Đồ án HCMUTE: Xây dựng hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói (2017)

Đồ án HCMUTE: Xây dựng hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói độc đáo. Tìm hiểu về dự án đầy sáng tạo và tiềm năng ứng dụng thực tế cao.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hoài
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Xây dựng hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Mục lục
• Liệt kê hình vẽ
• Liệt kê bảng vẽ
• Các từ viết tắt
• 1. CHƯƠNG 1: Nội dung nghiên cứu
• 1.1. TÌM HIỂU CHUẨN GIAO TIẾP USB
• 1.2. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F4550
• 1.3. GIỚI THIỆU MODULE RF ACP220-43
• 1.4. GIỚI THIỆU MẠCH CẦU H ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
• 2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 2.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 2.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 2.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 2.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 2.5. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 3. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ
• 3.1. SẢN PHẨM THỰC TẾ
• 3.2. GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
• 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đồ Án Xe Điều Khiển Giọng Nói HCMUTE 2017

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói" của sinh viên HCMUTE năm 2017 đánh dấu một bước tiến trong việc ứng dụng công nghệ nhận dạng giọng nói và điều khiển từ xa vào thực tế. Đề tài này không chỉ là một bài tập học thuật mà còn thể hiện tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điều khiển thiết bị gia dụng đến hỗ trợ người khuyết tật. Sự kết hợp giữa vi điều khiển PIC18F4550, module RF ACP220-433 và phần mềm Visual Studio cho phép tạo ra một hệ thống điều khiển xe linh hoạt và hiệu quả. Đồ án hướng đến mục tiêu xây dựng một mô hình xe điều khiển từ xa với hai chế độ điều khiển: bằng giọng nói và bằng tay, thông qua sóng RF, đồng thời đảm bảo giao diện điều khiển trực quan và sinh động. Việc tìm hiểu về các chuẩn giao tiếp như USB, nguyên lý hoạt động của mạch cầu H và các module RF là nền tảng quan trọng để xây dựng thành công hệ thống này. Đề tài cũng tập trung vào việc khai thác các tính năng của vi điều khiển PIC18F4550 để xử lý tín hiệu điều khiển và điều khiển các động cơ của xe. Quá trình thực hiện đồ án bao gồm nhiều giai đoạn, từ nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mạch, thi công phần cứng đến lập trình phần mềm và kiểm thử hệ thống. Mỗi giai đoạn đều đòi hỏi sự tỉ mỉ, cẩn thận và khả năng giải quyết vấn đề của sinh viên. Kết quả cuối cùng là một hệ thống xe điều khiển từ xa hoàn chỉnh, hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu đặt ra ban đầu.

1.1. Đánh giá tiềm năng ứng dụng của xe điều khiển giọng nói

Ứng dụng của hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói không chỉ dừng lại ở việc điều khiển xe mô hình. Trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, ví dụ như điều khiển các thiết bị cứu hộ, thám hiểm ở những nơi nguy hiểm hoặc khó tiếp cận đối với con người. Bên cạnh đó, nó cũng có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị làm việc trong môi trường độc hại hoặc giúp đỡ những người khuyết tật trong việc di chuyển và sinh hoạt hàng ngày. Khả năng điều khiển chính xác và truyền tải thông tin tốc độ cao của sóng RF là yếu tố then chốt để đảm bảo tính tin cậy và hiệu quả của các ứng dụng này. "Khả năng ứng dụng của đề tài không chỉ dừng lại ở việc điều khiển từ xa xe mô hình, mà trong tương lai còn có thể điều khiển các thiết bị cứu hộ, thám hiểm ở những nơi mà con người không trực tiếp đến được, điều khiển các thiết bị làm việc trong các môi trường độc hại hay có thể giúp đỡ những người khiếm khuyết dễ dàng hơn trong việc đi lại của cuộc sống hằng ngày …với độ chính xác và tin cậy do khả năng điều khiển, truyền tải thông tin tốc độ cao của sóng RF."

