- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Giáo trình Lập trình vi mạch số (Nghề: Điện tử công nghiệp): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ
Xem mẫu
- 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng
nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành
mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
- 2
LỜI GIỚI THIỆU
Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử công nghiệp ở trình độ Cao Đẳng
và Trung Cấp, giáo trình lập trình vi mạch số là một trong những giáo trình mô đun đào tạo
chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun lập trình vi mạch
số. Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau,
logíc.
Trong những năm gần đây, công nghệ FPGA ( Field Programmable Gate Array) đã và
đang phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực điện tử. FPGA được hiểu như là một IC số có thể lập
trình được, được ứng dụng trong việc xử lý tín hiệu số, xử lý số,…để thay thế các IC số thông
thường, cồng kềnh. Bằng cách sử dụng FPGA người thiết kế có thể tạo ra một mạch điện chức
năng thay vì sử dụng nhiều IC số. Chính vì vậy, nhu cầu hiểu biết về IC số có thể lập trình
được nói chung và FPGA nói riêng là một nhu cầu cần thiết cho các cán bộ kỹ thuật điện tử.
Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 6 bài với nội dung như sau:
Bài 1: Lập trình các mạch logic cơ bản
Bài 2: Lập trình các mạch logic tổ hợp
Bài 3: Lập trình điều khiển mạch tuần tự
Bài 4: Lập trình ứng dụng
Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị của trường có thể sử dụng
cho phù hợp. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm
biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Điện tử điện
lạnh - Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH
NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
- 3
MỤC LỤC
TRANG
LỜI GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 2
BÀI 1: LẬP TRÌNH CÁC MẠCH LOGIC CƠ BẢN ............................................ 11
1. Lập trình cổng AND ............................................................................................ 11
1.1. Cổng AND ........................................................................................................ 11
1.1.1. Ký hiệu cổng AND 2 đầu vào ....................................................................... 11
1.1.2. Bảng trạng thái cổng AND 2 đầu vào ........................................................... 11
1.2. Trình tự thực hiện ............................................................................................. 12
1.2.1. Điều kiện thực hiện ....................................................................................... 12
1.2.2. Các bước thực hiện ........................................................................................ 12
1.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .......... 26
1.4. Bài tập áp dụng ................................................................................................. 26
2. Lập trình cổng OR ............................................................................................... 27
2.1. Cổng OR ........................................................................................................... 27
2.1.1. Ký hiệu cổng OR 2 đầu vào .......................................................................... 27
2.1.2. Bảng trạng thái cổng OR 2 đầu vào .............................................................. 27
2.2. Trình tự thực hiện ............................................................................................. 28
2.2.1. Điều kiện thực hiện ....................................................................................... 28
2.2.2. Các bước thực hiện ........................................................................................ 28
2.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .......... 41
2.4. Bài tập áp dụng ................................................................................................. 42
3. Lập trình cổng NOT ............................................................................................ 42
3.1. Cổng NOT ........................................................................................................ 42
3.1.1. Ký hiệu cổng NOT ........................................................................................ 42
3.1.2. Bảng trạng thái cổng NOT ............................................................................ 42
3.2. Trình tự thực hiện ............................................................................................. 43
3.2.1. Điều kiện thực hiện ....................................................................................... 43
3.2.2. Các bước thực hiện ........................................................................................ 43
3.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .......... 55
- 4
3.4. Bài tập áp dụng ................................................................................................. 56
4. Lập trình cổng NAND ......................................................................................... 56
4.1. Cổng NAND ..................................................................................................... 56
4.1.1. Ký hiệu cổng NAND 2 đầu vào .................................................................... 56
4.1.2. Bảng trạng thái cổng NAND 2 đầu vào ........................................................ 56
4.2. Trình tự thực hiện ............................................................................................. 57
4.2.1. Điều kiện thực hiện ....................................................................................... 57
4.2.2. Các bước thực hiện ........................................................................................ 57
4.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .......... 70
4.4. Bài tập áp dụng ................................................................................................. 71
5. Lập trình cổng NOR ............................................................................................ 71
5.1. Cổng NOR ........................................................................................................ 71
5.1.1. Ký hiệu cổng NOR 2 đầu vào ....................................................................... 71
5.1.2. Bảng trạng thái cổng NOR 2 đầu vào ........................................................... 71
