Báo cáo đề tài : Xây dựng chương trình điều khiển thiết bị điện thông qua máy tính

Báo cáo đề tài : Xây dựng chương trình điều khiển thiết bị điện thông qua máy tính

MỤC LỤC

PHẦN :GIỚI THIỆU

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ

2.1 Mạng GSM _ 9 2.1.1 Tổng quan về mạng GSM _ 9 2.1.2 Lịch sử phát triển mạng GSM 9 2.1.3 Cấu trúc mạng di động 10 2.1.4 Tái sử dụng tần số _ 11 2.1.5 Các giao diện vô tuyến _ 13 2.1.6 Điều khiển công suất phát của máy di động _ 13 2.1.7 Thực hiện cuộc goi từ thiết bị di động đến thiết bị di động _ 15 2.2 Máy di động _ 16 2.2.1 Lịch sử phát triển _ 16 2.2.2 Các khối và chức năng từng khối 17

2.2.3 Hoạt động của điện thoại di động _22

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT MÃ ĐA TẦN

3.1 Hệ thống DTMF. 24 3.2 IC nhận DTMF MT8870 _ 25 3.2.1 Sơ đồ chân _ 25 3.2.2 Đặc tính kỹ thuật 27 CHƯƠNG 4 THU PHÁT ÂM THANH

4.1 IC thu phát tiếng nói ISD 1420 32 4.2 Sơ đồ chân 33

3 Đặc tính kỹ thuật 34 CHƯƠNG 5 VI ĐIỀU KHIỂN

5.1 Giới thiệu chung về Pic 37 5.2 PIC 16F877A 42 CHƯƠNG 6 LCD _ 64 6.1 Sơ đồ chân 65 6.2 Đặc tính kỹ thuật _ 66 CHƯƠNG 7 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

7.1 Phương pháp nghiên cứu 84 7.2 Phương án thiết kế phần cứng 84 7.3 Sơ đồ khối _ 86 7.4 Mạch cảm biến bắt máy _ 88 7.4.3 Nguyên lý hoạt động _ 90 7.5 Mạch thu phát âm thanh. _ 91 7.5.1 Sơ đồ nguyên lý _ 91 7.5.2 Nguyên lý hoạt động _ 91 7.6 Mạch điều khiển thiết bị _ 93

7.6.1 Sơ đồ nguyên lý _ 93 7.6.2 Tính toán 94 7.6.3 Nguyên lý hoạt động _ 94 7.7 Mạch giải mã DTMF 95 7.7.1 Sơ đồ nguyên lý _ 95 7.7.2 Tính toán 95 7.7.3 Nguyên lý hoạt động _ 95 7.8 Mạch nguồn _ 97 7.8.1 Sơ đồ nguyên lý _ 97 7.8.2 Nguyên lý hoạt động _ 97 7.9 Mạch LCD 98 7.9.1 Sơ đồ nguyên lý _ 98 7.9.2 Hoạt động. 98 7.10 Mạch điều khiển trung tâm _ 99 7.10.1 Sơ đồ nguyên lý 99 7.10.2 Nguyên lý hoạt động _ 100 CHƯƠNG 8 THIẾT KẾ PHẦN MỀM VÀ CHƯƠNG TRÌNH

8.1 Lưu đồ giải thuật 102 8.2 Chương trình _ 104 CHƯƠNG KẾT LUẬN

1 Hướng phát triển đề tài 116

2 Kết quả đạt được _ 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO _ 117

PHẦN 2 NỘI DUNG CHÍNH

CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG DẪN

NHẬP

1 Tầm quan trong của đề tài

Trong thời đại ngày nay, hệ thống thông tin liên lạc là một trong những vấn đề quan trọng của loài người Nhất là những ứng dụng của kỹ thuật thôngtin liên lạc vào lĩnh vực kinh tế, khoa học và đời sống Chính vì nó mà con người và xã hội loài người

đã phát triển không ngừng Đặc biệt trong những thập niên gần đây, ngành bưu chính viễn thông đã phát triển mạnh mẽ tạo ra bước ngoặc quan trọng trong lĩnh vực thông tin để đáp ứng nhu cầu của con người Ngoài nhu cầu về thông tin con người còn muốn những nhu cầu khác như : tự động trả lời điện thoại khi chủ vắng nhà, hộp thư thoại… Đối với hệ thống điều khiển xa bằng tia hồng ngoại thì giới hạn về khoảng cách là yếu điểm của kỹ thuật này, ngược lại với mạng điện thoại đã được mở rộng với quy mô toàn thế giới thì giới hạn xa không phụ thuộc vào khoảng cách đã mở ra một lối thoát mới trong lĩnh vực tự động điều khiển

Hiện nay, do nhu cầu trao đổi thông tin của người dân ngày càng tăng đồng thời việc gắn các thiết bị điện thoại ngày càng được phổ biến rộng rãi, do đó việc sử dụng mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phương thức thuận tiện nhất, tiết kiệm nhiều thời gian cho công việc ,vừa đảm bảo các tính năng an toàn cho các thiết bị điện gia dụng vừa tiết kiệm được chi phí sử dụng và đảm bảo an toàn cho tính mạng và tài sản của mỗi người dân do cháy nổ hoặc do chạm chập điện gia dụng gây ra

Ngoài ra,ứng dụng của hệ thống điều khiển từ xa bằng điện thoại, giúp ta điều khiển các thiết bị điện ở những môi trường nguy hiểm mà con người không thể làm việc được hoặc những dây chuyền sản xuất để thay thế con người Xuất phát từ những

