Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp KIT INTEL GALILEO

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu gồm các mục tiêu: Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ. Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC…

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp KIT INTEL GALILEO

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Quang Minh MSSV: 14141195 Hồ Văn Trọng MSSV: 14141338 Chuyên ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ GIAO TIẾP KIT INTEL GALILEO II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ. - Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, switch, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu về kit Intel Galileo, phần mềm Arduino, các mạch giao tiếp ngoại vi với vi điều khiển. - Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm (thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, thi công). - Xây dựng các bài thực hành cơ bản, viết chương trình thực thi và kiểm tra kết quả trên bộ thí nghiệm. - Thu thập kết quả. Kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Viết báo cáo luận văn. - Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Ngô Bá Việt CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH i
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phạm Quang Minh Lớp: 14141DT1A MSSV: 14141195 Họ tên sinh viên 2: Hồ Văn Trọng Lớp: 14141DT1A MSSV: 14141338 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ SỬ DỤNG KIT INTEL GALILEO Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD - Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc. 1 (01-06/10) - Duyệt đề tài. - Viết đề cương cho đề tài. - Tìm hiểu tổng quan về kit Intel Galileo. 2 - Tìm hiểu về cách thức lập trình và biên dịch trên (08-13/10) kit Intel Galileo. - Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối 3 (15-20/10) - Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối - Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích hoạt động 4 (22-27/10) của mạch. 5 (29/10- - Thiết kế và thi công từng khối nhỏ trong mạch. 03/11) - Lập trình trên phần mềm Arduino. 6 - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi (05-10/11) công. - Lập trình trên phần mềm Arduino. 7 - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi (12-17/11) công. ii
- Lập trình trên phần mềm Arduino. 8 - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi (19-24/11) công. 9 - Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối. (26/11- - Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối. 01/12) - Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối. 10 (03-08/12) - Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối. 11 - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. (10-15/12) 12 - Viết báo cáo. (17-22/12) 13 - Viết báo cáo. (24-29/12) 14 - Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD để (31/12- xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo. 05/01) 15 - Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo. (06-18/01) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Phạm Quang Minh Hồ Văn Trọng iv
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên cho phép chúng tôi được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử nói riêng, những người đã tận tình dạy dỗ, trang bị cho chúng tôi những kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành quan trọng, giúp nhóm chúng tôi có được cơ sở lý thuyết vững vàng và đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất cho chúng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Ngô Bá Việt đã tận tình giúp đỡ, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số vấn đề để chúng tôi có thể thực hiện tốt đề tài. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của chúng tôi còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo. Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 Sinh viên thực hiện Phạm Quang Minh Hồ Văn Trọng v
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................................................i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... ii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... v MỤC LỤC .......................................................................................................................... vi LIỆT KÊ HÌNH ẢNH................................................................................................... viii LIỆT KÊ BẢNG ...............................................................................................................xi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xii TÓM TẮT ....................................................................................................................... xiii Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .........................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU ...............................................................................................................1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................2 1.4 GIỚI HẠN ................................................................................................................2 1.5 BỐ CỤC....................................................................................................................2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................4 2.1 KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN ..............................................4 2.1.1 Vi xử lý và vi điều khiển ..........................................................................4 2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC) ........................................................5 2.2 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN I2C .......................................................................5 2.3 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN SPI........................................................................8 2.4 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN 1-WIRE ...............................................................9 2.5 PHẦN MỀM ARDUINO .................................................................................... 10 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................... 11 2.6.1 Bộ xử lý trung tâm - Intel Galileo Gen 2 ............................................. 11 2.6.2 Thiết bị đầu vào ...................................................................................... 14 2.6.3 Thiết bị đầu ra ......................................................................................... 16 2.6.4 Thiết bị thời gian thực DS1307 ............................................................ 26 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................ 28 3.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 28 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................... 28 vi
