Geri Dön

Fpga based reprogrammable motherboard & daughter board circuits design and applications

Fpga tabanlı tekrar programlanabilir ana & yardımcı devre kart tasarımı ve uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 633371
  2. Yazar: MUHAMMET FURKAN İLASLAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. TAHİR ÇETİN AKINCI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 135

Özet

Teknoloji, insanlık tarihinin vazgeçilmez gelişiminin anahtarıdır. Her keşfedilen yeni bir yöntem, yeni bir icat, yeni bir buluş veya keşfediş toplulukların büyümesine sebep olmuştur. Ayrıca teknoloji beraberinde toplumsal üstünlüğünü de getirmiştir. Eski çağlarda üretilen ve sınırlı alanlardaki insanları etkileyen bugünün en basit ürünleri olan teknolojik aletler yerini, günümüzde tüm dünyayı etkileyen global ürünlere bırakmıştır. Kullanılan alet ve edevatların etkilediği çağlardan, kullanılan bilgilerin etkilediği çağlara geçilmiştir. Üretilen tarım aletinin etkilediği bir topluluktan, üretilen uyduların tüm dünyanın hatta evrendeki sinyallerin toplanabildiği bir topluluğa geçilmiştir. İnsanları ve insanlığı küresel çapta etkileyen teknolojinin tarihsel gelişimine bakıldığı zaman 20. yüzyılda gelişimini hızlı bir şekilde katlanarak arttırdığı gözlenmektedir. Özellikle 1950'lerde yarı-iletken teknolojisinin keşfi, her insana fiziksel olarak dokunan elektronik biliminin oluşumuna katkı sağlamıştır. Elektronik mühendisliği ise bu keşiflerin pratik olarak her alanda kullanılmasını misyon edinmiştir. Bu sayede günümüzde aşina olduğumuz akıllı sistem, makine öğrenmesi, nesnelerin interneti gibi kelimelerin kullanılmasını sağlamıştır. Elektronik cihazların ve uygulamaların yaygınlaşmasıyla, profesyonel kullanıcıların haricinde kendisini geliştirmek isteyen öğrenciler veya hobi amacıyla ilgilenen amatör kullanıcıların da sayısı artmıştır. Özellikle milenyum çağıyla birlikte sosyal bilinç olarak tüm dünyada trendi hızla artmış olan bu uygulamalar nedeniyle, elektronik ve yazılım programlama eğitimleri ilkokul çağlarına kadar inmiştir. Bu eğitimler profesyonel olmayan ama mesleki açıdan kişilerin gelişmesini ve fikir sahibi olmasını sağlayan eğitimlerdir. Bu eğitimler genel olarak hazır donanım ve arayüze sahip olan Arduino, Rasperry gibi kitlerle gerçekleştirilmektedir. Bu tezde, yukarıda bahsedilen hazır donanım kitlerinin yüksek hızlı uygulamalarda yetersiz kalması ve profesyonel açıdan kullanım çerçevesinin az olması nedeniyle, güçlü donanım elemanlarına sahip yeni bir hazır donanım kitinin üretilmesi çalışılmıştır. Ayrıca eğitim kiti amacıyla yola çıkılarak, ergonomik bir tasarım hedeflenmiş ve yardımcı ek devre prototipi üretilerek belirli görevleri yerine getirebilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla profesyonel anlamda kendisini geliştirmek isteyen kullanıcılar için aşama aşama devre tasarımı anlatılmış, dikkat edilen önemli detaylardan ve kullanılan veri föylerindeki yararlanılacak bilgiler bahsedilmiş, uygulama yapılarak devrenin çalışması hakkında bilgiler sunulmuştur. Devrenin çizimlerinde Altium: PCB Design Software & Tools programı kullanılmıştır. Ayrıca Xlinx firmasının FPGAlarının kullanımı için ISE Design Suite: WebPACK Edition programından yararlanılmıştır. Programların yüklenmesi için JTAG arayüzünden faydalanılmıştır. Proje sonunda yardımcı ek devrelerin sayısı arttırılarak, gerçekleştirilebilecek proje sayısının arttırılması ve kitin daha yetenekli hale gelebilmesi hedeflenmiştir. FPGAlar temel mikro kontrol elemanlarından daha karmaşık lakin daha avantajlı ve güçlü olması, seksenli yıllardan beri mimari yapısı mantık kapılarıyla oluşturulan ve komponent iç yapısı kullanıcı tarafından tasarlanabilmesini sağlayan temel düşüncenin ne kadar mantıklı olduğunu kanıtlamıştır. Zira böylelikle optimum FPGA iç hat tasarımı sağlanarak gereksiz kullanımdan kaçınılır. Üretilen prototipte de gösterileceği üzere temel işlem gücünün FPGA ile sağlanması en güçlü özelliklerinden biridir. Paralel işlem yapabilme yeteneği sayesinde öne çıkan FPGAlar profesyonel olarak savunma sanayi, görüntü ve sinyal işleme, kriptoloji gibi trendi yüksek alanlarda kullanılması bu projede tercih edilmesine sebep olmuştur. Xlinx SPARTAN 3E ailesine ait bir elemanın kullanılması da ekonomik açıdan muadillerine göre daha çok tercih edilebilir olmasını sağlamıştır. Ana devre kartı ve yardımcı devre kartı olarak iki adet prototip üretilmiştir. Dört