ý tưởng và tình hình thực tế như ở trên, nên em chọn đề tài: “Hệ thống điều khiển thiết

bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại” cho luận văn tốt nghiệp

Mạch điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại, giúp ta điều khiển các thiết bị điện gia dụng khi không có ai ở nhà khi ta ở cách xa nhà(hay ở nhà) hoặc ở những môi trường nguy hiểm mà con người không thể làm việc được hoặc một dây chuyền sản xuất để thay thế con người Chẳng hạn muốn điều khiển các thiết bị điện

trong nhà khi vắng người, ta quay số điện thoại về nhà và gởi mã lệnh đóng hay ngắt thiết bị thì mạch sẽ thực hiện Khi mạch thực hiện xong lệnh của ta thì mạch sẽ gọi tín hiệu phản hồi cho ta biết mạch đã thực hiện xong lệnh hay chưa

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của người thực hiện đề tài đã tiến hành nghiên cứu là: Trước tiên với bản thân người thực hiện đề tài, đây chính là một cơ hội tốt để có thể tự kiểm tra lại kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội để nỗ lực vận động tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu được với những vấn đề mình chưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang bị cho bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thể ứng dụng vào thực tế cuộc sống

Sau khi tạo ra được sản phẩm của đề tài có thể ứng dụng báo điều khiển thiết bị cho những nơi như: hệ thống các phòng ban trong cơ quan xí nghiệp, các khách sạn, nhà nghỉ, hoặc các hộ gia đình có nhu cầu sử dụng…

3 Giới hạn đề tài

Do thời gian và khả năng nên đề tài chỉ tập trung nghiên sơ lược về các vấn đề liên quan như: tổng đài di động, sơ đồ khối điện thoại di động, các đặc điểm cơ bản của các loại ic sử dụng trong đề tài Mọi thứ đều làm bằng phương pháp thủ công nên board mạch không được đẹp, kết nối các khối không được ngăn nắp và do chất giọng nên các câu thông báo không được chuẩn

CHƯƠNG 2 MẠNG DI ĐỘNG

2.1 Mạng GSM

2.1.1 Tổng quan về mạng GSM

GSM là viết tắt của từ " Global System for Mobile Communication" - Mạng thông tin di động toàn cầu Một trong những công nghệ về mạng điện thoại di động phổ biến nhất trên thế giới Là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA (Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian).Đây là công nghệ cho phép 7 máy di động có thể sử dụng chung 1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin

2.1.2 Lịch sử phát triển mạng GSM

Vào đầu những năm 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hoá bởi (CEPT : European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi nhà khai thác Radiolinja ở Finland Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các tiêu chuẩn, đặc tính của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990 Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia

2.1.3 Cấu trúc mạng di động

Cấu trúc mạng thông tin di động

EIR ( Equipment Indentity Register) : Chứa số liệu phần cứng của thiết bị

Trung tâm xác thực (AuC) là một cơ sở dữ liệu bảo vệ chứa bản sao các khoá bảo mật của mỗi card SIM, được dùng để xác thực và mã hoá trên kênh vô tuyến

Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm

di động Hệ thống trạm gốc gồm có hai phần: Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC: là kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động MSC) Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), thực hiện việc chuyển mạch cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa các thuê bao di động với thuê bao của mạng cố định

Trạm di động (Mobile Station) được người thuê bao mang theo

Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm

di động

HLR bao gồm tất cả các thông tin quản trị cho các thuê bao đã được đăng ký của mạng GSM, cùng với vị trí hiện tại của thuê bao Chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM mặc dù nó có thể được triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố

Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) bao gồm các thông tin quản trị được lựa chọn từ HLR, cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thuê bao, cho các di động hiện đang ở vị trí mà nó quản lý Mặc dầu các chức năng này có thể được triển khai ở các thiết bị độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất tổng đài đều kết hợp VLR vào MSC,

vì thể việc điều khiển vùng địa lý của MSC tương ứng với của VLR nên đơn giản được báo hiệu

2.1.4 Tái sử dụng tần số

- Toàn bộ dải tần phát cho mạng GSM 900M chỉ có từ 890MHz đến 915MHz tức

là có 25MHz, mỗi kênh chiếm một khe tần số 200KHz => như vậy có khoảng 125 kênh thoại có thể sử dụng một lúc, mỗi kênh thoại được chia thành 8 khe thời gian trong đó 1/8 thời gian giành cho tín hiệu điều khiển, 7/8 khe thời gian còn lại dành cho

7 thuê bao và như vậy tổng số thuê bao có thể liên lạc trong một thời điểm là 125 x 7 =

- Với phương pháp trên người ta có thể chia toàn bộ giải tần ra làm 3 để phát trên các ô không liền kề như 3 mầu dưới đây, mỗi ô có thể phục vụ cho 875 / 3, được khoảng 290 thuê bao

- Trong một Thành phố có thể có hàng trăm trạm thu phát BTS vì vậy nó có thể phục vụ được hàng chục ngàn thuê bao có thể liên lạc trong cùng một thời điểm

Thành phố được chia thành nhiều ô hình lục giác, mỗi ô được đặt một trạm thu phát BTS

Phát tín hiệu trong mỗi ô

Tín hiệu trong mỗi ô được phát theo một trong hai phương pháp

- Phát đẳng hướng

- Phát có hướng theo góc 120o

2.1.5 Các giao diện vô tuyến

♦ Kênh vật lý và kênh Logic :

