مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

 

 

فهرست

 

عنوان	صفحه
چكيده   فصل اول – مقدمه 1-1- مقدمه 1-2- معرفي CAN 1-3- مقدمه اي بر تراشه هاي قابل برنامه ريزي 1-4- مروري بر زبان هاي توصيف سخت افزاري 1-5- نرم افزارهاي طراحي تراشه هاي FPGA	1   2 3 4 6 8 9
فصل دوم – مروري بر كارهاي انجام شده 2-1- مقدمه 2-2- ميكروكنترلر مقاوم شده در برابر تشعشع 2-3- كانولوشن كننده هاي (Convolelrs) دو بعدي 2-4- فيلترهاي ديجيتال 2-4-1- فيلترهاي با پاسخ ضربه محدود (FIR) 2-4-2- فيلترهاي با پاسخ ضربه نامحدود (IIR) 2-4-3- فيلترهاي Wavelet متقارن 2-5- تبديل كسينوسي گسسته و معكوس آن (IDCT,DCT) 2-6- مبدلهاي فضاي رنگي () 2-7- مدولاتور ديجيتال 2-8- كنترلر گذرگاه USB 2-9- كنترلر گذرگاه PCI 2-10-كد كننده گفتار ITU-T G.723.1 2-11- كد كننده ها كدفاير 2-12- پياده سازي سخت افزاري الگوريتم هاي سطح بالاي پردازش تصوير با استفاده از پيكر بندي جزئي FPGA در زمان اجرا 2-13- مترجم هاي زبان هاي سطح بالا به زبان VHDL 2-14- پياده سازي يك پردازشگر تصوير قابل پيكر بندي مجدد 2-15- جمع بندي	10 11 11 14 15 15 17 18 19 19 20 21 23 24 24 25   26 28 29
فصل سوم – كنترلر گذرگاه CAN 3-1- مقدمه 3-2- پايه هاي تراشه كنترلر CAN 3-3- بررسي سخت افزار كنترلر CAN 3-3-1- شمارنده هاي خطا در كنترلر CAN 3-3-2- ثبات هاي كنترل 3-3-2-1- ثبات فعال كننده وقفه ها 3-3-2-2- ثبات وضعيت 3-3-2-3- ثبات واسط CPU 3-3-2-4- ثبات پيكربندي گذرگاه 3-3-2-5- ثبات CIK out 3-3-3- واحد زمان بندي بيت 3-3-3-1- سرعت نامي نرخ بيت 3-3-3-2- ثبات صفر زمان بندي بيت 3-3-3-3- ثبات يك زمان بندي بيت 3-3-4- ثبات ماسك توسعه يافته و استاندارد 3-3-5- بسته هاي پيام 3-3-5-1- ميدان كنترل 3-3-5-2- ميدان داوري يا شناسه 3-3-5-3- ميدان داده 3-3-5-4- ميدان تركيب بندي 3-3-6- ثبات وقفه 3-4- دريافت و ارسال پيام 3-4-1- انواع فريم هاي اطلاعات قابل مبادله بين گره ها و كنترلر 3-4-1-1- فريم داده 3-4-1-2- فريم دور 3-4-1-3- فريم خطا 3-4-1-4- فريم اضافه بار 3-4-2- بررسي كدهاي خطا در تبادلات كنترلرCAN	31 32 33 34 34 36 36 37 38 38 39 40 40 41 41 42 42 42 45 45 45 45 46 46 46 48 48 49 50
فصل چهارم – خلاصه اي از خصوصيات اصلي زبان VHDL 4-1- مقدمه 4-2- شي (object) 4-3- عملگرهاي زبان VHDL 4-4- توصيف كننده هاي يك مولفه 4-5- ساختارهاي همزماني و ترتيبي 4-6- روشهاي توصيف سخت افزار 4-6-1- روش توصيف ساختاري 4-6-2- روش توصيف فلوي داده (Data Flow) 4-6-3- روش توصيف رفتاري 4-7- كد نويسي قابل سنتز 4-8- جمع بندي	51 52 52 52 53 55 55 56 57 58 59 60
فصل پنجم – پياده سازي كنترلر گذرگاه CAN 5-1- مقدمه 5-2-ثبات ارسال و دريافت پيام در كنترلر 5-3- ثبات ماسك 5-4- سيستم مقايسه شناسه ها 5-5- افزايش تعداد بسته هاي پيام 5-6- واحد محاسبه كننده كد CRC 5-7- دياگرام پايه هاي كنترلر طراحي شده و پياده سازي ديكودر آدرس 5-8- نرم افزار مورد استفاده در پياده سازي كنترلر CAN 5-9- جمع بندي	61 62 62 63 64 66 67 72 73 73
فصل ششم – نتايج و جمع بندي 6-1- مقدمه 6-2- نتايج حاصل از تست وضعيتهاي مختلف كنترلر 6-3- نتايج حاصل از تست واحد CRC توسعه يافته 6-4- نتايج حاصل از تست stuff bit 6-5- ارسال فريم خطا 6-6- بررسي وضعيت پايه فركانس خروجي CLK out 6-7- بررسي عملكرد حالت Sleep , pwd 6-8- نتايج مربوط به پياده سازي سخت افزار روي تراشه 6-9- نتيجه گيري و پيشنهادات براي ادامه كار مراجع	74 75 75 78 80 82 83 84 85 86 I

