Thiết kế module tích hợp đa chức năng thễng tin vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ MODULE TÍCH HỢP ĐA CHỨC NĂNG THƠNG TIN VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ĐỨC LONG Lớp SPKT- Đ TỬ -K50 Giảng viên hướng dẫn: TS VŨ VĂN YÊM Hà Nội, 5-2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: …………….………….…… Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………… Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… Các số liệu liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… … ……………………… …………………………………………………………………………………… Nội dung phần thuyết minh tính tốn: ……………………………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………………………………………………………… …… … ……………………………………………………………………………………………………………………………… Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………………………………………………… ……….………………………………………………………………………………………………………… Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… …………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… Ngày Chủ nhiệm Bộ môn tháng năm Giảng viên hướng dẫn Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán phản biện: Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU .1 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 12 I.Định nghĩa hệ thống định vị toàn cầu 12 I.1 Định nghĩa 12 I.2.Các thành phần GPS 12 1.Bộ phận người sử dụng .13 2.Bộ phận không gian 13 3.Bộ phận điều khiển 13 II Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu .14 II.1.Hệ thống định vị toàn cầu Mỹ 14 1.Quá trình xây dựng: 14 2.Sự hoạt động 14 II.2.Hệ thống định vị toàn cầu Nga 16 1.Quá trình xây dựng: 16 2.Sự hoạt động 16 II.3.Hệ thống định vị toàn cầu Châu Âu tương lai 17 1.Thông số hệ thống .17 1.1.Vệ tinh 17 1.2.Dịch vụ cung cấp 18 Các giai đoạn dự án 18 2.1.Lên kế hoạch thử nghiệm 18 2.2.Hoàn thành đưa vào hoạt động .19 3.Các nước tham gia dự .19 III Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu .19 III.1.Trong dân 19 III.2.Trong quân 20 IV Module thu GPS GPM 1315 20 IV.1.Mô tả chung .20 IV.2 Thuộc tính kỹ thuật 22 Độ nhạy .22 1.1 Chế độ làm việc 22 Môi trường làm việc: 22 2.1 Nhiệt độ 23 2.2 Độ ẩm làm việc 23 2.3 Tiêu thụ điện 23 IV.3 Giao diện phần cứng 23 Cấu hình đầu nối 23 2.Ăng ten đầu vào 24 LNA (Mo đun có tiếng ồn thấp) 24 Cung cấp lượng .24 Thiết lập lại .25 Khởi động lựa chọn 25 UART 26 VDD_ RTC 26 Kích thước đánh số 27 10 Sơ đồ bố trí 28 IV.4.Phần mềm giao diện 28 Nhập tin nhắn 28 Thông báo đầu .29 IV.5.Mạch ứng dụng tiêu biểu 29 Ăngten tham khảo 30 SMD 31 CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AVR .32 I.Giới thiệu chung vi điều khiển AVR 32 II.Tìm hiểu Atmega162 33 II.1 Giới Thiệu Chung .33 II.2.Cấu trúc nhân AVR 34 1.Cấu trúc tổng quát 34 2.ALU 35 3.Thanh ghi trạng thái 35 4.Các ghi chức chung .35 5.Con trỏ ngăn xếp (SP) .36 Quản lý ngắt 37 II.3.Cấu trúc nhớ 37 Bộ nhớ chương trình (Bộ nhớ Flash) 38 2.Bộ nhớ liệu SRAM .38 3.Bộ nhớ liệu EEPROM 39 II.4.Các cổng vào (I/O) 39 1.Thanh ghi DDRx .40 2.Thanh ghi PORTx .40 3.Thanh ghi PINx 40 II.5.Bộ định thời .41 Các ghi 41 Đơn vị đếm 42 Đơn vị so sánh ngõ .42 Mô tả ghi 43 4.1 Thanh ghi điều khiển định thời/bộ đếm TCCR0 43 4.2 Thanh ghi định thời/bộ đếm 44 4.3 Thanh ghi so sánh ngõ ra-OCR0 44 4.4 Thanh ghi mặt nạ ngắt 45 4.5 Thanh ghi cờ ngắt định thời 45 II.6 USART 45 1.Tạo xung clock 47 2.