Đồ án Kỹ thuật vi xử lý: Bức tranh điện tử dữ liệu nhập từ PC

Đồ án Kỹ thuật vi xử lý: Bức tranh điện tử dữ liệu nhập từ PC cung cấp những kiến thức cơ bản giúp chúng ta có một cách nhìn bao quát về điện tử dữ liệu nhập từ PC. Đề tài hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn nữa trong các lĩnh vực của đời sống. Mời bạn đọc cùng tham khảo.

BỨC TRANH ĐIỆN TỬ

DỮ LIỆU NHẬP TỪ PC

ABSTRACT

Nowaday, advertising demand for products as well as provide information more and more increasing So, advertising LED display fast-growing and it’s used at a lot of field such as advertising, provide information, news, stock market, etc However, the way to display picture on the dot matrix LED with a variety content (string, picture, video), which is imported directly from the computer is new Therefore, the subject “Electronic Picture” will provide the basic knowledges, which help us to have a overview of this issue In the near future, the subject will be more widely applied in the life Within the scope of project, our group only design the project to display picture and shift (right or left) the basic string on dot matrix LED size 24x24 by using dot matrix LED scanning method combine with importing data from computer by using UART communicaton, which is available into MSP430G2553 microcontroller After completing the project, the our demo circuit running stably, it can display the string with fews effects as shift left or shift right, it can also communicate by UART with Launchpad MSP430G2553 Kit to display fews simple pictures

Keyword: Electronic picture, MSP430G2553, dot matrix LED, UART,…

Title: Electronic Picture with the data is loaded from the computer

TÓM TẮT

Ngày nay, nhu cầu quảng cáo sản phẩm cũng như việc thông tin tin tức ngày càng lớn

Do đó, quang báo hiển thị trên led ma trận ngày càng phát triển và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quảng cáo, thông tin tin tức, thời sự, chứng khoán,… Tuy vậy, việc thể hiện hình ảnh lên led ma trận với nội dung đa dạng (chuỗi ký tự, hình ảnh, video) bằng cách nhập dữ liệu trực tiếp từ máy tính còn khá mới mẻ Do vậy, việc nghiên cứu đề tài “Bức tranh điện tử” sẽ cung cấp những kiến thức cơ bản, giúp chúng ta có một cách nhìn bao quát về vấn đề này Đề tài hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi hơn nữa trong các lĩnh vực của đời sống Do trong khuôn khổ khối giải mã hàng, nhóm chỉ hiển thị hình ảnh và dịch chuỗi cơ bản trên led ma trận 24x24 bằng cách sử dụng phương pháp quét led ma trận, cùng với việc nhập dữ liệu từ máy tính bằng giao tiếp UART có sẵn của chip vi xử lí MSP430G2553 Sau thời gian thực hiện khối giải mã hàng, mạch demo của nhóm chạy khá ổn định, hiển thị được chuỗi dịch trái hoặc phải, giao tiếp UART hiển thị được bức tranh đơn giản

Từ khóa: Bức tranh điện tử, MSP430G2553, led ma trận, giao tiếp UART,…

1 Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính, Mã số SV: 1101041, Số ĐT: 01678767576, email:

sang101041@student.ctu.edu.vn

2 Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính, Mã số SV: 1100996, Số ĐT: 01212651211, email:

hieu100996@student.ctu.edu.vn

3 Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính, Mã số SV: 1101017, Số ĐT: 01635131946, email:

mai101017@student.ctu.edu.vn

4 Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công Nghệ, ĐH Cần Thơ

1 GIỚI THIỆU

Như chúng ta đã biết, quang báo được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, đặc biệt là quảng cáo Tuy vậy, các biển quảng cáo thường chỉ hiện thị được chuỗi kí tự mà không hoặc rất hạn chế trong việc hiển thị hình ảnh với màu sắc khác nhau Một điều nữa, nội dung trên các mạch đó thường không thể sửa đổi hoặc rất khó để sửa đổi, gây ra lãng phí khi muốn thay đổi nội dung trên đó Do vậy, với khối giải mã hàng “Bức tranh điện tử”, nhóm chúng em hi vọng sẽ mang đến một cách nhìn mới và một phương pháp mới để hiển thị trên quang báo, để từ

đó nâng cao được chất lượng và giá trị của bức tranh điện tử, tránh lãng phí, góp phần vào sự phát triển chung của ứng dụng này

Sau khi thực hiện đề tài, nhóm mong muốn mạch quang báo bức tranh điện tử sẽ được sử dụng ngày càng rộng rãi hơn nữa để làm cho các biển quảng cáo, các bảng thông tin điện tử sinh động hơn, gây được chú ý hơn Hơn thế nữa, nhóm hi vọng khối giải mã hàng sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn có niềm đam mê thật sự với điện tử nói chung, và với bức tranh điện tử nói chung

