Гибкие автоматизированные производства, робототехника и САПР (стр. 1 )

,

ГИБКИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВА, РОБОТОТЕХНИКА И САПР

 

РПК «Политехник»

Волгоград

2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

, Ю В. Павлов

ГИБКИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВА, РОБОТОТЕХНИКА И САПР

Лабораторный практикум

РПК «Политехник»

Волгоград

2007
УДК 658.512.011.56(076.5)

К 89

Рецензенты: заведующий кафедрой «Технологическая кибернетика и информатика» СГТУ д. т. н., профессор ; к. т. н., доцент СГТУ

, Павлов автоматизированные произ-водства, робототехника и САПР: Лабораторный практикум / ВолгГТУ, Волгоград, 2007. – 80 с.

ISBN -4

Содержит информацию, соответствующую требованиям Государ-ственного образовательного стандарта высшего профессионального обра-зования по специальности 220200 «Автоматизированные системы обра-ботки информации и управления», утвержденного 27.03.2000 рег. № 000 тех/дс. Предназначено для студентов, обучающихся по данной специ-альности.

Приведенный материал посвящен изучению системы автома-тизированного проектирования устройств на основе микросхем фирмы Alterа МАХ+plusII, и робототехнического учебного комплекса (УРТК). В первой части освещены вопросы проектирования цифровых систем с использованием САПР МАХ+plusII. Проект в системе МАХ+plusII иерархически состоит из набора модулей. Каждый модуль содержит описание части проекта, формой описания может быть графическое представление принципиальной схемы, текст на языках AHDL/VHDL/Verilog, логико-временные диаграммы функционирования. Во второй части рассматривается автоматизация производства, которая представляет собой комплексную проблему.

Табл. 13. Ил. 23. Библиогр.: 10 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN -4 © Волгоградский

государственный технический университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................................. 4

Теоретический материал необходимый для выполнения лабораторных работ. 6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Графический ввод схемы устройства и функциональная симуляция с использованием САПР МАХ+plusII 10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Ввод описания схемы на языке AHDL, использование монитора иерархии проекта САПР МАХ+plusII 24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Проектирование комбинационных схем, программирование ПЛИС и анализ размещения схемы на кристалле 32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Проектирование последовательностных схем, временной анализ в системе Max+plusII 44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
УРТК устройство и принцип действия.......................................................... 62

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

УРТК рисование и перемещение грузов....................................................... 72

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Построение модели автоматизированного склада с использованием УРТК. 74

Приложение.......................................................................................................... 76

Список использованной литературы............................................................ 77

Введение

В лабораторном практикуме приводятся материалы посвященные изучению как системы автоматизированного проектирования устройств на основе микросхем фирмы Alterа МАХ+plusII, так и робото-технического учебного комплекса (УРТК).

В первой части освещены вопросы проектирования цифровых систем с использованием САПР МАХ+plusII. Этот блок состоит из четырех лабораторных работ.

В первой работе изучается работа графического редактора и осуществляется ввод в систему МАХ+plusII принципиальной схемы комбинационного устройства, описанного булевым уравнением. После этого выполняется трансляция проекта, с помощью редактора логико-временных диаграмм формируется последовательность входных тестовых векторов и осуществляется симуляция. В результате система МАХ+plusII формирует диаграмму состояний на выходе устройства, анализируя которую совместно с входными векторами и сравнивая с таблицей истинности, можно сделать заключение о правильности функционирования разработанного устройства.

Во второй работе изучается процесс описания цифрового устройства на языке AHDL и создание иерархического проекта. Вначале с помощью редактора Text Editor создается текстовый файл описания схемы мультиплексора на языке AHDL. Для ускорения процесса используются шаблоны конструкций языка, заложенные в систему МАХ+plusII. Алгоритм программы реализуется с помощью оператора IF_THEN_ELSE. Далее на основе текстового файла создается символьный файл, который с помощью редактора Graphic Editor включается в иерархический проект вместе с устройством, созданным в первой работе. Для анализа иерархического проекта используется монитор Hierarhy Display.. После этого выполняется трансляция проекта, формирование тестовых векторов и симуляция в последовательности, аналогичной предыдущей работе.

Третья работа посвящена изучению комбинационных схем с привлечением платы LabKit8000, а также анализу и редактированию размещения схемы устройства на кристалле с использованием редактора конфигурации FloorPlan Editor системы МАХ+plusII. Рассматривается функционирование схемы дешифратора для семисегментного индикатора и пример его описания на языке AHDL в виде таблицы. Перед трансляцией определяется тип микросхемы ПЛИС для реализации проекта и функции ее выводов. После трансляции с помощью приложения Programmer осуществляется загрузка кода программы через ByteBlaster плату лабораторного макета LabKit8000. Проверка работы дешифратора осуществляется вводом кода входных сигналов с переключателей и наблюдением знаков на семисегментном индикаторе. Для анализа размещения схемы устройства на кристалле используется редактор конфигурации FloorPlan Editor. С его помощью вручную выполняется коррекция назначений функций выводов, после перетрансляции работа дешифратора вновь проверяется с использо-ванием платы.