5.2. Trình tự thực hiện ............................................................................................. 72
5.2.1. Điều kiện thực hiện ....................................................................................... 72
5.2.2. Các bước thực hiện ........................................................................................ 72
5.3. Một số sai hỏng thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. . 86
5.4. Bài tập áp dụng ................................................................................................. 87
BÀI 2: LẬP TRÌNH CÁC MẠCH LOGIC TỔ HỢP ............................................. 90
1. Lập trình mạch cộng bán phần ............................................................................ 90
1.1. Mạch cộng bán phần ........................................................................................ 90
1.1.1. Sơ đồ mạch cộng bán phần............................................................................ 90
1.1.2. Bảng trạng thái mạch cộng bán phần ............................................................ 91
1.2. Trình tự thực hiện ........................................................................................... 91
1.2.1. Điều kiện thực hiện ..................................................................................... 91
1.2.2. Các bước thực hiện...................................................................................... 91
1.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 106
1.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 107
2. Lập trình mạch cộng toàn phần ......................................................................... 107
- 5
2.1. Mạch cộng toàn phần ..................................................................................... 107
2.1.1. Sơ đồ mạch cộng toàn phần ........................................................................ 107
2.1.2. Bảng trạng thái ............................................................................................ 107
2.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 109
2.2.1. Điều kiện thực hiện ................................................................................... 109
2.2.2. Các bước thực hiện.................................................................................... 109
2.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 125
2.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 126
3. Lập trình mạch cộng toàn phần 4 bit ................................................................. 126
3.1. Mạch cộng toàn phần ..................................................................................... 126
3.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 127
3.2.1. Điều kiện thực hiện ................................................................................... 127
3.2.2. Các bước thực hiện.................................................................................... 128
3.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 142
3.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 143
BÀI 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH TUẦN TỰ ...................................... 145
1. Lập trình mạch Flip-Flop RS ............................................................................ 145
1.1. Flip-Flop RS ................................................................................................... 145
1.2. Trình tự thực hiện ........................................................................................... 149
1.2.1. Điều kiện thực hiện ..................................................................................... 149
1.2.2. Các bước thực hiện ...................................................................................... 149
1.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. ........ 163
1.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................... 163
2. Lập trình mạch Flip-Flop JK ............................................................................. 164
2.1. Flip-Flop JK ................................................................................................... 164
2.2. Trình tự thực hiện ........................................................................................... 167
2.2.1. Điều kiện thực hiện ..................................................................................... 167
2.2.2. Các bước thực hiện ...................................................................................... 167
2.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. ........ 182
2.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................... 182
- 6
3. Lập trình mạch Flip-Flop D .............................................................................. 183
3.1. Flip-Flop D ..................................................................................................... 183
3.2. Trình tự thực hiện ........................................................................................... 184
3.2.1. Điều kiện thực hiện ..................................................................................... 184
3.2.2. Các bước thực hiện ...................................................................................... 184
3.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. ........ 199
3.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................... 199
4. Lập trình mạch Flip-Flop T ............................................................................... 199
4.1. Flip-Flop T ..................................................................................................... 199
4.2. Trình tự thực hiện ........................................................................................... 200
4.2.1. Điều kiện thực hiện ..................................................................................... 200
4.2.2. Các bước thực hiện ...................................................................................... 200
4.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. ........ 216
4.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................... 216
BÀI 4: LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG ........................................................................ 218
1. Lập trình điều khiển led đơn ............................................................................. 219
1.1. Mạch điều khiển led đơn ................................................................................ 219
1.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 220
