Ứng dụng linh kiện tái cấu hình trong đo lường : Đề tài NCKH. QT.09.07

DAI HOC QUOC GIÀ HA NĨI TRl/ỊNG DAI HOC KHOA HOC TI/ NHIÉN DE TAI: QT-09-07 ÙNG DUNG LINH KIEN TÀI CÀU HÌNH TRONG DO LlTỊNG CHÙ TRI: TRAN VÌNH THÀNG DAI HOC QUOC G I À HA NQi ! TRUNG TÀM THỊNG TIN THU VIÈN oràm HA NĨI 2009 L Bao cao tóm tàt a Tèn de tài: ifng dung linh kien tài cau hình lirịng (Ma so: QT09-07) b Chù tri de tài: Tran VTnh Thàng e Càc càn bo tham già: ThS Nguyén Ngoc Dinh d Muc tiéu va noi dung nghién ciru Nghién cùn ve ngun ly va cịng cu làm viec vói linh kien tài cau hinh va ùng dung cùa càc linh kien loai luòng, cu thè che tao càc thièt bi khoa hoc co khà nàng tài cau hinh phuc vu nhiéu muc dich luòng khàc Trén co so dò xày dung càc thièt bi luòng co kièn trùc phàn nhung co khà nàng tài cau hinh Noi dung bao gịm: tìm hièu ve càc loai linh kien tài cau hinh nhu PLD FPGA cau trùc va tinh nàng cùa nò, qua dò tim càc còng cu thich bop de phàt trièn, cau hinh bòa linh kien theo càc mach logie trén nguyén tàc cùa càc thièt bi luòng bay dugc dùng thirc té e Càc két qua dat du'O'c Khoa hgc: Tièp càn va nàm bàt dugc phuong phàp va còng cu xày dung càc mach dien tu trén linh kien FPGA, qua dò trién khai ùng dung loai linh kièn che tao thièt bi luòng, a day thièt bi tich bop mày tao song sine va tin hièu còng huong phuc vu thi nghiém Vat ly - Xàc dinh van toc truyén àm khóng Phuc vu tao va nghién cùn trién khai thuc càc he vat ly 01 bào gùi dàng lèn tap chi DHQG Ha Noi 01 khóa luan tòt nghiép Dai hgc Thuc tién: - Xày dung thành còng thi nghiém toc dò van toc truyén àm khóng vói nhiéu 'Ihièt bi'" tich bop trén mot phàn xày dung trén board mach FPGA Spartan 3AN f Tinh hình kinh phi éa de tài Tóng kinh phi: 25.000.000 dong Trong dị: Vat tu: 9.500.000 dịng Tbịngtin: 1.500.000 dịng Th khồn chun mịn: 10.000.000 dịng Quan ly phi, dién nc; 2.000.000 dịng KHOA QN LY CHÙ TRÌ DE TÀI (Ky va ghi rị ho tèn) (Ky va ghi ro ho tén) 2^ PCS TS Uà Huy Bang Tran VTnh Thàng TRlTÒTVG DAI HOC KHOA HOC Tlf NHIÉN II Report a Project: Applications of Reconfiguable devices in Measurement (Code: QT-09-07) b Coordinator: Tran Vinh Thang e Co-operators: MSc Nguyén Ngoc Dinh d Objectives and scientific contents Research and develop about reconfigurable devices as PLD, FPGA include: metholds, toois and its applications Design and build the reconfigurable Instruments base on FPGA devices and measurement principles e Results Scientific: - To approach an application of reconfigurable devices in measurement instruments To opened out a R&D capacity for applying in education training, and measurement science Real applications: - 01 paper submits to VNU's journal of Science - 01 Bachelor thesis - Building sucessfuly a new measurement instrument using for experiment in physics - the speed of sound in the air experiment The instrument included a signal generator RMS value measurement and display that located in only one FPGA device named Spartan 3AN f Budget Total: 25.000.000 VND MUC LUC Trang L Gioì thieu Tinh hình nghicn ciru linh kien tài cau hình lìig Càc thièt bj lu^òtig hien dai Linh kien tài cau hình FPGA Thièt bi lng sii* dung linh kièn tài cau hình 14 iTng dung thuc hành Vat ly 18 Két luan 20 Tài lièu tham khào 21 Phuluc 24 Muc tièu nghién ciru: Tìm hièu ve mot loai linh kien dién tu hién dai va khà nàng ùng dung cùa nò linh vuc luòng, cu thè càc phép vat ly nhàm phuc vu truc tièp viec giàng day va nghién cùru khoa hgc ITnh vuc Vat ly tai Khoa Vat ly Truòng Dai hgc Khoa hgc Tu nhién, DH Qc già Ha Noi Gi thieu Càc linh kien co khà nàng tài cau hinh nhu FPGA hién dang dugc su dung ròng rài nhiéu Imh vuc cùa cc song va san st Vói nhiéu uu diém noi tròi nhu khà nàng tich bop cao, toc dị chun manh nhanh, va dugc nhiéu bang lón phàt trién [1 11], càc linh kien loai ngày phị bién