đề tài module ethernet trên vi điều khiển pic18f67j60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển ( phần mềm trên mplab )

ĐỀ TÀI “Module Ethernet trên vi điều khiển PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển (Phần mềm trên MPLAB)” Giáo viên hướng dẫn : Họ tên sinh viên : 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ETHERNET 7 1.1. CẤU TRÚC KHUNG TIN ETHERNET 7 1.2. CẤU TRÚC ĐỊA CHỈ ETHERNET 8 1.3. CÁC LOẠI KHUNG ETHERNET 8 1.3.1. Các khung unicast 8 1.3.2. Các khung broadcast 9 1.3.3. Các khung multicast 9 1.4. TRUY NHẬP BUS 9 Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD: 10 1.5. CÁC LOẠI MẠNG ETHERNET 11 1.5.1. Các hệ thống Ethernet 10Mb/s 11 1.5.2. Các hệ thống Ethernet 100 Mb/s – Ethernet cao tốc ( Fast Ethernet ) 12 1.5.3. Các hệ thống Giga Ethernet 12 1.6. CHUẨN IEEE 802 12 CHƯƠNG 2. HỌ GIAO THỨC TCP/IP 14 2.1. HỌ GIAO THỨC TCP/IP 14 2.1.1. Tầng Ứng Dụng (Application Layer) 14 2.1.2. Tầng Giao Vận (Transport Layer) 15 2.1.3. Tầng Internet (Internet Layer) 15 2.1.4. Lớp giao tiếp mạng 16 2.2. CẤU TRÚC GÓI TIN IP,TCP,UDP 16 2.2.1. Cấu trúc địa chỉ IP 16 2.2.2. Cấu trúc gói tin IP 17 2.2.3. Cấu trúc gói tin TCP 19 2.2.4. Cấu trúc gói tin UDP 20 CHƯƠNG 3. PHẦN CỨNG 20 3.1. VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18F67J60 20 2 3.1.1. Các đặc trưng của PIC 18F67J60 20 3.1.1.1. Các đặc trưng chung: 21 3.1.1.2. Đặc trưng Ethernet: 21 3.1.2. Module A/D 10 bit 21 3.1.2.1. Module A/D có 5 thanh ghi: 22 3.1.2.2. Quá trình chuyển đổi A/D: 25 3.1.3. Module Ethernet 25 Module Ethernet gồm 5 khối chức năng chính: 26 3.2. CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 26 Các đặc trưng của LM35: 27 3.3. MẠCH NGUYÊN LÝ 27 3.3.1. Khối mạch nguồn 27 3.3.2. Khối mạch RJ45 28 3.3.3. Khối mạch LCD 29 3.3.4. Khối mạch vi điều khiển PIC18F67J60 30 3.4 MẠCH IN 31 3.5 MẠCH THỰC TẾ 32 CHƯƠNG 4. TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB C18 VÀ WEB SERVER 33 4.1. MPLAB C18 33 4.1.1. Giới thiệu 33 4.1.2. Các đặc trưng của trình dịch MPLAB C18: 33 4.1.3. Quá trình tạo ra file .HEX 33 4.2. WEB ĐỘNG 34 Cấu trúc của một DHTML: 35 4.3. CSS 35 4.3.1. Ưu điểm của CSS 36 4.3.2. Các đặc tính cơ bản của CSS 36 4.3.2.1. Cú pháp cơ bản của CSS: 36 4.3.2.2. Ví dụ minh họa về mã CSS: 37 4.3.2.3. Thứ tự xếp lớp: 37 3 4.3.3. CSS có tính kế thừa và tính kết hợp 38 4.3.3.1. Tính kế thừa: 38 4.3.3.2. Tính kết hợp: 38 4.4. KỸ THUẬT AJAX 39 4.4.1. Ưu điểm 41 4.4.2. Nhược điểm 41 CHƯƠNG 5. TCP/IP STACK 42 5.1. CẤU TRÚC CỦA TCP/IP STACK 42 5.2. HOẠT ĐỘNG CỦA TCP/IP STACK 43 5.2.1. Các file cần thiết 43 5.2.2. Cấu trúc APP_CONFIG 44 5.2.3. Main file 44 5.2.3.1. Khởi tạo 44 5.2.3.2 Vòng lặp chính (main loop) 44 5.3. CÁC MODULE CỦA STACK VÀ APIS 45 5.3.1. Announce 45 5.3.2. HTTP2 server 45 Web pages 46 Phần mềm MPFS2 46 File CustomHTTPApp.c 47 File HTTPPrint.h 47 5.3.2.1. HTTP2 Dynamic Variables 47 5.3.2.2. HTTP2 Form Processing 48 5.3.2.3. HTTP2 Authentication 49 5.4. CẤU HÌNH CHO STACK 50 5.4.1. Cấu hình cho phần cứng 50 5.4.1.2. Bộ nhớ ngoài 51 5.4.2. Địa chỉ 51 5.4.2.1. Địa chỉ MAC 51 4 5.4.2.2. Địa chỉ IP 52 5.5. DEMO MODULE 52 5.5.1. Điều khiển led sáng tắt 53 5.5.2. Viết ra LCD 56 57 5.5.2.1. HTTPExecutePost 57 5.5.2.2. Hàm HTTPPostLCD 58 Hàm con HTTPReadPostName: 60 Hàm con HTTPReadPostValue: 61 5.5.3. Đo nhiệt độ 62 5.5.3.1. Hàm HTTPPrint_pot 62 KẾT LUẬN 65 Những kết quả chính thực hiện được 65 Đánh giá những kết quả đã đạt được 65 Hướng phát triển tiếp theo của đề tài: 66 5 MỞ ĐẦU Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, ứng dụng của nó có mặt ở rất nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp. Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Module Ethernet trên vi điều khiển PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển (Phần mềm trên MPLAB)” đã sử dụng phần mềm MPLAB và thư viện TCP/IP Stack của hãng Microchip để lập trình điều khiển LED, LCD và đo lường thông qua mạng truyền thông Ethernet. Khóa luận bao gồm những nội dung chính cơ bản như sau: Chương 1. Tổng quan về Ethernet trình bày về lý thuyết Ethernet gồm các vấn đề về cấu trúc khung tin Ethernet, phương pháp truy nhập bus (CSMA/CD), các loại mạng Ethernet và chuẩn Ethernet IEEE 802.3. Chương 2. Họ giao thức TCP/IP trình bày kiến thức về họ giao thức TCP/IP bao gồm 5 tầng: tầng ứng dụng (Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng liên mạng (Internet Layer), tầng giao tiếp mạng (Network Interface Layer). Trình bày các kiến thức về gói tin IP, TCP, UDP. Chương 3. Phần cứng trình bày các kiến thức về vi điều khiển PIC18F67J60 bao gồm các đặc trưng chung và đặc trưng Ethernet của PIC18F67J60, bộ biến đổi A/D, module Ethernet. Các kiến thức về sensor đo nhiệt độ LM35 cũng được trình bày trong chương này. Tiếp theo là phần nguyên lý của mạch demo và phần mạch in. Cuối cùng là hình ảnh mạch demo thực tế sử dụng trong khóa luận. Chương 4. Trình biên dịch MPLAB C18 và web server giới thiệu về trình biên dịch MPLAB C18 và các nội dung liên quan đến việc thiết kế web giao diện như là DHTML, Javascript, CSS, kỹ thuật AJAX. Chương 5. TCP/IP Stack chương này trình bày về nhiệm vụ chính của khóa luận đó là sử dụng thư viện TCP/IP Stack của Microchip trên phần mềm MPLAB C18 để lập trình cho mạch demo thực hiện đo lường và điều khiển thông qua mạng truyền thông Ethernet. Kết luận. Trình bày các kết quả đã đạt được của khóa luận và đánh giá các kết quả đó. Đồng thời, định hướng một số hướng phát triển của đề tài. 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ETHERNET Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hiện thời công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10Mbps. Ethernet đã được phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto vào những năm 1970 bởi tiến sĩ Robert M. Metcalfe . Nó đã được thiết kế với mục đích phục vụ nghiên cứu trong “ hệ thống công sở trong tương lai”, bao gồm trạm cá nhân đầu tiên trên thế giới, trạm Xerox Alto. Trạm Ethernet đầu tiên chạy với tốc độ xấp xỉ 3Mbps. Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên được xuất bản năm 1980 bởi sự phối hợp phát triển của 3 hãng : DEC, Intel và Xerox. Chuẩn này có tên DIX Ethernet ( lấy tên theo 3 chữ cái đầu của tên các hãng). Uỷ ban 802.3 của IEEE đã lấy DIX Ethernet làm nền tảng để phát triển. Năm 1985, chuẩn 802.3 đầu tiên đã ra đời với tên IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collition Detection (CSMA/CD). Mặc dù không sử dụng tên Ethernet nhưng hầu hết mọi người đều hiểu đó là chuẩn của công nghệ Ethernet. Ngày nay chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức của Ethernet. IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại mạng Ethernet. Đặc biệt, với phiên bản 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp. Bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn và cáp quang, gần đây Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) cũng đang thu hút được sự quan tâm lớn. 1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau: Bảng 1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet. Mở đầu 555…5H SFD (D5H) Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài kiểu gói Dữ liệu PAD FCS 7 byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte 7 - Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz. - SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung. Nó luôn mang giá trị 10101011. - Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu. - LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo. - FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ. 