Integrierte Hard- und Softwaresysteme

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Technische Informatik und Ingenieurinformatik Fachgebiet Integrierte Hard- und Softwaressteme Praktikumsanleitung Integrierte Hard- und Softwaressteme Versuche 1 und 2 (Studiengänge IN, MA) Dr.-Ing. Karsten Henke Dipl.-Ing. Jürgen Schmidt Dr.-Ing. Heinz-Dietrich Wuttke Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Module Grundmodule Zusatzmodule Versuche bit-Addierer Rechts/Links-Impulserzeugung Kreuztisch Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante Ampelsteuerung - Variante Ampelsteuerung - Variante Empfohlene Literatur 15

2 2 2 MODULE 1 Einleitung Das Praktikum Integrierte Hard- und Softwaressteme ermöglicht, die in der Lehrveranstaltung Integrierte Hard- und Softwaressteme 1 vermittelten Prinzipien der digitalen Informationsverarbeitung und Strategien des Entwurfes komplexer digitaler Schaltungen anzuwenden. Der Praktikumsversuch besteht aus einem Grundgerät und einem umfangreichen Modulsortiment. Das Grundgerät besteht aus Netzteil und Grundplatte. Es liefert alle Versorgungsspannungen und bietet mechanische Befestigungsmöglichkeiten für alle Module. 2 Module 2.1 Grundmodule Die Grundmodule realisieren elementare Funktionen wie z.b. AND, NOR usw. Der logische Zustand aller Modulausgänge wird von LED s angezeigt. Dadurch ist eine Kontrolle des Verhaltens der realisierten Schaltung gegeben. Jeder Signaleingang oder -ausgang ist auf Buchsen geführt, damit Verzweigungen möglich sind. Alle Signaleingänge werden über interne Pullup-Widerstände auf +5V geschaltet. Diese Maßnahme bewirkt, daß offene Eingänge als Logisch 1 gewertet werden und verhindert Störungen. Die für dieses Praktikum benötigten Module stehen in ausreichender Anzahl zur Verfügung und bestehen jeweils aus: 4 AND/NAND-Gatter mit je 2 Eingängen 4 OR/NOR-Gatter mit je 2 Eingängen 2 OR/NOR-Gatter mit je 4 Eingängen 2 AND/NAND-Gatter mit je 4 Eingängen 2 JK-Master-Slave-Flip-Flop 4 D-Flip-Flop 1 snchroner Vor/Rückwärts Dezimalzähler 2.2 Zusatzmodule Schaltermodul, bestehend aus 4 Schaltern Verteilermodul Es ist durch dieses Modul möglich, Signale zu verteilen, die mehrfach für logische Verknüpfungen benötigt werden. Taktgeneratormodul Es kann zwischen Einzel- und Dauertakt gewählt werden. Koppelmodul Dieses Modul ermöglicht die Kopplung zwischen den Praktikumsmodellen und den realisierten Steuerungen. Teilermodul Dieses Modul ermöglicht verschiedene Frequenzteilungen für 4 Einzelsignale.

3 3 3 Versuche Die nachfolgenden Aufgaben sind prinzipiell als Hardware (Versuch 1) oder als programmierbare Logik (Versuch 2) lösbar. Für Versuch 2 gibt es als Ergänzung eine Anleitung für den PLD-Programmier-Arbeitsplatz. Zu jedem Versuch sind zwei Aufgaben zu lösen. Die konkrete Aufgabennummer entnimmt jede Praktikumsgruppe aus dem aktuellen Aushang. In Vorbereitung auf das Praktikum ist ein Protokoll unter Berücksichtigung folgender Anforderungen anzufertigen: 1. Aufgabenstellung 2. Lösungsweg und Entwicklung der Blockstruktur 3. Ermittlung der Funktion der sequentiellen Automaten (Automatengraph) 4. Snthese der Schaltungsstruktur 5. Versuchsauswertung (wird während des Praktikums ins Protokoll übertragen)