nhiìng ITnh vuc lng toc dị nhanh va co khà nàng xù ly tòt càc toàn phùc tap dac biet nhùng ITnh vuc luòng khoa hgc hat nhàn, hat co bàn [18, 20, 21, 29] Dac biet, vói khà nàng tài cau hinh cùa linh kien, thièt bi su dung nò co thè dugc su dung vói nhiéu muc dich khàc tùy vào nguòi su dung [16, 23, 24, 26, 27, 31] Tinh hình nghién ciru linh kièn tài cau hình lng a Trong nude Hién nay, nhiéu trng dai hgc va vien nghién cùn lón nc dà va dang giàng day, nghién cùu càc linh kién lai càu hinh nhu FPGA Tuy nhién muc dich su dung chù yéu càc ITnh vuc xù ly thịng tin va trun thịng, dièu khién tu dóng It co don vi nghién cùn ùng dung linh kien loai luòng chat lugng cao nhu yéu càu cua Vat ly hgc Do dò viec nghién cùn ùng dung cùa linh kien luòng càc tin hièu vat ly nuóc bua hen nhiéu ùng dung góp phàn phàt trién tao va nghién cùn khoa hgc b Ngồi nc Ị càc nc co trinh dị khoa hgc phàt trién viec ung dung nhijng linh kien tài càu hình càc thièt bi lng dà góp phàn kbịng nho cho phàt trién cua khoa hgc Dién hinh ITnh vuc tin bieu bién dòi nhanh co tbòi gian song ngàn nhu cua càc hat co bàn [24-3IJ Trong ITnh vuc thién van hgc, luòng y té dòi bòi viec xu ly anh co kich thuóc lón va da chiéu dèu su dung nhiing linh kien [21-31] Càc thièt bj lu*òTig hien dai Mot thièt bj ha}' he thòng lng trc day thng chùa càc thànli phàn co ban: càc càm bién bò khuéch dai co dò òn thàp bò xù ly tin hièu tuong tu va hién thi Ngày ky thuàt so phàt trién kéo theo nị va cịng nghé che tao mach tich bop vói càu trùc, dò phùc tap khàc cho phép càc he thòng ngày chinh xàc va da chùc nàng Mac dù vay, chùng van chi chùa nhirng thành phàn co bàn nhu theo hinh 1.1 Hién thi CB+ TKD MC, MP, DSP ADC DAC Bàn phim PC luu trij Hinh 1.1: So dò khòi cùa mot thièt bi luòng hién dai Trong dò CB+TKD (càm bién va tién khuéch dai) co chùc nàng nhu bò bién dòi càc tin hieu kbòng dién thành dién va khuéch dai dù lón de dàp ùng dugc dién àp nhu tró khàng vào cùa bị chun dịi tuong tu - so ADC Tin hièu so tu ADC dugc dua vào mot bò xù ly so co thè vi dièu khién (Microcontroller - MC) vi xù ly (Microprocessor - MP) bay bò xù ly tin hieu so (Digital Signal Processor - DSP) Dù liéu so dugc xù ly o dị bang boat dịng cùa phàn trc cho bò chuyén dòi so - tuong tu (DAC), hién thi bay dua vào mày tinh de luu trù hoac xù ly ve sau Qua he thòng trén chùng ta co thè thày vai trò quan cua bò xù ly so dugc thirc hién bòi phàn chùa chip xù ly Dac biet \'ói su phàt trién ngày cao cùa càc chip xù ly trung tàm càc thuàt toàn xù ly bang phàn cho phép thuc hién dugc tàt cà càc phép tồn ma trc day kbòng thè thuc hién dugc bang càc mach tuong tu Chinh bòi le dò he thòng luòng dua trén nèn ky thuàt so dàn dàn dugc thay thè cho càc mach dién tu tuong tu co càu trùc còng kénh va linh boat Vi du hồn tồn kbịng càn mach tu>'èn tinh \ói càc cam bién phi tuyén co thè lày già tri trung binh Igc nhièu chi bang mot doan chuong trinh dièu don gian hon nhiéu so mói mot mach dién tun tinh bịa hay mot mach chia tuong tu Linh kièn tài càu hình FPGA a Gi thièu ve FPGA • Khi càc he thòng so ngày phùc tap, toc dò ngày cao thi xàc suàt xày lòi he thịng qua trinh thièt ké lón Do dò de thuàn tién cho viec thù nghiém, tao màu, phàt trién ùng dung, hay san xuàt ò quy mị nhó ngi ta dà che tao càc linh kien (thièt bi) logie khà trinh (Programmable Logic Devices), tue càc linh kien so co thè dugc càu hình lai nhiéu cho càc ùng dung logie khàc Mot so loai linh kien logie khà trinh don gian nhu: EPROM, EEPROM, Flash ROM PLD va phùc tap hon CPLD (Complex Programmable Logic Devices) va FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) Còng nghé FPGA dà xuàt hien nhu mot giài phàp co bàn cho vàn de rùt ngàn thòi gian va chi phi ban dàu thàp Nò cho phép nguòi dùng som tao san phàm cho thj trng, tao nèn sue canh tranh lón mot thiét