Рис 2.1.3 Разделяемый логический расширитель
Параллельный логический расширитель (рис. 2.1.4) позволяет использовать локальные матрицы смежных макроячеек для реализации функций, в которые входят более 5 термов. Одна цепочка параллельных расширителей может включать до 4 макроячейки, реализуя функцию 20 термов. Компилятор системы Max+Plus II поддерживает размещение до 3-х наборов не более 5 параллельных расширителей в каждом.

Рис 2.1.4 Параллельный логический расширитель
На рис. 2.1.5 приведена структура программируемой матрицы соединений.
На ПМС выводятся сигналы от всех возможных источников: элементов ввода-вывода, сигналов обратной связи логического блока, специализированных выделенных выводов. В процессе программирования только необходимые сигналы «заводятся» на каждый логический блок.

Рис 2.1.5 Структура ПМС ПЛИС семейства МАХ3000
На рис 2.1.6 приведена схема элемента ввода-вывода (ЭВВ) ПЛИС семейства MAX3000. ЭВВ позволяет организовать режимы работы с открытым коллектором и третьим состоянием.

Рис 2.1.6 Элемент ввода вывода
Выберем микросхему ПЛИС семейства MAX3000 – EPM3265ACT144. Данная микросхема является недорогой, содержит достаточное количество макроячеек (256), удовлетворяет параметрам по быстродействию (максимум 156 МГц). Единственная сложность, микросхема имеет большое количество выводов при маленькой площади, что существенно усложняет ее монтаж [3][4].

 

2.2 Компаратор

Компаратор сравнивает сигнал с опорным напряжением и оставляет только импульсы с заданной амплитудой. Выходной сигнал компаратора должен быть в виде TTL уровня. В соответствии с заданными характеристиками был выбран компаратор фирмы Analog Devices AD8561.

Рис 2.2.1 Расположение выводов компаратора

Таблица 2.2.1 Общее техническое описание V+ = +5.0 V,  V– = VGND = 0 V, TA = +25 C

Параметры	Обозначения	Условия эксплуатации		min	max	Единицы измерения
Входная емкость	CIN				3	пФ
Диапазон входных напряжений	VCM			0	3.0	В
Длительность импульса	tPW(E)				6	нс
время срабатывания	ts				1	нс
время удержания	tH				1.2	нс
Цифровой выход (по напряжению)
Логическая “1”	VOH			3.5	V+	В
Логический “0”	VOL			0.25	0.4	В
Динамические характеристики
задержка распространения	tP	Продолжительность 200 mV с шагом 100 mV –40C TA +85		6.7	13	нс
Питание
Ток источника питания(положительный)	I+	–40C TA +85C		4.5	6.0	мА

Рис 2.2.2(Физические параметры)
Перед компаратором необходимо поставить делитель, для обеспечения согласования по напряжению и сопротивлению [5].

2.3 Генератор тактовой частоты

Генератор тактовой частоты необходим для задания временного масштаба счетного устройства на ПЛИС. По тактам генератора будет работать счетное устройство. Был выбран генератор фирмы Auch JCO series с высотой импульсов 5В для CMOS и TTL логики.*
Таблица 2.3.1 Общее техническое описание:

Частота	20.0 МГц
Ток потребления	25 мА
Стабильность частоты	± 100 ppm (A-type)*
Емкость нагрузки	50 пФ или 10 TTL
Максимальное время спада и подъема	6 нс
Уровень выходного сигнала максимально низкого (лог. «0»)	0.4 В
Уровень выходного сигнала минимально высокого(лог. «1»)	VDC - 0.5 В

Рис 2.3.1 (Физические параметры)

Рис 2.3.2 (Форма выдаваемого сигнала)

 

2.4 Индикатор

Был выбран двух строчный индикатор WH1602A с внутренней видео памятью и контролером HD44780.

Рис 2.4.1(Внешний вид и габариты индикаторы)

