Luận văn hệ thống nhúng

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG NHÚNG HỆ THỐNG NHÚNG LÀ GÌ Hệ thống nhúng (Embedded system) thuật ngữ để hệ thống có khả tự trị, nhúng vào môi trường hay hệ thống mẹ Đó hệ thống tích hợp phần cứng phần phềm để thực một nhóm chức chuyên biệt, cụ thể (Cách khác: Hệ thống nhúng phần hệ thống xử lý thông tin nhúng hệ thống lớn, phức hợp độc lập Chúng tổ hợp phần cứng phần mềm để thực một nhóm chức chuyên biệt, cụ thể) ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG NHÚNG Các hệ thống nhúng thiết kế để thực số nhiệm vụ chun dụng khơng phải đóng vai trị hệ thống máy tính đa chức Một số hệ thống địi hỏi ràng buộc tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn tính ứng dụng Một số hệ thống khơng địi hỏi ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất Một hệ thống nhúng thường khối riêng biệt mà hệ thống phức tạp nằm thiết bị mà điều khiển Phần mềm viết cho hệ thống nhúng gọi firmware lưu trữ chip nhớ đọc (ROM - Read Only Memory) nhớ flash (là loại nhớ máy tính kiểu nhớ điện tĩnh bị xóa lập trình lại (reprogrammed), mặt kỹ thuật nhớ flash dùng loại EEPROM mà đọc/ghi điện không liệu ngừng cung cấp điện) ổ đĩa Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: bàn phím, hình có với kích thước nhỏ, nhớ hạn chế • Giao diện Các hệ thống nhúng khơng có giao diện (đối với hệ thống đơn nhiệm) có đầy đủ giao diện giao tiếp với người dùng tương tự hệ điều hành thiết bị để bàn Đối với hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng nút bấm, đèn LED hiển thị chữ cỡ nhỏ hiển thị số, thường kèm với hệ thống menu đơn giản Còn hệ thống phức tạp hơn, hình đồ họa, cảm ứng có nút bấm lề hình cho phép thực thao tác phức tạp mà tối thiểu hóa khoảng khơng gian cần sử dụng Ý nghĩa nút bấm thay đổi theo hình lựa chọn Các hệ thống nhúng thường có hình với nút bấm dạng cần điểu khiển (joystick button) • Kiến trúc CPU Các xử lý hệ thống nhúng chia thành hai loại: Vi xử lý vi điều khiển Các vi điều khiển thường có thiết bị ngoại vi tích hợp chip nhằm giảm kích thước hệ thống Có nhiều loại kiến trúc CPU sử dụng thiết kế hệ nhúng ARM, MIPS, Coldfire/68k, PowerPC, x86, PIC, 8051, Atmel AVR… • Thiết bị ngoại vi Hệ thống nhúng giao tiếp với bên ngồi thơng qua thiết bị ngoại vi, ví dụ như: Serial Communication Interfaces (SCI): RS-232, RS-422, RS-485 Universal Serial Bus (USB) Networks: Controller Area Network, LonWorks Bộ định thời: PLL(s), Capture/Compare Time Processing Units Discrete IO: General Purpose Input/Output (GPIO) • Cơng cụ phát triển Phần mềm hệ thống nhúng phát triển nhờ việc sử dụng trình biên dịch (compilers), chương trình dịch hợp ngữ (assembler) cơng cụ gỡ rối (debuggers) Tuy nhiên, nhà thiết kế hệ thống nhúng sử dụng số cơng cụ chun dụng như: - Bộ gỡ rối mạch chương trình mơ (emulator) - Tiện ích để thêm giá trị checksum CRC vào chương trình, giúp hệ thống nhúng kiểm tra tính hợp lệ chương trình - Đối với hệ thống xử lý tín hiệu số, người phát triển hệ thống sử dụng phần mềm workbench MathCad Mathematica để mơ phép tốn Các trình