Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C GIA H À N Ộ I
TRưANG đại học công nghệ
BÁO CÁO TỔNG KẾT
Đ ê t à i :
N G H IÊ N CỨU THIỄT K c 'v n TÍCH H Ơ P CÁC
•
CHIP CHUVCN DUNG viio Hễ THỐNG
• •
DO LƯỜNG THU THÂP D Ữ Liễu
• •
MÃ SỐ: QG 05.08
Chủ trì: PGS. TS Ngô Diên Tập
Tham gia thực hiện:
Th s Nguyễn K iêm Hùng
CN Nguyễn V ăn H iệu
CN Phan Thu Ngân
&a; hg c q u ố c gia ha nôi
TRUNG TÂM thông tin thu viền
Ĩ> T / Ĩ O Í
Hà Nội 2006
1
MỤC LỤC
Mục lục
Trang
2
Đặt vấn đề
3
Chương 1. Một sô' hiểu biết cơ bản về kỹ thuật lập trình
4
trên chip
Chương 2. Phần thực nghiệm và các kết quả

dụng các linh kiện số lập trình được (PLD; Programmmable Logic Device).
Hướng nghiên cứu này phát triển ở một số nước, nhưng do đặc tính lập trình
được nên cho phép những nước nhỏ cũng có thể tiếp cận công nghệ vi mạch hiện
đại để làm ra những sản phẩm mang đặc thù của đất nước mình, tiếng nói của
dân tộc mình,
Trong xu hướng phát triển hiện nay không thể chờ nước khác làm ra những
sản phẩm thể hiện tiếng Việt trên màn hình tương tác (như trên các phương tiện
nghe nhìn ở nước ta hiện nay) hoặc đọc kết quả bằng tiếng Việt mà ta phải tự
làm được những sản phẩn loại như vậy. Đề tài này được xây dựng nhằm tiếp cận
một yêu cầu đang đặt ra đối với các sản phẩm điện tử Việt nam.
Thêm vào đó, công nghệ vi mạch truyền thống chỉ có thể thực hiện ở các
nước lớn và giàu vi kinh phí đầu tư rất tốn kém, nhưng các nước nhỏ thậm chí
nghèo vẫn có thể tiếp cận công nghệ lập trình cho vi mạch (một công nghệ
không gây ô nhiễm môi trường như công nghệ truyền thống !) để làm ra những
loạt nhỏ sản phẩm thích hợp với yêu cầu đặt ra trong từng nước.
Thiết kế và tạo ra một sô' chip FPGA/CPLD chuyên dụng (bằng phần mềm)
có khả năng tích hợp được vào các hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu làm
tăng thêm giá trị sử dụng và lĩnh vực ứng dụng của hệ thống. Một thí dụ có thể
dễ dàng nhận thấy là các mạch đồng bộ và tách tín hiệu từ các vệ tinh khí tượng;
nếu làm từ các linh kiện rời rạc, kể cả các vi mach, sẽ rất phức tạp và tốn kém
thời gian, nhưng nếu làm được từ các chip lập trình thì mạch điện sẽ rất gọn nhẹ,
hoạt động tin cậy và thời gian chế tạo (nhân bản) sẽ rút gọn đi rất nhiều.
Những nội dung chính sẽ được trình bày trong báo cáo này bao gồm:
- Một số hiểu biết cơ bản về kỹ thuật lập trình trên chip.
- Phần thực nghiệm và một số kết quả thực hiện đã đăng ký trước.
- Tóm tắt kết quả và một số lời bàn luận.
3
Chương I
MỘT SÓ HIỂU BIẾT C ơ BẢN VÈ KỸ THUẬT
LẬP TRÌNH TRÊN CHIP

