Projektowanie systemów kontrolno-pomiarowych w układach programowalnych

W celu przyswojenia treści wykładu i możliwości praktycznego wykorzystania przedłożonych w nim informacji na ćwiczeniach, wymaga się uzupełnienia podstawowej wiedzy z zakresu techniki cyfrowej oraz języka VHDL.

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli ( godz.75 ):

- udział w wykładach – 15h

- udział w ćwiczeniach – 45h

- konsultacje z nauczycielem akademickim – 15h

Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta ( godz.65):

- przygotowanie do ćwiczeń – 15h

- przygotowanie do egzaminu – 30h

- przygotowanie do kolokwium – 15h

- studiowanie literatury – 5h

Łącznie: 140 godz. (5 ECTS)

W1: posiada wiedzę w zakresie elektroniki i technik cyfrowych, oraz posiada wiedzę z zakresu budowy i działania systemów cyfrowych – K_W01, K_W04 (FT); K_W01, K_W06 (IS)

W2: posiada wiedzę w zakresie stosowania języka opisu sprzętu VHDL i jego konstrukcji do opisu działania systemów kontrolno-pomiarowych – K_W05, K_W07 (FT); K_W04 (IS)

W3: posiada wiedzę w zakresie stosowania specjalistycznych narzędzi i języków programowania do budowy systemów wbudowanych w układach programowalnych – K_W04, K_W05 (FT); K_W05 (IS)

U1: stosując języki programowania VHDL, C lub asembler potrafi oprogramować oraz zweryfikować poprawność działania systemu cyfrowego zaimplementowanego w strukturze układu programowalnego – K_U05 (FT); K_U04 (IS)

U2: potrafi dokonać wyboru odpowiednich narzędzi programistycznych do realizacji przedłożonego zadania – K_U01 (FT); K_U08 (IS)

U3: wykorzystuje właściwie wybrane narzędzia programistyczne do realizacji projektów systemów kontrolno-pomiarowych w strukturach układów programowalnych – K_U05 (FT); K_U11 (IS)

U4: posiada umiejętność samodzielnego wyszukiwania niezbędnych informacji koniecznych do rozwiązywania zadanego problemu z zakresu projektowania i implementacji w strukturach programowalnych systemów kontrolno-pomiarowych – K_U03 (FT); K_U01 (IS)

K1: zna poziom własnej wiedzy, potrafi precyzyjnie formułować pytania używając do tego celu języka technicznego - K_K01 (FT); K_K01, K_K05 (IS)

K2: student działa i myśli kreatywnie rozwiązując zagadnienia z zakresu techniki cyfrowej, potrafi pracować samodzielnie i w zespole, potrafi dokonać analizy kosztów projektu - K_K04 (FT); K_K06 (IS)

K3: posiada świadomość skutków wadliwie działających systemów kontrolno-pomiarowych - K_K02 (FT); K_K02 (IS)

- pokaz

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- laboratoryjna
- projektu

Celem zajęć jest przekazanie wiedzy z zakresu budowy, działania oraz programowania w strukturach układów programowalnych systemów cyfrowych. W trakcie zajęć przedstawione zostaną metody optymalnego projektowania układów synchronicznych i asynchronicznych oraz zostaną omówione zagrożenia związane z występowaniem wyścigów, hazardu i efektu metastabilności. Student zostanie zaznajomiony ze środowiskami programistycznymi ISE Design Suite, Xilinx Platform Studio oraz pBlazIDE, dzięki którym możliwa będzie realizacja systemów cyfrowych. W trakcie wykładu zostają omówione wybrane zagadnienia związane z sposobami testowania systemów elektronicznych oraz projektowania przy użyciu narzędzi wyższego poziomu.

Główne zagadnienia poruszane na wykładzie:

1. Zaawansowane techniki projektowania systemów cyfrowych

- Układy kombinacyjne;

- Układy sekwencyjne synchroniczne i asynchroniczne;

2. Modelowanie układów kombinacyjnych z użyciem języka VHDL;

3. Modelowanie sekwencyjnych bloków logicznych z użyciem języka VHDL;

4. Procesor PicoBlaze jako złożony system sekwencyjny; Implementacja i Testowanie;

5. Oprogramowanie i implementacja w strukturze FPGA przykładowych systemów kontrolno-pomiarowych działających w oparciu o procesor PicoBlaze;

6. Implementacja 32-bit procesora MicroBlaze w strukturze FPGA z wykorzystaniem środowiska programistycznego EDK;

7. Metodyka programowania i implementacji przykładowych systemów kontrolno-pomiarowych działających w oparciu o procesor MicroBlaze i dostępne IPCore;

8. Narzędzia i języki programowania wyższych poziomów

Laboratorium:

1. Projektowanie, implementacja i modelowanie przy użyciu języka VHDL układów sekwencyjnych i kombinacyjnych

2. Metody testowania systemów elektronicznych

3. Implementacja procesora PicoBlaze w strukturze FPGA.

4. Implementacja procesora MicroBlaze w strukturze FPGA.

5. Tworzenie modułów IPCore użytkownika oraz ich zastosowanie w systemie wbudowanym.

Zadania realizowane będą głównie z wykorzystaniem zestawów uruchomieniowych firmy Digilent z układami programowalnymi Spartan3E

Literatura podstawowa:

1. Zwoliński M.: Digital System Design with VHDL, Prentice Hall, 2004

2. Nowakowski M.: PicoBlaze. Mikroprocesor w FPGA, BTC, 2009

3. Xilinx Corp: EDK Concepts, Tools, and Techniques. Hands-On Guide to Effective Embedded System Design, UG683, 2012

4. Gaikwad P.: Xilinx Chipscope Pro to Visualize FPGA Internal Signals, Lambert, 2014

Literatura uzupełniająca:

1. Zieliński C.: Podstawy projektowania układów cyfrowych, PWN, 2003

2. Kulesz Z.: Programowanie sterowników czasu rzeczywistego w układach PLD i FPGA, Politechnika Białostocka, 2015

3. Churiwala S.: Designing with Xilinx® FPGAs Using Vivado, Springer, 2016

4. Narzędzie programistyczne Xilinx Platform Studio oraz Embedded Development Kit (EDK):

https://www.xilinx.com/products/design-tools/platform.html

5. Strona poświęcona procesorowi PicoBlaze:

http://www.picoblaze.info/tools.html

6. Dokumentacja techniczna zestawu z układem Spartan3E:

Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide, UG230 (v1.2), 2011

https://www.xilinx.com/support/documentation/boards_and_kits/ug230.pdf

Zaliczenie przedmiotu odbywa się na podstawie pozytywnej oceny z laboratorium oraz pozytywnego wyniku egzaminu pisemnego.

Egzamin pisemny w formie testu z pytaniami otwartymi i zamkniętymi sprawdza osiągnięcie efektów: W1, W2, W3.

Laboratorium zaliczane jest na podstawie ocen z dwóch kolokwiów.

Kolokwia sprawdzają osiągnięcie efektów: U1, U2, U3, U4.

Podczas wykładu i laboratorium sprawdzane są dodatkowo osiągnięcia następujących efektów kształcenia: W1, W2, K1, K2, K3.

Kryteria oceniania:

ndst - <0% - 45%)

dst – <45% - 55%)

dst plus – <55% - 65%)

db – <65% - 75%)

db plus – <75% - 85%)

bdb - <85% - 100%>

„nie dotyczy”