22 2.1 ThÕ hƯ thø nhÊt - AN10E40…………….……………… ……………… ….…… 22 2.1.1 CÊu tróc tỉng thĨ cđa AN10E40…….……………… ……… ….…… … 22 2.1.2 CÊu tróc chi tiÕt cđa CAB…………….…………………… … …… …….… 23 -4- 2.1.3 Ngn ®iƯn áp reference. . 24 2.1.4 Các phần tử vào/ra analog………………… ….………………… ………….… 25 2.1.5 Sư dơng AN10E40 ……………………………………………… ……….…….… 27 2.1.6 C¸c −u thÕ cđa AN10E40 thiÕt kÕ m¹ch……………………… … 29 2.2 FPAA thÕ hƯ thø hai………………………… …………….……….……… 29 2.2.1 Đặc điểm chung... 29 2.2.2 Thế hƯ AN120E04 vµ AN220E04 ………………….………….…………… 31 2.2.3 ThÕ hƯ AN121E04 vµ AN221E04 ………….……….………….……… … 33 2.2.4 AN221E02 ……………………………….……… ……… …… ……….… ….… 36 CH−¬ng cÊu tróc chi tiÕt FPAA . . 37 3.1 Mô t chi tiết phận FPAA …………………… ….…….……….… 37 3.1.1 Mạch vào analog……………………………….……….………….… … ….… 37 3.1.2 Mạch analog ……………………….……………… ……….… … ………… 39 3.1.3 Mạch vào/ra analog……………………….………… ….…… … … ……… 40 3.1.4 Mạch xử lý tÝn hiệu analog (CAB) …………………….…………….…… 41 3.1.5 Bảng tra LUT…………………….……… …………… ….……… … … …… 44 3.1.6 Bộ biến đổi tương tự - số kiểu xấp xỉ dần ……………………… … … 44 3.1.7 Mạch tạo nguồn điện ¸p chuẩn (reference) ………………………… … 45 3.1.8 Clock hệ thống………… ………….………….…………… ….…… …….…… 46 3.2 Hoạt động FPAA………….………….…………… …… …….….……… ….… 47 3.2.1 Giao diện thiết lập cấu h×nh ……….…….… …… …… ………… .… 47 3.2.2 C¸c mode hoạt động FPAA………… … ……… …… ……… 48 3.2.3 Thiết lập cấu h×nh cho FPAA từ nhớ ROM nối tiếp …… …… 49 3.2.3.1 Nạp cấu h×nh từ nhớ EPROM cã chuẩn SPI………………… 49 3.2.3.2 Nạp cấu h×nh từ nhớ EPROM chun SPI 50 3.2.3.3 Np cu hình từ nhớ SxROM cho nhiều FPAA …………… 52 3.2.4 Thiết lập cấu h×nh cho FPAA từ hệ vi xử lý.……………… 54 -5- 3.3 Thủ tục thiết lập cấu h×nh cho FPAA…………… …………………… 57 3.3.1 Định dạng liệu cấu h×nh ban đầu………………………………… 57 3.3.2 Định dạng liệu thay đổi cấu h×nh động…………….…….……….… 61 3.3.3 Các ví d lp cu hình cho FPAA ………………………………… ……… 62 Ch−¬ng 4: øng dơng fpaa ph−¬ng pháp đo lu tốc máu... 64 4.1 Giới thiệu chung. . 64 4.2 Phơng pháp đo thử. . 72 4.3 Phơng pháp đo lu tốc m¸u dïng FPAA ……….……… … 79 KÕt luận Hớng phát triển . Phụ lục Tài liệu tham Khảo 83 -6- DANH MụC Từ VIếT TắT FPAA: Field Programable Analog Array NRE: Non – Recurrent Engineering cost CAM: Configurable Analog Modul CAB: Configurable Analog Block LUT: Look Up Table SPI: Serial Peripheral Interface SSI: Synchronous Serial Interface QFP: Quad Fald Pack NOL: Non- Overllaping VMR: Voltage Mid-Rail Voltage Main Reference PCA: Programmable Capacitor Array PRA: Programmable Resistor Array SAR: Successive Approximation Register -7- Phần mở đầu Ngày nay, với phát triển khoa học kỹ thuật hệ thống Đo lờng - điều khiển ngày trở nên thông minh Việc ứng dụng vi