bi tài càu hinh co thè dugc nguòi su dung lap trinh truc tièp ma kbòng pbài su dung bàt ky mot còng cu che tao mach tich bop FPGA dugc hàng Xilinx - My giói thieu dàu tién vào nàm 1985 Flién FPGA dà dugc nhièu còng ty phàt trién Actel, Altera Plus Logic, AMD, Mot chip FPGA gòm mot day càc phàn tu ròi rac ggi chung logie block co thè dugc két nói vói theo mot càch chung va càc két nói giùa càc phàn tu co thè lap trinh dugc Trén hinh 1.2 mị hình tóng qt cùa mot chip FPGA dị bao gịm càc khòi co bàn [1]: - Càc khòi logie (logie block): Kién trùc cùa khòi logie co thè dugc thièt ké theo nhiéu càch khàc Mot so khòi logie co thè chi càc còng NAND dàu vào nhién co thè nò mot bò dòn kénh (mliplexer) Hàu hét càc khịi logie chùa mot so loai flip-flop de ho trg cho viec thuc hién càc mach tuàn tir nhùng chip FPGA hién dai dugc tich bop san nhùng khòi logie phùc tap nhu bò nhàn bò ALU khòi tao xung khòi DSP - Càc nguòn tài nguyén két noi: càu trùc va noi dung cùa càc ngn két nói FPGA dugc ggi kièn trùc routing {routìng circhitecture) Kién trùc routing gịm càc doan day nói va càc chuyén mach lap trinh dugc Càc chuyén mach lap trinh dugc co thè co nhiéu càu tao khàc Giòng nhu khòi logie, co nhièu càch de thièt ké kién trùc routing T;»i Lo , 5LtiSUZaiLi -G I Ot'v-ll «Ln ^:y I &J * a r- L J ^ L-^"" 575Tn^7reTra Hinh 1.2: Mò tà mò hinh cùa chip FPGA b Càc cong cu va quy trinh thièt kè Quy trinh thièt kè FPGA dugc mò tà nhu trén hinh 1.3 [3] Mó tà ban dàu (Specifìeation) Khi xày dung mot ùng dung trén FPGA ta se pbài dat yéu càu pbài thiét ké thuc hién tịi uu nhàt vói nhùng ùng dung dị Bc dàu tién cua quy trinh thiét ké co nhicm vu tièp nhàn càc yéu càu cùa thiét kè va xày dung nèn kièn trùc tóng quàt cua thiét ké Trong buóc tu nhùng yéu càu cùa thiét ké va dua trén khà nàng cua còng nghé hién co nguòi thiét ké sé xày dung nèn tồn bị kièn trùc tóng quan cho thiét ké NghTa bc ngi thièt ké kién trùc phai mò tà dugc nhùng vàn de sau: > Thiét ké co nhùng khịi nào? r- Mói khịi co chùc nàng gì? > Hoat dịng cùa thièt ké va cùa mói khịi sao? > Phàn tich càc ky tht su dung thiét kè va càc còng cu phàn ho trg thièt kè Mot thiét ké co thè dugc mó tà su dung ngịn ngù mị ta phàn cùng, nhu VHDL hay Verilog HDL hoac co thè mò tà qua so dò mach (schematic capture) Mot thièt ké co thè vùa bao gòm ban ve so dò mach mò tà so dò khòi chung, vùa co thè dùng ngòn ngù HDL de mò tà chi tièt cho càc kliịi so dị •i>[X-i:itii:.:iti':.'f I Lit-i jii'-.-: HDL S:h-;-nutiC Svntb':-'.!: J Nctli-.l V-:i!r!c:t''i'M"i SinìiiLVjon ICA 1 iT'ipl-: i i ' T ì t j T i j n i ì Trjin:,Lìto li Fitttnq F'bcc & Routé Tiirìtni."] Arì.jl y'zor C'0'*vtìl':o':l ^^ • C C'ovic» S v : t c n " i [>-:i:.-Mi:i f^^mf? • •• P'iinto-1 * JTT Hình 1.3: Quy trinh thièt ké FPGA - Tóng hpp logie (Logie Synthesis) Tóng bop logie qua trinh tóng bop càc mị ta thiét kè thành so dò bò tri mach (netlist) - hinh 1.4 [4] Qua trinh chia thành bc: chun dịi càc ma RTL ma HDL thành mó tà duói dang càc bièu thùc dai so Boolean va dua trén càc biéu thùc két bop vói thu vien té bào chuàn san co de tóng hgp nén mot thiét kè tịi un Logic Synthesis VHDL description circuit netlist Hinh 1.4: Tóng hgp logie - Kiém tra(Verifìcation) Sau mị tà thièt ké ngi thièt ké càn mị phóng tóng thè thièt ké ve màt chùc nàng de kiém tra thiét ké co boat dịng dùng vói càc chùc nàng u càu hay khóng Viéc kiém tra co thè dugc thuc hién ó càc giai doan khàc cùa qua trinh thiét ké Thuv thi (Implementation) Ta dà co so dò bò tri netlist mị tà tóng thè thièt ké tal mùc còng (chi gòm càc còng logie co bàn va càc mach logie khàc nhu: MUX) Qua trinh se dat so dò netlist chip, ggi qua trinh thuc thi (Device Implementation) Qua trinh gịm càc bc: - Anh xa (mapping hay ggi fitting - àn khóp) - hình 1.5: chuàn bi dù liéu dàu vào xàc dinh kich thc