1.2.1 Một số khái niệm
VHDL là một thuật ngữ được viết tắt của Very High Speed (Integrated
Curcuits) Hardware Description Language (Ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch
tích hợp tốc độ cao). Loại ngôn ngữ đặc biệt này đã được phát triển từ giữa
những năm 80 ở Hoa kỳ. Bộ Quốc phòng và Viện IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers) đã bảo trợ cho sự phát triển của ngôn ngữ mô tả phần
cứng với mục tiêu phát triển mạch tích hợp tốc độ cao. Ngày nay VHDL đã trở
thành ngôn ngữ tiêu chuẩn công nghiệp được sử dụng để mô tả các hệ thống số.
Một loại ngôn ngữ mô tả phần cứng khác cũng được dùng rộng rãi đó là
Verilog. Cả hai đều là những ngôn ngữ mạnh, cho phép người thiết kế mô tả và
mô phỏng những hệ thống so từ đơn giản đến phức tạp. Một ngôn ngữ HDL
(Hardware Description Language) thứ ba là ABEL (Advanced Boolean Equation
Language), được thiết kế dành riêng cho các thiết bị logic khả trình (PLD-
Programmable Logic Device). ABEL không mạnh bằng hai ngôn ngữ trên và ít
được ưa chuộng trong công nghiệp
VHDL có những đặc điểm giống các ngôn ngữ lập trình quen thuộc khác
về mặt cú pháp, cấu trúc lệnh, nhưng lại có những điểm khác biệt quan trọng
về mặt thực thi lệnh. Ngôn ngữ mô tả phần cứng nói chung và VHDL nói riêng
hoạt động theo dạng song song, tức là các câu lệnh tác động đến các cổng
logic được thực thi một cách song song ngay khi có tín hiệu lối vào tác động.
Các chương trình mô tả phần cứng nói chung giống như việc bất chước thuộc
tính của một quy luật cùa hệ thống vật lý, thông thường là các hệ thống số.
5
1.2.2 Một số công nghệ phần cứng
1.2.2.1 Công nghệASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Công nghệ mạch tích hợp chuyên dụng, đây là công nghệ thiết kế mạch
bằng một chip chuyên dụng được định hướng trước theo một hoặc một số chức
năng nào đó với cách kết nối cố định hoặc có sự kết hợp một số linh kiện và
chip với các đường kết nối cố định. Do đặc điểm này, các ASIC không có bán
trên thị trường dưới dạng vi mạch đơn lẻ như các vi mạch thông thường, cũng

CPLD chứa các khối SPLD, trong đó mồi SPLD được coi là một khối logic bao
gồm PAL hoặc PLA. Công nghệ CPLD được phát triển cho các ứng dụng như :
- Các thiết kế đom giản.
- Các thiết bị có giá thành thấp, chức năng đơn giản.
- Giảm kích thước mạch.
* Công nghệ FPGA
Một chip FPGA được thiết kế bao gồm hàng ngàn cổng logic hoặc nhiều
hơn với các kết nối có khả năng lập trình, thường áp dụng cho các chương trình
phát triển phần cứng vì có ưu điểm là hoạt động nhanh và điện áp thấp, cấu tạo
của một chip FPGA bao gồm các bộ đệm I/O, các khối logic cấu hình, thường
được viết tắt là CLB (Configurable Logic Blocks) và các cấu trúc kết nối có khả
năng lập trình. Lập trình cho các kết nối được thực hiện bàng các ô RAM mà
đầu ra cuối cùng của nó được kết nối với các cong MOS ngang qua các tranzito.
Một CLB đơn bao gồm bốn tín hiệu vào, một tín hiệu xung clock, các bộ
đa hợp lập trình được, một flip flop SR, bảng tra (LUT-Look Up Table). Bảng
LUT là bộ nhớ số dùng để cất giữ bảng chân lý của hàm so Boole. Một CLB có
rất nhiều hàm logic khác nhau dùng để sắp đặt chương trình.
Lưu đồ thiết kế cho một chip FPGA bắt đầu bằng việc mô tả hàm trạng
thái, thường dùng ngôn ngữ VHDL. cấu trúc sau đó được tổng hợp từ các lược
đồ mạch hoặc các ô logic. Ke tiếp là việc sắp đặt và chọn đường để định vị các
CLB cho phù hợp với mạng netlist. Sau đó là quá trình mô phỏng và thẩm tra
trước khi nạp chương trình vào chip.
Ưu điểm lớn nhất của thiết kế FPGA là thời gian thực hiện rất ngắn. Các
cấu trúc lôgic trên chip có thể được người sử dụng lập trình trực tiếp mà không
7
cần một công cụ chế tạo mạch tích hợp nào. Vì không có bước vật lý nên một
hàm đom giản trong một chip FPGA thông thường có thể thu được ngay khi vẽ
Mapping. Việc sản xuất chip theo kỹ thuật FPGA thường có chi phí cao hơn so
với các kỹ thuật khác, nó thường được áp dụng cho việc sản xuất chip ASIC
(Application Specific Integrated Circuit) làm việc với điện áp thấp và cho các