biên dịch trình liên kết (linker) chuyên dụng sử dụng để tối ưu hóa thiết bị phần cứng - Một hệ thống nhúng có ngơn ngữ lập trình cơng cụ thiết kế riêng sử dụng cải tiến từ ngôn ngữ có sẵn • Độ tin cậy Các hệ thống nhúng thường nằm cỗ máy kỳ vọng chạy hàng năm trời liên tục mà không bị lỗi khơi phục hệ thống gặp lỗi Vì thế, phần mềm hệ thống nhúng phát triển kiểm thử cách cẩn thận phần mềm cho máy tính cá nhân Ngồi ra, thiết bị rời không đáng tin cậy ổ đĩa, công tắc nút bấm thường bị hạn chế sử dụng Việc khôi phục hệ thống gặp lỗi thực cách sử dụng kỹ thuật watchdog timer – phần mềm khơng đặn nhận tín hiệu watchdog định kì hệ thống bị khởi động lại Hệ thống ngừng để sửa chữa cách an tồn, ví dụ hệ thống khơng gian, hệ thống dây cáp đáy biển, đèn hiệu dẫn đường… Giải pháp đưa chuyển sang sử dụng hệ thống dự trữ phần mềm cung cấp phần chức Hệ thống phải chạy liên tục tính an tồn, ví dụ thiết bị dẫn đường máy bay, thiết bị kiểm sốt độ an tồn nhà máy hóa chất… Giải pháp đưa lựa chọn backup hệ thống Nếu hệ thống ngừng hoạt động gây tổn thất nhiều tiền ví dụ dịch vụ buôn bán tự động, hệ thống chuyển tiền, hệ thống kiểm sốt nhà máy • Phân hoạch tác vụ chức hoá: Các vi xử lý hệ nhúng thường sử dụng để đảm nhiệm thực một nhóm chức độc lập đặc thù cho phần chức hệ thống lớn mà nhúng vào Ví dụ vi xử lý thực phần điều khiển cho chức thu thập, xử lý hiển thị ôtô hay hệ thống điều khiển trính Khả làm tăng thêm chuyên biệt hoá chức hệ thống lớn dễ dàng cho trính xây dựng, vận hành bảo trì • Khả thời gian thực Các hệ thống gắn liền với việc đảm nhiệm chức phải thực theo khung thời gian qui định Thông thường chức hệ thống phải thực hoàn thành theo yêu cầu thời gian định trước để đảm bảo thông tin cập nhật kịp thời cho phần xử lý chức khác ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt động xác tồn hệ thống Tuỳ thuộc vào toán yêu cầu hệ thống mà yêu cầu khả thời gian thực khác CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 CHUẨN 8051 Họ vi điều khiển MCS - 51 Intel sản xuất vào năm 1980 IC thiết kế cho ứng dụng hướng điều khiển Các IC hệ thống vi xử lý hồn chỉnh bao gồm các thành phần hệ vi xử lý: CPU, nhớ, mạch giao tiếp, điều khiển ngắt MCS - 51 họ vi điều khiển sử dụng chế CISC (Complex Instruction Set Computer), có độ dài thời gian thực thi lệnh khác Tập lệnh cung cấp cho MCS-51 có lệnh dùng cho điều khiển xuất/nhập tác động đến bit MCS 51 bao gồm nhiều vi điều khiển khác nhau, vi điều khiển 8051 có 4KB ROM, 128 byte RAM 8031, khơng có ROM nội, phải sử dụng nhớ Sau này, nhà sản xuất khác Siemens, Fujitsu, … cấp phép làm nhà cung cấp thứ hai MCS-51 bao gồm nhiều phiên khác nhau, phiên sau tăng thêm số ghi điều khiển hoạt động MCS-51 Hình 2-1.Kiến trúc vi điều khiển 8051 AT89C51 vi điều khiển Atmel sản xuất, chế tạo theo cơng nghệ CMOS có đặc tính sau: + KB PEROM (Flash Programmable and Erasable Read Only Memory), có khả tới 1000 chu kỳ ghi xố + Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz + mức khóa nhớ lập trình + 128 Byte RAM nội + Port xuất /nhập I/O bit + Timer/counter 16 