В четвертой работе последовательностные схемы изучаются на примере программируемого счетчика/таймера - типового узла современ-ных микроконтроллеров.

Во второй части рассматривается автоматизация производства которая представляет собой комплексную проблему. Ее решение направлено на создание нового оборудования, технологических процессов и систем организации производства, функционирование которых неразрывно связано с улучшением условий труда, ростом качества продукции, сокращением потребности в рабочей силе и с систематическим повышением прибыли.

Эффективность автоматизации прямо зависит от того, насколько рационально организован производственный процесс в целом, как комплексно и полно на всех звеньях технологической цепочки внедрены средства автоматизации, от того, насколько принятая система организации и управления производством позволяет принимать решения на низшем уровне (в целях ликвидации внеплановых простоев). Автоматизация требует рассматривать производственный процесс как единую систему.

Следовательно, эффективность автоматизации может быть достигнута только при комплексном подходе к разработке автоматизированных производственных систем. Путь к этому – в создании одностаночных и многостаночных комплексов: станок (группа станков) – приспособление - средства автоматизации, что позволит в дальнейшем перейти к системе агрегатного построения автоматизированных линий, участков, цехов и т. п.

Высокая эффективность автоматизации может быть достигнута также за счет применения промышленных роботов (ПР), но только при комплексном подходе к созданию и внедрению роботов, обрабатывающего оборудования, средств управления, вспомогательных механизмов и устройств.

Теоретический материал необходимый для выполнения лабораторных работ.

Проект в системе МАХ+plusII может быть иерархическим и состоять из набора модулей. Каждый модуль содержит описание части проекта, формой описания может быть графическое представление прин-ципиальной схемы, текст на языках AHDL/VHDL/Verilog, логико-временные диаграммы функционирования. Для создания исходных модулей в состав приложений включены редакторы: графический (Graphic Editor), текстовый (Text Editor), логико-временных диаграмм (Waveform Editor). Пользователю доступны обширные библиотеки примитивов, макрофункций и стандартных компонентов 74 серии. При создании графических модулей возможен импорт файлов из известной системы OrCAD. Система МАХ+plusII работает в среде Windows и в полной мере использует преимущества многооконного интерфейса. В частности, различные исходные модули можно одновременно просматривать в окнах с помощью различных редакторов.

В приложение Compiler входят все средства обработки исходных модулей, включая трансляцию, размещение и трассировку на ячейках оп-ределенного типа микросхемы ПЛИС, связывание. Перед трансляцией с помощью препроцессоров различные формы описания приводятся к единообразному представлению. В процессе трансляции формируются как целевые файлы, так и вспомогательные (служебные). Перечень фор-мируемых файлов определяется опциями (ключами) трансляции.

Анализ иерархического проекта может быть выполнен с помощью приложения Hierarchy Display. Отображаются все модули проекта и их взаимосвязи, а также все типы файлов, сформированные в процессе обра-ботки проекта.

Перед программированием ПЛИС целесообразно выполнить проверку функционирования спроектированного устройства. Такая проверка на уровне моделирования может быть выполнена с помощью приложения Simulator. Входными данными для него являются файл проекта после трансляции и тестовые векторы, а результатом - логико-временные диаграммы функций выходов.

Следует отметить, что при функциональном моделировании про-веряется первый вариант проекта, который не учитывает особенностей реализации на конкретной микросхеме ПЛИС. После успешного выпол-нения этого этапа проект привязывается к структуре микросхемы. система выполняет конфигурацию ячеек ПЛИС и трассировку связей между ними. При этом второй вариант приобретает некоторую избыточность, например из-за необходимости увеличить коэффициент разветвления по определенному выходу. После завершения этого этапа возможен анализ временных параметров, определение критического пути и т. п. с помощью приложения Timind Analyser. И в этом случае резуль-таты получаются с помощью моделирования на инструментальном компьютере.

Увидеть связи логических элементов внутри ПЛИС и назначения выводов микросхемы, изменить конфигурацию вручную можно с по-мощью редактора FloorPlan Editor.

На завершающем этапе работы осуществляется программирование микросхемы ПЛИС с использованием приложения Programmer. В рабо-тах данного лабораторного практикума используется макет на основе микросхемы ПЛИС типа FPGA серии 8000. Микросхемы этого типа программируются загрузкой кода из инструментального компьютера через устройство типа Byte Blaster.