2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

2.1 Tổng quan

2.1.1 Giới thiệu về họ vi điều khiển MSP430

­ MSP430 là họ vi điều khiển thuộc thiết kết theo cấu trúc RISC 16-bit, được sản xuất bởi công ty Texas Instruments (TI)

­ Là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồn cấp từ 1.8V – 3.6V

­ Ngày nay, MSP430 ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống nhờ các tính năng đa dạng, đặc biệt tiết kiệm năng lượng thích hợp cho các thiết bị nhúng mà giá thành lại rẻ hơn nhiều so với các loại vi điều khiển khác

2.1.2 Khái quát giao tiếp UART

­ UART (Universal Asynchronous serial Receiver/Transmitter) là Bộ truyền/nhận

dữ liệu nối tiếp không đồng bộ, khi kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện

áp (ở đây là cổng COM hay RS232) tạo thành một chuẩn giao tiếp

­ Ngày nay, cổng USB dần thay thế cổng COM nên việc truyền nhận UART được chuyển đổi dần sang cổng USB Do đó, nhóm sử dụng Kit LAUNCHPAD MSP430G2553 có khả năng giao tiếp UART với máy tính qua cổng USB

2.1.3 Sơ đồ khối

Đề tài bao gồm các khối chức năng sau:

­ Khối nạp dữ liệu từ máy tính: Nạp code chương trình (ngôn ngữ C), giao tiếp UART với khối điều khiển

­ Khối điều khiển (vi điều khiển MSP430G2553): Điều khiển mọi hoạt động của mạch, bao gồm nhận dữ liệu và giao tiếp UART với máy tính, tạo các tín hiệu điều khiển và nạp dữ liệu cho các khối mở rộng port và khối giải mã hàng

­ Khối mở rộng port: Nhận các tín hiệu điều khiển và dữ liệu nối tiếp từ khối điều khiển và xuất dữ liệu qua khối đệm ra khối hiển thị

­ Khối đệm: Đệm dữ liệu đầu ra của khối mở rộng port để đảm bảo các led ma trận sáng tốt và không bị giật

­ Khối giải mã hàng: Quét các hàng của led ma trận để chọn từng hàng hiển thị tương ứng với dữ liệu đưa vào ở cột

Hình 1 Sơ đồ các khối chức năng trong đề tài “Bức tranh điện tử”

2.2 Thiết kế chi tiết

2.2.1 Khối nạp dữ liệu từ máy tính

­ Kết nối: Nối trực tiếp với khối điều khiển qua cáp USB kèm theo trong kit Launchpad MSP430G2553

­ Sử dụng chương trình IAR Embedded Workbench (for MSP430) để soạn thảo

và nạp code chương trình vào khối điều khiển (MSP430G2553)

­ Sử dụng chương trình Advanced Serial Port Terminal để giao tiếp UART (truyền – nhận ký tự) với Kit Launchpad MSP430G2553

­ Sử dụng phần mềm Proteus 7.10 để mô phỏng thiết kế

2.2.2 Khối điều khiển

­ Kết nối: Nối với khối nạp dữ liệu từ máy tính (như trên); nối với khối mở rộng port và khối giải mã hàng từ các port của MSP430G2553 bằng các bus để điều khiển hoạt động của các khối này

­ Khối điều khiển được sử dụng trong khối giải mã hàng chính là kit Launchpad

sử dụng chip MSP430G2553 do công ty Texas Instruments sản xuất (Hình 2)

Hình 2 Kit Launchpad sử dụng

chipMSP430G2553 do

Texas Instruments sản xuất

Khối mở rộng port

Khối led ma trận 24x24

Khối giải

mã hàng

Khối đệm

Khối điều khiển (vi điều khiển MSP430G2253)

Khối nạp dữ liệu

từ máy tính

Giao tiếp UART

­ Sơ lượt về chip vi điều khiển MSP430G2553:

 MSP430G2553 thuộc họ vi điều khiển MSP430 do Texas Instrument sản xuất nên có các đặc điểm chung của họ MSP430 như: thiết kế theo cấu trúc RISC 16-bit, là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, công suất tiêu thụ cực thấp, điện áp nguồn khoảng 1,8-3,6V và một số tính năng khác

 MSP430G2553 còn có các tính năng riêng, cụ thể như sau:

 Có 5 chế độ tiết kiệm điện, mức tiêu thụ năng lượng thấp:

