Ứng dụng công nghệ FPGA thiết kế thử nghiệm thiết bị chuẩn đoán OBD II trên xe ô tô

Tổng quan hệ thống tự chuẩn đoán BOD II. Chuẩn đoán truyền thông trong xe cơ giới. Chuẩn truyền thông SAE J1850. Phương pháp thiết kế bộ chuẩn đoán OBD II cầm tay. Quá trình thiết kế thử nghiệm bộ chuẩn đoán cầm tay OBD. Tổng quan hệ thống tự chuẩn đoán BOD II. Chuẩn đoán truyền thông trong xe cơ giới. Chuẩn truyền thông SAE J1850. Phương pháp thiết kế bộ chuẩn đoán OBD II cầm tay. Quá trình thiết kế thử nghiệm bộ chuẩn đoán cầm tay OBD.

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÓA 2004-2006 k ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPGA - THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUY XUẤT OBD II TRÊN XE Ô TÔ PHÙNG QUỐC HƯNG HÀ NỘI 11-2006 -1- LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ cảm ơn chân thành tới Bà Phạm Thị Ngọc Yến- PGS.Ts Chủ nhiệm Bộ Mơn Ơng Lê Hải Sâm – Ths Giảng viên, Bộ môn Đo lường Tin học công nghiệp – trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn tạo điều kiện giúp tơi hồn thành luận văn Những tài liệu tham khảo với dẫn thầy cô giúp nhiều trình thực đề tài giao Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng- công ty Minh Hà, kỹ sư Lã Thành Công- công ty TNHH TM&PTCN Ngân Giang, Garage ôtô FORD Thủ Đô TOYOTA Láng Hạ tạo điều kiện giúp đỡ, hỗ trợ sở vật chất trang thiết bị trình thực luận văn Với đề tài gồm nội dung sau: - Chương 1: Tổng quan hệ thống tự chuẩn đoán OBDII - Chương 2: Giới thiệu chuẩn truyền thông ISO 9141-2 & SAE J1850 - Chương 3: Phương pháp thiết kế chuẩn đoán cầm tay OBD II - Chương 4: Q trình thiết kế thử nghiệm chuẩn đốn cầm tay OBD II - Kết Luận Trong trình người viết hoàn thiện luận văn, dù cố gắng nhiều hạn chế kiến thức, thời gian điều kiện sở vật chất nên nội dung luận văn kết đạt nhiều thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung từ thầy giáo bạn Hà nội, tháng 11 năm 2006 Học viên Phùng Quốc Hưng Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -2- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU …5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN OBD II I TỔNG QUAN II MỤC TIÊU CỦA ODB-II III CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 3.1 Tầng vật lý 3.2 Tầng liệu 11 IV DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN TRONG ODB-II 14 4.1 ODB-II PIDs 14 4.2 Các dạng yêu cầu 14 4.3 Các thơng số chẩn đốn (PIDs) 15 4.4 Các liệu chuẩn đoán ODB-II 15 V CÔNG CỤ TRUY XUẤT THÔNG TIN TỪ ODB-II 18 CHƯƠNG II CHUẨN TRUYỀN THÔNG TRONG XE CƠ GIỚI………………………………….20 PHẦN CHUẨN TRUYỀN THÔNG ISO 9141-2 20 I Phạm vi 20 II Tài liệu dẫn chuẩn 20 III Cấu hình cụ thể 21 IV Mức tín hiệu đặc điểm kỹ thuật truyền thơng 22 4.1 Mức tín hiệu 22 4.2 Đặc điểm kỹ thuật truyền thông 23 V Quá trình bắt tay với ECUs 24 5.1 Khởi tạo 24 5.2 Đồng tốc độ truyền thông 24 5.3 Bắt tay 25 VI Các yêu cầu thiết bị truy xuất (Diagnostic Tester) 27 6.1 Giắc kết nối 27 6.2 Chức tối thiểu cần thiết 27 6.3 Các đặc tính điện 28 VII Các yêu cầu ECU 28 7.1 Các đường truyền vào/ra 28 7.2 Các đặc tính điện 28 7.3 Chức tối thiểu ECU 29 VIII Giao thức truyền thông 29 8.1Truyền thông ODB-II 29 8.2 Định nghĩa Checksum 30 IX Thời gian tin thời