Trong học kỳ 2 của môn Step to Chip Design, sinh viên Trần Nguyễn Diễm Quỳnh đã thực hiện dự án “Thiết kế và đánh giá mô hình đèn giao thông bằng FSM trên Basys 3”. Đây là một đồ án môn học quan trọng, giúp sinh viên củng cố kiến thức về máy trạng thái hữu hạn (FSM), rèn luyện kỹ năng lập trình phần cứng bằng Verilog, đồng thời tiếp cận quy trình thiết kế – mô phỏng – đánh giá mạch số trên nền tảng FPGA.
Lý do chọn đề tài
Việc lựa chọn thiết kế đèn giao thông dựa trên FSM không chỉ mang ý nghĩa học tập mà còn có tính ứng dụng cao trong thực tế. FSM là một trong những phương pháp quan trọng trong thiết kế vi mạch, cho phép mô hình hóa và điều khiển hệ thống một cách tuần tự, rõ ràng. Thông qua đề tài này, sinh viên có cơ hội nắm bắt nguyên lý hoạt động, kết nối chân với linh kiện, lập trình phần cứng và vận hành trực tiếp trên kit FPGA Basys 3. Đây cũng là trải nghiệm thực tế giúp tạo nền tảng vững chắc cho những nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực kỹ thuật số.
Mục tiêu quan trọng nhất của dự án là nắm vững cơ chế hoạt động của FSM và ứng dụng để thiết kế hệ thống đèn giao thông hoàn chỉnh. Sinh viên tập trung vào việc thiết kế sơ đồ khối, lập bảng sự thật, xây dựng sơ đồ trạng thái, lập trình bằng Verilog, sau đó mô phỏng và kiểm tra trên phần mềm Vivado. Tiếp theo, hệ thống được tổng hợp, tạo bitstream và nạp vào kit FPGA Basys 3 nhằm kiểm chứng thực tế. Dự án còn đặt mục tiêu hiển thị chính xác các trạng thái đèn và thời gian đếm trên LED 7 đoạn, đảm bảo đồng bộ giữa phần mềm mô phỏng và phần cứng thực nghiệm.
Các bước triển khai
Bước 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về máy trạng thái hữu hạn (FSM) và nguyên lý hiển thị đèn giao thông, LED 7 đoạn trên kit Basys 3. Mục tiêu là nắm vững các khái niệm, cơ chế hoạt động của FSM, cũng như cách thức hiển thị đèn giao thông và điều khiển LED 7 đoạn.
Bước 2: Thiết kế sơ đồ khối, lập bảng sự thật và xây dựng sơ đồ hoạt động của FSM ứng dụng trong mô hình đèn giao thông.
Bước 3: Đánh giá chất lượng của thiết kế
Kết quả đánh giá qua mô phỏng
Kết quả mô phỏng trên Vivado cho thấy hệ thống hoạt động đúng với yêu cầu đề ra. Khi triển khai trên kit Basys 3, hệ thống đèn giao thông hiển thị chính xác các trạng thái xanh – vàng – đỏ, đồng bộ với thời gian đếm trên LED 7 đoạn. Các trạng thái thay đổi theo đúng chu kỳ và lặp lại tuần tự, chứng minh FSM vận hành ổn định và hiệu quả. Đây là minh chứng rõ ràng cho sự kết hợp thành công giữa mô phỏng phần mềm và kiểm chứng thực tế.
Trong quá trình thực hiện, khó khăn lớn nhất đến từ việc khai báo và nối chân trong file Basys3_Master.xdc sao cho phù hợp với mã lập trình. Để khắc phục, sinh viên đã rà soát toàn bộ code, đối chiếu kỹ lưỡng với sơ đồ chân trên bo mạch và tham khảo thêm tài liệu để thiết lập kết nối đúng. Bên cạnh đó, một kỷ niệm đáng nhớ là khi chạy thử lần đầu, các đèn xanh – đỏ – vàng đều sáng khiến tưởng rằng hệ thống đã hoàn thiện. Tuy nhiên, sau khi kiểm tra lại mới phát hiện lỗi trong khai báo chân nối. Việc sửa sai và nhìn thấy hệ thống chạy đúng đã mang lại cảm giác hạnh phúc và động lực tiếp tục theo đuổi kỹ thuật số.
Điểm đặc biệt của sản phẩm
Mạch vận hành chính xác theo nguyên tắc FSM, hiển thị đầy đủ trạng thái đèn và thời gian đếm. Sự đồng nhất giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm khẳng định tính ổn định và độ tin cậy của sản phẩm. Ngoài ra, thiết kế có khả năng mở rộng và là nền tảng quan trọng để triển khai các đồ án lớn hơn trong học kỳ tiếp theo.
Qua dự án này, sinh viên đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm thực tế trong việc thiết kế, mô phỏng và đánh giá mạch số trên FPGA. Kiến thức về FSM, kỹ năng lập trình Verilog, khả năng xử lý sai sót và kiểm thử đã được củng cố. Đặc biệt, dự án còn giúp rèn luyện sự kiên nhẫn, tính tỉ mỉ và khả năng giải quyết vấn đề – những kỹ năng quan trọng trong lĩnh vực thiết kế vi mạch.
Chia sẻ về sản phẩm, Diễm Quỳnh cho biết: “Sản phẩm hoàn thiện giống hệ thống đèn giao thông mini, giúp em có cách nhìn rõ ràng hơn khi quan sát hệ thống thực tế ngoài đời”.
Giảng viên hướng dẫn – thầy Lộc đánh giá sản phẩm hoạt động đúng yêu cầu, báo cáo được trình bày rõ ràng, logic và dễ theo dõi. Sinh viên đã đạt được các chuẩn đầu ra quan trọng của môn học như vẽ sơ đồ khối, lập bảng sự thật, thiết kế – mô phỏng – đánh giá mạch số bằng Verilog HDL. Đây là một kết quả xứng đáng với sự nỗ lực trong suốt học kỳ.
Dự án “Thiết kế và đánh giá mô hình đèn giao thông bằng FSM trên Basys 3” là minh chứng cho khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn của sinh viên FPT Jetking. Không chỉ đạt mục tiêu học tập, sản phẩm còn mở ra nhiều cơ hội để nghiên cứu sâu hơn về FSM và FPGA. Đây là nền tảng quan trọng để các bạn sinh viên tự tin tiến bước trên hành trình trở thành kỹ sư thiết kế vi mạch trong tương lai.
Giảng viên Nguyễn Văn Thành Lộc