 

چكيده

يكي از موضوعات مطرح در اتوماسيون صنعتي و روباتيك تبادل اطلاعات بين اجزاء شبكه مانند CPU و فرستنده و گيرنده هايي است كه نظارت و كنترل اجزاء يك سيستم را بعهده دارند از جمله زير ساختهاي لازم براي تبادل اطلاعات وجود شبكه ها و گذرگاه هاي تعريف شده و استاندارد براي اتصال اجزاء يك سيستم اتوماسيون صنعتي است شبكه كنترل محلي (CAN-Control Area Network) و گذرگاه آن مدتي است كه در سيستمهاي صنعتي مورد استفاده قرار گرفته است و تراشه هاي متعددي با عنوان كنترلر گذرگاه CAN مورد استفاده قرار مي گيرد يكي از اين محصولات تراشه 82527 اينتل مي باشد كه اخيرا مورد توجه طراحان شبكه هاي كنترل محلي قرار گرفته است .

از ابداعات جديد علم الكترونيك كه امروزه كاربرد روزافزوني يافته است طراحي و پياده سازي مدارهاي ديجيتال و پردازنده هاي با كاربرد خاص بر روي تراشه هاي قابل برنامه ريزي FPGA است از مزاياي مهم اين نوع پياده سازي طراحي مدارهاي با قابليت پيكربندي مجدد بر اساس خواست طراح است .

علاوه بر اين در صورتي كه تهيه يك تراشه با كاربرد خاص بنا به دلايل گوناگون از جمله عدم انتقال تكنولوژي مشكل باشد با داشتن و مشخصات كاري آن تراشه به اين روش مي توان تراشه مورد نظر را بر روي تراشه هاي قابل برنامه ريزي پياده سازي نمود.

در اين پروژه با استفاده از زبان توصيف سخت افزاري VHDL و تراشه هاي قابل برنامه ريزي به طراحي و پياده سازي تراشه 82527 (كنترلر گذرگاه CAN ) اقدام شده است در عين حال اصلاحاتي نيز در عملكرد اين تراشه لحاظ شده كه كارايي آن را بهبود مي بخشد نتايج بدست آمده موفقيت اين پروژه را در طراحي ، پياده سازي و بهبود تراشه با انجام تغييرات پيشنهادي نشان مي دهد .

فصل اول

مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1-1- مقدمه

در دو دهه گذشته پيشرفت روز افزون علم الكترونيك تحولات شگرفي را در كار آمدي سطوح فناوري باعث گرديده است به شكلي كه اين روند رو به افزايش در عرصه هاي گوناگون از قبيل ارتباطات، پزشكي، اتوماسيون، نظامي و ... كاملا مشهود است.

به عنوان نمونه در اتوماسيون صنعتي و روباتيك واحدهاي الكترونيكي كه بخش مهمي از سيستم بشمار مي روند توانسته اند بهره وري سيستم را فزوني بخشند. از مسايل مطرح در اين زمينه مي توان طراحي و پياده سازي شبكه هاي صنعتي را نام برد . از جمله اين شبكه ها، (Control Area Network) CAN ، شبكه Profibus و شبكه Ethernet هستند. كه هر يك از اين شبكه ها در زمينه خاصي كاربرد دارند.

در شبكه هاي فوق و از جمله شبكه كنترل محلي (CAN) نياز به تراشه هاي كنترل شبكه است كه از نوع تراشه هاي خاص بوده و انواع متفاوتي از آنها توسط كمپانيهاي سازنده به بازار عرضه شده اند. يكي از اين محصولات تراشه 82527 اينتل مي باشد كه مورد توجه طراحان شبكه هاي كنترل محلي قرار گرفته است.

