Kiedy potrzebujemy Analog Discovery, a kiedy Digital Discovery?

Digital Discovery jest niezbędnym dodatkiem, jeśli używałeś Analog Discovery 2, ale szybkość próbkowania była niewystarczająca, liczba dostępnych kanałów cyfrowych zbyt mała lub szumy zbyt duże by odczytać dane przesyłane z większymi prędkościami. Zobacz, jakie możliwości stwarza Digital Discovery na konkretnym przykładzie.

Digital Discovery jest urządzeniem podobnym do Analog Discovery w zakresie współpracy ze środowiskiem WaveForms 2015. Jednak ten pierwszy dysponuje tylko narzędziami do pracy z sygnałami cyfrowymi - analizatorem stanów logicznych, generatorem sygnałów logicznych i analizatorem protokołów. Posiada możliwość testowania ustalonego stanu wejść/wyjść (tryb statyczny). Pozwala również na tworzenie sekwencji sygnałów cyfrowych przy użyciu edytora skryptów. W swojej strukturze zawiera zasilacz. Digital Discovery oferuje zatem dodatkowe kanały, większą szybkość próbkowania i dodatkowe możliwości dostosowania do potrzeb użytkownika.

 
fot. 1 Kieszonkowe Digital Discovery.


Analizator stanów logicznych
Analizator stanów logicznych w Digital Discovery wykorzystuje szybkie wejścia, a co za tym idzie przy 32 kanałach może osiągnąć szybkość próbkowania 200 MS/s, przy 16 kanałach wzrasta ona do 400 MS/s, a przy 8 kanałach aż do 800 MS/s. To odpowiednio dwa/cztery/osiem razy większa szybkość próbkowania niż oferowana przez narzędzie Analog Discovery 2 posiadające dwa razy mniej dostępnych kanałów cyfrowych!


 
fot. 2 Program WaveForms.

Kanały wejściowe i wyjściowe w Digital Discovery
Analizator stanów logicznych w Digital Discovery posiada dwadzieścia cztery cyfrowe kanały, zdefiniowane jako wejściowe. Kolejnych szesnaście jest cyfrowymi kanałami wyjściowymi. Podczas gdy Analog Discovery 2 dysponuje jedynie 16 kanałami cyfrowymi, współdzielonymi przez analizator stanów logicznych i generator sygnałów logicznych.
Co więcej, wejścia i wyjścia cyfrowe w Digital Discovery są w pewnym zakresie konfigurowalne. Mianowicie, zasilacz (obok dostarczania zasilania) pozwala skonfigurować specyfikację wejść i wyjść cyfrowych, dopasowując ją do testowanego systemu. Istnieje możliwość:

• wybrania wartości napięcia definiującego wysoki stan logiczny oraz progu, od którego ten stan będzie aktywny (spośród pięciu różnych wartości),
• zmiany wartości prądu poszczególnego wyjścia lub pozostawienia ustawienia auto,
• zmiany szybkości narastania sygnału wejściowego.

Wymienione wyżej cechy sprawiają, że Digital Discovery jest znakomitym narzędziem do projektowania systemów wbudowanych.

 
fot. 3 Ekran konfiguracji wejść/wyjść cyfrowych Digital Discovery w programie WaveForms.

Zastosowanie Digital Discovery na przykładzie

•    założenia projektu
Projekt stworzony w celu zademonstrowania funkcjonalności narzędzia Digital Discovery, został szczegółowo opisany na blogu firmy Digilent. Wykorzystano w nim uniwersalną, 48-pinową płytkę FPGA CMOD A7. Koncepcja zakładała zbudowanie licznika współpracującego z 7-segmentowym wyświetlaczem LED. Na wyświetlaczu miały być wyświetlane kolejno liczby od 0 do 9999. W kolejnym kroku licznik miał zresetować się i rozpocząć zliczanie od początku.

 
fot. 4 W licznik modulo 10k z zewnętrznym obwodem sterownika analogowego.

•    realizacja projektu
Płytka CMOD A7 nie posiada wbudowanego wyświetlacza 7-segmentowego, dlatego w projekcie zastosowano zewnętrzny obwód sterownika analogowego. Wiązało się to z modyfikacjami w kodzie, ze względu na to, że np. katody i anody wyświetlacza były sterowane tym samym poziomem logicznym – zatem pomiędzy pinami układu FPGA na płytce, a pinami wyświetlacza pracowały tranzystory bipolarne, spełniając funkcję inwerterów.
Gdy kod i sterownik działały już poprawnie, następnym krokiem było sięgnięcie po Digital Discovery. Digital Discovery posiada 40 pinów I/O, z których, jak już wiemy, dwadzieścia cztery są wejściami cyfrowymi wyprowadzonymi na przednie gniazdo 32-pin. Dwa dodatkowe porty, zgodne ze standardem PMOD, umieszczone są na bocznych ściankach urządzenia i mogą być wykorzystywane jako wejścia lub wyjścia.
 

fot. 5 Trzy różne złącza kołkowe pozwalają na podłączenie do 40 sygnałów.

Monitorowanych było 11 pinów, po jednym na każdy segment i każdą katodę.
 

fot. 6 Podłączanie zespołu kabli fly-wire Digital Discovery do pinów A7 CMOD.

Po podłączeniu wszystkiego wystarczyło zarejestrować dane, korzystając z oprogramowania WaveForms.

 
fot. 7 Dane zarejestrowane z A7.

 
fot. 8 Powiększone dane zarejestrowane z A7 przy ok. 6 Hz na 1 wartość na wyświetlaczu.

