High-Level Design for Digital Systems: กุมภาพันธ์ 2015

การทดลองที่ 2

ออกแบบวงจรดิจิทัลควบคุมการทำงานของ RGB LED

วิธีการทดลอง

จงออกแบบวงจรดิจิทัลโดยใช้ภาษา VHDL สำหรับนำไปสร้างเป็นวงจรในชิป FPGA โดยวงจรดิจิทัลมี I/O ดังนี้
- CLK (input) มีความถี่ 50MHz ใช้สำหรับกำหนดจังหวะการทำงานของวงจรทั้งหมด (เป็นการออก แบบวงจรดิจิทัลแบบ Synchronous Design)

- RST_B (input) เป็นอินพุตสำหรับใช้รีเซตแบบ Asynchronous สำหรับการทำงานของวงจรโดย รวม (ทำงานแบบ Active-Low) ซึ่งได้จากวงจรปุ่มกด (Push Button)

- PB (input) เป็นอินพุตจากปุ่มกด 1 ปุ่ม ทำงานแบบ Active-low เพื่อใช้ในการเปลี่ยน สีของ WS2812 RGB LED จำนวน 1ดวง

- DATA (output) เป็นเอาต์พุตสำหรับนำไปควบคุมการทำงานของ WS2812 RGB LED เพียง 1 ดวง ซึ่งเป็นสัญญาณตาม ข้อกำหนดของชิป WS2812 เพื่อส่งข้อมูลจำนวน 24 บิต

พฤติกรรมการทำงานเป็นดังนี้
- เมื่อเริ่มต้นหรือกดปุ่มรีเซต (RST_B) จะทำให้ค่าสีเป็น 0x000000 (24 บิต) และส่งออกไป ยัง WS2812 RGB LED หนึ่งครั้ง

- เมื่อมีการกดปุ่ม PB แล้วปล่อยในแต่ละครั้ง จะมีการเปลี่ยนค่าสี 24 บิต แล้วส่งออกไปยัง RGB LED ใหม่หนึ่งครั้ง ตามลำดับดังนี้ 0x000000 -> 0x0000FF -> 0x00FF00 -> 0xFF0000 แล้ววนซ้ำ

แนวทางการออกแบบและทดสอบ

- ออกแบบวงจรโดยใช้ภาษา VHDL
- เขียน VHDL Testbench เพื่อทดสอบการทำงาน และจำลองการทำงาน
- ทดสอบการทำงานในบอร์ด FPGA แล้ววัดสัญญาณโดยใช้ออสซิลโลสโคป(ยังไม่ต้องต่อ วงจร RGB LED จริง)

- บันทึกผลและเขียนรายงานการทดลอง

รายการอุปกรณ์

1. บอร์ด FPGA (Altra WARRIOR CYCLONE 3 EP3C10E144C) 1 บอร์ด

2. Byte Blaster II Cable หรือ USB Blaster Cable 1 ชุด

3. ออปซิโลสโคป 1 เครื่อง

4. สายวัด Logic Analzer 1 ชุด

5. เครื่องคอมพิวเตอร์ 1 เครื่อง
6. RGB LED 1 ชุด

แนวทางการออกแบบ

จะต้องกำหนดให้การส่งค่าทั้ง 3 สัญญาณที่รับค่าจากปุ่มกดแต่ละปุ่มเป็นสัญญาณ PMW ที่ความถี่ 500 Hz เนื่องจากสัญญาณที่ส่งออกทาง output ทั้ง 3 สัญญาณ รูปแบบการส่งคือ จะส่งเป็น 24 บิตแบ่งเป็น 3 ชุด ชุดละ 8 บิตและเมื่อมีการกดปุ่มแล้วปล่อยในแต่ละครั้ง จะมีการเปลี่ยนค่าสี 24 บิตแล้วส่งออกไปยัง RGB LED ใหม่หนึ่งครั้ง ตามลำดับดังนี้ 0x000000 -> 0x0000FF -> 0x00FF00 -> 0xFF0000 แล้ววนซ้ำ และต้องมีการหน่วงเวลาของการกดปุ่ม ตัวเลขในการตรวจสอบเงื่อนไขจึงต้องกำหนดอย่างเหมาะสม

ผลการสังเคราะห์วงจร

Compilation Report

RTL View

ผลการทดลอง

การทดลองที่ 1

ออกแบบวงจรดิจิทัล สร้างสัญญาณ PMW ควบคุมการทำงานของ RGB LED โดยใช้ภาษา VHDL

วิธีการทดลอง

จงออกแบบวงจรดิจิทัลโดยใช้ภาษา VHDL สําหรับนําไปสร้างเป็นวงจรในชิป FPGA โดยวงจรดิจิทัลมี I/O ดังนี้

- CLK (input) มีความถี่ 50MHz ใช้สําหรับกําหนดจังหวะการทํางานของวงจรทั้งหมด (เป็นการ

ออกแบบวงจรดิจิทัลแบบ Synchronous Design)

- RST_B (input) เป็นอินพุตสําหรับใช้รีเซตแบบ Asynchronous สําหรับการทํางานของวงจรโดยรวม

(ทํางานแบบ Active-Low) ซึ่งได้จากวงจรปุ่มกด (Push Button)

