「VHDL硬體描述語言」改進教材暨新教具製作 - 聖約翰科技大學.docx

聖約翰科技大學教材編撰及教具製作VHDL硬體描述語言改進教材暨新教具製作電機工程系陳家宏 副教授中華民國九十八年八月二十五日星期二摘要:VHDL硬體描述語言課程為所有嵌入式系統(SOC)的基礎課程。近年來數位電路的設計早已進入電腦輔助設計階段，大型複雜數位電路工程師們也無法繪製出邏輯層的實際狀況，皆需仰靠硬體描述語言來完成電路設計工作。在學習VHDL語言過程中，下載程式碼至CPLD或FPGA之IC中來驗證電路功能是最後且重要的學習階段。在目前的教學中我們使用較小容量的EPM7064SLC44-10 IC，在課程的最後階段，此IC往往放不下學生所設計的數位電路，若是必須團隊合作設計的電路那就更不用說了，往往只能模擬驗證。而容量較大的FPGA IC設備價格較高，體積較大，在課程上常無法一人一機使用，且在實驗室中也不易擺放。在本次改進教學計畫中，我們將設計一只供VHDL下載學習的實習板，並且每位學生各擁有一片，我們設計使用CPLD IC-EPM240T100C5N做為主實驗板之核心，並將常用的I/O介面元件，如:LED、DIPSwitch、Push Botton、Osc、7display、Buzzer 等放置在所設計的教學下載學習板中、使學生在學習過程中不必再另外接線，並可學習如何有效佈線(floor plain)。我們同時也顧及一些特殊狀況需要外接元件時，設計了一些特殊的跳接線，方便使用者設計。此實驗學習版的書面教材與PPT檔將一併設計製作，供學生自由下載使用，部分學習興趣高的同學甚至可以自行修改，以符合本身特殊需求。目錄I. 摘要2II. 計畫目標4III. 執行項目4IV. 執行方式5V. 執行內容6VI. 改進教材/具體成效 11VII. 參考文獻13圖目圖1、實習板架構圖 6圖2、LAYOUT電路上層 7圖3、LAYOUT電路下層 7圖4、實習板外觀8圖5、舊有實習板之實體圖11圖6、本計畫實習板實體圖11光碟目錄1. VHDL硬體描述語言改進教材暨教具製作成果報告WORD檔2. 教材PPT檔與範例程式計畫目標:在以往的VHDL課程中，我們所使用的CPLD實習板是以EPM-7064SLC44-10 IC作為核心，並設計少量周邊I/O元件提供學生用來驗證其所設計之數位電路功能是否正常，但由於在課程的最後階段，此IC往往放不下學生所設計的數位電路，所以在本次計畫中我們將設計一只供VHDL下載學習的實習板，並且每位學生各擁有一片，此實習板以EPM240T100C5N IC為核心，除了增加所使用IC之logic element數量至2210以外，並增加更多的I/O介面以供學生下載驗證其所設計之數位電路。而此實習板的書面教材與PPT檔將一併設計製作，供學生自由下載使用。執行項目: 1. 實習板的設計與製作2. 實習板使用說明3. 教學投影片的設計與製作4. 設計符合教學實習板的實習教學內容執行方式:我們先參考舊有的實習板設計與介面電路設計，將EPM240T100C5N設計至實習板中，並增加I/O元件數，LED*9、 7display*4、DIP-8*2、Button*4、OSC、以及單一脈衝產生電路，將所有I/O角為接使用上，並於Button位置設計Jump跳接線，方便長繞線修改，如此除了原有的實驗可以完成，預計還可以增加電子鐘、電子骰子、通訊介面UART、電子琴等較高階電路實習，其他複雜的電路也可設計成團隊合作方式完成。整體線路設計將由與PCB佈線將由老師設計，指導學生完成，於系內PCB製作實驗室試產，視預算經費多拐決定是否外送生產及生產數量。在計畫中較大的困難點為本系PCB製作是無法製作貫穿鍍銅設計，這使得在線路設計上增加困難度與複雜度，整塊實習板可能增加不少體積，生產成本也會增加許多，這將降低日後學生攜帶的意願，損壞率相信也會升高。