càc khịi Càc khịi se phai phù hgp vói càu trùc cùa mot té bào logie (logie celi) co bàn cùa FPGA va dat chùng vào càc vi tri tòi un cho viec di day Jn^k - ' ^ ^ Jn Nhu trén hình 6.2 4000- Number of Resonance k Hinh 6.2 Két qua duòng còng hucmg theo so còng \i\xàr\g Vàn toc àm khóng dugc tinh qua he so góc cua dng thàng tuong ùng là: v^ = ILVàxva Vói thi nghiém trén tai nhiet dò phòng 20oC ta thu dugc v = 342.18 m/s, va chi so doan nhiet y = 1.384 Nhùng két qua hoàn toàn phù hgp vói nhièu thi nghiém su dung nhùng thiét bi chuyén dung dàt tién, va thi nghiém hién dùng cho thuc hành Vat ly tai Khoa Vat ly Két luan: Qua nghién cùu ve linh kién tài càu hình va ùng dung cùa nò nhàt linh vuc lng, chùng ta co thè thày uu diém nói tròi khà nàng xày dung mot thièt bi van nàng bòi khà nàng tài càu hinh theo nguyén tàc boat dòng cùa mach dién theo muc dich su dung Nhu vay thièt bj luòng de dàng san suàt hàng loat vói mot kién trùc phàn cùng, co già tri già tàng cao Day chinh xu thè nghién cùu trién khai cùa càc thiét bi khoa hgc ky thuàt hién dai, nhanh chóng dua vào su dung va thuòng mai Trong viéc 20 phàt trién càc thiét bi khoa hgc giào due va tao, dièu lai tó phù hgp bịi tinh hieu qua cùa nò Két qua dat dugc cùa nghién cùu góp phàn tao 01 sinh vièn tịt nghiép dai hgc, 01 bào khoa hgc gùi dàng tai tap chi khoa hgc VNU, va 01 thuc hành Vat ly dai cuong phuc vu tao va co khà nàng trién khai ròng rài nhiéu thi nghiém nhu càc he khàc Tài liéu tham khào [1].Xilinx Corporation, "Programmable Logic Design - Quick Start Guide", 2006 [2] Kris Gaj, ECE 545 "Introduction to VHDL" Fall 2006 George Mason University [3].Volnei A Pedroni, "Circuit Design With Vhdl", Mit-Press, 2004 [4].Xilinx Corporation, "Xilinx ISE Design Suite 10.1 Software Manuais" 2008 [5].Xilinx, Digilent Inc., "Spartan 3E Starter Kit User's guide", 2007 [6] Linear Technology LTC2624 - Quad 12-Bit Rail-to-Rail DACs datasheet [7] Pong P Chu, FPGA PROTOTYPING BY VERILOG EXAMPLES Xilinx SpartanTM-3 Version, John Wiley & Sons, Ine, 2008 [8].Dueck, Digital design with SPL applications and VHDL, 2007 [9].Roger Woods, FPGA-based Implementation of Signal Processing Systems, John Wiley & Sons, Ltd, 2008 [10] Dr Peter R Wilson Design Recipes for FPGAs, 2007 [11] Clive "Max" Maxfield, The Design Warrior's Guide to FPGAs, Mentor Graphics Corporation and Xilinx, Inc 2004 [12] John F Wakerly, Digital Design Principles and practices, 3th edition,PRENTICE HALL, 1999 [13] S Velasco,a) F L Roma' n,b) A Gonza' lez and J A White A computer- assìsted experiment for the nieasurement of the temperature dependence of the speed of sound in air Am J Phys 72, p276 (2004) [14] Kamran Siddiqui, Majid Nabavi, Measurement of the acoustic velocity characteristics in a standing-M'ave tube using out ofphase PIV Flow Measurement and Instrumentation 19 p364_369 (2008) [15] George S K Wong, Lixue Wu and Kam Leung l'ariation of measured sound 21 speeds in gaseous and liquid air with temperature and pressure, J Acoust Soc Am 108(2),p662, (2000) [16], Guo-Ruey Tsai and Min-Chuan Lin, FPGA-Based Reconfigurable Measurement Instruments with Functionality Defined by User, EURASIP Journal on AppHed Signal Processing Volume 2006, Artide ID 84340, Pages 1-14 [17] Junji Kinoshita, Midori Matsumoto, and Tadashi Aoki Wide-dynamic-range digitai correlator using field programmable gate arrays, Rev Sci Instrum 68 12., December 1997 [18] P Bergamini, G Bonelli, E G Tanzi, and M Uslenghi A fast readout and processing electronìcs for photon counting intensified charge-coupled device, Rev Sci Instrum., Voi 71, No 4, Aprii 2000 [19] A J N Batista, A Combo, J Sousa, and C A F Varandas A low cast, fuUy integrated, event-drìven, real-time control and data acquisition system far fusion experiments Rev Sci Instrum., Voi 74, No 