Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

228
lượt xem 32
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngoại. Ngoài ra đề tài còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

BKH & CN Viện CNTT VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân 5868 08/6/2006 Hà Nội, 12-2005 Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin 1
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân Hà Nội, 12-2005 Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin 2
Danh sách những người thực hiện chính A Chủ nhiệm đề tài 1 KS. Phan Minh Tân Viện Công nghệ Thông tin B Cán bộ tham gia nghiên cứu 2 PGS. TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin 3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin 4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin 5 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ Thông tin 6 KS. Phan Cao Hiệp Công ty Điện tử Bình Hoà 7 KS. Nguyễn Đức Thắng Viện Công nghệ Thông tin 8 TS. Nguyễn Ngọc Khoa Viện kỹ thuật Phòng không không quân 9 ThS. Vũ Sĩ Thắng Viện Công nghệ Thông tin 10 KS. Chu Ngọc Liêm Viện Công nghệ Thông tin 11 KS. Nguyễn Văn Hà Viện kỹ thuật Phòng không không quân 3
BÀI TÓM TẮT Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam. Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội thảo, các báo cáo thống kê ...) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo. Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA, mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực tiễn qua các hợp đồng kinh tế. Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm: • Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc gia • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm: - Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1 - Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1 - Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình - Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1 - Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1 4
- Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID - Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID và đầu cấp phát thẻ RFID - Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái cấu hình - Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình - Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC - Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như sau: - Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996- 2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như: . Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng. Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai. . Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng tái cấu hình. Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài. - Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình. - Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông tin và công nghệ mới. - Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm mới khác của Việt nam. 5
MỤC LỤC - Trang nhan đề 1 - Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 3 - Bài tóm tắt 4 - Mục lục 6 PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 8 1. Lời mở đầu 8 2. Nội dung chính của báo cáo 12 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 12 2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 17 2.3. Những nội dung đã thực hiện 19 2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết 19 2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 20 2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển 20 máy lạnh a. Chip DKML-1 20 b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000 22 BTU c. Phần mềm 24 d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại 36 2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử 42 dụng thẻ nhận dạng không dây RFID a. Chip PROX-1 43 b. Bộ điều khiển AC-200-C dùng thẻ RFID 45 c. Chương trình Quản lý mã thẻ trên PC AC200_SW 51 d. Hệ thống chấm công sử dụng thẻ RFID 58 e. Hệ thống cấp phát thẻ RFID 59 2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả 60 năng tái cấu hình 6
a. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý thiết kế, chế tạo 61 b. Các cấu hình có thể lựa chọn 64 2.3.2.4. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình 71 a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu 72 hình b. Các cấu hình có thể lựa chọn 75 2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều 82 khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC 2.4. Đánh giá kết quả thu được 94 3. Kết luận và kiến nghị 95 4. Lời cảm ơn 96 7
PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 1. LỜI MỞ ĐẦU Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam. Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: 1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm: • Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2 • Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation) • Các công cụ tìm lỗi (Debugger) • Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC • Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties) cho thiết kế các chip đo và điều khiển. 2. Thiết kế và chế tạo: - Chip điều khiển máy lạnh - Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế - Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh - Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU, 18000BTU. 3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125 KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan dùng thẻ tiếp cận gồm: - 2 đầu đọc thẻ - 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC - 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC 4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC. 5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái 8
cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính sau: • Format theo chuẩn PC/104 • Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền dữ liệu • Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable) • Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.20 TT TÊN SẢN PHẨM SỐ CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ GHI LƯỢN THUẬT CHÚ G 1. Các công trình, bài 6 Đưa ra được các phương pháp, báo thuật toán xử lý, nguyên lý có tính cải tiến, sáng tạo về mặt học thuật. Các công trình được nhận đăng tại các tạp chí, hội nghị khoa học 2. Thư viện chương 1 Bộ chương trình thư viện với trình mẫu cho thiết tài liệu hướng dẫn sử dụng kế các chip thông minh theo công nghệ PsoC 3. Chip DKML-1 20 - CPU 24 MHz, 8 bits, 16k FLASH - ADC - FLASH - DAC PWM - Phối ghép IrDA - Digital I/O - Bộ lọc tần số thấp - Chương trình điều khiển máy lạnh và hội thoại với remote ở các chế độ 4. Chip Remote RM-1 20 - CPU 24Mhz, 8K FLASH - Bộ phối ghép LCD - Bộ phối ghép IrDA - Chương trình điều khiển cho máy lạnh tương thích với chip DKML-1 - Bộ phối ghép phím ấn - Chế độ Wake-up 9
5. Bo điều khiển máy 2 Thay thế bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện DKML-1 đang phải nhập ngoại trong dây chuyền sản xuất của Công ty Điện tử Bình hoà 6. Bộ điều khiển từ xa 2 Thay thế bộ điều khiển xa cho cho máy lạnh sử máy lạnh VBH-12L/VBH-12N dụng chip RM-1 đang phải nhập ngoại trong dây chuyền sản xuất của Công ty Điện tử Bình hoà 7. Chip đọc thẻ PROX- 20 - Tần số mang vô tuyến 1 (Radio Frequency) 125kHz đọc các thẻ không - Biến điệu FSK tiếp xúc - Chuẩn ISO-PROX - CPU - FLASH Mạch phối ghép nối tiếp UART 8. Hệ thống kiểm soát 1 - Đầu đọc thẻ Proximity dùng xâm thực tự động chip PROX - 1 mở cổng sử dụng - Bộ điều khiển đóng mở cửa chip đọc thẻ PROX- tự động và kết nối PC 1 - Chương trình quản lý kiểm soát lưu trữ và báo cáo chạy trên PC/Windows theo ngôn ngữ Việt Nam 9. Module DAS - 1 - Công nghệ FPGA và PSoC PC/104 Có khả năng - Cho phép lựa chọn tái cấu hình ADC 8-14 BITS DAC 8-10 BITS TIMER 8-24 BITS COUNTER 8-24 BITS DIO 8-16 KÊNH Truyền thông UART, 12C, SPI, RS232 - Có khả năng tái cấu hình 10