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu chính của đồ án

Đồ án đặt ra các mục tiêu cụ thể như xây dựng mô hình xe điều khiển từ xa với hai chế độ điều khiển, tìm hiểu về chuẩn giao tiếp USB, khảo sát vi điều khiển PIC18F4550, tìm hiểu mạch cầu H và module RF ACP220-433. Nội dung nghiên cứu bao gồm tìm hiểu về chuẩn giao tiếp USB với PIC18F4550, tìm hiểu module RF ACP220-433, tìm hiểu PIC18F4550, tìm hiểu hoạt động của mạch cầu H, các giải pháp thiết kế mô hình xe, thiết kế mô hình, đánh giá kết quả thực hiện, phương pháp nhận dạng tiếng nói và phần mềm nhận dạng. "MỤC TIÊU: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình xe điều khiển từ xa bằng giọng nói và bằng tay thông qua sóng RF với giao diện trực quan, sinh động."

II. Vấn Đề Thách Thức Xây Dựng Xe Điều Khiển Giọng Nói

Việc xây dựng một hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói không hề đơn giản, nó đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua. Một trong những vấn đề lớn nhất là độ chính xác của hệ thống nhận dạng giọng nói. Tiếng ồn môi trường, giọng nói khác nhau của người dùng và các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến khả năng nhận diện chính xác các lệnh điều khiển. Do đó, việc lựa chọn và cấu hình phần mềm nhận dạng giọng nói phù hợp là vô cùng quan trọng. Bên cạnh đó, việc đảm bảo kết nối ổn định giữa khối điều khiển và khối chấp hành cũng là một thách thức. Sóng RF có thể bị nhiễu bởi các thiết bị điện tử khác hoặc bị cản trở bởi các vật thể, dẫn đến mất tín hiệu hoặc tín hiệu yếu. Việc lựa chọn tần số hoạt động phù hợp và sử dụng các kỹ thuật chống nhiễu là cần thiết để đảm bảo kết nối ổn định. Ngoài ra, việc tích hợp các thành phần phần cứng và phần mềm một cách hài hòa cũng là một thách thức lớn. Vi điều khiển PIC18F4550, module RF ACP220-433 và phần mềm Visual Studio cần phải được cấu hình và lập trình để hoạt động cùng nhau một cách trơn tru. Cuối cùng, việc thiết kế một giao diện điều khiển trực quan và dễ sử dụng cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo trải nghiệm tốt cho người dùng.

2.1. Ảnh hưởng của tiếng ồn và giọng nói đến nhận dạng

Việc điều khiển xe bằng giọng nói chịu ảnh hưởng lớn từ môi trường xung quanh. Tiếng ồn có thể làm giảm độ chính xác của hệ thống nhận dạng giọng nói, dẫn đến việc xe thực hiện sai lệnh hoặc không phản hồi. Tương tự, giọng nói của mỗi người khác nhau về âm lượng, ngữ điệu và cách phát âm, điều này có thể gây khó khăn cho hệ thống trong việc nhận diện chính xác các lệnh điều khiển. Giải pháp cho vấn đề này có thể là sử dụng các thuật toán lọc tiếng ồn, điều chỉnh độ nhạy của micro hoặc đào tạo hệ thống với nhiều mẫu giọng nói khác nhau. "Vì điều khiển xe bằng giọng nói nên môi trường phải có tiếng ồn ở mức cho phép mà hệ thống có thể đáp ứng được."

2.2. Đảm bảo kết nối ổn định và phạm vi hoạt động của xe

Phạm vi hoạt động của xe bị giới hạn bởi khả năng truyền tải tín hiệu của module RF. Các yếu tố như khoảng cách, vật cản và nhiễu sóng có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết nối và làm giảm phạm vi hoạt động của xe. Để khắc phục vấn đề này, cần lựa chọn module RF có công suất phát phù hợp, sử dụng anten có độ lợi cao và áp dụng các kỹ thuật chống nhiễu. "Xe chỉ có thể hoạt động trong phạm vi cho phép không quá 1 km."