增加製作經費將是最有效的改進方式，我們將試著努力達成。整體實驗手冊撰寫將使用WORD進行編排，圖形的部分利用原有原有線路或實體照片剪貼完成，教學播放檔也利用POWER POINT 軟體製作設計，方便日後教學及資料整理攜帶執行內容: 1. 實習板的設計與製作:實習板的電路設計我們使用Altium Designer來輔助設計實習板，我們先參考舊有的實習板設計與介面電路設計，將EPM240T100C5N設計至實習板中，並增加I/O元件數，LED*9、 7display*4、DIP-8*2、Button*4、OSC、以及單一脈衝產生電路。實習板設計共分成9個部分，如下圖 圖一、實習板架構圖分別為電源電路、七段顯示器電路、按鈕開關電路、單一脈衝產生電路、JTAG下載電路、LED顯示電路、EPM240電路、振盪器電路與指撥開關。實習板LAYOUT電路(上層)圖2、LAYOUT電路上層實習板LAYOUT電路(下層)圖3、LAYOUT電路下層2. 實習板之使用說明: 圖4、實習板外觀A、 電源電路 輸入電壓可接受範圍為815v，可由變壓器P18或電源供應器P17輸入，使用時必須將P19用jump短路，電源才能有效輸入，當電源輸入時，D1將會亮起，代表實習版電源正常，若不使用電源，可用開關P16切換即可。B、 七段顯示器電路 七段顯示器DS1與排針P11相連接，順序為a、b、c、d、e、f、g、p，而P10則為個別之電源，順序為d1、d2、d3、d4。C、 按鈕開關電路 按鈕開關S3、S4、S5、S6 與排針P5相連接連接順序為由右至左3、4、5、6。D、 單一脈衝產生電路 微動開關P22與排針P31相連接，當按一次微動開關，P31之第1根腳將產生1個正緣之clock，同時第2根腳將產生一負緣之clock。E、 JTAG下載電路 使用此塊實習板燒錄晶片時有兩種方式可以選擇，第一種是由電腦直接接print port至實習版的J1完成燒錄動作；另一種為print port再接ByteB1asterMV download cable 至JTAG輸入腳P29來完成。F、 LED顯示電路 LED D1D9與排針P8相連接，當排孔輸入邏輯為0時，該LED會亮起，反之則不亮。G、 EPM240電路 EPM240是一顆100pin包裝之晶片，其接腳已全部外接至排針P24、P25、P26、P27、P28。除了固定接腳，CLK接腳12、14，VCC接腳9、13、31、45、59、63、80、94，GND接腳10、11、32、46、60、65、79、93，TMS接腳22、TDI接腳23、TCK接腳24、TDO接腳25，其餘皆可當一般I/O使用。H、 振盪器電路 如果將排針P14短路則會產生一10MHZ 的CLOCK輸入至腳 12，如果使用者欲自己輸入其他頻率的CLOCK，則將不需要將P14短 路。I、 指撥開關 按鈕開關S1與排針P1相連順序為由上而下18，S2與排針P4相連順序亦同於S1。改進教材/教具之具體成效:舊有實習板之實體圖:圖5、舊有實習板之實體圖本計畫實習板之實體圖:圖6、本計畫實習板實體圖本計畫之實習板除了將IC升級成EPM240T100C5N之外也將其I/O介面增加，七段顯示器由原有的1*2增為1*4，LED也從原有的8顆增為9顆並以陣列方式排列藉此實現電動骰子之電路設計，DIP由原有的8-bit 1組增加為8-bit 2組，其電源電路部分由原來的固定5V輸入 改為8-15V再降壓成3.3V提供EPM240T100C5N使用，由於有些IC工作電壓為5V，所以加入7805先將電壓轉成5V再轉3.3V，並在電路上加入保險絲以防電流過大導致IC燒毀。在使用上不同於舊有實習板之設計，學生只能以固定腳位進行數位電路設計，本計畫之實習板將所有的I/O輸入腳位以排針方式拉出，學生可依照自己的喜好編排輸入輸出腳位增加設計上的靈活性，也提高使用上