- PB[2:0] (input) เป็นอินพุตจากปุ่มกด 3 ปุ่ม ทํางานแบบ Active-low เพื่อใช้ในการเปลี่ยนค่า

Duty Cycle โดยเพิ่มทีละ 10 ในช่วง 0 ถึง 100 สําหรับสัญญาณ PWM(2:0) ที่มี 3 ช่องสัญญาณ

- PWM[2:0] (output) เป็นเอาต์พุตสําหรับนําไปควบคุมการทํางานของ RGB LED จํานวน 1 ดวง

พฤติกรรมการทํางานเป็นดังนี้

- เมื่อเริ่มต้นหรือกดปุ่มรีเซต RST_B ค่า PWM[2:0] จะเป็นลอจิก 0 ทัÊง 3 ช่องสัญญาณ และมีค่า

Duty Cycle สําหรับสัญญาณ PWM[i], i=0,1,2 เป็น 0

- เมื่อกดปุ่มใดๆ PB[i], i=0,1,2, แล้วปล่อยในแต่ละครั้ง จะเพิ่มค่า Duty Cycle ของสัญญาณ PWM

สําหรับช่องสัญญาณ i ทีละ 10 แต่ถ้าถึง 100 จะกลับไปเริ่มต้นที 0 ใหม่

- สัญญาณ PWM แต่ละช่อง ต้องมีความถี่เท่ากันและคงที่ และสามารถเลือกใช้ความถี่ได้ใน

ช่วง 500Hz ถึง 1kHz

แนวทางการออกแบบและทดสอบ

- ออกแบบวงจรโดยใช้ภาษา VHDL

- เขียน VHDL Testbench เพืÉอทดสอบการทํางาน และจําลองการทํางาน

- ทดสอบการทํางานในบอร์ด FPGA แล้ววัดสัญญาณโดยใช้ออสซิลโลสโคป

(ไม่ต้องต่อวงจร RGB LED จริง)

รายการอุปกรณ์

1. บอร์ด FPGA (Altra WARRIOR CYCLONE 3 EP3C10E144C) 1 บอร์ด

2. Byte Blaster II Cable หรือ USB Blaster Cable 1 ชุด

3. ออปซิโลสโคป 1 เครื่อง

4. สายวัด Logic Analzer 1 ชุด

5. เครื่องคอมพิวเตอร์ 1 เครื่อง

แนวทางการออกแบบ

จะต้องกําหนดให้การส่งค่าทั้ง 3 สัญญาณที่รับค่าจากปุ่มกดแต่ละปุ่มเป็นสัญญาณ PMW ที่ความถี่ 500 Hzเนื่องจากสัญญาณที่ส่งออกทาง output ทั่ง 3 มีการคํานวณและการกําหนดเงื่อนไขที่เหมือนกัน จึงใช้ตัวแปร array และ การวน loop มาช่วยในการเขียนโค้ด เพื่อให้ง่ายต่อการแก้ไข และทําความเข้าใจ ในส่วนของการกําหนดเงื่อนไขและการคํานวณ จะต้องกําหนดค่าของ Duty cycle ให้เพิ่มทีละ 10% จาก 0% จนถึง 100% และเมื่อถึง 100% แล้วจะวนกลับมาเป็น 0% เหมือนเดิมโดยใช้การกําหนดเงื่อนไข (if-else) ในส่วนต่อมาคือ การกดปุ่ม 1 ครั้งจะต้องมีการหน่วงเวลาของการกดปุ่ม ตัวเลขในการตรวจสอบเงื่อนไขจึงต้องกําหนดอย่างเหมาะสม

โค้ด VHDL

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
entity RGBcontroller is
port(
CLK : in std_logic;
RST_B : in std_logic;
PB : in std_logic_vector (2 downto 0); 
PWM : out std_logic_vector (2 downto 0)); 
end RGBcontroller;
architecture behave of RGBcontroller is
----- DUTY ZONE -----
type tmp_count_color is array (2 downto 0) of integer; 
signal count_color,countemp : tmp_count_color:=(0,0,0);
signal count : integer := 0; 
signal st : std_logic_vector (2 downto 0):=('0','0','0'); 
begin
  process (CLK,RST_B) begin 
    if RST_B = '0' then 
      count_color <= (0,0,0); 
      countemp <= (0,0,0); 
      count <= 0; 
    elsif rising_edge(CLK) then 
      for i in 0 to 2 loop 
        if PB(i) = '0' then 
          if countemp(i)<1000000 then 
             countemp(i) <= countemp(i)+1; 
          else 
             countemp(i) <= 0;
             st(i) <='1'; 
          end if;
        elsif PB(i) = '1' and st(i) = '1' then 
          if(count_color(i) <100000 ) then 
             count_color(i) <= count_color(i)+10000; 
          else
             count_color(i) <= 0; 
          end if; 
        end if;
      end loop;
      if count = 100000 then 
        count <= 0; 
      else
        count <= count+1; 
      end if;
    end if;
  end process;
PWM(0) <= '1' when (count < count_color(0)) else '0';
PWM(1) <= '1' when (count < count_color(1)) else '0'; 
PWM(2) <= '1' when (count < count_color(2)) else '0'; 
end behave;

ผลการสังเคราะห์วงจร