از ديگر ابداعات علم الكترونيك كه امروزه كاربرد فراوان دارد طراحي و پياده سازي مدارهاي ديجيتال و پردازنده هاي با كاربرد خاص بر روي تراشه هاي قابل برنامه ريزي است. از مزاياي مهم اين نوع پياده‌سازي مدارات ديجتال، طراحي مدارهاي با قابليت پيكربندي مجدد بر اساس خواست طراح است.

علاوه بر اين در صورتي كه تهيه يك تراشه با كاربرد خاص بنا به دلايل گوناگون از جمله عدم انتقال تكنولوژي مشكل باشد با داشتن مشخصات كاري آن تراشه به اين روش مي توان تراشه مورد نظر را بر روي تراشه هاي قابل برنامه ريزي پياده سازي نمود.

در اين پروژه با استفاده از يكي از زبانهاي توصيف سخت افزاري و تراشه هاي قابل برنامه ريزي به طراحي و پياده سازي تراشه 82527 ( كنترلر گذرگاه CAN ) اقدام شده است. در عين حال اصلاحاتي نيز در عملكرد اين تراشه لحاظ شده كه كار آيي آنرا بهبود مي بخشد. در ادامه اين فصل ابتدا به معرفي گذرگاه CAN مي پردازيم. پس از آن مروري بر تراشه هاي قابل برنامه ريزي و در انتها هم مروري بر زبانهاي توصيف سخت افزاري خواهيم داشت.

در فصل دوم مروري بر برخي از پياده سازيها در ارتباط با طراحي و اصلاح پردازنده هاي عمومي و نيز پياده سازي پردازشگرهاي سيگنال ديجيتال خواهيم داشت. در فصل سوم يكي از پر كاربردترين كنترلرهاي گذرگاه CAN و پروتكلهاي ارتباطي در اين شبكه را معرفي خواهيم نمود.در فصل چهارم به معرفي يكي از زبان هاي توصيف سخت افزار كه در اين پروژه مورد استفاده قرار گرفته است مي پردازيم. در فصل پنجم به پياده سازي كنترلر معرفي شده مي پردازيم. در انتها نتايج حاصل از پياده سازي را نشان خواهيم داد و به جمع بندي خواهيم پرداخت.

1-2- معرفي CAN

شبكه كنترل محلي (Control Area Network) براي كنترل سيم بندي هاي ساده تا شبكه هاي پيچيده قابل استفاده بوده و از جمله موارد كاربرد اين شبكه را مي توان سيستمهاي اتوماسيون صنعتي، وسائل و تجهيزات پزشكي، صنايع خودرو، هواپيما، كشتي سازي و ... را نام برد.

به عنوان مثال در اتومبيل هاي پيشرفته مانند مرسدس بنز براي متصل نمودن و در عين حال مديريت بر واحدهاي الكترونيكي بخشهاي مختلف از قبيل موتور، درها، نمايشگرها و ... اين شبكه استفاده مي شود. در صنايع حمل و نقل ريلي مثل قطار و مترو نيز اين شبكه براي كنترل اجزا مختلف سيستم مورد استفاده قرار مي گيرد.

استانداردهاي گوناگون با سرعتهاي متفاوت كه بر اساس قواعد CAN عمل مي نمايند وضع گرديده است و هر يك از صنايع استفاده كننده از شبكه كنترل محلي يكي از اين استانداردها را بكار مي برند استفاده مي نمايند.

در اين شبكه ارتباطات بين بخشهاي مختلف به صورت سريال مي باشد و اتصال اجزاي مختلف اين شبكه توسط گذرگاه سريالي كه از پروتكلهاي استاندارد CAN پيروي مي كند صورت مي گيرد.

بخشهاي مختلف اين شبكه عبارتند از :

يك كنترلر شبكه، يك ميكروكنترلر يا ميكروپروسسور و تعداد لازم فرستنده – گيرنده پيام (Transciver) و ايزوله كننده هاي نوري (Opto cupler).

ميكروكنترلر به منظور راه اندازي و فرمان دادن به كنترلر شبكه بكار گرفته مي شود. در بعضي از شبكه‌هاي بزرگ بيشتر از يك كنترلر وجود دارد. شكل هاي (1-1) تا (1-3) نحوه اتصال اجزا مختلف اين شبكه را نشان مي دهند.

