CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN toán thiết kế mạch. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in, lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống.
Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống. Chương 5: Kết Quả Nhận Xét Đánh Giá Chương này trình bày về những kết quả đã đạt được so với mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình nghiên cứu hoàn thành bao nhiêu phần trăm so với mục tiêu ban đầu. Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Vi xử lý và vi điều khiển Vi xử lý là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công nghệ vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh vực khác nhau. Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử lý, các chip (hay các vi xử lý) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác. Trong giai đoạn này, các phần cứng khác (kể cả bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip mà phải ghép nối thêm bên ngoài.
Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi. Về sau, nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng được tích hợp vào bên trong IC và người ta gọi các vi xử lý đã được tích hợp thêm các ngoại vi là các “vi điều khiển”. Việc tích hợp thêm các ngoại vi vào trong cùng một IC với CPU tạo ra nhiều lợi ích như làm giảm thiểu các ghép nối bên ngoài, giảm thiểu số lượng linh kiện điện tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống, đơn giản hóa việc thiết kế, nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt. Ranh giới giữa hai khái niệm “vi xử lý” và “vi điều khiển” thực sự không cần phải phân biệt rõ ràng.
Thuật ngữ “vi xử lý” được sử dụng khi đề cập đến các khái niệm cơ bản của kỹ thuật vi xử lý nói chung và sẽ dùng thuật ngữ “vi điều khiển” khi đi sâu nghiên cứu một họ chip cụ thể. Về cơ bản kiến trúc của một vi xử lý gồm những phần cứng sau: - Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit). - Các cổng vào/ra song song (Parallel I/O Ports). - Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports).
- Các bộ đếm/bộ định thời (Timers). Ngoài ra với mỗi loại vi điều khiển cụ thể còn có thể có thêm một số phần cứng khác như bộ biến đổi tương tự-số ADC, bộ biến đổi số-tương tự DAC, các mạch điều chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM… Bộ não của mỗi vi xử lý chính là CPU, các phần cứng khác chỉ là các cơ quan BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chấp hành dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan này đều có một cơ chế hoạt động nhất định mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng.
Để có thể giao tiếp và điều các ngoại vi, CPU sử dụng 03 loại tín hiệu cơ bản là tín hiệu địa chỉ (Address), tín hiệu dữ liệu (Data) và tín hiệu điều khiển (Control). Về mặt vật lý thì các tín hiệu này là các đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến các ngoại vi hoặc thậm chí là giữa các ngoại vi với nhau. Tập hợp các đường tín hiệu có cùng chức năng gọi là các bus. Như vậy ta có các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển [9].2 Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC) Khái niệm SoC ngày nay đã trở nên phổ biến.
SoC được hiểu là toàn bộ "một hệ thống" được đóng gói hoàn chỉnh trong một chip (vi mạch điện tử). Một hệ thống thông thường là một hệ thống hoàn chỉnh thực hiện một hoặc nhiều chức năng nào đó, ví dụ như một máy tính cá nhân gồm một bo mạch chủ để kết nối các thành phần như CPU, USB, VGA, RS232… Cấu trúc phần cứng của một SoC bao gồm: - Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit). - BUS hệ thống (System BUS). - Thành phần điều khiển nội (Internal block).
Các chip vi hệ thống (SoC) trong tương lai sẽ có tới 1000 bộ xử lý và 100 MB memory, đồng thời được tích hợp rất nhiều khối như: ADC, I2C, PWM, DAC, Wireless, SPI, USB, Ethernet… Các chip SoC này sẽ là nền tảng của các sản phẩm có khả năng kết nối mạng WAN-LAN không dây cho các dịch vụ thông tin, giải trí, truyền thông, định vị [6].2 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN I2C I2C là giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ phổ biến hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong việc kết nối nhiều IC với nhau, hay kết nối giữa IC và các ngoại vi với tốc độ thấp. Các thiết bị ngày nay như: NVRAM, LCD, keypad, led matrix, ADC, DAC… gần như tất cả đều hướng tới dùng chuẩn này. Tốc độ I2C ngày càng cao và có thể lên đến Mbit/s. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn I2C Đặc điểm: I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: - Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3. - Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng. Quá trình truyền dữ liệu chuẩn I2C: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ: Hình 2.2: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ Bước 1: Thiết bị chủ tạo trạng thái START để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu, các thiết bị tớ sẽ ở trạng thái sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ.
Bước 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ cần giao tiếp - khi đó tất cả các thiết bị tớ đều nhận địa chỉ và so sánh với địa chỉ của mình, các thiết bị tớ sau khi phát hiện không phải địa chỉ của mình thì chờ cho đến khi nào nhận trạng thái START mới. Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): thì bit này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo. Bước 3: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ. Thiết bị tớ nào đúng địa chỉ thì phát 1 tín hiệu trả lời cho chủ biết.
Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gởi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần ghi dữ liệu, bit R/W ở trạng thái ghi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ. Bước 6: Thiết bị chủ tiến hành gởi dữ liệu để ghi vào thiết bị tớ, mỗi lần ghi 1 byte, sau khi gửi xong thì tiến hành chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ, quá trình thực hiện cho đến byte cuối cùng xong rồi thì thiết bị chủ chuyển sang trạng thái STOP để chấm dứt quá trình giao tiếp với thiết bị tớ.
Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ: Hình 2.3: Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ Bước 1: Thiết bị chủ tạo trạng thái START để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu, các thiết bị tớ sẽ ở trạng thái sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ. Bước 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ cần giao tiế, khi đó tất cả các thiết bị tớ đều nhận địa chỉ và so sánh với địa chỉ của mình, các thiết bị tớ sau khi phát hiện không phải địa chỉ của mình thì chờ cho đến khi nào nhận trạng thái START mới. Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): thì bit này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo. Bước 3: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ.
Thiết bị tớ nào đúng địa chỉ thì phát 1 tín hiệu trả lời cho chủ biết. Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gởi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần đọc dữ liệu, bit R/W ở trạng thái đọc. Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ. Bước 6: Thiết bị chủ chuyển sang trạng thái STOP, bắt đầu lại trạng thái START, tiến hành gởi địa chỉ của thiết bị và bit R/W bằng 1 để yêu cầu tớ gởi dữ liệu nội dung ô nhớ của địa chỉ đã nhận.
Bước 7: Thiết bị chủ sau khi nhận sẽ báo tín hiệu trả lời, quá trình này thực hiện cho đến khi nhận hết dữ liệu mong muốn thì thiết bị chủ tạo tín hiệu STOP để chấm dứt [7]. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2.3 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN SPI SPI là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía). Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn dây.4: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn SPI Đặc điểm: Giao tiếp SPI được thực hiện thông qua BUS 4 dây MISO, MOSI, SCK, SS - MISO: thường được kí hiệu là SDO, dùng để truyền dữ liệu ra khỏi module SPI khi đặt cấu hình là thiết bị tớ và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là thiết bị chủ. - MOSI: thường được kí hiệu là SDI, dùng để truyền dữ liệu ra khỏi module SPI khi đặt cấu hình là thiết bị chủ và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là thiết bị tớ.
- SCK: cấp xung đồng bộ để truyền nhận dữ liệu với một thiết bị tớ nào đó. - SS: cấp tín hiệu chọn ở ngõ ra của module SPI đến một ngoại vi khác nếu cấu hình là thiết bị chủ và là ngõ vào nhận tín hiệu chọn nếu cấu hình là thiết bị tớ. Quá trình hoạt động của chuẩn SPI: Thiết bị chủ tạo tín hiệu đồng hồ SCK và cung cấp cho ngõ vào xung SCK của thiết bị tớ.