Kênh vật lý là kênh tần số dùng để truyền tải thông tin Ví dụ: Kênh tần số 890MHz là kênh vật lý Kênh logic là kênh do kênh vật lý chia tách Trong GSM, một kênh vật lý được chia ra làm 8 kênh logic

Một kênh Logic chiếm 1/8 khe thời gian của kênh vật lý

Kênh vật lý là kênh có tần số xác định, có dải thông 200KHz

♦ Kênh đàm thoại

Lưu lượng kênh đàm thoại sẽ được truyền đi trên các kênh Logic, mỗi kênh vật lý có thể hỗ trợ 7 kênh đàm thoại và một kênh điều khiển

♦ Kênh điều khiển

Mỗi kênh vật lý sử dụng 1/8 thời gian làm kênh điều khiển, kênh điều khiển

sẽ gửi từ Đài phát đến máy thu các thông tin điều khiển của tổng đài

2.1.6 Điều khiển công suất phát của máy di động

Phải điều khiển công suất phát để giảm công suất phát của máy di động khi không cần thiết để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho pin => Giảm được nhiễu cho các kênh tần số lân cận => Giảm ảnh hưởng sức khoẻ cho người sử dụng

Công suất phát của các thiết bị

► Khi ta bật nguồn điện thoại, kênh thu sẽ thu tín hiệu quảng bá của đài phát, tín hiệu thu được đối chiếu với dữ liệu trong bộ nhớ SIM để Mobile có thể nhận ra mạng chủ của mình, sau đó điện thoại sẽ phát tín hiệu điều khiển về đài phát (khoảng 3-4 giây), tín hiệu được thu qua các trạm trạm thu phát vô tuyến (BTS) và được truyền về tổng đài MSC, tổng đài sẽ ghi lại vị trí của Mobile vào trong Data Base

► Sau khi phát tín hiệu điều khiển về tổng đài, Mobile của bạn sẽ chuyển sang chế độ nghỉ ( không phát tín hiệu ) và sau khoảng 15 phút nó mới phát tín hiệu điều khiển về tổng đài 1 lần

♦ Thu tín hiệu ngắt quãng:

Đài phát phát đi các tín hiệu quảng bá nhưng tín hiệu này cũng phát xen kẽ với các khoảng thời gian rỗi và thời gian phát tin nhắn

Khi không có cuộc gọi thì điện thoại sẽ thu được tín hiệu ngắt quãng đủ cho điện thoại giữ được sự liên lạc với tổng đài

♦ Khi thuê bao di chuyển giữa các ô ( Cell ):

Khi bạn đứng trong Cell thứ nhất, bạn bật máy và tổng đài thu được tín hiệu trả lời tự động từ điện thoại của bạn => tổng đài sẽ lưu vị trí của bạn trong Data Base Khi bạn di chuyển sang một Cell khác, nhờ tín hiệu thu từ kênh quảng bá mà điện thoại của bạn hiểu rằng tín hiệu thu từ trạm BTS thứ nhất đang yếu dần và có một tín hiệu thu từ một trạm BTS khác đang mạnh dần lên, đến một thời điểm nhất định, điện thoại của bạn sẽ tự động phát tín hiệu điều khiển về đài phát để tổng đài ghi lại vị trí mới của bạn

Khi có một ai đó cầm máy gọi cho bạn, ban đầu nó sẽ phát đi một yêu cầu kết nối đến tổng đài, tổng đài sẽ tìm dấu vết thuê bao của bạn trong cơ sở dữ liệu, nếu tìm thấy nó sẽ cho kết nối đến trạm BTS mà bạn đang đứng để phát tín hiệu tìm thuê bao của bạn

Khi tổng đài nhận được tín hiệu trả lời sẵn sàng kết nối ( do máy của bạn phát lại

tự động ) tổng đài sẽ điều khiển các trạm BTS tìm kênh còn rỗi để thiết lập cuộc gọi => lúc này máy của bạn mới có rung và chuông

2.1.7 Thực hiện cuộc goi từ thiết bị di động đến thiết bị di động

- Thiết bị gửi yêu cầu một kênh báo hiệu

- BSC sẽ chỉ định kênh báo hiệu

- Thiết bị gửi yêu cầu thiết lập cuộc gọi cho MSC/VLR Thao tác đăng ký trạng thái tích cực cho thiết bị vào VLR, xác thực, mã hóa, nhận dạng thiết bị, gửi số được gọi cho mạng, kiểm tra thuê bao có đăng ký dịch vụ cấm gọi ra…

+ Nếu hợp lệ MSC/VLR báo cho BSC một kênh đang rỗi

+ MSC/VLR sẽ phân tích số điện thoại di động bị gọi để tìm ra vị trí đăng ký gốc trong HLR

- HLR phân tích số điện thoại di động để tìm ra MSC/VLR đang phục vụ cho thiết bị

- HLR liên lạc với MSC/VLR đang phục vụ

- MSC/VLR gửi thông điệp trả lời đến HLR

- HLR phân tích thông điệp rồi thiết lập cuộc gọi đến MSC/VLR đang phục vụ

- MSC/VLR đã biết địa chỉ LA của thiết bị nên sẽ gửi thông điệp đến BSC quản

lý LA này

- BSC phát thông điệp ra toàn bộ các ô thuộc LA

- Khi nhận được thông điệp, thiết bị sẽ gửi yêu cầu ngược lại BSC

- BSC cung cấp một khung thông điệp chứa thông tin cho MSC/VLR

- MSC/VLR phân tích thông điệp của BSC để tiến hành thủ tục bật trạng thái của thiết bị lên tích cực, xác nhận, mã hóa, nhận diện thiết bị…