2.4.1 Описание контроллера HD44780

Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении. Возможность оснащения ЖКИ-модулей задней подсветкой позволяет эксплуатировать их в условиях с пониженной или нулевой освещенностью, а исполнение с расширенным диапазоном температур (-20°С...+70°С) в сложных эксплуатационных условиях, в том числе в переносной, полевой и даже, иногда, в бортовой аппаратуре.
Контроллер HD44780 потенциально может управлять 2-мя строками по 40 символов в каждой (для модулей с 4-мя строками по 40 символов используются два однотипных контроллера), при матрице символа 5 х 7 точек.[6]
Изучая каталоги различных фирм-производителей ЖКИ-модулей, можно убедиться, что одни форматы и конструктивы являются собственными разработками и не обнаруживают аналогов в номенклатуре остальных фирм, другие являются фактическими стандартами и производятся большинством изготовителей. В качестве примера можно назвать ЖКИ-модуль формата 24 х 2, именуемый PC2402-A у Powertip, ED24200 у EDT, DMC-24227 у Optrex, SC2402A у Bolymin, MDLS-24265 у Varitronix, PVC240202 у Picvue и др., все эти модули имеют одинаковые конструктивные размеры и являются взаимозаменяемыми.
В рамках одного конструктива ЖКИ-модуль может иметь еще ряд модификаций. В частности, могут применяться несколько типов ЖКИ, отличающихся цветом фона и цветом символов, а также по применяемым ЖК-материалам и структуре: TN, STN и FSTN типа. ЖКИ STN и FSTN типа имеют более высокую стоимость, но одновременно обладают повышенной контрастностью и вдвое большим максимальным углом обзора, причем ЖКИ FSTN типа имеют лучшие характеристики, чем STN.
ЖКИ-модули могут оснащаться задней подсветкой, размещаемой между ЖКИ и печатной платой, для чего ЖКИ производятся с полупрозрачным или прозрачным задним слоем (в последнем случае считывание информации возможно только при наличии подсветки). Собственно подсветка может быть реализована несколькими способами: с помощью электролюминесцентной панели, представляющей собой тонкую пленку, излучающую свет при прикладывании переменного тока повышенного напряжения порядка 100...150 В; люминисцетной лампой с холодным катодам (также работающей при повышенном напряжении), излучение которой равномерно распределяется по всей площади ЖКИ с помощью отражателя или плоского счетовода; третий вариант - подсветка на основе светодиодной матрицы.
Первые два способа подсветки обеспечивают высокую яркость и могут иметь белый тон свечения при относительно низком потреблении, но требуют наличия источника повышенного напряжения, что создает некоторые трудности при создании аппаратуры с автономным питанием. Напротив, светодиодная подсветка не требует высоковольтного источника (прямое падение напряжения составляет 4,2 В) и при использовании несложного источника тока позволит производить питание от источника с напряжением 5 В диапазоне температур (-20°С...+70°С).[7]

 

2.4.2 Подключение ЖКИ-модуля

Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая 8 или 4 (выбирается программно) линий данных DB0...DB7, линию выбора операции R/W, линию выбора регистра RS и линию стробирования/синхронизации Е. Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания 5 В - GND и VCC, и линия для подачи напряжения питания драйвера ЖКИ - V0.

Рис 2.4.2. Подача питания на ЖКИ-модуль
На начальном этапе необходимо подать питание на ЖКИ-модуль и добиться от него признаков работоспособности. Схема включения модуля, рассчитанного на стандартный диапазон температур, показана на рис.2.4.2а. Подстроечный резистор R1 позволяет плавно менять напряжение питания драйвера ЖКИ, что приводит к изменению угла поворота жидких кристаллов. Этим резистором можно отрегулировать фактическую контрастность при некотором преимущественном угле наблюдения (снизу-вверх или сверху-вниз). Включение в данную схему ЖКИ-модуля, рассчитанного на расширенный диапазон температур, не приведет к успеху, так как из-за особенностей применяемых в них ЖК-материалов, эти ЖКИ требуют повышенного напряжения питания и при питании напряжением 5 В изображение либо будет отсутствовать совсем, либо будет слабоконтрастным. Для преодоления ситуации необходимо подать на вывод V0 отрицательное напряжение (напряжение на ЖКИ определяется разностью VCC и V0), составляющее в предельном случае - 5 В. Если в схеме отсутствует источник отрицательного напряжения, то не составляет труда собрать простейший преобразователь, например, по схеме на рис 2.4.2б.
Для активизации ЖКИ-модуля подается напряжение питания и регулируется движок резистора R1 (рис. 2.4.2). После окончания цикла внутренней инициализации модуль включается в режим развертки одной верхней строки. При изменении напряжения на выводе V0 сегменты этой строки должны менять свое состояние от прозрачного до непрозрачного, что является свидетельством правильного подключения питания модуля и работоспособности контроллера и драйверов ЖКИ. Движок устанавливается в такое положение, при котором изображение сегментов в верхней строке едва проступает на основном фоне ЖКИ. Теперь ЖКИ-модуль готов к приему и отображению информации. После того, как появится отображения на индикаторе какого-либо текста, можно более точно отрегулировать изображение в соответствии с необходимой контрастностью и требуемым углом наблюдения.
Для соединения модуля с управляющей системой можно выбрать один из двух вариантов: по 8-ми или 4-х разрядной шине. В первом случае потребуется 11 сигнальных линий, во втором - только 7. Сам процесс обмена также может быть организован двояко.
Можно подключить ЖКИ-модуль к системной шине (если таковая имеется) и выполнить обмен в синхронном режиме с максимальной скоростью. Но это может потребовать введения дополнительных схем для замедления скорости работы шины при выполнении операций обмена с ЖКИ-модулем, и подключение к системной шине в большинстве случаев потребует вводить схемы дешифрации и формирования сигналов Е и R/W, что опять приведет к дополнительным затратам. Все сказанное выше не означает, что вариант с подключением к шине принципиально неэффективен. В какой-то конкретной системе этот способ, наоборот, может быть самым оптимальным. Кроме того, некоторые современные процессоры, например, семейство МС68НС12, имеет встроенные средства для формирования сигналов выборки (CS), с возможностью программно определить скорость обмена с каждым конкретным устройством.
Другой вариант обмен с ЖКИ-модулем выполняется чисто программными средствами, через порты ввода-вывода. Вариант соединения с системной шиной, напротив, требует рассмотрения конкретных устройств, поэтому необходимо изучить временные диаграммы операций чтения и записи, приведенные на рис 2.4.4 и 2.4.5, а также значения временных параметров, приведенные в табл.2.4.5, 6 и сконструировать соответствующие управляющие схемы.
В данной работе используется именно этот вариант.

