Thiết Kế và Thi Công Mạch Nạp EPROM Giao Tiếp Với Cổng LPT

• Đề tài: Thiết Kế và Thi Công Mạch Nạp EPROM Giao Tiếp Với Cổng LPT

• LỜI NÓI ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• NHẬN XÉT HỘI ĐỒNG LUẬN VĂN
• 1. PHẦN A: MỞ ĐẦU
• 1.1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ - GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN
• 1.2.1. YÊU CẦU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2.2. SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN BỘ HỆ THỐNG
• 2. PHẦN B: NỘI DUNG
• 2.1. CHƯƠNG 1: GIAO TIẾP MÁY TÍNH VỚI CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI
• 2.1.1. SƠ LƯỢC VỀ CẤU TRÚC MÁY TÍNH
• 2.1.2. CÁC PHƯƠNG THỨC GIAO TIẾP CỦA MÁY TÍNH
• 2.2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT VI ĐIỀU KHIỂN AT89CS1
• 2.2.1. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỌ MSC_51
• 2.2.2. SƠ ĐỒ CHÂN - CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA AT89C51
• 2.2.3. CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51
• 2.2.4. TÓM TẮT TẬP LỆNH CỦA VI ĐIỀU KHIỂN AT89C51
• 2.3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CÁC LOẠI BỘ NHỚ
• 2.3.1. VAI TRÒ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NHỚ BÁN DẪN
• 2.3.2. BỘ NHỚ CHỈ ĐỌC ROM (READ ONLY MEMORY)
• 2.3.3. BỘ NHỚ GHI XÓA BẰNG TIA CỰC TÍM EPROM
• 2.3.4. BỘ NHỚ GHI XÓA BẰNG ĐIỆN EEPROM
• 2.4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 2.4.1. THIẾT KẾ BỘ NGUỒN
• 2.4.2. SƠ ĐỒ MẠCH NGUYÊN LÝ - SƠ ĐỒ MẠCH IN
• 2.5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 2.5.1. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ DELPHI
• 2.5.2. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY TÍNH
• 2.5.3. LƯU ĐỒ GHI DỮ LIỆU LÊN EPROM
• 2.5.4. LƯU ĐỒ ĐỌC DỮ LIỆU TỪ EPROM
• 3. PHẦN C: KẾT LUẬN
• 3.1. TỔNG KẾT - ĐÁNH GIÁ
• 3.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA AT89C51

I. Tổng quan thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT

Việc thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT là một đề tài kinh điển trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt phổ biến trong giai đoạn cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Trước khi các giao tiếp hiện đại như USB trở nên phổ biến, cổng song song LPT (Line Print Terminal) là phương thức hiệu quả để truyền dữ liệu song song tốc độ cao giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) đóng vai trò là bộ nhớ không khả biến, lưu trữ firmware hoặc chương trình điều khiển cho các hệ thống vi xử lý. Một mạch nạp EPROM tự chế cho phép các kỹ sư, sinh viên và người yêu thích điện tử có thể tự mình lập trình EPROM mà không cần đến các thiết bị công nghiệp đắt tiền. Mục tiêu cốt lõi của việc thiết kế là xây dựng một hệ thống phần cứng và phần mềm đáng tin cậy, có khả năng truyền một tệp tin nhị phân (binary file) từ máy tính vào một IC 27C256 hoặc IC 27C512 thông qua giao tiếp máy tính bằng cổng LPT. Quá trình này đòi hỏi sự đồng bộ chính xác giữa phần cứng và phần mềm điều khiển. Theo nghiên cứu của Lê Xuân Phát (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2003), một hệ thống hoàn chỉnh phải bao gồm khối giao tiếp, khối xử lý trung tâm, khối chuyển mạch và khối nguồn. Việc tự thiết kế mạch điện tử loại này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn là cơ hội tuyệt vời để hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của bộ nhớ, vi điều khiển và các phương thức giao tiếp máy tính. Bài viết này sẽ cung cấp một hướng dẫn toàn diện, từ lý thuyết cơ bản đến các bước thi công thực tế, giúp hiện thực hóa một mạch nạp đa năng cho các dòng EPROM phổ biến.

