Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp các chip FPGA ,PLD vào hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh khí tượng 001

Mục lục Mở ĐầU Ch-ơng 1: Tỉng quan vỊ c«ng nghƯ FPGA……… … 1.1 CÊu tróc FPGA…………………………………………… … 1.1.1 C¸c logic block………………………………………… ….……… 1.1.2 C¸c nguån kÕt nèi…………………………………… ……… 10 1.1.3 Khối vào 12 1.2 Phân loại FPGA .13 1.3 Công nghệ lập trình FPGA.14 1.3.1 Công nghệ phản cầu chì Antifuse..14 1.3.2 Công nghệ SRAM 17 1.4 Hä Chip Flex 8000 cña h·ng Altera ………………………………… 19 1.4.1 Các tính chất họ Flex 8000 .19 1.4.2.Mô tả tổng quát .21 1.4.3 Mô tả chức 24 Ch-ơng 2: Giới thiệu vệ tinh GMS, MT-SAT Nhật Bản hệ thu ảnh vệ tinh…………………………… ………… .29 2.1 VƯ tinh GMS, MT-SAT cđa NhËt Bản 29 2.1.1 Các thông số kỹ thuật vệ tinh GMS- 529 2.1.2 Cấu trúc khung liệu ảnh vệ tinh GMS - 29 2.1.3 Các đặc tính tín hiệu phát ảnh phân giải cao vệ tinh GMS-5 33 2.1.4 VÖ tinh MT – SAT (NhËt B¶n) 36 2.2 Giới thiệu khái quát hệ thu ảnh vệ tinh khí t-ợng .36 Ch-ơng 3: Thiết kế, chế tạo module điện tử khối đồng khung ¶nh cđa hƯ thu ¶nh vƯ tinh 39 3.1 Khèi t¹o m· giải ngẫu nhiên PN 39 3.2 Khối nhận dạng đầu khung ảnh 40 3.3 Khèi gi¶i m· PN 41 3.4 Khối chuyển đổi chuỗi bit nối tiếp thành song song 42 Ch-ơng 4: Thực nghiệm kết 43 4.1 Các b-ớc thực project FPGA 43 4.1.1 T¹o mét project 45 4.1.2 Sư dơng Graphic Editor 45 4.1.3 Tổng hợp mạch từ sơ đồ 53 4.1.4 Thùc mô chức 54 4.1.5 Sử dụng Message Processor để định vị sửa lỗi 61 4.2 Những kết quả.62 Kết Luận . 67 Tài liệu tham khảo . 70 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ASIC CPLD CLB DES DRAM FIFO FPGA JTAG IOB LAB LE LPM LUT PAL PLA PLD PROM EPROM ROM SPLD SRAM VHDL VHSIC MỞ ĐẦU Năm 1985 hãng Xilinx (Mỹ) giới thiệu thị trường dòng linh kiện thuộc chủng loại linh kiện điện tử khả trình (PLD) với tên gọi FPGA (Field Programmable Gate Array) nhận hưởng ứng cao từ phía khách hàng Từ đến hãng sản xuất chip FPGA không ngừng cải tiến phát triển họ sản phẩm ngày hoàn thiện Thiết kế mạch điện tử sử dụng FPGA điều khơng cịn mẻ giới, Việt Nam công nghệ FPGA du nhập khoảng 5-7 năm trở lại có nhiều đề tài khoa học-cơng nghệ Viện nghiên cứu, Trường đại học chí đơn vị sản xuất lĩnh vực Sinh viện số trường đại học kỹ thuật học giáo trình FPGA Sử dụng chip FPGA thiết kế mạch điện tử cho phép rút ngắn đáng kể thời gian công sức việc tạo mạch mẫu thử nghiệm, giảm cách đáng kể kích thước bo mạch điện tử, tiết kiệm tối đa chi phí làm mạch in, cho phép cập nhật nhanh tới linh kiện điện tử thị trường giới đặc biệt linh hoạt việc thay đổi phương án thiết kế Do đặc điểm trên, công nghệ FPGA thường sử dụng