Рис 2.4.3 Подключение к управляющей системе
В соответствии с временной диаграммой (рис.2.4.4, 5 ) в исходном состоянии сигнал Е = 0, сигнал R/W = 0, значение сигнала RS - произвольное, шина данных DBO...DB7 в состоянии высокого импеданса (НI). Такое состояние управляющих сигналов (E и R/W) должно поддерживаться все время в промежутках между операциями обмена с ЖКИ-модулем. Шина данных в эти моменты в принципе свободна, и может использоваться в мультиплексном режиме для каких-либо других целей, например, для сканирования матрицы клавиатуры. Естественно, необходимо позаботиться об исключении конфликтов на шине данных в момент совершения операций обмена с ЖКИ-модулем.[8]
Последовательности действий, которые необходимо выполнять управляющей системе при совершении операций записи и чтения для 8-ми и 4-х разрядной шины приведены соответственно в табл 2.4.1...4.

Таблица 2.4.1 Операции записи для 8-ми разрядной шины

1.Установить значение линии RS

2.Вывести значение байта данных на линии шины DB0...DB7

3.Установить линию Е = 1

4.Установить линию E = 0 5.Установить линии шины DB0...DB7 = HI

Таблица 2.4.2 Операции чтения для 8-ми разрядной шины

1.Установить значение линии RS

2.Установить линию R/W = 1

3.Установить линию Е = 1

4.Считать значение байта данных с линий шины DB0...DB7

5.Установить линию Е = 0

6.Установить линию R/W = 0

Таблица 2.4.3 Операция записи для 4-х разрядной шины

1. Установить значение линии RS

2. Вывести значение старшей тетрады байта данных на линии шины DB4...DB7

3. Установить линию Е = 1

4. Установить линию Е = 0

5. Вывести значение младшей тетрады байта данных на линии шины DB4...DB7

6. Установить линию Е = 1

7. Установить линию Е = 0

8. Установить линии шины DB4...DB7 = HI

Таблица 2.4.4 Операция чтения для 4-х разрядной шины

1.                   Установить значение линии RS

2.                   Установить линию R/W = 1 3.                   Установить линию Е = 1

4.                   Считать значение старшей тетрады байта данных с линий шины DB4...DB7

5.                   Установить линию Е = 0

6.                   Установить линию Е = 1

7.                   Считать значение младшей тетрады байта данных с линий шины DB4...DB7

8.                   Установить линию Е = 0

9.                   Установить линию R/W = 0

Рис 2.4.4. Временная диаграмма операции записи

Рис 2.4.5 Временная диаграмма операции чтения
Приведенные в табл 2.4.1...4 операции подразумевают, что время выполнения каждого шага составляет не менее 250 нс. Однако  это условие может быть легко нарушено, поэтому необходимо тщательно контролировать минимальные значения временных интервалов, чтобы они всегда находились в области допустимых значений, указанных в таблице 2.4.5, 6 и при необходимости вводить задержки.

Таблица 2.4.5 Значения временных характеристик. Операция записи

Параметр	Обозначение	Мин.	Макс.	Единица
Период сигнала Е	tcycE	500	-	нс
Положительный полупериод сигнала Е	PWEH	230	-	нс
Фронт/спад сигнала Е	tEr, tEf	-	20	нс
Установление адреса	tAS	40	-	нс
Удержание адреса	tAH	10	-	нс
Установление данных	tDSW	80	-	нс
Удержание данных	tDSW	10	-	нс

Таблица 2.4.6 Значения временных характеристик. Операция чтения

Параметр	Обозначение	Мин.	Макс.	Единица
Период сигнала Е	tcycE	500	-	нс
Положительный полупериод сигнала Е	PWEH	230	-	нс
Фронт/спад сигнала Е	tEr, tEf	-	20	нс
Установление адреса	tAS	40	-	нс
Удержание адреса	tAH	10	-	нс
Установление данных	tDSW	-	160	нс
Удержание данных	tDSW	5	-	нс

Описанные выше операции записи/чтения байта являются базовыми для осуществления обмена с ЖКИ-модулем. Реализация этих двух операций - единственное, что отличает процесс обмена по 8-ми разрядной шине от обмена по 4-х разрядной шине. На основе этих двух операций, реализованных программно (когда модуль подключен к портам Ввода/Вывода какого нибудь  устройства), или аппаратно (когда модуль подключен к системной шине), строятся все виды операций программирования и управления.

2.4.3 Программирование и управление ЖКИ-модуля:

