MÔN HỌC Thiết kế board giao tiếp (Interface Board Design) By Trần Văn Hùng Mechatronics Dept http :// www . ntu . edu . vn/ Email: tvh42th@gmail.com Tài liệu tham khảo 1. Microprofessors and microcpmputers hardware and softwware, Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, Prentice Hall, 2003 2. Interfacing Sensors To The Pc, Willis J.Tompkin, Jonh G.webster, Prentice Hall, 1998 3. Microprocessor Interfacing techniques, R. Zaks & A. Lease, Sybex 4. Micro Processor and Interfacing, D. Hall, McGraw Hill; 5. Parallel port complete, J.Axelson, LakeViewReseach 6. Mastering Serial Communication, P.W.Gofton, Sybex 1 Nội dung chương trình Ch01: Giao thức ghép nối Ch02: Giao diện bus Ch03: Giao diện số Ch04: Giao diện tương tự Ch05: Vi điều khiển Ch06: Bàn phím Các bài toán 1. Thiết kế mạch điều khiển ánh sáng theo chương trình định trước 2. Thiết kế mạch trang trí bằng đèn LED 3. Thiết kế mạch nhận dạng điểm phục vụ (thêm ít nhất 2IC) 4. Thiết kế mạch đo lượng mưa 5. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ không khí 6. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ dung dịch 7. Thiết kế mạch đồng hồ điện tử 8. Thiết kế mạch tính thời gian cho các môn điền kinh 9. Thiết kế bảng quang báo 10. Thiết kế mạch khoá điện tử 11. Thiết kế mạch điều khiển thiết bị bằng remote 12. Kết nối bàn phím máy tính với VXL, hiển thị ký tự lên LCD 13. Thiết kế mạch điều khiển Robot chạy theo qũy đạo (sd motor bước) 14. Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ DC 15. Thiết kế mạch điều khiển góc quay của môtơ, ổn tốc cho motor. 2 Chương 1: Giao thức ghép nối  Tín hiệu Format Tốc độ In/Out Lỗi và kiểm soát lỗi Bộ lệnh và trả lời Kịch bản 1.1 Tín hiệu Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chú ý đặc biệt tới các tín hiệu theo yêu cầu: Analog/Digital Digital: Trạng thái của sự vật, hiện tượng,… format, mức logic,… Analog: Áp/dòng, dải đo, độ phân ly, thời gian tác động, độ chính xác, độ lặp lại,… giá trị đo Hơn một thiết bị? => bus/mạng hay không? => dùng bit (trường) địa chỉ - tùy từng người 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Nếu dùng bus => Standard bus hay không (ISA, I 2 C, USB, … hay các bus trên chuẩn RS485)?  IDE và LPT – Mode 0 cables là bus? Tại sao?  Khoảng cách: Xa/gần => Serial, Parallel, có liên quan đến tốc độ  Xa: Daisy chain cho tín hiệu hoặc nguồn cấp… 1 Các tín hiệu điều khiển trạng thái Control signals Status signals Handshaking sighals 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Tính chất vật lý của tín hiệu: là hàm của thời gian, mức U/I  Direction: In/Out, chú ý về chiều của dòng điện Voltage/Current/Optical/Wave Chú ý Input Voltage Mức điện áp: Mức áp? (TTL, CMOS, …) Single End (đơn cực) Differrential signal:  Single End signed:  Tín hiệu so với một điện thế chuẩn, thường là GND (0 Volt) Ví dụ: Các tín hiệu trên bus (data, add, control) Có n tín hiệu => có ít nhất n+1 dây dẫn Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cùng chuẩn 2 1.1 Tín hiệu (tiếp) Khả năng phối hợp tải – dòng điện ra:  Số tải  Chiều dòng điện Sink hay Source  Nối chung/ghép nối bus đơn giản: 3 state, Mux, Switch.  Hot swap – hot plugible: yêu cầu Vcc và tín hiệu Cách ly (isolation): Relay, Opto coupler, IrLED Bus slot, Connecter, chuẩn, số chân (pin) 3 4 1.1 Tín hiệu (tiếp) MCU Outport Buffer LEDR V5 5V Sourse LEDR Sink Hình: Sink Sourse connection 1.1 Tín hiệu (tiếp) Hình: Open collecter 5V 1.2 Format  Thông tin được định dạng theo: binary/hex (ASCII) VD: 1 số đo nhiệt độ 12 bits, dải giá trị 0 đến 999 0 C. Khi lưu trong CSDL, truyền tin:  12 bits (1,5 byte) tiết kiệm bộ nhớ, thời gian truyền ASCII: 3 characters: Dễ quản lý, kiểm soát sai, hiển thị  Lượng tin lớn => khi trao đổi (với DAS, PLC, GPS, Digi-Oscillocope,…)  Header: [tên (bản tin, gói), số thứ tự, ktự bắt tay, ktự đồng bộ, số ktự/byte trong gói,…] – không mang tin.  