Kinh phí thực hiện đề tài Tổng kinh phí ngân sách Nhà nước cấp cho đề tài là 1.600 triệu đồng Trong đó: 1. Thuê khoán chuyên môn: 600 triệu đồng 2. Nguyên vật liệu, năng lượng: 389 triệu đồng 3. Thiết bị máy móc: 361 triệu đồng 4. Xây dựng, sửa chữa nhỏ: 15 triệu đồng 5. Chi khác: 235 triệu đồng 11
2. NỘI DUNG CHÍNH CỦA BÁO CÁO 2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước Ngoài nước: Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip đã có bề dày hơn 15 năm phát triển và hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội là ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array) và CSoC (Configurable System on Chip). Các công nghệ này liên quan mật thiết với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu điểm, khắc phục nhược điểm của nhau. Sau đây là tóm tắt các tính chất nổi trội và hạn chế của từng công nghệ. I. Về công nghệ ASIC Các chip được tạo ra từ công nghệ ASIC có thể có hàng triệu bóng bán dẫn và chi phí cho thiết kế thử nghiệm chip mới rất đắt. Tuy nhiên khi sản xuất loạt lớn thì giá thành mỗi chip thành phẩm có thể xuống thấp tới một vài đô la. Trong một số ứng dụng số lượng lớn (như trò chơi điện tử) ASIC có thể là giải pháp hiệu quả, tuy nhiên hiện tại công nghệ ASIC có những hạn chế sau: - Phương pháp thiết kế mạch ASIC hiện nay dựa chủ yếu vào các ngôn ngữ HDL (Hardware Description Languages) là các ngôn ngữ mô tả các chức năng phần cứng của chip ở mức trừu tượng cao. Tiếp đến cần một công cụ phần mềm dịch thiết kế định dạng HDL sang các phương trình logic (Borlean logic equations) và ánh xạ các phương trình logic này thành tổ hợp các cổng logic và bộ nhớ (Gate-level representation). Các ngôn ngữ HDL là ngôn ngữ tốt cho mô tả chức năng phần cứng, tuy nhiên chúng lại không hiệu quả cho mô tả các thuật toán. Do vậy người thiết kế rất khó khăn trong việc đưa các thuật xử lý phức tạp, know-how vào chip ASIC. Một khi chip ASIC đã được tạo dựng, các thuật xử lý đã được cứng hoá thì việc thay đổi sửa chữa nhỏ cũng rất tốn kém thời gian và chi phí. Thời gian cho hoàn thiện thiết kế một chip ASIC thường rất lâu và nhiều khi không theo kịp với sự đòi hỏi nâng cấp chức năng sử dụng của sản phẩm. Mặt khác do mỗi chức năng, thuật toán xử lý đều phải được cứng hoá ở các chip ASIC dẫn đến đòi hỏi tiêu tốn số lượng lớn transitor và năng lượng trong khi thực tế thông thường chúng chỉ cần hoạt động trong một số thời điểm nhất định. Điều này dẫn đến sự lãng phí các nguồn tài nguyên trong chip ASIC. II. Về công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array) FPGA là các chip thuộc họ lập trình logic để tạo ra các chip số (digital IC). Với FPGA ta có thể tạo ra các chips có khả năng xử lý các chức năng logic tuỳ ý. Hiện tại trong họ lập trình logic có các loại chính sau: - SPLD (Simple Programmable Logic Devices) - CPLD (Complex Programmable logic Devices) - FPGA (Field Programmable Gate Array) 12