katlı yapıya sahip olan ana kart temel işlemlerini yerine getiren ana gövde olduğu için kart üzerinde gereksiz devre elemanı kullanımından kaçınılmıştır. Ana kart üzerinde güç birimi, üç adet regülatör, FPGA, PROM, osilatör, beş adet LED, iki adet buton, JTAG kablosu için 2x5 kollektör, tasarlanan yedek devre ile bağlantının yapılabilmesi için 2 adet 2x8 kollektör, hesapları yapılarak yeterli derecede devreye eklenen dirençler ve kapasitörler bulunmaktadır. Özellikle FPGA ve PROM devre elemanlarının aynı firma tarafından üretilmiş ve bu nedenle seçilmiş olması, tasarlanan devrenin performans ve elemanların uyum içerisinde çalışması açısından önemlidir. Yardımcı devre kartı ise dijital sinyalden analog sinyale ve analog sinyalden dijital sinyale çevirim yapmak amacıyla tasarlanmıştır. Bu nedenle bu kart üzerinde kullanılan başrol devre elamanları ADC ve DAC'dir. ADC ve DAC elemanlarının fiziksel açıdan aynı özelliklere sahip olması simetrik tasarım yapılabilmesini sağlamıştır. Ayrıca iki dönüştürücü de 8 kanal, 12-bit, uyum probleminden kaçınılmıştır. Seçilen dönüştürücüler piyasada bulunan diğer dönüştürücülere göre daha pahalı olsa da güçlü tasarımı hedeflemiş üretim mottosu nedeniyle daha dayanıklı ve dirençli hale getirilmiştir. Ayrıca devre kartı üzerinde iki adet dişi güç birimleri, iki adet regülatör, tasarım açısından daha ergonomik olmasını sağlayan iki adet 8x2 dişi kollektör, hesapları yapılarak yeterli derecede devreye eklenen dirençler ve kapasitörler bulunmaktadır. Xilinx firmasının ürettiği ADC, DAC birimleri ve SPARTAN 3E içeren başlangıç geliştirme kitleri bulunmaktadır. Bu kitlerin bir çok yönden avantajları olsa da, yekpare yapısı nedeniyle fiyatının yüksek olması, başka bir projede kullanılacağı zaman kullanışlı olmayan fiziksel yapıya sahip olması beraberinde başka dezavantajları da getirmektedir. Bu geliştirme kitine alternatif olarak tasarlanan ve tez çalışmasının sonunda tasarlanan prototipler; fiziksel açıdan daha kullanışlı, ergonomik ve fiyat açısından kullanıcının sadece ihtiyaçlarına yönelik tercihlerde bulunmasını sağlayacak şekilde üretilmiştir. Temelde, bahsedilen hazır geliştirme kitlerinin görev yapılarının birbirlerinden ayrı olarak tasarlanmış ve sunulmuş olarak gözükse de ihtiyaca göre tercih edilebilirlik durumu aynı segmentte bulunan FPGAlara göre üretilen prototiplerin avantajlı olmasını sağlamaktadır. Herkes tarafından ihtiyaçlarına yönelik alım ve proje yapmasını sağlayacak bir geliştirme kiti tasarlamak, üretilen prototiplerin tercih edilmesini sağlayacaktır. Tezin 4. bölümünde yer alan uygulama kısmında yapılan ilk örnek çalışma yarım toplayıcılardan tam toplayıcı elde etme örneğidir. Toplayıcılar toplama işlem sonunda eldenin en yüksek değerlikli basamağı olan ve ikilik düzende toplama işlemini sağlayan sayısal devrelerdir. Yarım toplayıcılar ise bir bitlik iki veriyi toplayan devrelerdir. İki adet girişe (örneğin A ve B) ve iki adet çıkışa (carry and sum) sahiptir. Tam toplayıcılar ise üç bitlik verilerin toplanmasını gerçekleştiren üç giriş ve 2 çıkışa sahip devrelerdir. Tam toplayıcıların 2-bit paralel ve 4-bit paralel toplayıcı çeşitleri de bulunmaktadır. Uygulamanın bölümünde verilen bu örnek ile programlanabilir mantık kapı dizilerini kavramada yardımcı olacak, basit düzeyde VHDL söz dizimi gösterilmiştir. Böylelikle büyük tasarımlarının küçük tasarımlar ile yapılabilmesi hakkında kavranabilecek bir örnek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu uygulamanın simülasyon çalışması da yapılmıştır. Yapılan diğer çalışmada ise kullanıcılar tarafından seçilebilecek üç farklı opsiyonu seçme ve seçim sonrası toplam sonucunu veren bir projedir. Bu uygulamanın da simülasyon çalışması yapılmıştır. Tasarım sonuçları ile kodlamalar ekler kısmında yer almaktadır. Bu uygulamada aritmetik operasyon kütüphanesi ve VHDL kodlarının yanısıra verilen sözde kod dizimi ile de algoritmanın anlaşılması amaçlanmıştır. Diğer yaygın eğitim geliştirme kartları ile karşılaştırıldığında, onlara güçlü bir rakip olarak sunulan ve üretilen bu prototip evre kartlarının tasarımları adım adım incelenmiştir. Tasarımında kullanılan devre elemanları dahi tek tek açıklanmış, kullanımlarına dair detaylara yer verilmiştir. Yapılan araştırmaların ve çalışmanın sonucunda edinilen bilgiler ile ortaya çıkartılan ürün hakkındaki tüm eksik ve fazla yönler detaylı bir şekilde sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