Отметим некоторые методические особенности данного практикума:

• материал по цифровой схемотехникe, изложенный в лекциях и проработанный на семинарских занятиях, подкрепляется исследованием произвольных комбинационных схем, определенных булевыми уравнениями; типовых схем мультиплексоров и шифраторов/де-шифраторов; последовательностных схем счетчиков и таймеров; слож-ных автоматов типа регистрового арифметико-логического устройства;

• цифровая схемотехника изучается с ориентацией на дальнейшее освоение микропроцессорной техники, поэтому в работе 4 исследуются типовые узлы современных микроконтроллеров: счетчики/таймеры и АЛУ. Последняя работа дает возможность закрепить материал и по двоичной арифметике;

• одновременно со схемотехникой изучаются методы проекти-рования цифровых устройств с использованием системы МАХ+plusII. Проектирование изучается неформально, через выполнение обяза-тельного задания каждой лабораторной работы. Формальный подход затруднен из-за громадного объема разносторонней информации и раз-ной подготовленности обучаемых. С другой стороны, внимание обраща-ется на замкнутость цикла проектирования: функциональное тести-рование, временной анализ;

• макет Lab8000, используемый в данном практикуме, может служить не только для изучения цифровой схемотехники, но и для исследования характеристик практических устройств, реализованных на ПЛИС типа FPGA серии Altera 8000. Вместе с профессиональной версией системы МАХ+plusII это позволяет рекомендовать данный комплекс аппаратных и программных средств для повышения квалификации и практической работы специалистов промышленности.

Для выполнения лабораторной работы № 1 вам понадобятся знания законов булевой алгебры, а так же правила работы с картами Карно.

1. Основные аксиомы и законы булевой алгебры

Таблица. 1 Основные аксиомы и законы булевой алгебры

Аксиомы (тождества) Законы коммутативности Законы ассоциативности Законы дистрибутивности Законы поглащения

1 \/ A=1 (1.1) 0 · A=0 0 \/ A=A (1.2) 1· A=A A \/ A=A (1.3) A· A=A A \/ Ā=1 (1.4) A · Ā=0 Ā=A (1.5) A \/ B=B \/ A (1.6) A · B=C · A A \/ B \/ C=A \/ (B \/ C) (1.7) A · B · C=A · (B · C) A · (B \/ C)=(A · B) \/ (A · C) (1.8) A \/ (B · C)=(A \/ B) · (A \/ C) A \/ A · B=A A · (A \/ B)=A (1.9)

Используя данные из таблицы, можно получать новые логические выражения, а также доказывать справедливость тех или иных законов на основании других. Например, с помощью второго закона дистрибутивности (1.8) и тождества (1.4) получаем соотношение

А\/ĀВ=(А\/Ā)(А\/В)= А\/В (1.10))

Используя первый закон дистрибутивности (1.8), тождества(1.1), (1.3) и закон ассоциативности (1.6), получаем доказательство справедливости закона поглощения (1.9):

А(А\/В)=АА\/АВ=А\/АВ=А(1\/В)=А

Таблица. 2 Полный набор логических функций двух переменных

А В	0 0	0 1	1 0	1 1	Условное обозначение и алгебраическое выражение	Название функция
F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 F10 F11 F12 F13 F14 F15	0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1	0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1	0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1	F0=0 F1=AB F2=A→B=A F3=A F4=B→A=ĀB F5=B F6=AÅ B=A+ĀB F7=A+B А8=А↓В= F9=A~B=AB+ F10= F11=B→A=A+ F12=Ā f13=A→B=Ā+B F14=A/B= F15=1	Постоянный 0 Конъюнкция Запрет Тождественность А Запрет Тождественность В Исключающее ИЛИ(неравнозн) Дизъюнкция Операция Вебба (ИЛИ—НЕ) Равнозначность(эквивалентность) Инверсия В Импликация от В к А Инверсия А Импликация от А к. В Операция Шеффера (И—НЕ) Постоянная 1

Таблица. 3 Табличные истинности Таблица. 4 Минтермы, макстермы и значение

функции равнозначности F0 функции F0

A	B	F0	A	B	Минтермы	Макстермы	Значения функции
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 0 1	0 0 1 1	0 1 0 1	m0=ĀB m1=ĀB m2=AB m3=AB	M0=Ā\/B M1=Ā\/B M2=A\/B M3=A\/B	f0=1 f1=0 f2=0 f3=1

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Графический ввод схемы устройства и функциональная симуляция с использованием САПР МАХ+plusII

Время на выполнение лабораторной работы – 2 часа

Время самостоятельной работы студента – 2 часа

Цель работы: изучение САПР МАХ+plusII, методов описания проекта в виде принципиальной схемы, трансляции и анализа с исполь-зованием функционального симулятора.

