Giáo trình nghề Điện tử công nghiệp - Môđun: Vi mạch số lập trình

BỘ CÔNG THƯƠNG  
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIP VÀ THƯƠNG MI  
GIÁO TRÌNH  
Tên mô đun: Vi mch slp trình  
NGH: ĐIỆN TCÔNG NGHIP  
TRÌNH ĐỘ TRUNG CP/CAO ĐẲNG NGHỀ  
Ban hành kèm theo Quyết định s:  
/QĐ-CĐCNPY, ngày tháng năm 2018  
của Hiu trưởng trường Cao đẳng Công nghip và Thương mi  
nh Phúc, năm 2018  
MỤC LC  
Trang  
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN................................................................................2  
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VLP TRÌNH CNH...................................................4  
1.1.Tng quan về điều khin lp trình:.............................................................................................4  
1.1.1. Điều khin ni cng và điều khin lp trình .......................................................................4  
1.1.2.Cu trúc ca mt blpi tình cnh...................................................................................5  
1.2.Thiết bị điều khin lp trình.....................................................................................................11  
1.2.1. Địa chcác ngõ vào/ ra.....................................................................................................11  
1.2.2. Phn chchvtrí và kích thước ca ô nh......................................................................13  
1.2.3. Ma trn Fast CONNECT Switch......................................................................................14  
1.2.4 Cu trúc bnh................................................................................................................15  
1.3. Xlí chương trình..................................................................................................................16  
1.3.1. Vòng quét chương trình ...................................................................................................16  
1.3.2. Cu trúc chương trình ......................................................................................................16  
1.3.3. Phương pháp lp trình......................................................................................................21  
1.4. Cài đặt sdng phn mm......................................................................................................22  
1.4.1. Nhng yêu cu vi máy tính PC.......................................................................................22  
1.4.2. Cài đặt phn mm lp trình ng dng...............................................................................24  
BÀI 2: CÁC TP LNH CA DLIU ............................................................26  
2.1. Các liên kết logic....................................................................................................................26  
2.1.1. Các lnh vào/ra và các lnh tiếp điểm đặc bit..................................................................26  
2.1.2. Các lnh liên kết logic cơ bn ..........................................................................................28  
2.1.3. Liên kết các cng logic cơ bn.........................................................................................31  
2.2.4. Bài tp ng dng .............................................................................................................34  
2.2. Các lnh ghi/xóa giá trcho tiếp điểm.....................................................................................34  
2.2.1. Lnh Set(s) và Reset(r) ....................................................................................................34  
2.2.2. Các ví d.........................................................................................................................35  
2.3.Timer ......................................................................................................................................40  
2.3.1. On - Delay Timer (TON) .................................................................................................40  
2.3.2. Retentive On - Delay Timer (TONR) ...............................................................................53  
2.4. Couter (Bộ đếm).....................................................................................................................55  
2.4.1. Bộ đếm lên (Counter up)..................................................................................................55  
1
2.4.2. Bộ đếm lên/ xung (Counter up - down) ..........................................................................56  
BÀI 3: CÁC PHÉP TOÁN SCA BLP TRÌNH CNH..........................61  
3.1.Chc năng truyn dn..............................................................................................................61  
3.1.1. Truyn Byte, Word, Doubleword. ....................................................................................61  
Tạo Project trên ISE ..................................................................................................................69  
3.2. Chc năng so sánh..................................................................................................................74  
3.2.1. Chc năng dch chuyn....................................................................................................74  
3.3. Đồng hthi gian.................................................................................................................104  
BÀI 4:LP ĐẶT MÔ HÌNH ĐIỀU KHIN BNG LP TRÌNH CNH........107  
4.1. Gii thiu.............................................................................................................................107  
Cách ni dây...............................................................................................................................107  
4.3. Các mô hình và bài tp ng dng..........................................................................................108  
4.3.1. Điều khin van điện t2 cun dây .................................................................................108  
4.3.3 Điều khin hthng cung cp thulc ...........................................................................114  
4.3.4. Điều khin hthng thông gió .......................................................................................116  
4.3.5. Điều khin động cơ thun nghch...................................................................................119  
2
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN  
Tên mô đun: VI MCH SLP TRÌNH (FPGA)  
Mã mô đun:  
Thi gian thc hin mô đun: 75 gi(Lý thuyết: 15 gi; Thc hành: 57 gi; KT: 3  
gi)  
I. Vị trí, tính cht ca mô đun:  
- Vị trí: Trước khi hc mô đun này cn hoàn thành các môn hc cơ snghvà mt  
số đun chuyên môn nghnhư: PLC cơ bn, Kthut Vi điều khin.  