 

تراشه هاي كنترلر زيادي از شركتهاي سازنده نيمه هادي به بازار عرضه شده است. به عنوان نمونه تراشه هاي 82526 و 82527 از شركت اينتل تراشه 82200 از كارخانه فيليپس از جمله تراشه هاي كنترلر عرضه شده مي باشند. كنترلر 82527 در صنعت كاربرد بيشتري دارد زيرا اين تراشه از بقيه كاملتر است. از دلايل ديگر كاربرد اين تراشه شركت سازنده آن است، به دليل اينكه محصولات شركت اينتل در ايران رايج تر مي باشد.

كنترلر شبكه توسط گذرگاه سريال (CAN Bus) اطلاعات لازم را از گره هاي شبكه (فرستنده – گيرنده ها) دريافت نموده و در صورت لزوم در اختيار پردازنده سيستم قرار مي دهد. همچنين با توجه به فرامين پردازنده سيستم پيامهائي را به گره هاي شبكه ارسال مي كند.

 

تاريخچه تكامل شبكه كنترل محلي (CAN)

استفاده از شبكه داخلي در وسائط نقليه توسط شركت بوش (1983).

تصويب و معرفي قواعد مربوط گذرگاه CAN (1986).

ساخت و ارائه نخستين كنترلر گذرگاه CAN (1987).

تصويب و ارائه نسخه دوم قواعد ارتباطات در گذرگاه CAN توسط شركت بوش (1991).

معرفي پروتكل (قواعد) لايه هاي بالائي در شبكه مذكور (1991).

تشكيل و معرفي هيات كاربران CiA (CAN in Automation) (1992).

ارائه قواعد مربوط به لايه كاربردي شبكه توسط CiA(1992).

توليد اولين اتومبيل از كارخانه مرسدس بنز كه از CAN استفاده نمود(1992).

تصويب استاندارد ISO 11989 مربوط به CAN (1993).

برگزاري اولين كنفرانس CAN توسط انجمن CiA (1994).

ارائه اصلاحات استاندارد ISO 11898 (1995)..

توسعه قواعد ارتباطات در CAN (2000). ‌‌[1] [2] [3] [4] [5].

 

1-3- مقدمه اي بر تراشه هاي قابل برنامه ريزي

مدارهاي مجتمع با كاربرد خاص ASIC (Application Specific Integrated Ciccuits) به سه دسته تقسيم مي شوند:

الف – مدارهاي كاملا خاص Full Custom .

ب- مدارهاي نيمه سفارشي Semi – Custom .

ج- مدارهاي قابل برنامه ريزي PLD و Gate Array .

در مورد اول طرح مدار در حد گيت ها و ترانزيستورها توسط نرم افزارهاي شبيه سازي آماده شده و تست مي گردد. اين مشخصات در اختيار سازنده قرار مي گيرد و سازنده اين طرح را به صورت‌ ترانزيستوري در آورده و آن را بر روي سطح سيليكون خام پياده مي نمايد.

در مورد دسته ب همانند حالت قبل مدار با كمك نرم افزار ويژه طراحي شده و سپس نتيجه طراحي جهت ساخت در اختيار سازنده قرار مي گيرد با اين تفاوت كه اين بار مدار بر روي تراشه هاي نيمه خام گيت ها مثل AND و OR يا مدارهاي ديگر بر روي آنها از قبل ايجاد گرديده و فقط اتصالات بين آنها وجود ندارد كه اينها اتصالاتي هستند كه با توجه به طرح مشتري بر روي تراشه ايجاد مي گردند. يك نمونه اين مدارها Gate Array مي باشد.

مدارهاي قابل برنامه ريزي آنهائي هستند كه بر خلاف دسته اول ساخت آنها در كارخانه سازنده و قسمتهاي تكميلي آن توسط خود مشتري انجام مي شود در صورتيكه در مدارهاي نيمه خام و قسمت آخر يعني ايجاد اتصالات توسط سازنده انجام گرفته و تنها قسمت مياني يعني طراحي اتصالات توسط مشتري قابل انجام است. مدارهاي قابل برنامه ريزي شامل انواع PLA ، FPGA و حتي PROM ، EPROM نيز مي شوند.