Định dạng khung truyền 48 3.Khởi tạo USART .49 4.Truyền thông liệu-bộ truyền USART 49 4.1 Truyền khung đến bit liệu .49 4.2 Truyền khung bit liệu .49 5.Nhận liệu-bộ nhận USART 49 5.1 Nhận khung với đến bit liệu 49 5.2 Nhận khung với bit liệu 50 CHƯƠNG III : THIẾT KẾ MODULE THU GPS 51 I Sơ đồ khối 51 II.Các linh kiện sử dụng module 51 II.1 LCD 51 1.Hình dáng kích thước 51 2.Chức chân 53 3.Sơ đồ khối LCD HD44780 54 3.1 Các ghi : 55 3.2 Cờ báo bận BF: (Busy Flag) 56 3.3 Bộ đếm địa AC : (Address Counter) 56 3.4 Vùng RAM hiển thị DDRAM : (Display Data RAM) 57 3.5.Vùng ROM chứa kí tự CGROM: Character Generator ROM 57 3.6.Vùng RAM chứa kí tự đồ họa CGRAM : (Character Generator RAM) 57 4.Tập lệnh LCD .58 5.Giao tiếp LCD MPU 58 6.Khởi tạo LCD 59 6.1 Mạch khởi tạo bên chíp HD44780: 60 6.2 Khởi tạo lệnh: (chuỗi lệnh) 60 II.2 Max 3243 62 1.Giới thiệu giao tiếp RS 232 62 1.1.Đặc điểm : 63 1.2.Chế độ làm việc 63 Max 3243 64 2.1 Sơ đồ cấu tạo 64 2.2.Sơ đồ logic 65 II.3 Bộ biến đổi nguồn 65 III.Thi công mạch 66 III.1.Sơ đồ nguyên lý mạch in 66 III.2 Mạch sản phẩm 67 DANH MỤC SƠ ĐỒ Hình 1.1 Các thành phần GPS 12 Hình 1.2 Độ phủ sóng NAVSTAR 16 Hình 1.3 Độ phủ sóng GLONASS 17 Hình 1.4 Sơ đồ mơ-đun .21 Hình 1.5.Sơ Đồ ReSet 25 Hình 1.6.VDD_RTC 26 Hình 1.7.Kích thước module GPS 27 Hình 1.8 Sơ đồ chân module GPS .27 Hình Sơ đồ bố trí chân 28 Hình 1.10 Mạch ứng dụng 30 Hình 2.1.Sơ đồ cấu trúc ATmega162 33 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc CPU ATmega162 34 Hình 2.3 Thanh ghi trạng thái SREG .35 Hình 2.4 Thanh ghi chức chung .36 Hình 2.5 Thanh ghi trỏ ngăn xếp 36 Hình 2.6 Bản đồ nhớ chương trình 38 Hình 2.7 Bản đồ nhớ liệu SRAM 39 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc định thời .41 Hình 2.9 Đơn vị đếm 42 Hình 2.10 Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ 43 Hình 2.11 Thanh ghi điều khiển định thời 43 Hình 2.12 Thanh ghi định thời .44 Hình 2.13 Thanh ghi so sánh ngõ 45 Hình 2.14 Thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK 45 Hình 2.15 Thanh ghi cờ ngắt TIFR 45 Hình 2.16.Sơ đồ khối USART 47 Hình 2.17 Đơn vị tạo xung clock 48 Hình 2.18 Định dạng khung truyền 49 Hình 3.1 Sơ đồ khối 51 Hình 3.2 Hình dáng LCD 52 Hình 3.3.Sơ đồ chân .52 Hình 3.4 Sơ đồ khối HD44780 55 Hình 3.5 Giao diện 8bit 61 Hình 3.6 Giao diện 4bit 62 Hình 3.7.Sơ đồ chân RS232 63 Hình 3.8.Sơ đồ cấu tạo MAX3243 64 Hình 3.9.Sơ đồ logic MAX3243 65 Hình 3.10 Sơ đồ mạch biến đổi nguồn .66 Hình 3.11.Sơ đồ nguyên lý 66 Hình 3.12.Sơ đồ mạch in .67 Hình 3.13.Măt sau mạch 67 Hình 3.14.Mặt trước mạch 68 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Hình 3.4 Sơ đồ khối HD44780 3.1 Các ghi : Chíp HD44780 có ghi bit quan trọng : Thanh ghi lệnh