M SP430 micro-controller Texas Instrum ents Application Report, Decem ber 1998.
TÍCH HỢP CÁC CHIP CHUYÊN DỤNG T R O N G H Ệ T H Ó N G Đ O L Ư Ờ N G V Ạ T LÝ
Ngô Diên Tập và Nguyễn Kiêm Hùng Đại học Quốc Gia Hà Nội
Nhà E3/144 Xuân Thuỷ, Quận cầu Giấy. Hà Nội ndtap@netnam.vn
TÓM TẮT
Các hệ thống đo lường vật lý gần đây đều bao gồm hai phần chính là: cảm biên và khôi xử lý tín hiệu đo lường. Những thành tựu cũa Vật lý đem lại các loại cảm biến mới nhưng đồng thời khối xừ lý tín hiệu đo lường cũng không ngừng được cải tiến.
Công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) và CPLD (Complex Programmable Logic Device) với đặc điêm chung là dùng phần mềm nạp vào chip đê đặt câu hình và quy định tính năng cho chip đã tạo ra nhiều vi mạch chuyên dụng với những tính năng rất hấp dẫn.
Bài báo này giới thiệu một số kết quả trong việc áp dụng công nghệ PSoC và CPLD dể tạo ra các chip tích hợp trong các hệ thống đo lường vật lý. Ngôri ngữ được sử dụng là Assembly và VHDL. Kết quả được áp dụng cho một hệ thống đo lường nhiệt độ và độ ẩm với 5 cảm biến nhiệt độ và một cảm biến độ ẩm. cho phép minh hoạ khả năng giảm thiểu số lượng các linh kiện trên hệ thống nhưng vẫn giữ nguvên các thôns số cua hệ đo.
C ác từ k.hoả: Đ o lư ờng vật lý. PSoC , C PL D , chip chuyên dụng.
ĐẬT VÁN ĐÈ
Trong những năm gần đây, bên cạnh các vi mạch chuyên dụng được chế tạo bằng công nghệ truyền thống như quang khắc, bốc bav. ăn mòn V. V ... mà ta quen gọi là ASIC (Applification Specific Integrated Circuits) đã xuất hiện một lượns không nhỏ các vi mạch ra đời theo cách lập trình đê quy định cấu hình cho chip. Không chỉ tăng về số lượng mà mức độ tích hợp trên các chip cũng có xu hướns
tăng lên khô n g n g ừ ng, từ vài chục cổng lôgic lên vài trăm cổ n a v à cho đến nay đã
tăng lẻn hàng triệu cổng!3]. Các chip lập trình được có thể chia ra thành 3 loại: - SPLD (Simple Programmable Logic Devices): là loại chip nhỏ với các công
nối tiếp (dãy) hoặc một nhóm các công được nôi với nhau đê đàm nhận một chức năng đon aiản.
- CPLD (Complex Programmable Loeic Devices): có cấu trúc phức tạp hơn SPLD. nó có thể chứa một vài khối, mỗi khối được hiêu như một SPLD.
- FPGA (Field Programmable Gate Array): là một chip bao gồm hàng ngàn, thậm chí hàng triệu cổna lôgic với cách kết nôi có khá nãng lập trình dược và thường được sử dụng cho các quá trình phát triển phần cứng phức tạp.
Trong bài báo này. chúng tci chọn đối tượne là các chip CPLD có mức độ phức tạp ờ mức truna bình trong 3 loại chip kể trên. Tuy vậy các chip CPLD đã cho phép thiết kế các mạch lôgic có số lượng cổng lôgic tương đối lớn.
Các hệ thông đo lirờng vật lý gận đây đêu bao gồm hai phần chính là[-h cảm biến và khôi xử lý tín hiệu từ cảm biên với mức độ phức tạp tương xứng với các chip CPLD. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn chip CPLD để xây dựng một hệ thống đo lườn2 vật lý bao gôm: đo nhiệt độ ở năm vị trí, đo độ ẩm từ một vị trí và hiển thị trin 3 màn hiên thị LED bảy thanh khác nhau: một cho nhiệt độ ờ một vị trí. một cho độ ấm và một cho nhiệt độ trung bình từ 4 vị trí còn lại.