SPLD là các chip lập trình logic loại nhỏ có khả năng thay thế vài IC loại TTL 74xx. Thông thường có 4 đến 22 macro cells (mỗi macrocell thông thường gồm một vài chức năng tổ hợp logic với một bộ nhớ flip-flop). Một macrocell có thể có nhiều input nhưng với chức năng logic hạn chế. Các loại SPLD quen thuộc là PAL (Programmable Array Logic của hãng Vantis), GAL (Generic Array Logic của hãng Lattice), PLA (Programmable Logic Array) và PLD (Programmable logic Device). CPLD có cấu trúc như SPLD nhưng có khả năng tích hợp lớn hơn. Thông thường CPLD bao gồm từ 2 đến 64 mạch SPLD, có từ hàng chục đến hàng trăm macrocells. Thông thường một nhóm từ 4 đến 16 macrocells được kết nối tạo thành các khối chức năng trong CPLD. Các khối chức năng này được kết nối với nhau qua một ma trận kết nối có khả năng lập trình. Các CPLD quen thuộc bao gồm EPLD (Erable Programmable Logic Devices), EEPLD (Electrically Erable Programmable Logic Device), MAX (Multiple Array Matrix của Altera) FPGA là các chips có khả năng tích hợp lớn nhất so với SPLD và CPLD. Một chip FPGA gồm các khối logic (Logic blocks) được bao bọc bởi các khối vào ra có khả năng lập trình (Programmable I/O blocks) và các đường kết nối có khả năng lập trình (Programmable interconnect). Một chip FPGA có thể có từ 64 đến hàng chục ngàn khối logic và số lượng bộ nhớ flip-flops còn lớn hơn. Các FPGA được chia ra làm hai nhóm chính là loại hạt lớn (coarse-grained) và loại hạt nhỏ (fine-grained). Loại FPGA hạt lớn gồm các khối logic lớn, kích cỡ khối logic lớn này thường có nhiều bảng look-up và flip-flops. Loại FPGA hạt nhỏ thường gồm một lượng lớn khối logic nhỏ. Kích cỡ của khối logic nhỏ thường một vài cổng logic 2 đầu vào và một flip-flop. Với các cấu trúc nêu trên các FPGA không có khả năng xử lý các tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu RF (Radio Frequency). Phần lớn các FPGA được lập trình và đặt cấu hình trên RAM tĩnh. Cấu hình này xác định chức năng hoạt động của các khối logic, khối vào ra và đường kết nối giữa chúng tạo nên chip xử lý số chuyên dụng. Do vậy khi mất nguồn nuôi các RAM cấu hình mất thông tin và khi có điện lại phải có chu trình nạp lại cấu hình cho các RAM này. Để khắc phục nhược điểm này một số FPGA sử dụng FLASH để thay thế RAM tĩnh, một số FPGA khác lại dùng công nghệ antifuse như dùng PROM nạp một lần để chứa cấu hình. Các chip FPGA thường dùng nhất là của hãng Xilinx (XC3000, XC4000xx, Spartan, Virtex) và của hãng Altera (FLEX, APEX). Các hãng khác như Lattice, Actel, Quick Logic cũng cung cấp các FPGA nhưng là các loại nhỏ và chiếm thị phần không đáng kể. Một hạn chế của FPGA là sử dụng các công cụ và các phương pháp thiết kế như của công nghệ ASIC bao gồm các ngôn ngữ HDL là loại không thích hợp cho lập trình xử lý thuật toán. Do vậy khi phải thực hiện các thuật toán xử lý phức tạp người lập trình phải vất vả chuyển đổi sang ngôn ngữ HDL và cứng hoá thuật toán vào các khối logic. 13
Các chip được tạo ra theo công nghệ FPGA thường không sử dụng một cách có hiệu quả các tài nguyên sẵn có của chip trắng FPGA. Mặt khác FPGA còn tiềm ẩn nhân tố nhiễu loạn (chaotic element) trong quá trình kết nối (routing). Thống kê cho thấy một nửa số cổng logic trong chip trắng FPGA thông thường không được sử dụng đến do hạn chế của khả năng kết nối hoặc thuật toán kết nối. Các chương trình thiết kế tự động cho các chip FPGA thường rất đắt tuỳ thuộc vào chức năng và số lượng thư viện chương trình mẫu IP. Giá có thể từ vài ngàn US$ đến hàng triệu US$. Các hãng nổi tiếng cung cấp các phần mềm thiết kế cho công nghệ FPGA là Mentor Graphics, Cadence và Synopsis. Tuy nhiên các hãng cung cấp chip trắng FPGA hàng đầu trên thế giới là Xilinx và Altera có chiến lược cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí cho các họ FPGA loại vừa và nhỏ. Xilinx cung cấp phần mềm miễn phí ISE WebPack là một Version cơ bản của chương trình thiết kế ISE5. Altera cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí Quartus II Web Edition là phiên bản tối thiểu của chương trình thiết kế QuartusII. Công nghệ FPGA là một công nghệ mạnh cho thiết kế các chip có chức năng xử lý logic cho các mạch số và truyền thông số. Các chip FPGA trắng thường có giá thành đắt từ 30-70US$/chip. Với đơn đặt hàng lớn >10.000 chip thì giá thành có rẻ hơn