thiết kế hệ thống phần mềm trên pc

LỜI NÓI ĐẦU Ngày này, việc ứng dụng máy tính vào các kỹ thuật đo lường và điều khiển không còn mới vì khi các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển được ghép nối với máy tính sẽ có thời gian thu thập và xử lý dữ liệu ngắn trong khi mức độ chính xác vẫn được đảm bảo, nhưng điều đáng quan tâm hơn cả là khả năng tự động hoá trong việc thu thập và xử lý dữ liệu. Chính vì điều này làm cho máy tính được ứng dụng trong hầu hết vào các lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp. Một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật vi xử lý là sự ra đời của các bộ vi xử lý kỹ thuật số. Đây là một vi mạch điện tử có mật độ tích hợp cao bao gồm rất nhiều các mạch số có khả năng nhận, xử lý và xuất dữ liệu. Đặc biệt là quá trình xử lý dữ liệu được thực hiện theo một chương trình là một tập hợp các lệnh từ bên ngoài mà người sử dụng có thể thay đổi dễ dàng tùy thuộc vào từng ứng dụng. Do đó một bộ vi xử lý có thể thực hiện được rất nhiều các yêu cầu điều khiển khác nhau tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng. Sự ra đời của kỹ thuật vi xử lý là sự kết hợp giữa kỹ thuật phần cứng và phần mềm đã làm cho hoạt động của các mạch điện tử trở nên mềm dẻo hơn với những phần mềm rất linh hoạt mà người sử dụng có thể sửa chữa, thay đổi hoặc bổ sung làm cho ứng dụng ngày càng trở nên hoàn thiện mà không cần phải thiết kế lại toàn bộ ứng dụng. Trong đồ án này, em sử dụng vi mạch điều khiển AT90S8535 của hãng Atmel để thiết kế một mạch đo nhiệt độ đơn giản. Đây là một bộ vi xử lý 8 bit năng lượng thấp (theo kiểu chíp CMOS) trên cơ sở cấu trúc RICS của hãng Atmel, tốc độ xử lý dữ liệu của IC AT90S8535 rất cao (xấp xỉ 8 MISP tại tần số 8MHz) cho phép hệ thống có thể được thiết kế tối ưu làm tăng tốc độ xử lý. Do đó, nó cung cấp khả năng linh hoạt rất cao trong các ứng dụng nhúng. Vì vậy, việc tìm hiểu cấu trúc và đặc tính của vi mạch điều khiển AT90S8535 có thể giúp chúng ta sử dụng vi mạch điều khiển này cho các ứng dụng cần thiết. 1 Em xin chân thành cảm ơn thầy cô đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành đồ án này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh ở trung tâm NET.JSC đã giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Tuy nhiên, do trình độ còn nhiều hạn chế nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô cũng như của những người đi trước trong lĩnh vực này để đồ án của em hoàn thiện hơn qua đó em có thể xây dựng được những ứng dụng trong thực tế. 2 CHƯƠNG I NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG THỰC HIỆN 1.1. Nhiệm vụ của đồ án. Từ mục đích tổng quát của đề tài là thiết kế và xây dựng một hệ thống đo nhiệt độ đơn giản, có thể phân tách ra thành các nhiệm vụ chính cần thực hiện như sau:  Thiết kế và xây dựng hệ thống ghép nối vi điều khiển (µC) AT90S8535 với module LCD (4x20 character), keypad (16 keys), cảm biến nhiệt LM335. Ngoài ra hệ thống còn phải có khả năng giao tiếp với máy tính (PC) qua cổng RS 232. Hình 1.1 : Sơ đồ tổng thể của hệ thống cần thiết kế  Thiết kế và xây dựng phần mềm điều khiển µC để thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt nhiệt LM335, từ keypad hoặc từ PC. Xử lý dữ liệu nhận được để hiển thị trên LCD hoặc truyền sang PC.  