IR (Instructor Register) ghi liệu DR (Data Register) - Thanh ghi IR : Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB0-DB7 Mỗi lệnh nhà sản xuất LCD đánh địa rõ ràng Người dùng việc cung cấp địa lệnh cách nạp vào ghi IR Nghĩa là, ta nạp vào ghi IR chuỗi bit, chíp HD44780 tra bảng mã lệnh địa mà IR cung cấp thực lệnh Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 45 -Thanh ghi DR : Thanh ghi DR dùng để chứa liệu bit để ghi vào vùng RAM DDRAM CGRAM (ở chế độ ghi) dùng để chứa liệu từ vùng RAM gởi cho MPU (ở chế độ đọc) Nghĩa là, MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên chíp tự động ghi thông tin vào DDRAM CGRAM Hoặc thông tin địa ghi vào IR, liệu địa vùng RAM nội HD44780 chuyển DR để truyền cho MPU -Bằng cách điều khiển chân RS R/W chuyển qua lại giữ ghi tỏng giao tiếp với MPU Bảng sau tóm tắt lại thiết lập hai chân RS R/W theo mục đích giao tiếp RS R/W Khi cần 0 Ghi vào ghi IR để lệnh cho LCD (VD: cần display clear,…) Đọc cờ bận DB7 giá trị đếm địa DB0-DB6 Ghi vào ghi DR 1 Đọc liệu từ DR 3.2 Cờ báo bận BF: (Busy Flag) Khi thực hoạt động bên chíp, mạch nội bên cần khoảng thời gian để hoàn tất Khi thực thi hoạt động bên chip thế, LCD bỏ qua giao tiếp với bên bật cờ BF (thơng qua chân DB7 có thiết lập RS=0, R/W=1) lên để báo cho MPU biết “bận” Dĩ nhiên, xong việc, đặt cờ BF lại mức 3.3 Bộ đếm địa AC : (Address Counter) Như sơ đồ khối, ghi IR không trực tiếp kết nối với vùng RAM (DDRAM CGRAM) mà thông qua đếm địa AC Bộ đếm lại nối với vùng RAM theo kiểu rẽ nhánh Khi địa lệnh nạp vào ghi IR, thông tin nối trực tiếp cho vùng RAM việc chọn lựa vùng RAM tương tác bao hàm mã lệnh Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Sau ghi vào (đọc từ) RAM, đếm AC tự động tăng lên (giảm đi) đơn vị nội dung AC xuất cho MPU thơng qua DB0-DB6 có thiết lập RS=0 R/W=1 (xem bảng tóm tắt RS - R/W) Lưu ý: Thời gian cập nhật AC khơng tính vào thời gian thực thi lệnh mà cập nhật sau cờ BF lên mức cao (not busy), lập trình hiển thị, bạn phải delay khoảng tADD khoảng 4uS- 5uS (ngay sau BF=1) trước nạp liệu 3.4 Vùng RAM hiển thị DDRAM : (Display Data RAM) Đây vùng RAM dùng để hiển thị, nghĩa ứng với địa RAM kí tự hình bạn ghi vào vùng RAM mã bit, LCD hiển thị vị trí tương ứng hình kí tự có mã bit mà bạn cung cấp Vùng RAM có 80x8 bit nhớ, nghĩa chứa 80 kí tự mã bit Những vùng RAM cịn lại khơng dùng cho hiển thị dùng vùng RAM đa mục đích Lưu ý để truy cập vào DDRAM, ta phải cung cấp địa cho AC theo mã HEX 3.5.Vùng ROM chứa kí tự CGROM: Character Generator ROM Vùng ROM dùng để chứa mẫu kí tự loại 5x8 5x10 điểm ảnh/kí tự, định địa bit Tuy nhiên, có 208 mẫu kí tự 5x8 32 mẫu kí tự kiểu 5x10 (tổng cộng 240 thay 28 = 256 mẫu kí tự) Người dùng thay đổi vùng ROM Như vậy, để ghi vào vị trí thứ x hình kí tự y đó, người dùng phải ghi vào vùng DDRAM địa x (xem bảng mối liên hệ DDRAM vị trí hiển thị) chuỗi mã kí tự bit CGROM Chú ý bảng mã kí tự CGROM hình bên có mã ROM A00 3.6.Vùng RAM chứa kí tự đồ họa CGRAM : (Character Generator