3, March 2003 [20] G Seferiadis, M Pouchet, and M P Gough, Microchannel piate position read- out system using field programmable gate arrays Rev Sci Instrum 76, 063305 2005 [21] A Restelli, R Abbiati, and A Geraci, Digital field programmable gate array- based lock-in amplifier for high-performance photon counting applications, Rev Sci Instrum 76 093112 2005 [22] M Pouchet, G Seferiadis, N Huber and M P Gough A counterbased field programmable gate array implementation of the one-bit autocorrelation and crosscorrelation fiinctions Rev Sci Instrum 76, 094701 2005 [23] Sergio Garcia Castillo and Krikor B Ozanyana, Field-programmable data acquisition and processing channeljor optical tomography systems, Rev Sci Instrum 76 095109 _2005 [24] Steven J Lascos and Daniel T Cassidy Muhichannel digitai phase sensitive detection using a field programmable gate array development platform Rev Sci Instrum 79 074702 _2008 [25] I Grout, J Ryan and T O'Shea, Configuration and debug of field programmable gate arrays using MATLAB/SIMULINK Journal of Physics: Conference Series 15 22 (2005)244-249 [26] Jong-Ahn Kiml, JaeWan Kiml, Chu-Shik Kangl, Tae Bong Eoml and Jeongho Ahn2, A digitai signal processing module for real-time compensation of nonlinearity in a homodyne interferometer using a field-programmable gate array, Meas Sci Technol 20 (2009) 017003 (5pp) [27] Xicai Yuel and Chris McLeod2, FPGA design and implementation for EIT data acquisition Physiol Meas 29 (2008) 1233-1246 [28] Y J Ren, J G Zhu, X Y Yang and S H Ye, The Application of Virtex-II Pro FPGA in High-Speed Image Processing Technology of Robot Vision Sensor Journal of Physics: Conference Series 48 (2006) 373-378 [29] Gary S Varner, The modem FPGA as discriminator, TDC and ADC, PUBLISHED BY INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING AND SISSA 2006 [30] I Pappasi, V Kalenteridisl, N Vassiliadisl H Pournaral, K Siozios2 G Koutroumpezis2, K Tatas2, S Nikolaidisl S Siskosl, D J Soudris2 and A Thanailakisl, Fine-Grain reconfigurable platform: FPGA hardware design and softM'are toolset development, Journal of Physics: Conference Series 10 (2005) 352356 [31] S B Belmontel, R S Sarthour, I S Oliveira and A P Guimar^aes A field- programmable gate-array-based high-resolution pulse programmer, Meas Sci Technol 14 (2003) N1-N4 23 PHU LUC Khóa luan tot nghiép dai hoc Bài bào khoa hoc 24 DAI HOC QUOC GIÀ HA NOI TRLTÒNG DAI HOC KHOA HOC TU' NHIÉN KHOA VÀT LY Ngun Dù-c Thàng THIÉT KÉ BỊ TĨNG HOT SO TRlTC TIÉP TRÉN FPGA KHÓA LUÀN TOT NGHIÉP HE DAI HOC CHINH QUY Ngành: Vat ly Vị tun Càn bó hiróng dàn: Tran VTnh Thàng ThS Dò Trung Kién Ha Noi - 2009 f^^TH&f^tJĨC GIÀ HA NĨI GỊNG HỒ XÀ HỊI CHÙ NGHÌA VIÉT NAM >pTà^ciSkhoahoc " ,:.-^fe?:9LJ.37547902 Dịc làp - Tu - Hanh phùc Ha Nói, Ngày thàng nàm 2010 GIAY NHÀN BAI Tòa soan Tap chi Khoa hoc Dai hoc Quòc già Ha Noi dà nhan duac bào: Reconfigurable instruments for experiments in physics - the speed of sound measurement Cùa càc tàc già: Tran Vinh Thang, Nguyén Due Thang, Nguyén Ngoc Dinh Chùng tòi se chuyén dén càc tàc già nhtmg thòng tin ve bào sau co két qua phàn bién Xin tran càm on su hgp tàc cùa càc tàc già Tòa soan Tap chi Khoa hoc Reconfigurable instruments for experiments in physics - the speed of sound measurement Tran Vinh Thang, Nguyén Duo Thang, Nguyén Ngoc Dinh Faculty of Physics, Hanoi University of Science, VNU Abstract This paper describes the applications of reconfigurable devices in scientific instruments and demonstrates the implementation of an instrument for measuring the speed of sound in the air This is a simple and inexpensive instrument which is easy to use, portable and very useful for teaching physics Introduction The measurement of the speed of sound in air is a classic experiment in introductory physics laboratory