Xây dựng phần mềm trên PC để có thể giao tiếp được với µC qua cổng RS 232 3 LCD display KeyPad 16 L335 µC + I/O port PC RS 232 1.2. Phân tích nhiệm vụ. Để có thể thiết kế và xây dựng được hệ thống như trên cần phải thực hiện các bước sau :  Nghiên cứu và tìm hiểu bộ vi xử lý AT90S8535.  Tìm hiểu sự hoạt động của module LCD và cảm biến nhiệt LM 335.  Tìm hiểu sự hoạt động và phương pháp mã hoá keypad để có thể ghép nối với µC.  Tìm hiểu phương pháp truyền thông sử dụng chuẩn RS 232.  Thiết kế sơ đồ mạch nối ghép giữa µC với LCD, keypad, IC LM335 và giữa µC với máy tính thông qua cổng RS 232.  Lập trình phần mềm nạp cho µC để thực hiện các kết nối trên.  Viết phần mềm trên PC để giao tiếp với µC qua cổng RS 232.  Lắp giáp mạch đã thiết kế, chạy kiểm thử và đánh giá kết quả.  Viết báo cáo tốt nghiệp. 1.3. Phương hướng thực hiện. 1.3.1. Lựa chọn thiết bị. 4 a) Lựa chọn vi điều khiển : Trong thực tế có rất nhiều các họ vi xử lý khác nhau có thể sử dụng được trong ứng dụng này như họ vi điều khiển 8051 của Intel, 68hC11 của Motorola hay họ vi điều khiển 8515 của ATMEL Tuy nhiên, trong đồ án sử dụng bộ vi xử lý AT90S8535 của ATMEL, do đây là một sản phẩm mới của hãng ATMEL nên việc tìm hiểu nó sẽ đem lại rất nhiều lợi ích trong việc thiết kế các ứng dụng đo lường và điều khiển. Về mặt cấu tạo nó cũng tương tự như bộ vi xử lý AT90S8515 đã có từ khá lâu với 4 cổng I/O lập trình được. Nhưng về mặt công dụng thì bộ vi xử lý AT90S8535 được tích hợp nhiều chức năng hơn so với bộ vi xử lý AT90S8515, đặc biệt trên µC AT90S8535 được tích hợp một bộ ADC cho phép mỗi chân của port A được sử dụng là đầu vào cho bộ ADC, làm cho việc sử dụng µC AT90S8535 trong các ứng dụng linh hoạt hơn rất nhiều so với µC AT90S8515 đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. b) Thiết bị hiển thị dữ liệu : Đối với các loại dữ liệu được hiển thị dưới dạng số thì giải pháp tối ưu là sử dụng các LED 7 thanh do loại thiết bị hiển thị này có giá thành tương đối rẻ. Tuy nhiên, do ứng dụng không chỉ hiển thị chữ số (giá trị nhiệt độ) mà còn phải hiển thị cả các ký tự trong bảng chữ cái, do đó lựa chọn thiết bị hiển thị LCD vì loại thiết bị hiển thị này có khả năng hiển thị cả chữ cái và chữ số một cách rõ nét. Mặc dù so với các loại đèn LED thì LCD có giá thành cao hơn, nhưng bù lại thiết bị hiển thị LCD có nhiều đặc tính ưu việt hơn hẳn so với các loại đèn LED. Đặc biệt, thiết bị LCD cung cấp khả năng hiển thị dữ liệu vô cùng linh hoạt do ta có thể điều khiển xuất dữ liệu một cách trực tiếp thông qua tập lệnh điều 5 khiển của vi mạch điều khiển và bộ mã ký tự sẵn có trong CGRAM của LCD. Một điều cần quan tâm khác là thiết bị LCD tiêu tốn rất ít năng lượng. Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module LCD của các hãng khác nhau như Samsung, Hitachi, Motorola với nhiều loại kích thước. Trong đồ án sử dụng module LCD có kích thước 4x20 characters với 16 chân ghép nối. Không nhất thiết phải chọn hãng cung cấp vì các module LCD đều được xây dựng theo cùng một tiêu chuẩn, do đó cách thức điều khiển và ghép nối các module LCD thông dụng hiện nay cũng tương tự nhau. c) Thiết bị vào dữ liệu và điều khiển (Keypad) : Để người sử dụng có thể giao tiếp được với hệ thống, cần phải ghép nối µC với một module keypad. Do ứng dụng có thể làm việc với cả chữ cái và chữ số nên ta sử dụng keypad loại 16 keys, trong đó mỗi một phím được thiết kế như một công tắc để có thể nhập được dữ liệu có dạng như sau :  10 chữ số trong hệ thập phân từ 0 9.  