BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ THỜI GIAN HOẠT ĐỘNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DYNAMIC FREQUENCY SCALING CHO CÁC ỨNG DỤNG DÙNG PIN TRÊN FPGA GVHD: TS. VÕ MINH HUÂN SVTH: NGUYỄN VĂN NHỰT MSSV: 11119074 SKL 0 0 4 2 6 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 do an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT TIÊU THỤ VÀ THỜI GIAN HOẠT ĐỘNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT DYNAMIC FREQUENCY SCALING CHO CÁC ỨNG DỤNG DÙNG PIN TRÊN FPGA SVTH : NGUYỄN VĂN NHỰT MSSV: 11119074 Khóa : 2011 – 2015 Ngành : Công nghệ kỹ thuật máy tính GVHD: TS. VÕ MINH HUÂN Tp.
Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2016 do an LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, ngƣời sinh viên thực hiện đề tài xin đƣợc phép chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Võ Minh Huân, giáo viên hƣớng dẫn đề tài đã định hƣớng và trao đổi những kinh nghiệm quý báu để ngƣời thực hiện đề tài hoàn thành những nội dung trong đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, cũng nhƣ tạo những điều kiện thuận lợi nhất từ cơ sở vật chất, không gian nghiên cứu và những góp ý quý báu cho ngƣời thực hiện để ngƣời thực hiện đề tài có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này. Ngƣời thực hiện đề tài cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy(cô) trong trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM nói chung và thầy(cô) khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã tận tình truyền đạt những kiến thức nền tảng để từ đó ngƣời thực hiện đề tài có các kỹ năng cơ bản để phát triển, hoàn thành đề tài nghiên cứu cho riêng mình. Cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các bạn sinh viên trong lớp đã trao đổi, góp ý tạo điều kiện thuận lợi về mặt vật chất và tinh thần để sinh viên thực hiện đề tài hoàn thành một cách tốt đẹp và đúng thời gian. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhƣng do kiến thức cũng nhƣ khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót… Rất mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ dẫn từ hội đồng bảo vệ, quý thầy cô và các bạn sinh viên.
Giáo viên hƣớng dẫn Ngƣời thực hiện đề tài TS.Võ Minh Huân Nguyễn Văn Nhựt v do an MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .v DANH TỪ CÁC TỪ VIẾT TẮT. ix DANH MỤC BẢNG .x DANH MỤC HÌNH .x DANH MỤC CÔNG THỨC. xii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Tình hình nguyên cứu hiện nay .2 Tính cấp thiết của đề tài.3 Mục tiêu nghiên cứu .4 Nhiệm vụ nghiên cứu .5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .6 Phƣơng pháp nghiên cứu .2 CHƢƠNG 2 CÔNG SUẤT TIÊU THỤ .3 Những nguồn của sự tiêu tán công suất: .2 Công suất động: .1 Hệ số hoạt động .5 Dòng ngắn mạch .6 Các mạch cộng hƣởng .23 CHƢƠNG 3 KIT FPGA SPARTAN-3E VÀ NGÔN NGỮ VERILOG .25 vi do an 3.1 Tổng quan về FPGA .1 Khái niệm cơ bản và cấu trúc FPGA .2 Vi mạch FPGA đƣợc cấu thành từ các bộ phận.2 Kit Spartan-3E và môi trƣờng lập trình ISE 14.2 Môi trƣờng lập trình ISE 14.3 Ngôn Ngữ Verilog .1 Quá trình phát triển Verilog .2 Những đặc tính Verilog .3 Quy ƣớc về từ khóa .4 Loại dữ liệu trong Verilog .5 Khai báo dữ liệu .9 Khai báo mảng và phần tử nhớ một và hai chiều .10 Khai báo số nguyên, thời gian, số thực, và thời gian thực .11 Khai báo tham số .54 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG.1 Sơ đồ khối hệ thống .1 Yêu cầu hệ thống .2 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống .3 Hoạt động của hệ thống .2 Thiết kế và tính toán hệ thống .62 vii do an 4.6 Chƣơng trình ứng dụng .69 CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT .2 Kết quả thực nghiệm.74 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .3 Hƣớng ứng dụng và phát triển .