Учебно-лабораторный стенд «Программируемые логические интегральные схемы», ПЛИС

Описание

Стенд предназначен для проведения лабораторно-практических работ для студентов высших, средних и профессионально-технических учебных заведений с целью получения знаний, опыта и навыков работы с программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). Выполняя работы на данном стенде, обучаемый изучает основные принципы функционирования логических блоков ПЛИС, получает знания в разработке простых и сложных схем на ПЛИС, повышает свои знания в программировании на языках C, C++, а также Verilog и VHDL. На базе данного стенда можно разработать и собрать собственное устройство для обработки большого количества различных данных в режиме реального времени. Такой подход часто применяется в видео оборудовании, и различного рода анализаторах, где необходимо обрабатывать большой поток данных в единицу времени.

Микросхема ПЛИС состоит из множества разрозненных ячеек, каждая из которых может выполнять некоторые логические и арифметические функции. При программировании такой микросхемы ячейки соединяются между собой заданным образом, синтезируя целостную схему из ячеек. Таким образом, микросхему ПЛИС можно представить как множество логических элементов, которые можно произвольно соединять между собой. В некоторых современных ПЛИС количество встроенных логических ячеек настолько велико, что позволяет реализовывать даже несложные микроконтроллерные системы. Для изучения этих интересных микросхем предлагаем наш стенд «ПЛИС».

Варианты комплектаций:

• исполнение настольное, ПЛИС — содержит базовую комплектацию
• исполнение настольное, ПЛИС-КОНСОЛЬ — дополнительно к базовой комплектации содержит монитор, клавиатуру и мышь
• исполнение стендовое, ПЛИС-СТЕНД — дополнительно к основной комплектации содержит монитор, клавиатуру, мышь и лабораторный стол

Базовая комплектация:

1. Встроенный ПК (1 шт.)
2. Блок «Персональный компьютер» (1 шт.)
3. Блок «Ячейка ПЛИС» (1 шт.)
4. Блок «Периферия» (1 шт.)
5. Блок «Микросхема ПЛИС» (1 шт.)
6. Соединительные, приборные провода (20 шт.)
7. Кабель USB 2.0 AM/BM (2 шт.)
8. Комплект учебно-методических пособий (2 шт.)
9. Программное обеспечение.

Функциональность стенда и его структура
Стенд выполнен в виде моноблока со встроенным персональным компьютером, порты ввода-вывода которого выведены на заднюю панель модуля. Лицевая панель представлена четырьмя блоками:

• «Персональный компьютер»,
• «Микросхема ПЛИС»,
• «Ячейка ПЛИС»
• «Периферия».

Блок «Ячейка ПЛИС»

Блок «Ячейка ПЛИС» позволяет изучить основы функционирования логических блоков ПЛИС и их конфигурирования. Данный макет предполагает формирование студентом логической или арифметико-логической функции средствами одного гипотетического логического блока. Модуль представлен следующими функциональными частями:

• Генераторы логических уровней, с емкостным управлением (6 шт.)
• Детектор уровней линии (4 шт.)
• Генератор импульса (1 шт.)
• Генератор меандра (1 шт.)
• Счетчик 4-х разрядный (1 шт.)
• Ячейка плис (1 шт.)

Блок «Микросхема ПЛИС»

Блок содержит реальную микросхему фирмы Altera (семейство Cyclone IV), средства отладки и программирования. Он позволяет студенту получать знания об интерфейсах периферийных устройств и проектировании их аппаратной поддержки, а также навыки конфигурирования производимых промышленностью ПЛИС.
Блок представлен следующими функциональными частями:

• Генератор логических уровней, с емкостным управлением (4 шт.)
• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (1 шт.)
• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (1 шт.)
• ПЗУ (1шт.)
• Память SDRAM (1 шт.)
• Микросхема ПЛИС ALTERA Cyclone V (1 шт.)

