ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì ngành công nghệ máy tính được xem là phát triển rất mạnh. Các hãng sản xuất máy tính luôn làm mới thế hệ máy tính của mình, máy tính được nâng cấp chóng mặt về tốc độ, khả năng xử lý thông tin, khả năng ứng dụng. Với sự phát triển của máy tính ngày càng cao thì người dùng ngày càng cảm thấy dễ chịu khi sử dụng chúng. Hiện nay, trên các máy tính PC đều có sẵn các cổng kết nối (cổng máy in, RS232, PCI, PCMCIA, IEEE1394, LAN, USB).
Máy tính xách tay (rất cần cho việc đo lưu động) hiện nay phần lớn không có cổng RS232, cổng máy in, đặc biệt không có cổng PCI). Trước đây khi mà mới ra đời thì mỗi máy tính chỉ có 2 cổng USB, nhưng giờ đây thì số lượng các cổng USB đã tăng lên đến 4 và thậm chí 6 cổng USB. Các thiết bị ghép nối dần dần đều chuyển sang ghép nối USB: Máy in từ ghép nối bằng cổng song song(LPT) chuyển sang sử dụng cổng USB, Chuột và bàn phím từ cổng PS/2 chuyển sang USB. Máy ảnh kỹ thuật số, máy quay phim, điện thoại di động, máy nghe nhạc, ổ cứng.
cũng cắm qua cổng USB. Cổng nối tiếp RS232 trước kia có 2 cổng giờ chỉ còn một, thậm chí máy tính xách tay giờ không còn cổng nào cả. Cùng với sự phát triển của máy tính, chúng ta sẽ càng quan tâm hơn đến những ứng dụng của nó, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp. Khả năng giao tiếp của máy tính với các thiết bị ngoại vi là điều mà những người làm trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp cần phải chú tâm đến.
Mỗi thiết bị ngoại vi được ghép nối với máy tính thông qua một cổng riêng biệt có các địa chỉ cổng riêng, các giao thức truyền dữ liệu khác nhau, do đó việc thiết kế các cổng nối cũng sẽ khác nhau. Các nhu cầu thực tế về đo, thu thập số liệu, truyền tin ngày càng đa dạng và phức tạp. Điều này dẫn đến rất nhiều các trở ngại trong vấn đề thiết kế hệ thống cũng như trong quá trình sử dụng của khách hàng. Nhu cầu đặt ra cho các kỹ sư thiết kế thiết bị đo không ít thách thức.
Một trong những giải pháp được đưa ra là việc cải tiến việc truyền thông tin từ thiết bị đo, thiết bị ngoại vi nhằm đảm bảo phù hợp với Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007 4 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” nhiều điều kiện cụ thể đa dạng hơn. Một trong những yêu cầu mà thực tiễn đặt ra là thiết bị ngoại vi phải được kết nối đơn giản với máy tính, có khả năng linh động trong mọi hiện trường như các thiết bị đo xách tay, các bàn thí nghiệm điện…và không nằm ngoài xu hướng phát triển của máy tính. Chuẩn truyền USB ra đời và phát triển như một giải pháp đáp ứng được yêu cầu đó. Cổng USB là phổ biến nhất và được hỗ trợ nhiều nhất.
Công nghệ ghép nối USB với giao thức truyền tin kiểu USB là một sự cải tiến vượt bậc và quy mô của bảy hãng sản xuất phần cứng lớn trên thế giới. Với nhu câu thiết thực như vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” làm luận văn thạc sĩ. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên tôi không đi sâu vào các thiết bị đo mà tập trung chủ yếu vào truyền tin theo chuẩn USB. Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007 -7- “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” PHẦN I: CƠ SỞ GIAO TIẾP USB I.1 Các cổng kết nối Trong một máy tính thông thường, CPU và bộ nhớ được gắn với bo mạch chính cùng một vài linh kiện cần thiết khác nữa.
Những thông tin chuyển qua lại giữa các linh kiện thông qua một mạch lưới gọi là các Bus. Các bus này có thể có 8, 16 hay 32 đường dẫn và do đó gọi là các bus 8 bít, bus 16 bít hay bus 32 bít. Hiển nhiên rằng xa lộ đa luồng làm tăng lưu lượng xe có thể chạy qua, ở đây cũng có thể các bus chấp nhận số bít lớn thì càng có thể chuyển tải nhiều thông tin cùng một lúc, như vậy sẽ làm tăng đáng kể tốc độ hệ thống. Có rất nhiều bus trong máy tính, chúng nối kết các phần tử linh kiện trong máy với nhau.
Một số bus nối với các khe - slot trên bo mạch. Người dùng có thể thiết lập thêm các tính năng cho máy tính bằng cách cấm các bo mạch - cạc (card) có tính năng riêng nào đó vào các khe này. Một số bus khác thì được nối với các cổng nằm ngoài - chính xác là ló ra khỏi vỏ máy một chút. Các thiết bị ngoại vi có thể nối với máy tính thông qua các cổng có sẵn của máy, hay thông qua một card chuyên biệt cắm vào các khe cắm trên bo mạch chính - điều này thật tiện lợi.1 Cổng máy in Giao diện cổng máy in trên PC tương thích là một trong những giao diện linh hoạt nhất cho việc kết nối PC với các thiết bị ngoại vi.