xử lý vi điều khiển giúp giải nhiều toán phức tạp Tuy nhiên, để hệ thống ngày đơn giản dễ sử dụng cần phải có công nghệ nhằm đáp ứng yêu cầu Từ trớc tới nay, việc thiết kế chế tạo mạch điện tử tơng tự (analog electronics) chủ yếu dựa phần tử mạch mức thấp Đó linh kiện rời gồm điện trở, tụ điện, diode, transistor, vi mạch analog thông dụng kiểu nh Op - Amp gần vi mạch customer kiểu nh ASIC Trên thực tế, mạch điện tử tơng tự hỗn hợp phần tử thụ động lẫn tích cực Các phần tử đợc sếp lại với cho thực đợc chức mà ngời thiết kế đặt Sự xếp thờng đợc gọi sơ đồ mạch đợc gọi cấu hình mạch Thông thờng, trình thiết kế mạch điện tử tơng tự bao gồm bớc: - Xác định hàm truyền mô tả hoạt động mạch - Xây dựng sơ đồ mạch - Lựa chọn, xếp phần tử xác định giá trị tham số phần tử Chính điều làm cho việc thể ý tởng thiết kế mức cao khó khăn Nó đòi hỏi ngời thiết kế phải có trình độ cao kỹ thuật mạch phải nắm vững đặc tính phần tử dùng cho thiết kế Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin thập niên vừa qua đời phần mềm hỗ trợ thiết kế đà giúp ích nhiều cho c«ng viƯc thiÕt kÕ cđa ng−êi kü s− Víi trợ giúp phần mềm thiết kế mạch điện tử ngời kỹ s hoàn toàn mô tả thiết kế máy tính, chạy mô đánh giá kết thiết kế trớc triển khai thùc hiƯn nã -8- Trong lÜnh vùc m¹ch điện tử số (digital electronics) với phần mềm hỗ trợ thiết kế, từ lâu ngời ta đà chế tạo vi mạch logic khả trình PLD, CPLD, FPGA Nhờ đó, công việc thiết kế chế tạo mạch điện tử số trở nên đơn giản nhiều Ngời thiết kế thiết bị điện tử số cần mô tả chức thông qua ngôn ngữ lập trình bậc cao (ví dụ VHDL), sau dùng phần mềm trợ giúp thiết kế biên dịch mô tả sang dạng chuỗi bít để nạp vào chip PLD, CPLD, FPGA Bằng cách ngời thiết kế đà lập trình biến chíp trắng thành thiết bị điện tử có chức tơng đơng với bảng mạch phức tạp Ngời thiết kế kiểm tra hoạt động mạch trớc lập trình cho chip cách chạy mô máy tính Việc sử dụng phần mềm trợ giúp thiết kế với vi mạch logic khả trình đà làm đơn giản hoá trình thiết kế mạch điện tử số, rút ngắn thời gian triển khai thiết kế thay đổi chức logic thiết bị hoạt động Trong lĩnh vực thiết kế điện tử tơng tự, ngời ta cố gắng tìm thực thể có tính tơng đơng với FPGA lÜnh vùc thiÕt kÕ ®iƯn tư sè nh»m giúp cho trình thiết kế chế tạo thiết bị analog trở nên đơn giản hơn, đồng thời làm tăng tính linh hoạt mềm dẻo thiết bị Những cố gắng nhà chế tạo vi mạch đà tạo dòng sản phẩm đặc biệt gọi FPAA (Field Programable Analog Array), tức mạng lới khối mạch điện tử tơng tự lập trình đợc Gần đây, Anadigm (là hÃng chế tạo vi mạch điện tử) đà cho đời công cụ thiết kế chế tạo mạch điện tử tơng tự từ FPAA, gọi Anadigmvortex Công cụ Anadigmvortex