- MSC/VLR điều khiển BSC xác lập một kênh rỗi, đổ chuông Nếu thiết bị di động chấp nhận trả lời thì kết nối được thiết lập

2.2 Máy di động

2.2.1 Lịch sử phát triển

Điện thoại được phát minh bởi nhà bác học Alexander Gramham bell vào năm

1876, và liên lạc không dây của Nikolai Tesla vào năm 1880 (chính thức công bố năm

1894 bởi 1 người tên là Gugliemo Marconi) Khi 2 phát minh vĩ đại này được kết hợp với nhau thì điện thoại di động ra đời Khi mới ra đời thì điện thoại di động chiếm diện tích của cả 1 tầng nhà, còn ngày này thì nó đã nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn, điện thoại ngày càng nhỏ hơn, gọn hơn và các chức năng của chúng không ngừng được hoàn thiện

Một chiếc điện thoại di động cơ bản thì có các thành phần như: màn hình, bàn phím, pin, loa, micro, board mạch chính chứa các linh kiện cần thiết để máy hoạt động: CPU, IC âm thanh, IC trung tần…

2.2.2 Các khối và chức năng từng khối

2.2.2.1 Sơ đồ khối của điện thoại di động

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động :

Điện thoại di động có 3 khối chính đó là:

- Khối nguồn

- Khối điều khiển

- Khối Thu - Phát tín hiệu

Chức năng và nguyên lý hoạt động của các khối :

a/ Khối nguồn :

♦ Chức năng :

- Điều khiển tắt mở nguồn

- Chia nguồn thành nhiều mức nguồn khác nhau

- Ổn định nguồn cung cấp cho các tải tiêu thụ Điện áp V.BAT cấp nguồn trực tiếp vào ba IC đó là IC nguồn, IC công suất phát

và IC rung chuông led Khi ta bật công tắc nguồn => tác động vào IC nguồn qua chân PWR-ON => Mở ra các điện áp khởi động cấp cho khối điều khiển bao gồm :

♦ VKĐ1 ( điện áp khởi động 1 ) 2,8V cấp cho CPU

♦ VKĐ2 - 1,8V cấp cho CPU, Memory và IC mã âm tần

♦ VKĐ3 - 2,8V cấp cho mạch dao động 26MHz

Sau khi được cấp nguồn, khối vi xử lý hoạt động, CPU sẽ trao đổi dữ liệu với Memory để lấy ra phần mềm điều khiển các hoạt động của máy, trong đó có các lệnh quay lại điều khiển khối nguồn để mở ra các điện áp cấp cho khối thu phát tín hiệu gọi

là các điện áp điều khiển bao gồm :

♦ VĐK1 cấp cho bộ dao động nội VCO

♦ VĐK2 cấp cho mạch cao tần ở chế độ thu

♦ VĐK3 cấp cho mạch cao tần ở chế độ phát

♦ Điều khiển nạp bổ sung :

Dòng điện từ bộ sạc đi vào IC nạp và được CPU điều khiển thông qua lệnh CHA-EN để nạp vào Pin, khi Pin đầy thông qua chân báo Pin BSI đưa về CPU mà CPU biết và ngắt dòng nạp

♦ Sơ đồ khối :

Hình: Sơ đồ khối của điện thoại

♦ Nguyên lý hoạt động của điện thoại khi mở nguồn:

- Bước1 : Lắp Pin vào máy, máy được cấp nguồn V.BAT

- Bước 2 : Bật công tắc ON-OFF, chân PWR-ON chuyển từ mức cao xuống mức thấp

- Bước 3 : IC nguồn hoạt động và cho ra các điện áp VKĐ cung cấp cho khối điều khiển bao gồm dao động 13MHz, CPU và Memory

- Bước 4 : Khối điều khiển hoạt động và truy cập vào bộ nhớ Memory để lấy ra chương trình điều khiển máy

- Bước 5 : CPU đưa ra các lệnh quay lại IC nguồn để điều khiển mở ra các điện

áp cung cấp cho khối thu phát sóng hoạt động

b/ Khối điều khiển:

Bao gồm CPU ( Center Processor Unit - Đơn vị xử lý trung tâm ) CPU thực hiện các chức năng:

- Điều khiển tắt mở nguồn chính, chuyển nguồn giữa chế độ thu và phát

- Điều khiển đồng bộ sự hoạt động giữa các IC

- Điều khiển khối thu phát sóng

- Quản lý các chương trình trong bộ nhớ

- Điều khiển truy cập SIM Card

- Điều khiển màn hình LCD

- Xử lý mã quét từ bàn phím

- Điều khiển sự hoạt động của Camera

- Đưa ra tín hiệu dung chuông và chiếu sáng đèn Led

♦ Memory ( Bộ nhớ ) bao gồm:

- ROM ( Read Olly Memory ) đây là bộ nhớ chỉ đọc lưu các chương trình quản

lý thiết bị, quản lý các IC, quản lý số IMEI, nội dung trong ROM do nhà sản xuất nạp vào trước khi điện thoại được xuất xưởng

- SDRAM ( Syncho Dynamic Radom Access Memory ) Ram động - là bộ nhớ lưu tạm các chương trình phục vụ trực tiếp cho quá trình xử lý của CPU

- FLASH đây là bộ nhớ có tốc độ truy cập nhanh và có dung lượng khá lớn dùng

để nạp các chương trình phần mềm như hệ điều hành và các chương trình ứng dụng trên điện thoại, khi hoạt động CPU sẽ truy cập vào FLASH để lấy ra phần mềm điều khiển máy hoạt động