Giao diện này đầu tiên được phát minh hoàn toàn cho máy in kết nối với máy tính nhưng sau đó nó lại được dùng cho nhiều loại thiết bị khác nhau. Sự đơn giản của nó dựa vào việc dữ liệu đến hoặc đi khỏi cổng là một dạng mẫu 8 bít nhị phân. Mẫu này có thể truy cập và đo một cách trực tiếp trên các chân kết nối tương thích. Khác với các cổng nối tiếp dựa trên chíp để chuyển đổi dữ liệu, dữ liệu song song được quản lý hoàn toàn bằng phần mềm.
Điều này có nghĩa là, bạn có thể hoàn thành việc điều khiển hành động tắt/mở đường ra hoàn toàn bằng phần mềm. Việc Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007 -8- “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” này được hoàn thành bằng cách viết dữ liệu tới các khu vực đặc biệt của bộ nhớ I/O của máy tính. Cổng máy in có 3 thanh ghi: một cho dữ liệu ra, một cho các đường điều khiển đầu ra, một cho các đường điều khiển đầu vào. Chuẩn PC bắt đầu các cổng I/O cho giao diện song song đầu tiên tại 0x378, và thứ hai tại 0x278.
Cổng đầu tiên là một thanh ghi dữ liệu hai chiều, nó nối trực tiếp vào các chân 2 qua chân 9 trên giắc cắm vật lý. Cổng thứ hai là một thanh ghi trạng thái chỉ dành cho việc đọc khi cổng song song được sử dụng cho máy in, thanh ghi này ghi lại những trạng thái quan tâm của máy in như là online, giấy ra, hay là bận. Cổng thứ ba là một thanh ghi điều khiển chỉ dành cho đầu ra, Có ba loại cổng máy in khác nhau có thể thấy trên máy tính: • Cổng một chiều: Cổng này là cổng xuất hiện đầu tiên trong 3 loại cổng kể trên. Cả bao loại cổng đều có thể chạy trong chế độ cổng một chiều • Cổng hai chiều: Cổng này cho phép dữ liệu truyền theo cả hai chiều trên cùng một đường dây • Cổng song song nhanh: Cổng này không chỉ cho phép dữ liệu chuyển đổi theo kiêu hai chiều mà còn chạy với một tốc độ cao hơn.
Cổng hai chiều cho phép dữ liệu truyền trên cùng một đường theo cả hai chiều, các cổng loại hai và ba có thể chạy với bất cứ mức chuyển đổi dữ liệu nào trong ba mức chuyển đổi dữ liệu.2 Cổng nối tiếp. Ðối với cổng nối tiếp, dữ liệu được truyền qua cổng dưới dạng nối tiếp từng bít riêng rẽ, các cổng nối tiếp được gọi là cổng COM(Communication ).Trong máy vi tính thường có hai cổng COM1 và COM2 và có các cổng dự trữ COM3,COM4. Do dữ liệu được truyền từng bít một trong cổng nối tiếp nên tốc độ truyền chậm nhưng lại đảm bảo tính chính xác và có thể truyền ở khoảng cách xa. Vì vậy nó là phương pháp thuận tiện để ghép nối máy tính với thiết bị đầu cuối ở xa,đường Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007 -9- “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” truyền có chiều dài lớn.
Chuẩn RS232 của phương pháp này được ứng dụng để trao đổi thông tin với các thiết bị ở khoảng cách xa. Chuẩn RS232 Card điều khiển việc trao đổi thông tin không đồng bộ giữa máy vi tính với thiết bị bên ngoài dựa trên phương pháp thông tin được ứng dụng rộng rãi gọi là RS232. Chuẩn này qui định chức năng của 25 tín hiệu và tín hiệu hội thoại (handshake ) cho quá trình truyền dữ liệu không đồng bộ. Nó đồng thời qui định mức điện áp, mức trở kháng, sườn lên, sườn xuống, tốc độ và dung lượng truyền tối đa cho các đường dây tín hiệu này.
Trong máy vi tính, chuẩn RS232 được dùng trong giao tiếp giữa máy và MODEM (Modulation - Demodulation ) để biến đổi các tín hiệu của máy vi tính thành tín hiệu điện thoại qua MODEM được truyền theo mạng điện thoại tới thiết bị đầu cuối bên kia và ngược lại, tín hiệu điện thoại gửi tới MODEM được chuyển thành tín hiệu máy tính qua cổng RS232 truyền tới máy tính. Chuẩn này còn được áp dụng trong việc ghép nối máy tính và các máy in chất lượng cao.3 PCMCIA Trong cuộc tranh đua giữa các máy tính sổ tay loại nhỏ, PCMCIA là một trong những cách để giảm kích thước. Trước đây, với các máy tính sổ tay (notebook) thì điều đáng quan tâm trước tiên là bàn phím và bộ nguồn nuôi. Các máy này thiếu mất khả năng cơ động và các khe cắm mở rộng.
Nhưng giờ đây, người dùng sẽ không phải than phiền về những vấn đề trên nữa bởi các nhà thiết kế đã tìm ra cách giải quyết các bản mạch có kích thước thẻ tín dụng có thể cắm vào máy và cho phép bổ sung các cổng giao tiếp, mở rộng bộ nhớ và lưu trữ các phần mềm.Với trọng lượng chỉ vài gam và từ 3 đến 10,5 mm bề dày, các loại card PCMCIA -như chúng được gọi, hy vọng sẽ trở thành tương đương như ISA (Industry Standard Architecture) trong các máy để bàn. Personal Computer Memory Card International Association là nhóm bao gồm 300 nhà sản xuất công nghiệp đang thực hiện việc chuẩn hoá các đặc tính của PCMCIA để người dùng có thể dễ dàng trao đổi card giữa các máy tính.