 Chế độ hoạt động: 220 µA ở tần số 1 MHz, 2,2 V

 Chế độ Standby: 0,5 µA

 Chế độ tắt (vẫn duy trì RAM hoạt động): 0,1 µA

 Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1 µs

 Thời gian 1 chu kì lệnh là 62,5 µs

 Bộ nhớ Flash 16 KB, bộ nhớ RAM 512 B

 Có bộ định thời Timer A 16-bit, bộ biến đổi ADC 10-bit

 Chuẩn giao tiếp không đồng bộ UART, I2C, SPI

 Các module clock cơ bản: Tần số nội lên tới 16 MHz, tần số làm việc lên đến 16MHz, thạch anh 32 KHz, có bộ cộng hưởng, nguồn tạo xung nhịp bên ngoài

Hình 3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển MSP430G2553

Hình 4 Sơ đồ chân MSP430G2553

­ Kết nối chi tiết MSP430G2553 để điều khiển các khối mở rộng port và khối giải

mã hàng:

 Khối mở rộng port: Kết nối với các chân P1.0, P1.3, P2.4, P2.5

 Khối giải mã hàng: Kết nối với các chân P1.4, P1.5, P1.6, P2.0, P2.1, P2.2

 Giao tiếp với máy tính: P1.1 (RXD) và P1.2 (TXD) dùng để giao tiếp UART

2.2.3 Khối mở rộng port

­ Kết nối: Nối với khối điều khiển và khối đệm

­ Ý tưởng: MSP430G2553 chỉ có 2 port nên việc điều khiển cho một lượng lớn led trên led ma trận là không thể, do đó, với đặc điểm ghi dịch có đầu vào nối tiếp, đầu ra song song, kết hợp với việc chốt dữ liệu dễ dàng, nên sử dụng 74595 để mở rộng port là hợp lý

­ Thành phần: Gồm 3 IC 74595 nối với 1 IC 74245 để đệm ngõ vào cho 74595

­ Sơ lượt về IC 74595:

 Chức năng: Ghi dịch 8-bit kết hợp chốt dữ liệu, vào nối tiếp – ra song song + Cấu tạo:

Hình 5 Sơ đồ chân và cấu tạo bên trong của 74595

 Chân 11: Cấp xung clock ghi dịch

 Chân 14: Chân đầu vào dữ liệu nối tiếp

 Chân 12: Cấp xung chốt dữ liệu (latch clock)

 Chân 10: Chân clear (reset)

 Chân 13: Chân cho phép ngõ ra (Output Enable)

 Chân 15,1,2,3,4,5,6,7: Ngõ ra song song

 Nguyên tắc hoạt động: Để ghi dịch 8 bit từ một chuỗi bit ở ngõ vào nối tiếp, ta làm như sau:

 Bước 1: Set chân 10 (reset) ở mức cao, con chân 13 (output enable) ở mức thấp

 Bước 2: Đưa từng bit của chuỗi bit cần ghi dịch vào ngõ vào nối tiếp (chân 14)

 Bước 3: Tạo xung clock và xung chốt để tiến hành ghi dịch từng bit Sau 8 xung clock và chốt ta được chuỗi bit song song ở ngõ ra từ chuỗi bit nối tiếp ban đầu Nếu cần ghi dịch hơn 8 bit, ta chỉ việc nối thêm 1 hoặc 2 IC 74595 theo cách: ngõ

ra nối tiếp (chân 9) của IC trước là ngõ vào nối tiếp của chân sau

Hình 6 Sơ đồ hoạt động của 74595

­ Sơ đồ mạch của khối:

Hình 7 Sơ đồ mạch khối mở rộng port và khối đệm

 Giải thích: Do mạch hiển thị gồm 24 cột đại diện 24-bit dữ liệu, mà ngõ ra của

74595 có 8 bit, nên cần 24/8=3 IC 74595 Các IC này được kết nối với nhau theo nguyên tắc ngõ ra nối tiếp của IC trước là ngõ vào nối tiếp của IC sau Khi đó, IC đầu tiên sẽ là bit MSB trong chuỗi 24 bit, IC cuối cùng là bit LSB

