Uwaga !!! Projekt jest dalszym rozwojem projeku zaliczeniowego z jednego z przedmiotów zaliczeniowych na studiach. Do tamtej realizacji dodano interacje z procesorem oraz dodano możliwość korzystania przez moduły z DMA. Do tego celu wykorzystano procesor NIOS/2e. Opis tamtej części projektu zawarty jest w pliku pdf w tym repozytorium
Celem projektu było stworzenie systemu SOC, który miałby być układem pomiarowym dla mierzenia odległości Ziemia-Księżyc. System ten miał otrzymać dane zgodne z poniższymi założeniami:
Najpierw wciągu nieznanego czasu t0 wysłano wiązkę laserową zmodulowaną sygnalem sinusoidy z szybkością 10^6 próbek/sekunde. Sygnał ten miał okres T = 20 próbek (sinus o częstotliwości 50 kHz). Następnie odczekano 2.5 sekund po czym przez 5 ms z szybkością 10^6 próbek na sekunde i rozdzielczością 8 bitów/próbkę. Na podstawie odebranego sygnału należało doprecyzować odległość.
Dla t = 2.5 ms odbite światło płynie przez 375000 km. Układ ten miał doprecyzować z precyzją do poniżej 1 km wspomnianą odległość.
Schemat układu pomiarowego znajduje się poniżej.
Port UART wychodzący z lasera ma prędkość zaledwie (a dla standardu UART aż) 100 kB/s (gdyż wykorzystano prędkość 1,22 Mbaud). Założono że pomiar 5 ms został zbuforowany i po odebraniu przesłany z mniejszą prędkością. Użyto tego standardu gdyż jest nadal powszechnie wspierany, łatwy w implementacji oraz laser ten można łatwo emulować za pomocą komputera z zainstalowanym pakietem Python wraz z biblioteką wspierającą port szeregowy.
Układ ten pozwala na szybkie liczenie odległości dzięki procesowi korelacji, która z mocno zaszumionego sygnału umożliwia wykrycie żądanego przebiegu. Aby przystosować ten system do możliwie najszybszych obliczeń na jakie pozwala technologia FPGA należało zaprojektować architekturę tego systemu.
Poniżej znajduje się schemat przedstawiający architekturę systemu SOC użytego do tego pomiaru:
Do budowy tego systemu użyto poniższych komponentów
- Procesor 32-bitowy NIOS2/e
- Układ korelatora wykorzystujący DMA dzięki magistrali Avalon MM Master. Zasadę działania objaśniono w pliku pdf znajdującym się w tym repozytorium. Dzięki zwielokrotnieniu procesu odczytywania/zapisywania oraz samych obliczeń (korelacji czyli 20 mnożeń na wykonywanych fizycznie na raz oraz obliczania wartości bezwzględnej z wartości korelacji ograniczonej do 8 bitów z 24)
- Moduły I/O - moduł wyświetlacza 7-segmentowego z 4 cyframi oraz moduł przycisków
- Moduł nadawczo odbiorczy FastUART o niestandardowej prędkości 1,22 Mbaud/s (100 kB/s) umożliwiający pobieranie danych za pomocą portu RS232 będącego na płytce
- Moduły pomiaru czasu (4 x Timer o precyzji 1 us).
Do tego systemu użyto oporgramowania wykorzystującego te moduły.
System zaczyna swoją pracę od stanu "PRESS" gdzie należy nacisnąć przycisk 1 (przycisk zaznacozny na czerwono). Aby system mógł dokonać pomiaru przed tym należy podłączyć do komputera przez dostępny na płytce port RS232 kabel do komputera (adapter USB to UART) tak jak na zdjęciu.
Moduł wchodzi w stan "WAIT". W tym momencie należy uruchomić "emulator", czyli program w Pythonie (folder Tester) aby wysłał przykładowy odebrany przez laser sygnał. Port w komputerze musi wspierać prędkość 1,22 Mbaud (1 228 800). Po przełani sygnału o długości 5000 próbek moduł przejdzie do następnego stanu.
Moduł wyświetla numer klatki, w której wystąpiła najlepsza korelacja. Aby przeliczyć te dane na dodatkowe kilometry należy wcisnąć przycisk 2 (przycisk zaznacozny na czerwono).
Wyszło 449 km co oznacza że łączna odległość wynosi 375449 km. Aby wrócić do stanu sprzed pomiaru należy wcisnąć przycisk 1. System wróci do stanu PRESS.