4 4 3 VERSUCHE bit-Addierer Es ist ein Steuerautomat für eine Recheneinheit mit folgendem Aufbau zu entwerfen: Recheneinheit Schieberegister Schieberegister + V T 2 T 1 C 0 C 1 Automat Clk x s Reset Clk R Zähler (4bit) Q D Die Recheneinheit besteht intern aus zwei Schieberegistern und einem 1-bit-Volladder, dessen Summenausgang mit dem Eingang eines der Schieberegister verbunden ist. Die Schieberegister sind mit der Anzeige gekoppelt und können die Operanden sowie das Ergebnis aufnehmen. Zum parallelen Laden der Schieberegister über ein Schalterfeld an der Recheneinheit ist Eingang V auf 1 zu setzen und eine -Flanke an T 2 zu erzeugen. Bei V = 0 wird mit jeder -Flanke an T 1 ein bit ein- bzw. ausgeschoben. Aufgabe des Steuerautomaten ist die Steuerung des folgenden Ablaufs unter Auswertung eines Startsignals x s : x s = 0... Einstellen neuer Operanden x s =... Anzeigen der neuen Operanden x s =... Start des Berechnungszklus und Anzeige des Ergebnisses Berechnungszklus: Bereitstellen von jeweils 1 bit der Operanden ( -Flanke an T 1 ) Auswertung des Übertrages C 1 Setzen von C 0, falls C 1 des vorherigen bits der Addition gesetzt war zklische Wiederholung für alle 8 bit Für die 8-fache Wiederholung des Berechnungszklus kann ein Zähler genutzt werden, der vor Beginn des Berechnungszklus mit R = 1 rückzusetzen ist. Der Zähler reagiert auf jede -Flanke und liefert nach der achten -Flanke transparent eine -Flanke am Ausgang Q D.

5 3.2 Rechts/Links-Impulserzeugung Rechts/Links-Impulserzeugung Entwerfen Sie einen Automaten zur Ermittlung der relativen x-position einer PC-Maus. Das Maus-Modul generiert die Signale und entsprechend der unten gezeigten Kurvenverläufe. Durch den Automaten sind entsprechend dem angegebenen Impulsschema die Signale l und r zu generieren, die zur Anzeige der relativen Position an einen Vor-/Rückwärtszähler angeschlossen werden sollen. Maus Automat r l Zähler Linkslauf Rechtslauf l r

6 6 3 VERSUCHE 3.3 Kreuztisch Gesucht ist ein Steuerwerk, welches durch Auswertung der Positionssignale x l,x r,x u,x o und Erzeugung der Motorsteuersignale l, r, u, o folgenden Ablauf realisiert: Der Punkt P soll unabhängig von seiner Anfangsstellung nach der möglichst schnell nach links/unten bewegt werden. -Flanke von x s Danach soll er am linken Rand nach oben und am oberen Rand nach rechts gefahren werden, worauf die Bewegung gestoppt werden soll. Ein Neustart ist nur mit einer erneuten -Flanke von x s möglich. o x l l P r x r u x u Automat l u r o x s Hinweis: Der Versuch wird an einem Portalkran-Modell durchgeführt. Die Motor-Ansteuersignale o, u, l und r sind low-aktiv.

7 3.4 Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante 1 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes statisch an. Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird das Signal statisch auf 1 gesetzt (vgl. Bild). Alle Füllstandsmelder, die vom Wasser bedeckt sind, bleiben gesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine Steuerung, die diese Aufgabe realisiert!

8 8 3 VERSUCHE 3.5 Pumpensteuerung - Variante 2 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes kurzzeitig an (Impuls). Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird ein 1- Impuls erzeugt (vgl. Bild). Wird ein Schaltpunkt verlassen, wird der entsprechende Melder zurückgesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich kurzzeitig: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine Steuerung, die diese Aufgabe realisiert!

9 3.6 Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante 3 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes statisch an. Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird das Signal statisch auf 1 gesetzt (vgl. Bild). Alle Füllstandsmelder, die vom Wasser bedeckt sind, bleiben gesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine verteilte Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! Dekomponieren Sie dafür den Automatengraph so in zwei Teilautomaten, daß jeder Teilautomat eine Pumpe bedient.

10 10 3 VERSUCHE 3.7 Pumpensteuerung - Variante 4 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes statisch an. Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird das Signal statisch auf 1 gesetzt (vgl. Bild). Alle Füllstandsmelder, die vom Wasser bedeckt sind, bleiben gesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine verteilte Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! Dekomponieren Sie den dafür Automatengraph so in zwei Teilautomaten, daß ein Automat die Anzahl der zu steuernden Pumpen in Abhängigkeit vom jeweiligen Druckpegel überwacht, der zweite Automat die gerechte Verteilung der Pumpenaufträge (Schalthäufigkeit) steuert.

11 3.8 Pumpensteuerung - Variante Pumpensteuerung - Variante 5 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes kurzzeitig an (Impuls). Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird ein 1- Impuls erzeugt (vgl. Bild). Wird ein Schaltpunkt verlassen, wird der entsprechende Melder zurückgesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich kurzzeitig: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine verteilte Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! Dekomponieren Sie dafür den Automatengraph so in zwei Teilautomaten, daß jeder Teilautomat eine Pumpe bedient.