nhưng vẫn không dưới 10US$/chip. Với đặc tính chuyên dụng cho xử lý logic và với giá thành còn cao, công nghệ FPGA không phải là một công nghệ tối ưu cho các ứng dụng đo lường và điều khiển ở Việt nam. Trên thế giới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển công nghệ FPGA được ứng dụng trong các module I/O, các module thu thập dữ liệu (Data Acquisition) cho PC có bus ISA, PCI hoặc PC/104, PC104+. Lúc này FPGA được thiết kế như phần phối ghép các chip xử lý tín hiệu tương tự ADC, DAC... với CPU của máy tính. III. Công nghệ CSoC (Configurable System on Chip) tái cấu hình hệ thống trong một chip Khác với công nghệ ASIC và FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC riêng lẻ, IC số ngoại vi thì công nghệ CSoC là công nghệ cho phép tạo nên cả một hệ thống trong một chip bao gồm CPU, ROM, RAM các ngoại vi thời gian thực (như ADC, DAC, Counter, Timer, Digital I/O, cổng truyền thông...) và cho phép thay đổi cấu trúc phần cứng của chip trong quá trình hoạt động. Như vậy công nghệ CSoC cho ta một độ linh hoạt lớn trong việc phát triển thiết kế và chế tạo chip thông minh chuyên dụng vừa khít với yêu cầu ứng dụng của sản phẩm.Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể dễ dàng thay đổi trong qúa trình hoạt động hiện tại và phát triển mở rộng chức năng sản phẩm trong tương lai.. Công nghệ CSoC sẽ là một bước tiến hoá của công nghệ thông tin, thoát khỏi các ràng buộc của hệ máy tính cứng (Rigid Computing Machine) sang thế hệ máy tính tự thích nghi (Adaptive Computing Machine). Hiện tại có khoảng 30 hãng trên thế giới có phát triển và chào bán công 14
nghệ CSoC của mình. Một số CSoC chính được liệt kê như sau: • Hãng Altera kết hợp lõi CPU cứng ARM và lõi CPU mềm với một số FPGA của mình tạo nên các chip Processor + FPGA (Cyclone, Strafix) cho phép thiết kế các chip số tốc độ cao có processor và phần xử lý logic thay đổi được. • Hãng Atmel tích hợp lõi CPU AVR với FPGA hạt bé của mình tạo nên chip CSoC. • Hãng Cypress Micro System có công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) có lõi CPU M8, RAM, FLASH và các Block tương tự và số cho phép tạo ra các chip hệ thống xử lý hỗn hợp (mixed signal) với khả năng xử lý thuật toán mạnh. • Hãng Equator có chip CSoC đặc thù cho xử lý âm thanh (Media Processing). • Hãng Motorola có chip CSoC cho xử lý tín hiệu truyền thông không dây (Wireless chipset). • Hãng QuickLogic tích hợp lõi CPU MIPS với FPGA cho tạo dựng các hệ xử lý logic nhanh. • Hãng Tricend tích hợp CPU 32 bit ARM với FPGA cho thiết kế các hệ thống xử lý logic tốc độ cao. • Hãng Xilinx tích hợp lõi CPU 8051 hoặc MIPS Power PC với một số FPGA tạo nên tổ hợp Processor + FPGA (Vertex II Pro) cho phép tạo ra các IC số có processor tốc độ cao. Công nghệ CSoC thực sự là một công nghệ ưu việt hơn công nghệ ASIC và FPGA trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vì nó tích hợp Processor và bộ nhớ RAM, FLASH, cho phép ta lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ dàng bằng ngôn ngữ C hoặc ASSEMBLER. So với các vi điều khiển thông dụng như 8051, motorola 68HC908, Microchip PIC16#73 có cấu trúc CPU và ngoại vi cố định (fixed digital and analog penpherals) thì các chip CSoC có khả năng mềm dẻo thích ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là khả năng tái cấu hình (reconfigurable) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng. Ví dụ với chip PSoC của hãng Cypress Micro System, ta có thể thiết kế cho nó thành một chip điều khiển máy bán hàng tự động ở ban ngày và đến 12 giờ đêm chip PSoC sẽ tự tái cấu hình thành một modem và gửi các dữ liệu (số hàng tồn trong máy, số tiền thu được...) của máy bán hàng về trung tâm. Công nghệ tạo chip thông minh cho đo lường và điều khiển trên cơ sở CSoC có tính hiệu quả kinh tế, nhất là đối với các chip PSoC của Cypress Micro System vì có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho ta khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng và phát triển các chức năng mới sau này. Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn và hỗ trợ cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối mạng trên cùng một chip với giá thành thấp. Hệ thống phần mềm hỗ trợ thiết kế chip PSoC Designer của Cypress Micro System có đầy đủ các chức năng thiết kế, xắp xếp các khối chức năng, mô phỏng, lập trình C, tìm lỗi và nạp chip hiện đại, có các module ứng dụng (user module) phong phú giúp ta không phải lập 15
trình trên ngôn ngữ HDL vừa khó bao quát, vừa không hiệu quả. Ngoài ra giá thành của các chip PSoC trắng từ 2-5US$/chip rẻ hơn nhiều lần so với các chip FPGA. Đây là một cơ hội cho các doanh nghiệp và các nhóm say sưa sáng tạo có thể đạt đến thành công lớn với các sản phẩm độc đáo có các chip thông minh chứa các ý tưởng sáng tạo, bí quyết của riêng mình. Trong nước: Đã có nhiều cơ sở nghiên cứu phát triển triển khai các hướng nghiên cứu như sau: • Những nghiên cứu ban đầu về công nghệ ASIC đã được Viện khoa học tính toán và điều khiển tiến hành ở những năm 80 với sự hợp tác với các nhóm Việt kiều ở Đức và Pháp đánh dấu bước khởi đầu cho các nghiên cứu về thiết kế chip ASIC. Các nghiên cứu này đã không mang lại nhiều kết quả do điều kiện cơ sở vật chất và thông tin trao đổi không thuận lợi thời gian đó. • Công nghệ FPGA được Viện Vi điện tử thuộc Viện Công nghệ quốc gia là một trong những đơn vị đầu tiên tại nước ta tiến hành nghiên cứu từ năm 1998. Với công nghệ FPGA của hãng Altera Viện Vi điện tử đã áp dụng để thiết kế mạch Read out cho các thước đo vị trí của các máy CNC và nhiều ứng dụng xử lý số khác. • Viện kỹ thuật quân sự Phòng không không quân triển khai các nghiên cứu thiết kế tạo chip cho xử lý số tín hiệu rađa, lọc số cho xử lý tín hiệu tên lửa sử dụng các FPGA của Altera. • Công ty liên doanh AMEC của Tổng Công ty Điện tử tin học có các nghiên cứu áp dụng công nghệ FPGA của Xilinx cho thiết kế một số chip xử lý số cho thiết bị y tế. • Một số cơ sở nghiên cứu và đào tạo khác như Học Viện công nghệ Bưu chính viễn thông, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện điện tử tin học và Tự động hoá VIETLINA cũng đang khởi động các nghiên cứu áp dụng công nghệ FPGA. • Công ty Viettronic Tân Bình đang lập dự án xây dựng 2 trung tâm thiết kế chip trên công nghệ FPGA và các phần mềm thiết kế của Mentor Graphics và Cadence. • Viện Công nghệ Thông tin cũng có những bước đi ban đầu cho việc nghiên cứu phát triển các module PC/104 trên công nghệ FPGA của hãng Altera từ năm 2002. Các đơn vị nêu trên mới tập trung nghiên cứu tạo các chip số chưa có processor và chưa xử lý được các tín hiệu tương tự, do vậy còn nhiều hạn chế cho các ứng dụng đo lường và điều khiển thường phải đòi hỏi xử lý thuật toán phức tạp và xử lý hỗn hợp tín hiệu tương tự và số. Nhận biết được hạn chế này từ đầu năm 2002 Viện công nghệ thông tin đã tiếp cận đến công nghệ PSoC của hãng Cypress Micro System để thiết kế ra chip chuyên dụng cho đầu đo mức nước và thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương. 16