تراشه هاي PGA در دو دهه گذشته محبوبيت زيادي كسب نموده اند. در اين تراشه ها هيچ نوع الگوي ارتباطي از قبل تعيين شده اي وجود ندارد و بنابراين طراح آزادي كامل در جهت ايجاد اين اتصالات را دارد. بر اساس نوع برنامه ريزي اين تراشه ها در دو دسته تقسيم بندي مي شوند :

الف- نوعي كه وارد كردن برنامه در آنها بايستي در كارخانه سازنده انجام گيرد Masked PGA .

ب- تراشه هاي قابل برنامه ريزي در محل .

FPGA از لحاظ نوع ساختار ساده ترين و قديمي‌ترين آنها شامل ماتريسي از‌NAND يا NOR هاي دو وروي مي باشد. در تراشه هاي دسته (الف) همانند دسته (ب) بخش اول كار يعني ساخت تراشه يا مرحله ايجاد اتصالات در كارخانه سازنده انجام مي شود سپس طراح با توجه به طرح خود ارتباط بين دريچه ها را تعيين نموده و پس از شبيه سازي مدار و اطمينان از عملكرد صحيح آن اطلاعات مربوط به اتصالات مورد نظر را به صورت يك برنامه كامپيوتري تحويل كارخانه سازنده مي دهد تا ماسكهاي مورد نيز تهيه گشته و بقيه مراحل تا پايان كار و تكميل ساخت تراشه توسط سازنده انجام پذيرد در دسته (ب) بخش ايجاد اتصالات هم توسط كاربر و با كمك دستگاه برنامه ريزي ويژه در محل كار طراح قابل انجام است و احتياج به مراجعه به سازنده براي انجام اين كار نيست.

بايستي توجه داشت كه دسته (ب) در ازاي داشتن اين مزيت اين نقطه ضعف را نيز دارد كه بخش مهمي از سطح سيليكون براي ايجاد امكانات برنامه ريزي در محل استفاده شده است. بنابراين در نوع اخير از درصد كمتري از سطح سيليكون براي ايجاد اصل مدار استفاده مي شود.يكي از نقاط ضعف عمده تراشه‌هاي Masked PGA در آن است كه اگر اشكالي پس از اتمام كار در تراشه ساخته شده كشف شود در آن صورت تمام مراحل تهيه ماسك و ايجاد اتصالات توسط سازنده بايستي دو مرتبه از ابتدا تكرار گردند اين موضوع هزينه جبران اشتباه را خيلي بالا مي برد نكته ديگري كه در استفاده از اين نوع تراشه بايستي در نظر داشت اين است كه تعداد تراشه مورد نياز بايد انقدر زياد باشد كه جبران هزينه هاي توليد ماسك و غيره را بنمايد. همچنين زمان قابل ملاحظه براي انجام اين مراحل را توسط كارخانه سازنده نيز بايستي در نظر داشت.

 

 

نمونه اي از موارد كاربرد تراشه هاي FPGA :

- رمز گذاري و رمز گشايي داده ها .

- پردازنده هاي محاسباتي.

- پردازنده هاي تصويري و صوتي ( فشرده سازي، بازسازي، فيلتر و ....)

- كنترلرهاي گذرگاه هاي CAN ، PCI و ... [6] [7]

 

1-4- مروري بر زبان هاي توصيف سخت افزاري

HDL (Hardware Description Language) روش توسعه يافته‌اي از توصيف رفتار سيستم‌هاي منطقي به وسيله روابط منطقي است. اين زبان ها بسياري از مشخصه هاي روابط منطقي و روابط حالت را در درون خود دارند. در اين قسمت، بيشتر تمركز ما بر روي VHDL است.

VHDL(VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language)

امروزه اين زبان به عنوان استاندارد صنعتي MIL SID 454L معرفي شده است و تمامي طرح هاي ASIC مربوط به وزارت دفاع آمريكا بايد طبق اين زبان استاندارد نوشته شوند.

اين زبان به عنوان قسمتي از پروژه VHSIC (مدارهاي مجتمع با تكنولوژي مشخصي، تعريف و شبيه سازي نمود. زماني كه يك مدار منطقي بوسيله اين زبان تعريف مي گردد، مي توان ان را به هر پروسه منطقي و يا بر روي ماژول هاي طراحي شده توسط هر يك از توليد كننده هاي ابزارهاي منطقي انتقال داد. (VHSIC HDL) VHDL يك سيستم منطقي را به صورت ساختار بالا به پايين توصيف مي كند.