- Tính cht: Là mô đun tchn trong chương trình đào to ngành/ nghề Điện tử  
công nghip.  
II.  
Mc tiêu đun:  
- Về kiến thc:  
+ Trình bày được nguyên lý hệ điều khin lp trình cnhỏ  
+ Phân tích được cu to phn cng và nguyên tc hot động ca blp trình cỡ  
nh.  
- Về knăng:  
+ Thc hin được mt sbài toán ng dng đơn gin trong công nghip.  
+ Kết ni thành tho phn cng ca blp trình cnh, PC vi thiết bngoi  
vi.  
+ Viết chương trình và np được chương trình vào blp trình cnhỏ để thc  
hin được mt sbài toán ng dng đơn gin trong công nghip.  
- Về năng lc tchvà trách nhim:  
+ Chủ động, sáng to và đảm bo an toàn trong quá trình hc tp.  
III. Nội dung mô đun:  
1. Nội dung tng quát và phân phi thi gian:  
Thi gian  
Thc  
hành,  
thí  
STT  
Tên các bài trong mô đun  
Tổng  
Lý  
Kim  
nghim,  
tho  
số  
thuyết  
tra  
lun,  
bài tp  
3
1
Bài 1: Đại cương về điều khin lp trình  
cỡ nhỏ  
2
2
0
0
1.1. Tng quát về điều khin lp trình  
1.2. Thiết bị điu khin lp trình.  
1.3. Xlý chương trình.  
1.4. Cài đặt và sdng phn mm.  
Bài 2: Các tp lnh ca dliu.  
2.1. Các liên kết logic  
2
3
4
15  
30  
28  
75  
4
4
10  
25  
22  
57  
1
1
1
3
2.2. Các lnh ghi/xóa giá trcho tiếp điểm.  
2.3. Timer.  
2.4. Couter (Bộ đếm).  
Bài 3: Các phép toán sca blp trình  
cỡ nhỏ  
3.1. Chc năng truyn dn.  
3.2. Chc năng so sánh  
3.3. Đồng hthi gian thc  
Bài 4: Lp đặt mô hình điều khin bng bộ  
lập trình cnh.  
5
4.1. Gii thiu.  
4.2. Cách kết ni dây  
4.3. Các mô hình và bài tp ng dng.  
Cng:  
15  
4
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG VLP TRÌNH CNHỎ  
Mục tiêu:  
- Trình bày được cu trúc và nhim vcác khi chc năng ca blp trình  
cỡ nh.  
- Thc hin được skết ni gia blp trình cnhvà các thiết bngoi vi.  
- Mô tả được cu trúc ca chương trình blp trình cnhỏ  
- Chủ động, sáng to và đảm bo an toàn trong quá trình hc tp.  
Nội dung chính:  
1.1.Tng quan về điều khin lp trình:  
1.1.1. Điều khin ni cng và điều khin lp trình  
Vi mch khtrình gm các dng sau:  
v SPLD (Simple Programmable Logic Device) bao gm các loi IC khả  
trình PROM, PAL, PLA, GAL. Đặc điểm chung ca nhóm IC này là  
cha slượng cng tương đương vài chc (PROM) đến vài trăm  
(PAL, GAL) cng.  
v CPLD (Complex Programmable Logic Device) là IC khtrình phc  
tạp thường được ghép tnhiu SPLD trên mt chip đơn. Slượng  
cổng tương đương ca CPLD đạt thàng nghìn đến hàng chc nghìn  
cổng.  
v FPGA (Field – Programmable Gate Array) là IC khtrình được cu  
trúc tmng các khi logic lp trình được.  