- Memory Card : Thẻ nhớ dùng cho các điện thoại đời cao để lưu các chương trình ứng dụng , tập tin ảnh, video, ca nhạc

c/ Khối thu phát tín hiệu:

Khối thu phát tín hiệu bao gồm

Khi thu băng GSM 900MHz , tín hiệu thu vào Anten đi qua chuyển mạch Anten đóng vào đường GSM900MHz => Đi qua bộ lọc thu để lọc bỏ các tín hiệu nhiễu => Đi qua bộ khuếch đại nâng biên độ tín hiệu => Đi qua bộ ghép hỗ cảm để tạo ra tín hiệu cân bằng đi vào IC Cao trung tần Mạch trộng tần trộn tín hiệu cao tần với tần số dao động nội tạo ra từ bộ dao động VCO => tạo thành tín hiệu trung tần IF => đưa qua mạch khuếch đại trung tần khuếch đại lên biên độ đủ lớn cung cấp cho mạch tách sóng điều pha Mạch tách sóng lấy ra 2 dữ liệu thu RXI và RXQ >> Tín hiệu RXI và RXQ được đưa sang IC mã âm tần để xử lý và tách làm hai tín hiệu : => Tín hiệu thoại được đưa đến bộ đổi D - A lấy ra tín hiệu âm tần => khuếch đại và đưa ra loa => Các tín hiệu khác được đưa xuống IC vi xử lý theo hai đường IDAT và QDAT để lấy ra các tin hiệu báo dung chuông, tin nhắn

♦ Kênh phát

- Tín hiệu thoại thu từ Micro được đưa vào IC mã âm tần

- Các dữ liệu khác ( thông qua giao tiếp bàn phím ) đưa vào CPU xử lý và đưa lên IC mã âm tần theo hai đường IDAT và QDAT

- IC mã âm tần thực hiện mã hoá , chuyển đổi A - D và xử lý cho ra 4 tín hiệu TXIP, TXIN, TXQP, TXQN đưa lên IC cao trung tần

- IC cao trung tần sẽ tổng hợp các tín hiệu lại sau đó điều chế lên sóng cao tần phát

- Dao động nội VCO cung cấp dao động cao tần cho mạch điều chế

- Mạch điều chế theo nguyên lý điều chế pha => tạo ra tín hiệu cao tần trong khoảng tần số từ 890MHz đến 915MHz => tín hiệu cao tần được đưa qua mạch ghép

hỗ cảm => đưa qua mạch lọc phát => khuếch đại qua tầng tiền khuếch đại => đưa đến

IC khuếch đại công suất khuếch đại rồi đưa qua bộ cảm ứng phát => qua chuyển mạch Anten => đi ra Anten phát sóng về trạm BTS

- IC công suất phát được điều khiển thay đổi công suất phát thông qua lệnh APC

ra từ IC cao trung tần

- Một phần tín hiệu phát được lấy ra trên bộ cảm ứng phát => hồi tiếp về IC cao trung tần qua đường DET để giúp mạch APC tự động điều chỉnh công suất phát APC

( Auto Power Control )

2.2.3 Hoạt động của điện thoại di động

3.1 Hệ thống DTMF

Hệ thống DTMF đang phát triển và đã trở thành phổ biến trong hệ thống điện thoại hiện đại hiện nay Hệ thống này còn gọi là hệ thống Touch-Tone, hệ thống được hình thành vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1970 mới được phát triển rộng rãi Hệ thống DTMF giờ đây trở thành chuẩn thay thế cho hệ thống xung kiểu cũ DTMF (dual tone multi frequency) là tổng hợp của hai âm thanh Nhưng điểm đặc biệt của hai âm này là không cùng âm nghĩa là: tần số của hai âm thanh này không có cùng ước số chung với

âm thanh kia Ví dụ như 750 và 500 thì có cùng ước số chung là 250 (750=250 x 3, 500= 250 x 2) vì vậy 750 và 500 là hai thanh cùng âm không thể kết hợp thành tín hiệu DTMF Lợi điểm của việc sử dụng tín hiệu DTMF trong điện thoại là chống được nhiễu tín hiệu do đó tổng đài có thể biết chính xác được phím nào đã được nhấn Ngoài

ra nó còn giúp cho người ta sử dụng điện thoại thuận tiện hơn Ngày nay hầu hết các hệ thống điện thoại đều sử dụng tín hiệu DTMF Bàn phím chuẩn của loại điện thoại này

có dạng ma trận chữ nhật gồm có 3 cột và 4 hàng tạo nên tổng cộng là 12 phím nhấn:

10 phím cho chữ số (0-9), hai phím đặc biệt là ‘* ’ và ‘# ’ Mỗi một hàng trên bàn phím được gán cho một tần số tone thấp, mỗi cột được gán cho tần số tone cao Mỗi một phím sẽ có một tín hiệu DTMF riêng mà được tổng hợp bởi hai tần số tương ứng với hàng và cột mà phím đó đang đứng Những tần số này đã được chọn lựa rất cẩn thận

Bàn phím chuẩn 12 phím

Ngày nay để tăng khả năng sử dụng của điện thoại người ta phát triển thêm

một cột nữa cho bàn phím điện thoại chuẩn tạo nên bàn phím ma trận 4x4 như hình

7 8

10

5 6

9

16 3

OSC1 OSC2

STD

Sơ đồ chân MT8870

- PIN 1(IN+) : Non –Investing op-amp, ngõ vào không đảo

- PIN 2 (IN-) : Investing op-amp, ngõ vào đảo

- PIN 3 (GS) : Gain Select ,giúp truy xuất ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai đầu cuối qua điện trở hồi tiếp

