đồ án tốt nghiệp chuẩn giao tiếp usb

Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 1 Chương 0: Mở đầu Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin như hiện nay, tin học đã, đang và sẽ được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Không nằm ngoài tầm ảnh hưởng mạnh mẽ của tin học là những người làm công tác giảng dạy, đào tạo, nghiên cứu, Khi nói đến họ thì ta có thể thấy ngay rằng công việc của họ sẽ thật khó suôn sẻ khi thiếu chiếc máy tính cá nhân và các phần mềm đi kèm như bộ Microsoft office với Word, Excel, PowerPoint và nhiều những ứng dụng khác. Bên cạnh Word và Excel đã tỏ rõ sức mạnh từ lâu thì thời gian gần đây, PowerPoint cùng với chiếc máy chiếu càng ngày càng cho thấy ưu điểm vượt trội của nó trong việc tăng hiệu quả diễn đạt cho một vấn đề bất kỳ. Như vậy đi kèm với các gói phần mềm thì để s ử dụng chúng một cách hiệu quả còn có những thiết bị đầu cuối. Các thiết bị đầu cuối làm tăng đáng kể khả năng cho chiếc máy tính cá nhân. Trước đây các thiết bị đầu cuối được ghép nối với máy tính thông qua rất nhiều giao diện như cổng com, cổng máy in, PS/2. Hiện nay thì dường như đã dần quy về một mối, đó chính là ghép nối thiết bị đầu cuố i với máy tính thông qua cổng USB. Cổng USB với đường truyền đa năng đúng như tên gọi của nó (Universal Serial Bus), có khả năng cung cấp nhiều phương thức truyền dẫn cũng như tốc độ truyền khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Chính vì vậy đồ án này sẽ tập trung tìm hiểu về chuẩn USB 2.0 và ứng dụng chuẩn USB để thiết kế điều khiển từ xa cho trình diễn PowerPoint. Sản phẩm bao g ồm: Một bộ phát là thiết bị cầm tay dùng pin, có 3 nút bấm. Nút Up giúp người sử dụng trở lại slide ngay trước slide hiện hành, nút Down giúp đi tới slide ngay sau slide hiện hành còn nút light thì bật đèn laser tạo ra đốm sáng nhỏ giúp cho việc trình diễn đạt hiệu quả diễn đạt cao hơn. Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 2 Không thể thiếu là một bộ thu ghép nối với máy tính thông qua cổng USB. Bộ thu này nhận lệnh từ bộ phát và truyền đạt lại lệnh đó tới máy tính. Bộ thu dễ sử dụng, không cần driver và lấy nguồn từ máy tính. Hiện nay để thiết kế thành công sản phẩm trên thì có khá nhiều phương án như: Bộ phát có thể dùng sóng cao tần hoặc năng lượng hồng ngoại để truyền lệnh điề u khiển tới bộ thu. Về phía bộ thu, để thực hiện chức năng giao tiếp USB với máy tính thì cần có một bộ điều khiển USB. Để thực hiện bộ điều khiển này thì có thể dùng các công nghệ như: µC; PSoC; SPLD; CPLD; FPGA Phương án thì có nhiều như vậy nên vấn đề ở đây là lựa chọn phương án nào cho hợp lý và khả thi nhất. Sau một thời gian tìm hiểu, phương án đ ã được lựa chọn cho đề tài là: bộ phát sử dụng sóng cao tần để truyền lệnh điều khiển, về phía bộ thu sẽ thực hiện bộ điều khiển USB bằng vi điều khiển có tích hợp một bộ điều khiển USB chưa được cấu hình. Với những gì đã được giới thiệu ở trên thì có thể thấy rằng để thực hiện đề tài cần có kiến thức cơ bản về một số mảng chính sau: Chuẩn USB 2.0, họ vi điều khiển PIC (vì vi điều khiển mà ta sử dụng trong đề tài là vi điều khiển PIC của hãng MicroChip), truyền tín hiệu điều khiển sử dụng sóng cao tần. Chính vì vậy mà trong khuôn khổ của đồ án này sẽ tập trung trình bày các nội dung sau: ¾ Phần I: Sơ lược về chuẩn USB (gồm 6 chương): • Chương 1: Giới thiệu chung về chuẩn USB Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát, sơ lược về USB gồm khái niệm, ưu điểm của USB, mô tả hệ thống USB và cáp USB. • Chương 2: Mô hình luồng dữ liệu USB Chương này mô tả cách thực hiện một kết nối USB, cách mà theo đó dữ li ệu được truyền qua USB. Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 3 • Chương 3: Tầng giao thức USB Chương này đem lại một cái nhìn từ dưới lên trên của giao thức USB, bắt đầu với các định nghĩa trường và gói, sau đó là mô tả các giao tác và cuối cùng là việc đồng bộ và thử lại. • Chương 4: Các lớp thiết bị được định nghĩa Chương này giới thiệu các lớp thiết bị được định nghĩa, giúp những người thiết k ế thiết bị đầu cuối USB nhận định xem sản phẩm của mình có thuộc lớp thiết bị được định nghĩa hay không (nếu thuộc lớp thiết bị được định nghĩa thì có thể bỏ qua khâu viết driver cho sản phẩm). • Chương 5: Lớp thiết bị giao diện người sử dụng Chương này sẽ trình bày về lớp HID với mục đích giúp người đọ c nhận định xem một thiết bị nào đó có phù hợp để gán vào lớp HID hay không. Chỉ ra các yêu cầu đối với vi chương trình (firmware) để định nghĩa một thiết bị thuộc lớp HID và cho phép nó trao đổi dữ liệu với máy tính chủ. • Chương 6: Quá trình tìm hiểu của máy chủ đối với thiết bị Chương này mô tả những bước xử lý của máy chủ để máy chủ có thể tìm hiểu các thông tin v ề thiết bị như: Tốc độ của thiết bị, các bộ mô tả của thiết bị. Và việc gán một bộ điều khiển (driver) cho thiết bị. ¾Phần II: Thiết kế sản phẩm (gồm 2 chương): • Chương 7: Thiết kế bộ phát Chương này sẽ trình bày một số lưu ý khi thiết kế điều khiển từ xa sử dụng sóng cao tầ n (RF), sơ đồ khối hệ thống cho sản phẩm của đề tài và phần thiết kế bộ phát của sản phẩm. • Chương 8: Thiết kế bộ thu Chương này sẽ giới thiệu sơ qua về họ vi điều khiển PIC- loại vi điều khiển mà ta sử dụng cho sản phẩm của đề tài và phần phân tích thiết kế bộ thu. Đồ án tốt nghiệp Mở đầu Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 4 Trong phần I thì các kiến thức về chuẩn USB mới chỉ được trình bày vắn tắt và còn thiếu một số kiến thức đáng quan tâm của chuẩn USB. Do yêu cầu về sự súc tích của nội dung đồ án cũng như lý do là các phần đó không liên quan trực tiếp đến việc thiết kế sản phẩm nên không trình bày ở đây. Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 5 PHẦN I: SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN USB 2.0 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 6 Chương 1: Giới thiệu chung về USB Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát, sơ lược về USB gồm khái niệm, ưu điểm của USB, mô tả hệ thống USB và cáp USB. 1.1 Khái niệm về USB USB (Universal Serial Bus) là bus nối tiếp đa năng cho phép các thiết bị đầu cuối giao tiếp với máy tính chủ (Host Computer). 1.2 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB - Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của PC. - Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn với tốc độ lên đến 480Mb/s. - Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như voice, audio, video, - Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp: isochronous data transfers và asynchronous messaging. - Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi. - Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ trợ do đó có thể không cần driver mức thấp cho các thiết bị USB. - Đa năng do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối với PC thông qua chuẩn USB. - Độ tin cậy cao. Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 7 1.3 Mô tả hệ thống USB Một hệ thống USB được mô tả bởi ba định nghĩa: - Kết nối USB - Các thiết bị USB - USB host •Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ. Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau: + Kiến trúc Bus: Mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host. + Những mối quan hệ Inter-layer : Dưới d ạng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống. + Các mô hình luồng dữ liệu: Là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống qua USB. + Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung. Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời và khử sự phân xử ban đầu. 1.3.1 Kiến trúc Bus Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với Host USB. Về mặt kết nối vật lý USB đó là một kiến trúc tầng sao. Một Hub ở tại trung tâm của mỗi sao. mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa Host và một Hub hoặc một chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác hoặc chức năng khác. Vớ i 7 bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi. Hình 1.1 sẽ minh hoạ kiến trúc của USB. Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 8 Hình 1.1: Kiến trúc Bus [1] 1.3.1.1 Máy chủ USB (USB Host) Chỉ có duy nhất một Host trong một hệ thống USB bất kỳ. Giao diện USB tới hệ thống máy chủ được xem như bộ điều khiển Host. Bộ điều khiển Host có thể được thực hiện trong một kết hợp gồm phần cứng, vi chương trình (firmware) hoặc phần mềm. Một Hub gốc (root hub) được tích hợp chỉ trong hệ thống Host để cung cấp một hoặc nhi ều điểm lắp thêm. 1.3.1.2 Các thiết bị USB Thiết bị USB có thể là một trong các thiết bị sau: -Hub: cung cấp điểm lắp thêm vào USB. -Các chức năng: Cung cấp các khả năng cho hệ thống như một kết nối ISDN, digital joystick, hoặc speakers. -Thiết bị hiểu được giao thức USB Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 9 1.4 Cáp USB USB truyền tín hiệu và nguồn qua một cáp 4 sợi hình 1.2 Có 3 tốc độ truyền dữ liệu: -USB tốc độ cao (USB high-speed): 480Mb/s. -USB toàn tốc (USB full-speed): 12Mb/s. -USB tốc độ thấp (USB low-speed): 1.2Mb/s. Hình 1.2: USB Cable [1] Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D- được dùng để truyền tín hiệu, V bus và GND để cấp nguồn cho thiết bị ( Thường thì V bus =5V còn GND=0V tại nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét. Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất qua các điện trở R pd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở R pu . Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3.3 V cho đầu D Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D- giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu c ủa thiết bị. Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 10 Chương 2: Mô hình luồng dữ liệu USB Chương này mô tả cách thực hiện một kết nối USB, cách mà dữ liệu được truyền qua USB. 2.1 Các thành phần trong việc thực hiện kết nối USB Việc thực hiện kết nối USB gồm các thành phần: - Thiết bị USB vật lý: Một phần cứng ở đầu cuối của cáp USB thi hành một vài chức năng hữu dụng với người sử dụng. - Client Software: Phần mềm thi hành trên máy chủ, đáp ứng cho thiết bị USB. Phần mềm này có thể được cung cấp bởi hệ điều hành hoặc được cung cấp cùng với thi ết bị USB. - USB System Software: Là phần mềm hỗ trợ USB trong một hệ điều hành cụ thể. Phần mềm hệ thống USB thường được cung cấp kèm với hệ điều hành, nó không hề phụ thuộc vào một thiết bị USB cụ thể nào cũng như phần mềm client cụ thể nào. - USB Host Cotroller: Bao gồm phần cứng và phần mềm cho phép các thiết bị USB kết nố i tới Host. Hình 2.1 sau sẽ chỉ ra sự tương tác giữa một số lớp và thực thể trong một kết nối đơn giản giữa host và thiết bị. [...]... tác IN) hoặc host (đối với giao tác OUT) sẽ phát dữ liệu Các giao tác đẳng thời không hỗ trợ pha bắt tay cũng như khả năng thử lại Hình 3.15: Khuông dạng giao tác đẳng thời [1] Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 35 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 3.6 Đồng bộ lật dữ liệu và thử lại USB cung cấp một cơ chế để đồng bộ chuỗi dữ liệu giữa bên phát và bên thu qua nhiều giao tác Cơ chế này đem lại... sau sẽ cho thấy khuôn mẫu của trường đồng bộ với truyền tốc độ thấp hoặc toàn tốc Hình 3.1: Mẫu đồng bộ [1] Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 18 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Mẫu đồng bộ 32 bit cho truyền tốc độ cao có dạng hoàn toàn tương tự như sau: 01010101010101010101010101010100 Trường đồng bộ chỉ được dùng như một cơ chế đồng bộ nên trong các biểu đồ của các gói được trình bày sau... tác phân chia USB định nghĩa một gói thông báo đặc biệt cho giao tác phân chia đó là SPLIT