Contador binário síncrono

Objetivos

• Inserir o circuito comercial de um Contador síncrono crescente/decrescente;
• Inserir o circuito comercial de um decodificadores de 7 segmentos;
• Testar os circuitos e gerar blocos para ser utilizado em um sistema maior;
• Gravar o sistema final em um kit de desenvolvimento e validação do funcionamento;

Materiais necessários

1. CI 74X191 Contador binário síncrono(disponível na biblioteca da ALTERA)
2. CI 74X47/48 Decod 7-seg(disponível na biblioteca da ALTERA)
3. Computador com software Quartus II da Altera.
4. Kit DE2-115 - Cyclone: EP1C3T100A8 ou Mercurio IV - Cyclone IV: EP4CE30F23C7;

Teste do módulo contador binário síncrono

1. Abra o Quartus II e crie um novo projeto na pasta /home/aluno/Contador com nome ContUpDown, utilizando a família family=Cyclone IV E com o dispositivo device=EP4CE115F29C7 ou Family = Cyclone IV E com dispositivo device = EP4CE30F23C7.
2. Crie um novo diagrama esquemático (File >> New >> Block Diagram/Schematic File).
3. Insira o diagrama esquemático de um Contador binário síncrono com 4 bits, conforme a figura abaixo.
4. Após isso faça a Análise e Síntese do projeto: Processing >> Start Compilation.
5. Abra o editor de forma de onda do simulador QSIM (File > New > University Programa VWF) (v 13.0 e 13.1).
6. Defina o tempo de simulação (Edit > Set End Time ...) = 1000 ns.
7. Importe todos os nós de lista do projeto (Edit > Insert > Insert Node or Bus) > [Node Finder] > [List] > [>>] > [OK] > [OK].
8. Desenhe a forma de onda dos sinais de entrada conforme mostrado na figura abaixo, e salve com o nome tb_CI74191.vwf.
9. Indique que o QSIM será usado na simulação (Simulation > Options > (x) Quartus II Simulator) > [OK] > [OK] (v. 13.0)
10. Faça a simulação funcional do circuito lógico usando o sinal criado (Simulation > Run Functional Simulation)
11. O resultado da simulação deve corresponder a um contador.
12. Note que os bits das saídas estão agrupados e definidos como RADIX = "Decimal sem sinal". Para isso selecione os sinais [Edit > Grouping] [Group name = OUT] > [Radix = Unsigned Decimal] > [OK].
13. Verifique se o resultado obtido corresponde a respostas do circuito implementado.

QUESTIONÁRIO

• O que é necessário para fazer o contador fazer uma contagem descendente?
• Como deve ser feita a configuração para o contador contar de 2 a 15?
• Como deve ser feita a configuração para contar de 0 a 9? e de 9 a 0?
• Como fazer para parar a contagem por um tempo mantendo o sinal de clock ligado?

Teste do módulo decodificar de 7 segmentos

1. Crie um novo diagrama esquemático (File >> New >> Block Diagram/Schematic File) no mesmo projeto para inserir o diagrama esquemático de um decodificar de 7 segmentos para display de anodo comum, conforme a figura abaixo. Para a FPGA grande (DE2-115) utilize o conversor 7447, conforme figura abaixo, e para a FPGA pequena (Macnica), que possui display Catodo Comum, deve-se utilizar o 7448. Ambos os componentes apresentam a mesma pinagem.
2. Após salvar o arquivo como ConvBcdSsd.bdf na mesma pasta Contador. Mude o Top-Level Entity para este novo esquemático. Após isso faça a Análise e Síntese do projeto.

QUESTIONÁRIO

• Neste Circuito Integrado (CI), qual é a condição para cada led do display acender?
• O que deveria ser feito caso o display fosse do tipo catodo ou anodo comum?
• Qual é a função dos pinos LT, RBI, BI e RBO?

Criação do sistema completo com os módulos testados

1. Selecione o diagrama esquemático do ContUpDown.bdf e crie um simbolo para este diagrama [File > Create/Update > Create Symbol File for Current File], [Save], [OK].
2. Repita o procedimento para o ConvBcdSsd.bdf.
3. Crie um novo diagrama esquemático com nome /home/aluno/Contador/ContCompleto (File >> New >> Block Diagram/Schematic File), no mesmo projeto para inserir o diagrama esquemático do sistema que será composto dos dois módulos, conforme a figura abaixo. Mude o Top-Level Entity para este novo esquemático.
4. Após isso faça a Análise e Síntese do projeto.
5. Coloque o sinal de entrada para testar o circuito para verificar se os dois módulos estão funcionando corretamente. Faça o circuito contar de 0 até 15 e depois de 15 até 0.

Preparar o circuito lógico para gravação em um kit de desenvolvimento

Para gravar o circuito lógico no FPGA, é necessário escolher um FPGA para a aplicação. Neste caso utilizaremos o kit DE2-115 ou Mercurio IV.

