Счетное устройство видеоимпульсов на ПЛИС (стр. 1 из 7)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Дипломная работа

Счетное устройство видеоимпульсов на ПЛИС

Факультет:	Физический	Исполнитель:	Ларин Кирилл Владимирович
Кафедра:	Радиофизика и электроника	Группа:	ФФ‑504
Специальность:	013800 – Радиофизика и электроника	Научный руководитель:	ОАО ЧРЗ «ПОЛЕТ», Инженер-конструктор 1 кат., Рацебуржинский С.Л.
Рецензент:	Доктор технических наук, ЮУрГУ, профессор, Родионов В.В.

Дата защиты: 21 июня 2006г.

Оценка: отлично

Челябинск – 2006

Содержание

Введение................................................................................................. 3

1 Актуальность темы............................................................................. 3

2 Цели и задачи...................................................................................... 5

3 Анализ задания и выбор платформы................................................ 5

1. Составление схемы устройства......................................................... 7

2. Выбор элементов............................................................................... 9

2.1 Выбор ПЛИС. Описание внутренней структуры ПЛИС............... 9

2.2 Компаратор.................................................................................... 13

2.3 Генератор тактовой частоты......................................................... 15

2.4 Индикатор...................................................................................... 16

2.4.1 Описание контроллера HD44780............................................... 17

2.4.2 Подключение ЖКИ-модуля....................................................... 18

2.4.3 Программирование и управление ЖКИ-модуля:..................... 25

2.5 Стабилизаторы.............................................................................. 32

2.5 Программатор ByteBlaster............................................................ 34

2.6 Сборка устройства......................................................................... 35

3. Конфигурирование ПЛИС.............................................................. 36

3.1 Система проектирования MAX+plusII........................................ 36

3.2 Описание программы конфигурации ПЛИС................................ 36

3.2.1 Антидребезговая система (antibounce)....................................... 37

3.2.1,1 Встроенная макрофункция – счетчик lpm_counter................ 38

3.2.2 Двоичо-десятичный счетчик (counter10).................................... 40

3.2.3 Устройство управлением индикатора (wh1602LCD)................ 41

3.2.3,1 Машина конечных автоматов................................................. 42

3.2.4 Делитель тактовой частоты для работы индикатора(divFreq). 46

3.2.5 Общая структура программы.................................................... 46

Заключение........................................................................................... 47

Литература........................................................................................... 48

Приложение 1 (Принципиальная схема устройства)......................... 49

Приложение 2 (Список портов ввода вывода ПЛИС epm 3256a)..... 50

Приложение 3 (Текст программы)...................................................... 51

Введение

1 Актуальность темы

Реальная перспектива использования человеком огромных энергий, скрытых в недрах атома, появилась впервые в 1939 году. На сегодняшний день широкое практическое применение получают различного рода ядерные излучения, несмотря на то, что они опасны для организма человека и в то же время неощущаемы, поэтому для обнаружения и измерения ядерных излучений необходимы специальные приборы.

Основной частью приборов для регистрации ядерных излучений является элемент, воспринимающий излучения, - детектор излучения. Для этой цели используются счетчики разных типов, позволяющие зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременного электрического тока – импульса. Наиболее широкое применение имеют газоразрядные счетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения. Постепенно их начинают вытеснять сцинтилляционные счетчики (СС), действие которых основано на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах под ударами частиц. Основными элементами такого счетчика являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В начале 20 века визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (-частиц, осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики. Позднее СС был полностью вытеснен.

Его возвращение в ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно слабые световые вспышки. Принцип действия СС состоит в следующем: заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны (Люминесценция). Фотоны, попадая на катод ФЭУ, выбивают электроны (Фотоэлектронная эмиссия), в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, -квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и -квантов с атомами сцинтиллятора.

Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ, необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения. Для регистрации «медленных нейтронов» в сцинтиллятор добавляют Li или В. Для регистрации «быстрых нейтронов» используются водородсодержащие сцинтилляторы. Для спектрометрии -квантов и электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий большой плотностью и высоким эффективным атомным номером.

ФЭУ, предназначенные для СС, должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления (108—108), малым временем собирания электронов (~ 10–8 сек), при высокой стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей способности по времени СС 10–9 сек. Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде ФЭУ может достигать 100 В в виде импульсов трапециевидной формы (видеоимпульсов).

Чтобы не только обнаружить ядерное излучение, но и измерить его интенсивность, недостаточно одного детектора излучения. Необходимы еще электронные устройства, подсчитывающие число электрических импульсов, то есть число попавших в детектор частиц, и устройства, показывающие результат подсчета [1].

Данная работа посвящена разработке электронного устройства считающего число электрических импульсов.

2 Цели и задачи

1. Необходимо реализовать счетное устройство апериодических видеоимпульсов с заданными параметрами:

· Диапазон изменения амплитуды входного сигнала 5…20В;

· Длительность импульса ф, не менее 10 нс;

· Минимальный интервал между импульсами

, 10 мкс.

2. Для отображения счета необходимо наличие индикатора. Реализовать индикатор, на котором высвечивается число импульсов в непрерывном режиме счета через некоторый промежуток времени.

3. Управление устройством осуществляется посредством кнопок: старт/стоп – (начало счета/конец счета), сброс – (сброс счетчика).

3 Анализ задания и выбор платформы

Конечно, реализовать простой счетчик на дискретных элементах (триггерах), что может быть проще? Однако сложность заключается в том, что разработка счетчика на дискретных элементах потребует сложной настройки, что увеличит время разработки и цену устройства. Для моих целей нужен высокоскоростной счетчик. Реализовать его нужно на современной элементной базе. Платформы, на которых можно реализовать счетчик, на сегодняшний день нашлось две ПЛИС и микроконтроллеры, был сделан выбор в пользу первой, то есть ПЛИС так как она легче поддается функциональным изменениям (в дальнейшем это устройство может быть использовано в других целях) и тактовая частота обработки сигнала не фиксирована как у микроконтроллера, её можно задавать аппаратно и делить её в зависимости от необходимости. Итак ПЛИС (Программируемая Логическая Интегральная Схема ).

Из наиболее известных производителей ПЛИС следует отметить фирму Altera. Небольшая, вначале, компания удачно решила задачи стоящие перед ними в начале (определить элементарные базис ПЛИС, разработать математические методы синтеза устройств в выбранном базисе, создать интегрированную систему проектирования цифровых устройств на ПЛИС), путем постепенного согласованного усложнения элементной базы и средств проектирования. Ее успех ко второй половине 90-х годов вывели её в число основных производства микросхем ПЛИС.

Была выбрана ПЛИС семейства MAX 3000 EPM3256A

Тип микросхемы	Выходы	I/O	Триггеры	Ячейки	Мах частота MHz
EPM3032A	4	30	32	32	192
EPM3064A	4	3062	64	64	192
EPM3128A	4	7692	128	128	182
EPM3256A	4	112154	256	256	156

Технология EEPROM обеспечивает сохранение конфигурации при отключении питания. Число логических эквивалентных вентилей ПЛИС находится в диапазоне 600-5000, количество программируемых пользователем выводов 44-208. Микросхемы могут быть запрограммированы с помощью программатора, в этом случае можно использовать все линии Ввода/Вывода (I /O). Кроме того, все ПЛИС имеют возможность внутрисистемного программирования (in-systemprogrammability) через порт типа JTAG с использованием устройств типа BitBlaster, ByteBlaster и MasterBlaster, тогда 4 порта JTAG резервируются для этой цели. Выводы имеют возможность эмуляции режимов открытого коллектора и третьего (высокоимпедансного) состояния [2].