RAM) Như bảng mã kí tự, nhà sản xuất dành vùng có địa byte cao 0000 để người dùng tạo mẫu kí tự đồ họa riêng Tuy nhiên dung lượng vùng hạn chế: Ta tạo kí tự loại 5x8 điểm ảnh, kí tự loại 5x10 điểm Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 47 ảnh 4.Tập lệnh LCD Trước tìm hiểu tập lệnh LCD, sau vài ý giao tiếp với LCD : - Tuy sơ đồ khối LCD có nhiều khối khác nhau, lập trình điều khiển LCD ta tác động trực tiếp vào ghi DR IR thông qua chân DBx, ta phải thiết lập chân RS, R/W phù hợp để chuyển qua lại giữ ghi -Với lệnh, LCD cần khoảng thời gian để hoàn tất, thời gian lâu tốc độ MPU, nên ta cần kiểm tra cờ BF đợi (delay) cho LCD thực thi xong lệnh hành lệnh -Địa RAM (AC) tự động tăng (giảm) đơn vị, có lệnh ghi vào RAM (Điều giúp chương trình gọn hơn) -Các lệnh LCD chia thành nhóm sau : +Các lệnh kiểu hiển thị VD : Kiểu hiển thị (1 hàng / hàng), chiều dài liệu (8 bit / bit), … +Chỉ định địa RAM nội +Nhóm lệnh truyền liệu RAM nội +Các lệnh lại (!!!) 5.Giao tiếp LCD MPU Đặc tính điện chân giao tiếp : LCD bị hỏng nghiêm trọng, hoạt động sai lệch bạn vi phạm khoảng đặc tính điện sau đây: Chân cấp nguồn (Vcc-GND) Min:-0.3V , Max+7V Các chân ngõ vào (DBx,E,…) Min:-0.3V , Max:(Vcc+0.3V) Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Nhiệt độ hoạt động Min:-30C , Max:+75C Nhiệt độ bảo quản Min:-55C , Max:+125C Bảng 3.1 Maximun Rating Đặc tính điện làm việc điển hình: (Đo điều kiện hoạt động Vcc = 4.5V đến 5.5 V, T = -30 đến +75C Chân cấp nguồn Vcc-GND 2.7V đến 5.5V Điện áp vào mức cao VIH 2.2V đến Vcc Điện áp vào mức thấp VIL -0.3V đến 0.6V Điện áp mức cao (DB0-DB7) Min 2.4V (khi IOH = - 0.205mA) Điện áp mức thấp (DB0-DB7) Max 0.4V Dòng điện ngõ vào (input leakage -1uA đến 1uA (khi VIN = đến current) ILI (khi IOL = 1.2mA) Vcc) Dòng điện cấp nguồn ICC 350uA(typ.) đến 600uA Tần số dao động nội fOSC 190kHz đến 350kHz (điển hình 270kHz) Bảng 3.2 Miền làm việc bình thường 6.Khởi tạo LCD Khởi tạo việc thiết lập thông số làm việc ban đầu Đối với LCD, khởi tạo giúp ta thiết lập giao thức làm việc LCD MPU Việc khởi tạo thực lần đầu chương trình điều khiển LCD bao gồm thiết lập sau : • Display clear : Xóa/khơng xóa tồn nội dung hiển thị trước • Function set : Kiểu giao tiếp 8bit/4bit, số hàng hiển thị 1hàng/2hàng, kiểu kí tự 5x8/5x10 Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 49 • Display on/off control: Hiển thị/tắt hình, hiển thị/tắt trỏ, nhấp nháy/khơng nhấp nháy • Entry mode set : thiết lập kiểu nhập kí tự như: Dịch/khơng dịch, tự tăng/giảm (Increment) 6.1 Mạch khởi tạo bên chíp HD44780: Mỗi cấp nguồn, mạch khởi tạo bên LCD tự động khởi tạo cho Và thời gian khởi tạo cờ BF bật lên 1, đến việc khởi tạo hồn tất cờ BF cịn giữ khoảng 10ms sau Vcc đạt đến 4.5V (vì 2.7V LCD hoạt động) Mạch khởi tạo nội thiết lập thông số làm việc LCD sau: • Display clear : Xóa tồn nội dung hiển thị trước • Function set: DL=1 : 8bit; N=0 : hàng; F=0 : 5x8 • Display on/off control: D=0 : Display off; C=0 : Cursor off; B=0 : Blinking off • Entry