Das Ziel dieser Arbeit war die Umsetzung eines Mikroprozessors auf der Basis eines programmierbaren Logikbausteins mit Hilfe der Hardware Beschreibungssprache VHDL. Der Prozessor soll im Unterricht für Digitaltechnik zur Anwendung kommen. Die Studenten sollen lernen mit VHDL umzugehen und ein gutes Verständnis für Prozessoren bekommen.

Es ist gelungen die Funktion eines acht Bit Mikroprozessors in VHDL zu beschreiben und mit Hilfe der im Digitaltechnik Labor verfügbaren Mittel zu syntetisieren. Implementiert wird der Prozessor in einem programmierbaren Baustein mit 512 Makrozellen der Ultra37000 CPLD Familie, von Cypress.

Der entwickelte Prozessor, mit dem Namen VHDLmicro, wird intern mit maximal 1 MHz getaktet. In der jetzigen Form ist der VHDLmicro basierend auf der von Neumann Architektur und verfügt über einen Befehlssatz, welcher 29 verschiedene 16 Bit Instruktionen umfasst. Es lassen sich maximal 2048 Bytes externen Programmspeicher und während der Programmausführung maximal 256 Bytes als Arbeitsspeicher und Stack von 256 Bytes ansprechen. Für die Peripherie stehen zwei acht Bit Eingangs- und ein acht Bit Ausgansport zur Verfügung.

Es war wichtig ein Produkt zu realisieren, welches flexibel, einfach zu verstehen und zu erweitern ist. Das ganze Konzept in drei separaten Modulen realisiert, die auf das INDIGEL Experimentiersystem passen, welches bereits im Unterricht verwendet wird.

Die drei realisierten Module für die jetzige Form des VHDLmicro sind das CPLD Board, ein externes Memory Modul und ein I/O Modul mit LEDs, Anzeigen und Schaltern. Neben dem I/O Modul verfügt das System über 80 I/O Leitungen für zukünftige Anwendungen, die einzig durch die Kapazität des CPLDs begrenzt sind. Ein grosser Vorteil ist, dass das CPLD über ein integriertes JTAG Interface In-System Reprogrammable (ISR) ist. Diese Eigenschaft macht es möglich die Struktur des VHDLmicro zu erweitern oder abzuändern, ohne die Hardware tauschen oder modifizier

Unsere Aufgabe bestand darin, ein System auszuarbeiten, welches in der Lage ist, Werte zweier verschiedener Sensortypen, die beide Luftfeuchtigkeit und Temperatur messen, auszuwerten. Die ermittelten Messdaten werden via Kurzmitteilungen über das GSM-Netz an den Benutzer weitergegeben oder über die serielle RS232-Schnittstelle am PC angezeigt. Diese Systemlösung kann für die Fernüberwachung und Fernabfrage an und von verschiedenen Standorten aus verwendet werden.

Die Hardware Plattform besteht aus dem FELA Remote Modul mit dem Texas Instruments Mikrocontroller MSP430F149 und einem GSM Modul, die mit unserem Sensor Adapter verbunden wird. Dieser steuert über eine SPI-Schnittstelle respektive eine 2-Wire-Leitung die beiden Sensortypen.

Die Aufgabe der Diplomarbeit war es, die Software des Mikrocontrollers für das FELA Remote Modul zu entwickeln. Damit werden auch die Sensordaten ausgewertet, zwischengespeichert und zu gegebenen Zeitpunkten oder nach Aufforderung des Benutzers ausgegeben. Ebenso kann bei Über- oder Unterschreitung eines einstellbaren Grenzwertes ein Alarm ausgelöst werden. Zur Steuerung des GSM Remote Sensors wurde ein Befehlssatz entwickelt, mit welchem der Ausgabeintervall der Daten täglich, stündlich oder ein Mal pro Minute gesetzt wird. Ebenso kann eine aktuelle Messung oder der Status des Moduls abgefragt werden. Zusätzlich wurde der Sensor Adapter entwickelt und hergestellt. Dieser sorgt für die Sensor-Betriebsspannung und nimmt die Signalpegelanpassung vor. Gleichzeitig werden auf drei LED's der Betriebsmodus, die GSM-Empfangsqualität und der Initialisierungsstand angezeigt. Die Anschlüsse der seriellen Schnittstelle und der Sensoren sind ebenfalls auf diesem Print integriert.

In Zusammenarbeit mit der Firma Sensirion wurde ein System aus Hardware und SoftwareKontrollsystem entwickelt, mit welchem das Volumen einer Flüssigkeit im Mikroliter Bereich messbar wird. Dazu wird die durchden Sensor fliessende Flüssigkeitsmenge laufend gemessen und integriert. Ein Ventil stoppt den Fluss bei der vorgegebenen Flüssigkeitsmenge. Das System soll die Einsatzmöglichkeiten des neuartigen Liquid Flow Sensors ASF1430 der Firma Sensirion aufzeigen.

Der Hardwareteil besteht einem ALTERA FPGA, einem EEPROM, der Ventilsteuerung, einem LCD-Display und der Eingabetastatur. Der Sensor wird über eine SPI (seriell peripheral interface) Schnittstelle angesteuert.

Die Software wurde in VHDL geschrieben. Die aktuellen Sensordaten werden auf einem 16x4 LCD-Display dargestellt. Vier Taster steuern den Betrieb: Schliessen und Öffnen des Ventils Parametereinstellung.

Der Softwareteil wurde zuerst auf einem eigenen Entwicklungsboard getestet. Mit dem jetzt implementierten System sind nur die Änderung des Kalibrierwertes möglich. Die Auswahl der Modi ist durch den verwendeten, kleineren Baustein noch beschränkt.