gian tin 30 X Các lỗi truyền thơng xảy cách xử lý 32 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -3- 10.1 Quá trình bắt tay 32 10.2 Trình tự truyền thông 32 10.3 Lỗi Checksum 32 10.4 Lỗi cấu trúc tin 32 10.5 Lỗi sai thời gian byte tin tin 32 PHẦN CHUẨN TRUYỀN THÔNG SAE J1850 I PHẠM VI ỨNG DỤNG 34 II CƠ CHẾ GIAO TIẾP 35 2.1 Cơ chế giao tiếp sử dụng định dạng kiểu mã hóa .36 2.2 Phương pháp truy nhập đường truyền 37 2.3 Cấu trúc điện 37 2.4 Bảo toàn liệu 39 CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ CHUÂN ĐOÁN OBD II CẦM TAY 41 I MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 41 II NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HAND-HELD SCAN TOOL 42 2.1 Sơ đồ khối thiết kế thiết bị truy xuất cầm tay .43 2.2 Lưu đồ hoạt động 1thiết bị cầm tay nói chung 43 2.3 Lưu đồ thuật toán số chức thường có thiết bị chuẩn đốn .44 III MỘT SỐ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM 48 3.1 Với khối xử lý trung tâm sử dụng dòng vi điều khiển 48 3.2 Với khối xử lý trung tâm sử dụng PSOC vi xử lý Intel 50 3.3 Với khối xử lý trung tâm dựa tảng công nghệ FPGA……………52 IV KẾT LUẬN 52 CHƯƠNG IV QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM BỘ CHUẨN ĐOÁN CẦM TAY OBD 54 I ĐẶT VẤN ĐỀ 54 II THIẾT KẾ MẠCH CHO THIẾT BỊ………………………………………… 54 2.1 Ghép nối PROM với chip FPGA………………………………………… 55 2.2 Thiết kế mạch chuyển đổi từ cổng OBD II, cấp nguồn cho FPGA,LCD……56 2.3 Lựa chọn linh kiện cho thiết bị chê thử 58 2.4 Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu,cung cấp nguồn,ghép nối hiển thị LCD… 59 III CHƯƠNG TRÌNH PHẦN CỨNG VHDL, SYNTHESIS 66 3.1 Khối bắt tay truyền thông .67 3.2 Khối gửi tin………………………………………………… 68 3.3 Khối nhận tin .69 3.4 Khối điều khiển chuyển trạng thái……………………………… 70 3.5 Khối điều chế xung clock 71 3.6 Khối xử lý tín hiệu vào từ bàn phím 71 3.7 Khối điều khiển hiển thị LCD………………………………………….72 3.8 Khối chương trình chính………………………………………………… 72 3.9 Synthesis khối chức khối chương trình 74 IV GHÉP NỐI CÁC LINH KIỆN 76 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -4- V NẠP CHƯƠNG TRÌNH CHẠY THỬ .77 VI KHẢ NĂNG NÂNG CẤP VÀ PHÁT TRIỂN .77 KẾT LUẬN 78 TÀi LIỆU THAM KHẢO .79 PHỤ LỤC Phụ lục TỎNG QUAN VỀ FPGA VÀ PHẦN MỀM ĐẶC TẢ PHẦN CỨNG VHDL 80 Phụ lục CHUẨN TRUYỀN THÔNG OBD-II TRÊN CÁC LOẠI XE………………………… 107 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -5- LỜI NÓI ĐẦU Trong giai đoạn phát triển hội nhập kinh tế giới, việc sử dụng phương tiện giới đường trở nên quan trọng xương sống cho kinh tế nuớc nhà nhằm giải nhu cầu vận chuyển hàng hóa, người Với phát triển đa dạng phương tiện xe giới sản xuất, lắp ráp nước kèm với tốn an tồn kỹ thuật kiểm sốt nồng độ khí thải để giảm thiểu nhiễm mơi trường Do nhà chế tạo tơ bắt đầu sử dụng vi mạch điện tử để giám sát chuẩn đoán vấn đề hư hỏng động ô tô gọi OBD-(On-Board Diagnostic) Qua nhiều năm sử dụng, hệ thống OBD trở thành tiêu chuẩn bắt buộc trang bị ô tô đại Năm 1995 đời chuẩn OBD hệ thứ (OBD-II), hệ thống OBDII có khả cung cấp hầu hết thông tin về: động cơ, khung gầm (số VIN), thân xe, thiết bị phụ trợ hệ thống mạng thông tin điều khiển tơ Do cần phải có thiết bị có khả chuẩn đốn, thu thập số liệu từ hệ thống cảm biến