TRABALHO DE LABORATÓRIO IV CONTROLO DE SEMÁFOROS 1. INTRODUÇÃO Pretende-se com este trabalho que os alunos se familiarizem com a síntese de circuitos sequenciais. Este trabalho é considerado para avaliação de conhecimentos. Durante a aula o grupo completará a adenda ao relatório com as conclusões sobre a montagem, assim como alterações ao relatório, a qual entregará ao docente no final da aula. Na secção 4 é explicada a estrutura que o relatório deverá seguir. Como preparação prévia, deve ser feita uma leitura cuidada ao documento Introdução ao Ambiente de Projecto da Xilinx disponível na página da cadeira. Deve ter consigo nesta e nas aulas de laboratório seguintes cópias dos documentos Introdução ao Ambiente de Projecto da Xilinx e Guia de Implementação de Circuitos na Placa de Desenvolvimento os quais deverá utilizar como manuais de utilização. 2. PROJECTO DE UM CIRCUITO DE CONTROLO DE SEMÁFOROS Pretende-se projetar um sistema de controlo de semáforos para o cenário representado na figura seguinte: 1 2 3 4 P1 P2 Os semáforos para os automóveis são designados por S1 e S2 e cada um contém três luzes (verde, amarelo e vermelho). A passadeira está associada a dois semáforos para peões (S3 e S4), cada um com duas luzes (verde e vermelho), e dois botões de pressão que permitem aos peões pedir passagem (P1 e P2). As regras de funcionamento dos semáforos devem ser as seguintes: 1 P á g i n a
Nos semáforos S1 e S2 existe um ciclo - Verde 5 s, Amarelo 1.25 s, Vermelho 6.25 s. Quando o semáforo S1 está verde ou amarelo o semáforo S2 deverá estar vermelho, e vice versa. Quando o semáforo S2 para os automóveis está vermelho, os dos peões (S3 e S4) devem estar verdes, caso contrário deverão estar vermelhos. Se, durante o período em que o semáforo S2 está verde para os automóveis e os semáforos S3 e S4 estão vermelhos para os peões, um dos botões P1 ou P2 for premido, os semáforos S3 e S4 deverão ficar verdes para os peões num prazo de 1.25 segundos após o sistema detetar que o botão foi pressionado (note que os semáforos para os automóveis também devem mudar, passando obrigatoriamente pelo amarelo, quando mudam de verde para vermelho), partindo do princípio que o semáforo S2 já esteve verde por um intervalo de tempo mínimo (ver abaixo). O semáforo S2 nunca deverá estar na cor verde menos de 2.5 segundos. Existe um interruptor I, que, quando ativado, coloca os semáforos S1 e S2 a piscar a luz amarela, aceso durante 1.25 segundos e apagado durante 1.25 segundos. Neste caso, os semáforos S3 e S4 deverão estar permanentemente verdes. Projete o circuito de controlo de acordo com o que aprendeu sobre síntese de circuitos sequenciais. A temporização deve ser implementada num circuito à parte, o qual interage com o circuito de controlo propriamente dito. Na máquina de estados do circuito de controlo, o estado inicial, em que S1, S3 e S4 estão Verdes e S2 Vermelho, depende dos números dos alunos do grupo. Sendo A e B os números de aluno, o estado inicial deverá corresponder ao valor A+B (mod 5). Considere um sinal de relógio de 0,8Hz (1,25s de período). Siga a seguinte sequência de passos e responda às questões que lhe são colocadas. 2.1. Quantas entradas e saídas são necessárias para o circuito de controlo 1? Justifique. 2.2. Apresente o diagrama de estados do circuito de controlo, identificando os estados, transições e respectivos valores das entradas e saídas. Tenha em conta que o número de estados deve ser minimizado. 2.3. A máquina de estados a que chegou é de Moore ou de Mealy? Justifique. 2.4. Apresente as tabelas de codificação e de transição de estados do circuito de controlo. Calcule as expressões lógicas das entradas dos flip-flops. Caso utilize mapas de Karnaugh, apresenteos. 2.5. Projete o circuito de controlo e o circuito temporizador e apresente os diagramas lógicos. 2.6. Implemente o circuito de controlo no Xilinx ISE. Em caso de dúvidas sobre o funcionamento dos módulos lógicos disponíveis no Xilinx ISE, consulte o manual Xilinx Library Guide disponível na página da disciplina. 2.7. Implemente o circuito temporizador no Xilinx SE. Crie um símbolo para este circuito e interligue-o com o circuito de controlo. 2.8. Simule o funcionamento do circuito completo, ilustrando as situações relevantes que demonstrem o seu correto funcionamento. 3. IMPLEMENTAÇÃO DO CIRCUITO PROJETADO Assume-se que os alunos já simularam exaustivamente e com sucesso o circuito de controlo isoladamente. Para a implementação e teste do circuito projectado nas secções anteriores, foram disponibilizados um conjunto de ficheiros (disponíveis na página da cadeira): 1 Considere o circuito temporizador como um circuito à parte. 2 P á g i n a
