W artykule przedstawiamy kompletną aplikację zestawu maXimator z FPGA z rodziny MAX10, w której spełnia on rolę cyfrowego termometru, wyświetlającego temperaturę otoczenia zmierzoną za pomocą sensora STLM20. Wynik pomiaru jest wyświetlany na 4-cyfrowym, multipleksowanym wyświetlaczu LED, który wraz z sensorem temperatury są zamontowane na shieldzie wchodzącym w skład zestawu. W projekcie zastosowano m.in. wbudowany w FPGA MAX10 przetwornik ADC, który służy do konwersji sygnału analogowego do postaci cyfrowej.

Działanie projektu zaimplementowanego w FPGA z rodziny Intel MAX10 najlepiej wyjaśni schemat blokowy pokazany na rysunku 1. Na wejście jednego z kanałów ADC wbudowanego w FPGA jest podawany sygnał napięciowy z wyjścia sensora STLM20. Przetwornik przetwarza napięcie na 12-bitową wartość cyfrową, następnie za pomocą techniki tablicowania (lookup table) odczytywana wartość jest konwertowana na wartość wyrażoną w stopniach Celsjusza i wyświetlana na multipleksowanym wyświetlaczu 7-segmentowym.

Rys. 1. Schemat blokowy projektu

Wyświetlacz LED oraz analogowy sensor temperatury znajdują się na ekspanderze (shieldzie – fotografia 2), który wraz z programatorem JTAG jest jednym z elementów wyposażenia promocyjnej wersji maXimatora.

Fot. 2. Rozmieszczenie elementów używanych w projekcie na shieldzie zestawu maXimator

W tabeli 1 zestawiono wyprowadzenia FPGA z zestawu maXimator, które zostały wykorzystane w prezentowanym projekcie.

Tab. 1. Wyprowadzenia FPGA (MAX10), które wykorzystano w prezentowanym projekcie

Blok my_adc przekazuje cyfrową wartość odpowiadającą zmierzonej temperaturze do bloku ROM, który przelicza ją na wartość w skali Celsjusza zapisaną w kodzie BCD. Moduł mux wybiera pojedynczą cyfrę z kodu BCD przekazuje ją do bloku bcd2seg, który zapisuje cyfrę w notacji 7-segmentowej. Moduł counter opóźnia multipleksowanie oraz służy do wybierania liczb do wyświetlenia. Moduł demux, na podstawie wartości otrzymanej z bloku counter wybiera odpowiedni wyświetlacz, na którym wyświetlona zostaje cyfra.

Funkcje poszczególnych bloków i ich sygnały są następujące:

my_adc

Moduł przetwarza wartość analogową z czujnika temperatury na wartość cyfrową. Wykorzystano w nim komponent ADC wygenerowany przy pomocy narzędzia Qsys programu Quartus Prime Lite. W module można ustawić, który kanał ma być wejściem analogowym przetwornika. W projekcie jest to kanał nr 15 – ADC1_15, co wynika ze sposobu podłączenia sensora STLM20 do wyprowadzeń FPGA. Wejścia i wyjścia tego modułu opisano w tabeli 2.

Tab. 2. Wejścia i wyjścia modułu my_adc

ROM

Jest to moduł pamięci ROM, zainicjalizowanej ręcznie utworzonym plikiem LUT.mif. Moduł odpowiada za przetworzenie wartości otrzymanej z czujnika temperatury na wartość w skali Celsjusza w kodzie BCD. Przeliczenie jest zrealizowane za pomocą techniki tablicowania (Lookup Table). Moduł został wygenerowany przy pomocy IP Core’a ROM: 1-PORT dostępnego w programie Quartus Prime Lite. Ze względu na znaczne wahania wartości odczytanej z czujnika temperatury w pliku LUT.mif nie została zamieszczona część dziesiętna wartości przedstawiającej temperaturę (dla każdej wartości część dziesiętna jest równa zero).

Wejścia i wyjścia modułu ROM opisano w tabeli 3.

Tab. 3. Wejścia i wyjścia modułu ROM

mux

Jest to multiplekser, który wybiera z kodu BCD pojedynczą cyfrę do wyświetlenia. O wyborze cyfry decyduje wejściowy sygnał sel. Wejścia i wyjścia tego modułu opisano w tabeli 4.

Tab. 4. Wejścia i wyjścia modułu ROM

bcd2seg

Moduł otrzymaną cyfrę w kodzie BCD zapisuje w notacji 7-segmentowej. Wejścia i wyjścia tego modułu opisano w tabeli 5.

Tab. 5. Wejścia i wyjścia modułu bcd2seg

counter

Licznik n-bitowy. Ilość bitów ustawia się w parametrze bits. Funkcją licznika jest opóźnienie multipleksowania oraz wybór cyfry do wyświetlenia. Wejścia i wyjścia tego modułu opisano w tabeli 6.

Tab. 6. Wejścia i wyjścia modułu counter

demux

Demultiplekser wybiera cyfrę do wyświetlenia, dodatkowo włącza kropkę oddzielającą część dziesiętną wartość temperatury. Wejścia i wyjścia tego modułu opisano w tabeli 7.

Tab. 7. Wejścia i wyjścia modułu demux

Prezentowany projekt jest dość prosty do wykonania, różni się od typowych implementacji realizowanych w FPGA przede wszystkim faktem wykorzystania wbudowanego w układ przetwornika ADC (wyposażenie rzadko spotykane w FPGA). Na fotografii 3 przedstawiono przykładowy wynik pomiaru temperatury wykonanego za pomocą maXimatora i zastosowanego w shieldzie sensora temperatury STLM20.

Fot. 3. Przykładowy wynik pomiaru temperatury, wyświetlany na 4-pozycyjnym wyświetlaczu LED

Przykład został zaimplementowany w zestawie maXimator za pomocą bezpłatnego narzędzia Quartus Prime Lite (do pobrania na stronie www.altera.com), komplet plików jest dostępny do pobrania na stronie maximator-fpga.org.

Projekt powstał w Katedrze Elektroniki Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji AGH, pod opieką merytoryczną dr inż. Pawła Rajdy i dr inż. Jerzego Kasperka.