МОДЕЛИРОВАНИЕ  ПРОГРАММИРУЕМОГО  ЛОГИЧЕСКОГО  БЛОКА  ПЛИС  FPGA  В  СРЕДЕ  LABVIEW

Хопрянинов  Артём  Владимирович

студент  3  курса,  кафедра  «Информационных  и  измерительных  технологий»  ЮФУ, 
РФ,  г.  Ростов-на-Дону

E-mail:  hawx43@yandex.ru

Рябошапко  Борис  Валентинович

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  кафедры  «Информационных  и  измерительных  технологий»  ЮФУ, 
РФ,  г.  Ростов-на-Дону

E-mail:  rbv2.7182@gmail.com

Одной  из  актуальных  задач  построения  автономных  систем  управления  БПЛА  мультироторного  типа  (квадрокоптера)  является  разработка  гибкой  и  универсальной  автономной  системы  управления  БПЛА.  Важнейшей  особенностью  таких  систем  управления  должно  быть  применение  новейших  электронных  компонентов.  При  решении  задачи  синтеза  нечеткой  системы  управления  квадрокоптером  в  условиях  неопределенности  внешней  среды  и  целевой  обстановки  было  принято  решение  сделать  акцент  на  использование  модуля  NI  Single-Board  RIO  компании  National  Instruments  (рис.  1). 

Рисунок  1.  Модуль  NI  Single-Board  RIO

Суть  концепции  реконфигурируемого  ввода/вывода  (Reconfigarable  I/O  –  RIO)  заключается  в  том,  что  конфигурация  измерительной  системы  создается  не  при  разработке  или  изготовлении  модуля,  а  при  разработке  инженером-разработчиком  прикладной  системы,  частью  которой  этот  модуль  является.  Существующая  практика  основана  на  том,  что  архитектура  (Hard)  микропроцессора  нам  задана.  Поэтому  функциональность  проектируемой  нами  системы  определяется  только  возможностями  алгоритмов,  создаваемых  проектировщиком.  Применение  реконфигурируемых  систем  ввода/вывода  позволит  расширить  функциональные  возможности  системы  управления  квадрокоптером  за  счет  перепрограммирования  аппаратной  части  –  ПЛИС.

Для  реализации  этой  революционной  идеи  необходимы  два  условия:

·     Модуль  должен  содержать  ПЛИС  высокой  степени  интеграции  с  высоким  быстродействием  и  достаточно  большим  количеством  внешних  выводов;

·     «Должны  быть  средства,  позволяющие  разработчику  прикладных  систем  просто  и  за  приемлемое  время  конфигурировать  ПЛИС  в  составе  модуля  для  выполнения  разнообразных  миссий  квадрокоптера»  [1,  с.  21].

Эта  задача  была  решена  корпорацией  National  Instruments  путем  создания  модуля  LabVIEW  FPGA  [4].  С  помощью  этого  модуля  структуру  микросхемы  FPGA,  расположенную  в  модуле  NI  Single-Board  RIO,  стало  возможным  проектировать  непосредственно  в  процессе  разработки  прикладной  системы  (рис.  2).

Рисунок  2.  Система  на  основе  многофункционального  модуля  NI  Single-Board  RIO

ПЛИС  состоит  из  большого  числа  программируемых  логических  блоков  (ПЛБ)  или,  «островов»  окруженных,  «морем»  программируемых  внутренних  соединений.  Целью  работы  является  разработка  моделей  работы  ПЛБ  в  среде  графического  программирования  LabVIEW.  Были  промоделированы  два  основных  способа  реализации  ПЛБ.  Первый  –  реализация  блока  на  основе  мультиплексоров.  Второй  –  реализация  блока  на  основе  таблиц  истинности.  Примеры  взяты  из  известной  книги  [2,  с.  55–69].

Логический  блок  на  основе  мультиплексоров.  В  качестве  примера  рассмотрим  3-х  входовую  функцию  y=(a  &  b)  |  c,  реализованную  с  помощью  блока,  содержащего  только  мультиплексоры  (Рис.  3).