courses Usually, the experiment is performed at room temperature with the standard instruments such as function generator and oscilloscope [1], or using a data acquisition connected via a computer [2] Mere, we describe an experiment for measuring the speed of sound in the air using the instruments implemented by the reconfigurable devices named FPGA With the complete hardware kernel architecture, we can configure to match the necessary function specifications for various measurement environments and requirements [3, 4] Mere, we introduce a type of reconfigurable instrument design which use for experiments in classical physics This is useful to design the inexpensive instruments for the future Measuring the speed of sound in the air An experiment which is familiar to most physical students is the speed of sound based on the resonance tube or Kundt s tube [5] The experiment also allows the student to determine the heat-capacity ratio for various gases in the tube The process of changing air may be more easily accomplished if the microphone in the tube can be fixed in its position relative to the speaker The speed of sound, v^s is related to the frequency fand wavelength ;^ of a sound wave through the general relation Vs = fÀ, where f and À are usually determined by considering the acoustic resonances of the tube In particular, for a tube of length L, closed at both ends, the resonance or standing wave condition requires •j I = — where n is an integer, n = 1,2,3 , and therefore the resonance frequencies fn are given by: f„ = "-fL or /,^,=^^ + /, (1 Where /e is a number of resonance modes Plot a graph of frequency f against the number of resonance modes k, the speed of sound can be calculated by v = 2L tan a with a is the inclination angle of line (1) Implementation Figure gives a block diagram of this instrument Sound waves are produced using a speaker that is located at one end of the tube with 0,9m of length A microphone is used to probe the sound wave in a tube, located in the opposite +\'cc — L Speaker Microphone Audio Amplifier RMS converter ^^"~"- p n '*'— ^ l - i • r -)"!'-i •" r.- " H •'*4 - ' • DAC ADC + AMP H FPGA with DDS + PicoBlaze core IT ir r , ^y - - LCD R SW Spartan A N Starter K i t Figure : Functional block diagram of the system The Spartan SAN Starter Kit from Xilinx [6] was used for the hardware, the function generator which control the speaker is implemented in VHDL by using the simple look-up table Direct Digital Synthesis - DDS [7], a on board DAC 12bit LTC2624, and LM386 [8] audio amplifier circuit The frequency of the generator can be adjusted from 1hz to lOOkhz and changed every 10Hz per step by using the rotary encoder R_SW When a speaker vibrates, the sound wave propagates through the tube and is reflected back and forth from each end in the tube As the wave travels away from the speaker, it will encounter the wave that has been reflected from the end of the tube If the length of the tube and the wavelength of the sound wave are such that ali of the waves are in phase with each other, a standing wave pattern is formed, This is known as a resonance mode for the tube and the frequencies at which resonance occurs are called resonant frequencies At these frequencies, the sound will appear "louder", it mean that the amplitude reach to a maximum value The resistance type of a commercial microphone located in the opposite is used to record the sound inside the tube Before come to the amplifier and ADC circuit, the signal passed through to a Root Mean Square - RM S converter using AD736 from Analog Devices [9] The soft Sbits microprocessor using Picoblaze [10] was used to control the operating of ADC, gain of the amplifiers and displays both of the frequency and RMS amplitude of the sound wave