Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo

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 ®o Ngµnh : ®o l−êng vµ hƯ thèng ®iỊu khiĨn M số : Đỗ quang hiệp Ngời hớng dẫn khoa học: Pgs.ts Phạm thị ngọc yến Hà nội 2005 -2- Lời 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 viết 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 ®iƯn.…………………….……………… 11 1.2.1 M¹ch khch ®¹i …….……………………………………… …… ….………… 11 1.2.2 Mạch so sánh . 13 1.2.3 Mạch tích phân . . 14 1.2.4 Mạch vi phân . 15 1.3 TÝnh −u viƯt cđa kü tht chun m¹ch tơ 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 Các u AN10E40 thiết kế mạch … 29 2.2 FPAA thÕ hÖ thø hai………………………… …………….……….……… ……… 29 2.2.1 Đặc điểm chung... 29 2.2.2 Thế hệ 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 b phn ca 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 kh«ng cã chuẩn SPI……… 50 3.2.3.3 Nạp cấu h×nh 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 ng... 61 3.3.3 Các ví d lp cu hình cho FPAA………………………………… ……… 62 Ch−¬ng 4: øng dơng fpaa phơng 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 tèc 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, Anadigmđ (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 Anadigmđ 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 khiển - 75 - Da mạch máu Mạch đo công suất thu Mạch hiển thị ICL7107 Vôn-kế Khối tiền xử lý Khối tính toán dịch chuyển Doppler Hệ chỉnh Photomultiplier tube Nguồn cao áp cho PMT Photomultiplier tube Ngn ỉn ¸p ±15V ±5V Ngn cao ¸p He-Ne BiÕn ¸p cao ¸p He-Ne BiÕn ¸p chung Laser He-Ne Hình 4.2 Sơ đồ tổng thể thiết bị Doppler Laser LDF-1 Đầu đo thiết bị hệ dây quang dẫn gồm kênh, gồm kênh truyền ánh sáng đỏ cđa laser He-Ne b−íc sãng 623,8 nm chiÕu tíi vïng mạch máu, kênh thu đặt đối xứng để thu tín hiệu phản hồi Các tín hiệu quang yếu đợc chuyển thành tín hiệu điện nhờ ống nhân quang để đa tới khối tiền xử lý Khối tiền xử lý mạch xử lý tín hiệu Analog kênh Doppler vào, có nhiệm vụ tạo tín hiệu vi phân tích phân từ tín hiệu Tín hiệu vi phân đợc qua lọc dải tần 20Hz - 10 kHz đợc khuếch đại Theo tài - 76 - liệu, tín hiệu đợc ký hiệu tín hiệu R Tín hiệu tích phân đợc khuếch đại đợc gọi tín hiệu I biểu công suất thu Khối tính toán nhận tín hiệu R I từ mạch để xử lý đa kết đo tốc độ máu theo công thức: R K1 I K2I Khối xử lý tín hiệu kênh từ PMT (mạch 1): IN-1 IN-2 Mạch khuếch đại vi sai Lọc tần số cao Lọc tần số thấp Mạch cộng tích phân R I Hinh 4.3 Sơ đồ khối nguyên lý mạch xử lý tín hiệu kênh từ PMT Tín hiệu điện thu từ kênh PMT (ký hiệu IN-1 IN-2) đợc khuếch đại lặp nhờ vi mạch ICL7650 (U1 U2) Đây vi mạch chuyên dụng sử dụng dòng nhỏ độ nhiều tin hiệu thấp Các tín hiệu đợc khuếch đại vi sai vi mạch OP-7 (U3) với độ khuếch đại 10 lần Tín hiệu vi sai đợc lọc kỹ lọc tích cực tần số cao tầng (vi mạch U4 LF353) lọc tần số thấp tầng (vi mạch U5) Tín hiệu đà lọc đợc đa qua mạch lặp (U7-B) tín hiệu R đa sang mạch Tín hiệu