Nome ficheiro sd.sch do Descrição Esquema principal. Basys.ucf ou Basys2.ucf Ficheiro de configuração das portas use o ficheiro correspondente à placa que tem na bancada, Basys (laboratório LE3) ou Basys2 (Laboratório LSD1). clk_div.vhd Divisor de Frequência - especificação. clk_div.sym Divisor de Frequência - símbolo. disp7.vhd Bloco de controlo do display de 7 segmentos - especificação. disp7.sym Bloco de controlo do display de 7 segmentos - símbolo. Não modifique o nome destes ficheiros. 3.1. Adicione ao projecto os ficheiros sd.sch, Basys.ucf ou Basys2.ucf, clk_div.vhd e disp7.vhd com Project Add Copy of Source. 3.2. Interligue o circuito projectado na Secção 2 com o esquema sd.sch disponibilizado: a) Ligue os botões de pressão e interruptor a cada uma das entradas. P0 - pressure0 P1 - pressure1 I - SW0 b) Ligue as saídas do circuito aos LEDs. S1 Verde S1 Amarelo S1 Vermelho S2 Verde S2 Amarelo S2 Vermelho S3/S4 Verde S3/S4 Vermelho led0 led1 led2 led3 led4 led5 led6 led7 c) Coloque no display de 7 segmentos o código do estado presente. d) Ligue os sinais de relógio CLK dos FFs aos sinais slow_clk, que tem a frequência de 0,8Hz. e) Ligue o relógio do display de 7 segmentos (unidade disp7) à saída clk_disp da unidade clkdiv. 3.3. Implemente o circuito para a placa de desenvolvimento. Para tal, siga as instruções no guia Guia de Implementação de Circuitos na Placa de Desenvolvimento. 4. TRABALHO A DESENVOLVER NA AULA 3 P á g i n a
Como foi referido, o trabalho referido nos pontos 2 e 3 (incluindo o ficheiro.bit) devem ser preparados em casa. Na aula, deverá ser testado o ficheiro.bit na placa e caso funcione, poderá ser pedido para os alunos efetuarem uma modificação ao circuito, e fazer a respetiva simulação e programação na placa. Assume-se que os alunos trazem o projeto (como todos os ficheiros auxiliares do Xilinx ISE e não o esquemático somente) Xilinx ISE do circuito numa USB flash drive ou disco externo USB. 4.1. Implemente o circuito na placa de desenvolvimento. Para tal, siga as instruções no guia Guia de Implementação de Circuitos na Placa de Desenvolvimento. Note que o interruptor da placa deve estar na posição ON. 4.2. Verifique o funcionamento correto do circuito. Mostre-o ao docente. Comente. 5. ELEMENTOS A INCLUIR NO RELATÓRIO O relatório deve incluir apenas os seguintes elementos: 1. Resposta à pergunta 2.1 2. Diagrama de estados pedido na pergunta 2.2 3. Resposta à pergunta 2.3 4. Tabelas pedidas em 2.4 5. Diagrama lógico do circuito de controlo 6. Diagrama lógico do circuito temporizador 7. Simulações pedidas em 2.8 8. Comentário sobre o funcionamento da simulação na placa durante a aula e sobre a eventual modificação ao circuito. A capa deve indicar Nota importante: os pontos 1., 2., 3., 4. e 8. devem ocupar no máximo 3 páginas. Os pontos 5., 6. e 7. devem ser colocados em anexo e usar o espaço mínimo que garanta a sua boa compreensão. 6. AVALIAÇÃO DO TRABALHO DE LABORATÓRIO Na avaliação do trabalho de laboratório serão tidas em conta as seguintes componentes: 4 P á g i n a Preparação e resposta às questões da secção 2. Projecto do circuito (secção 2). Simulação (ponto 2.8) e teste do circuito (secção 4). Estrutura, apresentação e qualidade do relatório. O relatório deverá usar o seguinte conjunto de regras: Páginas: Máximo de páginas A4 de acordo com o indicado no ponto 6, e uma página de capa com a indicação i) do turno (dia da semana e hora) de laboratório, ii) do nome do docente responsável pelo turno, e iii) do nome e iv) número dos elementos do grupo e v) número do grupo. Páginas numeradas, preferencialmente com cabeçalho, e margens não inferiores a 2cm. Letra da família sans-serif (Arial, Verdana, Helvetica, Tahoma, Cambria, Calibri ou Trebuchet MS). Não deverão ser usadas fontes das famílias cursive ou fantasy, excepto para representar símbolos.
Pode, se desejar, usar uma fonte da família monospace (ex.: Courier) para indicar sinais físicos. Tamanho da letra de fácil leitura e nunca inferior a 10pt. Figuras e tabelas: As figuras (p. ex.: esquemas) poderão ser feitos num programa de edição de imagens (p. ex.: MS Visio, Omnigraffle, Inkscape,...) ou manuscritas, digitalizadas (com scan ou máquina fotográfica/telemóvel) e inseridas nos espaços correspondentes do relatório. No entanto as figuras deverão estar em estado apresentável (limpas, sem rabiscos ou rascunhos, facilmente perceptíveis e com tamanho de letra não inferior à do relatório). As figuras deverão ser necessariamente enumeradas, acompanhadas de legenda (a legenda deverá explicar sucintamente o que se observa na figura) e ser referenciadas no texto. As simulações deverão ser numeradas usando uma legenda do tipo Figura e referenciadas no texto, explicando sucintamente o que se observa. O não cumprimento das regras será penalizado na nota final do laboratório (ex: penalização de 0,5 valores por página adicional). 5 P á g i n a