The number of students who want to improve theirselves or amateur users who inerested in hobby purposes has increased as well as professional users. In this thesis, it is tried to produce a new ready-made hardware kit with strong hardware components due to the insufficiency of the ready-made hardware kits in high-speed applications and the low professional framework. In addition, an ergonomic design was targeted with the aim of training kit and auxiliary additional circuit prototype was designed to perform certain tasks. For this purpose, the circuit design has been explained step by step for the users who want to improve themselves professionally, the important details and the information to be used in the data sheets used have been mentioned, the information has been presented about the operation of the circuit by making an application. Altium: PCB Design Software & Tools program was used in the drawings of the circuit. Also, the ISE Design Suite: WebPACK Edition program was used for the use of FPGAs of the Xilinx company. JTAG interface has been used to install the programs. Two prototypes were produced as a mother board and auxiliary board that is also called the daughterboard. Since the motherboard, which has a four-layer structure, is the main body that performs the basic operations, unnecessary circuit elements are avoided on the board. The motherboard consists of three power units, three regulators, an FPGA, a PROM, an oscillator, five LEDs, two buttons, 2x5 collectors for a JTAG cable, two pieces 2x8 collectors for connection with the designed daughterboard, resistors, and capacitors that have been added to the circuit sufficiently by making calculations. It is especially important that the FPGA and PROM components are manufactured by the same company and therefore they have selected in terms of performance of the designed circuit and the compatibility of the elements. The auxiliary circuit board is designed to convert from the digital signal to the analog signal and from the analog signal to the digital signal. Therefore, the main circuit elements used on this card are ADC and DAC. The fact that ADC and DAC elements have the same physical properties enabled symmetrical design. In addition, both converters, 8 channels, 12-bit, compatibility problems were avoided. In addition, there are two female power units, two regulators, two 8x2 female collectors that make them more ergonomic in terms of design, resistors, and capacitors that are adequately added to the circuit by making calculations. The designs and all components of these prototypes, which are presented and produced as a strong competitor compared to other non-formal education development cards, are examined step by step. All the deficiencies and excesses about the product revealed with the information obtained as a result of the researches and studies conducted are presented in detail. The aim of the project is that to increase the number of daughterboards to make the kit more skilled.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    330819

    FPGA tabanlı üç eksenli robot kol kontrolü

    FPGA based three-axis robot arm control

    FARUK AYATA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Bilim ve TeknolojiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDÜLKADİR ÇAKIR

  2. Tez No

    755767

    Düşük güç tüketimi ve yüksek başarım için özgün uyarlanabilir gömülü sistem ve bellek tasarımları

    Novel adaptive embedded system and memory designs for low power consumption and high performance

    FAHRETTİN KOÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolTOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ ERGİN

  3. Tez No

    557051

    Mikroişlemci mimarisi kullanarak merkezi desen üretici yapılarının incelenmesi

    Investigation of central pattern generator structures using microprocessor architecture

    VEDAT BURAK YÜCEDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER DALKIRAN

  4. Tez No

    75488

    Sahada programlanabilir kapı dizileri ile lojik devre tasarımı ve VHDL kullanılarak bazı devrelerin gerçekleştirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    ATEŞ BERNA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU

  5. Tez No

    690412

    Hızlı Fourier dönüşümünün programlanabilir kapı dizilerinde uygulanması

    Implementation of fast Fourier transform on programmable gate arrays

    ZEYNEP KAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EROL SEKE

Geri Dön