براي بدست آوردن توصيفي از يك سيستم به صورت ساختار بالا به پايين، سيستم را به صورت مجموعه اي از زير سيستم ها تقسيم مي كنيم كه بوسيله يك سري رابط به هم متصل مي گردند. هر يك از زير سيستم هاي بالايي را مي توان به توابع و زير سيستم هاي كوچكتر تقسيم كرد. اين عمل همچنان ادامه مي يابد تا به پايين ترين سطح از سيستم دست بيابيم كه در اين سطح هر يك از زير سيستم ها را مي توان بوسيله گيتها و بخشهاي آماده ديگر طراحي نمود.

به اين ترتيب، بدليل آنكه هر يك از طبقات اين ساختار منطقي به صورت يكتا مشخص شده اند.

هر يك از آنها را مي توان به تنهايي شبيه سازي نمود و تابع منطقي اجرا شده بوسيله آنها را آزمايش كرده و خطاهاي احتمالي را بر طرف نمود. ابتدا صحت عملكرد پايين ترين طبقه اين سيستم را آزمايش كرده و با تركيب زير سيستم هاي پايين تر به زير سيستم هاي پيچيده تر مي رسيم تا جاييكه به طرح سيستم مورد نظر كه در بالاترين طبقه اين ساختار وجود دارد برسيم.

پس از انجام اين عمل، به مرحله تركيب مي رسيم كه در آن كل طرح را پياده كرده و سپس براي بدست آوردن پارامترهاي زماني آن، عمل شبيه سازي را انجام مي دهيم. [7]

1-5- نرم افزارهاي طراحي تراشه هاي FPGA

از جمله شركتهاي فعال در زمينه نرم افزارهاي طراحي تراشه هاي FPGA مي توان از ALTERA نام برد كه عرضه كننده مجموعه نرم افزار MAXPlus مي باشد. اين مجموعه به عنوان ورودي خود توصيف مدار را به زبانهاي عمومي VHDL و Verilog HDL و يا زبان اختصاصي ALTERA يعني AHDL مي پذيرد. از بين ديگر فعالان اين زمينه مي توان از شركتهاي ACTEL ، ATMEL و Xilinx نام برد.

 

 

فصل دوم

مروري بر كارهاي انجام شده

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-1- مقدمه

در اين فصل مروري بر استفاده از زبان هاي توصيف سخت افزاري و تراشه هاي FPGA در طراحي پردازنده ها فيلترها و ديگر مدارات ديجيتالي خواهيم داشت.

بسياري از پردازنده ها، پردازشگرهاي با كاربرد خاص، پردازشگرهاي كمكي (Coprocessor)، كنترلرهاي گذرگاه هاي مختلف اعم از USB ،PCL و .... را مي توان به صورت بهينه بر روي تراشه هاي FPGA پياده سازي نمود. علاوه بر اين مي توان در صورتي كه نياز باشد اصلاحاتي بر روي آنها انجام داد و مطابق با شرايط لازم طراحي را تغيير داد. به عنوان نمونه ميكرو كنترلر مقاوم شده در برابر تشعشع از جمله پردازنده هاي اصلاح شده است كه در بخش اول به آن اشاره خواهيم نمود. البته لازم است به ساختمان پردازنده اي كه مي خواهيم آن را اصلاح نمائيم آگاهي كامل داشته باشيم.

علاوه بر اين مدارهاي ويژه مانند فيلترهاي ديجيتال از قبيل FIR ، IIR ، Wavelet ، فيلترهاي غير خطي، وفقي با استفاده از زبان VHDL و تراشه هاي FPGA قابل ساخت هستند. اكثر توابعي كه در الگوريتم هاي پردازش سيگنال اعم از صوت و تصوير مانند مبدلهاي DCT ، FFT سيستم هاي تعيين موقعيت، آشكارسازهاي لبه تصوير و ... مورد استفاده قرار مي گيرند را مي توان به اين روش طراحي نمود. كنترلرهاي وقفه، DMA و انواع كنترلرهاي گذرگاه ها نيز به صورت بهينه شده و اصلاح يافته بر روي تراشه هاي FPGA قابل پياده سازي هستند.

برخي از دانشمندان مترجم هائي تهيه نموده اند كه با استفاده از اين مترجم ها مي توان الگوريتم هاي پردازش تصوير و صوت را كه با استفاده از زبانهاي سطح بالا مانند C و يا محيط هاي شبيه سازي مانند مطلب تهيه گشته اند به زبان VHDL تبديل نمود. در بخش آخر به معرفي يكي از اين مترجم ها خواهيم پرداخت.