PROM (Programmable Read – Only Memory) được phát minh bi Wen  
Tsing Chow năm 1956 khi làm vic ti Arma Division ca công ty American  
Bosch Arma ti Garden, New York. PROM được chế to theo đơn đặt hàng từ  
lực lượng không quân Mlúc by givi mc đích có được mt thiết blưu  
trcác tham svmc tiêu mt cách an toàn và linh động. Thiết bnày dùng  
trong máy tính ca hthng phóng tên la Atlas E/F và được gibí mt trong  
vòng vài năm trước khi Atlas E/F trnên phbiến. PROM là vi mch lp  
trình đầu tiên và đơn gin nht trong nhóm các vi mch bán dn có thlp  
trình được (PLD – Programmable Logic Device).  
PAL (Programmable Array Logic) ra đời cui nhng năm 1970. Cu trúc  
của PAL kế tha cu trúc ca PROM, sdng hai mng logic nhưng nếu như  
các PROM mng OR là mng lp trình được thì PAL mng AND lp trình  
được, còn mng OR được gn cng, nghĩa là các thành phn tích có ththay  
đổi nhưng thp ca chúng scố định, ci tiến này to slinh hot hơn trong  
5
vic thc hin các hàm khác nhau. Ngoài ra cu trúc PAL còn phân bit vi  
PROM là mi đầu ra ca mng OR lp trình được được dn bi khi logic  
gọi là Macrocell.  
PLA (Programmable Logic Array) ra đời năm 1975, và là chip lp trình  
thhai sau PROM. Cu trúc ca PLA không khác nhiu so vi cu trúc ca  
PAL, ngoi trkhnăng lp trình chai ma trn AND và OR. Nhcu trúc  
đó mà PLA có khnăng lp trình linh động hơn, nhưng bù li tc độ ca PLA  
thp hơn nhiu so vi PROM và PAL và các sn phm cùng loi. Thc tế  
PLA được ng dng không nhiu và nhanh chóng bthay thế bi nhng công  
nghmi hơn như GAL, CPLD,…  
GAL (Generic Array Logic) được phát trin bi công ty Lattice  
Secmiconductor vào năm 1983. Cu trúc ca GAL không khác bit PAL  
nhưng thay vì lp trình sdng công nghcu chì nghch thì GAL dùng công  
nghPROM CMOS xóa bng điện, chính vì vy mà đôi khi tên gi GAL ít  
được sdng, mà còn gi là PAL được ci tiến.  
Tất ccác chip khtrình PROM, PAL, GAL có khuyết điểm là thiết kế  
đơn gin, chi phí thp cho sn xut cũng như thiết kế, có thchuyn ddàng  
từ công nghnày sang công nghkhác. Tuy nhiên, nhược điểm ca nó là tc  
độ làm vic thp, slượng cng logic tương đương nh, do đó không đáp ng  
được nhng thiết kế phc tp đòi hi nhiu tài nguyên và tc độ cao hơn,  
chính vì vy mà CPLD (Complex Programmable Logic Devices) ra đời.  
CPLD được Altera tiên phong nghiên cu và chế to đầu tiên, nhm to  
ra nhng IC khtrình dung lượng ln như MAX5000, MAX7000. Sau sự  
thành công ca hãng Altera, thì mt lot các hãng khác cũng bt tay vào  
nghiên cu chế to CPLD như Xilinx vi các dòng sn phm như hCPLD  
XC95xx, Lattice vi hISP Mach 4000, ISP March XO,…  
Số lượng cng ca CPLD ngày càng trnên nhcho nhng ng dng  
lớn và phc tp hơn. Năm 1985, công ty Xilinx đưa ra ý tưởng hoàn toàn  
mới, đó là kết hp thi gian hoàn thành sn phm và khnăng điều khin  
được ca PLD vi mt độ ưu thế vchi phí ca Gate Array để to ra FPGA  
(Field Programmable Gate Array). Hin nay, Xilinx vn là nhà sn xut chip  
FPGA smt trên thế gii. FPGA có cu trúc và hot động phc tp hơn  
CPLD.  
1.1.2.Cu trúc ca mt blpi tình cnhỏ  
Trong phn này trình bày cu trúc ca mt sloi IC khtrình thuc  
dòng SPLD như PAL, GAL, PLA.  