2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ nhu cầu thực tế đề tài đã tiến hành các nghiên cứu phát triển các chip thông minh cho các đối tượng sau: a) Chip điều khiển máy lạnh và chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy: Hiện nay nhiều cơ sở sản xuất các thiết bị gia dụng (điều hoà, máy giặt, tủ lạnh, nồi cơm điện...) đang phải nhập khẩu các bộ điều khiển về lắp ráp cho các sản phẩm của mình. Nhu cầu tăng tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm gia dụng công nghệ cao này đang là vấn đề bức xúc của các doanh nghiệp sản xuất do sức ép cạnh tranh của tiến trình hội nhập AFFA, WTO. Chính vì vậy việc nghiên cứu thiết kế các chip thông minh mang thương hiệu Việt nam cho các dây chuyền sản xuất thiết bị gia dụng trong nước là một lựa chọn đúng và nó đáp ứng nhu cầu thực tiễn và tăng được sức cạnh tranh cho các sản phẩm của Việt nam. Số lượng các chip cần cho các bo điều khiển máy lạnh và các thiết bị gia dụng ngày càng tăng do đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện, nhu cầu sử dụng các thiết bị gia dụng hiện đại ngày càng cao. Việc nghiên cứu tạo chip cho máy lạnh Việt nam là tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển các chip thông minh cho các sản phẩm gia dung cao cấp khác cần có tỷ lệ nội địa hoá cao như máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, nồi cơm điện..v..v. Ở trong nước chưa có cơ sở nào tiến hành nghiên cứu các bo điều khiển cho máy lạnh để tăng tỷ lệ nội địa hoá. Các bo điều khiển nhập ngoại có giá thành cao và thường sử dụng các chip vi điều khiển có cấu trúc cứng (fixed micro controller). Ở giải pháp của đề tài sử dụng công nghệ PSoC có khả năng tái cấu hình phong phú với nhiều ngoại vi mạnh cho phép việc tăng độ thông minh của thiết bị lạnh một cách dễ dàng. b) Chip thông minh cho đọc và nhận dạng thẻ RFID (Radio Frequency Identification) Thẻ RFID đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong đời sống như sau: - Các hệ thống kiểm soát xâm thực (access control) như kiểm soát người ra vào cơ quan, bảo vệ việc sử dụng trái phép máy tính, chương trình máy tính,.. - Các hệ thống chấm công dùng thẻ không tiếp xúc, - Các hệ thống tự động dùng thẻ RFID (đóng mở cổng, xuất nhập vật tư, ..v..v..) Thẻ RFID ngày càng thay thế thẻ từ và mã vạch. Thẻ từ dễ bị xước trong quá trình sử dụng còn thẻ tiếp cận RFID có tuổi thọ rất cao do được chế tạo đúc trong thẻ nhựa và không dùng pin. Thẻ hoạt động được bằng việc lấy năng lượng từ trường được phát ra từ các đầu đọc. Các hệ thống tự động dùng thẻ tiếp cận nêu trên hiện đang được nhập vào Việt nam với giá thành đắt và với phần mềm quản lý của nước ngoài không phù hợp với Việt nam. Việc thay đổi chương trình thường gặp khó khăn vì các hãng sản xuất không cung 17
cấp các thủ tục giao diện với các thiết bị đọc thẻ. Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang phát triển này đề tài phát triển các chip thông minh cho việc đọc và nhận dạng các thẻ tiếp cận RFID làm cơ sở cho việc phát triển các hệ thống tự động sử dụng thẻ mang thương hiệu Việt nam. c) Trên cơ sở các chip được thiết kế và chế tạo đề tài sẽ áp dụng các chip này để phát triển các sản phẩm mới như sau: • Máy lạnh 12000 BTU 2 cục sử dụng bo điều khiển máy lạnh và bộ điều khiển từ xa hồng ngoại cho máy lạnh được thiết kế từ các chip của đề tài. • Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả năng tái cấu hình • Hệ thống tự động đóng mở cửa và quản lý nhân sự ra vào cơ quan sử dụng thẻ RFID bao gồm: + Hai đầu đọc thẻ tiếp cận (1 vào và 1 ra) + Một bộ điều khiển quản lý hai đầu đọc, điều khiển đóng mở cổng và kết nối PC + Chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cơ quan chạy trên PC. d) Nghiªn cøu kÕt hîp c«ng nghÖ FPGA víi c«ng nghÖ PSoC cho thiÕt kÕ c¸c Module ®o vµ ®iÒu khiÓn theo chuÈn PC/104 Công nghệ FPGA đã được một số Viện nghiên cứu áp dụng. Tuy nhiên do đặc thù FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC số nên các cơ sở này buộc phải dùng thêm các IC tương tự rời cho các ứng dụng đo và điều khiển. Các IC tương tự rời có chức năng cố định và có nhiều hạn chế trong quá trình thay đổi, hiệu chỉnh thiết kế. Việc kết hợp FPGA với PSoC cho ta khả năng tạo ra các module đặc chủng mạnh, mềm dẻo, xử lý hỗn hợp tín hiệu analog, digital và dễ dàng