III. Phương Pháp Thiết Kế Mạch Lập Trình Xe Điều Khiển

Để giải quyết các thách thức trên, đồ án đã áp dụng một phương pháp tiếp cận toàn diện, bao gồm thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển và phát triển phần mềm. Việc thiết kế mạch điện tử tập trung vào việc lựa chọn các linh kiện phù hợp, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống. Vi điều khiển PIC18F4550 được sử dụng để xử lý tín hiệu điều khiển và điều khiển các động cơ của xe. Module RF ACP220-433 được sử dụng để truyền và nhận tín hiệu điều khiển từ xa. Mạch cầu H được sử dụng để điều khiển hướng quay của các động cơ. Việc lập trình vi điều khiển tập trung vào việc viết các chương trình điều khiển động cơ, giao tiếp với module RF và xử lý tín hiệu từ các cảm biến. Phần mềm Visual Studio được sử dụng để phát triển giao diện điều khiển và xử lý tín hiệu giọng nói. Bên cạnh đó, việc kiểm tra và gỡ lỗi hệ thống cũng là một phần quan trọng của phương pháp này. Các kỹ thuật mô phỏng và kiểm thử được sử dụng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Lựa chọn và cấu hình vi điều khiển PIC18F4550

PIC18F4550 được chọn vì khả năng hỗ trợ giao tiếp USB và các chuẩn giao tiếp khác. Việc cấu hình vi điều khiển bao gồm thiết lập các chân I/O, cấu hình bộ ADC và UART, và lập trình các ngắt.Vi điều khiển PIC 18F4550 là một sản phẩm của họ vi xử lý thông dụng của công ty Microchip. Điểm riêng biệt của vi xử lý PIC 18F4550 là nó là 1 trong những PIC hỗ trợ toàn thể cho USB, nghĩa là nó USB gắn trong có sẵn các chân đầu ra để nối trực tiếp với máy tính mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào khác. Hỗ trợ tinh thể dao động ký nhiều tần số như đầu vào và bộ cân bằng nên bộ xử lý có thể hoạt động với tần số 48MHz của dao động ký độc lập khi kết nối. Khi kết thúc hoạt động thì chỉnh dao động ký được kết nối (thông qua các bit cấu hình).

3.2. Thiết kế giao diện điều khiển trên Visual Studio

Giao diện điều khiển được thiết kế bằng Visual Studio với các chức năng như điều khiển hướng di chuyển, điều chỉnh tốc độ và hiển thị trạng thái của xe.Giao diện điều khiển được thiết kế thân thiện với người dùng, dễ sử dụng và trực quan. Các chức năng điều khiển được bố trí một cách hợp lý, giúp người dùng dễ dàng thao tác và điều khiển xe. Giao diện cũng hiển thị các thông tin quan trọng như tốc độ, hướng di chuyển và trạng thái kết nối của xe.

IV. Ứng Dụng Module RF và Giao Tiếp USB Cho Xe HCMUTE

Việc tích hợp module RF ACP220-433 và giao tiếp USB đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống xe điều khiển từ xa. Module RF cho phép truyền và nhận tín hiệu điều khiển từ xa một cách không dây, trong khi giao tiếp USB cho phép kết nối xe với máy tính để điều khiển và giám sát. Việc lựa chọn và cấu hình các thành phần này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các chuẩn giao tiếp và các giao thức truyền dữ liệu. Bên cạnh đó, việc đảm bảo tính tương thích giữa các thành phần phần cứng và phần mềm cũng là một yếu tố quan trọng. Việc sử dụng các thư viện và các hàm API có sẵn có thể giúp đơn giản hóa quá trình phát triển và giảm thiểu thời gian và công sức cần thiết.

4.1. Tối ưu hóa truyền nhận dữ liệu bằng module RF ACP220 433

Để đạt được hiệu suất truyền nhận dữ liệu tốt nhất, cần tối ưu hóa các tham số của module RF ACP220-433, bao gồm tần số hoạt động, công suất phát, tốc độ truyền và giao thức truyền dữ liệu. Việc sử dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã dữ liệu có thể giúp tăng cường độ tin cậy của kết nối. Module RF ACP220-43 là một module thu phát tích hợp với bộ xử lý tốc độ cao. Với công nghệ mã hóa xen kẽ, ACP220-43 sửa lỗi đạt hiệu quả cao, chống nhiễu tốt và độ nhạy cũng tăng lên đáng kể. Công nghệ này có hiệu suất cao ngay cả trong môi trường nhiễu mạnh như là trong công nghiệp.

