Digitaltechnik Praktikum Versuch 5 - Automaten

Im letzten Versuch haben Sie Flipflops, einen kleinen Automaten und einen Zähler entworfen. In diesem Versuch kombinieren Sie die Elemente und bauen ein System bestehend aus Zähler und Automat.

Das Ziel des Versuchs ist eine LED Blinkschaltung, bei der die Blinkphasen unterschiedlich lang sind. Weiterhin bauen Sie eine Suchmaschine, die in einem Datenstrom eine bestimmte Bitfolge sucht. Aktualisieren Sie Ihre Datenbasis vom gitserver mit

git pull

LED Blinkschaltung

Bei der LED Blinkschaltung soll ein Blinkmuster auf den roten LEDS erzeugt werden. Die Blinkmuster haben eine unterschiedliche zeitliche Länge. Die Schaltung soll die Blinksequenz starten, wenn der Schalter SW(0) auf '1' geschaltet wird. Wenn die Blinksequenz beendet ist, muss der Schalter erst auf '0' zurückgeschaltet werden, bevor die Blinkfolge neu gestartet werden kann. Der Takt für die Schaltung kommt aus dem 50 MHz Oszillator, der sich auf dem DE1 Board befindet. Der asynchrone Reset soll vom Taster KEY(0) kommen. Die Blinksequenz soll so aussehen:

"1100000000" (0.5s) -> "0000110000" (2s) -> "0000000011" (0.5s)

Wenn keine Blinksequenz aktiv ist, dann sollen die LEDS “1010101010” anzeigen. Die unterschiedlich langen Zeiten sollen durch einen ladbaren Rückwärtszähler realisiert werden, der mit zwei unterschiedlichen Startwerten geladen werden kann. Der Zähler hat ein Ausgangssignal “done_o”. Wenn der Zählerstand 0 ist, dann ist das Ausgangssignal done_o '1'. Die Ladesignale für den Zähler sollen von einem Automaten erzeugt werden.

  1. Zeichnen Sie einen Schaltplan mit Automat, Zähler, LEDs, und Schalter. Welche Signal gehen vom Automaten zum Zähler? Welche Signale gehen vom Zähler zum Automaten? Wo sind die LEDs angeschlossen? Wo ist der Schalter angeschlossen?
  2. Zeichnen Sie die Schaltungsstruktur des Zählers.
  3. Welche Zählerwerte müssen geladen werden um eine Zeitdauer von 0.5 Sekunden und 2 Sekunden bei einem 50 MHz Taktsignal zu erhalten?
  4. Zeichnen Sie einen Automatengraphen.

Im git Projekt sind schon einige Dateien vorbereitet.

  • cntblnk_rtl.vhd enthält ein Gerüst für den Zähler
  • blnkctr_rtl.vhd enthält ein Gerüst für den Automaten
  • de1_blnkauto_rtl.vhd enthält die Zusammenschaltung von Automat und Zähler
  • t_de1_blnkauto.vhd enthält die Testbench
  • Es gibt ein Simulationverzeichen “sim/de1_blnkauto”
  • Es gibt ein Syntheseverzeichnis “pnr/de1_blnkauto”

Bauen Sie jetzt den LED Blinkautomaten!

Suchmaschine

Die Suchmaschine sucht in einem Datenstrom eine bestimmte Bitsequenz. Zu dem Projekt gehören die folgenden Dateien.

  • seqgen_rtl.vhd erzeugt einen Bitstrom mit einer ladbaren Länge. Die Anzahl der erzeugten Bits hängt vom Eingang “ctrl_i” ab.
  • seqdet_rtl.vhd enthält dann die Suchmaschine
  • de1_seq_rtl.vhd enthält die Zusammenschaltung von Generator und Detektor
  • t_de1_seq.vhd enthält die Testbench.

Weiterhin gibt es die Verzeichnisse “pnr/de1_seq” und “sim/de1_seq” für die Synthese und die Simulation. Der Bitgenerator basiert auf einem linearen rückgekoppelten Schieberegister.

  1. Analysieren Sie die Verschaltung auf dem toplevel “de1_seq_rtl.vhd”
  2. Simulieren Sie die vorhandene Schaltung mit dem Bitgenerator. Stellen Sie das Signal “ctrl_i” in der Schaltung seqgen_rtl.vhd im Waveformfenster dar
  3. In der Testbench werden dem Signal “schalter” keine Werte zugewiesen. Deshalb ist das Signal “ctrl_i” undefined. Ergänzen Sie die Testbench und weisen Sie dem Signal “schalter” verschiedene Werte zu. Stellen Sie das Verhalten der Schaltung im Waveformfenster dar.

Jetzt können Sie die Schaltung mit dem Bitgenerator synthetisieren und auf das FPGA laden. Das Taktsignal und der Bitstrom werden auf dem Expansionport ausgegeben

  1. Stellen Sie die beiden Signale auf dem Oszilloskop dar.

Als nächstes soll die Schaltung um den Sequenzdetektor erweitert werden.

  1. Entwerfen Sie einen Automaten der die Bitfolge “0110100” erkennt und dann das Ausgangssignal “done_o” auf '1' setzt. Zeichnen Sie den Graphen.
  2. Beschreiben Sie den Automaten mit VHDL.
  3. Ändern Sie den Code so ab, das das Erkennungssignal “done_o” auf der roten LEDR(9) angezeigt wird und auf dem Expansionport PIN 6 (EXP_PIN6).
  4. Simulieren Sie die Schaltung und prüfen Sie ob ihr Automat die Bitfolge erkennt!

Jetzt können Sie die Schaltung erneut synthetisieren und auf das FPGA laden.

  1. Stellen Sie den Takt, die Bitfolge und das Ausgangssignal des Detektors auf dem Oszilloskop dar. Verwenden Sie die Eingänge des Logikanalysators vom Oszilloskop dazu.
  2. Stellen Sie auf dem Oszilloskop dar, dass die Erkennung richtig funktioniert.

Jetzt soll der Erkennungsautomat erweitert werden um eine lange Sequenz zu erkennen. Entwerfen Sie einen Automaten, der eine Sequenz “111” dann 21 Nullen und dann “101” erkennt!

  • dtpr_v7.txt
  • Last modified: 2018/06/04 08:16
  • by beckmanf