Introdução

Neste tutorial, você aprenderá a desenvolver um sistema de controle de temperatura utilizando VHDL, uma linguagem de descrição de hardware amplamente utilizada em projetos de circuitos digitais. Iremos explorar a implementação deste sistema em uma FPGA, utilizando o Vivado para a síntese e ModelSim para a simulação. Ao longo do guia, você será apresentado a conceitos como sensores de temperatura, controle de saída e como levar a cabo essa implementação de forma eficaz. Este tutorial é ideal para engenheiros de hardware e estudantes que desejam expandir suas habilidades em design digital com VHDL e entender o processo de desenvolvimento completo, desde a criação do código até a simulação e a aplicação prática em hardware.

Etapas

  1. Configuração do Ambiente de Desenvolvimento

    Certifique-se de ter o Vivado e o ModelSim instalados em seu computador. O Vivado é essencial para síntese e implementação de designs em FPGA, enquanto o ModelSim é utilizado para simulação. Verifique as versões instaladas e se ambas as ferramentas estão corretamente configuradas no seu sistema.

    commands
    # Abra o Vivado e ModelSim e verifique a versão
    vivado -version
    vsim -version

  2. Criando o Projeto no Vivado

    Abra o Vivado e crie um novo projeto. Configure as opções do projeto para o tipo de FPGA que você está utilizando. Selecione os diretórios de entrada e saída adequados e defina as opções necessárias para a síntese e implementação.

    commands
    # Passos no Vivado para criar projeto
    File -> New Project
    # Siga os passos para criar um projeto com nome 'ControleTemperatura'

  3. Desenvolvendo o Código VHDL para Controle de Temperatura

    Implemente a arquitetura em VHDL que irá controlar a temperatura. O código abaixo demonstra um sistema simples que usa uma entrada de sensor de temperatura e controla um atuador (como um ventilador).

    controle_temperatura.vhd
    library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Controle_Temperatura is
    Port ( temperatura : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
           controle : out STD_LOGIC);
begin
    process(temperatura) 
    begin
        if to_integer(unsigned(temperatura)) > 75 then
            controle <= '1'; -- Ventilador ligado
        else
            controle <= '0'; -- Ventilador desligado
        end if;
    end process;
end Controle_Temperatura;

  4. Simulação do Design com ModelSim

    Após criar o código, utilize o ModelSim para simular o design. Crie um arquivo de teste para validar o funcionamento do seu sistema utilizando diferentes entradas de temperatura.

    teste_controle_temperatura.vhd
    library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

entity Teste_Controle_Temperatura is
end Teste_Controle_Temperatura;

architecture comportamento of Teste_Controle_Temperatura is
    signal temperatura : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
    signal controle : STD_LOGIC;
    component Controle_Temperatura is
        Port ( temperatura : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
               controle : out STD_LOGIC);
    end component;
begin
    UUT: Controle_Temperatura port map (temperatura, controle);
    process
    begin
        temperatura <= "01000000"; wait for 10 ns;
        temperatura <= "01001000"; wait for 10 ns;
        temperatura <= "01011000"; wait for 10 ns;
        wait;
    end process;
end comportamento;

  5. Compilação e Simulação no ModelSim

    Compile seu projeto no ModelSim usando os comandos apropriados e execute a simulação para verificar se seu sistema de controle de temperatura está funcionando como esperado. Você deve observar os sinais de controle em resposta às mudanças de temperatura.

    commands
    # Compile os arquivos VHDL
    vlib work

    vcom controle_temperatura.vhd

    vcom teste_controle_temperatura.vhd

    # Inicie a simulação
    vsim work.Teste_Controle_Temperatura

  6. Implementação no Hardware FPGA

    Após a simulação estar correta, volte ao Vivado, faça a síntese do projeto e gere o bitstream para programar sua FPGA. Você deverá selecionar sua placa de FPGA no processo de implementação.

    commands
    # No Vivado, clique em 'Synthesize' e depois em 'Generate Bitstream'
    # Siga as instruções para programar sua FPGA
    open Hardware Manager
    program your device

  7. Testando o Sistema em FPGA

    Após a programação da FPGA, teste seu sistema de controle de temperatura fisicamente. Conecte um sensor de temperatura real à sua FPGA e verifique se o controle do atuador responde de acordo com as leituras do sensor.

    commands
    # Conexão do sensor e ativação do sistema
    Conecte o sensor de temperatura ao pino de entrada da FPGA.
    Verifique a saída do controle com um LED ou outro atuador.

Conclusão

Com este tutorial, você aprendeu a desenvolver um sistema de controle de temperatura em VHDL, desde a configuração do ambiente de desenvolvimento até a simulação e implementação em uma FPGA. Este conhecimento permite a criação de sistemas digitais complexos e a integração de hardware e software. A prática e o entendimento das ferramentas utilizadas, como o Vivado e o ModelSim, são fundamentais para qualquer engenheiro de hardware que queira se aprofundar no design digital.

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