Управление контроллером ведется посредством интерфейса управляющей системы. Основными объектами взаимодействия являются регистры DR и IR. Выбор адресуемого регистра производится линией RS, если RS = 0 - адресуется регистр команд (IR), если RS = 1 - регистр данных (DR).
Данные через регистр DR, в зависимости от текущего режима, могут помещаться (или прочитываться) в видеопамять (DDRAM) или в ОЗУ знакогенератора (CGRAM) по текущему адресу, указываемому счетчиком адреса (АС). Информация, попадающая в регистр IR, интерпретируется устройством выполнения команд как управляющая последовательность. Прочтение регистра IR возвращает в 7-ми младших разрядах текущее значение счетчика АС, а в старшем разряде флаг занятости (BF).
У контроллера HD44780 существует набор внутренних флагов, определяющих режимы работы различных элементов контроллера (таблица 2.4.7). В таблице 2.4.8 приведены значения управляющих флагов непосредственно после подачи на ЖКИ-модуль напряжения питания. Переопределение значений флагов производится специальными командами, записываемыми в регистр IR, при этом комбинации старших битов определяют группу флагов или команду, а младшие содержат собственно флаги.
Таблица 2.4.7 Флаги, управляющие работой контроллера HD44780
Таблица 2.4.8 Значения управляющих флагов после подачи питания
Список управляющих комбинаций битов регистра IR и выполняемые ими команды приведены в таблице 2.4.9. Так как на момент включения ЖКИ-модуль ничего не отображает (флаг D = 0), то для того, чтобы вывести какой-либо текст необходимо, как минимум, включить отображение, установив флаг D = 1. Вот пример широко распространенной последовательности для инициализации ЖКИ-модуля: , $OC, 6 (знак "$" перед числом указывает на шестнадцатеричное основание) устанавливает режим отображения 2-х строк с матрицей 5 х 8 точек и работу с 8-ми разрядной шиной данных; $OC включает отображение на экране ЖКИ-модуля, без отображения курсоров; 6 устанавливает режим автоматического перемещения курсора слева-направо после вывода каждого символа.

Таблица 2.4.9. Управляющие комбинации битов регистра IR
Контроллер HD44780 поддерживает как операции записи, так и операции чтения. Чтение регистра DR приводит к загрузке содержимого DDRAM или CGRAM, в зависимости от текущего режима, при этом курсор смещается на одну позицию, как и при записи. Чтение регистра IR возвращает 8 значащих разрядов, причем в 7-ми младших содержится текущее значение счетчика АС (7 разрядов, если адресуется DDRAM, и 6 - если CGRAM), а в старшем - флаг занятости BF. Этот флаг имеет значение 1 когда контроллер занят и 0 - когда свободен. Необходимо учитывать, что большинство операций, выполняемых контроллером, занимают значительное время, около 40 мкс, а время выполнения некоторых доходит до единиц миллисекунд, поэтому цикл ожидания снятия флага BF должен обязательно присутствовать в программах драйвера ЖКИ-модуля и предшествовать совершению любой операции (естественно, кроме операции проверки флага BF).
Один важный момент! После совершения операции записи или чтения DDRAM и появления после нее признака готовности (BF = 0), прочитанное в этом же цикле (вместе с флагом BF) значение АС, скорее всего не будет достоверным. Дело в том, что между появлением признака готовности и вычислением контроллером нового значения АС существует некоторый временной интервал, составляющий около 4 мкс при тактовой частоте контроллера 270 кГц. Поэтому, если необходимо получить истинное значение АС, нужно совершить повторную операцию прочтения IR спустя не менее чем 4 мкс (если контроллер работает на частоте 270 кГц время ожидания необходимо пропорционально увеличить).
Вывод на экран символа производится записью его кода в регистр DR. При этом символ размещается в DDRAM по текущему адресу, указываемому АС, а значение АС увеличивается или уменьшается на 1. Чтобы произвести переустановку курсора на нужную позицию, необходимо присвоить АС соответствующее значение (см. таблицу 2.4.9). Здесь есть одна тонкость. Когда производится последовательная запись символов и в результате заполняется вся строка, курсор автоматически переходит на вторую строку, но если необходимо принудительно установить курсор, скажем, на начало второй строки, то будет неверным присвоить АС казалось бы логичное значение (40), правильным является значение (64). Значения адресов DDRAM в диапазоне ...fF (а равно и ...F) являются неопределенными и результаты работы с ними могут быть непредсказуемыми.
Необходимо учитывать, что контроллеры, устанавливаемые на ЖКИ-модули, могут иметь различные наборы символов, причем это может зависеть как от производителя контроллера, так и от модификации данной конкретной модели. Например, фирма Powertip выпускает ЖКИ-модули с четырьмя базовыми модификациями наборов символов: японской, европейской, французской и русской.
Более того, существует как минимум два варианта русского набора символов: контроллер фирмы Hitachi (H2 по маркировке фирмы Powertip) и контроллер фирмы Epson (EH по маркировке Powertip). Контроллер фирмы Hitachi обладает существенным недостатком - у него весьма ограниченный набор русских символов, фактически у него имеются только прописные русские буквы, и даже среди них отсутствует символ "Ф". Напротив, контроллер фирмы Epson содержит полный набор русских символов в прописном и строчном вариантах, поэтому он весьма удобен для отечественных применений. Это свойство контроллеров фирмы Epson обеспечило им заслуженную популярность на российском рынке, поэтому в последнее время основная масса импортируемых в нашу страну ЖКИ-модулей оснащены именно этим контроллером; в качестве примера в таблице 2.4.10 приведен набор символов этого контролера.
Таблица 2.4.10.Таблица кодов символов контроллера Epson набор "Russian"