12 12 3 VERSUCHE 3.9 Pumpensteuerung - Variante 6 Entsprechend der angegebenen technologischen Skizze sollen zwei Pumpen einen Wasserbehälter füllen. Das Verhalten der Verbraucher ist nicht bekannt. Die vier Füllstandsmelder bis x 3 sprechen jeweils bei Überschreitung eines bestimmten Füllstandes kurzzeitig an (Impuls). Die Pumpen sollen entsprechend dem angegebenen Diagramm arbeiten, wobei die Schalthäufigkeit der Pumpen gleich verteilt sein soll. Um ein Flattern der Pumpen bei Füllständen im Bereich der jeweiligen Füllstandsmelder zu vermeiden, ist das angegebene Hstereseverhalten zu realisieren. zu den Verbrauchern Wasserbehälter Pumpe 0 Pumpe Steuerautomat 3, 2,, Anzahl der aktiven Pumpen = = = 0 x 2 x 3 Füllstand x 3 x 2 Hinweis: Bei Erreichen eines Schaltpunktes wird ein 1- Impuls erzeugt (vgl. Bild). Wird ein Schaltpunkt verlassen, wird der entsprechende Melder zurückgesetzt, d.h. für den obersten Schaltpunkt ergibt sich kurzzeitig: x 3 x 2. Entwerfen Sie eine verteilte Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! Dekomponieren Sie den dafür Automatengraph so in zwei Teilautomaten, daß ein Automat die Anzahl der zu steuernden Pumpen in Abhängigkeit vom jeweiligen Druckpegel überwacht, der zweite Automat die gerechte Verteilung der Pumpenaufträge (Schalthäufigkeit) steuert.

13 3.10 Ampelsteuerung - Variante Ampelsteuerung - Variante 1 Es soll eine Ampelsteuerung 1 realisiert werden, die im Ruhezustand für den Autofahrer grün zeigt und auf Anforderung eines Fußgängers diesem das sichere Überqueren der Straße ermöglicht. Die dazu nötigen Phasen zeigt die folgende Tabelle. Zustand Autoampel Fußgängerampel Dauer (s) S1 grün rot Ruhezustand S2 gelb rot 3 S3 rot rot 3 S4 rot grün 24 S5 rot rot 12 S6 rot-gelb rot 3 Takt ( 1 3 Hz) rot Fußgänger Anforderung Ampelsteuerung grün Fußgänger rot Auto gelb Auto grün Auto Entwerfen Sie eine Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! 1 nach einer Aufgabenstellung aus [Hack,Hoffmann]

14 14 3 VERSUCHE 3.11 Ampelsteuerung - Variante 2 Es soll eine Ampelsteuerung 2 realisiert werden, die Ruhezustand für den Autofahrer grün zeigt und auf Anforderung eines Fußgängers diesem das sichere Überqueren der Straße ermöglicht. Die dazu nötigen Phasen zeigt die folgende Tabelle. Zustand Autoampel Fußgängerampel Dauer (s) S1 grün rot Ruhezustand S2 gelb rot 3 S3 rot rot 3 S4 rot grün 24 S5 rot rot 12 S6 rot-gelb rot 3 Takt ( 1 3 Hz) rot Fußgänger Anforderung Ampelsteuerung grün Fußgänger rot Auto gelb Auto grün Auto Entwerfen Sie eine verteilte Steuerung, die diese Aufgabe realisiert! Dekomponieren Sie dazu die Steuerung für die Ampel so in zwei Teilautomaten, daß ein Teilautomat die eigentliche Ablaufsteuerung (Aktionen S1 bis S6), der andere Teilautomat die Steuerung der Dauer (3, 12, 24 Sekunden) übernimmt. 2 nach einer Aufgabenstellung aus [Hack,Hoffmann]

15 15 4 Empfohlene Literatur H.-D. Wuttke; K. Henke Schaltssteme Eine automatenorientierte Einführung, Pearson-Education Deutschland, 1. Auflage, München 2003 T. Flick; H. Liebig Mikroprozessortechnik, Springer-Verlag, Berlin 2004 H.-J. Zander Logischer Entwurf binärer Ssteme, Verlag Technik, Berlin 1992 S. Hentschke Grundzüge der Digitaltechnik, Teubner-Verlag, Stuttgart 1988 Informatik-Duden H.-D. Wuttke; K. Henke Duden-Verlag, Mannheim, Wien, Zürich 2002 Online-Materialien zur Lehrveranstaltung IHS 1, TU Ilmenau, Fakultät IA, Ilmenau 2009,