từ kênh IN-1 IN-2 đợc tích phân khuếch đại vi mạch OP07 (U6), t¹o tÝn hiƯu I cho m¹ch - 77 - Mạch lọc tần số cao tần số thấp đợc thiết kế mạch lọc tích cực Butterworth bậc 4, tần số cắt mạch lọc tần số cao lµ: f = 2π 1 = 2π R1R 2C R1' R 2' C víi R1 = 11K, R2 = 51K, C = 220nF, ta có f 30 Hz Với mạch lọc tần số thấp, tần số cắt là: f = 1 = R1R 2CC1 2π R1' R 2' CC1 víi R1 = 18K, R2 = 33K, C = 2.2nF, C1 = 0.3nF, ta cã f ≈ kHz Nh− dải thông mạch thực tế 30 Hz - kHz Mạch tính dịch chuyển Doppler (Mạch 2): Mạch nhận tín hiệu I R từ mạch để tính toán kết Mạch gồm có số mạch nhỏ (đợc ký hiệu mạch hình 2.12) Đó mạch sau: ã Mạch S hay mạch bình phơng: Vout = Vin2/10 (V) ã Mạch D hay mạch chia: Vout = 10Vin1/Vin2 (V) ã Mạch R hay mạch căn: Vout = (10Vin)1/2 (V) - 78 - R -100 I -K1 +10 Mạch bình phơng Mạch tích phân Mạch trừ Mạch bình phơng Mạch chia D Mạch khai R -K2 Đo Vôn kế hiển thị Hình 4.4 Sơ đồ khối nguyên lý mạch tính dịch chuyển Doppler Các mạch sử dụng vi mạch nhân chuyên dụng AD533 hÃng Analog Device, cho phép tính toán với độ xác cao tức thời Tín hiệu R đợc khuếch đại nhờ vi mạch U3A, sau đa vào mạch bình phơng tín hiệu S cho qua mạch tích phân vi mạch U4 Đây sơ đồ để tính bình phơng giá trị trung bình bình phơng tín hiệu Tín hiệu I đợc đa qua khếch đại đảo vi mạch U3B với hệ số K1 điều chỉnh đợc nhờ chiết áp STATIC mặt máy Tín hiệu tín hiệu đợc đa vào mạch trừ vi mạch U2B, để tạo tín hiệu -K1I Mặt khác, tín hiệu I đợc khuếch đại nhờ vi mạch U1A đa qua mạch bình phơng S, sau đa qua mạch khuếch đại vi mạch U1B có hệ số khuếch đại K2 điều chỉnh đợc nhờ chiết áp MOVING Tín hiệu tỷ lệ với K2I2 đợc lặp chỉnh ofset nhờ vi mạch U2A Các tín hiệu -K1I K2I2 đợc đa vào mạch chia D Kết phép chia đợc đa tới mạch khai R lặp lại nhờ vi mạch U5B, sau đa đo Vôn kế hiển thị số nhờ m¹ch ICL7107 Nh− vËy tÝn hiƯu sÏ cã d¹ng: - 79 - R − K1 I F = K2I (4.25) Mạch R cho giá trị kết phép chia có trị số âm, nhờ diode mắc đầu mạch S - Mạch đo công suất thu (Mạch 3): Các tín hiệu từ ống nhân quang PMT đợc đa tới chuyển mạch CHANEL SELECT, để chọn tín hiệu kênh hiển thị LED Tín hiệu đo đợc tích phân với dòng vào cực thấp nhờ nửa vi mạch LF353, sau lặp lại nhờ nửa vi mạch Tín hiệu nhận đợc đa vào vi mạch chuyên dụng SL322 để hiển thị vạch LED Công suất lớn số LED sáng tăng Mạch cho phép đánh giá độ lớn tín hiệu đầu từ ống nhân quang, độ cân tín hiệu kênh - Giải đo sai số phép đo Dựa theo c«ng thøc: ∆f/f = v/c, f = cλ, ta có: v = f, với dải tần thiết kÕ 30 Hz - 8KHz, b−íc sãng laser He-Ne 633 nm, giá trị vận tốc giới hạn tơng ứng sÏ lµ 0.02 mm/s - mm/s Dé nhiƠu cđa thiết bị thờng vào khoảng 0.1V, tơng ứng với sai số vận tốc máu khoảng 0.1 mm/s Mạch thu thập thông tin đo chi tiết phụ lục Bảng P-2 4.3 Phơng pháp đo lu tốc máu dùng FPAA Để đo thông tin lu tốc máu ta dùng mạch đo hình 4.3 với đờng đặc tính mô tả mối quan hệ lu tốc máu điện áp photodiode ta xây dựng đặc tính cac CAM có sẵn vi mạch FPAA - 80 - Một công cụ mạnh FPAA dùng bảng tra LUT để mô ta hàm truyền đặc tính sensor thông qua hàm Tranferfuntion cách lập bảng trạng thái giá trị tơng ứng Ta sử dụng phần mềm Anadigm để mô mạch đo cách thích hợp nh dùng CAM Oscilloscope để mô tín hiệu Chúng ta tạo tín hiệu từ máy phát tín hiệu để chuẩn bị chạy mô thiết kế, phần mềm Anadigm designerđ2 liệt kê danh sách gồm sáu dạng m¸y ph¸t tÝn hiƯu Ng−êi thiÕt kÕ cã thĨ chän loại máy phát tín hiệu phù hợp với yêu cầu Khi sử dụng, máy phát phải đợc gắn với chân (hoặc cặp chân) vào phần tử vào (hoặc vào/ra) analog Tất dạng máy phát có lối đợc quy định vi sai đơn so đất tuỳ theo yêu cầu sử dụng ngời thiết kế Máy phát xung đợc dùng để tạo xung đơn dÃy xung có chu kỳ Các thông số cần đặt cho máy phát xung là: biên độ xung, offset chiều, thời gian trễ (tính từ bắt đầu mô xuất xung), độ rộng xung chu kỳ xung Tất kết mô đợc phân tích thông qua việc sử dụng oscilloscope Oscilloscope mô Anadigm designrerđ2 có dạng oscilloscope tia (hình 4-5) - 81 - Mô thiết kế Kết Chúng ta thấy dùng CAM tạo hàm truyền tạo đờng đặc tính senssor(Photodiode) giống nh hàm thật Sau cho tín hiệu qua lọc để tuyến tính hóa đờng đặc tính tÝn hiƯu ci cïng ®−a tÝn hiƯu qua CAM S & H để giữ mẫu tín hiệu đo - 82 - Đờng đỏ: Tín hiệu vào (Bao gồm nhiễu ký sinh) Đờng xanh lam: Tín hiệu qua hàm Tranfer funtion Đờng xanh cây: Tín hiệu qua trích giữ mẫu Ưu điểm + Mạch đo đơn giản hóa cấu trúc thiết bị nh thay đổi thông số hệ thống qua điều chỉnh hệ sô bảng tra LUT + Thay đổi hệ số lọc cách dễ dàng thay phải hiệu chỉnh giá trị điện trở nh phơng pháp + Cấu trúc đơn giản thực với nhiều loại toán khác Hạn chế + Phơng pháp dùng bảng tra LUT đòi hỏi tỉ mỉ thông số cho co giới hạn 256 giá trị + Gặp khó khăn triển khai thực giá thành đắt - 83 - Kết luận Hớng phát triển Cùng với phát triển nhân loại công nghệ FPAA đà tạo bớc đột phá lớn việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử, tơng tự theo hớng thích hợp hệ thống thu thập xư lý tÝn hiƯu analog hoµn chØnh mét chip IC nhất, Anadigm kết hợp xu hớng thiết kế đại ( tự động hoá thiết kế, vi mạch khả trình, khả thay đổi cấu h×nh thêi gian thùc) cđa lÜnh vùc thiÕt kÕ điện tử số vào công cụ thiết kế điện tử tơng tự gọi Anadigmvortex Với Anadigmvortex công việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử tơng tự trở nên đơn giản nhiều, ngời thiết kế cần thực công việc sau: - Lựa chọn theo chủng loại chip FPAA dựa tính chất ứng dụng, theo phân loại Anadigm AN120E04 AN121E04 chip FPAA bình thờng, giá rẻ phù hợp với ứng dụng đại trà, yêu cầu tích hợp nhiều chức analog chip AN220E04 AN221E04 chip đà đợc cải tiÕn cho phÐp ng−êi thiÕt kÕ cã thĨ thay ®ỉi cấu hình thiết bị vận hành AN221E02 loại chip vừa thay đổi cấu hình động (no - line) lại vừa có giá rẻ - Sử dụng công nghệ Anadigm Designer víi giao ®iƯn graphic kiĨu Drap - and - Drop để thiết kế mạch analog máy tính Kết hợp víi th− viƯn CAM ng−êi thiÕt kÕ cã