26 chữ cái la tinh từ A Z.  Các phím điều khiển bao gồm : Send, Bspace, , , / , Clear. Do số ký tự có thể được sử dụng cùng với các phím chức năng lớn hơn rất nhiều so với tổng số phím sẵn có trên module keypad. Vì vậy, bắt buộc phải sử dụng phương pháp Multikey, tức là sử dụng phần mềm để mỗi một phím trên module keypad có thể mã hoá được không ít hơn hai ký tự khác nhau. Bằng cách này, với keypad có 16 phím ta có thể mã hoá được toàn bộ bảng chữ cái và chữ số đồng thời vẫn có thể thực hiện được các chức năng điều khiển như trình bầy ở trên. d) Giao tiếp giữa µC và PC : 6 Mặc dù hệ thống được thiết kế dựa trên µC AT90S8535 đã có thể làm việc độc lập trong qua trình thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu tới người sử dụng mà không cần có sự trợ giúp của PC. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng đều cần phải lưu trữ lại dữ liệu mà nếu thực hiện việc này dựa trên µC AT90S8535 đòi hỏi rất nhiều kỹ thuật và chi phí. Trong khi đó, thao tác lưu trữ dữ liệu trên PC lại rất đơn giản, vì vậy giải pháp tối ưu nhất là sử dụng PC để làm nhiệm vụ phức tạp này. Vấn đề còn lại chỉ là thao tác truyền dữ liệu cần lưu trữ từ µC sang PC, việc này được thực hiện khá đơn giản vì bản thân µC AT90S8535 đã được tích hợp một bộ UART để sử dụng trong hoạt động truyền tin với các thiết bị ở xa. Như vậy, dựa vào mạch UART của µC ta có thể thực hiện truyền nhận dữ liệu với PC theo chuẩn RS 232. Một vấn đề cần quan tâm khi ghép nối µC với PC theo chuẩn RS 232 là sự tương quan về mặt điện áp tín hiệu dạng TTL của µC và điện áp tín hiệu dạng RS 232 của PC. Để thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu dạng TTL sang dạng tín hiệu RS 232 ta sử dụng IC Max232, IC này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu ±10 V từ mức điện áp TTL để tạo sự tương thích về mức điện áp với chuẩn RS 232. 1.3.2. Phương hướng thiết kế. Từ sơ đồ tổng thể của hệ thống như trên hình 1.1 và từ việc lựa chọn thiết bị như trình bầy ở trên, hệ thống cần thiết kế có thể được thể hiện như trong sơ đồ hình 1.2, trong đó :  Khối LCD display : Sử dụng module LCD sẵn có trên thị trường được ghép nối với µC để hiển thị các thông tin cần thiết cho người sử dụng.  Khối Keypad : Được nối ghép với µC để người sử dụng có thể nhập dữ liệu hoặc điều khiển sự hoạt động của hệ thống. Module này được thiết 7 kế dưới dạng các công tắc và sử dụng trực tiếp các đặc tính của các cổng I/O lập trình được của µC để thực hiện mà không cần nguồn hỗ trợ bên ngoài.  Khối LM 335 : Là một IC cảm biến nhiệt làm nhiệm vụ biến đổi nhiệt độ môi trường sang dạng điện áp để làm đầu vào cho bộ ADC của µC làm việc.  Khối Max 232 : Sử dụng IC Max 232 ghép nối trược tiếp với µC làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa µC và PC theo chuẩn RS 232.  