1.1. Vai trò của EPROM và cổng song song LPT lịch sử

EPROM là một loại bộ nhớ chỉ đọc có khả năng lập trình và xóa được. Dữ liệu được lưu trữ dưới dạng các điện tích bị bẫy trong một cực cổng thả nổi (floating gate) của transistor MOSFET. Điểm đặc trưng của EPROM là cửa sổ thạch anh trên lưng IC, cho phép xóa EPROM bằng tia UV (tia cực tím). Trước khi có thể ghi dữ liệu mới, toàn bộ chip phải được xóa hoàn toàn. Trong khi đó, cổng song song LPT, thường được biết đến qua đầu cắm cổng DB25, là một chuẩn giao tiếp song song 8-bit. Nó cho phép truyền đồng thời 8 bit dữ liệu, giúp đạt tốc độ cao hơn đáng kể so với cổng nối tiếp COM vào thời điểm đó. Sự kết hợp giữa EPROM và cổng LPT đã tạo ra một giải pháp hiệu quả cho việc phát triển các hệ thống nhúng, điển hình là các hệ thống sử dụng vi điều khiển 8051.

1.2. Sơ đồ khối tổng quan của một hệ thống mạch nạp

Một hệ thống mạch nạp EPROM điển hình bao gồm các khối chức năng chính. Khối giao tiếp, sử dụng cổng LPT, kết nối trực tiếp với máy tính để nhận dữ liệu và tín hiệu điều khiển. Khối xử lý trung tâm, thường là một vi điều khiển như AT89C51, có nhiệm vụ điều phối toàn bộ hoạt động, nhận lệnh từ máy tính và tạo ra các tín hiệu điều khiển chính xác cho quá trình ghi. Khối chuyển mạch và giải mã địa chỉ đảm bảo rằng dữ liệu được ghi vào đúng vị trí ô nhớ trên EPROM. Cuối cùng, khối nguồn cung cấp các mức điện áp cần thiết, bao gồm nguồn 5V (Vcc) cho hoạt động logic và điện áp nạp Vpp cao hơn (thường từ 12.5V đến 21V) để thực hiện quá trình ghi dữ liệu vào ô nhớ EPROM. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các khối này là yếu tố quyết định sự thành công của mạch nạp.

II. Phân tích thiết kế phần cứng cho mạch nạp EPROM

Phần cứng là nền tảng của toàn bộ dự án thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT. Một thiết kế phần cứng tốt phải đảm bảo tính ổn định, chính xác và an toàn cho cả EPROM và máy tính. Trọng tâm của thiết kế là sơ đồ nguyên lý mạch nạp EPROM, thể hiện mối liên kết logic giữa các linh kiện. Sơ đồ này thường được xây dựng xung quanh một vi điều khiển trung tâm, ví dụ AT89C51, đóng vai trò giao tiếp và điều khiển. Các chân của cổng LPT (Data, Control, Status) được kết nối đến các port của vi điều khiển để truyền lệnh, địa chỉ và dữ liệu. Một thành phần không thể thiếu là đế cắm ZIF (Zero Insertion Force), giúp việc tháo lắp các IC EPROM trở nên dễ dàng và an toàn, tránh làm cong hoặc gãy chân linh kiện. Việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp, từ điện trở, tụ điện đến các IC logic, đều ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của mạch. Đặc biệt, khối nguồn cần được thiết kế cẩn thận để cung cấp điện áp Vcc 5V và điện áp nạp Vpp ổn định. Sai lệch về điện áp có thể dẫn đến việc ghi dữ liệu thất bại hoặc thậm chí làm hỏng EPROM. Một thiết kế mạch nạp hiệu quả thường tham khảo các mô hình kinh điển như mạch nạp Willem EPROM, vốn đã được cộng đồng kiểm chứng về tính hiệu quả và ổn định. Việc nghiên cứu kỹ lưỡng các sơ đồ này giúp rút ngắn thời gian thiết kế và tránh được những lỗi cơ bản.