gắn xe ô tô thông qua OBD vô cần thiết Việc sản phẩm vi điện tử vi xử lý, vi điều khiển, DSP, công nghệ nhúng…ngày phát triển mặt tính kỹ thuật, giá thành kích thước giảm, đa dạng chủng loại, tùy biến theo yêu cầu khách hàng giúp cho người thiết kế thiết bị chuẩn đốn có thêm nhiều giải pháp chọn lựa công nghệ cho hợp với yêu cầu toán kỹ thuật yếu tố kinh tế đặt Trong thời gian làm việc với kỹ sư Lã Thành Công thực khảo sát Hệ thống điện tử gắn xe chuẩn bị cho hội nghị APEC diễn Việt nam FORD TOYOTA cung cấp, thấy ngành ô tô Việt Nam cần thiết phải trang bị loại thiết bị Đo lường Kiểm định có khả ứng dụng linh hoạt để đánh giá thơng số an tồn kỹ thuật loại xe mà giá thành mức chấp nhận Do định chọn đề tài “Nghiên cứu, thử nghiệm công nghệ FPGA ứng dụng thiết kế thiết bị truy xuất thông tin hệ thống tự chuẩn đoán OBD-II phương tiện giới đại” Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -6- CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG TỰ CHẨN ĐOÁN ON-BOARD DIAGNOSTIC SYSTEM I TỔNG QUAN On-Board Diagnostics, hay ODB thuật ngữ liên quan tới thiết bị giới, thuật ngữ liên quan tới khả tự chuẩn đoán phương tiện giới Nếu hệ thống chẩn đoán xe phát cố, mã chẩn đoán lỗi (DTC- diagnostic trouble code) tương ứng với cố ghi lại máy tính phương tiện đó, số trường hợp định hệ thống kích hoạt đèn báo lỗi đèn báo kiểm tra động (MIL - malfunction indicator light, or check engine light) Một kỹ thuật viên truy xuất DTC thơng qua cơng cụ qt (scan tool) qua đưa giải pháp thích hợp để xử lý cố động cơ, khung gầm, thân xe, thiết bị phụ trợ hệ thống mạng thông tin điều khiển ô tô Check Engine Light On-Board (OBD II) Diagnostics Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -7- Trước có module điện tử số kiểm soát hệ thống xe - hệ thống ứng dụng tính OBD, người ta xử lý cố cho phương tiện giới chủ yếu dựa vào kỹ kỹ thuật viên tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất ô tô Một phương tiện giới đại có hàng trăm DTC, DTC cố riêng biệt Một cố đơn giản hở mạch, ngắn mạch, sai lệch vị trí đầu phun nhiên liệu Một DTC thơng báo phận bị hỏng Một số DTC báo lỗi cho hệ thống phụ, ví dụ thơng báo cố hệ thống hệ thống trộn nhiên liệu hoạt động sai chức • Trước có OBD, nhà sản xuất tơ khơng chuẩn hóa DTC • OBD-I mở đầu cho DTC chuẩn hóa vào năm 1989 • OBD-II bổ xung thử nghiệm khác để kiểm tra hoạt động hệ thống xả động vào năm 1996 • OBD-III đưa vào tính mở thời kỳ phát triển có qui luật The CARB (California Air Resources Board) hoạt động hàng đầu hệ thống qui tắc OBD Liên minh châu âu, Nhật Bản tổ chức phủ khác có đòi hỏi OBD riêng biệt Hiệp hội kỹ sư giới - SAE (Society of Automotive Engineers) - chuẩn hóa DTC cho tất nhà sản xuất xe toàn giới Ngoài ra, nhà sản xuất mở rộng khả OBD DTC riêng họ OBD chữ viết tắt On-Board Diagnostics, xuất hầu hết phương tiện giới từ năm 1981 Thế hệ OBD (hay OBD-I) thiết kế ban đầu công cụ giám sát hệ thống khác phương tiện giới (ví dụ: hệ thống phun nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, hệ thống xả, v v) báo cố mà tìm thấy Trong phương tiện giới khởi động, máy tính kiểm tra lỗi kích hoạt đèn báo cố MIL bảng điều khiển để Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -8- cảnh