Программный продукт МАХ+plusII фирмы Altera представляет собой интегрированную систему автоматизированного проектирования (EDA – electronic design automation) цифровых систем, которая предполагает реализацию проекта с использованием программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), производимых этой фирмой. Система позволяет описать проект несколькими способами: посредством ввода принципиальной схемы, текста на языке AHDL (Altera Hardware Description Language), в виде временных диаграмм функционирования, как машину состояний.

Система включает 11 программных модулей - приложений (applica-tions), каждый из которых используется для выполнения определенного этапа обработки проекта. В список входят графический редактор, текстовый редактор, символьный редактор, редактор диаграмм, компилятор, монитор структуры проекта, симулятор, редактор конфигурации БИС, временной анализатор, программатор, процессор сообщений. Пользователь имеет мощную поддержку через подсистему Help, которая выдает информацию в виде гипертекста. Вид окна Manager системы МАХ+plusII с открытым списком приложений представлен на рис 1.1.

Рис. 1.1. Вид окна Manager системы Max+plusII с открытым списком приложений

ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ

Предположим, что проектируемое устройство определено булевым уравнением, а описание проекта в системе МАХ+plusII предполагается выполнить в графической форме с использованием библиотеки примитивов. Последовательность решения такой задачи следующая:

• исходя из уравнения необходимо определить количество переменных и построить таблицу истинности;

• используя графический редактор, ввести схему устройства. Начинать рекомендуется с входных портов, количество которых определяется количеством переменных в уравнении. Далее анализируется вид членов уравнения и вызываются соответствующие примитивы из библиотеки системы МАХ+plusII.. В завершение проводятся межсоединения (цепи и шины), вызывается примитив выходного порта;

• используя редактор временных диаграмм, на основе таблицы истинности формируются тестовые векторы для проверки (верификации) соответствия введенной схемы и первоначального уравнения. Для этого используется функциональная симуляция;

• выполняется трансляция проекта, вызывается симулятор, который на основе тестовых векторов формирует диаграмму выходной функции устройства;

• сравнивая диаграмму состояний функции с таблицей истинности делается заключение о правильности функционирования разработанного устройства.

При выполнении логического проектирования цифровых устройств следует иметь в виду, что для получения наиболее эффективного схемного решения во многих случаях целесообразно произвести определенные преобразования исходного алгебраического уравнения. В первую очередь следует произвести минимизацию заданной функции, используя один из методов дискретной математики (например, метод Квайна-МакКласки или метод, использующий карты Карно). Если многие импликанты в исходном выражении функции содержат общие логические переменные, целесообразно выполнить факторизацию - вынесение за скобки общих переменных. В результате получается скобочная форма представления функции, реализация которой обычно требует меньшего числа логических элементов (вентилей). В результате уменьшается число используемых элементов ПЛИС, поэтому можно реализовать на базе ПЛИС большее число требуемых функций. Другим методом получения скобочных форм является разложение функций по теореме Шеннона:

f(x1 ,x2,…xi…xn,) = xi f0 (x1 ,x2,…xi=0,…xn ) + xi f1 (x1 ,x2,…xi=1,…xn),

где xi - выделенная переменная, f0 , f1- логические функции, полученные из исходной функции f подстановкой значений хi=0, хi=1, соответственно. Данное соотношение позволяет реализовать функцию п переменных как композицию функций f0 , f1 имеющих (п-1) переменную.

Выполнение такого рода преобразований в процессе схемотехнического проектирования цифровых устройств описано в учебном пособии [1] и ряде других монографий. Использование этих преобразований позволяет получить для заданной функции несколько эквивалентных выражений. При их схемотехнической реализации получаются различные варианты схем, выполняющие заданную функцию. Проектировщик имеет возможность провести анализ их характеристик и выбрать вариант схемы, в наибольшей степени соответствующий требованиям технического задания.

В качестве примера в данной работе будем рассматривать цифровое устройство, которое выполняет логическую функцию

f = x1 x2 + 2 x3

Таблица истинности имеет следующий вид

Таблица 1.1. Таблица истинности

x1	x2	x3	f
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	1
1	1	0	1
1	1	1	1

Осуществим ввод принципиальной схемы устройства с использованием графического редактора системы МАХ+plusII, выполним трансляцию проекта с использованием приложения Compiler и проверим выполнение таблицы истинности, используя приложение Simulator.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Определение имени проекта. Разрабатываемое устройство представляется в системе МАХ+plusII как проект. Вначале работы с системой необходимо определить текущий проект, т. е. указать его имя и директорию. Выберем директорию c:\program files\maxplus2\max2work \tutorial, а в качестве имени проекта укажем graphic1. Из меню Manager выберите File|Project|Name, откроется диалоговое окно, приведенное на рис. 1.2. Имя тома и директория выбираются с помощью соответствующих меню, имя файла вводится в строке File Name. Завершается определение вводом ОК. Имя проекта отобразится в титульной строке окна Manager.