Đây là một gói thông báo 4 byte khác với 3 byte của một gói thông báo thông thường Gói thông báo giao tác phân chia cung cấp các dạng giao tác bổ sung với thông tin chỉ rõ giao tác được thêm vào Thông báo giao tác phân chia Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 24 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 được sử... lý được chỉ ra trong hình 2.3 gồm : - Giao diện bus USB - Thiết bị USB logic - Chức năng Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 12 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 2.3: Kết cấu thiết bị vật lý [1] Các thiết bị USB vật lý cung cấp các chức năng bổ sung cho Host Các thiết bị USB khác nhau thì cung cấp các chức năng khác nhau Mặc dù vậy thì các thiết bị USB logíc có nối ghép tới Host cơ bản... - K46 - ĐHBKHN 11 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 2.2.1 USB Host Kết cấu logic của Host được chỉ ra trong hình 2.2 gồm có - Bộ điều khiển Host - Phần mềm hệ thống USB đã được gộp chung (thực chất nó gồm: USB Driver, Host Controller Driver và Host software) - Phần mềm khách (client software) Hình 2.2: Kết cấu Host [1] 2.2.2 Các thiết bị USB Kết cấu logic của một thiết bị USB vật lý được chỉ.. .Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 2.1: Các vùng thực hiện trong một kết nối USB [1] -USB Bus interface Layer cung cấp kết nối vật lý, gói tin, báo hiệu giữa Host và một thiết bị -USB Decive Layer cho thấy hệ điều hành hỗ trợ thiết bị USB cần có một phần mềm hệ thống để thực hiện việc quản lý thiết bị USB logic -Function Layer cung cấp khả năng... 27 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 khiển và trạng thái STALL kết thúc tại thời điểm bắt đầu của truyền điều khiển tiếp theo (trong giao tác SETUP) • NYET: Đây chỉ là gói bắt tay cho truyền tốc độ cao và được trả về trong hai trường hợp Nó được trả về bởi một điểm cuối tốc độ cao như một phần của giao thức PING NYET cũng có thể được trả về bởi một hub trong đáp ứng giao tác phân chia khi giao. .. khuôn dạng giao tác ngắt Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 34 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 3.14: Khuôn dạng giao tác ngắt [1] 3.5.4 Các giao tác đẳng thời Các giao tác đẳng thời có một pha thông báo và một pha dữ liệu, không có pha bắt tay như được thấy trong hình 3.15 Host phát ra một thông báo IN hoặc OUT và theo sau là pha dữ liệu trong pha dữ liệu thì điểm cuối (đối với giao tác... Hình 2.5: Kiến trúc bus logic USB [1] 2.2.5 Mối quan hệ giữa chức năng và phần mềm khách Trong quá trình hoạt động, phần mềm khách nên độc lập với các thiết bị khác có thể được gắn tới USB Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 14 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 2.3 Luồng truyền thông USB USB cung cấp một dịch vụ truyền thông giữa phần mềm trên Host và chức năng USB của nó Các chức năng có thể... bit không phù hợp và bên phát và bên thu phải đồng bộ lại lẫn nhau Một gói ACK chỉ được ứng dụng trong các giao tác mà dữ liệu đã được truyền đi và đang mong chờ tín hiệu bắt tay trả lời ACK có Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 26 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 thể được trả về bởi host trong giao tác IN và được trả về bởi chức năng cho các giao tác OUT, SETUP hoặc PING • NAK: Tín hiệu . nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 5 PHẦN I: SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN USB 2.0 Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 . speakers. -Thiết bị hiểu được giao thức USB Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN 9 1.4 Cáp USB USB truyền tín hiệu và nguồn qua. cấu logic của một thiết bị USB vật lý được chỉ ra trong hình 2.3 gồm : - Giao diện bus USB. - Thiết bị USB logic. - Chức năng. Đồ án tốt nghiệp Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Lê Ngọc