Bit + nguồn ngắt + Giao tiếp nối tiếp điều khiển phần cứng + 64 KB vùng nhớ mã + 64 KB vùng nhớ liệu + Cho phép xử lý bit + 210 vị trí nhớ định vị bit + chu kỳ máy (4 µs thạch anh 12MHz) cho hoạt động nhân, chia + chế độ nghỉ (Low-power Idle) chế độ nguồn giảm (Power-down) + Ngoài ra, số IC khác họ MCS-51 có thêm định thời thứ 256 byte RAM nội 2.2 CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN 8051 Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 Chip AT89C51 có tín hiệu điều khiển cần phải lưu ý sau: - Tín hiệu vào /EA chân 31 thường đặt lên mức cao ( +5V) mức thấp (GND) Nếu mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội khoảng địa thấp (4K tối đa 8k 89C52) Nếu mức thấp, chương trình thi hành từ nhớ mở rộng (tối đa đến 64Kbyte) Ngoài người ta dùng /EA làm chân cấp điện áp 12V lập trình EEPROM 8051 - Các chân nguồn: AT89C51 hoạt động nguồn đơn +5V Vcc nối vào chân 40, Vss (GND) nối vào chân 20 + Chân 40: VCC = 5V± 20% + Chân 20: GND - /PSEN (Program Store Enable): /PSEN (chân 29) cho phép đọc nhớ chương trình mở rộng ứng dụng sử dụng ROM ngoài, thường nối đến chân /OC (Output Control) ROM để đọc byte mã lệnh /PSEN mức logic thời gian AT89C51 lấy lệnh.Trong trình này, / PSEN tích cực lần chu kỳ máy Mã lệnh chương trình đọc từ ROM thơng qua bus liệu (Port0) bus địa (Port0 + Port2) Khi 8051 thi hành chương trình ROM nội, PSEN mức logic - ALE/ PROG (Address Latch Enable / Program): ALE/ PROG (chân 30) cho phép tách đường địa liệu Port truy xuất nhớ ALE thường nối với chân Clock IC chốt (74373, 74573) Các xung tín hiệu ALE có tốc độ 1/6 lần tần số dao động chip dùng làm tín hiệu clock cho phần khác hệ thống Xung cấm cách set bit SFR địa 8Eh lên Khi đó, ALE có tác dụng dùng lệnh MOVX hay MOVC Ngồi ra, chân cịn dùng làm ngõ vào xung lập trình cho ROM nội ( /PROG ) - EA /VPP (External Access) : EA (chân 31) dùng phép thực thi chương trình từ ROM Khi nối chân 31 với Vcc, AT89C51 thực thi chương trình từ ROM nội (tối đa 8KB), ngược lại thực thi từ ROM ngồi (tối đa 64KB) Ngoài ra, chân /EA lấy làm chân cấp nguồn 12V lập trình cho ROM - RST (Reset): RST (chân 9) cho phép reset AT89C51 ngõ vào tín hiệu đưa lên mức chu kỳ máy - X1, X2: Ngõ vào ngõ dao động, sử dụng cần kết nối thêm thạch anh tụ hình vẽ sơ đồ Tần số thạch anh thường sử dụng cho AT89C51 12Mhz Hình 2.3 Sơ đồ kết nối thạch anh 2.3 CỔNG VÀO/RA Tất vi điều khiển 8051 có cổng vào/ra bit thiết lập cổng vào Như có tất 32 chân I/O cho phép vi điều khiển kết nối với thiết bị ngoại vi Hình 2.4 Cổng vào/ra Hình 2.4 mơ tả sơ đồ đơn giản mạch bên chân vi điều khiển trừ cổng P0 khơng có điện trở kéo lên (pull-up) Chân ra: Một mức logic đặt vào bit ghi P làm cho transistor mở, nối chân tương ứng với đất (hình 2.5) Hình 2.5 Chân xuất mức Hình 2.6 Trở treo nội chân Chân vào: Một bit đặt vào bit ghi cổng, transistor đóng chân tương ứng nối với nguồn Vcc qua trở kéo lên (hình 2.7) Hình 2.7 Chân vào xuất mức Port : có chức chân 32 – 39 AT89C51: - Chức I/O (xuất/nhập): dùng cho thiết kế nhỏ Tuy nhiên, dùng chức Port phải dùng thêm