số lĩnh vực sau: - Thiết kế sản phẩm mẫu - Các hệ thống đa chức cần thay đổi linh hoạt sử dụng - Các hệ thống đặc biệt đơn công nghệ vũ trụ quốc phòng - Các hệ thống sử lý tín hiệu thời gian thực hệ thống nhúng Các sản phẩm chip FPGA thị trường giới chủ yếu hãng tiếng Mỹ như: Xilinx, Actel, Altera Hiện giới xuất chíp khả trình bao gồm phân tử xử lý tín hiệu tương tự FPAA (Field Programmable Analog Array), chip khả trình xử lý đồng thời tín hiệu số tương tự (mix-signal), kết hợp cơng cụ cịn tạo khả thiết kế hệ system-on-chip, chí Lab-on-chip (trong có sensor) Do đặc tính lổi bật chip FPGA nói trên, luận văn sử dụng chip FPGA vào hệ thơng thu ảnh vệ tinh khí tượng Nhằm nâng cao tinh ổn định nhỏ gon hệ thu ảnh phân giải cao kỹ thuật số cho vệ tinh khí tượng phục vụ dự báo thòi tiết phát theo dõi bién động khí hậu Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA 1.1 Cấu trúc FPGA Trước phần lớn loại linh kiện điện tử logic sau chế tạo cố định cấu trúc chức khơng lập trình IC logic họ 74, loại linh kiện lập trình đơn giản EPROM, EEPROM, PLD Để thuận tiện cho việc thiết kế, thử nghiêm, tạo mẫu, phát triển ứng dụng, sản suất quy mô nhỏ, người ta chế tạo linh kiện logic khả trình PLD (Programmable Logic Device) có nghĩa linh kiện logic có khả cấu hình lại nhiều lần cho ứng dụng khác mà không cần phải thay đổi mạch Hình 1: Cấu trúc tổng quát FPGA Linh kiện khả trình gồm hai loại CPLD (Complex Programmable Logic Device) FPGA (Field Programmable Gate Array) Trên hình cấu trúc tổng quát FPGA Một FPGA gồm mảng ô (cell) logic, ma trận kết nối, chuyển mạch [11] 1.1.1 Các logic block [11] Cấu trúc nội dung logic block gọi kiến trúc Kiến trúc logic block thiết kế theo nhiều cách khác Một số logic block đơn giản cổng AND hai ngõ nhập Các logic block khác có cấu trúc phức tạp quét động (multiplexer) bảng tìm kiếm (look-up table) Trong số loại FPGA, logic block có cấu trúc hoàn toàn giống PAL Hầu hết logic block chứa số loại flip-flop để hỗ trợ cho việc thực mạch Hình 2: Cấu trúc Logic Block Các phần tử CLB (Configurable Logic block) thể hình Mỗi phần tử CLB bao gồm flip-flop khối chức độc lập đầu vào Các khối chức có tính mềm dẻo cao hầu hết chức lơgic kết hợp cần đầu vào Mười ba đầu vào bốn đầu CLB cung cấp đường dẫn tới flip-flop chức Các CLB tiến hành hầu hết logic FPGA Các phần tử CLB chủ yếu biểu diễn hình Hai khối chức đầu vào (F G) tạo chức đa dạng Hầu hết chức logic kết hợp cần đầu vào Tuy nhiên, chức thứ ba (H) cung cấp Khối chức H có đầu vào Hai đầu vào đầu F G, đầu vào thứ ba từ phía bên ngồi CLB Vì CLB thực chức lên tới đầu vào, giống kiểm tra tính chẵn lẻ số nguyên