Из допустимых для размещения в DDRAM кодов символы с кодами <--DESCRIPTION-->0...7 (и их дубликат с кодами 8...<--DESCRIPTION-->F) имеют специальное назначение - это переопределяемые символы, графическое изображение которых может назначить сам потребитель, разместив соответствующую информацию в области CGRAM. Для программирования доступны 8 переопределяемых символов в режиме с матрицей 5 х 7 точек и 4 с матрицей 5 х 10 (в режиме 5 х 10 переопределяемые символы адресуются кодами DDRAM через один: <--DESCRIPTION-->0, 2, 4, 6). Для кодирования матрицы используются горизонтально "уложенные" байты, пять младших битов которых несут информацию о рисунке (причем 1 означает, что сегмент будет включен), 4-й разряд каждого из 8-ми (или 11-ти в режиме 5 х 10) байтов матрицы определяет левую колонку символа, а 0-й - правую. Старшие три бита не используются, равно как и старшие пять байтов, составляющих полную область матрицы символа (16 байтов) в режиме 5 х 10 (обратите внимание, что матрица программируемых символов допускает использование полной высоты строки (8 строчек для режима 5 х 7 и 11 строчек для режима 5 х 10), то есть можно размещать точки в области подчеркивающего курсора).
Чтобы определить собственный символ необходимо установить счетчик АС на адрес начала матрицы требуемого символа в CGRAM - <--DESCRIPTION-->0, 8, и т.д. (<--DESCRIPTION-->0, , для режима 5 х 10 точек) - произвести перезапись всех байтов матрицы, начиная с верхней строки. После этого, записав в DDRAM код запрограммированного символа: <--DESCRIPTION-->0, 1, 2 (<--DESCRIPTION-->0, 2, 4 для режима 5 х 10 точек), на экране в соответствующем месте будет отображаться переопределенный символ.
Несколько слов о процессе инициализации ЖКИ-модуля. Производитель контроллера рекомендует выполнять следующую последовательность действий для инициализации. Выдержать паузу не менее 15 мс между установлением рабочего напряжения питания (> 4,5 В) и выполнением каких-либо операций с контроллером. Первой операцией выполнить команду, выбирающую разрядность шины (это должна быть команда независимо от того, какой разрядности интерфейс вы собираетесь использовать в дальнейшем), причем перед выполнением этой операции не проверять значение флага BF. Далее опять выдержать паузу не менее 4,1 мс и повторить команду выбора разрядности шины, причем перед подачей команды вновь не производить проверку флага BF. Следующим шагом необходимо вновь выдержать паузу, на этот раз 100 мкс, и в третий раз повторить команду установления разрядности шины, вновь без проверки BF. Эти три операции являются инициализирующими и призваны вывести контроллер в исходный режим работы (то есть перевести в режим работы с 8-ми разрядной шиной) из любого состояния. Следом за ними нормальным порядком (без выдерживания пауз, но с проверкой флага BF) выполняется инициализация режимов работы с выдачей инициализирующей последовательности, аналогичной указанной в таблице 2.4.7 (содержащей в том числе команду выбора необходимой разрядности шины).
Необходимо помнить, что когда Вы объявляете режим работы с 4-х разрядной шиной, то есть выдаете команду , то делаете это обычно из 8-ми разрядного режима, который устанавливается автоматически после подачи напряжения питания, а значит вы не сможете адекватно объявить необходимое значение флагов N и F, располагающихся в младшей тетраде команды установки разрядности шины. Поэтому команду необходимо повторить в уже установившемся 4-х разрядном режиме путем последовательной передачи двух тетрад, то есть для 4-х разрядного режима образом.[9]

 

2.5 Стабилизаторы

Для питания ПЛИС нужно +3.3В, компаратора, индикатора и генератора +5В. Для питания всего устройства взят источник питания от персонального компьютера, который выдает +12 В. Было выбрано два интегральных стабилизатора.
Первый на +5В фирмы Fairchild Semiconductor MC78T05
Таблица 2.5.1 Технические характеристики

Параметр	Обозначение	Характеристики	Min	Max	Единицы измерения
Выходное напряжение	V0	5мА ≤ Io ≤ 3.0A , TJ = +25°	4.8	5.2	В
Отклонение напряжения по нагрузке	DV0	5мA ≤ Io ≤ 3.0A , TJ = +25°C	10	30	мВ
Максимальный выходной ток	IPK	TA = +25°C	5.0	-	A
Выходное сопротивление	R0	f = 1.0kHz	2.0	-	мОм
Ток короткого замыкание	Isc	VI = 35V, TJ =+25°C	1.5	2.5	A
Входное напряжение (для V0 = 5V)	V1	TJ =+25°C	35	40	В
Рассеваемая мощность	W			25	Вт

§     Внутреннее короткое замыкание тока исключено
§     Внутренняя защита от тепловой перегрузки [10]

Рис 2.5.2 (Физические параметры стабилизатора MC78T05)
Второй на +3.3 В фирмы National Semiconductor LMS1585A
Основные характеристики:
§     Интервал выходных напряжений……………..1.5V и 3.3V
§     Не стабильность тока в сети…………………………………0.005%
§     Не стабильность тока на нагрузке……………………………0.05%

Таблица 2.4.3 Технические характеристики:

Параметр	Обозначение	Условие	min	max	Един. измер.
Выходное напряжение	Vout	IOUT = 0mA, VIN = 5V 0 IOUT 5A, 4.75VVIN7V	3.267 3.235	3.333 3.365	В В
Отклонение выходного напряжения по нагрузке	DVout	VIN = 5V, 0 IOUT 5A	0.05	0.5	%
Рабочий ток		VIN = 5V	7.0	13.0	мА

§     Максимальное входное и выходное напряжение (относительно земли)…………………………………………….…………………………….13V
§     Электростатический допуск………………………………….2000V
[11]