Digital Discovery domyślnie ustawiony jest na pozyskiwanie 200 milionów próbek na sekundę (MS/s), ale może osiągnąć nawet do 800 MS/s, co znacznie przekraczało możliwości płytki CMOD A7. Do dalszych testów wykorzystany został zestaw Nexys 4, taktowany zegarem 100 MHz. Jednocześnie, aby skorzystać z opcji 800 MS/s, konieczne było wykorzystanie adaptera HSA oraz dołączonych do niego sond HPS umożliwiających rejestrację szybkozmiennych sygnałów. Sondy dołączono do Digital Discovery za pośrednictwem adaptera HSA.

 
Fot. 9 HSP podłączone do HSA.

Sygnały sterujące wyświetlaczem zostały wyprowadzone na dwa złącza PMOD płytki Nexys 4. Do tych złączy zostały również podłączone sondy. Piny GND zostały zwarte. Trzeba było w tym momencie uwzględnić fakt, że wolne zakończenia sond mają koszulki termokurczliwe - zapewniające solidne połączenie, ale utrudniające ułożenie więcej niż trzech przewodów obok siebie w standardowym rozstawie 100 mils na płytkach uniwersalnych. Pojawiła się więc potrzeba wykazania się kreatywnością w połączeniach.

 
fot. 10 Podłączanie sond do Nexys 4.

Następnie kod został zmodyfikowany tak, aby działał z płytką Nexys 4, a na końcu wgrany. Cyfra jedności na czterocyfrowym wyświetlaczu była kontrolowana przez zegar systemowy 100 MHz. Zatem, cyfra tysięcy zmieniała się w zakresie 0–9 z częstotliwością 10 kHz. To zdecydowanie zbyt szybko, aby mogło to dostrzec ludzkie oko.
Dzięki wprowadzeniu kilku poprawek w ustawieniach analizatora logicznego Digital Discovery...

 
fot. 11 Wybór opcji 800 MS/s ogranicza wejścia tylko do pinów 0–7.

 

i zarejestrowaniu danych...

 
fot. 12 Dane zarejestrowane z Nexys 4 działającej z prędkością 100 MHz.
... zaczęły one być widoczne. Na powyższej ilustracji partia danych na lewo od pierwszego czerwonego kursora, to dane sygnału segmentu przy włączonej cyfrze tysięcy. Zbliżając kursor, można było zauważyć następujący obraz:

 
fot. 13 Podział pomiędzy danymi segmentu dla cyfry tysięcy i cyfry jedności.

•    podsumowanie projektu
Wyraźnie widać (fot. 14) przechodzące sygnały segmentu reprezentowane przez wartości dziesiętne na górze magistrali, zaznaczone kolorem niebieskim. Są to wartości zakodowane na potrzeby wyświetlacza 7-segmentowego. Wartość binarna 1111000 odwzorowana na segmenty GFEDCBA (segment aktywny to ten o niskim stanie logicznym), informuje o tym, że segmenty A, B i C są włączone i na wyświetlaczu uzyskuje się cyfrę 7. Przeglądając resztę danych dziesiętnych, widać, że zliczanie od 0 do 9 i reset z powrotem do 0, odbywa się w czasie 100 μs!
Poniżej przybliżony został duży, biały blok danych (na fot.14 po prawej). To dane trafiające do wyświetlacza przy wyborze cyfry jedności dla częstotliwości 100 MHz.

fot. 14 Dane segmentu dla cyfry jedności.

Dodane zostało kilka kursorów, aby oznaczyć interwały. Wszystkie kursory znajdują się w odległości 10 ns od siebie, a kiedy spojrzymy na wartość dziesiętną (oznaczoną kolorem niebieskim na górze każdego kursora), to jest ona zgodna z sekwencją danych na poprzednim rysunku. Tym razem zliczanie od 0 do 9 i reset z powrotem do 0, odbywało się to z prędkością 100 MHz. Pomiędzy kursorami było osiem punktów danych, dlatego przejścia pomiędzy stanami nie były precyzyjnie zdefiniowane. Może się wydawać, że zarejestrowane zostały jakieś nieprawidłowe dane, ale warto pamiętać, że gdy dane na niebieskiej linii wydają się zakłócone, to kilka kanałów w magistrali jednocześnie zmienia stany. Wydaje się także, że wszystkie te sygnały nie zmieniają się jednocześnie.

Jednak w tym miejscu warto zastanowić się nad czymś… Miedziane ścieżki płytki drukowanej Nexys 4 PCB, łączące układ FPGA z wyjściem PMOD, nie były projektowane z myślą o przesyłaniu sygnałów szybkozmiennych. Oznacza to, że przy tych prędkościach, fizyczna odległość między złączem a układem FPGA wprowadzała nieuniknione opóźnienie propagacji sygnału. Można było dostrzec to wprowadzone opóźnienie w zarejestrowanych danych (powyżej). Możliwość zobaczenia tego jest naprawdę fascynująca, zwłaszcza na tak małym i kompaktowym przyrządzie jak Digital Discovery!

Reasumując, Digital Discovery idealnie sprawdza się w zastosowaniach, w których potrzeba elastyczności w dopasowaniu zakresu poziomów logicznych, dużych prędkości komunikacji (jak na przykład transmisja sygnału wideo) lub jednoczesnej analizy do 32 kanałów cyfrowych. Więcej informacji można znaleźć na stronie firmy Transfer Multisort Elektronik (www.tme.eu).