1.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 236
1.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 236
2. Lập trình mạch ghi dịch .................................................................................... 237
2.1. Mạch ghi dịch ................................................................................................. 237
2.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 238
2.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 250
2.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 250
3. Lập trình mạch đếm nhị phân 4 bít ................................................................... 250
3.1. Mạch mạch đếm nhị phân 4 bít ...................................................................... 250
3.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 251
3.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 263
3.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 263
- 7
4. Lập trình mạch đếm vòng xoắn Johson............................................................. 263
4.1. Mạch mạch đếm vòng xoắn Johson ............................................................... 263
4.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 264
4.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 274
4.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 274
5. Lập trình mạch mã hóa ...................................................................................... 275
5.1. Mạch mạch mã hóa ........................................................................................ 275
5.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 276
5.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 287
5.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 287
6. Lập trình mạch giải mã ...................................................................................... 288
6.1. Mạch giải mã .................................................................................................. 288
6.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 289
6.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 300
6.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 300
7. Lập trình điều khiển led 7 thanh ....................................................................... 301
7.1. Mạch điều khiển led 7 thanh .......................................................................... 301
7.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 302
7.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 314
7.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 314
8. Lập trình mạch hợp kênh MUX ........................................................................ 315
8.1. Mạch hợp kênh MUX..................................................................................... 315
8.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 317
8.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 327
8.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 327
9. Lập trình mạch phân kênh DEMUX ................................................................. 328
9.1. Mạch phân kênh DEMUX.............................................................................. 328
9.2. Trình tự thực hiện ......................................................................................... 330
9.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. .. 341
9.4. Bài tập áp dụng ............................................................................................. 341
- 8
10. Lập trình mạch so sánh 2 bit ........................................................................... 342
10.1. Mạch so sánh 2 bit ........................................................................................ 342
10.2. Trình tự thực hiện ....................................................................................... 344
10.3. Một số lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh. 356
10.4. Bài tập áp dụng ........................................................................................... 356
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 359
- 9
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN
Tên mô đun: LẬP TRÌNH VI MẠCH SỐ
Mã mô đun: MĐ ĐTCN 25
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:
- Vị trí:
Mô đun được bố trí dạy sau khi học xong mô đun vi xử lý, Vi điều khiển,
kỹ thuật cảm biến, PLC...
- Tính chất:
Là mô đun chuyên môn nghề.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:
Giúp sinh viên nắm bắt các kiến thức và kỹ năng lập trình FPGA ứng dụng vào
lĩnh vực điện tử, là một mô đun không thể thiếu đối với sinh viên nghề điện tử công
nghiệp.
Mục tiêu của mô đun:
Sau khi học xong mô đun này người học có khả năng:
+ Kiến thức:
- Phân tích được cấu trúc của các cổng logic cơ bản, mạch logic tổ hợp, mạch điều khiển
tuần tự;
- Giải thích được thuật toán điều khiển theo yêu cầu của bài;
- Trình bày được trình tự thực hiện lập trình vi mạch số;
- Phân tích được những lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh;
- Phân tích được sơ đồ mạch điều khiển sử dụng FPGA.
+ Kỹ năng:
- Lập trình được yêu cầu điều khiển dùng FPGA theo yêu cầu kỹ thuật;
- Phòng tránh và sửa được các lỗi khi lập trình điều khiển;
- Kiểm tra chính xác điều kiện hoạt động của thiết bị;
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp;
- Tự chịu trách nhiệm khi thực hiện các việc được giao.
- 10
Nội dung của mô đun:
Thời gian
Số
Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Thực Thi/Kiểm
TT
số thuyết hành tra
1 Bài 1: Lập trình các mạch logic cơ bản 10 3 7
2 Bài 2: Lập trình các mạch logic tổ hợp 10 3 6 1
3 Bài 3: Lập trình điều khiển mạch tuần tự 10 3 6 1
4 Bài 4: Lập trình ứng dụng 43 16 26 1
5 Thi kết thúc mô đun 2 2
Cộng 75 25 45 5
- 11
BÀI 1: LẬP TRÌNH CÁC MẠCH LOGIC CƠ BẢN
Mã bài: MĐ ĐTCN 25 - 01
Giới thiệu:
Mạch logic cơ bản là các vi mạch số có thể lập trình được. Do đó, trước khi đi sâu vào
lập trình vi mạch số người học phải được trang bị những kiến thức lập trình các mạch logic
cơ bản như AND, OR, NOT, NAND, NOR.
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài học này người học có khả năng:
+ Kiến thức:
- Phân tích được cấu trúc của các cổng logic cơ bản;
- Trình bày được trình tự thực hiện lập trình các cổng logic cơ bản;
- Phân tích được các lỗi thường gặp, nguyên nhân và biện pháp xử lý, phòng tránh;
+ Kỹ năng:
- Lập trình được các cổng logic cơ bản theo yêu cầu kỹ thuật;
- Phòng tránh và sửa được các lỗi khi lập trình điều khiển;
- Kiểm tra chính xác điều kiện hoạt động của thiết bị.
+ Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp;
- Tự chịu trách nhiệm khi thực hiện các việc được giao.
Nội dung:
1. Lập trình cổng AND
1.1. Cổng AND
1.1.1. Ký hiệu cổng AND 2 đầu vào
Hình 1.1. Ký hiệu cổng And 2 đầu vào
1.1.2. Bảng trạng thái cổng AND 2 đầu vào
Cổng AND thực hiện phép toán nhân thông thường giữa 0 và 1
Ngõ ra cổng AND bằng 0 khi có ít nhất một ngõ vào bằng 0
Ngõ ra cổng AND bằng 1 khi tất cả các ngõ vào điều bằng 1
- 12
A B Y = A.B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Bảng 1.1. Bảng trạng thái cổng And 2 đầu vào
Ví dụ: Mạch điện hình 1.2 sau thực hiện chức năng của cổng AND
Hình 1.2. Sơ đồ mạch điện cổng And 2 đầu vào
Bóng đèn sẽ sáng khi cả hai công tắc A và B đều đóng
1.2. Trình tự thực hiện
1.2.1. Điều kiện thực hiện
- Chuẩn bị thiết bị, dụng cụ, vật tư.
THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VẬT TƯ
- Máy tính có cài phần mềm Vivado - Dây kết nối máy tính với BASYS 3
- BASYS 3 Hãng XILINX
- An toàn lao động.
+ Đảm bảo an toàn điện.
+ Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, dụng cụ.
1.2.2. Các bước thực hiện
Bước 1: Khởi động phần mềm Vivado
Kích vào biểu tượng trên màn hình Desktop ta có giao diện phần mềm như sau
- 13
Bước 2: Tạo project mới và đặt tên cho project là and2dauvao
Vào File chọn Project sau đó chọn New
Hiển thị ra hộp thoại
- 14
Nhấn Next hiển thị ra Hộp thoại
Project name ta đặt tên là and2dauvao
Project location chọn đường dẫn tới D:/vimachso sau đó nhấn Next
Hiển thị ra hộp thoại
Nhấn Next hiển thị ra hộp thoại
- 15
Bước 3: Tạo file and2dauvao.v và and2dauvao.xdc
Target langguage ta chọn Verilog
Simulator langguage ta chọn Mixed
Nhấn vào Create file hiển thị ra hộp thoại
File name ta gõ and2dauvao sau đó nhấn OK
Hiển thị ra hộp thoại
- 16
Nhấn Next hiển thị ra hộp thoại
Nhấn vào Create file hiển thị ra hộp thoại
File name ta gõ and2dauvao sau đó nhấn OK
- 17
Nhấn Next hiển thị ra hộp thoại
Bước 4: Chọn chọn dòng IC lập trình
Family ta chọn Artix-7, Package chọn cpg236, Speed chọn -1 sau đó ta chọn chíp
xc7a35tcpg236-1 sau đó nhấn Next sẽ hiển thị ra hộp thoại
- 18
Nhấn Finish hiển thị ra hộp thoại
Bước 5: Ghi các thông tin đầu vào và đầu ra
Theo bài toán ví dụ lập trình cổng And 2 đầu vào.
Sau đó nhấn OK
Bước 6: Viết Chương trình trong file and2dauvao.v
`timescale 1ns / 1ps
module and2dauvao (
- 19
input A,
input B,
output Y
);
assign Y = A & B;
endmodule
Bước 7: Mô phỏng dạng sóng trên phần mềm
Click vào Run Simulation Chọn Run Behavioral Simulation
Để mô phỏng dạng sóng trên phần mềm, ta đặt các thông số cho các đầu vào và quan
sát dạng sóng đầu ra
Đặt thống số cho đầu vào A, ta click chuột phải vào A
Chọn Force Clock
Đặt thống số cho đầu vào B, ta click chuột phải vào B
- 20
Chọn Force Clock
Nhấn vào biểu tượng để mô phỏng dạng sóng trên phần mềm
Nhấn vào biểu tượng để lưu dạng sóng
Bước 8: Gán chân thích ứng với thiết bị
Trong phần RTL ANALYSIS ta click vào Schematic
nguon tai.lieu . vn