The voltage levels and impedance matching at the inputs and outputs is implemented easily by using some capacitors and potentiometers DC voltage at the output will indicate the amplitude of sound wave Therefore, we can determine when the resonance occurs Results and applications For the speed of sound measurement purposes mentioned in this work, and due to the form of the signal measured at the output of microphone, the frequency of the signal generator is chosen the range from 1khz to 5khz The typical 1khz signal at the DAC's output is shown as figure 2a Because of using the same a look-up table, the output waveform is identical with full range /OHI US^/I 1 -s/^SVOKOGAWA • Hnrn.11 ùii ir \ AA •^ : MJII A A A l \ I \ i i Ì.I.H \ ^ / .' " Auto i'-p I t i ) "róijbt.y Fig 2a: signal of DAC's output Fig 2b: the changing of different frequencies Figure Signal generated by DDS at the output Figure 2b show the changing of the signal from lOOkhz to 0.1hz end then 1khz of frequency, the transient response seems is "immediately" The gain of -5 is the current setting loaded into the programmable pre-amplifier is chosen for an input range from 1.4V to 1.9V with centered ground is 1.65V generated via a voltage divider [6] The maximum voltage at the resonance frequency can be changed from 65mV to 242mV The graph of the resonance frequency versus the number of resonance modes is shown in the figure 4000- Number of Resonance k Figure frequencies /"against the number of resonance modes /e The speed of sound calculated from formula v=2Ltanaa[ room temperature is 20°C ts V = 342.18 m/s This value is the same compared to with that of standard value reported by Scott, at al [11] By using this value, we can also determine the heat capacity ratio of the air at measured condition y = 1.384 compared to the standard value is 1.4 This work is supported by QT-09-07 VNU project References: [1] Kamran Siddiqui, Majid Nabavi, Measurement of the acoustic velocity characteristics in a standing-wave tube using out of phase PIV, Flow Measurement and Instrumentation 19p364_369(2008) [2] S Velasco,a) F L Roma' n,b) A Gonza' lez, and J A White, A computer-assisted experiment for the measurement of the temperature dependence of the speed of sound in air Am J Phys 72, p276 (2004) [3] Jin Cheng; Mingqing Xiao; Yuhu Du, Design of FPGA-based reconfigurable Intelligent instrument Electronic Measurement & Instruments, 2009 ICEMI 9th International Conference p.562 [4] Guo-Ruey Tsai, Min-chuan Lin, FPGA-based re-configurable measurement instruments with functionality defined by user, EURASIP Journal on applied Signal Processing, 2005 [5] George S K Wong, Llxue Wu, and Kam Leung, Variation of measured sound speeds in gaseous and liquid air with temperature and pressure, J Acoust Soc Am 108 (2), p662, (2000) [6] Xilinx, Spartan 3AN Starter Kit User's guide, 2007, [7] Analog Devices, A Technical tutorial on Direct Digital Synthesis, 1999 [8] Datasheet for LM386 Low voltage audio power amplifier, National Semiconductors, wwwjmtionai.com ds/LM/LM3S6.pdf [9] Datasheet for AD736 True RMS Converter, Analog Device: httpJ/www analog.com [10] Xilinx, UC129: PicoBlaze™ 8-bit Embedded Microcontroiler User Guide, httD://www.xllinx.com/iocenter/Drocessor central/picoblaze/plcoblaze user resources.h tm [11] Scott A, Riley, Alison Noble, Jonathan Crabb3, Travis Walkup, Douglas Jones and A M Nishimura, A Vanation of the Speed of Sound Experiment, The Chemical Educator, 1998 TÓM TÀT CAC CONG TRINH NCKH CÙA CÀ NHAN (bài bào, bào cào tai Hoi nghj khoa hoc ) DÓNG TRONG BAO CÀO CUA DE TAI Ngành: Vat ly; Chuyén ngành: Vat ly Vò tuycn - Dien tir Ho va tén càc tàc già còng trinh: Tran Vinh Thàng Nguyén Ngoc Dinh Nguyén Dire Thàng Nàm: 2009 Tén bào: Reconfigurable instruments for experiments