Content: nội dung tin – mang thông tin Tailer: Mã bắt tay kết thúc, [mã kiểm lỗi] – không mang tin 1.2 Format (tiếp) 8 bits 0 – 1023 bytes 16bits PID Data CRC16 Hình: USB data packet format  Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ, RS-232, RS-485, RS-422): được định dạng thành 1 frame: 5 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Connecter  D shell: DB9, DB25,…  DIN  Cable  Flat  Coaxial,  Shield: Cho tín hiệu hoặc nguồn cấp  Twisted Pair: 5, 6  Vi sai  Optical Fiber Hình: Connecter  1 start bit = 0 5/6/7/8 data bit, D0 first [parity: Even/odd] 1/1.5/2 stop bit = 1 1.3 Tốc độ In/Out  Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin của hệ (tốc độ và khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan đến tín hiệu:  Chỉ ra các “bottle_neck”, khắc phục được => xuất hiện các “bottle neck” ở mức độ thấp hơn  Phụ thuộc vào khoảng cách – tích số (k/c và tốc độ) Nhiễu: theo công thức của Shannon bps = BW log 2 (1+P/N). Với BW: bandwidth, P/N: tỷ số công suất tín hiệu/nhiễu  Đường truyền: (công nghiệp) cáp đồng trục, cáp quang, wireless,…) Synchronous/Asynchronous Modulation/Demodulation…=>Tốc độ bao nhiêu kbps/kBps? VD: LPT: SPP mode: 50…100kBps; RS-232: 2400/4800/9600/19200/…bps 1.4 Lỗi và kiểm soát lỗi  Khi trao đổi thông tin thường gây ra lỗi, đặc biệt truyền xa/chuyển đổi tín hiệu. Nhiều phương pháp (hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra:  [Block] check sum – BCC, phần mềm: tính tổng của tất cả các ký tự, các byte. Kết quả có thể lấy 1 byte  VD: ROM BIOS, Ext BIOS started @ chẵn 2K, 2 ô đầu là mã 0x55 và 0xAA, độ dài của mảng ROM là 512 byte; checksum bù 2 sao cho tổng của tất cả các byte và mã checksum luôn bằng zero  CRC, ECC,… vi mạch/software – subroutine Parity, 1 hoặc 2 chiều Redundancy (RAID), thừa dư 1.5 Bộ lệnh và trả lời  Khi ghép Intelligent Devices (Computerized devices – mouse, KB, Printer, modem, FDC, HDC, RTU…) có nhiều tham số, chế độ hoạt động => xây dựng bộ lệnh (command set) và thông tin trả về (response set) Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu và cổng phần cứng 6  Tập hợp các yêu cầu từ CS – command set Tập hợp các trả lời, trạng thái – result/response/reaction set Data down/up Symtax of command and response (structure and grammar) Ví dụ: giao thức giữa PC và VĐK trong việc trao đổi dữ liệu (U, I, t 0 ,…) Tín hiệu? Format? Tốc độ? Lỗi? Lệnh và trả lời? Kịch bản? …. 1.7 Bài tập 1. Viết chương trình giả lập RS-232 2. Viết chương trình để nhập ký tự trên máy tính rồi hiển thị ký tự lên LCD 3. Đo giá trị nhiệt độ (độ ẩm, U, I,…) rồi hiển thị lên 7 1.6 Kịch bản  Liệt kê các trường hợp rồi có thể áp các phép toán xử lý tương ứng để đảm bảo việc ghép nối: không mất tin, thừa tin, quẩn, treo,…  Thường xây dựng theo liểu Step List hoặc chart  Timeout  … t Hình: Scenario Chart Master Slave ACK ACK NACK máy tính (gtrị và dạng biểu đồ). 8 [...]... ISA Bus 2.2 USB Hình: USB logo 2 2.2 USB (tiếp)  Chia thành nhiều Tiers  Các Tiers nối với các thiết bị: Hub hoặc chức năng  Mỗi Tier có Hub(s) Hình: USB topology 2.2 USB (tiếp) Chỉ có một USB host (USB controller trong hệ Devices, có 2 loại Hub, mở rộng thêm thiết bị nối vào USB Các thiết bị chức năng JoyStick, KeyBoard, Printer, Digital Camera,… Các thiết bị chuẩn  interface USB theo: USB... thêm các card/ thiết bị I/O chuẩn với Mother Board, 1…12Slots, hiện tại các máy thông thường không dùng  8/16 bits for data transfers  4,77=>8,33 MHz/11.1MHz => 2.75MWps/5.5MWps max, DMA 16 Only 1 BusMaster, CPU hoặc DMAC, w AEN No data integrity, không kiểm tra parity Dùng để ghép nối với  1 các thiết bị chậm, kiểu ký tự: keyboard, mouse,… 2.2 Industry Small Architecture Bus (tiếp) (http://pinouts.ru/Slots/ISA_pinout.shtml)...Chương 2: Giao diện Bus  Khái niệm về Bus