so sánh đồng thức khai triển hai tập hợp bốn đầu vào Mỗi CLB bao gồm hai flip - flop sử dụng để lưu trữ đầu khối chức Tuy nhiên, khối flip - flop chức sử dụng độc lập DIN sử dụng đầu vào trực tiếp tới hai flip - flop H1 chạy tới flip - flop thông qua khối chức H Các đầu khối chức tiếp cận từ phía bên ngồi CLB, sử dụng hai đầu độc lập đầu flip - flop Tính chất đa dụng làm tăng tỷ trọng logic làm đơn giản hoá định hướng (routing) Mười ba đầu vào bốn đầu CLB cung cấp đường dẫn tới khối chức flip-flop Các đầu vào đầu nối với nguồn nối liền với lập trình bên block Bốn đầu vào độc lập cung cấp tới hai khối chức (F1-F4 G1-G4) Các khối chức này, khối mà đầu gán F' G’, có khả thực hàm Boole xác định đầu vào cách tuỳ tiện Các khối chức thực bảng tìm kiếm nhớ Vì trì hỗn phổ biến độc lập với chức thực Khối chức thứ ba, gán H', thực hàm Boole ba đầu vào Hai số đầu vào lựa chọn đầu khối chức F' G' Như lựa chọn, hai đầu vào tới từ bên CLB (H2, H0) Đầu vào thứ ba phải tới từ bên block (H1) 1.1.2 Các nguồn kết nối [11] Hình 3: Cấu trúc kết nối Cấu trúc nội dung nguồn kết nối FPGA gọi kiến trúc routing (routing architecture) Kiến trúc routing gồm đoạn dây nối chuyển mạch lập trình Các chuyển mạch lập trình có nhiều cấu tạo khác như: pass-transistor điều khiển cell RAM, cầu chì nghịch (anti-fuse), EPROM tranzito EEPROM tranzito Giống logic block, có nhiều cách khác để thiết kế kiến trỳc routing 10 minh hoạ điều xảy có lỗi sơ đồ Để chọn lỗi sơ đồ đà đ-ợc tạo cho f, ta mở lại sơ đồ cách chọn File| Open ®Ĩ më hép pop-up (h×nh 34) Trong hép cã nh·n Show in Files List, ta nhÊp chuét trªn Graphic Editor Files KÕ ®Õn hép cã nh·n Files, ta nhÊp chuột tên VD1.scf để đặt tên vào hộp có nhÃn File Name Một ph-ơng pháp khác, VD1.scf đ-ợc gõ vào hộp thay cho việc sử dụng chuột để chọn từ danh sách tập in Nhấp OK để mở tập tin bên Graphic Editor Ta sử dụng chuột để chọn dây nối ngõ cđa cỉng OR víi ký hiƯu ngâ f Ta xoá dây cách gõ phím Delete; l-u tập tin sơ đồ Mở cửa sổ Compiler chạy công cụ tổng hợp lần Compiler tạo thông báo nói cảnh báo lỗi đ-ợc tìm thấy Nhấp OK Một cửa sổ, đ-ợc gọi Message Processor, đ-ợc tự động mở để hiển thị thông báo đ-ợc tạo Compiler, nhđ-ợc minh hoạ hình 21 NÕu cưa sỉ Message Processor bÞ che kht bëi cưa sổ khác đó, chọn MAX+PLUS II | Message Processor ®Ĩ mang cưa sỉ Message Processor phÝa tr-íc Th«ng báo cảnh báo đ-ợc tạo ngõ cổng OR không đ-ợc nối với nút khác sơ đồ Thông báo lỗi nói ký hiệu ngõ f không đ-ợc kết nối Mặc dù cách thức xác định lỗi rõ ràng, ta chủ ý tạo Hình 34: Hộp thoại mở lại file 60 lỗi, tr-ờng hợp tổng quát số thông báo đ-ợc hiển thị Compiler tổng