PAL:  
6
PAL được cu trúc tcác mng AND lp trình được và các mng OR  
được gn cng, đồng thi mi đầu ra ca mng OR lp trình được dn bi  
khi logic gi là Macrocell như trong hình 1.1.  
Hình 1.1 – Cu trúc PAL  
Hình 1.2 minh ha cho ta thy mt macrocell (MC). Mi macrocell cha  
một flip–flop, bmux2 và mux8 và cng logic ba trng thái. Tín hiu điều  
khin ca mux4 có thể được lp trình để cho phép dn tín hiu ln lượt qua  
các đầu vào 0, 1, 2, 3 ca bmux4 và gi ra ngoài cng giao tiếp IO. Tùy  
thuc vào cu hình này mà tín hiu có thể được gi ra ngoài IO hay không.  
7
Hình 1.2 – Cu trúc Macrocell  
Nhcó cu trúc macrocell mà PAL có thể được sdng không nhng để  
thc hin các hàm logic thp mà ccác hàm logic tun t.  
PLA:  
Cấu trúc PLA khác cu trúc PAL là chPLA có thlp trình chai  
ma trn AND và ma trn OR (hình 1.3).  
Hình 1.3 – Cu trúc PLA  
8
GAL  
Như đã trình bày phn 1.1, thì cu trúc ca GAL không khác bit PAL,  
nhưng thay vì lp trình sdng công nghcu chì nghch thì GAL sdng  
công nghPROM CMOS xóa bng điện, do đó GAL cho phép lp trình li  
ging như EEPROM.  
9
Hình 1.4 – Cu trúc hvi mch GAL  
Cấu trúc cơ bn ca CPLD:  
Mục tiêu: trình bày cho người hc hiu rõ cu trúc cơ bn ca hvi  
mạch khtrình CPLD.  
Hình 1.5 – Cu trúc cơ bn ca CPLD  
Thiết bkhtrình phc tp CPLD (Complex PLD) có mt độ logic cao  
n so vi các PLD đơn gin đã xem xét phn trên. CPLD bao gm nhiu  
mạch logic, mi mch có thcoi là mt SPLD. Trong mt mch đơn chthc  
hin các chc năng logic đơn gin. Các chc năng logic phc tp cn số  
lượng khi nhiu hơn, sdng ma trn liên kết chung gia các khi để to kết  
nối. CPLD thường dùng để điều khin ghép cng phc tp tc độ rt cao  
(5ns, tương đương vi 200MHz). Cu trúc cơ bn ca CPLD được minh ha  
trong hình 1.5.  
CPLD có cu trúc đồng nht gm nhiu khi chc năng "Function  
Block" được kết ni vi nhau thông qua mt ma trn kết ni "FastCONECT  
10  
Switch matrix". Mi khi function block gm có mt khi logic - gm các  
dạng tích AND và OR sp xếp ging PLA hoc PAL, cho phép thc hin các  
hàm logic thp, và nhiu khi MC (Macrocell) có cha tài nguyên là các  
Trigơ cho phép xây dng các thanh ghi và mch tun t. Phn lõi bên trong  
của CPLD được ni ra bên ngoài thông qua các khi vào ra I/O cho phép thiết  
lập chc năng cho các chân ca IC có chc năng vào hoc ra hoc va là chân  
vào va là chân ra, ngoài ra còn có ththiết lp các chân I/O này làm vic ở  
các mc logic khác nhau, có điện trpull-up hoc pull-down,...  
Với cu trúc đồng nht, giá thành r, tính năng khá mnh, dsdng nên  
CPLD đã và đang được sdng rt rng rãi trong thc tế, giúp cho nhà sn  
xut phát trin nhanh sn phm ca mình vi giá thành r. Đặc bit hin nay  
các hãng đã phát trin các hCPLD vi tính năng rt mnh, công sut tiêu thụ  
thp, chúng đang được sdng rt nhiu để phát trin các sn phm điện t,  
vin thông, công nghthông tin, nht là trong các thiết bcm tay, di động…  
Trong thc tế rt có nhiu loi CPLD khác nhau, ca các hãng khác  
nhau, và đã được phát trin vi nhiu chng loi, thế hCPLD khác nhau.  