Рис 2.4.3 (Физические параметры стабилизатора LMS1585A)

 

2.5 Программатор ByteBlaster

Устройство для программирования ПЛИС. На вход подается шина с LPT порта а на выходе 7-и разрядная шина из которой 4 провода на порт JTAG, 2 на питание +5 В и 2 на землю смотри приложение 1( схема устройства)

Рис 2.5.1.(Подключение ПЛИС к Компьютеру через LPT порт с помощью Byte Blaster)

Рис 2.5.2(Схема ByteBlaster)
Как видно из схемы Байтбластер содержит одну микросхему НС244 которая содержит в себе всего лишь 4 буфера и резисторы. Это значит она очень дешевая и простая, её можно изготовить в домашних условиях.[12]

 

2.6 Сборка устройства

Как уже ранее говорилось, ПЛИС была выбрана EPM3256ATC144-10 семейства MAX3000, для прошивки к ней подключаются программатор (Byte Blaster). Также в устройство входит компаратор (AD8561), генератор тактовой частоты (Auch JCO series), кнопки (СТАРТ/СТОП, СБРОС), источник питания ПК, стабилизаторы напряжения (MC78T05, LMS1585A) и индикатор (WH1602A). Принципиальная схема приведена в приложение 1. В приложение 2 приведен список выводов ПЛИС. Подключение компонентов схемы ведется согласно тех. документации прилагаемое с микросхемой.

3. Конфигурирование ПЛИС

 

3.1 Система проектирования MAX+plus II

В качестве средства автоматизации проектирования устройств на основе собственных микросхем фирма Altera разработала систему MAX+plus II . Эта система состоит из 11 программ-обработчиков проекта (приложений), которые функционируют под управлением программы Manager. Система является полноцикловой, т.е. поддерживает не отдельные этапы проектирования (как система типа CAD - computer aided design), а сквозной процесс от ввода и контроля описания до программирования микросхемы ПЛИС. Такие системы получили название EDA - electronic design automation.
Проект в системе MAX+plus II может быть иерархическим и состоять из набора модулей. Каждый модуль содержит описание части проекта, форма проекта может быть графическое представление принципиальной схемы, текст на языках AHDL/ VHDL/ Verilog, логико-временные диаграммы функционирования.
Для создания исходных модулей в состав приложений включены редакторы: графический – Graphic Editor, текстовый – Text Editor, логико-временных диаграмм Waveform Editor. Любой файл(модуль) может быть представлен в графическом виде как символ. Это можно сделать явно с использования редактора символов – Symbol Editor. Далее эти символы могут быть использованы при создании иерархического проекта. Пользователю обширные библиотеки примитивов и макрофункций.[2]

 

3.2 Описание программы конфигурации ПЛИС

Данная программа состоит из нескольких модулей. Каждый модуль выполняет определённую функцию. Ниже приводиться структура программы конфигурации.

Рис 3.2 Структура программы

 

3.2.1 Антидребезговая система (antibounce)

Как известно при нажатии кнопок, при контакте возникает дребезг, и вместо нужного простого перехода из нуля в единицу одной ступенькой возникает сигнал в несколько скачков как показано на рисунке 3.2.1

Рис 3.2.1 Сигнал включения с дребезгом и без дребезга
Антидребезговая защита была реализована в модуле antibounce. Принцип его работы, основан на счетчике и одном триггере защелке. При возникновении дребезга счетчик начинает считать до определенной константы в программе она названа delay т.е. задержка и если по истечении счета на входе по прежнему стоит единица то триггер защелка перещелкивается и возникает переключение, смотри рис 3.2.2.

Рис 3.2.2 Схема антидребезгового устройства
Счетчик реализован с посредством макрофункции Lpm_counter. Встроенная в среду макрофункция Lpm_counter, есть ни что иное, как счетчик с задаваемыми пределами и параметрами, созданная для облегчения процесса разработки подобных устройств.

 

3.2.1,1 Встроенная макрофункция – счетчик lpm_counter

Двоичный счетчик с возможностью прямого и обратного счета и синхронного и асинхронного сброса. Lpm_counter описывается как переменная в разделе VARIABLE. Форма описания счетчика следующая:
Имя_счетчика : lpm_counter WITH STATES (Параметры счетчика);
Например
COUNTER : lpm_counter WITH (lpm_width=4);
Таблица 3.2.1 Параметры счетчика

Параметры счетчика	Тип	Обязательный	Описание
LPM_WIDTH	Целочисленный	Да	Ширина счетчика(число битов на выходе)
LPM_DIRECTION	Строковый	Нет	Устанавливается в прямом “UP” или обратном “DOWN” направлении идет счет, по умолчанию стоит прямой.
LPM_MODULUS	Целочисленный	Нет	Установка максимума счета, если параметр не усыновлен то счет не ограничен.
LPM_AVALUE	Целочисленный/Строковый	Нет	Ограничивает максимум счета 32 битами во избежания перегрузки счетчика, когда поведение счетчика не определено при переполнении
LPM_SVALUE	Целочисленный/Строковый	Нет	Постоянное значение означает что нагрузка включается по переднему фронту clock когда sset или sconst в “1”. Этот параметр должен быть использован если sconst используется
LPM_HINT	Строковый	Нет	Позволяет с большой точностью перевести текстовый файл из AHDL в VHDL. По умолчанию не используется.
LPM_TYPE	Строковый	Нет	Связывает LPM_имя с VHDL графическим файлом
CARRY_CNT_EN	Строковый	Нет	Принимает значения “SMART”, “ON”, “OFF”. При включении lpm_counter функция cnt_en передает сигнал через несущую цепочку. В некоторых случаях, этот параметр используется как параметр установки появления изменения в  скорости, но при желании это можно выключить. По умолчанию стоит “SMART”, который сохраняет лучшие отношение между скоростью и размером.
LABWIDE_SCLR	Строковый	Нет	Принимает значения “ON”,”OFF” или не используется. По умолчанию стоит “NO”. Он позволяет выключить использование LAB-ширины sclr особенно при использовании устройств на базе FLEX 6000. Уменьшает использование случайных библиотек, и таким образом даёт возможность использовать высшей логики плотнее, когда SCLR не используется в LAB.