4.2. Thiết lập giao tiếp USB giữa xe và máy tính điều khiển

Giao tiếp USB được sử dụng để kết nối xe với máy tính, cho phép điều khiển xe từ máy tính và giám sát các thông số hoạt động của xe. Việc thiết lập giao tiếp USB bao gồm cài đặt driver, cấu hình các endpoint và lập trình các hàm API để truyền và nhận dữ liệu. USB truyền dữ liệu thông qua một ống dẫn (đường truyền) giữa một bên là bộ nhớ đệm được liên kết với một phần mềm trên máy chủ với một bên là một điểm cuối trên thiết bị USB. USB cung cấp các dạng truyền tải khác nhau đã được tối ưu hoá để đáp ứng một cách thích hợp nhất các nhu cầu của phần mềm khách và chức năng. USB cung cấp 4 loại truyền dữ liệu: Truyền điều khiển, truyền đẳng thời.

V. Kết Quả Đánh Giá Hiệu Năng Xe Điều Khiển Giọng Nói

Kết quả của đồ án là một hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói hoàn chỉnh, có khả năng di chuyển theo các hướng khác nhau, điều chỉnh tốc độ và phản hồi thông tin về trạng thái hoạt động. Hệ thống đã được kiểm thử trong nhiều điều kiện khác nhau và cho thấy hiệu năng ổn định và đáng tin cậy. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục, ví dụ như độ nhạy của hệ thống nhận dạng giọng nói trong môi trường ồn ào và phạm vi hoạt động của module RF. Trong tương lai, có thể cải thiện hệ thống bằng cách sử dụng các thuật toán nhận dạng giọng nói tiên tiến hơn, sử dụng module RF có công suất phát lớn hơn và tích hợp thêm các cảm biến để tăng cường khả năng tự động của xe.

5.1. So sánh kết quả thực tế với mục tiêu ban đầu

Hệ thống xe điều khiển từ xa đạt được các mục tiêu ban đầu như điều khiển xe bằng giọng nói và bằng tay, điều khiển hướng di chuyển và điều chỉnh tốc độ. Giao diện điều khiển được thiết kế trực quan và dễ sử dụng.Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục, ví dụ như độ nhạy của hệ thống nhận dạng giọng nói trong môi trường ồn ào và phạm vi hoạt động của module RF. Với đề tài “XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE BẰNG GIỌNG NÓI” được bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.

5.2. Đánh giá ưu điểm và hạn chế của hệ thống hiện tại

Ưu điểm của hệ thống là tính linh hoạt, khả năng điều khiển từ xa và giao diện điều khiển thân thiện với người dùng. Hạn chế của hệ thống là độ nhạy của hệ thống nhận dạng giọng nói trong môi trường ồn ào và phạm vi hoạt động của module RF. Bên cạnh đó, việc đảm bảo tính tương thích giữa các thành phần phần cứng và phần mềm cũng là một yếu tố quan trọng. Việc sử dụng các thư viện và các hàm API có sẵn có thể giúp đơn giản hóa quá trình phát triển và giảm thiểu thời gian và công sức cần thiết.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Xe Điều Khiển Giọng Nói

Đồ án tốt nghiệp "Xây dựng hệ thống xe điều khiển bằng giọng nói" đã thành công trong việc chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ nhận dạng giọng nói và điều khiển từ xa vào thực tế. Hệ thống không chỉ là một sản phẩm hoàn chỉnh mà còn là nền tảng để phát triển các ứng dụng tiên tiến hơn trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và cải tiến hệ thống có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như robotics, tự động hóa và hỗ trợ người khuyết tật.

6.1. Tổng kết những kết quả đạt được trong đồ án

Đồ án đã đạt được những kết quả quan trọng như xây dựng mô hình xe điều khiển từ xa, thiết kế giao diện điều khiển trực quan, tích hợp module RF và giao tiếp USB, và phát triển hệ thống nhận dạng giọng nói cơ bản. Hệ thống xe hoạt động tương đối ổn định, màn hình giao diện điều khiển trên máy tính có tính thẩm mĩ và trực quan. xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghiệp của Việt Nam đang ngày càng phát triển hiện đại hóa, sức lao động của con người dần được thay thế bằng những thiết bị tự động hóa hay những thiết bị thông minh.