báo người lái lỗi phát Tại thời điểm đó, máy tính lập trình để tạo lưu trữ mã số báo lỗi (hai ba số) có liên quan đến lỗi đó, điều khiến thiết bị truy xuất mã lỗi trở nên hữu ích OBD-I chiếm lĩnh suốt năm từ 1981 1993 OBD-I khơng cịn nhắc tới có bùng phát OBD-II Thế hệ thứ hai OBD đưa toàn giới vào năm 1996 áp lực từ phía phủ vấn đề giảm tải nhiễm khí thải từ phương tiện giới Hệ thống OBD-II thấy xe từ năm 1996 Hệ thống có nhiều cải tiến gọn so với phiên đầu nhiên tiêu chuẩn cũ Máy tính kiểm sốt hệ thống xe để rà soát lỗi, máy tính xe sử dụng đèn báo cố MIL để cảnh báo người lái xe trục trặc, lưu trữ mã số để xác định hệ thống chấp hành hay mạch điện có cố Lịch sử hệ thống chẩn đoán • 1970: Nước Mỹ thay tổ chức Hoạt động lành khí lập quan Bảo vệ Mơi trường • 1980: Các máy tính bắt đầu xuất xe giới, phát triển rộng rãi cho ứng dụng thời gian điều chỉnh hệ thống bơm xăng chưa có chuẩn hóa việc giám sát thơng báo • 1982: Các động xe thực việc chuẩn hóa bên hệ thống chuẩn đoán gọi Assembly Line Communications Link (ALCL), sau đổi thành Assembly Line Diagnostics Link (ALDL) Giao thức ban đầu ALCL truyền thông với tốc độ 160 baud với dạng tín hiệu PWM • 1986: Phiên nâng cấp ALDL xuất với tốc độ truyền thông 8192 baud chiều tín hiệu UART Giao thức định nghĩa GM XDE-5024B • 1987: Bắt đầu xuất hệ thống chuẩn đoán, K-line cho tất ECU, ISO 9141-1, RB-KW71, mã nháy (Blink code) • 1989: Opel Keyword 81 • 1992: Opel Keyword 82 Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 -9- • 1994: separate K-Lines SAE J 1962-Diagnostic Connector (ISO 15031-3) • 1996: KWP 2000, Flash Programming • 1997: OBD II: ISO 9141-2, US-Cadillac Catera • 2000: EOBD: ISO 14230-4 Diagnostics via KWP 2000 • 2002: Diagnostics on CAN incl EOBD • 2008: Tất xe bán Mỹ yêu cầu sử dụng chuẩn tín hiệu ISO15765-4 (Một dạng CAN bus mới) II MỤC TIÊU CỦA ODB-II Những nội dung mang tính bắt buộc hệ thống OBD-II yêu cầu nhà sản xuất ôtô phải thiết kế hệ thống điều khiển q trình xả có độ tin cậy định để xe có “một vịng đời hiệu quả” Hoạt động trình xả phương tiện giới ngày mức độ khác tùy thuộc vào nhiều yếu tố tuổi xe, số quãng đường mà xe qua, việc sử dụng xe, địa hình hoạt động thiết kế xe Các tính tinh tế hệ thống OBD-II xác định hoạt động trình xả xe bị hư tổn mức qui định, đèn báo cố MIL đèn báo kiểm tra bật sáng Tại Canifornia, việc cấp phép trở lại cho phương tiện giới bị từ chối kiểm tra thấy MIL báo sáng Bắt đầu từ năm 1996, nhà sản xuất chịu trách nhiệm sửa chữa thiết bị hỏng báo lỗi qua MIL, miễn phương tiện giới thời hạn bảo hành hệ thống xả Mỗi nhà sản xuất tự sử dụng kỹ thuật riêng phải phù hợp với qui định hệ thống OBD-II Điều hạn chế đáng kể nhà sản xuất ô tô thiết kế hệ thống kiểm soát trình xả mà có tuổi thọ khơng cao III CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG 3.1 Tầng vật lý: Thực chất cổng giao tiếp OBD II gắn xe Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 94 - Khả xử lý song song FPGA nhanh so với DSP số toán cố định - Kích thước ngày nhỏ gọn Logic cell cỡ vài chục nm, mật độ tích hợp cổng logic nhiều Giá thành giảm, chu kỳ sản phẩm ngắn đồng nghĩa với việc mẫu mã sản phẩm - Năng lượng sử dụng cao 3.3 V, thấp 