điện trở kéo lên (pull-up), giá trị điện trở phụ thuộc vào thành phần kết nối với Port - Khi dùng làm ngõ vào, Port phải set mức logic trước - Chức địa / liệu đa hợp: dùng thiết kế lớn, đòi hỏi phải sử dụng nhớ ngồi Port vừa bus liệu (8 bit) vừa bus địa (8 bit thấp) Ngồi lập trình cho AT89C51, Port cịn dùng để nhận mã lập trình xuất mã kiểm tra (quá trình kiểm tra địi hỏi phải có điện trở kéo lên) Port 1: Port1 (chân – 8) có chức I/O, khơng dùng cho mục đích khác (chỉ 8032/8052/8952 dùng thêm P1.0 P1.1 cho định thời thứ 3) Tại Port có điện trở kéo lên nên khơng cần thêm điện trở ngồi Port có khả kéo ngõ TTL dùng làm bit địa thấp trình lập trình hay kiểm tra Khi dùng làm ngõ vào, Port phải set mức logic trước Port 2: Port (chân 21 – 28) port có chức năng: - Chức I/O (xuất / nhập) - Chức địa chỉ: dùng làm bit địa cao cần nhớ ngồi có địa 16 bit Khi đó, Port khơng dùng cho mục đích I/O - Khi dùng làm ngõ vào, Port phải set mức logic trước Port 3: Port (chân 10 – 17) port có chức năng: - Chức I/O Khi dùng làm ngõ vào, Port phải set mức logic1 trước - Chức khác mô tả sau: Bit P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 Tên RxD TxD INT0 INT1 T0 T1 WR RD Chức Ngõ vào port nối tiếp Ngõ port nối tiếp Ngắt Ngắt Ngõ vào định thời Ngõ vào định thời Tín hiệu điều khiển ghi liệu lên nhớ ngồi Tín hiệu điều khiển đọc từ nhớ liệu Bảng 2.1 Chức chân Port 10 25 4.2.2 Nguyên lý làm việc mạch điều khiển a Khối cảm biến Hình 3.2 Mạch kết nối cảm biến với cách ly quang Nguồn 24VDC kết nối với cảm biến, đầu cảm biến nối với điện trở 2,2k (mục đích hạ áp 24VDC xuống 2,3VDC) trước đưa vào cách ly quang Đầu cách ly quang điện áp 5VDC đưa làm tín hiệu đầu vào VĐK Nguyên lý hoạt động: Ban đầu chưa có yêu cầu, cảm biến chưa tác động, dịng điện khơng qua trở 2,2K , LED báo trạng thái không sáng chân Anot, Ktot cách ly quang chưa phân cực thuận Đầu cách ly quang bị “cấm” Khi có yêu cầu, cảm biến thu nhận ánh sáng vùng tác động cảm biến, dòng điện 24VDC từ nguồn qua điện trở phân cực thuận cho cách ly quang, LED trạng thái sáng, đồng thời đầu cách ly quang có mức logic 5VDC 26 b Khối điều khiển Hình 3.3 Khối điều khiển Khối điều khiển sử dụng chíp vi điều khiển họ 8051, nhận tín hiệu từ khối cảm biến Đầu kết nối với ULN2803 điều khiển tải Khi vi điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến, chương trình nạp sẵn thực thi tùy vào điều kiện đầu vào mà đầu có mức logic hay tương ứng Các Post 0,1,2 kết nối với mạch cảm biến, Post kết nối với ULN2803 Ngồi cịn có chân đặc biệt, reset, xtal, Enable c Khối tải Hình 3.4 Khối tải 27 Sử dụng ULN2803 để cách ly vi điều khiển phần mạch lực, nguyên lý hoạt động khối sau: Khi đầu vào ULN2803 có mức logic 0, LED báo trạng thái không sáng đầu ULN2803 bị cấm, động không quay,công tắc điều khiển không hoạt động Khi đầu vào ULN2803 có mức logic 1, LED báo trạng thái sáng ULN2803 phân cực, đầu có mức logic 0, dòng điện từ nguồn qua động làm động cơ, công tắc điều khiển hoạt động 4.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG a Cảm biến ánh sáng quang trở Hình 3.5 Cảm biến ánh sáng quang trở Cảm biến ánh sáng quang trở phát cường độ ánh sáng, sử dụng cảm biến photoresistor loại nhạy cảm, cho tín hiệu ổn định, rõ ràng xác so với quang trở Ngõ D0 cảm biến dùng để xác định cường độ sáng mơi trường, ngồi sáng, ngõ D0 giá trị 0, tối, ngõ D0 Trên cảm biến có biến trở để điều chỉnh cường độ sáng phát hiện, văn chiều kim đồng hồ làm giảm cường độ sáng nhận biết cảm biến, tức mơi trường phải sáng cảm biến đọc gía trị digital b Cơng tắc hành trình 28 Cơng tác hành trình dùng để giới hạn di chuyển cho cấu di chuyển cánh tay điều khiển rèm Thiết bị gắn hành trình cấu thực chức ngắt dịng điện tiếp điểm có tác động học Hình 3.6 Cơng tắc hành trình c Rơ-le 24VDC Rơle loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu thay đổi nhảy cấp tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch điện động lực Hình 3.6 Hình ảnh Rơle thực tế d ULN 2803 ULN 2803 vi mạch đệm, chất cấu tạo mảng darlington chịu dịng điện lớn điện áp cao, có chứa cặp darlington cực góp hở với cực phát chung Mỗi kênh số kênh chịu dòng điện lớn khoảng thời gian dài lên tới 500 mA với biên độ đỉnh lên tới 600 mA 29 Mỗi kênh có diode chặn- diode sử dụng trường hợp tải có tính cảm ứng, ví dụ cácrơle… Ứng dụng ULN2803 sử dụng mạch đệm điều khiển động chiều ,động bước, khối hiển thị ma trận led Nguyên lý hoạt động: - Nếu chân đầu vào I1 ÷ I8 mức ngõ thả - Nếu chân đầu vào I1 ÷ I8 mức ngõ mức Hình 3.7 Hình ảnh sơ đồ chân ULN 2803 thực tế e Van đảo chiều 5/2 Van đảo chiều 5/2 tác động trực tiếp dịng khí nén vào từ hai phía nịng van Đây loại van khơng có vị trí “ khơng “, van có đặc điểm “nhớ” vị trí hoạt động khơng cịn tín hiệu tác động Van đảo chiều 5/2 có nhiệm vụ điều khiển hoạt động motor theo u cầu cơng nghệ Hình 3.8 Hình ảnh van đảo chiều 5/2 Van khí nén 5/2 đầu sử dụng cuộn dây điện từ chiều cấp điện áp 24V, đầu sử dụng lị xo tích hợp Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn vào đầu cuộn dây (với loại van khí đầu cuộn dây đầu lò xo), lực từ sinh dòng điện hút ti van dịch 30 chuyển, đóng , mở cửa khí Làm đường khí di chuyển theo hướng khác bị chặn Khi cuộn dây điện, ti van đẩy vị trí ban đầu nhờ cấu lị xo Các đường khí trở lại trạng thái ban đầu 3.3.7 Motor Hình 3.9 Hình ảnh động điện chiều 4.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM VÀ XÂY DỰNG MẠCH a Chương trình điều khiển #include // khai bao cac dau P2 sbit dc_thuan = P2^0; // động quay thuận (mở rèm) sbit dc_nghich= P2^1; // động quay nghịch (đóng rèm) sbit pt_sp1 = P2^2; // hệ thống đèn bật sbit pt_sp2 = P2^3; // hệ thống đèn bật sbit pt_vt1 = P2^4; // hệ thống đèn tắt sbit pt_vt2 = P2^5; // hệ thống đèn tắt // khai bao cac bien dau vao P1 sbit sensor1 = P1^2; // vi tri dung cam bien quang sbit sensor2 = P1^3; // vi tri dung cam bien quang sbit sensor3 = P1^4; // vi tri dung cam bien quang // -sbit CTHT1 =P3^0; sbit CTHT2 =P3^1; // sbit start = P0^6; // nut nhan start sbit stop = P0^7; // nut nhan stop // -void delay (unsigned int t) // chuong trinh tao tre 1000 = 1s 31 { unsigned int x,y; for(x=0;x