phối ghép với máy vi tính PC. Đối tượng nghiên cứu cho vấn đề này nhằm tạo ra một card thu thập và xử lý số liệu theo chuẩn PC/104 có khả năng đặt cấu hình phong phú. Hiện tại các module PC/104 được sản xuất với các chức năng cố định như Card digital I/O, Timer-Counter, Analog Inputs, Analog Outputs hoặc phối hợp thành card thu thập dữ liệu DAC (Data Acquisition System). Do phối hợp thế mạnh của 2 công nghệ FPGA và PSoC card thu thập dữ liệu PC/104 của đề tài cho phép người sử dụng định nghĩa các ngoại vi ADC, DAC, DI, DO, Timer, Counter theo tuỳ thích của mình. Điều này dẫn đến người sử dụng chỉ cần mua một loại card có khả năng thay thế cho nhiều loại card PC/104 của các hãng khác nhau. Các sản phẩm này đều mang thương hiệu Việt Nam và được kiểm chuẩn và áp dụng thử nghiệm ở hiện trường. 18
2.3. Những nội dung đã thực hiện 2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết và công bố các kết quả khoa học và công nghệ Đề tài KC.03.20 là đề tài tạo ra các chip và các sản phẩm đo điều khiển mới mang thương hiệu Việt Nam. Tuy nhiên mỗi một thiết bị đều có nguyên lý hoạt động, nền tảng lý luận và công nghệ chế tạo của nó. Đặc biệt các phương pháp xử lý, phần mềm nhúng tạo nên độ thông minh của sản phẩm. Đề tài đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản và phát triển chip làm cơ sở cho thiết kế và chế tạo các sản phẩm. Các kết quả nghiên cứu lý luận này đã được thảo luận ở nhiều seminar và công bố ở các tạp chí, hội nghị khoa học. Tổng số có 9 công trình đã công bố được liệt kê trong danh sách kèm theo. Danh mục các công trình khoa học đăng trong các hội nghị khoa học trong và ngoài nước 2003-2004 Trong Số STT Tên bài báo Tác giả tuyển trang tập PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát Nghiên cứu phát KS. Phan Minh Tân triển bo mạch điều KS. Chu Ngọc Liêm 1 khiển máy điều hòa 6 VICA6 KS. Nguyễn Xuân Hoàng nhiệt độ sử dụng KS. Mai Thị Phương Thảo công nghệ PSoC Nguyễn Đức Thắng Nghiên cứu và phát PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát triển bộ điều khiển KS. Phan Minh Tân 2 từ xa hồng ngoại KS. Chu Ngọc Liêm 6 VICA6 cho các thiết bị gia KS. Mai Thị Phương Thảo dụng Nguyễn Đức Thắng Công nghệ chế tạo chip chuyên dụng PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát 3 5 VICA6 PSoC và khả năng KS. Phan Minh Tân ứng dụng Thiết kế và chế tạo PGS.TSKH Phạm Thượng Cát hệ thống kiểm soát KS. Phan Minh Tân 4 6 VICA6 xâm thực sử dụng KS.Bùi Thị Thanh Quyên thẻ tiếp cận ThS. Trần Việt Phong Bộ đo và truyền tín hiệu nhiệt độ PT100 PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát 5 transductor sử dụng 6 VICA6 KS. Chu Ngọc Liêm công nghệ tạo chip PSoC 19
Tạp chí tin học Hệ thống nhúng và và điều 6 PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát 10 thời đại hậu PC khiển học số 1/2005 Nghiên cứu thiết kế Hội nghị PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát thiết bị điều khiển cơ điện KS. Phan Minh Tân 7 từ xa hồng ngoại 5 tử toàn KS. Chu Ngọc Liêm (IRDA) cho các hệ quốc lần KS. Mai Thị Phương Thảo cơ điện tử thứ 2 Nghiên cứu phát PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát Hội nghị triển chip chuyên KS. Phan Minh Tân cơ điện 8 dụng trên công nghệ KS. Chu Ngọc Liêm 8 tử toàn PSoC cho hệ thống KS. Nguyễn Xuân Hoàng quốc lần điều khiển máy lạnh KS. Mai Thị Phương Thảo thứ 2 Hội nghị Công nghệ PSoC và PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát cơ điện 9 chế tạo đọc thẻ tiếp KS. Phan Minh Tân 7 tử toàn cận KS. Vũ Sỹ Thắng quốc lần thứ 2 2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển máy lạnh a. Chip DKML-1 Chip DKML-1 được thiết kế trên nền chip trắng CY8C27443 của công nghệ PSoC. Chip là thành phần điều khiển chính cả phần cứng và mềm của bo điều khiển máy lạnh. 20