hợp mạch lớn không rõ ràng Trong tr-ờng hợp nh- ta chọn thông báo chuột nhấp nút Help on Message cưa sỉ Message Processor; t- liƯu gi¶i thÝch thông báo đ-ợc tự động mở HÃy thử nghiệm tính chất cho hai thông báo lõi cảnh báo hình 35 Hình 35: Màn hình Message Processor Tính chất tiện ích khác Message Processor nút Locate cạnh trái d-ới cửa sổ Tính chất đ-ợc sử dụng để hiển thị tự động phần sơ đồ nơi lỗi hữu Ta chọn thông báo cảnh báo nhấp chuột vào nút Locate Quan sát ta thấy Graphic Editor tự động đ-ợc hiển thị với cổng OR đ-ợc làm bật Kế đến chọn thông báo lỗi cưa sỉ Message Processor vµ nhÊp cht vµo nót Locate lần Ký hiệu ngõ trở lên bật Graphic Editor Ta sư dơng Graphic Editor ®Ĩ vÏ lại dây bị thiếu ngõ cổng OR ký hiệu ngõ f L-u sơ đồ sử dụng Compiler nhằm chạy công cụ tổng hợp để thấy lỗi đà đ-ợc sửa chữa Đến ta đà hoàn tất việc giới thiệu thiết kế sử dụng công cụ nhập hồ sơ Nếu có cửa sổ ứng dụng mở, ta đóng chúng lại để trở cửa sổ Maneger 61 4.2 Những kết đà đạt đ-ợc Từ phân tích mạch ch-ơng phần 4.1 ch-ơng 4, cho ta thiết kế, chế tạo modul điện tử thực việc đồng khung ảnh vệ tinh khí t-ợng GMS MT-Sat chíp FPGA EPF8282ALC84-4 hÃng Altera (Mỹ) Tr-ớc hết ta chế tạo mạch điện tử bao gồm chip FPGA EPF8282ALC84-4 linh kiện phụ nh- hình 36 d-ới H J14 G DB9 F E VCC D J1 13 25 12 24 11 23 10 C D7 22 D6 21 D5 20 NHBYTE D4 19 D3 18 CLKOUT D2 17 D1 16 DATA_ANH D0 15 14 B 7408 J15 U10 DIODE CON2 A Hình 36: Sơ đồ nguyên lý modul đồng khung ảnh 62 Trong sơ đồ tín hiệu lối vào chip EPF8282ALC84-4 gåm clock vµ data nèi tiÕp, lèi gåm ®-êng data song song, tÝn hiƯu clock nhịp byte tín hiệu báo đầu dòng Các lối đ-ợc nối với khối giao tiếp để đ-a liệu vào máy tính qua cổng USB Có cách để cấu hình cho chip FPGA sơ đồ - Cách dùng Jắc JP1 hình 36 để nạp cấu hình chip FPGA từ máy tính PC qua cáp nạp ByteBlaster Cách thay đổi cấu hình lúc chạy cách linh hoat Thực tr-ờng hợp thử nghiệm tạo mÉu - C¸ch dïng bé nhí EEPROM nèi tiÕp ®Ĩ cÊu h×nh cho chÝp FPGA IC EPC1046 cđa h·ng Altera đ-ợc sử dụng ghi liệu cấu hình FPGA bật điện mạch tự động nạp số liệu cấu hình cho chíp FPGA - Cách dung àC AT89S52 để cấu hình cho FPGA Dliệu đ-ợc lập trình sẵn cho àC bật điện àC nạp số liệu cấu hình cho chip FPGA Hình 37 ảnh modul điện tử thực việc đồng khung giao tiếp với máy tình đà đ-ợc chế tạo 63 Hình 37: Modul điện tử thực việc đồng khung ảnh vệ tinh khí t-ợng GMS 5, MT-Sat giao tiếp với máy tính Để thiết kế chức đồng khung ảnh chip FPGA ta sử dụng phần mềm Maxplus II hÃng Altera ph-ơng pháp đồ hoạ nh- đ-ợc mô tả phần 4.1 Tất cảc chức nh- khối tạo mà giải ngẫu nhiên PN, khối nhận dạng đầu khung ảnh khối