2.1. Phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch nạp EPROM

Trong sơ đồ nguyên lý mạch nạp EPROM, vi điều khiển AT89C51 nhận tín hiệu từ các đường dữ liệu (D0-D7) và đường điều khiển của cổng LPT. Các tín hiệu này được phần mềm trên máy tính gửi xuống để xác định hoạt động cần thực hiện (đọc hoặc ghi), địa chỉ ô nhớ và dữ liệu cần ghi. Vi điều khiển sau đó sẽ xử lý thông tin và xuất ra các tín hiệu tương ứng đến bus địa chỉ và bus dữ liệu của EPROM. Các IC chốt địa chỉ (như 74LS373) thường được sử dụng để tách riêng bus địa chỉ và dữ liệu, do vi điều khiển thường sử dụng chung các chân port cho cả hai mục đích (multiplexing). Các tín hiệu điều khiển quan trọng như Chip Enable (CE), Output Enable (OE) và Program (PGM) của EPROM đều được điều khiển chính xác bởi vi điều khiển theo đúng giản đồ thời gian (timing diagram) mà nhà sản xuất EPROM quy định.

2.2. Thiết kế khối nguồn Vcc và điện áp nạp Vpp ổn định

Khối nguồn là trái tim của mạch nạp. Nguồn Vcc 5V cung cấp cho toàn bộ các IC logic và vi điều khiển, thường được ổn áp bằng IC 7805. Tuy nhiên, phần quan trọng và phức tạp hơn là tạo ra điện áp nạp Vpp. Điện áp này thay đổi tùy theo loại EPROM (ví dụ 21V cho 2732, 12.5V cho 2764). Một giải pháp phổ biến là sử dụng IC ổn áp có thể điều chỉnh như LM317, kết hợp với các mạch chuyển mạch dùng relay hoặc transistor để chọn mức điện áp Vpp phù hợp. Sự ổn định của điện áp Vpp trong suốt quá trình ghi (thường kéo dài khoảng 50ms mỗi byte) là cực kỳ quan trọng, quyết định dữ liệu có được ghi vào ô nhớ một cách vĩnh viễn và chính xác hay không.

III. Hướng dẫn thi công mạch in PCB cho mạch nạp EPROM

Sau khi hoàn thiện sơ đồ nguyên lý, bước tiếp theo trong quá trình thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT là thi công phần cứng. Việc chuyển đổi từ sơ đồ lý thuyết sang một bo mạch vật lý đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác. Bước đầu tiên là thiết kế mạch in PCB (Printed Circuit Board). Sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Altium Designer, Eagle hoặc Proteus, các đường mạch được vẽ ra để kết nối các chân linh kiện theo đúng sơ đồ nguyên lý. Một thiết kế PCB tốt cần tối ưu hóa đường đi của dây dẫn, tránh nhiễu tín hiệu, đặc biệt là các đường tín hiệu tốc độ cao hoặc đường cấp nguồn. Khoảng cách giữa các đường mạch và kích thước của chúng phải được tính toán để đảm bảo khả năng chịu dòng và tránh chập chạm. Khi file thiết kế PCB (thường gọi là file Gerber) đã hoàn tất, quá trình thi công có thể được thực hiện bằng các phương pháp thủ công như ủi nhiệt hoặc đặt hàng gia công tại các xưởng mạch in chuyên nghiệp. Lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào độ phức tạp của mạch và yêu cầu về chất lượng. Thi công mạch in PCB là một bước quan trọng, quyết định tính thẩm mỹ và độ bền cơ học của sản phẩm cuối cùng, đồng thời ảnh hưởng lớn đến sự ổn định khi mạch hoạt động. Một mạch nạp 8051 hoặc EPROM được thi công cẩn thận sẽ giảm thiểu các lỗi phần cứng không đáng có.

3.1. Các bước tạo mạch in PCB từ sơ đồ nguyên lý

Quá trình tạo mạch in PCB bắt đầu bằng việc chuyển sơ đồ nguyên lý (schematic) sang layout PCB trong phần mềm thiết kế. Các linh kiện được sắp xếp một cách logic trên bo mạch để tối ưu không gian và đường đi dây. Các đường tín hiệu quan trọng cần được giữ ngắn nhất có thể. Các đường cấp nguồn (Vcc, GND) nên được làm rộng hơn để giảm sụt áp. Sau khi hoàn tất việc đi dây (routing), cần kiểm tra lại quy tắc thiết kế (Design Rule Check - DRC) để đảm bảo không có lỗi như đường mạch quá gần nhau hoặc chạm vào chân linh kiện. Cuối cùng, file thiết kế được xuất ra và in lên giấy transfer nhiệt để chuẩn bị cho công đoạn ủi mạch lên tấm đồng.