- PIN 4 (Vref) : Reference Voltage (ngõ ra) thông thường bằng VDD/2

- PIN 5 (INH) : Inhibit (ngõ vào) khi chân này ở mức logic cao thì không nhận dạng được ký tự A, B, C ở ngõ ra (undelected)

- PIN 6 (PWDN) : Power down (ngõ vào), tác động mức cao Khi chân này tác động thì sẽ cấm mạch dao động và IC 8870 họat động

- PIN 7 (OSC 1) : Clock gõ vào MHz

- PIN 8 (OSC 2) : Clock ngõ ra

- Nối hai chân 7 và chân 8 với thạch anh 3,58 MHz để tạo một mạch dao động nội

- PIN 9 (Vss) : Điện áp mass

- PIN 10 (TOE) : Three Stage Output Enable (ngõ vào), ngõ ra Q1 – Q4 hoạt động khi TOE ở mức cao

- PIN 11 ÷ 14 : từ Q1 ÷ Q4 ngõ ra, khi TOE ở mức cao các chân này cung cấp mã tương ứng với các cặp tone dò tìm được (theo bảng chức năng), khi TOE ở mức thấp

dữ liệu ngõ ra ở trạng thái trở kháng cao

- PIN 15 (STD) : Delayed Steering (ngõ ra), ở mức cao khi gặp tần số tone đã được ghi nhận và gõ ra chốt thích hợp, trở về mức thấp khi điện áp trên ST/ GT ngỏ hơn điện áp ngưỡng VTST

- PIN 16 (EST) : Early Steering (ngõ ra), chân này lên mức [1] khi bộ thuật toán nhận được cặp tone và trở về mức [0] khi mất tone

- PIN 17 (ST/GT) : Steering Input /Guard tune output (ngõ ra), khi điện áp VC lớn hơn VTST thì ST sẽ điều khiển dò tìm cặp tone và chốt ngõ ra

- PIN 18 (VDD) : điện áp cung cấp, thường là + 5V

b/ Dial tone filter:

Khối này sẽ tách tín hiệu tone thành nhóm tần số tháp và nhóm tần số cao Thực hiện việc này nhờ 2 bộ lọc thông qua bậc 6 Một từ 697 HZ đến 941 HZ và một từ

1209 HZ đến 1633 HZ Cả hai nhóm tín hiệu này được biến đổi thành xung vuông bởi

bộ dò Zero Crossing

c/ High group filter và Low group filter :

High group filter là bộ lọc 6 để lọc nhóm tần số cao có băng thông từ 697 HZ đến 941 HZ

Low group filter là bộ lọc 6 để lọc nhóm tần số thấp có băng thông từ 1209 HZ đến 1633HZ

Ngòai ra, có bộ Zero crossing detectors có nhiệm vụ dò mức không để biến đổi tín hiệu thành xung vuông

d/ Digital detection argorethm:

Khối này là bộ thuật tóan dùng kỹ thuật số để xác định tần số của các tone đến và kiểm tra chúng tương ứng với tần số chuẩn DTMF Nhờ giải thuật lấy trung bình phức tạp (complex averaging) giúp lọai trừ các tone giả tạo thành do tiếng nói trong khi vẫn bảo đảm một khỏang biến động cho tone thực do bị lệch Khi bộ kiểm tra nhận dạng được hai tone đúng thì đầu ra EST (Early Steering) sẽ lên mức active (tác động ) Lúc không nhận được tín hiệu tone thì ngõ ra EST sẽ ở mức Inactive (không tác động )

e/ Mach Steering:

Trước khi thu nhận một cặp tone đã giải mã, bộ thu phải kiểm tra xem thời hằng của tín hiệu có đúng không Việc kiểm tra này được thực hiện bởi một bộ RC mắc ngoài

Khi chân EST lên high (mức logic cao ) làm cho Vc tăng lên khi tụ xả Khi mà chân Est vẩn còn high trong một thời đọan hợp lệ thì Vc tiến mức ngưỡng VTST của logic Steering để nhận một cặp tone Điện thế VC chính là điện thế ngõ vào ST/GT, do

đó ngõ vào ST/GT có điện thế lớn hơn mức ngưỡng VTST , điều này làm cho cặp tone được ghi nhận và 4 bit dữ liệu tương ứng được đưa vào ngõ ra của bộ chốt Lúc đó chân EST cùng với chân ST/GT vẫn tiếp tục ở mức cao Cuối cùng sau một thời gian trễ ngắn cho phép việc chốt dữ liệu thực hiện xong thì chân STD của mạch Steering lên mức logic cao báo hiệu rằng cặp tone đã được ghi nhận

Dữ liệu thu được sẽ đi ra 2 chiều (data bus) khi mạch Steering được đọc Mạch Steering lại họat động nhưng theo chiều ngược lại để kiểm tra khoảng dừng giữa hai số quay Vì vậy bộ thu vừa bỏ qua các tín hiệu quá ngắn không hợp lệ lại vừa chấp nhận các khỏang ngắt quá nhỏ không thể coi dừng giữa các số Chức năng này, cũng như khả năng chọn thời hằng steering bằng mạch ngòai cho phép người thiết kế điều chỉnh họat động cho phù hợp với các đòi hỏi khác nhau của ứng dụng

f / Điều chỉnh thời gian bảo vệ:

Thời gian tối thiểu cặp tone xuất hiện để đảm bảo cho việc nhận chính xác là

Tpec = tDD+ tGTP

• tDD : thời gian từ khi có cặp tone ổn định cho đến khi chân EST lên mức logic cao , thời gian này là thời gian dò được cặp tone cố định

• tGTP : thời gian bảo vệ bảo đảm sự có mặt của cặp tone

• tpec : thời gian tối thiểu cặp tone xuất hiện

• thời gian tối thiểu của sự xuất hiện giữa 2 cặp tone là : tID = tDA +tGTA

• tDA : thời gian dò được sự mất cặp tone

• tGTA : thời gian bảo vệ cho việc xác định cặp tone bị mất

• tID : thời gian xuất hiện tối thiểu giữa 2 cặp tone

CHƯƠNG 4 THU PHÁT ÂM

THANH

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển nên có nhiều phường pháp thu phát âm thanh như: thu phát bằng băng đĩa, thiết bị lưu trữ (usb, đĩa cứng, đĩa mềm…) Các phương pháp này lưu trữ âm thanh tốt, chất lượng cao, dung lượng lưu trữ nhiều nhưng phải có thiết bị thu phát chuyên dụng Trong đề tài này chỉ giới hạn ở việc thu phát những câu thông báo ngắn, đơn giản, không sử dụng thiết bị thu phát chuyên dụng phức tạp nên chúng em chọn vi mạch thu phát âm thanh IC ISD1420 có thể lưu trữ âm thanh được 20s, mạch thu phát đơn giản phù hợp yêu cầu của đề tài Sau đây chúng em xin giới thiệu vài nét về IC này

4.1 IC thu phát tiếng nói ISD 1420

ISD 14XX là IC thu phát ngữ âm thời gian thu và phát ngữ âm phụ thuộc vào 2 số cuối nếu là ISD 1416 thì thời gian thu là 16s ,còn ISD 1420 thì thời gian thu phát là 20s.Đặc điểm nổi bật của IC này là dùng kỹ thuật lưu trữ trực tiếp tín hiệu tương tự tất

cả các mạch cần thiết cho tín hiệu tương tự như mạch khuếch đại ,các mạch điều khiển số đều được chứa trong IC

ISD 1420 không dùng các bộ ADC và DAC mà thay vào đó là kỹ thuật CMOS EPROM công suất thấp và chứa dữ liệu lấy mẫu như một mức tương tự trong mỗi ô nhớ.Như vậy mỗi mẫu dữ liệu chỉ cần duy nhất một ô nhớ trong EPROM.Do sử dụng EPROM nên có thể đọc ghi dữ liệu dễ dàng và chất lượng tín hiệu đạt được rất cao.Mặt khác dữ liệu ghi vào trong ROM thì không mất đi khi mất nguồn điện cung cấp

14 20

13

28

12 16

1 2

23 3

24

4

6 9 10

7 8 11 22

A0 A1

PLAY L A2

PLAY E

A3 A5 A6 A7

NC NC NC NC

AOUT REC

XCLK

SP-Hình :Sơ đồ chân IC ISD 1420 Chức năng của từng chân :

Chân 1.2.3.4.5.6.9.10 (A0 – A7): là địa chỉ ngõ vào

Chân 27: là đầu ghi âm REC ở mức cao thì ghi âm, REC xuống mức thấp ngừng ghi âm

Chân 24 (PLAYER): là đầu kích phát âm ở sườn lên

Chân 23 (PLAYL): kích mức điện phát âm, từ mức điện thấp biến thành mức điện cao thì IC bắt đầu phát âm Chân 17: là đầu vào MICRO, bên trong được nối với bộ tiền khuếch đại, micro nối ngoài thông qua các tụ điện nối tiếp ghép với nó

Chân 18: là đầu vào gốc chuẩn MICRO REF, đây là đầu vào chiều ngược của bộ tiền khuếch đại

Chân 19 : là chân điều khiển độ lợi AGC

Chân 14 và 15: là 2 đầu ra loa SP+, SP_ Đầu ra này có thể kích các loa trên 8 Ohm Chân 25 là chân TEST, chân này nên nối đất

Chân 26: là xung nh p đ ng h XCLK

3 Đặc tính kỹ thuật

- Vi mạch đơn thu/ phát tiếng nói sử dụng dễ dàng

- Chất lượng cải tạo âm thanh tiếng nói một cách tự nhiên

- Có thể điều khiển bằng máy tính hoặc chuyển mạch thông thường

chế độ phát có thể kích thích bằng mức hay cạnh

- Lưu trữ được 20 giây âm thanh

- Lưu trữ thông tin không cần nguồn nuôi

- Có thể đánh dấu toàn bộ vùng nhớ để xử lí nhiều thông điệp

- Mạch taọ xung clock có sẵn bên trong chíp

- Có sẵn AGC

- Nguồn đơn cung cấp điện áp là +5V

- Tốc độ lấy mẫu input là 3.4 KHz

- Băng thông 3.4 KHz

ISD 1420 cung cấp giải pháp thu phát âm thanh chất lượng , có bộ tiền khuếch đaị Microphone, mạch AGC, mạch lọc tinh chế tinh chế tín hiệu và mạch khuếch đại tín hiệu ra loa Thêm vào đó các mạch ISD 1420 hoàn toàn tương thích với các bộ vi

xử lí và bộ vi điều khiển , cho phép thực hiện các tác vụ đánh địa chỉ và phát thông điệp phức tạp Các thông báo sau khi thu được lưu vaò bộ nhớ , không bay hơi trên các mạch khiến cho việc lưu trữ các thông báo không cần dến nguồn nuôi liên tục