tích hợp bốn phận cấu thành: phần mềm trợ giúp thiết kế AngadigmDesigner, th viện module analog CAM, hệ phát triển dùng cho FPAA, vi mạch bán dẫn FPAA Với công cụ Anadigmvortex -9- Sự phát triển ứng dụng công nghệ FPAA Tháng năm 2000, công ty Anadigm đợc thành lập từ phận Motorola hoạt động theo phơng thức kinh doanh mạo hiểm Sau dành đợc quyền sở hữu trí tuệ FPAA, Anadigm tiếp tục cải tiến công nghệ bắt đầu chiến lợc toàn diện Đến tháng năm 2000 họ bắt đầu tung thị trờng sản phẩm FPAA hệ đầu tiên, vi mạch AN10E40 Tháng 11 năm ®ã, Andigm tiÕp tơc giíi thiƯu thÕ hƯ ph¸t triĨn dùng cho FPAA bang mạch có tên gọi AN10DS40 cïng víi phÇn mỊm gióp thiÕt kÕ Anadigh Designer nhằm giúp kỹ s thiết kế đánh giá công nghệ FPAA, phát triển kiểm tra hoạt động hệ thống ứng dụng Tháng năm 2002, Anadigm lại đa thị trờng sản phẩm FPAA hệ hai với chủng loại phong phú nhiều Các vi mạch FPAA đợc sử dụng phổ biến nh− AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 vµ AN221E02 vµ FPAA hệ thứ hai Cùng với vi mạch FPAA hệ hai, Anadigm tiếp tục đa thị trờng công cụ phát triển hệ hai Anadigmvortex có thêm hệ phát triển mạch giúp ngời thiết kế tạo mẫu thử kiểm tra hoạt động mạch trớc triển khai thực Công nghệ FPAA Anadigm đà mở hớng hoàn toàn việc thiết kế hệ thống mạch điện tư t−¬ng tù Ng−êi kü s− thiÕt kÕ cã thĨ tích hợp nhiều chức hệ thống chip Đồng thời lập trình thay đổi cấu hình thiết bị trờng hoạt động Điều quan trọng, nhiều ngời thiết kế cần phải điều chỉnh chức thiết bị cho phù hợp với thay đổi đặc tính sensor phần tử khác dùng với Với Anadigmvortex, ngời thiết kế không cần phải chuyên gia lý thuyết mạch điện tử Sử dụng công nghệ FPAA việc thiết kế, chế tạo mạch điện tử mang lại lợi ích kinh tế lớn Ngoài công nghệ FPAA cho phép - 10 - ngời thiết kế chế tạo mạch điện tử rút ngắn thời gian cần thiết để đa sản phẩm thị trờng giảm đợc chi phÝ kü thuËt ®ét xuÊt (NRE - Non Recurrent Engineering cost) sản phẩm FPAA đợc sử dụng lại nhiều lần cho nhiều ứng dụng khác nhờ thay đổi cấu hình chúng Nói tóm lại lợi ích công nghệ FPAA việc thiết kế chế tạo mạch điện tử tơng tự rõ ràng, hiệu đợc thể dự án cho dù số lợng sản phẩm nhiều hay với thiết kế dùng cho sản phẩm Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA vào việc chế tạo thiết bị đo lờng điều khiển cần thiết tính đơn giản thuận tiện thiết kế nh tính khả thi thực mục đích để thực đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA kỹ thuật đo Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Công nghệ FPAA tính vợt trội việc thiết kế chế tạo mạch điện tử tơng tự Mục đích đề tài + Nắm vững công nghệ FPAA + ứng dụng công nghệ FPAA Đo lờng Điều khiÓn