1.5 V (LVTTL) điều tiện lợi trình sử dụng boot lại chương trình bất chấp điện áp nguồn trồi sụt máy chủ bị hỏng Do ứng dụng nhiều thiết bị mobile viễn thơng qn không tổn hao nhiều công suất tiêu thụ - Tốc độ xử lý ngày cải thiện, mức gần f =500MHz làm nâng cao khả thực độ linh hoạt FPGA Rất thích hợp ứng dụng chuyên biệt với tốn cố định (biết trước) có hàm đầu vào cố định không đổi, tham số điều kiện mức sở, câu điều kiện mức kiện b) Ứng dụng công nghệ FPGA lĩnh vực Đo lường Điều khiển: Trong lĩnh vực Đo lường - Điều khiển đối tượng chủ yếu tồn dạng tương tự, để đo điều khiển ta phải sử dụng mạch tương tự Một nhược điểm mạch tương tự độ tích hợp khơng cao khơng thể sử dụng thuật tốn phức tạp Chính cần phải xây dựng mơ hình kết hợp Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 95 - cơng nghệ FPGA cho tốn đo lường điều khiển có u cầu tốc độ tính khả đáp ứng nhanh Các lớp ứng dụng mơ hình hố đưa vào PC sau nạp vào FPGA biến đổi ADC phận để hệ thống giao tiếp với thành phần bên ngồi Mơ hình tổng qt cho việc kết hợp FPGA xử lý Đo lường Với FPGA+PLC có nhớ Flash trạng thái sẵn sàng cho phép ứng dụng lưu chương trình LABView-FPGA biên dịch sau bật nguồn, trình hoạt động xảy việc trồi sụt nguồn máy chủ bị xung đột hay tác động bên ngồi khơng mong muốn khơng gây ảnh hưởng tới chương trình Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 96 - Architecture of an FPGA-based PAC as CompactRIO Định hướng phát triển công nghệ FPGAs Việt nam: Ngày ma trận cổng logic lập trình FPGA loại bán thành phẩm có nhiều ứng dụng hầu hết lĩnh vực vi điện tử như: xử lý tín hiệu âm thanhhình ảnh lưu trữ, thiết bị điện tử, truyền thơng, xử lý tín hiệu số Việc thiết kế sản phẩm theo yêu cầu khách hàng dùng FPGA có nhu cầu sản xuất lớn (tối thiểu >2.500 FPGA cho lơ sản xuất) th hãng cung cấp FPGA dùng cơng nghệ Hardwire để tối ưu hố cứng hố thiết kế thành sản phẩm thương mại, để giảm (cỡ 20%) giá thành kích thước linh kiện Xét chất, công nghệ Hardwire hãng cơng nghệ semi-customs tự động hố việc đọc chuyển đổi cấu hình (format FPGA) sang ngơn ngữ Layout Giải pháp nêu có ưu điểm tránh phải đầu tư lớn, giảm chi phí sản xuất linh kiện Bên cạnh đó, có nhược điểm quan trọng : khách hàng bị trói buộc với hãng sản xuất bán thành phẩm, khó đảm bảo quyền thiết kế bí mật kế hoạch sản xuất cạnh tranh thương mại Trong kinh tế thị trường với yêu cầu hoà nhập, tồn cầu hố, việc đầu tư nâng cấp cơng nghệ trở nên cấp thiết Vấn đề đặt lúc đầu tư theo hướng đầu tư mức hợp lý với trình độ phát triển khả kinh tế Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 97 - đất nước Đối với công nghệ vi điện tử việc định đầu tư, đầu tư mức phải dựa sau : - Xu hướng phát triển công nghệ giới - Nhu cầu nước khu vực - Khả kế thừa công nghệ Việc đầu tư cho công đoạn thiết kế (thời gian phương tiện) cao tạo linh kiện có độ hồn thiện tốt IV TỔNG QUAN NGÔN NGỮ ĐẶC TẢ PHẦN CỨNG VHDL Để viết chương trình thiết kế cho FPGA, ngơn ngữ sử dụng ngôn ngữ đặc tả phần cứng HDL (Hardware Description Language) Ngôn ngữ đặc tả phần cứng thường dùng ngôn ngữ Verilog VHDL Ngày VHDL đuợc sử dụng rộng rãi cho mục đích tổng hợp thiết kế phần cứng Hiện mạch tích hợp ngày tích hợp nhiều chức