giải mà PN, khối chuyển đổi chuỗi bit nối tiếp thành song song nh- đ-ợc biểu hình 38 Sau thiết kế mạch đồng khung chân vào đ-ợc gán chân chip để phù hợp với phần cứng đà thiết kế nh- hình 36 Chân chip đựơc gán cho tín hiệu data vào, chân đ-ợc gán cho chân clock vào, chân 35 đ-ợc gán cho tín hiệu nhịp byte ra, chân 34 cho tin hiệu đầu khung, chân từ 60 đến 67 đ-ợc gán chân tín hiệu từ D0 đến D7 song song số chân phụ khác 64 Hình 38: Sơ đồ mạch đồng khung đ-ợc thiết kế phần mềm Maxplus II Hình 39: Sơ đồ lối chân vào chip EPF8282ALC84-4 65 Hình 40 ảnh vệ tinh thu đ-ợc từ hệ thông thu ảnh vệ tinh Viện Vật lý Điện tử, đà đ-ợc tích hợp khối đông khung sử dụng chip FPGA nh- đà trình bầy Hình 40: ảnh IR1 vệ tinh MT-Sat ngày 2/11/2006 66 Kết luận Ngày nay, việc sử dụng thông tin t- liệu vệ tinh cung cấp để trợ giúp công tác dự báo thời tiết, phát theo dõi biến động khí hậu, môi tr-ờng trung tâm khí t-ợng giới nh- Việt Nam đà trở thành th-ờng xuyên thiếu Với mạng l-ới vệ tinh khí t-ợng địa tĩnh nh- GMS Nhật Bản, GOES Mỹ, METEOSAT Châu Âu, INSAT Ên §é, FY-2 cđa Trung Qc, GOMS “ ELEKTRO” cđa Nga vệ tinh cực nh NOAA USA, METEOR cña Nga, FY-1 cña Trung Quèc, ng-êi ta cã thể nhận đ-ợc thông tin khí t-ợng cách th-ờng xuyên, liên tục chí hàng Do việc thiết lập trạm thu ảnh vệ tinh khí t-ợng đóng góp phần đáng kể vào công việc dự báo thời tiết, khí hậu giúp ng-ời tìm đ-ợc biện pháp hữu hiệu phòng tránh thiên tai Việt Nam đà sớm bắt đầu triển khai ch-ơng trình tự thiết kế chế tạo n-ớc hệ thống để tạo khả triển khai chúng cách rộng rÃi, số tiểu đề tài cấp nhà nớc: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thu ảnh phân giải cao vệ tinh khí t-ợng môi tr-ờng GMS MT-SAT Trung tâm Khoa Học Tự Nhiên Công Nghệ Quốc Gia, Phòng Kỹ Tht ViƠn Th¸m, ViƯn VËt Lý thùc hiƯn hai năm 2000, 2001 Công việc tiến hành nghiên cứu để thiết kế, xây dựng hệ thống thu sở máy vi tính IBM/PC, chủng loại máy phổ biến thích hợp với điều kiện n-ớc ta, tạo thuận lợi cho ng-ời sử dụng đáp ứng đ-ợc yêu cầu thực tiễn, mở nhiều khả hứa hẹn việc ứng dụng ảnh vệ tinh GMS, đặc biệt đà hạ đ-ợc giá thành sản phẩm xu h-ớng giới năm gần Trong đề tài cán 67 Phòng Kỹ Thuật Viễn Thám, Viện Vật Lý điện tử đà chết tạo mudul điên tử linh kiện rời rạc công kềnh độ tin cậy không cao Vì luận văn thiết kế chế tạo mạch đồng khung chip FPGA hÃng Altera làm cho mạch điện gọn nhẹ dễ dàng đ-a vào sử dụng đặc biệt sử dụng công nghệ ta cấu hình lại triển khai sạn suất nhanh, đơn giản, tiết kiệm thời gian, tính lặp lại cao Mạch đà đ-ợc thử nghiệm dài ngày hệ thống thu ảnh vệ tinh Phòng Kỹ Thuật Viễn Thám, Viện Vật Lý điện tử, cho