Đồ án học kỳ 2 môn Introduction to chip industry and IC của nhóm sinh viên lớp C1.2409.E1 đã tạo ra một sản phẩm nổi bật với khả năng giải mã mã nhị phân BCD và hiển thị trực quan qua LED 7 đoạn. Đây là một đề tài vừa mang tính thực hành vừa có giá trị ứng dụng cao, giúp sinh viên làm chủ kỹ thuật thiết kế mạch số và mô phỏng phần cứng trên nền tảng FPGA.
Giới thiệu chung về đồ án
Đồ án mang tên “Thiết kế bộ giải mã BCD sang LED 7 đoạn trên kit FPGA Basys 3” được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn An Phú, Trần Thông Triết, Nguyễn Hồng Ngọc, và Nguyễn Trung Tín. Sản phẩm được triển khai trên nền tảng FPGA sử dụng ngôn ngữ Verilog HDL nhằm mô phỏng và kiểm thử mạch số với độ chính xác cao. Đây là một bước tiến quan trọng giúp sinh viên củng cố kiến thức nền tảng về hệ thống số, mã hóa và giải mã nhị phân, đồng thời làm quen với quy trình thiết kế thực tế.
Việc giải mã mã BCD sang LED 7 đoạn là một trong những ứng dụng phổ biến và quan trọng trong lĩnh vực thiết kế vi mạch. Đề tài này giúp sinh viên rèn luyện kỹ năng thiết kế logic số, tiếp cận ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog và làm quen với môi trường phát triển Vivado. Ngoài ra, đồ án còn mang lại cơ hội kiểm thử thực tế trên kit FPGA Basys 3, qua đó tạo tiền đề vững chắc cho các dự án phức tạp hơn sau này.
Nhóm đặt mục tiêu xây dựng mạch giải mã chính xác từ mã BCD sang tín hiệu điều khiển LED 7 đoạn. Quá trình bao gồm việc mô phỏng hoạt động logic trên phần mềm, tổng hợp và tạo bitstream để nạp lên kit FPGA, và cuối cùng là đánh giá khả năng hiển thị thực tế qua các switch điều khiển. Mục tiêu còn bao gồm rèn luyện kỹ năng mô phỏng, kiểm thử và làm việc nhóm hiệu quả.
Quy trình triển khai đồ án
Nhóm đã trải qua các bước sau trong quá trình thực hiện trải qua 3 bước:
Bước 1: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về mã BCD và nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn: Nắm vững khái niệm mã BCD và nguyên lý hoạt động của LED 7 đoạn trên kit Basys 3.
Bước 2: Thiết kế sơ đồ khối và bảng sự thật nhằm xác định quy luật điều khiển LED tương ứng với từng mã BCD
Bước 3: Đánh giá chất lượng của thiết kế:
Kết quả đánh giá qua mô phỏng:
Mạch đã được kiểm tra bằng mô phỏng trên phần mềm Vivado. Khi thay đổi giá trị đầu vào “num” từ 0000 đến 1001(tương ứng thập phân từ 0 đến 9), các giá trị đầu ra “seg” tương ứng với mã điều khiển LED 7 đoạn. Kết quả mô phỏng cho thấy mạch hoạt động đúng chức năng.
Kết quả đánh giá trên kit FPGA thực tế:
Khi mô phỏng thực tế trên kit Basys 3, nhóm sử dụng 4 switch để nhập vào giá trị nhị phân tương ứng. Trạng thái OFF của switch ứng với mức logic 0, và ON ứng với mức 1. Giá trị nhị phân này được truyền đến mạch giải mã và hiển thị trên LED 7 đoạn đầu tiên của kit. Thứ tự 4 switch đầu tiên từ phải sang trái lần lượt là: num[0], num[1], num[2], num[3]. Kết quả đánh giá trên kit FPGA cho thấy mạch hoạt động đúng chức năng.
Khi num = 0, seg = 0x40 ⇒ mã LED để hiển thị số 0
Khi num = 1, seg = 0x79 ⇒ mã LED để hiển thị số 1:
Khi num = 2, seg = 0x24 ⇒ mã LED để hiển thị số 2:
Khi num = 3, seg = 0x30 ⇒ mã LED để hiển thị số 3:
Khi num = 4, seg = 0x19 ⇒ mã LED để hiển thị số 4:
Khi num = 5, seg = 0x12 ⇒ mã LED để hiển thị số 5:
Khi num = 6, seg = 0x02 ⇒ mã LED để hiển thị số 6:
Khi num = 7, seg = 0x78 ⇒ mã LED để hiển thị số 7:
Khi num = 8, seg = 0x00 ⇒ mã LED để hiển thị số 8:
Khi num = 9, seg = 0x10 ⇒ mã LED để hiển thị số 9:
Mạch hoạt động ổn định và chính xác trong cả hai giai đoạn mô phỏng và thực nghiệm. Các giá trị đầu vào BCD từ 0000 đến 1001 cho kết quả hiển thị đầy đủ từ số 0 đến 9 trên LED 7 đoạn. Các đoạn LED được kích hoạt chính xác theo mã HEX tương ứng với giá trị đầu vào. Sự nhất quán giữa mô phỏng và kết quả thực tế cho thấy mạch có độ tin cậy cao.