Таблица 3.2.2 Таблица истинности lpm_counter

Входы										Выходы	Функции
aclr	aset	aload	clk_en	clock	Sclr	sset	sload	cnt_en	updoun	q[]
1	x	x	x	x	x	x	x	x	x	000…
0	1	x	x	x	x	x	x	x	x	111…
0	1	x	x	x	x	x	x	x	x	LPM_AVALUE	Асинхр. установка значений
0	0	1	x	x	x	x	x	x	x	data[]	Асинхр. загрузка данных
0	0	0	0	x	x	x	x	x	x	q[]	Текущее значение
0	0	0	1	ò	1	x	x	x	x	000…	Синхронный сброс
0	0	0	1	ò	0	1	x	x	x	111…	Синхронная установка
0	0	0	1	ò	0	1	x	x	x	LPM_SVALUE	Синхронная установка значении для LPM_SVALUE
0	0	0	1	ò	0	0	0	0	0	q[]	Текущее значение
0	0	0	1	ò	0	0	1	x	x	data[]	Синхронная загрузка данных
0	0	0	1	ò	0	0	0	1	1	q[]+1	Счет в прямом направл.
0	0	0	1	ò	0	0	0	1	0	q[]-1	Счет в обратном направл.

3.2.2 Двоичо-десятичный счетчик (counter10)

При написании программы возникла проблема поразрядного десятичного счета. Двоично-десятичный счетчик реализован помощью макрофункции lpm_counter. Сброс одного десятичного разряда двоично-десятичного счетчика производиться при достижении величины 10. Если один разряд счетчика досчитал до десяти, в двоичном коде B”1010”, то на вход aclr (асинхронный сброс счетчика) этого же счетчика и на счетчик отвечающего за следующий разряд на вход clock выставляется логическая единица. т.е. следующий счетчик считает десятки предыдущего, со следующим счетчиком также и так далее, таким  образом есть 6, соединенных последовательно, счетчиков каждый из которых отвечает за разряд рис 3.2.1.
Рис 3.2.1 Схема десятично-двоичного счетчика
Следовательно, счетное устройство пока может считать до 999999, далее обнуляется, но добавить разрядность не составляет особого труда, просто добавляем счетчик lpm_counter отвечающий за следующий разряд программно и перепрашиваем ПЛИС. Увеличивать возможности данного устройства можно на столько, на сколько хватает ресурсов ПЛИС (т.е. число триггеров внутри неё ) и фантазии создателя.

 

3.2.3 Устройство управлением индикатора (wh1602LCD)

Основан на машине конечных автоматов. Как уже говорилось в пункте 2.4.2, для того чтобы на индикаторе появилось изображение, после подачи на него питания, нужно выполнить с ним ряд действий. К описанию, которых я и приступаю, но прежде нужно заметить, что для подключение индикатора использовалась 8 разрядная шина.
Машина конечных автоматов используется в устройстве управления индикаторам для его инициализации, а за тем и вывод на экран цифр обозначающих число импульсов.

 