hơn, chúng ngày trở nên phức tạp Các phương pháp thiết kế mạch truyền thống dùng phương pháp tối thiểu hoá hàm Boolean dùng sơ đồ ghép nối phần tử logic khơng cịn đáp ứng u cầu đặt thiết kế Hơn mạch thiết kế đưa yêu cầu phải thử nghiệm kỹ lưỡng trước đưa vào chế tạo hàng loạt, yêu cầu khó thực với phương pháp truyền thống Hơn cần phải xây dựng tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống hoàn chỉnh dễ hiểu thống Vì người ta thường sử dụng ngôn ngữ đặc tả phần cứng làm phương tiện thiết kế, mô thử nghiệm hệ thống số Các phương pháp thiết kế phần cứng truyền thống 14T a) Phương pháp thiết kế dùng hàm Boolean Tất mạch dựa phần tử logic gồm cổng logic mạch flip-flop thiết kế hàm Boolean Có nhiều phương pháp Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 98 - sử dụng để tối thiểu hoá hàm Boolean nhằm tăng tính hiệu việc sử dụng phần tử logic, chẳng hạn phương pháp dùng bìa cácnơ Minh hoạ cho phương pháp thiết kế tổng hợp hàm Boolean bìa cácnơ Về mặt lý thuyết hệ thống số biểu diễn dạng hàm Boolean Nhưng việc tối thiểu hoá xử lý hàng nghìn hàm logic rõ ràng không thực tế Trong yêu cầu thiết kế hệ thống đòi hỏi số lượng lớn hàm Boolean 34T b) Phương pháp thiết kế dựa sơ đồ mạch logic (schematic) Trong phương pháp này, người thiết kế việc sử dụng phần tử logic cổng flip-flop sử dụng thêm mạch chức thơng dụng khác đếm, nhân Như vậy, phương pháp cho phép thiết kế thiết kế hệ thống cách có cấu trúc Phương pháp thiết kế dựa sơ đồ dùng phổ biến có nhiều phần mềm thiết kế cung cấp cho người thiết kế giao diện thiết kế đồ hoạ thuận tiện Ví dụ schematic sau : Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 99 - Trong nhiều năm phương pháp sử dụng schematic phương pháp sử dụng chủ yếu ngành công nghiệp chế tạo phần cứng số 34T c) Nhược điểm phương pháp thiết kế truyền thống Mặc dù có ưu điểm dễ hiểu dễ sử dụng, phương pháp thiết truyền thống có nhiều hạn chế Nhược điểm lớn phương pháp chúng mô tả hệ thống dạng mạng ghép nối phần tử logic, nhìn vào hệ thống mơ tả ta khơng thể mục tiêu chức chung hệ thống Ðể thiết kế hệ thống phương pháp truyền thống, người thiết kế cần phải qua hai bước thực hoàn tồn thủ cơng: chuyển từ u cầu chức hệ thống sang biểu diễn hệ thống hàm Boolean, sau chuyển từ hàm Boolean sang sơ đồ mạch hệ thống Cũng tương tự cần hiểu hệ thống người phân tích cần phân tích sơ đồ mạch hệ thống chuyển thành hàm Boolean sau lập lại chức năng, hoạt động hệ thống Và bước nói hồn tồn phải thực thủ cơng khơng có trợ giúp máy tính, người thiết kế sử dụng máy tính làm cơng cụ hỗ trợ việc vẽ sơ đồ mạch hệ thống (dùng công cụ CAE – Computer Aided Tool) chuyển từ sơ đồ mạch sang công cụ tổng hợp mạch vật lý (dùng công cụ Synthesis) Một nhược điểm khác phương pháp thiết kế truyền thống giới hạn độ phức tạp hệ thống Phương pháp dùng hàm Boolean dùng để thiết kế hệ thống lớn biểu diễn nhiều hàm Phương pháp dựa sơ đồ dùng để thiết kế lớn chứa không nhiều khối phần tử logic Với thiết kế cho hệ thống lớn, người thiết kế quản lý mô tả hệ thống theo phương pháp truyền thống Ngôn ngữ đặc tả phần cứng (HDL) Ngôn ngữ đặc tả phần cứng giải nhược điểm lớn phương pháp thiết kế trước Nếu phương pháp cũ đòi hỏi phải chuyển đổi từ mô tả hệ thống (các mục tiêu chức hệ thống) sang tập hợp hàm logic Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 100 - tay bước chuyển đổi hồn tồn khơng cần thiết dùng ngơn ngữ mô phần cứng Hầu hết công cụ thiết kế dùng ngôn ngữ mô phần cứng cho phép sử dụng biểu đồ trạng thái (finite-state-machine) cho hệ thống cho phép sử dụng bảng chân lý cho hệ thống tổng hợp Việc chuyển đổi từ biểu đồ trạng thái bảng chân lý sang mã ngôn ngữ mô phần cứng thực tự động Ngôn ngữ mô phần cứng dùng nhiều để thiết kế cho thiết bị logic lập trình (PLD-Programmable Logic Device) từ loại đơn giản đến loại phức tạp ma trận cổng lập trình (Field Programmable Gate Array) 2.1 Giới thiệu ngôn ngữ đặc tả phần cứng VHDL VHDL viết tắt cụm từ Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language - ngôn ngữ mô phần cứng cho mạch tích hợp tốc độ cao VHDL ngôn ngữ mô phần cứng phát triển dùng cho chương trình VHSIC (Very High Speed Intergrated Circuit) quốc phòng Mỹ.Mục tiêu việc phát triển VHDL có ngơn ngữ mơ phần cứng tiêu chuẩn thống cho phép phát triển thử nghiệm hệ thống số nhanh cho phép dễ dàng đưa hệ thống vào ứng dụng thực tế Ngôn người VHDL ba công ty Intermetics, IBM Texas Instruments bắt đầu nghiên cứu phát triển vào 7/1983 Phiên công bố vào 8/1985 Sau VHDL đề xuất để tổ chức IEEE xem xét thành tiêu chuẩn Năm 1987, đưa tiêu chuẩn VHDL – tiêu chuẩn IEEE-1076-1987 VHDL phát triển để giải khó khăn việc phát triển, thay đổi lập tài liệu cho hệ thống số Như ta biết, hệ thống số có nhiều tài liệu mơ tả Ðể vận hành bảo trì sửa chữa hệ thơng ta cần tìm hiểu tài liệu kỹ lưỡng Với ngơn ngữ mơ phần cứng tốt việc xem xét tài liệu mô tả trở nên dễ dàng tài liệu thực thi để mơ hoạt động hệ thống Như ta xem xét toàn phần tử hệ thống hoạt động mơ hình thống Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 101 - Trước VHDL đời, có nhiều ngơn ngữ mô phần cứng sử dụng tiêu chuẩn thống Các ngơn ngữ mơ phần cứng phát triển để phục vụ mơ chạy chúng Vì ngơn ngữ mơ phần cứng nhà cung cấp thiết bị phát triển, nên mang đặc trưng gắn với thiết bị nhà cung cấp thuộc sở hữu nhà cung cấp Trong đó, VHDL phát triển ngôn ngữ độc lập không gắn với phương pháp thiết kế, mô hay công nghệ phần cứng Người thiết kế tự lựa chọn cơng nghệ, phương pháp thiết kế sử dụng ngơn ngữ VHDL có số ưu điểm trội sau: Tính cơng cộng: VHDL phát triển bảo trợ phủ Mỹ tiêu chuẩn IEEE, VHDL không thuộc sở hữu cá nhân hay tổ chức Do VHDL hỗ trợ nhiều nhà sản xuất thiết bị nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô hệ thống Ðây ưu điểm bật VHDL, giúp VHDL trở nên ngày phổ biến Khả hỗ trợ nhiều công nghệ phương pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế nhiều phương pháp phương pháp thiết kế từ xuống, hay từ lên dựa vào thư viện có sẵn VHDL hỗ trợ cho nhiều loại công nghệ xây dựng mạch sử dụng công nghệ đồng hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình hay sử dụng mảng logic ngẫu nhiên Như VHDL phục vụ tốt cho nhiều mục đích thiết kế khác nhau, từ việc thiết kế phần tử phổ biến đến việc thiết kế IC ứng dụng đặc biệt (Application Specified IC) Ðộc lập với cơng nghệ: VHDL hồn tồn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệ thống dùng VHDL