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .78 viii do an DANH TỪ CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ cái viết tắt Cụm từ giải thích ADC Analog Digital Convert PIC Programmable Intelligent Computer FPGA Field programmable Gate Array UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter GND Ground VDD Positive Supply Voltage W Walts RS232 Standard for serial communication VGA Video Graphics Array CMOS Complementary metal-oxide Semiconductor DVS Dynamic Voltage Scaling E Enegy P Power IC Integrated circuit Ec Enegy of Capacitor EL Enegy of Load CAD Computer Aided Design AC Alternating Current I/O Input/Output ASIC Aplication-Specific integrated circuit MSB Most Significant bit LSB Least Significant bit ix do an DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 : Tần suất chuyển mạch .1: Mô tả chức năng từng ký tự trong lập trình .2: Mô tả ký tự và chức năng lệnh .1: Thời gian của kiểu VGA 640x480 .1: Thời gian sử dụng của mạch phụ thuộc vào tần số .2: Bảng thông số năng lƣợng mất đi trong những giờ khác nhau .75 DANH MỤC HÌNH Hình 2.4: Bộ chuyển đổi CMOS .5: Năng lƣợng, công suất, dòng và áp của một bộ chuyển đổi .6: Công suất trong Niagra2 .8: Các mạch AND 4 ngõ vào .9: Các tần suất tín hiệu và các hệ số hoạt động.10: Glitching in a chain of gates .11: Kích thƣớc transistor trong một .13: Energy – delay trade – off .14: Vùng điện áp đi qua .15: Cấp chuyển đổi.16: Clustered voltage scaling .17: Hệ thống DVS .18: Năng lƣợng giảm từ DVS .19: Cộng hƣởng xung clock .2: Kit FPGA Spartan 3E .3: Cấu trúc các thành phần Spartan-3E .4: Chip Spartan-3E và các thông số .5: Mở chƣơng trình .6: Tạo Project mới .7: Lựa chọn thiết bị chƣơng trình.8: Lựa chọn Module .9: Lựa chọn ngõ vào ngõ ra.10: Khung viết chƣơng trình .34 x do an Hình 3.11: Viết chƣơng trình .12: Kiểm tra mã nguồn .15: Kết nối FPGA.16: Bƣớc 1: Configure Target Device .17: Bƣớc 2: Boundary Scan .18: Bƣớc 3: Initialize Chain .6: Opamp Differential Aplifier .8: Hình ảnh thực tế .9: Chuyển đổi Analog to Digital .10: Đồ thị thể hiện độ phân giải, .11: Hình ảnh thực tế đo điện áp .12: Frame truyền UART .13: Giao tiếp cổng COM máy tính với.14: Lƣu đồ giải thuật trên máy tính .15: Giao diện trên máy tính .16: Hình ảnh giao tiếp giữa máy tính và .17: Kết nối giữa FPGA và 2 cổng DB9 .18: Sơ đồ khối nhận dữ liệu từ máy tính thông qua RS232 .19: Cách phát hiện Start bit .20: Dùng trạng thái máy để đi qua từng bit dữ liệu nhận đƣợc.21: Sơ đồ hệ thống game .22: Thời gian lấy mẫu hiển thị CRT .23: Kết quả mô phỏng hiển thị .24: Kết quả thực tế .1: Kết quả thời gian sử dụng của một mạch.a: Sử dụng tần số khác nhau để tăng thời gian hoạt động.2: Biểu đồ thể hiện năng lƣợng mất .75 xi do an DANH MỤC CÔNG THỨC Công thức 2.62 xii do an TÓM TẮT Trong thời kì công nghệ luôn phát triển không ngừng, nền khoa học kĩ thuật của nƣớc ta cũng cần phải bắt kịp xu hƣớng chung của thế giới nếu không muốn bị tụt hậu, các nƣớc phát triển trên thế giới đã phát triển các board ứng dụng công suất thấp trong dạy học, các trƣờng dạy học. Việt Nam chúng ta phát triển khoa học công nghệ cũng khá nhanh,công nghệ của nƣớc ta ngày càng phát triển đặt biệt là quá trình hội nhập phát triển kinh tế toàn cầu,các thiết bị điện ngày càng cải tiến và hiện đại, nhƣng nƣớc ta vẫn chƣa phát triển các ứng dụng,các nghiên cứu về giảm công suất tiêu thụ trong lĩnh vực điện- điện tử, đặt biệt là nguồn năng lƣợng ngày càng mất dần đi.Chính vì vậy ngƣời thực hiện mong muốn thực hiện đề tài “Điều khiển tối ƣu hóa công suất tiêu thụ và thời gian hoạt động sử dụng kỹ thuật Dynamic Frequency Scaling cho các ứng dụng dùng Pin trên FPGA”.
