Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC 18F97J60 docx

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, các thiết bị điện tử và tự động hóa có mặt ở khắp nơi, chúng có mặt trong tất cả các lĩnh vực, từ những ứng dụng trong công nghiệp cho đến những sản phẩm dân dụng, và những ứng dụng chuyên dụng trong quân sự, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông. Mà lõi của các thiết bị đó đại đa số là các họ vi xử lí, vi điều khiển. Một trong những vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi và có nhiều tài nguyên là họ vi điều khiển PIC. Trước đây, việc giám sát từ xa thông qua một hệ thống gồm các phần tử nối với nhau bằng dây dẫn với các chuẩn truyền thông phổ biến như RS-232, RS-485. Tuy nhiên, việc mở rộng phạm vi điều khiển (sự gia tăng về số lượng các phần tử) thì mô hình này gặp nhiều khó khăn, và đặc biệt là khoảng cách điều khiển rất hạn chế. Sự ra đời của công nghệ truyền thông với giao thức TCP/IP đã làm thay đổi hoàn toàn phạm vi ứng dụng của thiết bị giám sát và điều khiển từ xa. Mô hình mạng phổ biến đó là mạng nội bộ LAN (Local Area Network) và mạng diện rộng WAN (Wide Area Network), gọi chung là mạng Ethernet đã cho phép mở rộng phạm vi giám sát và quy mô của hệ thống. Thêm vào đó, khi muốn truyền xa hơn, có thể truy câp vào hệ thống từ bất kỳ đâu chỉ cần có thêm đường truyền Internet. Vi điều khiển PIC có rất nhiều tài nguyên, có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khác như các cổng I/O, biến đổi ADC, các bộ timer…Và PIC18F97J60 là một trong những chip vi điều khiển có đấy đủ tính năng như vậy, đăc biệt hơn khi vi điều khiển này hỗ trợ chuẩn Ethernet giúp các thiết bị có thể dễ dàng kết nối Internet. Xuất phát từ thực tiễn đó qua đề tài: “ Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC 18F97J60 ” nhóm chúng em đã quyết định chọn một ứng dụng quan trọng nổi trội hơn so với các họ vi điều khiển khác đó chính là điều khiển thiết bị từ xa qua giao thức TCP/IP dùng PIC18F97J60 . Trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân LỜI CẢM ƠN Trước tiên chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô Trường Đại học Điện lực, khoa Công nghệ tự động đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quí giá trong suốt quá trình chúng em học tại trường. Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Bùi Thị Duyên và KS. Nguyễn Khánh Hưng, đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Bên cạnh đó nhóm đồ án cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể lớp Đ3_CNTD, những người đồng hành trong khóa học và có nhiều ý kiến đóng góp. Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc! Hà nội, Ngày 10 tháng 01 năm 2013 Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Vũ Văn Cảnh 2. Nguyễn Văn Phong 3. Lê Anh Quân GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ***************** PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ ĐẠI HỌC Họ và tên : ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… Lớp : ………………………………………… ……Khoa : Công nghệ tự động Ngành học : ………………………… ……………………………………………… Tên đề tài : ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… Mục đích : ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… Yêu cầu : ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… ………………………… ……………………………………………… Nơi thực hiện : ………………………… …………………………………………… Kết quả thực hiện : ( Bản vẽ, thuyết trình, chương trình… ) ………………………… ………………………………………………………………. Ngày giao đề tài : ……… ……………………………………………………………… Ngày hoàn thành : ……… …………………………………………………………… Giáo viên hướng dẫn ( Ghi rõ chức danh, học hàm, học vị, họ và tên ) ………………………… ………………………………………………………………. Hà Nội, ngày………tháng…….