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 Microprofessors and microcpmputers hardware and softwware, Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, Prentice Hall, 2003 Interfacing Sensors To The Pc, Willis J.Tompkin, Jonh G.webster, Prentice Hall, 1998 Microprocessor Interfacing techniques, R Zaks & A Lease, Sybex Micro Processor and Interfacing, D Hall, McGraw Hill; Parallel port complete, J.Axelson, LakeViewReseach Mastering Serial Communication, P.W.Gofton, Sybex Nội dung chương trình n n n n n n 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 toán 10 11 12 13 14 15 Thiết kế mạch điều khiển ánh sáng theo chương trình định trước Thiết kế mạch trang trí đèn LED Thiết kế mạch nhận dạng điểm phục vụ (thêm 2IC) Thiết kế mạch đo lượng mưa Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ không khí Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ dung dịch Thiết kế mạch đồng hồ điện tử Thiết kế mạch tính thời gian cho môn điền kinh Thiết kế bảng quang báo Thiết kế mạch khoá điện tử Thiết kế mạch điều khiển thiết bị remote Kết nối bàn phím máy tính với VXL, hiển thị ký tự lên LCD Thiết kế mạch điều khiển Robot chạy theo qũy đạo (sd motor bước) Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động DC Thiết kế mạch điều khiển góc quay môtơ, ổn tốc cho motor Chương 1: Giao thức ghép nối n Tín hiệu n Format n Tốc độ In/Out n Lỗi kiểm soát lỗi n Bộ lệnh trả lời n Kịch 1.1 Tín hiệu Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần ý đặc biệt tới tín hiệu theo yêu cầu: n Analog/Digital n Digital: Trạng thái vật, tượng,… format, mức logic,… Áp/dòng, dải đo, độ phân ly, thời gian tác động, độ xác, độ lặp lại,… giá trị đo n Analog: n Hơn thiết bị? => bus/mạng hay không? => dùng bit (trường) địa - tùy người 1.1 Tín hiệu (tiếp) n Nếu dùng bus => Standard bus hay không (ISA, I2C, USB, … hay bus chuẩn RS485)? n IDE LPT – Mode cables bus? Tại sao? n Khoảng cách: Xa/gần => Serial, Parallel, có liên quan đến tốc độ n Xa: Daisy chain cho tín hiệu nguồn cấp… n Các tín hiệu điều khiển trạng thái n Control signals n Status signals n Handshaking sighals 1.1 Tín hiệu (tiếp) n Daisy chain Nối thiết bị có khoảng cách từ vài đến vài chục m, output port (modul) thứ i nối với input i+1 Đặc biệt Field Buses, lên tới km n Dùng cho tín hiệu \\ nối tiếp, nguồn cấp, handshaking,… n …… CPU IO_0 IO_1 …… IO_n 1.1 Tín hiệu (tiếp) n Tính chất vật lý tín hiệu: hàm thời gian, mức U/I n Direction: In/Out, ý chiều dòng điện n Voltage/Current/Optical/Wave n Chú ý Input Voltage n Mức điện áp: Mức áp? (TTL, CMOS, …) n Single End (đơn cực) Differrential signal: n Single End signed: n Tín hiệu so với điện chuẩn, thường GND (0 Volt) n Ví dụ: Các tín hiệu bus (data, add, control) n Có n tín hiệu => có n+1 dây dẫn n Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp so với chuẩn 1.1 Tín hiệu (tiếp) n Differential Signal: Tín hiệu vi sai n n tín hiệu => 2*n dây dẫn phía thu n n n Thu: Nếu có hai dây có kích thước, độ dài, trở kháng,… gần nhau, h loại trừ => chịu nhiễu tốt phía thu n n n n (Va – Vb)>100mV=> logic 1, tùy thuộc vào chuẩn áp dụng (Va – Vb) logic Uin = k(Va – Vb) => thành phần giống loại bỏ Khoảng cách lớn, tốc độ cao IC: SN75176 TI ví dụ Địa ứng dụng: USB cable, Profibus,… Đơn cực Đơn cực A B + - C Vc = k(Va – Vb) 1.1 Tín hiệu (tiếp) n Khả phối hợp tải – dòng điện ra: n n n n n n Số tải Chiều dòng điện Sink hay Source Nối chung/ghép nối bus đơn giản: state, Mux, Switch Hot swap – hot plugible: yêu cầu Vcc tín hiệu Cách ly (isolation): Relay, Opto coupler, IrLED Bus slot, Connecter, chuẩn, số chân (pin) 1.1 Tín hiệu (tiếp) 5V Sourse MCU Outport Buffer R LED Sink R 5V LED Hình: Sink Sourse connection 1.1 Tín hiệu (tiếp) 5V Hình: Open