6.2. Đề xuất hướng phát triển và nâng cấp hệ thống trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp bằng cách sử dụng các thuật toán nhận dạng giọng nói tiên tiến hơn, tích hợp thêm các cảm biến để tăng cường khả năng tự động, và phát triển các ứng dụng di động để điều khiển xe từ xa.Khả năng điều khiển chính xác và truyền tải thông tin tốc độ cao của sóng RF là yếu tố then chốt để đảm bảo tính tin cậy và hiệu quả của các ứng dụng này. "Khả năng ứng dụng của đề tài không chỉ dừng lại ở việc điều khiển từ xa xe mô hình, mà trong tương lai còn có thể điều khiển các thiết bị cứu hộ, thám hiểm ở những nơi mà con người không trực tiếp đến được, điều khiển các thiết bị làm việc trong các môi trường độc hại hay có thể giúp đỡ những người khiếm khuyết dễ dàng hơn trong việc đi lại của cuộc sống hằng ngày …với độ chính xác và tin cậy do khả năng điều khiển, truyền tải thông tin tốc độ cao của sóng RF."

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 4: Thi công hệ thống Chương này tính toán chọn linh kiện và nêu quá trình thi công PCB, lắp ráp và kiểm tra hoạt động của mạch.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Chương này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài nghiên cứu và biết được chuẩn giao tiếp USB, tìm hiểu phần mềm Visual Studio, hiểu được cách thức lập trình để nhận dạng giọng nói, hiểu được cách điều khiển động cơ bằng mạch cầu H.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương 6 trình bày về kết quả thu được từ những yêu cầu đặt ra ban đầu, dựa rên mô hình nhận xét và đánh giá về kết quả đạt được.

Cuối cùng là chỉ ra hướng phát triển mở rộng của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với những yêu cầu đã đặt ra, đồ án sử dụng một số kiến thức liên quan như sau: 2.1 TÌM HIỂU CHUẨN GIAO TIẾP USB 2.1 Khái niệm USB: USB là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính.

USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm là chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống).2 Các đặc trưng của USB  Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cùng vào một máy tính thông qua một cổng USB duy nhất (bao gồm các hub USB).  Những sợi cáp USB riêng lẻ có thể dài tới 5 mét; với những hub, có thể kéo dài tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp nhau thông qua các hub) tính từ đầu cắm trên máy tính.0 chuẩn tốc độ cao, đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps.  Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cùng một cặp gồm hai sợi dây xoắn để mang dữ liệu.  Trên sợi nguồn, máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA ở điện áp 5V một chiều (DC).

 Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột ,bàn phím, loa máy tính công suất thấp.) được cung cấp điện năng cho hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà không cần có sự cung cấp nguồn riêng (thậm chí các thiết bị giải trí số như SmartPhone, PocketPC ngày nay sử dụng các cổng USB để sạc pin). Với các thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét.) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ có tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín hiệu. Hub có thể có nguồn cấp điện riêng để cấp điện thêm cho các thiết bị sử dụng giao tiếp USB cắm vào nó bởi mỗi cổng USB chỉ cung cấp một công suất nhất định. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều này có nghĩa các thiết bị có thể được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống.  Nhiều thiết bị USB có thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện.3 Kết nối thiết bị với máy tính thông qua USB Việc kết nối thiết bị với máy tính qua cổng USB hết sức đơn giản, chỉ cần cắm các đầu nối của thiết bị với các cổng USB trên máy tính. Nếu thiết bị được kết nối lần đầu, hệ điều hành sẽ tự động dò tìm và yêu cầu nạp đĩa Driver. Với thiết bị đã được cài đặt, máy tính tự động kích hoạt và kết nối với thiết bị.

Các thiết bị kết nối qua USB có thể thiết lập hay ngắt kết nối bất kì lúc nào. Nhiều loại thiết bị USB được chế tạo liền với cáp nối với 2 kiểu đầu nối “A Connection” và “B Connection”.4 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB  Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của máy tính.  Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao lên đến 480 Mb/s.  Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như: voice, audio, video, …  Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp.

 Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi.  Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ trợ do đó có thể không cần driver mức thấp cho các thiết bị USB.  Đa năng, do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối với PC thông qua chuẩn USB.  Độ tin cậy cao.5 Mô tả hệ thống USB Một hệ thống USB được mô tả bởi 3 định nghĩa:  Kết nối USB.

 Các thiết bị USB. Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ. Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Kiến trúc BUS: mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host.

 Những mối quan hệ Inter- Layer: dưới dạng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống.  Các mô hình luồng dữ liệu là: là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống USB.  Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung. Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời khử sự phân xử ban đầu.6 Kiến trúc BUS:  Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với Host USB.

