Nghiên cứu, thiết kế và tích hợp các chip FPGA ,PLD vào hệ thống thu nhận ảnh vệ tinh khí tượng 002

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Hiệu NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP CÁC CHIP FPGA/PLD VÀO HỆ THỐNG THU NHẬN ẢNH VỆ TINH KHÍ TƯỢNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà nội, 2006 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Hiệu NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP CÁC CHIP FPGA/PLD VÀO HỆ THỐNG THU NHẬN ẢNH VỆ TINH KHÍ TƯỢNG Ngành: Cơng nghệ thơng tin Mã số: 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Ngô Diên Tập Hà nội, 2006 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ……………………………… ………………… … CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPGA……… … 1.1 Cấu trúc FPGA…………………………………………… … 1.1.1 Các logic block………………………………………… ….……… 1.1.2 Các nguồn kết nối…………………………………… ……… 10 1.1.3 Khối vào ra…………………………………………………… … 12 1.2 Phân loại FPGA……………………………………………… ……….13 1.3 Cơng nghệ lập trình FPGA…………………………………………….14 1.3.1 Cơng nghệ phản cầu chì Antifuse…………………………….….14 1.3.2 Cơng nghệ SRAM……………………………………………… 17 1.4 Họ Chip Flex 8000 hãng Altera ………………………………… 19 1.4.1 Các tính chất họ Flex 8000…………………………… .19 1.4.2.Mơ tả tổng quát……………………… ………… .21 1.4.3 Mô tả chức năng…………………………… ………… 24 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VỆ TINH GMS, MT-SAT NHẬT BẢN VÀ HỆ THU ẢNH VỆ TINH…………………………… ………… .29 2.1 Vệ tinh GMS, MT-SAT Nhật Bản…………………………… 29 2.1.1 Các thông số kỹ thuật vệ tinh GMS- 5………………………29 2.1.2 Cấu trúc khung liệu ảnh vệ tinh GMS - ………………… 29 2.1.3 Các đặc tính tín hiệu ph 2.1.4 Vệ tinh MT – SAT (Nhật 2.2 Giới thiệu khái quát hệ thu ảnh vệ tinh khí tƣợng 36 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ KHỐI ĐỒNG BỘ KHUNG ẢNH CỦA HỆ THU ẢNH VỆ TINH 3.1 Khối tạo mã giải ngẫu nhiên PN …………… 3.2 Khối nhận dạng đầu khung ảnh 3.3 Khối giải mã PN 3.4 Khối chuyển đổi chuỗi bit nối tiếp thành song song CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ 4.1 Các bƣớc thực project FPGA 4.1.1Tạo projec 4.1.2Sử dụng Graph 4.1.3Tổng hợp mạch 4.1.4Thực mô p 4.1.5Sử dụng Messa 4.2 Những kết quả……….…………………………………………………62 KẾT LUẬN ….…………………………………………………………… 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………… …….……… 70 NHỮNG CHỮ VIẾT ASIC CPLD CLB DES DRAM FIFO FPGA JTAG IOB LAB LE LPM LUT PAL PLA PLD PROM EPROM ROM SPLD TẮT 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 công cụ 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 thịi tiết phát theo dõi bién động khí hậu Chƣơng 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 không lập trình IC logic họ 74, cịn 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 Mở cửa sổ Compiler chạy công cụ tổng hợp lần Compiler tạo thông báo nói cảnh báo lỗi tìm thấy Nhấp OK Một cửa sổ, gọi Message Processor, tự động mở để hiển thị thông báo tạo Compiler, minh hoạ hình 21 Nếu cửa sổ Message Processor bị che khuất cửa sổ khác đó, chọn MAX+PLUS II | Message Processor để mang cửa sổ Message Processor phía trước Thơng báo cảnh báo tạo ngõ cổng OR không nối với nút khác sơ đồ Thông báo lỗi nói ký hiệu ngõ f khơng kết nối Mặc dù cách thức xác