đồ án tốt nghiệp nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

BKH & CN Viện CNTT VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân 5868 08/6/2006 Hà Nội, 12-2005 Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin 1 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI KC.03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân Hà Nội, 12-2005 Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin Danh sách những người thực hiện chính A Chủ nhiệm đề tài 1 KS. Phan Minh Tân Viện Công nghệ Thông tin B Cán bộ tham gia nghiên cứu 2 PGS. TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin 3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin 4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin 5 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ Thông tin 6 KS. Phan Cao Hiệp Công ty Điện tử Bình Hoà 7 KS. Nguyễn Đức Thắng Viện Công nghệ Thông tin 8 TS. Nguyễn Ngọc Khoa Viện kỹ thuật Phòng không không quân 9 ThS. Vũ Sĩ Thắng 10 KS. Chu Ngọc Liêm Viện Công nghệ Thông tin Viện Công nghệ Thông tin 11 KS. Nguyễn Văn Hà Viện kỹ thuật Phòng không không quân BÀI TÓM TẮT Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam. Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội thảo, các báo cáo thống kê ) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo. Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA, mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực tiễn qua các hợp đồng kinh tế. Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm: • Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc gia • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm: - Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1 - Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1 - Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình - Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1 - Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1 - Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID - Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID và đầu cấp phát thẻ RFID - Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái cấu hình - Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình - Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC - Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như sau: - Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996- 2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như: . Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng. Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai. . Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng tái cấu hình. Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài. - Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình. - Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông tin và công nghệ mới. - Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm mới khác của Việt nam. MỤC LỤC - Trang nhan đề 1 - Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 3 - Bài tóm tắt 4 - Mục lục 6 PH Ầ N CHÍNH BÁO CÁO 8 1. Lời mở đầu 8 2. N ộ i dung chính c ủ a báo cáo 12 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 12 2.2. L ự a ch ọ n đố i t ượ ng nghiên c ứ u 17 2.3. Nh ữ ng n ộ i dung đ ã th ự c hi ệ n 19 2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết 19 2.3.2. Nghiên c ứ u thi ế t k ế và ch ế t ạ o các s ả n ph ẩ m m ớ i 20 2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển 20 máy lạnh a. Chip DKML-1 20 b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000 22 BTU c. Ph ầ n m ề m 24 d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại 36 2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử 42 dụng thẻ nhận dạng không dây RFID a. Chip PROX-1 43 b. B ộ đ i ề u khi ể n AC-200-C dùng th ẻ RFID 45 c. Ch ươ ng trình Qu ả n lý mã th ẻ trên PC AC200_SW 51 d. H ệ th ố ng ch ấ m công s ử d ụ ng th ẻ RFID 58 e. H ệ th ố ng c ấ p phát th ẻ RFID 59 2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả 60 năng tái cấu hình a. C ơ s ở lý thuy ế t và nguyên lý thi ế t k ế , ch ế t ạ o 61 b. Các c ấ u hình có th ể l ự a ch ọ n 64 2.3.2.4. Module l ọ c α - β PC/104 có kh ả n ă ng tái c ấ u hình 71 a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu 72 hình b. Các c ấ u hình có th ể l ự a ch ọ n 75 2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều 82 khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC 2.4. Đ ánh giá k ế t qu ả thu đượ c 94 3. K ế t lu ậ n và ki ế n ngh ị 95 4. Lời cảm ơn 96 PHẦN CHÍNH BÁO CÁO 1. L Ờ I M Ở ĐẦ U Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển” thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam. Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: 1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm: • Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2 • Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation) • Các công cụ tìm lỗi (Debugger) • Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC • Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties) cho thiết kế các chip đo và điều khiển. 2. Thiết kế và chế tạo: - Chip điều khiển máy lạnh - Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế - Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh - Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU, 18000BTU. 3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125 KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan dùng thẻ tiếp cận gồm: - 2 đầu đọc thẻ - 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC - 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC 4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC. 5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính sau: • Format theo chuẩn PC/104 • Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền dữ liệu • Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable) • Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC Danh m ụ c các s ả n ph ẩ m khoa h ọ c công ngh ệ c ầ n đạ t c ủ a đề tài KC.03.20 TT TÊN SẢN PHẨM SỐ LƯỢN G CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT GHI CHÚ 1. Các công trình, bài báo 2. Thư viện chương trình mẫu cho thiết kế các chip thông minh theo công nghệ PsoC 6 Đưa ra được các phương pháp, thuật toán xử lý, nguyên lý có tính cải tiến, sáng tạo về mặt học thuật. Các công trình được nhận đăng tại các tạp chí, hội nghị khoa học 1 Bộ chương trình thư viện với tài liệu hướng dẫn sử dụng 3. Chip DKML-1 20 - CPU 24 MHz, 8 bits, 16k FLASH - ADC - FLASH - DAC PWM - Phối ghép IrDA - Digital I/O - Bộ lọc tần số thấp - Chương trình điều khiển máy lạnh và hội thoại với remote ở các chế độ 4. Chip Remote RM-1 20 - CPU 24Mhz, 8K FLASH - Bộ phối ghép LCD - Bộ phối ghép IrDA - Chương trình điều khiển cho máy lạnh tương thích với chip DKML-1 - Bộ phối ghép phím ấn - Chế độ Wake-up 5. Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1 6. Bộ điều khiển từ xa cho máy lạnh sử dụng chip RM-1 7. Chip đọc thẻ PROX- 1 (Radio Frequency) đọc các thẻ không tiếp xúc 8. Hệ thống kiểm soát xâm thực tự động mở cổng sử dụng chip đọc thẻ PROX- 1 9. Module DAS - PC/104 Có khả năng tái cấu hình 2 Thay thế bo điều khiển máy lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện đang phải nhập ngoại trong dây chuyền sản xuất của Công ty Điện tử Bình hoà 2 Thay thế bộ điều khiển xa cho máy lạnh VBH-12L/VBH-12N đang phải nhập ngoại trong dây chuyền sản xuất của Công ty Điện tử Bình hoà 20 - Tần số mang vô tuyến 125kHz - Biến điệu FSK - Chuẩn ISO-PROX - CPU - FLASH Mạch phối ghép nối tiếp UART 1 - Đầu đọc thẻ Proximity dùng chip PROX - 1 - Bộ điều khiển đóng mở cửa tự động và kết nối PC - Chương trình quản lý kiểm soát lưu trữ và báo cáo chạy trên PC/Windows theo ngôn ngữ Việt Nam 1 - Công nghệ FPGA và PSoC - Cho phép lựa chọn ADC 8-14 BITS DAC 8-10 BITS TIMER 8-24 BITS COUNTER 8-24 BITS DIO 8-16 KÊNH Truyền thông UART, 12C, SPI, RS232 - Có khả năng tái cấu hình [...]