 

2-2- ميكرو كنترلر مقاوم شده در برابر تشعشع

مقاومت در برابر خطا(Fault - Tolerance ) و قابليت اعتماد بالا از مشخصات ضروري صنايع نظامي مي باشند. مدارات ديجيتال بكار گرفته شده در صنايع هوا فضا تحت تاثير انواع تشعشعات قرار مي‌گيرند. يك روش كاهش خطا به منظور مقاوم شدن در برابر تشعشع استفاده از تكنيك كد همينگ (Hamming) مي باشد.

يكي از ميكرو كنترلرهاي ديجيتالي كه بيشتر در اين صنايع بكار گرفته مي شود خانواده ميكرو كنترلر 8051 است. اين تراشه را كه بلوك دياگرام ساختمان آن در شكل (2-1) نشان داده شده است با استفاده از زبان توصيف سخت افزاري VHDL مي توان بوسيله تكنيك كد همينگ نسبت به تشعشع مقاوم نمود.

شكل(2-1) بلوك دياگرام ساختماني ميكرو كنترلر 8051

 

همان طور كه در شكلهاي (2-2) تا (2-5) نشان داده شده است اين تكنيك به رجيسترهاي مسير داده، واحد كنترل، ماشين حالت و حافظه قابل اعمال مي باشد.

شكل (2-3) اعمال كد همينگ به واحد كنترل و ماشين حالت

 

نتايج حاصل از اعمال اين تكنيك در جدول (2-1) نشان داده شده است.

 

909 CLBs used

Full protected

8051-8bit

جدول (2-1) نتايج حاصل از اعمال همينگ كد

 

ملاحظه مي شود كه پياده سازي 8051 مقاوم شده با استفاده از CLB 909 (Configurable Logic Block) قابل انجام م باشد. اين روش را مي توان بر روي بسياري از ميكرو كنترلرها و ميكروپروسسورها اعمال نمود[8].

 

2-3- كانولوشن كننده هاي (Convolvers) دو بعدي

كانولوشن كننده هاي دو بعدي در پردازش تصوير به منظور اعمال فيلتر، تشخيص لبه (Edge Detection) ، درون يابي (Interpolation) و واضح نمودن (Sharpening) بسيار موثر هستند به عنوان نونه، عمل يك كانولوشن كننده كه لبه هاي يك تصوير را براي خروجي بر جسته و واضح (Sharpen) مي نمايد Edge Enhancement ناميده مي شود.

كانولوشن كننده داده هاي تصويري را در قطعات كوچك (مثلا پنجره هاي 3×3) همانند شكل (2-6) مورد پردازش قرار مي دهد.

3	2	1
6	5	4
9	8	7

 

شكل (2-6) پنجره 3×3 براي عمل كانولوشن

 

بلوك دياگرام يك كانالوشن كننده دو بعدي در شكل (2-7) نمايش داده شده است . [9] [10]

 

 

در شكل فوق x نمايشگر يك پيكسل از تصوير مي باشد.

 

2-4- فيلترهاي ديجيتال

فيلتر هاي ديجيتال از پر كاربردترين اجزا در پردازش سيگنال هاي ديجيتال مي باشند. كار يك فيلتر حذف قسمتهاي نامطلوب يك سيگنال يا استخراج سيگنال هايي در محدوده فركانسي خاص مي باشد. به عبارت ديگر فيلتر فركانس هاي مشخصي از يك سيگنال را انتخاب و سپس حذف و يا تغيير مي دهد. اين كار به منظور كاهش نويز و يا شكل دادن به طيف سيگنال انجام مي گيرد.

بيشتر فيلترهاي قديمي در كاربردهاي DSP با بكارگيري پردازنده هاي DSP ويژه پياده سازي مي‌شدند. اين پردازنده هاي DSP قادر به انجام عمليات ضرب و ذخيره اطلاعات با سرعت بالا هستند ولي داراي محدوديت در پهناي باند مي باشند. فقط تعداد معيني عمليات قبل از ورود نمونه بعدي توسط اين پردازنده ها قابل انجام مي باشند كه در نتيجه محدود كننده پهناي باند است. پردازنده هاي DSP به صورت ذاتي ترتيبي مي باشند و بنابراين DSP هايي كه از يك پردازنده بهره مي برند قادر به انجام يك عمل بر روي يك مجموعه داده در هر زمان مي باشند. اين مسئله باعث محدوديت در فركانس كلي سيستم مي شود. فيلترهاي بر پايه FPGA با معماري خطي لوله اي موازي پياده سازي مي شوند كه باعث افزايش عملكرد كلي سيستم مي گردد. پياده سازي با FPGA همچنين امكان ارزيابي دقيق در تمام مراحل الگوريتم را امكان پذير مي سازد. موارد ذكر شده عمده ترين تفاوت هاي بين يك فيلتر بر پايه FPGA با متناظر DSP آن مي‌باشد.