…năm……… Giáo viên hướng dẫn Khoa công nghệ tự động GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân Mục lục Trang GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân Danh mục hình vẽ GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân 8 CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VĐK PIC 18F97J60 1.1.Tổng quan về VĐK PIC. 1.1.1. Lịch Sử Phát Triển Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo bộ nhớ kiểu EPROM và EEPROM, đó là các linh kiện thu hút nhiều đầu tư của các phòng thí nghiệm bán dẫn. Đầu những năm 70 Genneral Instrument cũng chế tạo vi xử lý 16 bit PC1600. Bộ xử lý này khá tốt nhưng có nhược điểm là khả năng vào ra không mạnh để thích ứng bộ xử lý PC1600 trong các ứng dụng cần có tính nâng cao. Năm 1975 Genneral Instrument thiết kế vi mạch điều khiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viết tắt là PIC, đó là linh kiện hỗ trợ các tính năng vào ra cho vi xử lý PIC không cần nhiều chức năng vì chỉ xử lý các công việc vào ra do đó bộ m. lệnh của nó khó nhỏ gọn. Những vi điều khiển PIC đầu tiên có điểm yếu là chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều năng lượng, bộ nhớ chương tr.nh là loại ROM mặt nạ chỉ nạp được một lần, do đó chương trình điều khiển được nạp ngay khi chế tạo vi mạch nên chỉ thích hợp với các khách hang đặt mua với số lượng lớn, để lắp ráp trong sản xuất những sản phẩm cụ thể. Những năm đầu thập kỷ 80 Genneral Instrument gặp khó khăn trong thương mại và tổ chức lại. Hãng tập trung vào chế tạo linh kiện bán dẫn công suất lớn là thế mạnh cho tới hiện nay của hãng. Genneral Instrument đã chuyển nhượng Ban vi điện tử và nhà máy tại Chandle, bang Anizona cho các nhà đầu tư. Họ lập ra một công ty mới, đặt tên là Arizona Microchip technology hiện nay là Microchip technology Inc. Chiến lược của các nhà đầu tư là tập trung vào vi điều khiển và các bộ nhớ bán dẫn. Các vi mạch PIC n-MOS được cải tiến, chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ mới CMOS. Các sản phẩm đầu tiên của Microchip được biết tới và bán ra với số lượng lớn là các vi điều khiển PIC thuộc họ PIC16C5x. Họ này có hai biến thể với bộ nhớ chương trình là OTP và UV EPROM. Loại OTP có thể nạp trình một lần dùng cho sản xuất loại lớn. Loại UV EPROM có thể xóa được bằng tia cực tím (tia UV) dùng khi phát triển, thử nghiệm phần mềm. Năm 1983 Microchip là hãng đầu tiên tích hợp được bộ nhớ chương trình flash EEPROM vào những vi điều khiển mới, trong đó được biết đến nhiều nhất là PIC. Bộ nhớ chương trình flash đã loại bỏ vai trò của vi điều khiển có bộ nhớ xoá bằng tia cực tím, có vỏ bằng gốm đắt tiền và các đèn chiếu tia cực tím. 1.1.2. PIC là gì? PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay. 1.1.3. Phân Loại Tiêu chuẩn để phân nhóm dựa trên sự khác nhau về kiến trúc bộ xử lí bên trong vi điều khiển. GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân 9 - Số các thanh ghi có thể truy cập được. - Có hay không có ngắt, số lượng ngắt. - Số lượng các phần cứng có chức năng đặc biệt. - Độ dài từ lệnh. Dựa vào những đặc điểm đó vi điều khiển PIC được chia làm 4 họ: 1.1.3.1. Họ cấp thấp (low-end) Gồm các loại được ký hiệu 12C5xx, 16C5x, 16C505, 16HV540 Độ dài từ lệnh 12 bit Bố chí các thanh ghi: có 32 thanh ghi trên một bank, tối đa có 4 bank Đặc điểm chung: - Rất thích hợp trong các ứng dụng giao diện đơn giản với ngoại vi. - Bộ nhớ chương trình kiểu OTP hoặc EPROM xoá được bằng tia cực tím. - Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị/s với tần số xung nhịp 20MHz. - Chỉ có một bộ đếm timer. - Không có