thấy khả hoạt động tin cậy, ổn định đà đ-ợc chế tạo tích hợp vào hệ thống thu ảnh vệ tinh khí t-ợng lắp đặt Bộ t- Lệnh Phòng Không - Không Quân Qua luận văn đà học đ-ợc nhiều kinh nghiệm công nghệ FPGA cách thiết kết mạch điện tử chip FPGA Trong luận văn đà ®Ị cËp ®Õn mét sè vÊn ®Ị sau: -Tỉng quan công nghệ FPGA + Cấu trúc FPGA + Phân loại FPGA + Công nghệ lập trình FPGA + Họ chip Flex 8000 cđa h·ng Altera - Giíi thiƯu vƯ tinh GMS, MT-Sat nhật cấu trúc hệ thu ảnh vệ tinh + Đ-a thông số kỹ thuật vệ tinh + Các đặc tính kỹ thuật tín hiệu ảnh vệ tinh GMS, MTSat + Trình bầy khái quát hệ thu ảnh vệ tinh khí t-ợng - Thiết kết chế tạo module điện tử khối đồng bé khung ¶nh cđa hƯ thu ¶nh vƯ tinh ThiÕt kế khối chức module đồng khung 68 ảnh nh- khối tạo mà giải ngẫu nhiên PN, khối nhận dạng đầu khung ảnh, khối giải mà PN, khối chuyển đổi chuỗi bit thành song song - Các b-ơc thực project FPGA sử dụng phần mềm Maxplus II kết đạt đ-ợc 69 Ti liu tham kho [1] Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thu số liệu ảnh vệ tinh khí t-ợng GMS NOAA, Viện Vật Lý, Hà nội, 11/1997 [2] Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thu ảnh phân giải cao vệ tinh khí t-ợng môi tr-ờng GMS MTSAT, Viện Vật Lý, Hà nội, 10/2001 [3] Nguyên lý mạch tích hợp - Tập 1: ASIC lập trình đ-ợc [4] Thiết kế chế tạo hệ thu xử lý ảnh vệ tính GMS máy vi tính phục vụ dự báo khí t-ợng theo dõi biến đổi môi trờng, Bùi Trọng Tuyên, Tạp chí Khoa Học Công Nghệ, số năm 1997 [5] A description of a standard small satellite ground – station, wmo Press 1995 [6] Applications-Specific Integrated Circuit, Michael John Sebastian Smith, 1998 [7] National Semicondutor 54/74 ssi devices, 1995 [8] MTSAT HiRID Technical Information, Japan Meteorological Agency, 1998 [9] Programmable Logic Design Quick Start Hand Book, Karen Parnell & Nick Mehta, January 2002 [10] The programmer’s PC sourcebook, Microsoft Press, 1991 [11] VHDL for Programmable logic, Kevi Skahill, Cypress Semiconductor, 1996 [12] Trang web, http://www.altera.com 70 ... nói trên, luận văn sử dụng chip FPGA vào hệ thông thu ảnh vệ tinh khí tượng Nhằm nâng cao tinh ổn định nhỏ gon hệ thu ảnh phân giải cao kỹ thu? ??t số cho vệ tinh khí tượng phục vụ dự báo thòi tiết... định cho đầu vào, đầu hay tín hiệu hai chiều Hình biểu diễn biểu đồ khối vào Các tín hiệu đầu vào, hai đường, gọi I1 I2, mang tín hiệu đầu vào tới mảng Các đầu vào nối với điện trở đầu vào mà lập... nhớ cấu hình thiết bị cách ghi vào nhớ ảo, khiến cho người thiết kế tạo phần mềm cấu hình cách dễ dàng Các chip FLEX 8000 hỗ trợ hệ thống phát triển MAX+PLUS II Altera Các gói tích hợp đơn cung