Блок «Периферия»

Блок позволяет студенту получать знания об интерфейсах периферийных устройств, а также осуществлять анализ обмена с помощью логического анализатора. Иметься возможность коммутации выводов ПЛИС на передней панели с выводами периферийных устройств и логического анализатора.
Блок представлен следующими функциональными частями:

• 16-и канальный логический анализатор (1 шт.)
• Семисегментный дисплей (1 шт.)
• Потенциометры (2 шт.)
• Светодиоды (4 шт.)
• Пьезоизлучатель (1 шт.)

Блок «Персональный компьютер»

Данный блок позволяет производить управление встроенным в моноблок компьютером, а именно включение, выключение и перезагрузку. Имеется индикация работы ПК. Также поддерживается возможность коммутации компьютера с ПЛИС через два виртуальных COM-порта, клеммы которых выведены на лицевую панель модуля.
Блок представлен следующими функциональными частями:

• Виртуальный COM-порт соединенный с ПК (2 шт.)
• USB порт ПК (2 шт.)
• Индикаторы работы ПК (2 шт.)
• Кнопки управления ПК (2 шт.)
  *Все блоки стенда можно коммутировать между собой приборными проводами.

Учебно-методическая часть
Специально для стенда разработан комплект учебно-методических пособий, которые помогут изучить ПЛИС, как в теории, так и на практике, дадут знания по разработке устройств на базе ПЛИС, а также помогут с легкостью разобраться в работе стенда. Комплект учебно-методических пособий состоит из трёх руководств: теоретическое, управление стендом и лабораторный практикум. В теоретическом руководстве даётся описание принципов работы ПЛИС, их разновидностей, описывается возможность автоматизированного проектирования цифровых устройств, основные сведения о языке VHDL описываются примеры работы с различными периферийными устройствами и протоколами с помощью ПЛИС, а также рассматривается программный процессор NIOS II работающий на базе ПЛИС. Руководство по управлению описывает принципы работы с каждым узлом стенда и как применить полученные знания в теории на реальном оборудовании. В конечном итоге в рамках лабораторного практикума закрепляются знания, полученные от теоретического материала, и студенты создают различные устройства на базе ПЛИС, пишут для них программу управления на различных языках программирования.

Лабораторный практикум

1. Изучение режимов работы логической ячейки (без задания функции на входных мультиплексорах). Применение логического анализатора.
2. Конфигурация логической ячейки. Синтез комбинационной схемы.
3. Конфигурация логической ячейки. Синтез триггера с произвольным законом функционирования.
4. Знакомство со стендом, изучение аппаратного обеспечения макета, а также среды Quartus II. Проектирование счётчиков с последовательной и параллельной организацией переноса, назначение выводов ПЛИС, использование Quartus II для отладки.
5. Изучение способов управления линиями ввода-вывода. Подключение кнопочных переключателей и светодиодов к ПЛИС.
6. Динамическая индикация. Изучение работы ПЛИС с таймерами.
7. Работа с динамической памятью. Конфигурирование ПЛИС для работы с динамической памятью. Изучение регенерации памяти.
8. Применение ПЛИС в вычислительных задачах: нахождение суммы и среднего арифметического массива чисел; вычисление контрольной суммы.
9. Аналогово-цифровое преобразование. Реализовать на ПЛИС цифровой вольтметр для отображения на ССИ напряжения на входе АЦП.
10. Программирование ПЛИС для работы в качестве настраиваемого генератора частот, частота может грубо устанавливаться с помощью тактовых кнопок либо регулироваться при помощи потенциометра. Предусмотреть вывод частоты на ССИ.
11. Цифро-аналоговое преобразование. Генерация сигналов произвольной формы.
12. Знакомство с программным процессором Nios II. Реализация секундомера с минимальным использованием ресурсов ПЛИС помимо программного процессора.
13. Исследование быстродействия программных процессоров Nios II Economy, Standart и Fast.

Характеристики моноблока

• Напряжение питания 220 В;
• Потребляемая мощность не более 400 Ватт;
• диапазон рабочих температур не менее +10…+40 С;
• лицевая панель моноблока изготовлена из анодированного алюминия, мнемосхемы и надписи должны быть нанесены на нее методом металлографики;
• размер (не более) 410 * 330 * 170 мм

Количество рабочих мест: 2