in physics - the speed of sound measurement Tén tap chi/ Sàch/ Tuyén tap Hoi nghi/ So, trang: VNU Journal of Science (to be submited) Tóm tàt còng trinh bang tiéng Viet: Bào cào trinh bay nhijng buóc dàu nghién cuu umg dung cùa Hnh kién tài càu hình thiét ké va che tao càc thiét bi nghién cuu khoa hoc Cu the bào mò tà viéc thuc hién xày dung thiét bi van toc trun àm khịng ó nhiet dị phịng co ung dung giàng day vàt iy This paper describes the appHcations of reconfigurable devices in scientific instruments and demonstrates the implementation of an instrument for measuring the speed of sound in the air This is a simple and inexpensive instrument which is easy to use, portable and very useful for teaching physics 25 SCIENTIFIC PROJECT BRANCH: (PHYSICS) PROJECT CATEGORY: (NATIONAL LEVEL) Title: Applications of Reconfiguable devices in measurement Code:QT-09-07 IVIanaging Institufion: VietNam National University, HaNoi Implemenfing Institufion: HaNoi, College of Science Collaborafing Institutions Coordinator: Tran Vinh Thang Key implementers: Measurement technology Durafion: (from.Jan, 2009 to Dee 2009.) Budget: 25.000.000 VND 10 Main results: - Results in science and technology: To approach an application of reconfigurable devices in measurement instruments To opened out a R&D capacity for applying in education training, and measurement science - Results in practical application: - Building sucessfuly a new measurement instrument using for experiment in physics - the speed of sound in the air experiment The instrument included a signal generator RMS value measurement and display that located in only one FPGA device named Spartan 3AN - Results in training: Physics Experiment Instruments 01 Bachelor thesis - Publications: 01 paper submits to VNU's journal of Science 11 Evaluafion grade (if the project has been evaluated by the the evaluation committee: excellent, good, fair) 26 PHIÉU DÀNG KY KÉT QUA NGHIÉN ClTU KH-CN Tén de tài: iTng dung linh kien tài càu hình lu*cmg Tiéng Anh: Applications of Reconfiguable devices in measurement Chù tri de tài: Tran Vinh Thàng Màsò:QT-07-19 Co* quan chù tri de tài: Truòng DH Khoa hoc Tu* nhién Dia chi: 334 Nguyén Trai, Thanh Xuàn, Ha Noi Tel: 8.584287 Co* quan quàn ly de tài: Trucrng DH Quòc già Ha Noi Dia chi: 144 Xuàn Thùy, Càu Giày, Ha Noi Tel: Tòng kinh phi thyc chi: Trong dò: - Tir ngàn sàch nhà nu'ó'c: - Kinh phi cùa tru-àng: 25.000.000 dòng - Vay tin dung: - Vòn ty co: - Thu hoi: Thòi gian nghién cùu: 01 nàm Thòi gian bàt dàu: thàng nàm 2009 Thòi gian két thùc: thàng 12 nàm 2009 Tén càc càn bó phịi hop nghién cù'u: ThS Ngun Ngoc Dinh So dàng ky de tài Bào màt: a Phò bién ròng rài: x b Phò bién han che: e Bào màt: So chung nhàn dàng ky két qua nghién cuu: Ngày: Tóm tàt két qua nghién cù-u: Dào tao: 01 khóa luan tịt nghiép dai hoc, 01 thuc hành Vat ly dai cuang Khoa hoc: Tiép càn va nàm bàt dugc phuong phàp nhu càc còng cu thiét ké càc thiét 27 • • • n bi luòng trén co sa càc linh kién tài càu hinh Phuc vu tao va nghién cuu trién khai thuc càc he vat ly Thuc tien: - Xày dung thành còng thi nghiém vat ly dùng FPGA vai mot phàn tich hgp nhiéu biét bi co khà nàng tài càu hinh phuc vu nhiéu muc dich khàc - 01 bào da gùi dàng tap chi DHQG Ha Noi Kién nghi ve quy mó va dói tu-ig àp dung nghién cù*u: - Phị bién ròng rài Dua vào chuang trinh tao cho sinh vién ngành vàt ly Mó rịng nhàm phàt trién hng nghién cuu che tao nhùng thiét bi loig vat ly va dién tu chat lugng cao va da muc dich Chù nhiém de tài Ho tén Thù tru'ò'ng co quan chù tri de tài Chù tich Hoi dóng dành già chinh thù*c Thù tru'ò'ng co quan quàn ly de tài Tran VTnh Thàng V= GiAM D6C Hoc hàm hoc vi KHOAHOC-CỊNGNG ThS ì(u\ f*^'^^^'^ illHQ Ky tén, dóng dàu 14*fe ' • ] ptmm V / " '^'^-Ov.c y ^^.w-.^'' i%x%uJ^/,,'Mi,,-/Iu j 28 ^ãã4Ơ-^-*