1.2. Cấu trúc địa chỉ Ethernet Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet). Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control Address ). Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số hexa ( hệ cơ số 16 ). Ví dụ:00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F-86. Khuôn dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần: - 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE. - 3 octet sau do nhà sản xuất ấn định. Kết hợp ta lẽ có một địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng Ethernet. Địa chỉ MAC được sử dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong khung Ethernet. 1.3. Các loại khung Ethernet 1.3.1. Các khung unicast Giả sử trạm 1 cần truyền khung tới trạm 2. Khung Ethernet do trạm 1 tạo ra có địa chỉ: - MAC nguồn: 00-60-08-93-DB-C1 - MAC đích: 00-60-08-93-AB-12 8 Hình 1: Mô hình truyền thông unicast. Đây là khung unicast. Khung này được truyền tới một trạm xác định. Tất cả các trạm trong phân đoạn mạng trên sẽ đều nhận được khung này nhưng: - Chỉ có trạm 2 thấy địa chỉ MAC đích của khung trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nên tiếp tục xử lý các thông tin khác trong khung. - Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa. 1.3.2. Các khung broadcast Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF. Khi nhận được các khung này, mặc dù không trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý. Giao thức ARP sử dụng các khung broadcast này để tìm địa chỉ MAC tương ứng với một địa chỉ IP cho trước. Một số giao thức định tuyến cũng sử dụng các khung broadcast để các router trao đổi bảng định tuyến. 1.3.3. Các khung multicast Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả. Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này. 1.4. Truy nhập bus Một vấn đề lớn thường gây lo ngại trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường là phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ) và sự ảnh hưởng tới hiệu suất cũng như tính năng thời gian 9 thực của hệ thống. Ở đây, một trong những yếu tố quyết định tới hiệu suất của hệ thống là thuật toán tính thời gian truy nhập lại cho các trạm trong trường hợp xảy ra xung đột. Hình 2: Minh họa phương pháp CSMA/CD. Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD: Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau: - Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu ) thì mới được phát. - Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không (collision detection). - Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại. Một tình huống xảy ra xung đột tiêu biểu và cách khắc phục được minh họa trên hình Trạm A và C cùng nghe đường dẫn. Đường dẫn rỗi nên A có thể gửi trước. Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chưa kịp tới nên trạm C không hay biết và cũng 10 [...]... Register 1) • Thanh ghi ADCON0 (A/D Control Register 2) - Thanh ghi ADCON0: điều khiển hoạt động của module A/D Hình 4: Thanh ghi ADCON0 Ta chỉ cần quan tâm đến các bit 5-0 • Bit 5-2: chọn kênh A/D: 0000 = Kênh 0 (AN 0) 0001 = Kênh 1 (AN 1) 0010 = Kênh 2 (AN 2) 0011 = Kênh 3 (AN 3) 0100 = Kênh 4 (AN 4) 0110 = Kênh 6 (AN 6) 0111 = Kênh 7 (AN 7) 1000 = Kênh 8 (AN 8) 1001 = Kênh 9 (AN 9) 1010 = Kênh 10 (AN1 0) 1011... header và phần dữ liệu CHƯƠNG 3 PHẦN CỨNG 3.1 Vi điều khiển PIC 18F67J60 3.1.1 Các đặc trưng của PIC 18F67J60 20 Vi điều khiển PIC18F67J60 là một vi điều khiển thuộc dòng vi điều khiển PIC19F97J60, do đó nó có các đặc trưng chung của họ vi điều khiển này 3.1.1.1 Các đặc trưng chung: - Sử dụng thạch anh 25MHz cho ứng dụng Ethernet - Bộ nhớ chương trình 128Kbyte ( 65532 lệnh) - Bộ nhớ dữ liệu 3808 byte... các thanh ghi (ADRESH:ADRESL), xóa bit ADIF nếu được yêu cầu - Bước 7: Để thực hiện quá