Bộ nhớ đa cấp cuả ISD 1420 cho phép tái tạo âm thanh tự nhiên trên cùng một vi mạch.Công nghệ lưu trữ đa mức ISD 1420 đạt được phương pháp lưu trữ có mật độ cao gấp 8 lần , so vơí bộ nhớ số phức tạp , mạch tích hợp ISD 1420 chứa tất cả các chất năng cần thiết cho công việc thu và phát tiếng nói có chất lượng cao Bộ khuếch đaị khử nhiểu microphone và các mạch điều chỉnh độ lợi (AGC) cho phép thu được các âm thanh chất lượng lớn hay nhỏ

ISD1420 điều khiển loa qua các ngõ suất vi sai Điều này làm tăng biên độ lên 4 lần và do đó không cần dùng tụ hay mạch khuếch đại ngõ xuất

ISD 1420 có dãy ô nhớ chia thành 160 đoạn (segments) Các điạ chỉ A0 - A7 cho phép truy cặp đến từng đoạn Do đó dể dàng định vị thông báo Khả năng định vị naỳ cho phép truy xuất đến từng đoạn cuả dãy tín hiệu analog được chứa trong bộ nhớ

Hình: Giản đồ thu một thông báo

Hình: Giản đồ phát một thông báo

CHƯƠNG 5

VI ĐIỀU KHIỂN

5.1 Giới thiệu chung về Pic.

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 CPU1600 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

5.1.1 Sự phổ biến của vi điều khiển pic

Trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM Tuy nhiên, hiện nay PIC đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam vì những nguyên nhân sau:

- Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

- Giá thành không quá đắt

- Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

- Là 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

- Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, PIC được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như:

số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn…

- Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình từ đơn giản đến phức tạp…

- Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC không ngừng được phát triển

5.1.2 Kiến trúc pic

Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến trúc Von-Neumann và kiến trúc Harvard

Hình 3.1: Kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neuman

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Harvard Điểm khác biệt giữa kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neumann 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-Neumann không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển

Đối với kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai

bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Harvard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu

kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16Fxxx, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neumann, độ dài lệnh luôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte) Đặc điểm này được minh họa cụ thể trong hình 3.1

5.1.3 Risc và cisc

Như đã trình bày ở trên, kiến trúc Harvard là khái niệm mới hơn so với kiến trúc Von-Neumann Khái niệm này được hình thành nhằm cải tiến tốc độ thực thi của một vi điều khiển Qua việc tách rời bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, bus chương trình và bus dữ liệu, CPU có thể cùng một lúc truy xuất cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, giúp tăng tốc độ xử lí của vi điều khiển lên gấp đôi Đồng thời cấu trúc lệnh không còn phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu nữa mà có thể linh động điều chỉnh tùy theo khả năng và tốc độ của từng vi điều khiển Và để tiếp tục cải tiến tốc độ thực thi lệnh, tập lệnh của họ vi điều khiển PIC được thiết kế sao cho chiều dài mã lệnh luôn cố định (ví dụ đối với họ 16Fxxxx chiều dài mã lệnh luôn là 14 bit) và cho phép thực thi lệnh trong một chu kì của xung clock ( ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như lệnh nhảy, lệnh gọi chương trình con … cần hai chu kì xung đồng hồ) Điều này có nghĩa tập lệnh của vi điều khiển thuộc cấu trúc Harvard sẽ ít lệnh hơn, ngắn hơn, đơn giản hơn để đáp ứng yêu cầu mã hóa lệnh bằng một số lượng bit nhất định Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Harvard còn được gọi là vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi điều khiển được thiết kế theo kiến trúc Von-Neuman còn được gọi là vi điều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh phức tạp vì mã lệnh của nó không phải là một

số cố định mà luôn là bội số của 8 bit (1 byte)

5.1.4 Pipelining

Đây chính là cơ chế xử lí lệnh của các vi điều khiển PIC Một chu kì lệnh của vi điều khiển sẽ bao gồm 4 xung clock Ví dụ ta sử dụng oscillator có tần số 4 MHZ, thì xung lệnh sẽ có tần số 1 MHz (chu kì lệnh sẽ là 1 us) Giả sử ta có một đoạn chương trình như sau:

1 MOVLW 55h

2 MOVWF PORTB

3 CALL SUB_1

4 BSF PORTA,BIT3

5 instruction @ address SUB_1

Ở đây ta chỉ bàn đến qui trình vi điều khiển xử lí đoạn chương trình trên thông qua từng chu kì lệnh Quá trình trên sẽ được thực thi như sau:

có thể xem lênh 3 cần 2 chu kì xung clock để thực thi

TCY5: thực thi lệnh đầu tiên của SUB_1 và đọc lệnh tiếp theo của SUB_1

Quá trình này được thực hiện tương tự cho các lệnh tiếp theo của chương trình

Thông thường, để thực thi một lệnh, ta cần một chu kì lệnh để gọi lệnh đó, và một chu kì xung clock nữa để giải mã và thực thi lệnh Với cơ chế pipelining được trình bày

ở trên, mỗi lệnh xem như chỉ được thực thi trong một chu kì lệnh Đối với các lệnh mà quá trình thực thi nó làm thay đổi giá trị thanh ghi PC (Program Counter) cần hai chu kì lệnh để thực thi vì phải thực hiện việc gọi lệnh ở địa chỉ thanh ghi PC chỉ tới Sau khi