Luận văn cao học 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OSCILLO VÀ PC OSCILLO 5 1.1 Giới thiệu chung 5 1.1.1 Oxilo tương tự 5 1.1.2 Oxilo điện tử số 10 1.2 Tổng quan về PC Oscillo 13 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ USB 17 2.1 Giới thiệu 17 2.2 Kiến trúc tổng quan của hệ thống USB 18 2.2.1 Host: 19 2.2.2 Thiết bị USB: 20 2.2.3 Mô hình Bus vật lý 21 2.2.4 Mô hình Bus logic 23 2.2.5 Mối quan hệ Client software và function 23 2.2.6 Luồng dữ liệu USB 24 2.3 Kiến trúc chi (ết 24 2.3.1 Dây cáp USB. 24 2.3.2 USB Connecter 25 2.3.3 Đặc tính điện 25 2.3.4 Định nghĩa tốc độ 26 2.3.5 Giao thức USB 27 2.3.6 Các phương thức trao đổi dữ liệu 30 Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 2 CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM 38 3.1 Lý thuyết chung 38 3.1.1 Phương pháp xây dựng đường cong 38 3.1.2 Phân tích phổ tín hiệu 50 3.2 Phương Pháp khôi phục dạng 6n hiệu và phân 6ch phổ 57 3.2.1 Phương pháp khôi phục dạng tín hiệu 57 3.2.2 Thuật toán phân tích phổ ( FFT cơ số 2) 78 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 83 4.1 Độ chính xác 83 4.2 Hạn chế và kiến nghị 83 TÓM TẮT LUẬN VĂN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm vừa qua, ngành Điện tử - Viễn thông đã góp một phần không nhỏ vào công cuộc xây dựng và kiến thiết đất nước. So với lịch sử phát triển của ngành điện tử trên thế giới thì ngành điện tử của ta vẫn còn non trẻ và chủ yếu là phân phối và gia công lắp ráp các sản.Tuy đã có các sản phẩm thiết kế song vẫn còn nhỏ, lẻ. Để bắt kịp với sự phát triển của thế giới và đáp ứng nhu cầu thực tế chúng ta cần từng bước tự cường về công nghệ và tự chủ về quy trình sản suất, xây dựng những nền tảng cơ bản, phát huy hết nguồn lực về con người. Trong điều kiện đất nước còn khó khăn, các trang thiết bị còn thiếu vì vậy việc thiết kế các công cụ phục vụ cho công tác nghiên cứu và đào tạo là cần thiết. Việc trang bị lại các thiết bị phục vụ thí nghiệm sẽ giúp ích cho sinh viên có cơ hội tiếp xúc với thực tế để tự tin hơn khi bước vào môi trường làm việc. Một trong các công cụ về xử lí tín hiệu rất cần thiết cho ngành điện tử là máy hiện sóng (Oscilloscope). Phần nhiều các máy này trong phòng thí nghiệm hiện nay là các oscillo tương tự với màn hình hiện thị CRT. Một số phòng thí nghiệm mới đã có Oscillo số nhưng số lượng còn hạn chế. Oscillo số có những tính năng tốt hơn rất nhiều so với Oscillo tương tự như xử lí tín hiệu, lưu trữ các tín hiệu đã đo từng thời điểm quan sát, phân tích phổ, xử lí và gia công tín hiệu (FFT,FIR…) nhưng giá thành còn rất cao. Với mong muốn có thể tạo ra một chiếc Oscillo số đa tính năng phục vụ một phần trong công tác thực hành thí nghiệm trong trường và công tác nghiên cứu với chi phí nhỏ Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 4 hơn rất nhiều… Đề tài “Thiết kế phần mềm thiết bị đo và hiển thị dạng sóng lên màn hình máy tính” được tôi chọn trong luận văn tốt nghiệp của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Phạm Văn Bình đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, 11-2008 Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OSCILLO VÀ PC OSCILLO 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Oxilo tương tự. 1.1.1.1 Khái niệm. Oxilo là máy đo tín hiệu đa năng. Oxilo là đọc tắt của: + Oscilloscope: Máy xem dạng sóng, hiện sóng. + Oscillograph: Máy vẽ sóng, dao động kí. 1.1.1.2 Phân loại. Có nhiều loại Oxilo: + Oxilo cơ + Oxilo cơ điện. + Oxilo quang. + Oxilo nhiệt. + Oxilo quang điện. + Oxilo điện tử. 1.1.1.3 Ứng dụng. Oxilo được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành khoa học kĩ thuật khác nhau. Sở dĩ vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm: Giúp cho người đo vừa quan sát định tính được hình dạng của tín hiệu vừa có thể cùng một lúc đo được nhiều thông số của tín hiệu vì vậy nên nó có thể thay thế được nhiều thiết bị đo các thông số riêng rẽ của tín hiệu. Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 6 + Đo nhanh: Tiết kiệm được thời gian và tài chính. 1.1.1.4 Sơ đồ khối tối thiểu cần có. Hinh 1.1 Sơ đồ tối thiểu của một oxilo tương tự Kênh Z: Tạo ra màn hình, bút ghi, lực Fz (mục đích: làm cho màn hình phát sáng). Kênh Y: Là nơi đưa tín hiệu cần quan sát, đo đạc và dùng để điều khiển bút ghi lên trên, xuống dưới nhờ lực Fy. Kênh X: Tạo ra lực Fx kéo bút ghi chuyển động theo phương ngang. Yêu cầu hàm Fx(t) phải là hàm tuyến tính theo thời gian nếu không sẽ gây ra hiện tượng méo dao động đồ. Nếu 3 kênh X, Y, Z được tạo ra bằng các mạch điện tử thì ta có oxilo điện tử, còn nếu tạo ra từ năng lượng cơ thì ta có oxilo cơ. trong nội dung của bản báo cáo này ta chỉ tập trung vào oxilo điện tử. 1.1.1.5 Sơ đồ khối tổng quát dạng của 1 oxilo tương tự 1 kênh. Trong mục này chỉ giới thiệu khái quát về các phân hệ chính của 1 oxilo tương tự 1 kênh. Gồm có 4 phân hệ: - Phân hệ kênh Z. - Phân hệ kênh Y. Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 7 - Phân hệ kênh X và đồng bộ. - Phân hệ nguồn cấp. a, Phân hệ kênh Z. Bao gồm: + ống tia. + Bộ tạo tín hiệu có Tch để đánh dấu thời gian (khối này không có ở oxilo cấp thấp) ống tia gồm có 3 bộ phận: + Bộ phận 1: Hệ thống súng điện tử bao gồm các điện cực sau: Sợi đốt, cực lưới G, Anốt 1, Anốt 2, Anốt hậu. + Bộ phận 2: Màn huỳnh quang là lớp bột muối kim loại (thường là muối của kim loại kẽm, magiê, hay nhôm) tồn tại dưới dạng keo ở phía trong điện cực thủy tinh để mắt người quan sát. Lưu ý: Điện áp cắt là điện áp một chiều đặt vào G và tại điện áp này không có điện tử nào lọt qua lỗ của G để bắn lên màn hình. + Hệ thống lái tia điện tử bằng điện áp. Bao gồm hai cặp tấm: Cặp tấm lái theo chiều ngang X1, X2 và cặp tấm lái theo chiều dọc Y1, Y2. Cặp tấm X1, X2 đặt song song nhau, cách nhau một khoảng dx và cùng vuông góc với mặt phẳng ngang. Khi có điện áp từ đầu ra của khuếch đại đối xứng X đặt vào, do có sự chênh lệch điện áp giữa X1, X2 sẽ kéo bút ghi theo phương ngang. Cặp tấm Y1, Y2 đặt song song nhau, cách nhau một khoảng dy và cùng song song với mặt phẳng ngang. Khi có điện áp từ đầu ra của khuếch đại đối Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 8 xứng Y đặt vào (chính là điện áp của tín hiệu cần quan sát, đo đạc), do có sự chênh lệch điện áp giữa Y1, Y2 sẽ hình thành lực Fy kéo bút ghi theo đường sáng dọc. Bộ tạo tín hiệu có Tch để đánh dấu thời gian: Khối này thường là khối tự dao động đưa ra tín hiệu điều hoà hoặc xung vuông đều có chu kì chuẩn để đánh dấu thời gian. b, Phân hệ kênh Y. Có nhiệm vụ đưa tín hiệu cần đo, cần quan sát vào nó để tạo ra lực Fy kéo bút ghi lên trên hay xuống dưới tạo nên trục hàm số hay biên độ. Các khối chức năng: Hinh 1.2 Sơ đồ khối chức năng phân hệ kênh Y Khối chuẩn biên độ có tác dụng chuẩn lại thang khắc độ của chuyển mạch phân áp Y trước khi oxilo thực hiện phép đo biên độ điện áp của tín hiệu cần đo. Khối cáp đo: Là 1 cấu kiện chuẩn, trên đó có bộ chia cáp theo 2 thang 1:10 và 1:1. nếu để thang 1:10 thì kết quả đọc ra trên oxilo phải x10. Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 9 Khối chuyển mạch phân áp Y: Gồm 1 chuỗi mạch (R // C) tạo thành hệ số chia áp Kpa = Uvào/Ura. Khi Uy vào càng lớn thì cần điều chỉnh sao cho Kpa càng lớn. Khối này đưa ra mặt máy để điều chỉnh. Khối mạch vào và tiền khuếch đại Y. + Mạch vào thường là 1 tầng khuếch đại có hồi tiếp âm lớn, thường hệ số khuếch đại mạch vào 1 (để mạch vào có Zvào lớn, Zra nhỏ). Mạch vào đóng vai trò tầng đệm, thực hiện phối hợp trở kháng giữa mạch cần đo và oxilo. + Tầng tiền khuếch đại Y đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn đồng thời phải đảm bảo dải thông của kênh Y. Dây trễ: Là chuỗi các mạch LC mắc song song, liên tiếp nhau. Các LC này có thể được tạo từ các phần tử thụ động hay tích cực. Tầng khuếch đại Y đối xứng: Tạo ra 2 điện áp ngược pha nhau đưa vào 2 tấm lái tia Y1, Y2 làm cho độ nhạy của cặp tấm (hay của kênh Y) tăng lên gấp đôi. c, Phân hệ kênh X và đồng bộ. Kênh X có 2 chế độ quét: + Quét X trong: * Quét liên tục: Là tạo ra các xung răng cưa liên tục, hết xung này đến xung khác, mục đích để vẽ dao dộng đồ của tín hiệu cần đo đưa đến đầu vào Y là liên tục. * Quét đợi: Là tín hiệu xung răng cưa chỉ được tạo ra khi trên kênh Y tồn tại xung hay nói cách khác đầu vào Y là tín hiệu xung. + Quét X ngoài: Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 10 Khi đó để quét X cần phải từ ngoài oxilo đến đầu vào X, qua chuyển mạch phân áp X, mạch vào và tiền khuếch đại X, khuếch đại đối xứng X, vào cặp lái tia X1, X2. Chế độ này được sử dụng khi oxilo thực hiện các phép đo các thông số bằng cách so sánh tín hiệu đó với tín hiệu chuẩn thông qua dao động đồ litxagiu (là một đường cong khép kín). Đồng bộ: Có ba chế độ đồng bộ. + Đồng bộ ngoài: Tín hiệu đồng bộ đưa vào điều khiển đồng bộ được lấy từ một nguồn ngoài oxilo, thường để đồng bộ tín hiệu xung, dao động đồ của tín hiệu có độ rộng hẹp và có chu kỳ dài. + Đồng bộ trong: Tín hiệu đồng bộ đưa xuống được lấy từ Uy (lấy 1 phần tín hiệu Uy cần quan sát, đo đạc). Được sử dụng để đồng bộ dao động đồ trên màn hình khi tín hiệu vào Uy là tương tự hay là xung vuông đều. + Đồng bộ 50Hz: Tín hiệu đồng bộ được lấy từ một cuộn thứ cấp của biến áp nguồn nuôi oxilo. Thường để đồng bộ các tín hiệu vào là điều hoà có tần số thấp. Ngoài ra còn có thể điều khiển đồng bộ bằng điện áp 1 chiều. d, Phân hệ nguồn cấp Oxilo được nuôi từ nguồn xoay chiều 50Hz, ác quy, pin. 1.1.2 Oxilo điện tử số. 1.1.2.1 Ưu điểm. Duy trì hình ảnh dạng của tín hiệu trên màn hình với khoảng thời gian không hạn chế. Tốc độ có thể thay đổi trong giới hạn rộng. Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope [...]... USB USB là loại bus hỗ trợ kết nối để trao đổi dữ liệu giữa máy chủ và các thiết bị ngoại vi Các thiết bị ngoại vi cùng chia sẻ một băng thông USB thông qua việc phân định công việc của host và giao thức thẻ bài Loại bus này cho phép thiết bị ngoại vi kết nối vào, đặt cấu hình, sử dụng và đóng kết nối trong khi host và thiết bị ngoại vi vẫn hoạt động Hệ thống USB gồm 3 thành phần sau: USB interconnect:... phép thiết bị USB kết nối và giao tiếp với host Thiết bị USB: Thiết bị có giao diện USB (cổng USB) Host: PC có cổng USB Hình2 .1 Mô hình truyền dữ liệu trong hệ thống USB Trên hình vẽ ta thấy việc truyền dữ liệu giữa host và một thiết bị USB được thực hiện trên 3 lớp và thực thể Lớp Giao tiếp USB Bus (USB Bus Interface Layer) cung cấp một đường kết nối vật lý/tín hiệu/gói tin giữa host và thiết bị Nguyễn... phải sử dụng giao diện chương trình phần mềm USB để liên hệ với các function Trong suốt quá trình vận hành, client software độc lập đối với các thiết bị khác có thể được cắm vào USB Điều này cho phép người thiết kế thiết bị và client software tập trung vào thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm cho Function Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 