mode set: I/D =1 : Tăng; S=0 : Không dịch Như sau mở nguồn, bạn thấy hình LCD giống chưa mở nguồn toàn hiển thị tắt Do đó, ta phải khởi tạo LCD lệnh 6.2 Khởi tạo lệnh: (chuỗi lệnh) Việc khởi tạo lệnh phải tuân theo lưu đồ sau nhà sản xuất Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Hình 3.5 Giao diện 8bit Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 51 Hình 3.6 Giao diện 4bit Như đề cập trên, chế độ giao tiếp mặc định LCD 8bit (tự khởi tạo) Và kết nối mạch theo giao thức 4bit, bit thấp từ DB0-DB3 không kết nối đến LCD, nên lệnh khởi tạo ban đầu (lệnh chọn giao thức giao tiếp - function set) cần lập lại để tránh nhầm lẫn Và giao thức bit, chu kì lệnh cần lần truy nhập 4bit, nên cuối ta thấy lệnh function set lúc khởi tạo viết lần II.2 Max 3243 1.Giới thiệu giao tiếp RS 232 RS-232 lúc đầu xây dựng phục vụ chủ yếu việc ghép nối điểmđiểm hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ hai máy tính (PC, PLC,v v ) , máy tính máy in , thiết bị đầu cuối và thiết bị truyền liệu (DCE, Data Cornmuntcation Equtprnent) Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Hình 3.7.Sơ đồ chân RS232 Bảng 3.3 Chân RS232 1.1.Đặc điểm : Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số hệ thống hỗ trợ tới tốc độ 19.2kBd (chiếu dài cho phép 3o-5om).Gần đây, tiến vi mạch góp phần nâng cao tốc độ modem lên nhiều lần so với ngưỡng 19.2kBd Hiện có mạch thu phát đạt tốc độ 460kBd RS232 có mức điện áp sử dụng dao động khoảng từ - 15V tới 15V khoảng từ 3v đến 15V ứng với trá trị logic khoảng từ ~ 15V đen -3V ứng với giá trị logic 1.2.Chế độ làm việc Chế độ làm việc hệ thống RS-232 hai chiều toàn phần , tức hai thiết bị tham gia có tác thu phát tín hiệu lúc Như vậy, việc thực truyền thông cần tối thiểu dây dẫn hai dây tín hiệu nối chéo đầu thu phát hai trạm dây đất, a minh họa Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an tồn truyền dẫn tín hiệu thuộc trách nhiệm phần mềm Còn việc sử dụng dây dẫn DTR DSR, độ an toàn giao tiếp đảm bảo.Trong Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 53 trường hợp chân RTS CTS nối ngắn Lưu ý rằng,trong trường hợp truyền thơng qua modenl cấu hình ghép nối khác chút Max 3243 2.1 Sơ đồ cấu tạo Hình 3.8.Sơ đồ cấu tạo MAX3243 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp 2.2.Sơ đồ logic Hình 3.9.Sơ đồ logic MAX3243 II.3 Bộ biến đổi nguồn Do linh kiện sử dụng mạch hoạt động tốt 3.3V Nên phải có mạch biến đổi nguồn Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 55 Hình 3.10 Sơ đồ mạch biến đổi nguồn III.Thi công mạch III.1.Sơ đồ nguyên lý mạch in Hình 3.11.Sơ đồ nguyên lý Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Hình 3.12.Sơ đồ mạch in III.2 Mạch sản phẩm Hình 3.13.Măt sau mạch Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 57 Hình 3.14.Mặt trước mạch Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.dientuvietnam.net/forums/index.php http://picvietnam.com/forum/ http://www.alldatasheet.com/ Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 59