trình chuyển đổi tiếp theo, quay lại bước 1 hoặc bước 2 3.1.3 Module Ethernet Vi điều khiển PIC18F67J60 được tích hợp sẵn module điều khiển Ethernet Đây là một giải pháp kết nối hoàn chỉnh, bao gồm cả module Media Access Control (MAC) và Physical Layer transceiver (PHY) Module Ethernet đáp ứng tất cả các chuẩn IEEE... nghĩa là đặt chân AN3 là VREF+ VCFG0 = 0 nghĩa là đặt VREF+ = AVDD • Bit 3-0: PCFG3:PCFG0 – các bit này điều khiển vi c cấu hình cho các chân A/D Hình 6: Các bit điều khiển cấu hình cho các chân của bộ A/D Chú thích: (1 ): AN12-AN15 chỉ có trên các vi điều khiển 80 và 100 chân (2 ): AN5 chỉ có trên vi điều khiển 100 chân A = Analog input D= Digital I/O - Thanh ghi ADCON2: cấu hình xung clock cho bộ A/D, căn... 3.1.2 Module A/D 10 bit Vi điều khiển PIC 18F67J60 có 11 kênh chuyển đổi A/D (analog-to-digital) Module ADC cho phép chuyển đổi một tín hiệu tương tự đầu vào thành một giá trị số 10 bit tương ứng ở đầu ra 21 3.1.2.1 Module A/D có 5 thanh ghi: • Thanh ghi ADRESH (A/D Result High Register) • Thanh ghi ADRESL (A/D Result Low Register) • Thanh ghi ADCON0 (A/D Control Register 0) • Thanh ghi ADCON0 (A/D... Tầng Ứng Dụng (Application Layer) Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng 1 số giao thức thông dụng trong tầng này là: - DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao thức cấu hình trạm động - DNS (Domain Name System): Hệ thống tên miền 14 - SNMP (Simple Network Management Protocol): Giao thức quản lý mạng đơn giản - FTP (File... 19: Vi điều khiển PIC 18F67J60 Hình 20: Mạch led và LM 35 32 CHƯƠNG 4 TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB C18 VÀ WEB SERVER 4.1 MPLAB C18 4.1.1 Giới thiệu MPLAB C18 là một trình biên dịch C theo chuẩn ANSI dùng cho dòng PIC18 của Microchip Trình biên dịch MPLAB C18 và các công cụ đi kèm như linker hoặc trình biên dịch hợp ngữ được gọi từ dòng lệnh điều khiển để tạo ra 1 file HEX để nạp vào vi điều khiển PIC18XXXX MPLAB. .. điều khiển PIC18F67J60 Hình 14: Jack kết nối với mạch vi điều khiển, mạch dao động ngoài, chân VDDCORE/VCAP - Chân VDDCORE/VCAP của vi điều khiển được nối với tụ phân cực C14 xuống đất - Bộ dao động ngoài sử dụng thạch anh 25MHz Hình 15: Mạch lọc, mạch reset, chân nạp cho vi điều khiển 30 - Các tụ C2, C3, C4, C5, C6, C7, C9 có tác dụng lọc nhiễu 3.4 Mạch in Hình 16: Bảng mạch chính Hình 17: Vi điều khiển. .. /Giao thức Internet) TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức TCP/IP sử dụng mô hình truyền thông 4 tầng hay còn gọi là mô hình DoD (Mô hình của Bộ Quốc Phòng M ) Các tầng trong mô hình này là: - Tầng Ứng Dụng (Application Layer) - Tầng Giao Vận (Transport Layer) - Tầng Liên Mạng (Internet Layer) - Tầng Giao Tiếp Mạng (Network Interface Layer) Hình 3: Cấu trúc họ... MPASM, cho phép kết hợp vi c lập trình C và lập trình hợp ngữ trong cùng một project - Đọc/ ghi vào bộ nhớ ngoài - Có các thư vi n mở rộng hỗ trợ cho PMW, SPI, I2C, UART, USART và thư vi n toán học 4.1.3 Quá trình tạo ra file HEX Quá trình tạo ra file HEX của project để nạp vào vi điều khiển PIC18XXXX Đầu tiên, MPLAB C18 sẽ biên dịch file2.c và file3.c để tạo ra các object file file2.o và file3.o MPASM biên . ĐỀ TÀI Module Ethernet trên vi điều khiển PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển (Phần mềm trên MPLAB) ” Giáo vi n hướng dẫn : Họ tên sinh vi n : 1 MỤC LỤC MỞ. khiển PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển (Phần mềm trên MPLAB) ” đã sử dụng phần mềm MPLAB và thư vi n TCP/IP Stack của hãng Microchip để lập trình điều khiển LED, LCD và đo lường. bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, ứng dụng của nó có mặt ở rất nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp. Khóa luận tốt nghiệp với đề tài Module Ethernet trên vi điều khiển