collecter 1.1 Tín hiệu (tiếp) n n Connecter n D shell: DB9, DB25,… n DIN Cable n Flat n Coaxial, n Shield: Cho tín hiệu nguồn cấp n Twisted Pair: 5, n Vi sai n Optical Fiber Hình: Connecter 1.2 Format n Thông tin định dạng theo: binary/hex (ASCII) VD: số đo nhiệt độ 12 bits, dải giá trị đến 9990 C Khi lưu CSDL, truyền tin: n n 12 bits (1,5 byte) tiết kiệm nhớ, thời gian truyền n ASCII: characters: Dễ quản lý, kiểm soát sai, hiển thị Lượng tin lớn => trao đổi (với DAS, PLC, GPS, Digi-Oscillocope,…) n Header: [tên (bản tin, gói), số thứ tự, ktự bắt tay, ktự đồng bộ, số ktự/byte gói,…] – không mang tin n Content: nội dung tin – mang thông tin n Tailer: Mã bắt tay kết thúc, [mã kiểm lỗi] – không mang tin 1.2 Format (tiếp) bits – 1023 bytes 16bits PID Data CRC16 Hình: USB data packet format n Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ, RS-232, RS-485, RS-422): định dạng thành frame: n start bit = n 5/6/7/8 data bit, D0 first n [parity: Even/odd] n 1/1.5/2 stop bit = 1.3 Tốc độ In/Out n Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin hệ (tốc độ khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan đến tín hiệu: n Chỉ “bottle_neck”, khắc phục => xuất “bottle neck” mức độ thấp n Phụ thuộc vào khoảng cách – tích số (k/c tốc độ) n Nhiễu: theo công thức Shannon bps = BW log2(1+P/N) Với BW: bandwidth, P/N: tỷ số công suất tín hiệu/nhiễu n Đường truyền: (công nghiệp) cáp đồng trục, cáp quang, wireless,…) n Synchronous/Asynchronous n Modulation/Demodulation…=>Tốc độ kbps/kBps? VD: LPT: SPP mode: 50…100kBps; RS-232: 2400/4800/9600/19200/…bps 1.4 Lỗi kiểm soát lỗi n Khi trao đổi thông tin thường gây lỗi, đặc biệt truyền xa/chuyển đổi tín hiệu Nhiều phương pháp (hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra: n [Block] check sum – BCC, phần mềm: tính tổng tất ký tự, byte Kết lấy byte n VD: ROM BIOS, Ext BIOS started @ chẵn 2K, ô đầu mã 0x55 0xAA, độ dài mảng ROM 512 byte; checksum bù cho tổng tất byte mã checksum zero n CRC, ECC,… vi mạch/software – subroutine n Parity, chiều n Redundancy (RAID), thừa dư 1.5 Bộ lệnh 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 lệnh (command set) thông tin trả (response set) n Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu cổng phần cứng n Tập hợp yêu cầu từ CS – command set n Tập hợp trả lời, trạng thái – result/response/reaction set n Data down/up n Symtax of command and response (structure and grammar) n 1.6 Kịch n Liệt kê trường hợp áp phép toán xử lý tương ứng để đảm bảo việc ghép nối: không tin, thừa tin, quẩn, treo,… n Thường xây dựng theo liểu Step List chart n Timeout n … Slave Master ACK ACK NACK t Hình: Scenario Chart Ví dụ: giao thức PC VĐK việc trao đổi liệu (U, I, t0,…) n Tín hiệu? n Format? n Tốc độ? n Lỗi? n Lệnh trả lời? n Kịch bản? n … 1.7 Bài tập Viết chương trình giả lập RS-232 Viết chương trình để nhập ký tự máy tính hiển thị ký tự lên LCD Đo giá trị nhiệt độ (độ ẩm, U, I,…) hiển thị lên máy tính (gtrị dạng biểu đồ) [...]...Ví dụ: giao thức giữa PC và VĐK trong việc trao đổi dữ liệu (U, I, t0,…) n Tín hiệu? n Format? n Tốc độ? n Lỗi? n Lệnh và trả lời? n Kịch bản? n … 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,…) ... dung chương trình n n n n n n Ch 01: 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 toán 10 11 12 13 14 15 Thiết kế mạch... độ dung dịch Thiết kế mạch đồng hồ điện tử Thiết kế mạch tính thời gian cho môn điền kinh Thiết kế bảng quang báo Thiết kế mạch khoá điện tử Thiết kế mạch điều khiển thiết bị remote Kết nối bàn... theo chương trình định trước Thiết kế mạch trang trí đèn LED Thiết kế mạch nhận dạng điểm phục vụ (thêm 2IC) Thiết kế mạch đo lượng mưa Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ không khí Thiết kế mạch