24 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa ClientSW –... xem thiết bị có được cắm vào cổng của nó không, nếu không có điện trở kéo, USB mặc định không có thiết bị nào được kết nối với bus Ngược lại, thiết bị được thiết lập ở low-speed bằng cách nối dây qua 1 điện trở kéo từ D- lên nguồn (xem Hình 2.10) Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 27 Hình 2.10 Thiết lập chế độ Fullspeed và lowspeed Thiết bị high-speed được khởi động như thiết bị full-speed... USB-Oscilloscope Luận văn cao học 23 2.2.4 Mô hình Bus logic Khi một thiết bị vật lý được cắm vào USB trong mạng xếp tầng ngôi sao, host sẽ giao tiếp với mỗi thiết bị như là chính thiết bị được kết nối trực tiếp đến root hub Mô hình logic: Hình 2.5 Mô hình Bus logic 2.2.5 Mối quan hệ Client software và function Theo mô hình logical và vật lý của USB, các thiết bị USB cùng chia sẻ chung bus, tuy nhiên client... Lớp Thiết bị USB (USB Device Layer) gồm có Phần mềm hệ thống USB (USB System SW) có chức năng thực hiện những thao tác USB tổng quát (như các yêu cầu, kiểu truyền) với thiết bị Lớp Function (Function Layer) cung cấp thêm những khả năng cho host giao tiếp với thiết bị qua một lớp Phần mềm client (Client SW) tương ứng.Hai lớp Thiết bị và Function giao tiếp với phần thiết bị vật lý tương ứng qua các kết... của một thiết bị USB Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 21 Hình 2.3 Các thành phần của thiết bị USB Các thiết bị USB cung cấp các chức năng cho host Các chức năng này rất đa dạng nhưng chúng đều có chung một giao diện cơ bản với host Điều này cho phép host quản lý tất cả các thiết bị USB với cùng một cách Để giúp host trong việc xác nhận và cấu hình thiết bị USB, mỗi một thiết bị mang... theo thứ tự đã xác định và được đưa tới bộ chuyển đổi DAC Bộ biến đổi số - tương tự DAC sẽ biến đổi giá trị nhị phân thành điện áp tương tự, và điện áp này được đưa qua bộ khuếch đại Y và tới cặp phiến làm lệch Y của ống tia điện tử Do bộ nhớ được liên tiếp quét nhiều lần trong 1 giây nên màn hình được phát sáng liên tục và hiển lên dạng sóng là hình vẽ các điểm sáng, biểu thị dạng sóng cần quan sát Để... (COM, LPT, IDE ) USB có các tính năng nổi bật sau: Đầu tiên USB thay thế tất cả các loại đầu nối cổng song song và nối tiếp khác với một đầu cắm chuẩn và kết hợp cổng Với PC kèm theo USB và ngoại vi bạn chỉ cần cắm chúng và bật chúng lên USB thực hiện mọi quá trình tự động USB là thiết bị thay nóng, không cần bật tắt máy khi cắm hay rút thiết bị USB USB hỗ trợ cắm nhiều thiết bị trong cùng một lúc Một... tả về cấu hình Một số thông tin chung cho tất cả các thiết bị, còn các thông tin khác được cung cấp riêng bởi thiết bị 2.2.3 Mô hình Bus vật lý Các thiết bị USB đều được kết nối với host qua mô hình mạng xếp tầng ngôi sao (tiered star topology) để thực hiện thực hiện kết nối giữa các hub và các function Mỗi hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao, mỗi đo n dây sẽ nối điểmđến-điểm giữa hub và hub khác . trường và công tác nghiên cứu với chi phí nhỏ Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope Luận văn cao học 4 hơn rất nhiều… Đề tài Thiết kế phần mềm thiết bị đo và hiển thị dạng sóng lên màn hình máy tính . host giao tiếp với thiết bị qua một lớp Phần mềm client (Client SW) tương ứng.Hai lớp Thiết bị và Function giao tiếp với phần thiết bị vật lý tương ứng qua các kết nối logic và sử dụng lớp Giao. cho phép thiết bị USB kết nối và giao tiếp với host. Thiết bị USB: Thiết bị có giao diện USB (cổng USB). Host: PC có cổng USB. Hình2 .1 Mô hình truyền dữ liệu trong hệ thống USB Trên hình vẽ ta