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................. 28 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 29 3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH .............................................................. 38 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 39 4.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 39 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 39 4.2.1 Thi công bo mạch hệ thống ................................................................... 39 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra................................................................................. 42 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .......................................................... 44 4.3.1 Đóng gói, thiết kế mô hình .................................................................... 44 4.3.2 Thi công mô hình.................................................................................... 44 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 46 4.4.1 Lưu đồ giải thuật..................................................................................... 46 4.4.2 Phần mềm lập trình cho Intel Galileo Gen 2 ....................................... 48 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................ 51 Chương 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ................................................ 55 5.1 KẾT QUẢ.............................................................................................................. 55 5.1.1 Kết quả nghiên cứu................................................................................. 55 5.1.2 Kết quả thi công ...................................................................................... 55 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ................................................................................. 56 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 57 6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57 6.1.1 Ưu điểm ................................................................................................... 57 6.1.2 Khuyết điểm ............................................................................................ 57 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 59 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 60 vii
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn I2C ...................................................................6 Hình 2.2: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ ............................................6 Hình 2.3: Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ ...........................................7 Hình 2.4: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn SPI ...................................................................8 Hình 2.5: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn 1-Wire .............................................................9 Hình 2.6: Dạng sóng quá trình truyền nhận dữ liệu chuẩn 1-Wire ............................ 10 Hình 2.7: Biểu tượng phần mềm Arduino ..................................................................... 10 Hình 2.8: Giao diện phần mềm Arduino ....................................................................... 11 Hình 2.9: Mặt trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................................................... 12 Hình 2.10: Mặt dưới kit Intel Galileo Gen 2 ................................................................. 12 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý chip xử lý trung tâm trên kit ........................................... 13 Hình 2.12: Sơ đồ bố trí chân I/O trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................... 13 Hình 2.13: Ma trận phím 4x4 ngoài thực tế .................................................................. 14 Hình 2.14: Cảm biến LM35 ngoài thực tế ..................................................................... 15 Hình 2.15: Led 7 đoạn đôi ngoài thực tế ....................................................................... 16 Hình 2.16: LCD 16x2 ngoài thực tế ............................................................................... 16 Hình 2.17: Sơ đồ chân LCD 16x2 .................................................................................. 17 Hình 2.18: Led ma trận 8x8 ngoài thực tế ..................................................................... 18 Hình 2.19: Sơ đồ chân led ma trận 8x8 ......................................................................... 19 Hình 2.20: IC 74HC595 ngoài thực tế ........................................................................... 19 Hình 2.21: Sơ đồ chân IC 74HC595 .............................................................................. 20 Hình 2.22: Cấu trúc bên trong IC 74HC595 ................................................................. 21 Hình 2.23: IC 74HC138 ngoài thực tế ........................................................................... 22 Hình 2.24: Sơ đồ chân IC 74HC138 .............................................................................. 22 Hình 2.25: IC L298 ngoài thực tế ................................................................................... 25 Hình 2.26: Sơ đồ chân IC L298 ...................................................................................... 25 Hình 2.27: IC DS1307 ngoài thực tế .............................................................................. 26 Hình 2.28: Sơ đồ chân IC DS1307 ................................................................................. 26 Hình 2.29: Địa chỉ các thanh ghi IC DS1307 ............................................................... 27 viii