ghép nối - In/Out Buses  ISA Bus  USB  Philips I2C 2.1 Khái niệm về Bus ghép nối Là PCB (Printed Circuit Board) , Cable (Copper/Optic), Slot, Connector… Nối nhiều thiết bị slave [master], dùng chung: trong một thời điểm chỉ có một talker – 1 hoặc nhiều listener  Bus song song (n bit) hoặc nối tiếp (I2C, USB, Profi,…) IO Buses,... Philips I2 C Bus (tiếp) SCL SDA Device_0 Device_1 Device_2 Device_3 Device_4 Device_5 Device_6 Hình: I2 C Topology 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) SCL SDA Slave_0 Có thể có nhiều Masters, trong một thời điểm chỉ có 1 Master hoạt động Master_0 Slave_1 Slave_2 Master_1 Slave_3 Slave4 Hình: Configuration with 2 masters 6 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) Hình: Start and stop 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) Hình: Data... control fields   Tự phát hiện attach/detach, xác định cấu hình các thiết bị 3 tự động ở mức hệ thống TimeOut đối với trường hợp mất tin/gói tin lỗi 2.2 USB – connecter (tiếp) 2.2 USB – signal (tiếp) Hình: Signal 4 2.2 USB – signal (tiếp) Token Packet Format Start-Of-Frame (SOF) Packet Format Data Packet Format Handshake Packet Format 2.3 Philips I2C Bus     Dùng nhiều trong các hệ thống nhúng (embeded... Scan Mode:  Mạch điện tử sẽ điều khiển sáng 1 nhóm phần tử trong toàn bộ bảng ở một khoảng thời gian (ms), rồi điều khiển nhóm phần tử tiếp theo …cho đến hết vòng Với điều kiện phải thực hiện 50=>120 frames/second  Tùy thuộc độ sáng và môi trường (in/outdoor) => thiết kế độ rỗng (duty cycle) của từng phần tử Thường được chon là 1, ½, ¼, 1/8 và 1/16 7 3.1 Parallel - LED Tính toán mạch: cũng giống như... Slave_3 Slave4 Hình: Configuration with 2 masters 6 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) Hình: Start and stop 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) Hình: Data transfer 7 2.3 Philips I2 C Bus (tiếp) 5V Hình: Open collecter 2.3 Philips I2 C Bus – một số chip (tiếp) Atmega, PIC,…  EEPROM, RAM,…  RTC,…  Bài tập chương 2 1 Viết chương trình giả lập I2C 8 9 Chương 3: Digital Interface  Parallel Interface  Serial Interface 3.1... reset Communication Standard  2.2 USB Thông (tiếp) số kỹ thuật:  1.5Mbps – Low speed moade và 12 Mbps (Revision 1.1) Nguồn cấp +5V, vài metre Power management Revision 2.0: 480Mbps Ưu điểm:  Tín hiệu vi sai phát/thu, bọc kim, chống nhiễu CRC Protection đối với data & control fields   Tự phát hiện attach/detach, xác định cấu hình các thiết bị 3 tự động ở mức hệ thống TimeOut đối với... giới hạn của IF , đến mức nào đó – nói chung LED sẽ không sáng thêm khi IF>50mA Góc bố trí ngược sáng/thuận sáng View angle 8 3.1 Parallel - LED Kết nối LED 3.1 Parallel – LED (7 seg) LED 7 đoạn, màu, kích thước, CA/CC? 9 3.1 Parallel - LED (7 seg)  Kết nối 3.1 Parallel - LED (7 seg)  Điều khiển LED 3.1 Parallel - LED (7 seg) Có  4 LED (32 pins) Điều khiển chế độ quét – chỉ 01 LED sáng trong... Principle Modem:  Là thiết bị biến đổi bit (0/1) thành tín hiệu vật lý,phù hợp với môi trường truyền xa (Điều chế Modulation) và ngược lại (giải điều chếDemoulation) Ví dụ: Converter/ driver: Maxim 232/ ICL 232 (232 modem): TTL EIA 232, Single end, so với Gnd:  -3V -15 V '1' +3V +15 V '0‘ Đơn giản, 100feet @ 9600 bps, dễ bị nhiễu Thường dùng để ghép nối các thiết bị thông minh, . dung dịch 7. Thiết kế mạch đồng hồ điện tử 8. Thiết kế mạch tính thời gian cho các môn điền kinh 9. Thiết kế bảng quang báo 10. Thiết kế mạch khoá điện tử 11. Thiết kế mạch điều khiển thiết bị bằng. trước 2. Thiết kế mạch trang trí bằng đèn LED 3. Thiết kế mạch nhận dạng điểm phục vụ (thêm ít nhất 2IC) 4. Thiết kế mạch đo lượng mưa 5. Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ không khí 6. Thiết kế mạch. MÔN HỌC Thiết kế board giao tiếp (Interface Board Design) By Trần Văn Hùng Mechatronics Dept http :// www . ntu . edu