I. Thiết kế bộ truyền nhận SPI Wishbone
Phần này tập trung vào thiết kế bộ truyền nhận SPI Wishbone, một thành phần cốt lõi của dự án. Thiết kế mạch điện tử HCMUTE được thực hiện dựa trên hiểu biết về giao tiếp SPI và Wishbone bus. Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL), cụ thể là Verilog, được sử dụng để mô tả mạch. Thiết kế bao gồm các module chính: module truyền dữ liệu (TX), module nhận dữ liệu (RX), và module điều khiển. Module TX và RX hoạt động ở cả hai chế độ Master và Slave. Thiết kế hệ thống nhúng được tối ưu để đảm bảo hiệu quả và tốc độ truyền dữ liệu cao. Xây dựng module được thực hiện từng bước, đảm bảo tính chính xác và dễ bảo trì. Thiết kế mạch tích hợp được mô phỏng kỹ lưỡng trước khi triển khai trên FPGA. Báo cáo khoa học về SPI và báo cáo khoa học về Wishbone cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc cho thiết kế. Giáo trình thiết kế mạch điện tử và tài liệu thiết kế mạch đã được tham khảo để đảm bảo tính chuẩn xác của thiết kế.
1.1 Mô tả kiến trúc hệ thống
Kiến trúc hệ thống được thiết kế dựa trên chuẩn Wishbone giao tiếp. Bộ truyền nhận SPI Wishbone được chia thành các module con rõ ràng, bao gồm module truyền dữ liệu TX và module nhận dữ liệu RX. Mỗi module có thể hoạt động độc lập ở chế độ Master hoặc Slave, cho phép linh hoạt trong cấu hình hệ thống. Vi điều khiển sẽ tương tác với bộ truyền nhận SPI thông qua Wishbone bus. IP core SPI được tích hợp vào hệ thống để tối ưu hiệu suất. Mạch số được thiết kế để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy cao. Thiết kế mạch tổng hợp kết hợp cả phần cứng và phần mềm, cho phép kiểm soát và giám sát quá trình truyền nhận dữ liệu một cách hiệu quả. Hệ thống nhúng này được thiết kế để có thể mở rộng và tích hợp với các module khác trong tương lai. Mạch nhận và mạch phát được thiết kế riêng biệt nhưng hoạt động đồng bộ. Mạch điều khiển chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ quá trình truyền nhận dữ liệu, bao gồm chọn chế độ hoạt động (Master/Slave), quản lý tín hiệu đồng hồ (clock), và xử lý tín hiệu ngắt. Vi xử lý sẽ gửi và nhận dữ liệu qua các thanh ghi điều khiển. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống được mô tả chi tiết trong báo cáo.
1.2 Quá trình thiết kế và mô phỏng
Quá trình thiết kế mạch điện tử bắt đầu với việc phân tích yêu cầu và thiết kế kiến trúc hệ thống. Verilog được sử dụng để mô tả hành vi của các module. Môi trường mô phỏng Questasim 10 được sử dụng để kiểm tra chức năng và hiệu suất của thiết kế. Mô phỏng mạch được thực hiện với nhiều test case khác nhau, bao gồm cả các trường hợp biên để đảm bảo tính ổn định. Kết quả mô phỏng mạch cho thấy thiết kế hoạt động chính xác và hiệu quả. Tối ưu hóa mạch được thực hiện để giảm thiểu tài nguyên sử dụng trên FPGA. Kiểm thử mạch được thực hiện kỹ lưỡng, đảm bảo chất lượng của thiết kế trước khi triển khai. Quartus Prime Lite được sử dụng để tổng hợp và lập trình mạch lên FPGA. HDL (Hardware Description Language) cho phép mô tả mạch một cách chính xác và hiệu quả. Mạch nhúng được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về thời gian thực. Tài nguyên sử dụng trên FPGA được đánh giá và phân tích. Dự án tốt nghiệp HCMUTE này tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế về cả hiệu suất và tài nguyên.
II. Thi công và kiểm thử
Phần này trình bày quá trình thi công bộ truyền nhận SPI Wishbone và các kết quả kiểm thử. Sau khi hoàn thành thiết kế mạch điện tử, thiết kế được tổng hợp và lập trình lên FPGA. Kiểm thử mạch được thực hiện để xác nhận chức năng và hiệu suất của hệ thống. Mạch nhúng được đánh giá dựa trên các chỉ số hiệu suất chính như tốc độ truyền dữ liệu, độ trễ, và sử dụng tài nguyên. Kết quả kiểm thử cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Sinh viên HCMUTE đã hoàn thành thành công việc thi công mạch điện tử. Đại học Công nghệ TP.HCM đã cung cấp môi trường và trang thiết bị cần thiết cho dự án. Nghiên cứu khoa học HCMUTE đã hỗ trợ quá trình nghiên cứu và phát triển.
2.1 Triển khai trên FPGA
Thiết kế đã được tổng hợp và lập trình lên FPGA sử dụng phần mềm Quartus Prime Lite. Quá trình này bao gồm việc ánh xạ thiết kế vào cấu trúc của FPGA, tổng hợp mã HDL thành cấu trúc phần cứng, và lập trình cấu hình vào FPGA. Tối ưu hóa mạch được thực hiện để giảm thiểu sử dụng tài nguyên trên FPGA, bao gồm cả logic và bộ nhớ. Kiến trúc FPGA đã được lựa chọn một cách cẩn thận để phù hợp với yêu cầu của dự án. Mạch số được tổng hợp và kiểm tra các thông số thời gian để đảm bảo hoạt động đúng như mong muốn. Giải pháp điện tử này được triển khai trên một mạch in được thiết kế riêng biệt. Module được tích hợp vào một hệ thống lớn hơn. Phân tích tài nguyên của FPGA đã được thực hiện sau khi tổng hợp. Báo cáo chi tiết về quá trình triển khai đã được ghi lại đầy đủ.
2.2 Đánh giá hiệu suất và kết luận
Hiệu suất của bộ truyền nhận SPI Wishbone được đánh giá dựa trên các chỉ số quan trọng như tốc độ truyền dữ liệu, độ trễ, và sử dụng tài nguyên trên FPGA. Kết quả cho thấy hệ thống đạt được tốc độ truyền dữ liệu cao và độ trễ thấp, đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Việc sử dụng tài nguyên trên FPGA cũng được tối ưu hóa. Nghiên cứu bộ truyền nhận SPI này đã đóng góp vào sự phát triển của công nghệ mạch số và hệ thống nhúng. Dự án tốt nghiệp này cho thấy khả năng thiết kế và triển khai các hệ thống mạch điện tử phức tạp. Ứng dụng bộ truyền nhận SPI có thể được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau. Kết luận của dự án nhấn mạnh tầm quan trọng của việc áp dụng các kỹ thuật thiết kế hiện đại và tối ưu hóa để tạo ra các hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy. Nghiên cứu khoa học này có tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao.