Tuy đề tài cũng không phải là đề tài mới, nhiều ngƣời đã thực hiện, nhƣng ngƣời thực hiện mong muốn các thiết bị ngày càng hoạt động với một công suất thấp, sau khi đề tài này đƣợc hoàn thành, ngƣời thực hiện chỉ mong muốn các nhà nghiên cứu phát triển ứng dụng công suất thấp vào thiết bị, các board mạch góp phần đất nƣớc Việt Nam ngày càng phát triển. Đề tài đƣợc thực hiện trên kit FPGA, đƣợc xây dựng trên công nghệ CMOS,một trong những công nghệ phát triển nhất hiện nay. Đề tài này đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy Võ Minh Huân, cũng nhƣ hỗ trợ thiết bị từ nhà trƣờng, của hãng xilinx. Qua sự giúp đỡ của thầy Võ Minh Huân, tìm hiểu trên mạng, các datasheet từ các thiết bị điện tử song kiến thức có hạn, kinh nghiệm còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu xót.
Ngƣời thực hiện mong muốn đƣợc sự góp ý từ hội đồng bảo vệ, các thầy cô, các bạn sinh viên trong trƣờng để nâng cao đƣợc chất lƣợng đồ án. xiii do an CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nguyên cứu hiện nay Trong vài thập niên gần đây nền kinh tế thế giới đã có những dấu hiệu chuyển mình rõ rệt, các ngành kĩ thuật của các nƣớc có những đột phá vô cùng mạnh mẽ, chuyển dần từ lao động máy móc sang trí tuệ nhân tạo. Để bắt kịp xu hƣớng chung của thế giới, cùng với sự đi lên của nên kinh tế mở, năng động mang tính thị trƣờng của thế giới, nền khoa học kỹ thuật của nƣớc ta cũng có những bƣớc phát triển nhất định. Một trong những xu hƣớng phát triển của khoa học kỹ thuật mà nƣớc ta đang hƣớng tới là tự động hóa, hiện đại hóa.
Hiện nay, đa phần các nhà máy đã thay thế việc dùng sức lao động của con ngƣời, thay vào đó là các dây chuyền sản xuất tự động, giảm thiểu sức lao động của con ngƣời, đem lại sự hiệu quả, chính xác, năng suất cao. Có thể kể tên một số đề tài ứng dụng các công nghệ kỹ thuật xử lý thông minh, hiện đại nhƣ là smart home, smart car, smart phone,.Nhƣng đi theo những công nghệ phát triển những ứng dụng nhanh đến chóng mặt thì công nghệ phát triển nguồn năng lƣợng để cung cấp những thiết bị công nghệ cao thì còn rất chậm,để giảm thiểu đƣợc năng lƣợng,các nhà khoa học đã nghiên cứu và tạo ra những thiết bị có thể điều hòa đƣợc công suất làm tăng thời gian sử dụng của một thiết bị.