mỗi khi người dùng nhấn phím. Âm thanh phát ra trong các thí dụ nêu trên đều
do một vi điểu khiển chỉ đạo. Vì vậy trong chương này ta sẽ xem xét có thể giao
tiếp như thế nào với một vi điều khiển để kích hoạt các chip phát ra âm thanh.
Hiện tượng này được ứng dụng trong các thiết bị cảnh báo, chống trộm, xử lý và
nhận dạng tiếng nói, đặc biệt là trong các hệ thống đo lường và điều khiển.
Theo hướng nghiên cứu này chúng tôi đã đạt được một sô kết quả, chẳng
hạn tích hợp âm thanh trong thiết bị quàn lý hàng chờ, trong thiết bị báo động
hoặc cảnh báo. Trong phần này sẽ trình bày các kết quả thực nghiệm trong việc
mờ rộng thiết kế hệ đo để tích hợp thêm một bộ phát âm số để cho phép thông
báo các kết quả đo bằng giọng nói tiếng Việt. Sau một khoảng thời gian đặt
trước hoặc khi có một phím yêu cầu đọc kết quả được bấm, các kết quả đo về độ
9
ẩm, nhiệt độ (hoặc cả áp suấto sẽ được thông báo bằng giọng nói tiếng Việt. Hệ
thống trên mang tính minh hoạ về mặt phương pháp, về nguyên tắc việc đọc kết
quả đo lường bằng giọng nói có thể được áp dụng cho các hệ thống đo các thông
số khác như: đo huyết áp, đo điện áp, các lồng ấp trẻ sơ sinh V . V
2.1.2 Xây dựng hệ thống
2.1.2.1 Môđun thu phát ăm số
Đe phát âm số có hai phương pháp:
• Viết phần mềm trên chip (chẳng hạn bằng ngôn ngữ VHDL) để tạo ra các
tiếng nói tổng hợp.
• Dùng các chip chuyên dụng để thu phát âm thanh, gọi tắt là các môđun
RPM.
Thoạt đâu, chúng tôi đi theo hướng thứ nhất và đã có kết quả công bố tại
Hội Nghị Khoa học của Khoa Công Nghệ (và đăng trên tạp chí của Đại học
Quốc Gia) vì nhận thấy ngoài phần âm thanh còn có thể tích hợp các phần khác
của hệ thống đo lường trên cùng một chip, v ề sau, chúng tôi chuyển sang cách
thứ hai vì thấy dễ đáp ứng tính đa dạng của ứng dụng hom.
Theo giải pháp thứ hai thì trong hệ thống này, phần quan trọng là một
môđun RPM được sử dụng để thu/phát âm thanh. RPM cung cấp một giải pháp