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................. 28 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm ................................................... 29 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn đơn .............................................................. 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối ma trận phím 4x4 ...................................................... 32 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối led đơn ........................................................................ 33 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối led 7 đoạn ................................................................... 33 Hình 3.7: Transistor A1015 ngoài thực tế ..................................................................... 34 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 16x2 .................................................................. 35 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối led ma trận 8x8 .......................................................... 35 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ .................................................... 36 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực........................................................... 36 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khối động cơ ..................................................................... 36 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ........................................................................ 37 Hình 3.14: Adapter 12V – 2A ......................................................................................... 37 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối switch giao tiếp ....................................................... 38 Hình 4.1: Mạch in PCB lớp dưới .................................................................................... 39 Hình 4.2: Mạch in PCB lớp trên ..................................................................................... 40 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện ...................................................................................... 40 Hình 4.4: Board thí nghiệm mặt dưới ............................................................................ 43 Hình 4.5: Board thí nghiệm mặt trên ............................................................................. 43 Hình 4.6: Mô hình tổng thể ............................................................................................. 44 Hình 4.7: Mô hình nhìn từ trên xuống ........................................................................... 45 Hình 4.8: Mặt trước mô hình .......................................................................................... 45 Hình 4.9: Mặt hông mô hình ........................................................................................... 45 Hình 4.10: Lưu đồ hoạt động toàn bộ hệ thống ............................................................ 46 Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển bằng nút nhấn, ma trận phím ...................................... 47 Hình 4.12: Lưu đồ hiển thị .............................................................................................. 47 Hình 4.13: Trang chủ Arduino ........................................................................................ 49 Hình 4.14: Biểu tượng phần mềm Arduino ................................................................... 49 Hình 4.15: Giao diện phần mềm Arduino ..................................................................... 49 ix
Hình 4.16: Giao diện các chức năng trong mục Tools ................................................ 50 Hình 4.17: Hộp thoại Boards Manager .......................................................................... 50 Hình 4.18: Giao diện phần mềm khi tiến hành chọn kit Intel Galileo Gen 2 ........... 51 Hình 4.19: Bộ xử lý trung tâm và board thí nghiệm đã kết nối .................................. 51 Hình 4.20: Vị trí nút BTN_NGUON trên board thí nghiệm ....................................... 52 Hình 4.21: Kết nối cáp Micro USB giữa bộ xử lý trung tâm với máy tính............... 52 Hình 4.22: Giao diện phầm mềm khi tiến hành chọn kit giao tiếp............................. 53 Hình 4.23: Giao diện phần mềm khi chọn cổng COM giao tiếp ................................ 53 Hình 4.24: Báo hiệu giao tiếp thành công với kit ở góc dưới bên phải ..................... 53 Hình 4.25: Biểu tượng công cụ biên dịch chương trình .............................................. 53 Hình 4.26: Báo hiệu biên dịch chương trình hoàn tất và không có lỗi ...................... 54 Hình 4.27: Biểu tượng công cụ nạp chương trình ........................................................ 54 Hình 4.28: Báo hiệu nạp chương trình thành công ...................................................... 54 Hình 4.29: Board thí nghiệm sau khi nạp chương trình .............................................. 54 Hình 5.1: Mô hình bộ thí nghiệm ................................................................................... 55 Hình 5.2: Bộ xử lý trung tâm .......................................................................................... 56 x
LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các kí hiệu và ý nghĩa chân của LCD.......................................................... 17 Bảng 2.2: Các kí hiệu và ý nghĩa chân IC 74HC595 ................................................... 20 Bảng 2.3: Bảng trạng thái IC 74HC595......................................................................... 21 Bảng 2.4: Các kí hiệu và ý nghĩa chân của 74HC138 ................................................. 23 Bảng 2.5: Bảng trạng thái IC 74HC138......................................................................... 24 Bảng 2.6: Các kí hiệu và ý nghĩa chân IC DS1307 ...................................................... 26 Bảng 3.1: Các chân của kit Intel Galileo Gen 2 sử dụng trong đề tài ........................ 30 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện sử dụng .................................................................. 41 Bảng 4.2: Các công cụ trên giao diện phần mềm Arduino.......................................... 48 xi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Nghĩa đầy đủ 1 SoC System-on-a-chip 2 I2C Inter-Integrated Circuit 3 SPI Serial Peripheral Bus 4 LAN Local Area Network 5 WAN Wide area network 6 VGA Video Graphics Adaptor 7 ADC Analog-to-digital Converter 8 DAC Digital-to-analog Converter 9 PWM Pulse Width Modulation 12 USB Universal Serial Bus 13 MISO Master Input Slave Output 14 MOSI Master Output Slave Input 15 SCK Serial Clock 16 SS Slave Select 17 CPU Central Processing Unit 18 SCL Serial Clock 19 SDA Serial Data Electrically Erasable Programmable Read-Only 20 EEPROM Memory 21 GSM Global System for Mobile 22 TFT Thin Film Transistor xii
TÓM TẮT Hiện nay, vi điều khiển và vi xử lý là xu hướng tuy không mới nhưng rất thịnh hành. Vì thế trong những năm gần đây, các nhà sản xuất chip điện tử đã cho ra đời những dòng vi điều khiển mới với những tính năng vượt bậc đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật. Một trong những dòng vi điều khiển mới phải kể đến là Intel Galileo. Với mục đích muốn tiếp cận gần hơn với dòng vi điều khiển mới này nên nhóm chúng tôi thực hiện đồ án “Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp kit Intel Galileo”. Hệ thống của chúng tôi bao gồm những chức năng sau:  Bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ.  Các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC… xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và dân dụng với nhiều ưu điểm hơn hẳn so với IC số như: thiết kế board mạch đơn giản, điều khiển dễ dàng, linh hoạt hơn… từ đó mang lại cho người sử dụng nhiều tiện ích. Trong những năm gần đây, các nhà sản xuất chip điện tử đã cho ra đời những dòng vi điều khiển với những tính năng mới đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật: giao tiếp cổng USB, truyển dữ liệu UART, điều chế độ rộng xung, tăng bộ nhớ nội… [1]. Nhận thấy tầm quan trọng trên nên việc khảo sát, tìm hiểu vi điều khiển ở nhiều cấp độ khác nhau từ đơn giản đến phức tạp là hết sức cần thiết. Vì thế đã có rất nhiều đề tài, đồ án tốt nghiệp, bộ thí nghiệm liên quan đến vi điều khiển để phục vụ việc học tập, thực hành, nghiên cứu đối với học sinh, sinh viên ví dụ như: “Thiết kế bộ thí nghiệm PIC 18F2455/2550/5555/4550” [2], “Thiết kế nhà thông minh dùng vi điều khiển PIC 16F887” [3], “Hệ thống điểm danh bằng vân tay ứng dụng vi điều khiển ARM” [4], “Ứng dụng kit Raspberry nhận dạng mặt người” [5]… Từ thực tế hiện nay, ta thấy các đề tài thường sử dụng vi điều khiển họ PIC, ARM… là chủ yếu. Bên cạnh đó chúng tôi nhận thấy dòng vi điều khiển Intel nói chung và kit Intel Galileo nói riêng còn khá mới mẻ và chưa được phổ biến rộng rãi nên hầu hết các bộ thí nghiệm, board thực tập hiện nay cho dòng vi điều khiển này gần như là chưa có. Chính vì vậy, đây là lý do mà chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp kit Intel Galileo” với mục đích tiếp cận gần hơn với dòng vi điều khiển Intel này và hơn hết có thể phục vụ nhu cầu học tập của các bạn sinh viên trong tương lai. 1.2 MỤC TIÊU  Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ.  Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC… BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong báo cáo này chúng tôi đã cố gắng trình bày một cách thật logic để người đọc có thể dễ dàng nắm rõ được kiến thức, phương thức cũng như cách thức hoạt động của hệ thống. Nội dung nghiên cứu được chúng tôi chia làm 5 nội dung chính như sau:  NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về kit Intel Galileo, phần mềm Arduino, các mạch giao tiếp ngoại vi với vi điều khiển.  NỘI DUNG 2: Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm (thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, thi công).  NỘI DUNG 3: Xây dựng các bài thực hành cơ bản, viết chương trình thực thi và kiểm tra kết quả trên bộ thí nghiệm.  NỘI DUNG 4: Thu thập kết quả, viết báo cáo luận văn.  NỘI DUNG 5: Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 1.4 GIỚI HẠN  Sử dụng kit Intel Galilleo làm mạch điều khiển, sử dụng các họ IC giao tiếp, hiển thị, giải mã, mở rộng port để thiết kế các module ngoại vi kết nối với mạch điều khiển.  Các bài tập thí nghiệm viết trên chương trình Arduino.  Số lượng module dự kiến điều khiển: 6 module. 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này tập trung vào những lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm cơ sở lý thuyết về Intel Galileo, các chuẩn giao tiếp sử dụng trong đề tài cũng như cơ sở lý thuyết về các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình bộ thí nghiệm.  Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài, thiết kế và tính toán những phần nào như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
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
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN 2.1.1 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 bộ nhớ (Memories). - 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
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]. 2.1.2 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). - Bộ nhớ (Memory). - Thành phần điều khiển nội (Internal block). - Ngoại vi (Peripheral). 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]. 2.2 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
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 3.4MHz). - 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
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