• Confira a família e dispositivo a ser usado (Assignments > Devices), utilizando a família family=Cyclone IV E com o dispositivo device=EP4CE115F29C7 (DE2-115) ou device = EP4CE30F23C7 (Mercurio IV), e faça uma nova Análise e Síntese para que a nova pinagem do FPGA seja reconhecida pelo Quartus.
• Atribua os pinos do circuito aos pinos do FPGA utilizando o Pin Planner [Assignments > Pin Planner].
• Para descobrir a pinagem do FPGA e sua associação com os componentes do kit consulte o Manual da DE2-115/Interfaces de entrada e saída da DE2-115 ou Pinagem_dos_dispositivos_de_entrada_e_saída_do_kit_MERCURIO_IV.
• Para facilitar a configuração dos pinos:
  • Utilize o display de sete segmentos para mostrar a saída do decodificador de 7 segmentos, fazendo as devidas conexões.
  • Utilize uma chave de contato momentâneo (push button) para gerar o sinal de CLK.
  • Utilize a chave deslizante SW[0] para o sinal DN/UP, SW[1] para o sinal G', SW[2] para o sinal LD'.
  • Utilize leds para mostrar a contagem em binário QD QC QB e QA.
  • Utilize leds para mostrar o estado dos sinais MXMN, RBO' e RCO'.

• Compile o projeto. Note que agora a numeração dos pinos também aparece no diagrama esquemático.
• Use a porta USB-Blaster para fazer a programação na placa DE2-115 ou MERCURIO IV;
• No Quartus vá em (Tools > Programmer) para abrir a página de programação;
  • Selecione o Hardware (Hardware Setup > USB-Blaster);
  • Utilize o modo JTAG e clique em Start para começar a programação;
    

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• Configure as chaves e verifique o funcionamento do circuito. Provavelmente você perceberá que a cada toque na chave associada ao clock ocorrerão vários saltos no contador, isso é provocado pelos repiques na chave.
• Normalmente uma chave apresenta os denominados repiques de sinal, ou seja, ao se alterar o estado da chave o sinal elétrico oscila várias vezes entre um nível lógico e outro, antes de estabilizar. Para evitar esse fenômeno pode-se fazer uso de um deboucer que gera um atraso entre os estados. Para usar o deboucer siga os seguintes passos:
  1. Tools > Megawizard Plugin Manager
  2. Create a new custom megafunction variation > Next.
  3. Aritimethic > LPM_counter > what name do you want for the outoput file?: clock1ms > Next
  4. 16 bits > Up only > Next
  5. Modulus, with a count modulus of 50000 > [Habilite a opção] Carry-out > Next.
  6. Next.
  7. Next.
  8. Habilite a opção Quartus II symbol file > Finish.
  9. Baixe o projeto deboucer Arquivo:Deboucer.qar.
  10. Restaure o projeto: Project > Restore Archived Project
  11. {procure o arquivo} Deboucer.qar > Open.
  12. OK
  13. Abra o esquemático do Debouncer_v2.
  14. Copie todo o arquivo: (Ctrl + a) e (Ctrl + c)
  15. Abra novamente o projeto do contador: File > Open Project > /home/aluno/Contador > Open.
  16. Crie um novo diagrama nesse projeto: File > New > Block Diagram/Schematic File > OK.
  17. Cole o diagrama do debouncer copiado: (Ctrl + v).
  18. Salve o diagrama esquemático com o nome debouncer: (Ctrl + s) > /home/aluno/Contador/debouncer > Save.
  19. Configure o debouncer para ser o Top Level Entity e compile o esquemático.
  20. Crie um novo Symbol File para o debouncer: [File > Create/Update > Create Symbol File for Current File].
  21. Volte ao diagrama do contador (ContCompleto) e acrescente os blocos clock1ms e debouncer: Symbol Tool > Project ...
  22. Interligue os blocos. 1) a entrada clock do clock1ms em PIN_T1. 2) A saída cout do clock1ms em clk_1ms do debouncer. 3) A entrada sw do debouncer na chave KEY[11]. 4) A saída sw_debounced no CLK do contador. Conforme figura ao lado:
      

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  23. Compile o projeto, programe na placa e verifique o funcionamento. Perceba que agora a chave não deve mais apresentar os repiques.

QUESTIONÁRIO

• Verifique o funcionamento da chave LDN. Qual é a sua função?
• Verifique o funcionamento da chave GN. Qual é a sua função?
• Verifique o funcionamento da chave UP/DN. Qual é a sua função?
• Confira se a contagem está sendo feita da forma correta e se os símbolos mostrados no display correspondem ao esperado e mostrado nos leds vermelhos. Existe algum problema na contagem?
• Analise as saídas MXMN, RBO, RCO tanto na contagem crescente como decrescente. O que estes sinais representam?