Về mặt kết nối vật lí USB đó là một kiến trúc tầng sao. Một Hub ở tại trung tâm của mỗi sao. Mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa Host và Hub hoặc một chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác hoặc chức năng khác. Với 7 bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi.

 Hình sau sẽ minh họa kiến trúc của USB: Hình 2.1: Kiến trúc USB bus. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy chủ USB:  Chỉ có duy nhất một Host trong một hệ thống USB bất kỳ. Giao diện USB tới hệ thống máy chủ được xem như bộ điều khiển Host.

Bộ điều khiển Host có thể được thực hiện trong một kết hợp gồm phần cứng, vì chương trình hoặc phần mềm. Một Hub gốc (root hub) được tích hợp chỉ trong hệ thống Host để cung cấp một hoặc nhiều điểm lắp thêm. Các thiết bị USB: Thiết bị USB có thể là 1 trong các thiết bị sau:  Hub: cung cấp điểm lắp thêm vào USB  Các chức năng: cung cấp khả năng cho hệ thống như một kết nối ISDN, Digital Joystick hoặc Speaker.  Thiết bị hiểu được giao thức USB.7 Cáp USB USB truyền tín hiệu qua 1 cáp 4 sợi như hình dưới.

Có 3 tốc độ truyền dữ liệu: - USB tốc độ cao: 480Mb/s. - USB toàn tốc: 12Mb/s.2: Sơ đồ cáp USB - USB tốc độ thấp: 1. Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D- được dùng để truyền tín hiệu, Vbus và GND để cấp nguồn cho thiết bị ( Thường thì Vbus =5V còn GND=0V tại nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét.

Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất qua các điện trở Rpd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở Rpu. Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D- giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2.8 Các loại truyền dữ liệu USB: USB truyền dữ liệu thông qua một ống dẫn (đường truyền) giữa một bên là bộ nhớ đệm được liên kết với một phần mềm trên máy chủ với một bên là một điểm cuối trên thiết bị USB.

USB cung cấp các dạng truyền tải khác nhau đã được tối ưu hoá để đáp ứng một cách thích hợp nhất các nhu cầu của phần mềm khách và chức năng. USB cung cấp 4 loại truyền dữ liệu:  Truyền điều khiển.  Truyền đẳng thời.9 Giới thiệu về lớp thiết bị giao tiếp người sử dụng HID: Với chuẩn giao tiếp USB, một số lớp giao tiếp được định nghĩa như:  Lớp thiết bị âm thanh.  Lớp thiết bị giao diện thẻ thông minh.

 Lớp các thiết bị truyền thông.  Lớp các thiết bị bảo mật.  Lớp thiết bị cho phép cập nhật Firmware từ Host.  Lớp giao tiếp người sử dụng HID.

 Cầu liên kết thiết bị hồng ngoại.  Lớp lưu trữ thứ cấp.  Lớp các thiết bị in ấn.  Lớp thiết bị lưu trữ ảnh tĩnh.

 Lớp thiết bị lưu trữ ảnh động.  Lớp thiết bị đo lường khiểm tra. Trong các lớp giao tiếp đã kể trên, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu về lớp giao tiếp người sử dụng HID. Đây là một trong những lớp đầu tiên được Window hỗ trợ.

Khái niệm về HID: HID hay “giao tiếp người sử dung” để chỉ việc giao tiếp giữa con người với các thiết bị thuộc lớp này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bên cạnh các thiết bị phổ biến của lớp HID như bàn phím, con chuột, cần điều khiển thì lớp HID còn bao gồm một số thiết bị khác như các núm điều chỉnh, các chuyển mạch, nút nhấn, thanh trượt, điều khiển từ xa, bàn phím điện thoại, các thiết bị điều khiển dùng cho game như bao tay, bánh lái. Tuy nhiên một thiết bị thuộc lớp HID không nhất thiết phải có một giao diện người sử dụng.

Một thiết bị có thể gán vào lớp HID khi các chức năng của nó nằm gọn trong các giới hạn của đặc tả lớp HID. Dưới đây là các giới hạn và khả năng chủ của các thiết bị thuộc lớp HID: Tất cả dữ liệu được trao đổi dưới cùng một dạng cấu trúc được gọi là báo cáo. Một giao diện HID phải có một điểm cuối ngắt vào để gửi dữ liệu lên máy chủ.