các ngắt cứng. - Không có các lối ra tăng cường. - Nạp trình song song, trừ PIC12C5xx và PIC16C505 được nạp trình nối tiếp theo giao thực ICSP. 1.1.3.2. Họ cấp trung (Mid-range) Bao gồm 12C6xx, 14C000, 16C55x, 16C6x, 16C62x, 16F62x, 16C67x, 16C8x, 16F87x và 16C9xx. Độ dài từ lệnh 14 bit Là họ vi điều khiển PIC thông dụng nhất hiện nay. Bố chí các thanh ghi: 128 byte trên một bank, tối đa 4 bank. Là vi điều khiển vạn năng tinh năng mạnh. Có rất nhiều biến thể khắc nhau, với các kiểu đóng vỏ đa dạng: DIP, PLCC, Đặc điểm: - Tốc độ cao, thực hiện được 5 triệu chỉ thị /s ở xung nhịp 20MHz. - Có các ngắt phần cứng. - Có từ 1 đến 3 bộ đếm – timer - Có rất nhiều kiểu khác nhau về chân vào/ra tăng cường bao gồm các vào/ra tương tự,giao diện truyền thông nối tiếp: đồng bộ, không đồng bộ, 12C, SPI, CAN, USB…, bộ, điều khiển LCD. - Bộ nhớ chương trình flash ở hầu hết các vi mạch. - Khả năng nạp trình nối tiếp ICSP. - Có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình (self-programming). - Có phần cứng gỡ rối chương trình ICD ở một số loại. 1.1.3.3. Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx Gồm các loại 17Cxxx Độ dài từ lệnh 16 bit Bố trí các thanh ghi: 224 byte trên một bank, tối đa 8 bank, 48 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR). GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân 10 Đặc điểm chung. - Kiến trúc khác so với họ PIC cấp chung, cấp thấp. - Có ác lệnh tăng cường và nhiều khả năng định địa chỉ. - Vi điều khiển giao tiếp bus, truy nhập cac thiết bị song song trực tiếp. - Có một số lối vào/ra tăng cường. - Bộ nhớ chương trình OTP. - Nạp trình kiểu song song. 1.1.3.4. Họ cấp cao (High- performance) Gồm những loại có kí hiệu 18Cxxx và 18Fxx2 Độ dài từ lệnh 16 bit. Bố trí các thanh ghi 256 byte trên một bank, tối đa có 16 bank. Đặc điểm chung: - Kiển trúc nâng cao, dựa trên nền tảng của họ cấp trung, theo xu hướng thừa kế những tính năng của các loại cấp trung đồng thời bổ xung các tính năng mới.Do đó dần dần có khả năng thay thế toàn bộ PIC cấp trung. - Có các lệnh tăng cường và nhiều khả năng định địa chỉ. - Có khả năng truy nhập tới 2Mbyte bộ nhớ chương trình, 4Kbyte bộ nhớ RAM. - Véctơ ngắt đơn, có thể lập tr.nh được mức độ ưu tiên các nguồn ngắt. - Khả năng vào/ra tương tự họ cấp trung. - Tần số hoạt động tối đa 40MHz, có bộ nhân tần số PLL. - Có bộ nhớ chương trình flash. - Nạp trình nối tiếp, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chương trình. Hiện nay mới nhất là DSPIC với nhiều tính năng vượt trội: 1.1.4. Kiến trúc PIC Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến trúc Von Neuman và kiến trúc Havard. Hình 1.1. Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman. Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard. Điểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như vậy có thể nói kiến trúc Von- Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển. GVHD: ThS. Bùi Thị Duyên SVTH: Vũ Văn Cảnh KS. Nguyễn Khánh Hưng Nguyễn Văn Phong Lê Anh Quân [...]... 1.1 1.2 Vi điều khiển PIC 18F97J60 Hình 1.2 Vi điều khiển PIC 18F97J60 1.2.1 Tổng quan về họ PIC 18F Họ PIC1 8F gồm có các thiết bị sau đây: • PIC1 8F66J60 • PIC1 8F87J60 • PIC1 8F66J65 • PIC1 8F96J60 • PIC1 8F67J60 • PIC1 8F96J65 • PIC1 8F86J60 • PIC1 8F97J60 • PIC1 8F86J65 Họ này giới thiệu một dòng mới của các thiết bị điện áp thấp với các lợi thế truyền thống quan trọng của tất cả các vi điều khiển PIC1 8-... xung PWM, giao tiếp I2C… Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Vi t Nam Giá thành không quá đắt Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051 Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC Hiện nay tại Vi t Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuận... thiết bị họ vi điều khiển Microchip PIC1 8, và họ dsPIC30, dsPIC33 và PIC2 4 của các bộ điều khiển tín hiệu số 1.2.5 Mạch nạp cho PIC 18F97J60 Đây cũng l một dòng sản phẩm rất đa dạng dành cho vi điều khiển PIC Có thể sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất l hãng Microchip như: PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II Có thể dùng các sản phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông... họ vi điều khiển PIC1 8F97J60 là một sự lựa chọn hợp lí cho những ứng dụng hiệu suất cao mà chi phí cần được quan tâm chính Các đặc điểm cơ bản của vi điều khiển PIC1 8F97J60 - Tốc độ làm vi c tối đa lên đến 10.5 MIPS (triệu lệnh trong 1 giây) - Với 3 bộ Timer 16 bit và 1 bộ Watchdog Timer giúp cho ta xử ly các bài toán điều khiển với tính năng thời gian thực - PIC1 8F97J60 còn là một dòng IC chuyên dụng. .. chọn PIC 18F97J60 Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM, Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đại học, bản thân người vi t đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau: Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập như: Điều khiển. .. bộ điều khiển (controller), hệ thống mạng truyền thông và phần mềm điều hành hệ thống tích hợp Các hệ DCS có thể quản lý được vài nghìn điểm đến hang chục nghìn điểm vào ra Nhờ cấu trúc phần cứng và phần mềm,hệ điều khiển có thể thực hiện đồng thời nhiều vòng điều khiển, điều khiển nhiều tầng, hay theo các thuật toán điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu bền vững, điều. .. toàn ước tính là nhiều hơn 20 năm Họ PIC1 8F97J60 cũng cung cấp rất nhiều không gian cho dữ liệu của các ứng dụng động với 3808 byte RAM Bus nhớ mở rộng Trong trường hợp không chắc rằng 128 Kbytes bộ nhớ đủ cho một ứng dụng, các thành vi n 100 chân của họ PIC1 8F97J60 cũng sử dụng bus bộ nhớ bên ngoài Điều này cho phép bộ điều khiển chương trình bên trong truy cập để sử dụng một không gian bộ nhớ lên đến... ETHERNET Tất cả các thành vi n của họ PIC1 8F97J60 đều tích hợp modun điều khiển Ethernet Điều này là một giải pháp kết nối hoàn chỉnh, bao gồm cả vi c triển khai đầy đủcác khối MAC và PHY Hai xung máy biến áp và một vài thành phần thụ động là tất cả những thành phần được yêu cầu để kết nối các vi điều khiển trực tiếp với một mạng Ethernet Các module Ethernet đáp ứng tất cả các điều kiện của chuẩn IEEE... loạt các xung clock của vi điều khiển có giới hạn khác nhau Hình 1.5 Cấu trúc bộ dao động Các tính năng khác của bộ dao động được sử dụng trong vi điều khiển nâng cao PIC1 8FXXJXX, chẳng hạn như bộ tạo dao động RC và chuyển đổi xung clock, vẫn giữ nguyên Chúng được thảo luận sau trong chương này Hoạt động của Ethernet và xung clock của vi điều khiển Mặc dù các thiết bị của họ PIC1 8F97J60 có thể chấp nhận... được cho tất cả các vi điều khiển PIC, tuy nhiên giá thành cao và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm Ngoài ra do tính năng cho phép nhiều chế độ nạp khác nhau, còn có rất nhiều mạch nạp được thiết kế dành cho vi điều khiển PIC Có thể sơ lược một số mạch nạp cho PIC như sau: JDM programmer: mạch nạp này dùng chương trình nạp Icprog cho phép nạp các vi điều khiển PIC có hỗ trợ tính . qua đề tài: “ Nghiên cứu, ứng dụng vi điều khiển PIC 18F97J60 ” nhóm chúng em đã quyết định chọn một ứng dụng quan trọng nổi trội hơn so với các họ vi điều. các họ vi xử lí, vi điều khiển. Một trong những vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi và có nhiều tài nguyên là họ vi điều khiển PIC. Trước đây, vi c giám