Khối nguồn : Làm nhiệm vụ biến nguồn xoay chiều 220 V sang nguồn một chiều ±5 V ổn định để cấp nguồn cho các khối khác hoạt động. Hình 1.2 : Sơ đồ khối thiết kế phần cứng 8 LCD display Keypad LM335 µC + I/O port Nguồn Max 232 CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ VÀ MỘT SỐ LÝ THUYẾT VỀ CHUYỂN ĐỔI A/D 2.1. Lựa chọn linh kiện thiết kế. 2.1.1. Giới thiệu vi mạch điều khiển AT90S8535. AT90S8535 là một vi mạch điều khiển năng lượng thấp 8 bit (công nghệ chíp CMOS) trên cơ sở cấu trúc RICS của hãng ATMEL, nó thuộc họ vi điều khiển AT90S/LS8535. Bằng cách thực hiện mỗi lệnh trong một đơn chu kỳ, AT90S8535 có thể đạt tới 1 MIPS cho mỗi MHz cho phép hệ thống có thể được thiết kế một cách tối ưu nhất sự tiêu thụ năng lượng làm tăng tốc độ xử lý. Về mặt cấu tạo µC này cũng tương tự như µC AT90S8515 với 4 cổng I/O lập trình được, tuy nhiên về mặt chức năng thì µC AT90S8535 được tích hợp thêm nhiều tính năng mới mà µC AT90S8515 không có. Các đặc trưng chính của µC AT90S8535 được trình bầy dưới đây : • 8KB bộ nhớ chương trình • 512 byte EEPROM • 512 byte SRAM • 32 line (4 cổng) I/O lập trình được • 32 thanh ghi đa năng 8 bit 9 • 8 kênh đầu vào ADC riêng biệt với 10 bit kết quả • 2 bộ Timer/Counter 8 bit với bộ đếm độc lập và chế độ so sánh • 1 bộ Timer/Counter 16 bit với bộ đếm độc lập và các chế độ PWM • 1 bộ UART lập trình trao đổi thông tin nối tiếp • 1 bộ Watchdog Time lập trình được với bộ tạo giao động trong • 1 bộ so sánh analog • 1 cổng phối ghép nối tiếp thiết bị ngoại vi SPI • 3 chế độ làm việc là : Idle, Power-Save và Power-down • Nguồn cung cấp từ 4.0 - 6.0 V , tần số làm việc 0 - 8MHz. Vi mạch điều khiển AT90S8535 được chế tạo theo công nghệ chíp nhớ cố định với mật độ cao. Bộ nhớ Flash ISP trên chíp cho phép bộ nhớ chương trình có thể được lập trình lại thông qua một cổng SPI phối ghép nối tiếp với thiết bị ngoại vi. Ngoài ra, µC AT90SS8535 còn hỗ trợ cho việc lập trình thông qua các công cụ pháp triển hệ thống như C, assemblers Vi điều khiển AT90S8535 có 4 cấu hình chân khác nhau là : PDIP (Có 40 chân), PLCC, TQFP, MLF (Có 44 chân). Sơ đồ chân của mỗi loại như sau. Hình 2.1 : Cấu hình chân của µC AT90S8535 10 PDIP PLCC TQFP MLF [...]... là 0, thì sự thiết lập của bit EEWE sẽ không có kết quả Khi bit EEMWE đã được thiết lập bởi phần mềm, phần cứng xoá bit này về 0 sau 4 chu kỳ đồng hồ • Bit 1 - EEWE : Bit cho phép ghi EEPROM Tín hiệu cho phép ghi EEPROM (EEWE) là một xung chọn ghi tới EEPROM Khi địa chỉ và dữ liệu đã được thiết lập phù hợp, bit EEWE phải được thiết lập để ghi giá trị vào trong EEPROM Bit EEEMWE phải được thiết lập khi... cần xoá các cờ ngắt chung trong thời gian thực hiện 4 bước cuối cùng Khi thời gian truy cập ghi kết thúc (2.5ms và V CC = 5V hoặc 4ms và VCC = 2.7V), bit EEWE được xoá bởi phần cứng, Sử dụng phần mềm có thể thăm dò bít này và đợi nó trở về không trước khi thực hiện ghi byte tiếp theo Khi bit EEWE đã được thiết lập, µC tạm dừng trong 2 chu kỳ đồng hồ trước khi lệnh tiếp theo được thực hiện • Bit 0 -... không gian I/O Thời gian truy cập ghi EEPROM trong phạm vi từ 2.5 đến 4 ms, tuỳ thuộc vào điện áp trên chân V CC EEPROM có một chức năng tự động tính thời gian cho phép phần mềm của người sử dụng kiểm tra khi byte tiếp theo có thể được ghi/đọc Một ngắt đặc biệt kiểm tra sự sẵn sàng của EEPROM có thể được thiết lập để kích hoạt khi EEPROM sẵn sàng tiếp nhận dữ liệu mới Để ngăn cản việc ghi EEPROM ngoài... thanh ghi SREG và bit EERIE được thiết lập, ngắt trạng thái sẵn sàng của EPROM được cho phép Khi bị xoá ngắt bị vô hiệu hoá Ngắt trạng thái sẵn sàng EEPROM tạo ra một ngắt cứng khi bit EEWE bị xoá • Bit 2 - EEMWE : Bit cho phép thao tác ghi EEPROM Bit EEMWE xác định có hay không sự thiết lập bit EEWE để gây ra thao tác ghi EEPROM Khi bit EEMWE được thiết lập, thì sự thiết lập của bit EEWE sẽ ghi dữ... EEPROM Tín hiệu cho phép đọc EEPROM là xung chọn đọc đến EEPROM Khi địa chỉ phù hợp được thiết lập trong thanh ghi EEAR, bit EERE phải được thiết lập Khi bit EERE bị xoá bởi phần cứng, dữ liệu yêu cầu được tìm thấy trong thanh ghi EEDR Sự truy xuất đọc EEPROM cần một lệnh và không cần thăm dò bit EERE Khi bit EERE đã được thiết lập, µC tạm dừng trong 4 chu kỳ đồng hồ trước khi lệnh tiếp theo được thực hiện... bởi thanh ghi Z (Bộ đếm chương trình (PC) được nạp với nội dung của thanh ghi Z) 25 k) Địa chỉ tương đối của bộ nhớ chương trình với lệnh RJMP và RCALL Chương trình được tiếp tục thực hiện tại địa chỉ PC + k + 1 Địa chỉ tương đối k bắt đầu từ - 2048 tới 2047 2.1.1.6 Thời gian truy cập bộ nhớ và thời gian thực hiện lệnh µC AT90S8535 được điều khiển bởi đồng hồ hệ thống 0, được tạo trực tiếp từ đồng hồ... của nó Chú ý đối với các lệnh CBI và SBI sẽ có tác dụng trên tất cả các bit trong thanh ghi I/O và thao tác ghi lại 1 vào bất kỳ cờ nào đã được thiết lập đồng nghĩa với việc xoá cờ đó Tuy nhiên, các lệnh CBI và SBI chỉ làm việc với các thanh ghi có địa chỉ từ $00 đến $1F Chức năng của mỗi bit trong các thanh ghi sẽ được giới thiệu trong từng phần có liên quan, dưới đây là hai thanh ghi chính của vi... ngắt chung (Global Interrupt Enable) Bit cho phép ngắt chung phải được thiết lập để cho phép các ngắt Sau đó, mỗi sự điều khiển ngắt cho phép riêng được thực hiện trong các thanh ghi điều khiển độc lập Nếu bit cho phép ngắt chung bị xoá, thì không có ngắt nào được cho phép Bit I được xoá bởi phần cứng sau khi một ngắt xảy ra và được thiết đặt bởi lệnh RETI để cho phép các ngắt tiếp theo • Bit 6 - T :... trở về từ một thủ tục ngắt Do đó, nó phải được thực hiện bởi phần mềm Thanh ghi con trỏ ngăn xếp : SP Con trỏ ngăn xếp của µC AT90S8535 được thực hiện như hai thanh ghi 8 bit ở địa chỉ $3E($5E) và $3D($5D) trong không gian I/O Do bộ nhớ SRAM của AT90S8535 có $25F địa chỉ, do đó con trỏ SP cần sử dụng 10 bit để xác định các vị trí địa chỉ cần thiết Con trỏ ngăn xếp SP trỏ tới vùng dữ liệu ngăn xếp trong... thanh ghi r (Rr) và d (Rd) Kết quả được lưu trong thanh ghi d (Rd) c) Địa chỉ I/O trực tiếp Toán hạng địa chỉ chứa trong 6 bit LSB của từ lệnh, n là địa chỉ của thanh ghi nguồn hoặc đích d) Địa chỉ dữ liệu trực tiếp 23 16 bit địa chỉ dữ liệu được chứa trong 16 bit LSB của hai từ lệnh Rd/Rr chỉ rõ thanh ghi nguồn hoặc thanh ghi đích e) Địa chỉ dữ liệu tương đối Toán hạng địa chỉ là kết quả của nội dung thanh . nhiệt LM335. Ngoài ra hệ thống còn phải có khả năng giao tiếp với máy tính (PC) qua cổng RS 232. Hình 1.1 : Sơ đồ tổng thể của hệ thống cần thiết kế  Thiết kế và xây dựng phần mềm điều khiển µC. chuẩn RS 232. 1.3.2. Phương hướng thiết kế. Từ sơ đồ tổng thể của hệ thống như trên hình 1.1 và từ việc lựa chọn thiết bị như trình bầy ở trên, hệ thống cần thiết kế có thể được thể hiện như trong. Thiết kế sơ đồ mạch nối ghép giữa µC với LCD, keypad, IC LM335 và giữa µC với máy tính thông qua cổng RS 232.  Lập trình phần mềm nạp cho µC để thực hiện các kết nối trên.  Viết phần mềm trên