định lỗi rõ ràng, ta chủ ý tạo lỗi, trường hợp tổng quát số thông báo hiển thị Compiler tổng hợp mạch lớn không rõ ràng Trong trường hợp ta chọn thơng báo chuột nhấp nút Help on Message cửa sổ Message Processor; tư liệu giải thích thơng báo tự động mở Hãy thử nghiệm tính chất cho hai thông báo lõi cảnh báo hình 35 57 Hình 35: Màn hình Message Processor Tính chất tiện ích khác Message Processor nút Locate cạnh trái cửa sổ Tính chất 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 hiển thị với cổng OR làm bật Kế đến chọn thông báo lỗi cửa sổ Message Processor nhấp chuột vào nút Locate lần Ký hiệu ngõ trở lên bật Graphic Editor Ta sử dụng Graphic Editor để vẽ lại dây bị thiếu ngõ cổng OR ký hiệu ngõ f Lưu sơ đồ sử dụng Compiler nhằm chạy công cụ tổng hợp để thấy lỗi sửa chữa Đến ta hoàn tất việc giới thiệu thiết kế sử dụng cơng cụ nhập hồ sơ Nếu có cửa sổ ứng dụng cịn mở, ta đóng chúng lại để trở cửa sổ Maneger 58 4.2 Những kết đạt đƣợc Từ phân tích mạch chương phần 4.1 chương 4, cho ta thiết kế, chế tạo modul điện tử thực việc đồng khung ảnh vệ tinh khí tượng GMS MT-Sat chíp FPGA EPF8282ALC84-4 hãng Altera (Mỹ) Trước hết ta chế tạo mạch điện tử bao gồm chip FPGA EPF8282ALC844 linh kiện phụ hình 36 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 59 Trong sơ đồ tín hiệu lối vào chip EPF8282ALC84-4 gồm clock data nối tiếp, lối gồm đường data song song, tín hiệu clock nhịp byte tín hiệu báo đầu dịng Các lối nối với khối giao tiếp để đưa 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 trường hợp thử nghiệm tạo mẫu - Cách dùng nhớ EEPROM nối tiếp để cấu hình cho chíp FPGA IC EPC1046 hãng Altera sử dụng ghi liệu cấu hình FPGA bật điện mạch tự động nạp số liệu cấu hình cho chíp FPGA - Cách dung µC AT89S52 để cấu hình cho FPGA Dư liệu lập trình sẵn cho µC bật điện µC nạp số liệu cấu hình cho chip FPGA Hình 37 ảnh modul điện tử thực việc đồng khung giao tiếp với máy tình chế tạo 60 Hình 37: Modul điện tử thực việc đồng khung ảnh vệ tinh khí tƣợng 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 phương pháp đồ hoạ mô tả phần 4.1 Tất cảc chức khối tạo mã giải ngẫu nhiên PN, khối nhận dạng đầu khung ảnh khối giải mã PN, khối chuyển đổi chuỗi bit nối tiếp thành song song biểu hình 38 Sau thiết kế mạch đồng khung chân vào gán chân chip để phù hợp với phần cứng thiết kế hình 36 Chân chip đựơc gán cho tín hiệu data vào, chân gán cho chân clock vào, chân 35 gán cho tín hiệu nhịp byte ra, chân 34 cho tin hiệu đầu khung, chân từ 60 đến 67 gán chân tín hiệu từ D0 đến D7 song song số chân phụ khác 61 Hình 38: Sơ đồ mạch đồng khung đƣợc thiết kế phần mềm Maxplus II Hình 39: Sơ đồ lối chân vào chip EPF8282ALC84-4 62 Hình 40 ảnh vệ tinh Viện Vật lý Điện tử, thu từ hệ thông thu ảnh vệ tinh FPGA trình bầy tích hợp khối đơng khung sử dụng chip Hình 40: Ảnh IR1 vệ tinh MT-Sat ngày 2/11/2006 63 KẾT LUẬN Ngày nay, việc sử dụng thông tin tư liệu vệ tinh cung cấp để trợ giúp công tác dự báo thời tiết, phát theo dõi biến động khí hậu, mơi trường trung tâm khí tượng giới Việt Nam trở thành thường xuyên thiếu Với mạng lưới vệ tinh khí tượng địa tĩnh GMS Nhật Bản, GOES Mỹ, METEOSAT Châu Âu, INSAT ấn Độ, FY-2 Trung Quốc, GOMS “ ELEKTRO” Nga vệ tinh cực NOAA USA, METEOR Nga, FY-1 Trung Quốc, người ta nhận thơng tin khí tượng cách thường xuyên, liên tục chí hàng Do việc thiết lập trạm thu ảnh vệ tinh khí tượng đóng góp phần đáng kể vào cơng việc dự báo thời tiết, khí hậu giúp người tìm biện pháp hữu hiệu phịng tránh thiên tai Ở Việt Nam sớm bắt đầu triển khai chương trình tự thiết kế chế tạo nước hệ thống để tạo khả triển khai chúng cách rộng rãi, số tiểu đề tài cấp nhà nước: “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thu ảnh phân giải cao vệ tinh khí tượng mơi trường GMS MT-SAT ” Trung tâm Khoa Học Tự Nhiên Cơng Nghệ Quốc Gia, Phịng Kỹ Thuật Viễn Thám, Viện Vật Lý thực 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 nước ta, tạo thuận lợi cho người sử dụng đáp ứng yêu cầu thực tiễn, mở nhiều khả hứa hẹn việc ứng dụng ảnh vệ tinh GMS, đặc biệt hạ giá thành sản phẩm xu hướng giới năm gần Trong đề tài cán Phòng Kỹ Thuật Viễn Thám, Viện Vật Lý điện tử chết tạo mudul điên 64 tử linh kiện rời rạc công kềnh độ tin cậy khơng cao Vì luận văn thiết kế chế tạo mạch đồng khung chip FPGA hãng Altera làm cho mạch điện gọn nhẹ dễ dàng đưa 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 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 chế tạo tích hợp vào hệ thống thu ảnh vệ tinh khí tượng lắp đặt Bộ tư Lệnh Phịng Khơng - Khơng Qn Qua luận văn học nhiều kinh nghiệm công nghệ FPGA cách thiết kết mạch điện tử chip FPGA Trong luận văn đề cập đến số vấn đề sau: -Tổng quan công nghệ FPGA + Cấu trúc FPGA + Phân loại FPGA + Cơng nghệ lập trình FPGA + Họ chip Flex 8000 hãng Altera - Giới thiệu vệ tinh GMS, MT-Sat nhật cấu trúc hệ thu ảnh vệ tinh + Đưa thông số kỹ thuật vệ tinh + Các đặc tính kỹ thuật tín hiệu ảnh vệ tinh GMS, MT-Sat + Trình bầy khái quát hệ thu ảnh vệ tinh khí tượng - Thiết kết chế tạo module điện tử khối đồng khung ảnh hệ thu ảnh vệ tinh Thiết kế khối chức module đồng khung ảnh khối tạo mã giải ngẫu nhiên PN, khối nhận dạng đầu khung ảnh, khối giải mã PN, khối chuyển đổi chuỗi bit thành song song 65 - Các bươc thực project FPGA sử dụng phần mềm Maxplus II kết đạt 66 Tài liệu tham khảo [1] Báo cáo tổng kết đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thu số liệu ảnh vệ tinh khí tượng 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 tượng môi trường GMS MT-SAT, Viện Vật Lý, Hà nội, 10/2001 [3] Nguyên lý mạch tích hợp - Tập 1: ASIC lập trình [4]Thiết kế chế tạo hệ thu xử lý ảnh vệ tính GMS máy vi tính phục vụ dự báo khí tượng theo dõi biến đổi môi trường, Bùi Trọng Tuyên, Tạp chí Khoa Học Cơng 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 67 ... GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Văn Hiệu NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP CÁC CHIP FPGA/ PLD VÀO HỆ THỐNG THU NHẬN ẢNH VỆ TINH KHÍ TƯỢNG Ngành: Cơng nghệ thơng tin Mã số: 1.01.10 LUẬN... 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 thu? ??t số cho vệ tinh khí tượng phục vụ dự báo thòi tiết... hiệu ph 2.1.4 Vệ tinh MT – SAT (Nhật 2.2 Giới thiệu khái quát hệ thu ảnh vệ tinh khí tƣợng 36 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ KHỐI ĐỒNG BỘ KHUNG ẢNH CỦA HỆ THU ẢNH VỆ TINH 3.1