• Nhiệt độ làm việc: 0 °c tới 70°c đối với các sản phẩm thương mại, -40°c
tới 85°c đối với các sản phẩm công nghiệp.
11
Hình 2 chỉ ra một sơ đồ khối cho một ứng dụng rất cơ bản của RPM. Mạch
này có ba nút nhấn: một cho ghi, một cho phát lại theo sườn và một cho phát lại
theo mức. Nút ghi âm thực hiện chính xác nhiệm vụ như tên gọi của nó: nhấn
nút này cho phép ghi lại âm thanh; nhả nút này dừng ghi âm. Nếu gặp điểm kết
thúc bộ nhớ (EOM) của chip trước khi nút được nhả, chip sẽ tự động kết thúc
việc ghi và chuyển sang chế độ giảm năng lượng. Cũng có một LED đỏ dùng để
chỉ thị việc ghi âm. LED này được bật sáng khi ghi âm. Âm thanh có thể được
ghi theo 2 cách: bằng cách sử dụng một micrô-phôn như được chỉ ra trong mạch
ví dụ phần trên, hoặc bằng cách sử dụng một tín hiệu trực tiếp từ một hệ thống
CD-stereo kết nối trực tiếp tới chân lối vào tương tự của RPM.
Có hai loại nút phát loại: kích hoạt theo sườn (PLAYE) và kích hoạt theo
mức (PLAYL). Thiết bị bắt đầu một chu trình phát lại âm khi phát hiện một
sườn chuyển mức từ mức HIGH tới mức LOW trên chân PLAYE. Việc đưa
chân PLAYE lên mức HIGH trong suốt thời gian phát lại âm thanh sẽ không kết
thúc chu trình phát lại hiện thời. Sự phát lại tiếp tục cho đến khi một dấu hiệu
EOM được phát hiện. Ngay sau khi hoàn thành chu kỳ phát lại, thiết bị tự động
giảm năng lượng và chuyển sang chế độ Standby. Chức năng phát được kích
hoạt theo mức khởi tạo một chu trình phát lại âm thanh khi tín hiệu lối vào trên
chân này được giữ ở mức thấp và sự phát lại được tiếp tục cho đến khi chân
PLAYL được kéo lên mức cao hoặc gặp dấu hiệu EOM (kết thúc bộ nhớ). Thiết
bị tự động chuyển sang chế độ giảm năng lượng ngay khi chu trình phát lại hoàn
thành.
Đầu ra loa của RPM được thiết kế để sử dụng một loa 16Q.
Bằng cách sử dụng các lối vào địa chỉ (A0-A7), hoặc các chế độ hoạt động
(bằng cách sử dụng cùng các chân nhưng với các byte trạng thái khác - chân 9
và 10 được đặt lên mức cao), nhiều đoạn âm có thể được ghi và phát lại. Phần
sau sẽ minh hoạ cách sử dụng RPM để ghi âm và phát lại nhiều đoạn âm thanh.