Một trong những thử thách lớn nhất là việc kết nối các module nhỏ thành hệ thống hoàn chỉnh. Nhóm đã dành thời gian để thảo luận và thử nghiệm nhiều lần nhằm đảm bảo sự liên kết logic chính xác. Ngoài ra, quá trình nạp mạch lên kit cũng gặp lỗi do sai sót trong sơ đồ chân, và nhóm đã cẩn thận rà soát lại để điều chỉnh hợp lý.
Quá trình làm việc nhóm có nhiều thử thách, đặc biệt là trong việc phân chia công việc theo năng lực từng thành viên. Tuy nhiên, sự phối hợp ăn ý đã giúp nhóm hoàn thiện sản phẩm đúng hạn. Niềm vui lớn nhất đến khi LED hiển thị đúng từng chữ số, là thành quả cho nỗ lực học tập và sáng tạo của cả nhóm.
Điểm nổi bật của sản phẩm
Sản phẩm có khả năng hiển thị chính xác các chữ số từ 0 đến 9 dựa trên đầu vào BCD. Thiết kế rõ ràng, dễ hiểu, dễ dàng mở rộng cho các ứng dụng phức tạp hơn. Việc sử dụng switch làm đầu vào tạo sự trực quan, giúp sinh viên dễ dàng thực hành và thao tác. Đồ án thể hiện rõ sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, từ mô phỏng đến triển khai phần cứng.
Sau quá trình thực hiện, các thành viên nhóm không chỉ hiểu rõ kiến thức về BCD và LED 7 đoạn, mà còn nâng cao kỹ năng lập trình Verilog, kiểm thử mạch và làm việc nhóm hiệu quả. Dự án là bước đệm tốt để tiếp cận các đồ án FPGA phức tạp hơn trong tương lai.
Sự trưởng thành của từng thành viên sau đồ án
Nguyễn Văn Quốc chia sẻ rằng đồ án giúp bạn rèn luyện khả năng tìm hiểu tài liệu tiếng Anh, đặc biệt là khi đọc và hiểu các thông số kỹ thuật của IC PT2322. Bạn cho biết trước đây còn rất mơ hồ về I2C nhưng sau khi trực tiếp lập trình và chạy thử sản phẩm, bạn đã hiểu sâu hơn và cảm thấy tự tin khi tiếp cận các chuẩn giao tiếp khác.
Lê Ngọc Quý nói rằng điểm khó nhất chính là việc kết nối và truyền lệnh điều khiển tới IC thông qua I2C bởi nếu chỉ sai một byte lệnh thì IC sẽ không phản hồi. Tuy nhiên quá trình thử sai liên tục đã giúp nhóm hiểu bản chất vấn đề và có được sản phẩm chạy đúng như mong đợi.
Nguyễn Hữu Tài thì cho rằng bài học lớn nhất nằm ở kỹ năng làm việc nhóm và chia nhỏ công việc hiệu quả. Mỗi người phụ trách một phần: người lập trình, người thiết kế mạch, người làm báo cáo và slide thuyết trình. Qua đồ án này, nhóm đã biết cách phối hợp ăn ý để cùng hướng đến mục tiêu chung.
Bạn Hồng Ngọc cũng chia sẻ “Dự án giúp mình rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, phân chia công việc khoa học và hợp lý. Nhờ có sự hỗ trợ từ các bạn, mình học được cách debug mạch hiệu quả hơn.”
Sản phẩm đã được trình bày tại buổi bảo vệ đồ án cuối kỳ trước hội đồng chuyên môn. Với chất lượng hoàn thiện cao, tính ứng dụng thực tế và phần trình bày thuyết phục, nhóm đã nhận được nhiều đánh giá tích cực từ các giảng viên. Qua đó, đồ án không chỉ là kết quả của học kỳ vừa qua mà còn là minh chứng cho hành trình học tập nghiêm túc và niềm đam mê công nghệ của sinh viên ngành Thiết kế vi mạch tại FPT Jetking.
Giảng viên Nguyễn Văn Thành Lộc