Đồ án của các bạn sinh viên lớp C1.2409.E1 khẳng định khả năng thiết kế hệ thống nhúng bằng Verilog HDL, điều khiển thành công LED RGB WS2812 và màn hình LCD 4-bit trên nền tảng FPGA, cho thấy sự trưởng thành vượt bậc trong tư duy hệ thống và năng lực lập trình phần cứng của sinh viên ngay từ học kỳ đầu tiên.
Thiết kế luận án xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và xu hướng công nghệ
Khi xu hướng phát triển công nghệ vi mạch và hệ thống nhúng ngày càng mở rộng, việc đào tạo sinh viên có thể tự thiết kế, lập trình và kiểm thử những sản phẩm phần cứng phức tạp trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Xuất phát từ nhu cầu đó, luận án “FPGA-Based Embedded System for WS2812 RGB LED and 4-bit LCD Control” ra đời như một minh chứng rõ nét cho định hướng đào tạo thực chiến tại FPT Jetking.
Dựa trên nền tảng lập trình Verilog HDL và phần cứng FPGA EZBA4205, nhóm sinh viên đã thiết kế một hệ thống điều khiển thông minh cho LED RGB WS2812 và màn hình LCD 16×2 giao tiếp 4-bit. Tất cả các thành phần đều được xây dựng dưới dạng module hóa kết hợp FSM, cho phép điều khiển chính xác và phản hồi thời gian thực thông qua nút nhấn và rotary encoder.
Mục tiêu và định hướng thiết kế của dự án
Luận án đặt ra mục tiêu phát triển một hệ thống nhúng có khả năng điều khiển LED RGB nhiều hiệu ứng và hiển thị nội dung động trên LCD theo thời gian thực. Các thành viên đã viết module Verilog điều khiển từng khối phần cứng riêng biệt, tích hợp tương tác người dùng qua các thiết bị ngoại vi, đồng thời ứng dụng FSM để kiểm soát logic hệ thống. Đây là bài tập tổng hợp thể hiện trọn vẹn kiến thức của sinh viên về kỹ thuật số, xử lý tín hiệu, thiết kế thời gian thực và lập trình hệ thống nhúng.
Điểm nổi bật trong kiến trúc kỹ thuật
Một trong những điểm đặc sắc là sinh viên đã nắm vững kỹ năng lập trình Verilog từ việc module hóa từng khối chức năng đến xử lý PWM và tạo logic FSM điều khiển. Đặc biệt, việc tự tính toán chu kỳ clock để đảm bảo timing điều khiển WS2812 chính xác đến từng nano giây là thử thách rất lớn mà các bạn đã vượt qua thành công.
Giao tiếp với LED RGB WS2812 yêu cầu truyền dữ liệu 1-wire theo tiêu chuẩn thời gian rất nghiêm ngặt, với từng bit kéo dài 1.25 µs và độ rộng xung cao thấp cụ thể cho từng giá trị nhị phân. Các bạn đã sử dụng clock 125 MHz, phân chia xung hợp lý và tạo FSM truyền 24-bit GRB cho mỗi LED, kiểm thử thành công trên kit FPGA thực tế với nhiều hiệu ứng ánh sáng động.
Ở phần điều khiển màn hình LCD 16×2, các bạn lập trình chế độ 4-bit với chuỗi lệnh tuân thủ chuẩn HD44780. Từng trạng thái được thể hiện qua các dòng chữ hiển thị trên LCD, hỗ trợ người dùng theo dõi thông tin một cách trực quan.
Không dừng lại ở đó, hệ thống còn tích hợp rotary encoder – một giao diện điều khiển tiên tiến trong các hệ thống nhúng. Nhóm sinh viên đã xây dựng thuật toán giải mã hướng xoay, số bước di chuyển và dùng encoder để điều chỉnh hiệu ứng LED, độ sáng và chế độ hiển thị, đem lại trải nghiệm tương tác giống như sản phẩm thương mại.
Những khó khăn và nỗ lực trong quá trình thực hiện
Thách thức lớn nhất của nhóm nằm ở việc xử lý chính xác tín hiệu PWM và đồng bộ hóa nhiều module hoạt động cùng lúc. Mỗi sai lệch nhỏ về thời gian hoặc logic điều khiển có thể khiến hệ thống không hoạt động như mong muốn. Việc viết Verilog đòi hỏi không chỉ kiến thức kỹ thuật số mà còn là sự tư duy logic chặt chẽ và khả năng mô phỏng, kiểm thử hiệu quả.
Để vượt qua những trở ngại này, nhóm đã thiết kế FSM riêng cho từng chức năng, xây dựng các module con như debounce cho nút nhấn, rotary decoder, PWM generator, mode manager… Tất cả đều được mô phỏng kỹ lưỡng trên Vivado trước khi tích hợp và kiểm thử thực tế.
Mô hình hoàn thiện đã chạy thành công trên board FPGA với khả năng hiển thị LED RGB đa hiệu ứng, LCD 4-bit cập nhật nội dung theo thời gian thực, rotary encoder và nút nhấn cho phép điều khiển mượt mà với độ trễ gần như không đáng kể. Đây là kết quả rõ ràng cho thấy sinh viên FPT Jetking không chỉ nắm lý thuyết mà còn đủ năng lực biến kiến thức thành sản phẩm thực tế.
Hướng mở rộng trong tương lai
Nhóm đặt ra nhiều hướng phát triển cho hệ thống, bao gồm việc mở rộng số lượng LED RGB để tạo các mô hình 3D, bảng hiển thị LED động, tích hợp điều khiển âm nhạc hoặc tương tác theo môi trường ánh sáng.
Xa hơn, hệ thống có thể kết hợp với phần xử lý PS trong kiến trúc Zynq để kết nối Ethernet, truyền dữ liệu qua mạng LAN và tạo thành các nút hiển thị IoT. Từ đó xây dựng giao diện điều khiển trên PC hoặc smartphone, biến sản phẩm này thành một nền tảng hiển thị thông minh đa ứng dụng.
Đồ án không đơn thuần là một bài tập học kỳ, mà là minh chứng cho năng lực thực hành, tư duy hệ thống và khả năng ứng dụng công nghệ của sinh viên ngành thiết kế vi mạch bán dẫn FPT Jetking. Sự chỉn chu từ thiết kế Verilog đến kiểm thử trên phần cứng thật cho thấy sinh viên đã sẵn sàng tiếp cận những dự án công nghệ cao ngay từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường.
Giảng viên Huỳnh Nhựt Hải