hợp như vậy, một tụ lọc nguồn nối từ nguồn nuôi tới đất và một bộ làm nhụt RC
nối tiếp (chẳng hạn, R = 75Q, c = l|iF) từ lối ra tới đất thường được sử dụng
như được chỉ ra trong hình 2.
Một độ phân giải theo độ ẩm 0,2% RH có thể đạt được bằng cách sử dụng
một A/D 10 bit như A/D của vi điều khiển ATMega8535.
Để ứng dụng RPM vào trong hệ thống đo, nó được hiệu chỉnh để có khả
năng ghi các mẫu giọng nói theo định dạng tệp. Cho ví dụ, để thông báo nhiệt độ
đo được trong ứng dụng này, lời đọc của sổ và câu “Nhiệt độ bây giờ là”, và “độ
C” cần được ghi âm. Sau đó tổ hợp của những âm này cho phép thông báo ra các
kết quả mong muốn, chẳng hạn như: “Nhiệt độ bây giờ là 23 độ C”.
2.1.3 Kết quả và bàn luận
Bản mạch của hệ đo sau khi lắp ráp được chỉ ra (tương tự) như trong hình 4.
14
Hình 4: Bản mạch cùa hệ đo.
Dự báo thời tiết đơn giản: Bằng cách bổ sung thêm cảm biến áp suất và lập
trình thể hiện được biến thiên và tác động tương hồ của các tham số nhiệt độ, áp
suất, độ ẩm cũng như biến đổi theo thời gian của các thông số, hệ thống có thể
đưa ra những thông báo đơn giản về thời tiêt như: độ ẩm quá cao hoặc trời sắp
mưa hoặc hôm nay trời quá nóng, kiểu như “Quý Ông qúa mập, nên giảm ăn” ở
các cân ngoài đường phố.
Kết quả: Các thông số đo như nhiệt độ, độ ẩm và có thể cả áp suất có thể được
hiển thị trên màn LCD, được lưu trữ trong bộ nhớ và đồng thời các thông tin này
cũng được thông báo bằng giọng nói tiếng Việt.
Kết luận: Đây là một trong nhiều ứng dụng của môđun RPM kết hợp với một vi
điều khiển và các cảm biến trong các hệ thống đo lường đê thông báo kết quả
bằng giọng nói. Thiết kế này có thể được sử dụng như là một ví dụ tham khảo
cho việc phát triển các ứng dụng đo lường và điều khiển phức tạp hơn như các
trạm dự báo thời tiết cầm tay, các máy bán hàng tự động, đo lường từ xa, cũng
như các hệ thống giám sát trong y tế và các hệ thống tự động trong công nghiệp.
15

5- Bộ hiển thị nhiều màn hiển thị
Các môđun này đã được mô tả bằng ngôn ngữ VHDL theo các lưu đồ thuật toán
trên các trang sau:
17
ĐAI H : c . c c
r_

T.IJNG ĨÂ V 'H Õ f.G
- A •/;>
TIN ’ HƯ ViẼN
DI/ĨQ
í?
1) Bộ đếm Johnson
Chú thích: C1K : cổng lối vào xung nhịp
D o u t: Cổng lối ra bộ đếm 8 bit
18
2) Bộ đếm nhị phản : trong lưu đồ này thiết kế bộ đếm nhị phân 8 bit, việc
tãng số bit chỉ đòi hỏi tăng thêm số lượng lối ra và vấn đề này giải quyết
bằng phần mềm tương đối đơn giản. Vấn đề chỉ là chip được sử dụng có đú
số chân để gán thành các lối ra hay không!
Chú thích:
Clk : lối vào xung nhịp
Dout: lối ra bộ đếm 8 bit
19
3) Bộ giải mã BCD ra mã 7 đoạn
C Bát đáu )
Khai báo cổng vào/ra:
Clk : in std_logic;
Din: in std_logic_vector(3 downto 0);
Dout :inout std_logic_vector(7 downto 0));

■10010010"
—5
WHEN •0110"
=> ra <=
' 10000010"
6
WHEN
•0111"
=> ra <= *11111000”
- 7
WHEN
•1000" => ra <=
•10000000"
- 8
WHEN
•1001"
=> ra <=
'10010000"
- 9
WHEN
■1010"
=> ra <=
'10100000” -A
WHEN
•1011"
=> ra <=
'10000011"
-B
WHEN
'1100"