Q0 15 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 Q7' 9

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C0

C7 C5 C3 C1

Q0 15 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 Q7' 9

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C8

C15 C13 C11 C10 C9 clk

data2 latch

MR

A0 2 B0 18 A1 3 B1 17 A2 4 B2 16 A3 5 B3 15 A4 6 B4 14 A5 7 B5 13 A6 8 B6 12 A7 9 B7 11

CE 19 AB/BA 1 74HC245

A0 2 B0 18 A1 3 B1 17 A2 4 B2 16 A3 5 B3 15 A4 6 B4 14 A5 7 B5 13 A6 8 B6 12 A7 9 B7 11

CE 19 AB/BA 1 74HC245

A0 2 B0 18 A1 3 B1 17 A2 4 B2 16 A3 5 B3 15 A4 6 B4 14 A5 7 B5 13 A6 8 B6 12 A7 9 B7 11

CE 19 AB/BA 1 74HC245

P1.0

P2.5

cl la

Q0 15 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 Q7' 9

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C16

C23 C21 C19 C17 clk

data2 latch

MR

A0 2 B0 18 A1 3 B1 17 A2 4 B2 16 A3 5 B3 15 A4 6 B4 14 A5 7 B5 13 A6 8 B6 12 A7 9 B7 11

CE 19 AB/BA 1 74HC245

 Nguyên lý hoạt động của khối mạch: Đầu tiên, set chân clear (chân 10) lên mức cao, chân OE (chân 13) xuống mức thấp để IC hoạt động Khi đưa bit LSB của chuỗi 24 bit dữ liệu vào chân vào nối tiếp của IC đầu tiên, kết hợp xung clock ta sẽ nhận bit đầu tiên được lưu giữ trong 74595 đầu tiên Khi đưa bit thứ 2, kết hợp xung clock, bit đầu tiên sẽ ghi dịch 1 bit, bit thứ 2 sẽ được lưu giữ ở chỗ bit 1 cũ

Cứ như vậy cho đến khi lưu giữ hết 24 bit Khi đó, ta cấp một xung chốt để chốt

dữ liệu lưu giữ ra ngõ ra, kết hợp việc chọn hàng để hiển thị điểm ảnh yêu cầu

2.2.4 Khối đệm

­ Kết nối: Nối với khối mở rộng port và khối hiển thị nhằm đệm ngõ ra khối mở rộng port để cung cấp đủ dòng cho khối hiển thị sáng tốt, tránh hiện tượng giật

­ Thành phần: Sử dụng 3 IC 74245 để đệm tương ứng cho 3 IC 74595

­ Sơ lượt 74245: là loại IC có chức năng đệm 2 chiều, ngõ ra tích cực mức cao, thường dùng trong việc đệm dòng cho các mạch led ma trận

Hình 8 Sơ đồ chân và bản sự thật của IC 74245

­ Nguyên tắc hoạt động: Để 74245 hoạt động, cần nối chân enable (chân 19) xuống mức thấp Khi đó, nếu chân DIR (chân 1) mức cao, dữ liệu sẽ vào bus A và

ra bus B, ngược lại nếu chân DIR mức thấp thì dữ liệu vào bus B, ra bus A

­ Sơ đồ mạch: (Xem hình 7)

2.2.5 Khối giải mã hàng

­ Kết nối: Nối với khối điều khiển và khối hiển thị (để chọn hàng hiển thị)

­ Ý tưởng: Do chọn theo phương pháp quét hàng (với hàng là cathode) nên việc chọn hàng bằng một IC ngõ ra tích cực mức thấp là hợp lý Do đó nhóm chọn IC74138 để chọn tương ứng chỉ một hàng (trong 24 hàng) tại một thời điểm

­ Thành phần của khối: Gồm 3 IC 74138 và 1 IC đệm 74595 để đệm từ ngõ ra của MSP430G2553 sang ngõ vào 74138

­ Sơ lượt về IC 74138:

 Chức năng: Giải mã 3 đường → 8 đường, ngõ ra tích cực mức thấp

+ Cấu tạo:

a) Sơ đồ chân b) Cấu trúc bên trong

Hình 9 Sơ đồ chân (a), cấu trúc (b) và bảng sự thật (c) IC 74138

­ Sơ đồ khối:

Hình 10 Sơ đồ mạch khối giải mã hàng sử dụng 74138

 Giải thích: Do mạch hiển thị được chọn có kích thước 24x24, mà ngõ ra của

74138 chỉ có 8 đường, nên ta cần 24 / 8 = 3 IC 74138

 Nguyên lí hoạt động: Để chọn hàng đầu tiên (H0), ta lập trình chỉ cho phép

74138 điều khiển hàng 1-8 hoạt động (set chân enable – chân 6 lên mức cao, các

IC 74138 khác xuống mức thấp), sau đó chọn hàng tương ứng Ví dụ, nếu cần chọn hàng đầu tiên, ta set giá trị 3 chân C, B, A là 000, chọn hàng 2, ta set 3 giá trị này là 001 Cứ như vậy cho đến khi hết 8 hàng Khi đó, ta lại disable IC 74138 thứ nhất và enable IC thứ 2 Tiếp tục như thế cho đến khi quét đủ 24 hàng

c) Bảng sự thật

2.2.6 Khối hiển thị

­ Kết nối: Nối với khối đệm và khối giải mã hàng

­ Thành phần: Gồm 9 led ma trận một màu 8x8 được nối chung các hàng (các cathode) với nhau cho 3 led ma trận ở cùng hàng, và được nối chung các cột (các anode) với nhau cho 3 led ma trận ở cùng một cột Đồng thời các cột được nối với khối đệm (hay khối mở rộng port), các hàng được nối với khối giải mã hàng