thĨ t¹o hệ thống mạch điện tử hoàn chỉnh cách nhanh chóng Để thiết kế ngời dùng cần gọi từ th viện Cam khâu anadog đà đợc lập sẵn, ví dụ mạch khuyếch đại, chỉnh lu tích cùc, läc tÝch bËc cao Ng−êi thiÕt kÕ cịng kh«ng cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu lý thuyết mạch điện tử Việc mà ngời thiết kế cần làm xác định tham số cho khối đợc chọn, phần mềm thiết kế có khâu tạo máy phát tín hiệu có đầu đo ossilloscope giúp ngời thiết kế mô kiểm tra hoạt động mạch trớc triển khai thực - 84 - - Nạp cấu hình thiết kế vào chip FPAA thông qua hệ phát triển Hệ phát triển FPAA bảng mạch có slot để gắn chip FPAA cần lập trình Bảng mạch đợc nối với máy tính PC ( thờng qua cỉng COM) ®Ĩ gióp ng−êi thiÕt kÕ ®iƯn tư tơng tự Bảng mạch có thêm khối chức mở rộng cổng nối I/O cho phép nối kết chip FPAA với phần tử khác để tạo nên hệ thống mạch điện tử hoàn chỉnh Với tính u việt công nghệ FPAA việc thiết kế chế tạo thiết bị đo có độ tin cậy khả thay đổi thông số linh hoạt lập trình cho chip trắng nhờ phần mềm chuyên dụng Tuy nhiên để đáp ứng đợc nhiều loại toán khác thực tế đòi hỏi th viện CAM phải đầy đủ phong phú Phơng hớng phát triển đề tài tạo đợc nhiều CAM phục vụ cho toán thực tế mà thị trờng đòi hỏi nh nghiên cứu ứng dụng Bo mạch Kit chế tạo loại thiết bị đo lờng chn hãa tÝn hiƯu tèi −u nhÊt Với c¸c tÝnh phong phó ưu vượt trội tính kh trình, vi mch FPAA ngy cng c sử dụng rộng r·i việc thiết kế chế tạo c¸c thiết bị điện tử tương tự Ngồi ra, vi kh nng thay i cu hình ng ca FPAA, chóng ta cã thể tạo c¸c thiết bị thực nhiều chức kh¸c Cũng với khả đã, chóng ta cã thể tạo c¸c thiết bị cã chức thay đổi nhằm thÝch nghi với thay đổi đối tượng Vi mạch FPAA dần thay cho c¸c linh kiện rời, c¸c IC analog kiểu op-amp, c¸c vi mạch chức theo đặt hàng kiểu ASIC c¸c ứng dụng xử lý tÝn hiệu analog chuẩn hãa tÝn hiệu sensor, lọc tÝch cực, thu thập số đo, điều khiển tự ng PID, v nhiu ng dng khác nh công nghip, y tế, c¸c hệ thống kiểm tra đo lường chÝnh xác Phụ lục Mô tả vắn tắt chân tín hiệu vấn đề sử dụng FPAA Các vi mạch FPAA đợc đóng mở vỏ kiểu QFP, 44 chân (hình P-1) Chân cạnh bên trái (gần với dấu chấm) đợc đánh số 1, chân khác đợc tính tăng dần theo chiều ngợc kim đồng hồ Tên gọi chức chân vi mạch FPAA đợc giải thích Bảng P-1 Hình P-1 Kiểu đóng vỏ chân vi mạch Bảng P-1 Tên gọi chức chân vi mạch FPAA Vị trí Tên tín hiệu Kiểu tín hiệu Comments I04PA Analog in/out + Hai chân (+) (-) cho mét I04NA Analog in/out - cỈp tín hiệu vào/ra chân analog có MUX(1) Cặp tín hiÖu analog thø nhÊt 01P Analog out + 01N Analog out - AVSS Analog Vss volt AVDD Analog Vdd +5 volt ± 5% 02P Analog out CỈp tÝn hiƯu analog thø hai 02N Analog out I01P Analog in/out + CỈp tÝn hiƯu vµo/ra analog thø 10 I01N Analog in/out - nhất(1) 11 I02P Analog in/out + Cặp tín hiệu vào/ra analog thø 12 I02N Analog in/out - hai(1),(2) 13 SHIELD Analog Vdd Nguồn DC ổn định dùng cho bank tơ ®iƯn: +5 volt 14 AVDD2 Analog Vdd Ngn cung cÊp cho khèi m¹ch Analog: + volt 15 VREFMC Vref Nèi tô läc cho VREF - 16 VREFPC Vref Nèi tô läc cho VREF + 17 VRMC Vref Nèi tô läc cho VMR 18 BVDD Analog Vdd Nguån cung cÊp cho m¹ch t¹o Vref: + volt 19 BVSS Analog Vss Điểm đất Analog mạch tạo Vref: volt 20 CFGFLGb Digital in Configuration Flag – cê b¸o (open drain) qua tr×nh lËp cÊu h×nh, tÝch cùc thÊp 21 CS2b Digital in Chip select 2, chip select 22 CS1b Digital in TÝch cùc thÊp 23 DCLK Digital in TÝn hiƯu vµo digital clock 24 SVSS Digital Vss §iĨm ‘®Êt’ cđa digital: volt 25 MODE Digital in TÝn hiƯu vµo chon MODE 26 ACLK Digital in MODE0: Analog clock, input MODE1: SxROM clock, out put 27 OUTCLK Digital out TÝn hiÖu ra: Programmable lock 28 DVDD Digital Vdd Nguån cung cÊp khèi m¹ch Digital: volt ± 5% 29 DVSS Digital Vss volt 30 DIN Digital in Nhận thông tin cấu hình, mà (optional pull-up) nối tiếp 31 LCCb Digital out Kết thúc nạp cấu hình 32 ERRb Digital out/out Tín hiệu báo lỗi nạp cÊu (open drain) h×nh cho FPAA 33 ACTIVATE Digital in (open drain) 0- Ch−a cho phÐp kÕt thóc n¹p cÊu hình 1- Kết thúc trình nạp cấu hình 34 DOUTCLK Digital out TÝn hiÖu DCLK cã buffer 35 PORb Digital in Power On Reset TÝch cùc (open drain) thÊp Digital in Cho phÐp copy néi dung 36 EXECUTE SRAM ẩn vào SRAM cấu hình 37 I03P Analog in/out + Cặp tín hiệu vào/ra analog thứ 38 I02N Analog in/out - ba(1),(2) 39 I04PD Analog in/out + Sáu chân với hai 40 I04ND Analog in/out - chân tám chân cho 41 I04PC Analog in/out + bốn cặp tín hiệu vào/ra analog 42 I04NC Analog in/out - (vi sai) cã MUX cđa khèi vµo 43 I04PB Analog in/out + cuối chip 44 I04NB Analog in/out - FPAA(1) (1) - C¸c chân Anx20E04 có chiều vào (2) - Các chân Anx221E02 không dùng (vì có hai khối vào/ra) Tài liệu tham khảo Tiếng Việt Lê Hải Sâm(2005), Điện tử tơng tự với công nghƯ FPAA, NXB khoa häc vµ Kü tht, Hµ Néi Lê Hải Sâm, Bùi Việt Sơn(18/5/2004), Tớch hp cụng nghệ FPGA vµ FPAA hệ thống đo lường - iu khin, Tạp chí Tự động hóa Ngày TiÕng Anh Dave Van Ess (2004), Understanding switched Capacitor Analog Blocks, Cypress Microsystems Douglas O.J.(2001), Instrumentation Fundamentals for Process Control, Taylor & Francis, New York John P Bentley(1995), Principles of Measurement Systems, Longman Scientific & Technical Robert L Boylestard, Louis Nashelsky(1996), Electronic Devices and Circuit Theory, Prentice- Hall Anadigm Designer2 User Manual(2004), Anadigm Inc Anadigm FPAA Data sheets(2002), Anadigm Inc AN10E40 User Manual(2003), Anadigm Inc 10 ANx20E40 User Manual(2003), Anadigm Inc 11 ANx21E40 User Manual(2004), Anadigm Inc 12 FPAA Overview(2003), Anadigm Inc 13 Motorola(1997), Introducing Motorola’s Field Programmable Analog Array, Semiconductor Technical Summary ... 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. .. 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. .. 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 Anadigmđ đợc thành lập từ phận Motorola hoạt