20
4) Bộ đếm Johnson và giải mã thập phân
Q Bắt đáu ^
Chú thích:
Clk: lối vào xung nhịp Dir: lối vào xác định hướng đếm
D o ut: lối ra 8 bit
21
Tối tru hoá phần mềm
Một chỉ tiêu luôn được chu ý đến trong quá trình soạn thảo và soát lỗi phần
mềm VHDL là giảm thiểu vùng bị chiếm trên chip, có như vậy mới có thể tích
hợp một lượng lớn các cổng lôgic trên một chip. Sau mỗi lần dịch tỷ lệ vùng bị
chiếm luôn được xem xét, nhờ vậy tất cả các mô đun đều có thể tích hợp lên
chip XC9536 (chỉ chứa 36 ô macro).
2.2.2.2 Xây dựng các mạch kiểm chứng
Sau khi chương trình đã được soạn thảo, được chạy thử và loại bỏ các lỗi thì
có thể chuyển sang bước nạp phần mềm vào chip, v ề nguyên tắc, sau khi được
nạp chip sẽ được gán chức năng và “đặt tên” đúng như nội dung đã được mô tả
khi thiết kế. Tuy vậy việc kiểm tra lại hay như thường nói là kiểm chứng vẫn là
cần thiết, qua đó khẳng định chẳng hạn xem bộ giải mã đã đúng là bộ giải mã
chưa và quá trình hoạt động có làm xuất hiện lỗi không. Trong khuôn khổ của
để tài nghiên cứu, các mạch kiểm chứng cho từng trường hợp đều đã được thiết
kế và lắp ráp, cho dù thời gian dành cho công việc này dài không kém phần thiết
kế lưu đồ và viết chương trình đã nêu ở trên
Bộ giải mã BCD sang 7 thanh
Để minh chứng tính đúng đắn và khả năng hoạt động của bộ giải mã BCD
sang 7 thanh một bộ đếm nhị phàn 4 bit và giải mã BCD sang 7 thanh đã được
tích hợp trên cùng một chip Xilinx. Trên mạch điện minh hoạ, chip được nối với
một LED 7 thanh (đóng vai trò hiển thị kết quả) và một bộ tạo xung nhịp cấp
cho bộ đếm dùng vi mạch định thời gian NE555P. Lối ra của bộ tạo xung
NE555P được nối trực tiếp tới chân clock GCK1 (chân 5) của chip Xilĩn

LED cho phép quan sát tình trạng hoạt động của bộ đếm. Một vi mạch định thời
gian NE555 được sử dụng để tạo xung nhịp cấp cho bộ đếm. Lối ra của bộ tạo
xung NE555 được nối trực tiếp tới chân clock CLK1 (chân 5) của chip Xilinx (ở
đây là XC9536). Các điện trở và tụ điện trong mạch tạo xung NE555 cũng được
lựa chọn để tạo ra xung có tần số 22 Hz. Chương trình cũng được nạp vào chip
thông qua cáp JTag giống như ở trường hợp trên. Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm
Jonson được chỉ ra trong hình 8.
24
Mạch điện sau khi lắp ráp và điều chỉnh được chỉ ra trên hình 8.
Hình 9: Mạch điện minh chứng khả năng hoạt động của chip bộ đếm Johnson.
Về cơ bản thì mạch điện này chỉ khác mạch ở hình 9 là một dãy 8 LED đơn
đã thay thế cho LED 7 thanh. Khi bật điện các LED sẽ lần lượt sáng phù hợp với
giản đồ thời gian ở các lối ra của bộ đếm Johnson.
Theo thiết kế truyền thống thì hệ thống đo trên đây sẽ bao gồm 5 cảm biến
nhiệt, một cảm biến độ ẩm, các mạch chuấn tín hiệu từ cảm biến, các bộ biến đổi
tương tự-số để chuyển tín hiệu vào một vi xử lý, cuối cùng là các khối giải mã
và điều khiển để đưa ra 3 bộ hiển thị LED 7 thanh. Sơ đồ khối của hệ thống có
thể hình dung là rất phức tạp. Đe đơn giản cho việc tích hợp trên chip, hệ thống
được chia ra thành những môđun và rút gọn thành sơ đồi khối như hình 10.
CBISĐ I
CBNĐ2
CB NĐ3
CBN Đ 4
CBNĐ s
PSoC
XC9536
LED 1
NhđộTB
LED 2
Nhđộ 5