PHẦN T H ựC NGHIỆM
Chip CPLD được lựa chọn để tiến hành thực nghiệm là loại XC9536Í'] cùa côna ty Xilinx với 44 chân, trên chip tích họp 36 macrocell với 800 cổng sử dụng được.
Theo thiết kế truyền thống thì hệ thống đo trên đâv sẽ bao gồm 5 cảm biến nhiệt, một cảm biên độ âm, các mạch chuân tín hiệu từ cảm biến, các bộ biến đôi tươna tự-sô đê chuyên tín hiệu vào một vi xử lý, cuôi cùng là các khôi giải mã và điêu khiển để đưa ra 3 bộ hiển thị LED 7 thanh. Sơ đồ khối cùa hệ thống có thể hình dung là rất phức tạp. Đe đơn giản cho việc tích hợp trên chip, hệ thốne được chia ra thành những môđun và rút gọn thành sơ đồi khối như hình 1.
tsao cáo tại Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ VI, Hà Nội 23-25 /1 1 / 2005
Hình 1: Sơ đồ khối của hệ thống sử dụng các chip lập trinh được.
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng là loại NTC833 (đo -4 0 °c đến Ị00°C). còn cảm biến độ ẩm là loại HM1520 (của Honeywell), nghĩa là tín hiệu ờ lối ra cua các cảm biến đều là tín hiệu điện áp nên phần xử lý tín hiệu sau cảm biến có cá khối khuếch đại và biến đổi tương tự số. Do vậy, chip PSoC CY8C27443 đã được lựa chọn. Công cụ PSoC Designer của Cypress cho phép từ các tài nguyên có sẵn thiết lập các bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại đặt được và bộ biến đôi AD tương tự-số
với độ p hân giải dặt được. D o việc hiển thị nhiệt độ v à độ ẩm chỉ cần đến 3 con số
(digit) nên độ phân giải trong trường hợp này được đặt là 10 bit. Chip PSoC được lập trình bằng Assembly để thực hiện vai trò của một vi điêu khiên, cụ thẻ là lân lượt đọc dữ liệu từ các cảm biến rồi xử lý và chuyên sang chip XC9536 đê đua ra hiên thị
Để dưa ra sơ đồ đơn giản này. rõ ràng là một số môđun đã được tích hợp vào trong chip CPLD. Cụ thể là:
- Bộ đếm Johnson cho khối quét động - Bộ đếm nhị phân
- Bộ giải mà BCD sang mã 7 thanh. Đe rút gọn cách trình bày. sau đây xin giới thiệu chi tiết cho một trường hợp điển hình là bộ giải mã BCD sang mã bày thanh
V
Hình 2: Bán mạch
BCD sang
vói chip giai mã 7 thanh.
rôi đưa ra hiên thị trên LED. Đê kiêm tra khả năng hoạt động của chip eiài mã. một mạch điện như trên hình 2 đã đirợc thử nghiệm. Lưu đồ của ch ươn 2 trình aiãi mã
viết bằng VHDL được minh hoạ trên hình 3.
Ta dễ dàng nhận thấy ở phần giữa là chip Xilinx XC9536 đã được đặt cấu hình thành một bộ đếm nhị phân 4 bit và giải mã BCD sang 7 thanh.
Xung từ bộ tạo xung nhịp NE555 được đưa trực tiếp vào chân clock GCK1 (chân 5) của chip XC9536. Tần số xung nhịp được lựa chọn thông qua R, c của mạch tạo xung NE555 sao cho có giá trị bằng 22 Hz, đủ để kết quà hiển thị trên LED không bị nhấp nháy. Do bộ đếm nhị phân được thiết kế thành 4 bit nên kết quả hiển thị trên LED 7 thanh chạy từ 0 đến 15 rồi lại trờ về 0, trong đó từ 0 đến 9 là dưới dạng chữ số còn từ 10 đến 16 là dưới dạng chữ cái: A, b, c, d. E, F.
Phương pháp tích họp bộ giải mã BCD được mở rộng cho các khối còn lại. cuối cùng toàn bộ hệ thống đo lường vật lý được thu gọn như trên hình 4 (trang sau).