Báo cáo bài tập lớn hệ thống nhúng và thiết kế giao tiếp nhúng đề tài hệ thống điều khiển tàu lượn khu vui chơi

111Equation Chapter Section TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -    - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG NHÚNG VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG Đề tài: Hệ thống điều khiển tàu lượn khu vui chơi Giảng viên: TS Phạm Văn Tiến Nhóm sinh viên thực hiện: STT Họ tên Nguyễn Phú Lâm Lê Tuấn Anh Lê Đức An Lê Văn Kiều Quý MSSV 201826 27 201823 39 201823 25 201930 70 Hà Nội, năm 2023 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I Xác lập tiêu kỹ thuật I.1 Tìm hiểu trò chơi tàu lượn siêu tốc I.1.1 Các phận .5 I.1.2 Vật lý I.2 Các yêu cầu hệ thống I.2.1 Yêu cầu chức hệ thống I.2.2 Yêu cầu đáp ứng thời gian thực I.3 Đề xuất toán thực CHƯƠNG II Mô hình hóa hệ thống II.1 Mơ hình hóa hệ thống sử dụng UML II.1.1 Mơ hình FSM: II.1.2 Mơ hình USE CASE II.2 Mơ hình hóa tham số tàu lượn II.3 Mơ hình hóa hệ thống sử dụng SystemC biên dịch chéo II.3.1 Mơ hình hóa hệ thống sử dụng SystemC II.3.2 Biên dịch chéo cho thiết kế 11 II.4 Tổng hợp hệ thống lên phần cứng kit FPGA DE2 II.4.1 Bổ sung thêm module 13 II.4.2 Tạo constraint file 13 II.4.3 Kết 14 CHƯƠNG III Đồng thiết kế cứng mềm III.1 System Sppecification III.2 Sơ đồ ASMD III.3 Allocation CHƯƠNG IV Thiết kế giao tiếp ngoại vi IV.1 Digital Weight Sensor Module IV.1.1 Specification 21 IV.1.2 Connection 22 IV.2 Proximity sensor IV.2.1 Specification 23 IV.2.2 Connection 24 IV.3 Measure Speed Using IC FC-03 IV.3.1 Specification 25 II.1.2 Connection 25 CHƯƠNG V Biên dịch phần mềm hệ thống V.1 Điều khiển động IC L298 V.1.1 Yêu cầu thiết bị 27 V.1.2 Sơ đồ nối dây : 30 V.1.3 Điều khiển động 31 V.2 Đọc tốc độ tàu trượt từ cảm biến hồng ngoại V.2.1 Yêu cầu thiết bị : 33 V.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 34 V.2.3 Mã nguồn biên dịch 35 CHƯƠNG VI Báo cáo cá nhân VI Hệ thống đo tốc độ tàu trượt từ đường ray cảm biến hồng ngoại VI.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật 37 VI.2 Sơ đồ thiết kế mạch 38 VI.3 Mã nguồn biên dịch 39 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU Thời gian gần đây, Hệ thống nhúng – Thời gian thực quan tâm nhiều Việt Nam, giới hệ thống phát triển mạnh mẽ xu hướng thịnh hành nước Công nghiệp lợi ích to lớn, thiết thực mà mang lại Chương trình học mơn Hệ thống nhúng thiết kế giao tiếp nhúng phần quan trọng giúp hiểu rõ quy trình thiết kế, đánh giá hệ thống nhúng Trong báo cáo này, nhóm chúng em triển khai thiết kế mô hệ thống nhúng cho Điều khiển tàu lượn khu vui chơi, mục đích hệ thống điều khiển tàu chạy tốc độ để không bị trật bánh, rơi CHƯƠNG I Xác lập tiêu kỹ thuật I.1 Tìm hiểu trị chơi tàu lượn siêu tốc I.1.1 Các phận Tàu lượn siêu tốc loại trị giải trí có sử dụng đường ray xe lửa cao thiết kế với cú ngoặt đột ngột, sườn dốc, đơi đường ray lộn ngược vịng Tàu lượn siêu tốc cỗ máy phức tạp Nó có hình dáng giống đồn tàu lại vận hành không cần động mà dựa chủ yếu vào quán tính trọng lực Để giữ cho đoàn tàu lượn vận hành an toàn từ khởi hành tới lúc dừng lại, ta cần phối hợp vài thành phần khác Đầu tiên xích nâng – sợi xích dài bên đường ray, chạy lên sườn dốc nghiêng, cho phép đồn tàu chậm rãi lên đoạn dốc Cấu trúc đơn giản: kết nối với hệ thống kéo sử dụng motor đặt đầu vào cuối dốc thông qua bánh Đồng thời, mặt tàu lượn có nhiều móc để kết nối với sợi xích cách an tồn kéo lên dốc Khi lên tới đỉnh, sợi xích thả để tàu dễ dàng di chuyển Nhiều mẫu tàu lượn đời trang bị hệ thống đẩy có sử dụng nam châm điện để tạo động lớn nhanh Nhờ mà kiểu tàu lượn có tốc độ ban đầu cao mà không cần sử dụng tới đoạn dốc nghiêng đầu Một rời khởi hệ thống hỗ trợ, trọng lực đảm nhận nốt nhiệm vụ quãng đường ray lại tàu gặp hệ thống đẩy/kéo khác đặt đường Tiếp đó, hệ thống phanh kẹp tích hợp vào đường ray để giúp tàu ngừng lại Một hệ thống máy tính nhận biết mà tàu đến điểm hãm tốc, sau đó, hệ thống kẹp bám lấy móc gắn gầm tàu lượn để giảm tốc làm tàu dừng lại I.1.2 Vật lý Tàu lượn siêu tốc hoạt động phần lớn nhờ tác dụng động Khi đoàn tàu dần kéo lên dốc (hoặc kéo nam châm), dần tích lũy lượng lớn Ban đầu đoàn tàu leo lên cao trọng lực lại kéo xa Một đầu tàu chạm đến đỉnh dốc bắt đầu chuyển động xuống dưới, tác động trọng lực, tồn tàu tích lũy chuyển hóa thành động Phần lượng kéo toa xe xa, ấy, độ nghiêng đường ray định tốc độ "đổ đèo" đoàn tàu Nhờ vào định luật thứ chuyển động Newton (một vật chuyển động tiếp tục chuyển động), đoàn tàu siêu tốc tiếp tục trì vận tốc lên dốc khác khơng gặp phải trướng ngại vật Khi lên dốc, lại tạo năng, phần lượng lại chuyển hóa thành động xuống dốc Đây lý nhiều tàu lượn siêu tốc lại qua không đoạn dốc – phương thức vật lý để tiếp tục chuỗi chuyển động đoàn tàu Những tàu lượn siêu tốc ngày có nhiều đặc điểm mới, từ khởi động nhanh, nhiều thay đổi đường ray, tới pha nhào lộn bất chấp trọng lực Nhưng dù vật lý ln cốt lõi loại trò chơi I.2 Các yêu cầu hệ thống I.2.1 Yêu cầu chức hệ thống  Hệ thống xác định vị trí tàu đường ray  Hệ thống kiểm soát tốc độ tàu  Hệ thống đưa thông tin chuyến đi : tổng cân nặng, tốc độ tại, loại đường ray tàu qua, độ lớn lực bổ sung cần tác dụng  Hệ thống đưa cảnh báo dừng khẩn cấp cung cấp lực bổ sung để tàu chạy ổn định I.2.2 Yêu cầu đáp ứng thời gian thực  Hệ thống tính tốn, cung cấp lực bổ sung kịp thời dựa tốc độ tàu, thời gian đáp ứng hệ thống  Hệ thống đưa cảnh báo dừng khẩn cấp tính tốn rủi ro I.3 Đề xuất toán thực Figure 1.1: Đường ray đề xuất Giới hạn tốc độ tàu đỉnh các track: m v Track 1 : F N = −mg R Tốc độ tối thiểu tàu đề khơng rơi khỏi vịng loop lộn vịng : v ≥ √ R ⋅ g Track 2 : Tốc độ tối thiểu tàu để khơng trật bánh cua : v ⩾ √ R ⋅g ⋅ tan ⁡( α ) Track 3 : F N = m v + mg R Tốc độ tối đa tàu để khơng bật khỏi đường ray : v ≤ √R ⋅ g Giới hạn tốc độ tàu vị trí bắt đầu vào track (các vị trí chấm xanh hình) : 2 2 m v1 m v2 = + mg⋅ ( R1 +h ) 2 Suy v1 required ≥ √ v 22+2 mg (2 R 1+ h) Track 1 : m v1 m v2 Track 3 : = + mg⋅ ( R3 ) 2 Suy v3 required ≤ √ v 22+2 mg (2 R 3) Giả sử hệ thống nhận tín hiệu từ sensor track 1, tốc độ tàu lúc v Thời gian đáp ứng hệ thống t (tính từ lúc hệ thống nhận tín hiệu từ cảm biến tiệm cận đến thời điểm bắt đầu tác dụng lực bổ sung lên tàu) Tính lực bổ sung hệ thống cần tác dụng lên tàu 2 m v0 m v required + F s= 2 s=d−(v t ) (1) (2) 2 mv −m v Từ (1) (2) suy ra : F= required 2.(d−(v t)) CHƯƠNG II Mô hình hóa hệ thống II.1 Mơ hình hóa hệ thống sử dụng UML Công cụ sử dụng: Draw.io II.1.1 Mô hình FSM: Figure 2.1: Mơ hình FSM II.1.2 Mơ hình USE CASE Figure 2.2: Mơ hình USE CASE II.2 Mơ hình hóa tham số tàu lượn 10 ... quy trình thiết kế, đánh giá hệ thống nhúng Trong báo cáo này, nhóm chúng em triển khai thiết kế mô hệ thống nhúng cho Điều khiển tàu lượn khu vui chơi, mục đích hệ thống điều khiển tàu chạy tốc... vật lý ln cốt lõi loại trị chơi I.2 Các yêu cầu hệ thống I.2.1 Yêu cầu chức hệ thống  Hệ thống xác định vị trí tàu đường ray  Hệ thống kiểm soát tốc độ tàu  Hệ thống đưa thông tin chuyến đi :... khởi hệ thống hỗ trợ, trọng lực đảm nhận nốt nhiệm vụ quãng đường ray lại tàu gặp hệ thống đẩy/kéo khác đặt đường Tiếp đó, hệ thống phanh kẹp tích hợp vào đường ray để giúp tàu ngừng lại Một hệ thống