3.2. Quy trình hàn linh kiện và kiểm tra mạch sau thi công

Hàn linh kiện là bước hiện thực hóa bo mạch. Cần tuân thủ nguyên tắc hàn các linh kiện thấp trước, cao sau; linh kiện thụ động trước, IC sau. Sử dụng đế cắm ZIF cho EPROM và socket cho vi điều khiển để dễ dàng thay thế và nâng cấp. Sau khi hàn xong, cần kiểm tra kỹ lưỡng các mối hàn, đảm bảo không có chập chạm hoặc hở mạch. Sử dụng đồng hồ vạn năng (VOM) để đo thông mạch và kiểm tra các mức điện áp tại các điểm quan trọng sau khi cấp nguồn. Việc kiểm tra cẩn thận ở bước này sẽ giúp phát hiện và khắc phục sớm các sự cố phần cứng, tránh gây hư hỏng cho linh kiện hoặc máy tính khi kết nối.

IV. Phương pháp lập trình EPROM qua phần mềm máy tính

Phần mềm là cầu nối giữa người dùng và phần cứng, đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT. Một phần mềm nạp EPROM hiệu quả phải cung cấp giao diện thân thiện, cho phép người dùng mở tệp tin mã (thường là định dạng Intel HEX), chọn loại EPROM, và thực hiện các thao tác đọc, ghi, xóa và kiểm tra (verify). Các phần mềm kinh điển như PonyProg hay IC-Prog là những công cụ mạnh mẽ, hỗ trợ nhiều loại mạch nạp tự chế qua cổng LPT và COM. Chúng đã được xây dựng sẵn các thuật toán và giản đồ thời gian cho nhiều dòng EPROM, giúp người dùng không cần phải tự viết mã điều khiển cấp thấp. Theo lưu đồ thuật toán trong tài liệu của Lê Xuân Phát, quá trình ghi dữ liệu bắt đầu bằng việc phần mềm đọc tệp tin HEX, phân tích địa chỉ và dữ liệu. Sau đó, nó gửi từng byte dữ liệu và địa chỉ tương ứng xuống mạch nạp qua cổng LPT. Phần cứng sẽ nhận thông tin này, vi điều khiển trung tâm tạo ra các xung điều khiển cần thiết để ghi byte đó vào EPROM. Quá trình lặp lại cho đến khi toàn bộ tệp tin được nạp xong. Một chức năng quan trọng là 'Verify', giúp đọc lại dữ liệu từ EPROM sau khi ghi và so sánh với tệp tin gốc để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu. Đây là bước không thể thiếu để xác nhận quá trình lập trình EPROM đã thành công.

4.1. Sử dụng phần mềm nạp EPROM phổ biến như PonyProg

Phần mềm PonyProg là một lựa chọn tuyệt vời cho các dự án tự chế. Nó hỗ trợ một danh sách dài các thiết bị nhớ, bao gồm EPROM, EEPROM, và vi điều khiển. Người dùng chỉ cần cấu hình phần mềm để chọn đúng loại mạch nạp (ví dụ như mạch nạp Willem EPROM), cổng giao tiếp (LPT1 hoặc LPT2), sau đó có thể dễ dàng thực hiện các thao tác. PonyProg tự động xử lý việc giao tiếp với các thanh ghi Data, Status và Control của cổng song song LPT để điều khiển phần cứng, giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình sử dụng.

4.2. Lưu đồ thuật toán đọc và ghi dữ liệu lên EPROM

Thuật toán ghi dữ liệu bao gồm các bước: (1) Chọn địa chỉ bắt đầu. (2) Gửi địa chỉ đến EPROM. (3) Gửi byte dữ liệu tương ứng. (4) Kích hoạt xung ghi (Program Pulse) với điện áp Vpp trong khoảng thời gian quy định. (5) Tăng địa chỉ lên 1. (6) Lặp lại từ bước 2 cho đến khi hết dữ liệu. Thuật toán đọc đơn giản hơn: (1) Chọn địa chỉ. (2) Kích hoạt tín hiệu đọc (Output Enable). (3) Nhận dữ liệu từ EPROM. (4) Tăng địa chỉ và lặp lại. Việc tuân thủ nghiêm ngặt các lưu đồ này là bắt buộc để đảm bảo hoạt động chính xác.