­ Sơ lượt về led ma trận một màu 8x8:

 Cấu trúc: Gồm 64 led đơn được nối chung các cột với nhau cho những led ở chung cột, nối chung các hàng với nhau cho các led ở chung hàng (ở đây nhóm quy ước cột là anode, hàng là cathode)

Hình 11 Led ma trận thực tế và sơ đồ chân

 Nguyên tắc hoạt động: Để sáng 1 led bất kì, ta cho cột tương ứng của led đó lên mức cao và hàng tương ứng xuống mức thấp Việc quét led với tốc độ nhanh hơn

24 lần/s sẽ làm mắt người không nhận biết được sự chớp tắt của led, từ đó hiển thị được chuỗi và hình ảnh

2.2.7 Sơ đồ mạch hoàn chỉnh (mô phỏng)

Hình 12 Sơ đồ mạch “Bức tranh điện tử”

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C C C C C

H H H H

C C C C C

H H H H

C C C C C

H H H H

1 2 4 6 8

H H H H

9 1 1 1 1 1 1 2 2 2

H H H H H H H H H

H H H H

9 1 1 1 1 1 1 2 2 2

H H H H H H H H H

C0

C7 C5 C3 C1

P2.5/ROSC 3

P2.4/TA2/A4/VREF+

8

P1.2/TA1

31

P1.3/TA2 34 P1.4/SMCLK/TCK 35

P1.7/TA2/TDO/TDI

36

XIN/P2.6 6 XOUT/P2.7 5

19

AVCC 16 AVSS 15 MSP430F2252

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C8

C15 C13 C11 C9 clk

data2

latch

MR

B0 18

B1 17

B2 16

B3 15

B4 14

B5 13

B6 12

B7 11

74HC245

B0 18

B1 17

B2 16

B3 15

B4 14

B5 13

B6 12

B7 11

74HC245

B0

18

B1

17

B2

16

B3

15

B4

14

B5

13

B6

12

B7

11

74HC245

P1.3 P1.5

P2.0 P2.2

RXD

RTS TXD

CTS

A 1 B 2 C 3

E1 6 E2 4 E3 5

74HC138

A 1 B 2 C 3

E1 6 E2 4 E3 5

74HC138

H23

H16 H18 H20 H22 H15

H8 H10 H11 H12 H14

A 1 B 2 C 3

E1 6 E2 4 E3 5

74HC138

H7

H0 H2 H4 H6

C

E1

A C

E

C

E2

B0 18

B1 17

B2 16

B3 15

B4 14

B5 13

B6 12

B7 11

74HC245

P1.4 P1.6 P2.1

A C E E1

P1.0

P1.4

P2.4 P1.0

P2.5

cl la

SH_CP 11

ST_CP 12 DS 14

MR 10 OE 13 74HC595

1 3 5 7

16 14 12 10 9 220

C16

C23 C21 C19 C17 clk

data2

latch

MR

B0 18

B1 17

B2 16

B3 15

B4 14

B5 13

B6 12

B7 11

74HC245

2.2.8 Phần mềm sử dụng

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã sử dụng các phần mềm sau:

­ IAR Embedded Workbench for MSP430: Lập trình, nạp code và demo

­ Proteus 7.10: Mô phỏng

­ Advanced Serial Port Terminal: Giao tiếp UART

­ RTB: Tạo font chữ và hình ảnh và dịch sang mã hex led ma trận

3 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

­ Kết quả: Mạch thiết kế thành công, kết quả chạy demo ổn định, hiển thị được chuỗi dịch trái/phải, giao tiêp được UART để chọn hình hiển thị từ máy tính

Hình 13 Kết quả mạch demo hình chữ song hỉ

­ Đánh giá: Mạch chạy đúng yêu cầu đặt ra Tuy nhiên còn hạn chế trong các chuỗi dài

4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

Kết luận:

­ Ưu điểm:

 Đề tài thực hiện Bức tranh điện tử thực hiện khá thành công, đáp ứng được yêu cầu đặt ra