Cấu to, dung lượng, tính năng, đặc điểm, ng dng… ca mi loi CPLD  
ng rt khác nhau. Trong giáo trình này không đi sâu trình bày cu to cthể  
của tt ccác hCPLD, mà chtrình bày kiến trúc chung đơn gin nht ca  
CPLD. Khi sdng cthloi CPLD nào, người hc nên tham kho các tài  
liu khác, nht là tham kho các tài liu kthut được cung cp kèm theo cu  
kin do các hãng đưa ra (datasheet). Các hãng điện tni tiếng trên thế gii  
đang shu, phát trin, cung cp các loi linh kin CPLD là Xilinx, Altera…  
Cấu trúc cơ bn ca FPGA:  
11  
Hình 1.6 – Cu trúc ca FPGA  
Hình 1.6 trình bày cu trúc tng quan nht cho các loi FPGA hin nay.  
Cấu trúc chi tiết và tên gi ca các thành phn có ththay đổi tùy theo các  
hãng sn xut khác nhau, nhưng vcơ bn FPGA được cu thành tcác khi  
logic (Logic Block), slượng ca các khi này thay đổi tvài trăm đến vài  
chc nghìn, và được btrí dưới dng ma trn, chúng được kết ni vi nhau  
thông qua hthng các kênh ni khtrình. Hthng này còn có nhim vkết  
nối vi các cng giao tiếp vào ra (IO_PAD) ca FPGA. Slượng các chân  
vào ra thay đổi tvài trăm đến hàng nghìn chân.  
Bên cnh các thành phn chính đó, nhng FPGA cln còn được tích  
hợp cng nhng khi thiết kế sn mà thut nggi là Hard IP cores, các IP  
cores này có thlà các bnhRAM, ROM, các khi thc hin phép nhân,  
khi thc hin phép xlý tín hiu s(DSP),…bvi xlý cnhvà va như  
Power PC hay ARM.  
1.2.Thiết bị điều khin lp trình  
1.2.1. Địa chcác ngõ vào/ ra.  
Cấu trúc cơ bn ca hCPLD XC9500 được mô ttrong hình 2.1.  
12  
Hình 2.1 – Cu trúc hCPLD XC9500  
Mỗi khi chc năng (Function Block: FB) được cho trong hình 2.1 bao  
gồm 18 macrocell độc lp nhau, mi macrocell có ththc thi các hàm kết  
hợp hoc thanh ghi.  
Mỗi khi FB có bnhn xung clock, kết ni đến ngõ ra và set/reset các  
tín hiu. Các FB to ra 18 ngõ ra kết ni ti ma trn Fast CONNECT switch.  
.
Hình 2.2 – Khi FB ca XC9500  
13  
Hình 2.3 – Cu trúc macrocell bên trong khi FB  
1.2.2. Phn chchvtrí và kích thước ca ô nh.  
Khi IO (IOB) giao tiếp ga các logic bên trong và các chân người dùng  
bên ngoài. Mi IOB bao gm bộ đệm ngõ vào, blái, bmux ngõ ra và bộ  
điều khin tiếp đất người dùng có thlp trình được (hình 2.4).  
Bộ đệm ngõ vào tương thích vi chun CMOS 5V, TTL 5V và các mc  
tín hiu 3.3V. Bộ đệm ngõ vào sdng điện áp cung cp bên trong 5V  
(VCCINT) để đảm bo ngưỡng ngõ vào là hng svà không khác vi điện áp  
VCCIO  
.
Ngõ ra kết ni có thể được to ra tmt trong bn la chn: tín hiu  
được to ra tmacrocell, các tín hiu OE toàn cc, luôn luôn là mc “1” hoc  
luôn luôn mc “0”. Có hai ngõ vào kết ni toàn cc cho thiết bvi 144  
macrocell, và bn ngõ vào kết ni toàn cc kết ni ti các thành phn. Chai  
cực ca bộ điều kin ba trng thái ca các chân (GTS) có thể được sdng  
trong thiết b.  
14  
Hình 2.4 – Khi IO và kết ni ngõ ra ca CPLD XC9500  
1.2.3. Ma trn Fast CONNECT Switch  
Ma trn Fast CONNECT switch kết ni các tín hiu ti các ngõ vào FB  
(hình 2.5). Tt các các ngõ IOB (tương ng vi các chân ngõ vào người dùng)  
và tt ccác ngõ ra lái ma trn Fast CONNECT.  
15  
Hình 2.5 – Ma trn Fast CONNECT Switch  
1.2.4 Cu trúc bnhớ  
Lập trình trong hthng:  
XC9500 được lp trình trong hthng vi chun JTAG 4 chân (JTAG:  
Joint Test Group). Khi lp trình, tt ccác port ngõ vào trong khi I/O được  
thiết lp mc cao “H”.  
16  
Hình 2.6 – Kết ni CPLD vi chuJTAG  
1.3. Xlí chương trình  
1.3.1. Vòng quét chương trình  
Hình 3.1 – Cu trúc chung ca hFPGA Spartan 3E  
FPGA spartan 3E được cu trúc tcác thành phn sau:  
v CLBs (Configuration Logic Blocks): là các khi cha các LUTs  
(Look Up Tables) để thc thi các phép lưu trlogic như flip-flop hay  
cht, thc thi các hàm logic.  
v IOBs (Input/Output Blocks): là các khi điều khin dliu gia các  
chân I/O và các logic bên trong ca thiết b. Mi IOB htrdliu  
hai chiu hot động ba trng thái.  
v Khi RAM: cung cp cho vic lưu trdliu vi các khi RAM  
18Kbit  
v Khi Multiplier : Tính toán các snhphân 18 bit  
v Khi DCM (Digial Clock Manager): cung cp các gii pháp đo, tr,  
nhân, chia và dch pha các tín hiu clock  
1.3.2. Cu trúc chương trình  
Khi logic khtrình ca FPGA ca hãng Xilinx là các khi CLB. CLB là  
phn tcơ bn cu thành FPGA, là ngun tài nguyên logic chính to nên các  
mạch logic.  
Mỗi CLB được cu thành t4 Slice, mi Slice li được cu thành t2  
LUT (Look Up Tables). Phân bca các CLB được thhin hình 3.2.  
17  
Hình 3.2 – Phân bca các CLB trong FPGA  
Các CLB được phân btheo hàng và theo ct, mi CLB được xác định  
bằng mt ta độ X và Y trong ma trn. Đối vi Spartan 3E thì slượng hàng  
thay đổi t22 đến 76, slượng ct t16 đến 56 tùy thuc vào các linh kin  
cụ th.  
a. SLICE:  
Mỗi CLB được to thành t4 slice và các slice này chia làm hai nhóm  
trái và nhóm phi. Nhóm 2 slice bên trái có khnăng thc hin các chc năng  
logic và làm vic như phn tnhnên được gi là SLICEM (Slice Memory).  
Nhóm hai slice bên phi chthc hin được các chc năng logic nên được gi  
là SLICEL (Slice Logic). Thiết kế như vy xut phát tthc tế nhu cu thc  
hin chc năng logic thường ln hơn so vi nhu cu lưu trdliu, do đó  
vic htrchmt na làm vic như phn tnhlàm gim kích thước và chi  
phí FPGA, mt khác làm tăng tc độ làm vic cho toàn khi.  
18  
Hình 3.3 – Btrí slice bên trong mt CLB  
Cả hai thành phn SLICEM và SLICEL có cha các thành phn để thc  
thi các hàm logic, thut toán và ROM:  
LUT  
Thành phn lưu trữ  
Hai bmux mrng F5MUX và FiMUX  
Logic nhvà logic shc  
Ngoài ra SLICEM htrthêm hai RAM phân b16x1 gi là RAM16 và  
hai thanh ghi dch 16 bit là SRL16 như hình 3.4.  
Hình 3.4 – Phân btài nguyên trong SLICEM và SLICEL  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 125 trang Thùy Anh 05/05/2022 5160
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình nghề Điện tử công nghiệp - Môđun: Vi mạch số lập trình", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_nghe_dien_tu_cong_nghiep_modun_vi_mach_so_lap_tri.pdf