4.3. Nguyên lý xóa EPROM bằng tia UV trước khi nạp

Trước khi lập trình, EPROM phải ở trạng thái trống, tức là tất cả các bit đều ở mức logic 1. Quá trình này được thực hiện bằng cách xóa EPROM bằng tia UV. Người dùng cần một thiết bị xóa EPROM chuyên dụng, phát ra tia cực tím với bước sóng ngắn (thường là 253.7 nm). Đặt EPROM vào máy xóa và chiếu tia UV qua cửa sổ thạch anh trong khoảng 15-30 phút. Năng lượng từ tia UV sẽ kích thích các electron bị bẫy trong cực cổng thả nổi, cho phép chúng thoát ra và đưa ô nhớ trở về trạng thái logic 1. Đây là bước chuẩn bị không thể bỏ qua trước mỗi lần nạp lại chương trình cho EPROM.

V. Tương lai của mạch nạp EPROM và giải pháp thay thế

Mặc dù thiết kế mạch nạp EPROM giao tiếp cổng LPT là một dự án học thuật có giá trị cao, công nghệ này hiện nay đã trở nên lỗi thời. Các máy tính hiện đại đã loại bỏ hoàn toàn cổng song song LPT, thay thế bằng chuẩn USB phổ biến hơn. EPROM cũng dần bị thay thế bởi các công nghệ bộ nhớ tiên tiến hơn như EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) và Flash, cho phép ghi xóa bằng điện ngay trên mạch mà không cần đến tia UV. Tuy nhiên, kiến thức nền tảng từ việc thiết kế mạch nạp EPROM vẫn vô cùng hữu ích. Nó giúp hiểu rõ về cấu trúc bộ nhớ, giao thức giao tiếp cấp thấp, và cách điều khiển phần cứng bằng phần mềm. Đối với những ai cần làm việc với các hệ thống cũ hoặc sửa chữa các thiết bị cổ điển vẫn còn sử dụng EPROM, một mạch nạp tự chế vẫn là một công cụ quý giá. Ngày nay, các giải pháp thay thế hiện đại bao gồm các mạch nạp đa năng giao tiếp qua cổng USB như TL866II Plus. Những thiết bị này nhỏ gọn, tốc độ cao, hỗ trợ hàng nghìn loại IC khác nhau và có phần mềm đi kèm chuyên nghiệp. Mặc dù vậy, việc tự mình thiết kế mạch điện tử và hoàn thiện một sản phẩm từ đầu đến cuối vẫn mang lại trải nghiệm học tập không thể thay thế, là nền tảng vững chắc cho bất kỳ kỹ sư điện tử nào.

5.1. Hạn chế của cổng LPT và sự trỗi dậy của USB

Cổng LPT có nhiều hạn chế: tốc độ giới hạn, kích thước cồng kềnh, và quan trọng nhất là không còn được hỗ trợ trên các máy tính mới. Giao tiếp USB đã khắc phục tất cả các nhược điểm này với tốc độ cao hơn, khả năng cắm nóng (hot-plugging), và cung cấp nguồn trực tiếp qua cổng kết nối. Cho những ai vẫn muốn sử dụng mạch nạp LPT trên máy tính mới, giải pháp sử dụng bộ chuyển đổi USB to LPT adapter thường không đáng tin cậy do các vấn đề về driver và truy cập trực tiếp vào các thanh ghi phần cứng, vốn là yêu cầu của các phần mềm như PonyProg.

5.2. So sánh với mạch nạp EEPROM Programmer hiện đại

Một EEPROM programmer hiện đại (thường là mạch nạp đa năng) vượt trội so với mạch nạp LPT tự chế về mọi mặt. Chúng nhanh hơn, hỗ trợ nhiều loại IC hơn (từ EPROM, EEPROM, Flash đến vi điều khiển), và dễ sử dụng hơn rất nhiều. Các thiết bị này thường có đế cắm ZIF chất lượng cao và được cập nhật firmware, phần mềm liên tục để hỗ trợ các linh kiện mới. Mặc dù có chi phí cao hơn so với giải pháp tự chế, chúng là lựa chọn tối ưu cho môi trường chuyên nghiệp và những người cần hiệu quả và độ tin cậy cao trong công việc.