thiết kế mức cổng chuyển thành tổng hợp mạch khác tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo phần cứng sử dụng (dùng CMOS, nMOS, hay GaAs) Ðây ưu điểm quan VHDL cho phép người thiết kế không cần quan tâm đến Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 102 - công nghệ phần cứng thiết kế hệ thống, có cơng nghệ chế tạo phần cứng đời áp dụng cho hệ thống thiết kế Khả mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động phần cứng từ mức hệ thống số (hộp đen) mức cổng VHDL có khả mơ tả hoạt động hệ thống nhiều mức sử dụng cú pháp chặt chẽ thống cho mức Như ta mơ thiết kế bao gồm hệ mô tả mức cao hệ mô tả chi tiết Khả trao đổi kết quả: Vì VHDL tiêu chuẩn chấp nhận, nên mơ hình VHDL chạy mơ đáp ứng tiêu chuẩn VHDL - kết mô tả hệ thống trao đổi nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác tuân theo chuẩn VHDL Cũng như, nhóm thiết kế trao đổi mơ tả mức cao hệ thống hệ thống; hệ thiết kế độc lập Khả hỗ trợ thiết kế lớn tái sử dụng thiết kế: VHDL phát triển ngơn ngữ lập trình bậc cao, sử dụng để thiết kế hệ thống lớn với tham gia nhóm nhiều người Bên ngơn ngữ VHDL có nhiều tính hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm chi sẻ thiết kế VHDL cho phép dùng lại phần có sẵn 2.2 Cấu trúc mơ hình hệ thống mơ tả VHDL Thơng thường mơ hình VHDL bao gồm ba phần: thực thể, kiến trúc cấu hình Trong số trường hợp mơ hình cịn có thêm phần môi trường kiểm tra 1) Thực thể (Entity) Khai báo thực thể VHDL câu lệnh định nghĩa tiêu phía ngồi phần tử hay hệ thống Các thơng tin có phần khai báo thực thể cho phép kết nối phần tử (hệ thống) mà thực thể đại diện với phần tử (hệ Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 103 - thống) khác Thực chất việc khai báo thực thể khai báo giao diện hệ thống với bên ngồi Hoạt động thực chất hệ thống khơng mô tả khai báo thực thể Dưới ví dụ khai báo thực thể cho cổng NAND Khai báo thực thể cộng có nhớ Có thể khai báo thư viện tiêu chuẩn sử dụng, cho phép thực thể sử dụng định nghĩa thư viện tiêu chuẩn IEEE Khai báo thực thể bao gồm tên thực thể tập cổng phần chung Trong phần chung GENERIC số truyền cho phần tử (hệ thống) Phần chung coi tham số định trước phần tử, chẳng hạn độ trễ Các cổng phần giao diện vào phần tử Các cổng tương ứng với chân IC, hay đầu nối bảng mạch Các cổng khai báo cổng vào, cổng ra, cổng hai chiều hay đệm ) Kiến trúc (Architecture) Một khai báo thực thể phải kèm với kiến trúc tương ứng VHDL cho phép khai báo nhiều kiến trúc cho thực thể Một khai báo kiến trúc bao gồm khai báo tín hiệu bên trong, phần tử bên hệ thống, hay hàm thủ tục mô tả hoạt động hệ thống Có hai cách mơ tả kiến trúc phần tử (hệ thống) mơ tả theo mơ hình hoạt động hay mơ tả theo mơ hình cấu trúc Tuy nhiên hệ thống bao gồm mơ tả theo mơ hình hoạt động mơ tả theo mơ hình cấu trúc Mơ tả kiến trúc theo mơ hình hoạt động : Mơ hình hoạt động mơ tả hoạt động hệ thống (hệ thống đáp ứng với tín hiệu vào đưa kết đầu ra) dạng câu lệnh cảu ngơn ngữ lập trình bậc cao Các câu Phùng Quốc Hưng-Đo Lường & Các Hệ Thống Điều Khiển Cao học 2004-2006 - 104 - lệnh PROCESS, WAIT, IF, CASE, FOR-LOOP Ví dụ, hoạt động cộng có nhớ phía mơ tả sau : architecture My_Arch of Half_Add is begin Sum