پياده سازي فيلترهاي ديجيتال با فركانس نمونه برداري چند مگا هرتز با بكارگيري DSP هاي استاندارد غالبا دشوار است و گران تمام مي شود. امكان بالقوه پردازش موازي و برنامه ريزي مجدد FPGA ها را به يك راه حل ايده آل تبديل مي كند. قابليت برنامه ريزي مجدد. تغيير در فيلتر در هر زمان را امكان پذير مي سازد [11].

 

2-4-1- فيلترهاي با پاسخ ضربه محدود(FIR)

فيلترهاي با پاسخ ضربه محدود (FIR) در طراحي فيلتر پايين گذر، كانولوشن تصوير، انتخاب باند، عدم همپوشاني(Anti Aliasing)، تخمين، درون يابي و بسياري ديگر از سيستم هاي پردازش سيگنال ديجيتال (DSP) كاربرد فراوان دارند. تراشه هاي FPGA براي پياده سازي فيلترهاي FIR بسيار ايده آل هستند. معماري يك فيلتر FIR در شكل (2-8) نشان داده شده است.

 

فيلتر صفحه قبل داراي هشت رجيستر هشت بيتي است. خروجي هر رجيستر را با x (n) نشان مي‌دهيم. معادله اين فيلتر عبارت است از :

يك فيلتر FIR با پاسخ فاز خطي، داراي ضرائب متقارن است. اين تقارن اجازه مي دهد كه x(n) هاي متقارن با يكديگر جمع شود قبل از اينكه آنها بوسيله ضرايب ضرب شوند. در اين صورت طراحي به صورت شكل (2-9) حاصل مي شود [12] [13].

 

نتايج حاصل از پياده سازي در جدول (2-2) نشان داده شده است.

 

 

2-4-2- فيلتر با پاسخ ضربه نامحدود (IIR)

اين فيلتر در طيف وسيعي از سيستم هاي پردازش سيگنال استفاده مي گردد از جمله كاربردهاي اين فيلتر در پردازش صوت و تصوير ديجيتال، تعيين وضعيت (Conditioning) و فيلتر نمودن كانال انتخابي است.

بلوك دياگرام فيلتر IIR در شكل (2-10) نشان داده شده است.

 

 

فيلتر IIR ، biquad مرتبه دوم با معادلات زير را مي توان براي ساختن فيلترهاي IIR مرتبه بالاتر استفاده نمود.

 

 

خروجي فيلتر y

ورودي فيلتر x

پارامترهاي ثابت a , b

نتايج حاصل از پياده سازي در جدول (2-3) نشان داده شده است. [14] [15]

 

30	Maximum Sample rate (MSPS)
29 %	Percentage of EPF 10k50Device Utilized

 

جدول (2-3) نتايج حاصل از پياده سازي فيلتر IIR

 

2-4-3- فيلترهاي Wavelet متقارن

با استفاده از توابع Wavelet سيگنالهاي داده به مولفه هاي فركانسي متفاوت تجزيه مي گردد. اين توابع براي نمايش و تقريب سيگنالهاي غير پيوسته كاربرد دارند. ضرايب Wavelet را با استفاده از تعداد زيادي فيلتر بالاگذر و پايين گذر مي توان محاسبه نمود. مطابق شكل (2-11) در هر مرحله فيلتر پاين گذر سيگنال را هموارتر مي سازد و فيلتر بالاگذر كليه اطلاعات سيگنال را به صورت مقياس بندي شده ارائه
مي نمايد.

 

در مواردي كه توابع Wavelet براي فشرده سازي تصوير بكار مي رود فيلترهاي Wavelet متقارن مناسب هستند زيرا اين فيلترهاي در لبه هاي تصوير اعوجاج كمتر و فشرده سازي بالاتري را فراهم مي‌نمايند. يكي از انوع فيلترهاي متقارن كه كاربرد بيشتري دارد در شكل (2-12) نشان داده شده است.