Рисунок  3.  Логический  блок  на  мультиплексорах

Рассмотрим  виртуальный  макет  данного  блока  в  среде  LabVIEW  [3,  с.  36].  На  рис.  4  показана  лицевая  панель  прибора.  Устройство  может  быть  запрограммировано  таким  образом,  что  на  каждый  его  вход  может  подаваться  логический  0  либо  логическая  1,  либо  истинное,  либо  инверсное  значение  входного  сигнала.  Такой  подход  позволяет  для  каждого  логического  блока  создавать  огромнейшее  количество  вариантов  конфигурирования  для  выполнения  разнообразных  функций.  На  лицевой  панели  предоставлены  несколько  кнопок  (a  ,  a1  ,b,  b1,  c  ,c1),  которые  отвечают  за  входящий  сигнал,  они  могут  принимать  два  значения  0  или  1.  Также  переключатель  (S),  с  помощью  которого  мы  можем  переключаться  между  входящими  каналами.  И  индикатор  (y),  который  показывает  сигнал  на  выходе  (0  или  1).

Рисунок  4.  Лицевая  панель  виртуального  прибора

Рассмотрим  подробнее  работу  программы.  Изначально  мы  устанавливаем  значения  заданной  функции  (a,b,c)  при  помощи  радио-кнопок(a  ,  a1  ,b,  b1,  c  ,c1).В  данном  приборе  установлено  6  кнопок,  так  как  на  каждый  вход  мультиплексора  мы  можем  подавать  как  0,  так  и  1.  При  запуске  программы  сигнал,  установленный  нами  ранее,  поступает  на  мультиплексор,  мультиплексор  поочерёдно  передаёт  на  один  выход,  один  из  нескольких  входных  сигналов,  то  есть  коммутирует  сигналы,  затем  сигнал  поступает  на  светодиодный  индикатор  (y),  где  мы  и  видим  результат.

Конфигурация  таблицы  истинности.  Таблица  соответствия  может  программироваться  на  работу  в  качестве  любой  логической  функции  с  тремя  входами  и  одним  выходом.

Допустим,  что  таблице  соответствия  необходимо  сформировать  функцию:

Для  этого  в  таблицу  соответствия  необходимо  загрузить  соответствующие  выходные  значения  этой  функции  (рис.  5).

Рисунок  5.  Конфигурация  таблицы  истинности

Рассмотрим  VI  программируемой  таблицы  истинности  в  среде  LabVIEW.  На  рисунке  6  показана  лицевая  панель  прибора.

Рисунок  6.  Лицевая  панель  виртуального  прибора

На  данной  панели  расположены  восемь  переключателей,  которые  могу  принимать  два  значения  –  0  или  1.  Три  тумблера  (A,  B,  C),  которые  также  могут  быть  установлены  в  два  положения  –  0  или  1.  И  индикатор  (y)  показывающий  сигнал  на  выходе.  Рассмотрим  подробнее  работу  программы.

С  помощью  восьми  переключателей  мы  загружаем  выходные  значения  заданной  функции.  Тумблеры  позволяют  задавать  входные  значения  функции  (a,  b,  c).  После  запуска  программы  сигнал  поступает  на  мультиплексор,  где  «мультиплексируется»  и  поступает  на  светодиодный  индикатор.  Меняя  положения  тумблеров,  мы  можем  задавать  различные  комбинации,  что  позволяет  очень  просто  и  быстро  моделировать  формирование  различных  функций.

В  данной  работе  были  продемонстрированы  два  основных  способа  реализации,  программирования  логических  блоков  ПЛИС.  Применение  среды  графического  программирования  LabVIEW,  позволило  осуществить  моделирование  данных  блоков,  сохранив  наглядность  и  простоту  для  работы  с  данными  приборами.  Моделирование  ПЛИС  и  различных  блоков  ПЛИС  позволит  разработчику  прикладных  систем  просто  и  за  приемлемое  время  конфигурировать  программируемые  логические  интегральные  схемы,  а  также  проверить  и  отладить  их  работу.

Список  литературы:

1. Баран  Е.Д.  LabVIEW  FPGA.  Реконфигурируемые  измерительные  и  управляющие  системы.  –  М.:  ДМК  Пресс.  –  448  с.
2. Клайф  Максфилд  Проектирование  на  ПЛИС,  архитектура,  средства  и  методы.  –  М.:  Изд.  Дом  «Додэка»,  2007.
3. Суранов  А.Я.  –  LabVIEW  7.  Справочник  по  функциям.
4. FPGA  Hardware  //  FPGA  Hardware  for  Any  Application  [электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://www.ni.com/fpga-hardware/  (дата  обращения  22.12.2015).