3.2.3,1 Машина конечных автоматов

Машина конечных автоматов или Машина состояний в AHDL – это структура, позволяющая описывать конечный автомат в виде множества внутренних состояний проекта. Переходы между состояниями синхронизируется тактовым сигналом. Условие и направление перехода определяется для каждого состояния индивидуально. Каждому состоянию можно поставить в соответствие один или несколько входных управляющих сигналов.
Машина состояний описывается как переменная в разделе VARIABLE. Поведение машины описывается в разделе логики после ключевого слова BEGIN. Форма описания машины состояний следующая:
Имя_переменной : MACHINE [ OF BITS <список битов> ]
                                      WITH STATES (состояние1, состояние2,……);
где
         состояние ::=<имя> [= значение ],
<значение> ::= <число>ê<имя>.
Например.
ss: MACHINE OF BITS (q1,q2,q3)
                   WITH STATES ( s1 = B”000”,
s2 = B”001”)
s3 =B”010”);
или
ss: MACHINE WITH STATES(s0,s1);
Обязательным является перечисление списка состояний (s0,s1). Если не обязательна конструкция  OF BITS, то объявление имени состояния равносильно объявлению переменной типа NODE.
Если объявлена конструкция OF BITS, то перечисленные биты должны существовать физически. В этом случае рассматриваются комбинация значений выходов этих битов (логических ячеек), аналогично константам. Кроме того, количество возможных состояний в этом случае равно 2  в степени “количества битов”, поэтому желательно явно описать все состояния, включая ложные. Первое по списку состояние является состоянием после сигнала сброса.
Машина состояний имеет следующие порты.
.clk – входной тактовый сигнал;
.reset – сигнал сброса, активный уровень – “1”;
.ena – разрешение перехода, активный уровень – “1”.
Поведение машины можно описать с помощью конструкции CASE
SUBDESIGN StateMachine
(
         clk, reset, d: INPUT; -- входные порты
         q: OUTPUT; -- выходной порт
)
VARIABLE
            ss: MACHINE WITH STATES(s0,s1); --переменная ss –машина с с-ми s0, s1
BEGIN
         ss.clk = clk; --соединим входной сигнал clk с тактовым входом машины
         ss.reset = reset; --соединим входной сигнал reset с входом сброс
--Далее рассматриваем каждое состояние и анализируем условие переходов
CASE ss IS
         WHEN s0 =>                -- в состоянии s0
                   q = GND;   -- устанавливаем выход q в 0
                   IF  d THEN         --если на входе d высокий уровень,
                   ss = s1;       --то следующее состояние будет s1,
END IF;     -- иначе ss останется прежнем
WHEN s1=>                 --в состоянии s1
                   q = VCC;    --устанавливаем выход q в 1
IF !d THEN                   --если на входе d низкий уровень,
ss = s0;       --следующее состояние будет s0, иначе ss останется END IF;              --прежним;
END CASE;
END;
Итак, для работы нужно сначала выставить нужные режимы и флаги через регистр IR(регистр команд) обращение к нему ведется через линию RS выставлением на неё логического нуля. В состоянии Z0 обнуляются все переменные. С состояния P1 по состояние P4 выдерживается четыре паузы 21 мс, 4.1 мс, 0.1 мс и 0.1мс по причине указанной в пункте 2.4.4 до полной готовности индикатора и загружается управляющее слово Н ”38”, что означает: 8 разрядная шина данных, режим развертки одной строки и символы с матрицей 5х8. Далее в состоянии b4, c4 загружается управляющее слово Н”3C” что означает точно тоже самое, но матрица 5х10 точек, чтобы по крупнее показывал. С состояния r5 выбирается режим отображения управляющим словом Н”0C” что означает: включение изображения, курсор в виде почерка . С состояния r6 выбирается направление сдвига курсора вправо без сдвига изображения управляющим словом Н”06”. В состоянии r7 сбрасываются сдвиги, и начало строки адресуется в начало видео памяти DDRAM. В состоянии r8 идет очистка экрана, и счетчик адреса AC адресуется на видео память DDRAM.
На этом этапе все флаги необходимые для формирования изображения загружены. Само  формирование изображения начинается с состояния dz0. В состояниях ..z0 значения с счетчика поступают и перекодируются согласно табл3.2.10 дальше записываются в  регистр данных. В состоянии ..z1 идет считывание из регистра данных в регистр знакогенератора CGRAM и выводится на экран. И все это начиная с ds циклически, повторяется через заданный интервал времени. Смотри рисунок 3.2.3.1
В данном описании программы я опускал состояния, в которых выдерживались необходимые паузы для общения ПЛИС и микроконтроллера индикатора. Также нужно заметить, что данные в этот модуль программы поступают в параллельном виде, название этой шины Line[].
Рис 3.2.3.1 Блок-схема устройства управления индикатором

3.2.4 Делитель тактовой частоты для работы индикатора(divFreq)
Обыкновенный двоичный счетчик выступает в роли делителя тактовой частоты для работы индикатора т.к. индикатору нужна частота меньше чем, выдает кварцевый генератор. Коэффициент деления определяется расчетным и опытным путем (подбором).

 

3.2.5 Общая структура программы

Структуру проекта можно увидеть, используя специальное приложение Max+plus/ Hierarhy Display. Откроется окно, в котором проект представлен в виде дерева, указаны имя каждого файла и исходный тип, а также иконка. Двойной щелчок по иконке открывает исходный файл нижнего уровня с помощью соответствующего редактора. Слева от каждой ветви указаны файлы с такими же именами, но другими расширениями, которые созданы в процессе обработки исходного файла.

Рис 3.2.5.1 Дерево проекта конфигурации
Тексты каждого модуля можно увидеть в Приложении 3.

Заключение
Подводя итог выше проведенной работы, хочу заметить, что получившееся устройство оказалось вполне удачным. Работа устройства была проверена с помощью генератора прямоугольных импульсов. Плата устройства показана на рисунке 4.1.
Данное устройство можно подключать не только к СС с ФЭУ, но и к другим детекторам радиоактивных излучений, например счетчик Гейгера. Для этого необходимо пересчитать делитель, который установлен до компаратора.
На этапе разработки в схему счетного устройства  была добавлена АЦП Analog Device, AD7715с последовательным интерфейсом SPI. АЦП планируется использовать для измерения напряжения подаваемого на детектор.

Литература
1.                Корсунский М.И.,«Атомное ядро» - М.: Гостехиздат, 1957.
2.                Бродин В.Б., Калинин А.В., «Системы на микроконтролерах и БИС программируемой логики» - М.: Эконом, 2002.
3.                Вицын Н. «Современные тенденции развития систем автоматизированного проектирования в области электроники» // Chip News, № 1, 1997. С. 12–15.