Fpga

Plataforma FPGA para el Diseño y Evaluación de Sistemas de
Control
Felipe Santiago Espinosa
Instituto de Electrónica y Computación
(953) 53 202 14 Ext. 200
fsantiag@mixteco.utm.mx
Resumen
Este trabajo está relacionado con el desarrollo de módulos, para la evaluación de algoritmos
de control, en una tarjeta Spartan 3E Starter Board. Dicha tarjeta contiene un FPGA Spartan
3E de Xilinx y,además, incluye un DAC, un ADC, LCD y diversos periféricos de
entrada/salida. Sin embargo, el DAC y el ADC utilizan una interfaz SPI (Serial Port
Interfaz), lo que implica que para obtener o generar una señal analógica se requiere de un
módulo secuencial que maneje esta interfaz. Se desarrollaron, en VHDL, los módulos
necesarios para el manejo del LCD y de los distintos periféricos deentrada/salida
empleados, así como de los algoritmos de control evaluados. Se presentan resultados
experimentales de las pruebas realizadas con la plataforma desarrollada en conjunto con un
sistema de control de temperatura.
Palabras clave: FPGA, SPI, Picoblaze, VHDL, Sistemas de Control.
1. Introducción
El uso de FPGA's para la implementación de sistemas electrónicos cada vez es más
demandante, porsu velocidad de procesamiento y flexibilidad. En este sentido, en el
mercado se ofertan diferentes tarjetas de evaluación y desarrollo, las cuales incluyen una
diversidad de periféricos para aumentar su versatilidad. Un ejemplo es la tarjeta Spartan 3E
Starter Board, manufacturada y distribuida por Digilent Inc [2], en la figura 1 se muestra la
vista superior de esta tarjeta.

Fig. 1 Vistasuperior de la tarjeta Spartan 3E Starter Board.

Esta tarjeta es una alternativa de bajo costo ($149.00 USD) para el diseño y evaluación de
sistemas de control, principalmente por la inclusión del DAC y ADC. Sus características
principales son [3]:
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FPGA XC3S500E, familia Spartan-3E de Xilinx.
Memoria Flash de 4 Mbit para configuración.
CPLDXC2C64A, familia CoolRunner.
DDR SDRAM de 64 MByte (512 Mbit), interfaz x16, 100+ MHz.
Memoria Flash 16 MByte (128 Mbit) para aplicaciones.
Memoria Flash 16 Mbits acceso serial, via SPI.
Pantalla LCD de 16 caracteres por 2-líneas.
Puerto PS/2 y Puerto VGA.
Capa física Ethernet 10/100.
Dos puertos RS-232 de 9 terminales.
Interfaz USB para descarga y depuración
Oscilador de 50 MHz.Convertidor Digital a Analógico SPI de cuatro salidas (DAC), con resolución de 12
bits.
Convertidor Analógico a Digital SPI de dos entradas (ADC) con resolución de 14 bits
y pre - amplificador con ganancia programable.
Botón rotatorio.

Motivados por el interés práctico de desarrollar sistemas empotrados que permitan la
implementación de algoritmos de control para sistemas físicos reales a bajocosto, en éste
trabajo se presenta el desarrollo de los módulos necesarios en la tarjeta anteriormente
descrita. Este documento está organizado como sigue: en la Sección II se muestra la
organización de la plataforma desarrollada; en la Sección III se presenta el desarrollo de la
interfaz SPI que permite el manejo de los convertidores ADC y DAC; en la Sección IV se
presenta la interfaz deusuario; la Sección V está dedicada al desarrollo del módulo para el
algoritmo de control a evaluar; la Sección VI muestra la plataforma experimental que se
integró para la realización de pruebas; la sección VII presenta los resultados experimentales
obtenidos y finalmente en la sección VIII se dan algunas conclusiones.
2. Organización de la Plataforma
La plataforma se diseñó con base en lametodología Top-Down [4], en el nivel de mayor
jerarquía se tienen los módulos mostrados en la figura 2.

Plataforma FPGA

Interfaz_SPI

Interfaz_Usario

Algoritmo_Control

Fig. 2 Módulos principales en la plataforma

El módulo Interfaz_SPI establece una interfaz para manipular a 3 dispositivos de la tarjeta,
el DAC, el ADC y el pre-amplificador con ganancia programable. El protocolo SPI...