... d) Nghiên cứu kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC cho thiết kế các Module đo và điều khiển theo chuẩn PC/104 Cụng ngh FPGA ó c mt s Vin nghiờn cu ỏp dng Tuy nhiờn do c thự FPGA ch cho phộp to ra cỏc IC s nờn cỏc c s ny buc phi dựng thờm cỏc IC tng t ri cho cỏc ng dng o v iu khin Cỏc IC tng t ri cú chc nng c nh v cú nhiu hn ch trong quỏ trỡnh thay i, hiu chnh thit k Vic kt hp FPGA vi PSoC cho. .. cỏc Block tng t v s cho phộp to ra cỏc chip h thng x lý hn hp (mixed signal) vi kh nng x lý thut toỏn mnh Hóng Equator cú chip CSoC c thự cho x lý õm thanh (Media Processing) Hóng Motorola cú chip CSoC cho x lý tớn hiu truyn thụng khụng dõy (Wireless chipset) Hóng QuickLogic tớch hp lừi CPU MIPS vi FPGA cho to dng cỏc h x lý logic nhanh Hóng Tricend tớch hp CPU 32 bit ARM vi FPGA cho thit k cỏc h... System thit k ra chip chuyờn dng cho u o mc nc v thit b o nhit m v im sng 2.2 La chn i tng nghiờn cu Xut phỏt t nhu cu thc t ti ó tin hnh cỏc nghiờn cu phỏt trin cỏc chip thụng minh cho cỏc i tng sau: a) Chip iu khin mỏy lnh v chip cho b iu khin xa hng ngoi mỏy: Hin nay nhiu c s sn xut cỏc thit b gia dng (iu ho, mỏy git, t lnh, ni cm in ) ang phi nhp khu cỏc b iu khin v lp rỏp cho cỏc sn phm ca... k cỏc chip thụng minh mang thng hiu Vit nam cho cỏc dõy chuyn sn xut thit b gia dng trong nc l mt la chn ỳng v nú ỏp ng nhu cu thc tin v tng c sc cnh tranh cho cỏc sn phm ca Vit nam S lng cỏc chip cn cho cỏc bo iu khin mỏy lnh v cỏc thit b gia dng ngy cng tng do i sng nhõn dõn ngy cng c ci thin, nhu cu s dng cỏc thit b gia dng hin i ngy cng cao Vic nghiờn cu to chip cho mỏy lnh Vit nam l tin cho vic... thit k QuartusII Cụng ngh FPGA l mt cụng ngh mnh cho thit k cỏc chip cú chc nng x lý logic cho cỏc mch s v truyn thụng s Cỏc chip FPGA trng thng cú giỏ thnh t t 30-70US$ /chip Vi n t hng ln >10.000 chip thỡ giỏ thnh cú r hn nhng vn khụng di 10US$ /chip Vi c tớnh chuyờn dng cho x lý logic v vi giỏ thnh cũn cao, cụng ngh FPGA khụng phi l mt cụng ngh ti u cho cỏc ng dng o lng v iu khin Vit nam Trờn th gii... nng ang phỏt trin ny ti phỏt trin cỏc chip thụng minh cho vic c v nhn dng cỏc th tip cn RFID lm c s cho vic phỏt trin cỏc h thng t ng s dng th mang thng hiu Vit nam c) Trờn c s cỏc chip c thit k v ch to ti s ỏp dng cỏc chip ny phỏt trin cỏc sn phm mi nh sau: Mỏy lnh 12000 BTU 2 cc s dng bo iu khin mỏy lnh v b iu khin t xa hng ngoi cho mỏy lnh c thit k t cỏc chip ca ti Module thu thp d liu a nng... Cụng ngh to chip thụng minh cho o lng v iu khin trờn c s CSoC cú tớnh hiu qu kinh t, nht l i vi cỏc chip PSoC ca Cypress Micro System vỡ cú kh nng x lý hn hp d liu tng t v s Nú cho ta kh nng phỏt trin cỏc sn phm mi nhanh, d dng m rng v phỏt trin cỏc chc nng mi sau ny Cụng ngh ny cho nhiu gii phỏp la chn v h tr cho a dng ng dng t o lng, x lý, iu khin, truyn thụng, kt ni mng trờn cựng mt chip vi giỏ... liu (Data Acquisition) cho PC cú bus ISA, PCI hoc PC/104, PC104+ Lỳc ny FPGA c thit k nh phn phi ghộp cỏc chip x lý tớn hiu tng t ADC, DAC vi CPU ca mỏy tớnh III Cụng ngh CSoC (Configurable System on Chip) tỏi cu hỡnh h thng trong mt chip Khỏc vi cụng ngh ASIC v FPGA ch cho phộp to ra cỏc IC riờng l, IC s ngoi vi thỡ cụng ngh CSoC l cụng ngh cho phộp to nờn c mt h thng trong mt chip bao gm CPU, ROM,... ỏp dng thit k mch Read out cho cỏc thc o v trớ ca cỏc mỏy CNC v nhiu ng dng x lý s khỏc Vin k thut quõn s Phũng khụng khụng quõn trin khai cỏc nghiờn cu thit k to chip cho x lý s tớn hiu raa, lc s cho x lý tớn hiu tờn la s dng cỏc FPGA ca Altera Cụng ty liờn doanh AMEC ca Tng Cụng ty in t tin hc cú cỏc nghiờn cu ỏp dng cụng ngh FPGA ca Xilinx cho thit k mt s chip x lý s cho thit b y t Mt s c s nghiờn... (fixed digital and analog penpherals) thỡ cỏc chip CSoC cú kh nng mm do thớch ng vi a dng ng dng v nht l kh nng tỏi cu hỡnh (reconfigurable) to thnh nhiu loi chip cú chc nng khỏc nhau trờn mt chip nhng thi im khỏc nhau trong mt ng dng Vớ d vi chip PSoC ca hóng Cypress Micro System, ta cú th thit k cho nú thnh mt chip iu khin mỏy bỏn hng t ng ban ngy v n 12 gi ờm chip PSoC s t tỏi cu hỡnh thnh mt modem . KC03.20 Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển thuộc chương trình cấp Nhà nước Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ. thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu. (Intellectual Properties) cho thiết kế các chip đo và điều khiển. 2. Thiết kế và chế tạo: - Chip điều khiển máy lạnh - Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế - Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại