Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng

Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thốn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hà Nội - 2010

Mở đầu 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Các phân hệ trong hệ thống BMS 14

1.2.1 Quản lý vào/ ra trong tòa nhà 15

1.2.1.1 Thành phần của một hệ thống RFID 15

1.2.1.2 Hoạt động của hệ thống RFID 16

1.2.2 Hệ thống báo cháy 16

1.2.2.1 Cách nhận biết và báo cháy 16

1.2.2.2 Các bộ phận chính của hệ thống 17

1.2.3 Hệ thống thang máy 19

1.2.4 Hệ thống điều hoà trung tâm 20

1.2.5 Máy phát điện 21

1.2.6 Hệ thống điện 21

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1 Mạng truyền thông trong hệ thống BMS 23

2.2 Một số chuẩn truyền thông 23

2.2.1 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232 23

2.2.2 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485 28

2.3 Giao thức truyền thông 35

2.3.1 Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet 35

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG BMS 3.1 Mục tiêu của đề tài 36

3.2 Cấu hình hệ thống 36

3.3 Thiết kế phần cứng của hệ thống 37

3.3.1 Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR 37

3.3.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 38

3.3.2.1 Sơ đồ chân 38

3.3.2.2 Cấu trúc bộ nhớ 39

3.3.2.3 Cổng vào ra 46

3.3.2.4 Bộ định thời 50

3.3.2.5 Cấu trúc ngắt 75

3.3.3 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega8 82

3.3.3.1 Giới thiệu chung 82

3.3.3.2 Sơ đồ chân 82

3.3.4 Cảm biến 84

3.3.5 Mạch Slaver 86

3.3.6 Mạch Master 88

3.3.7 Keyboard và LCD 90

3.4 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống 91

3.4.1 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Slaver dùng Atmega8 91

3.4.2 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Master dùng Atmega128 92

3.5 Kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống 93

3.5.1 Tính khoa học 93

3.5.2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 93

3.5.3 Hiệu quả kinh tế xã hội 94

Kết luận 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

Phụ lục 97

HVAC Hệ thống thông gió và điều hòa không khí

RFID Radio Frequency Identification - Xác nhận đối tƣợng bằng sóng vô

tuyến

RISC Reduced Instruction Set Computer

TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol - Giao thức điều

khiển truyền thông /Giao thức Internet

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 25

Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485 28

Bảng 3: Thông số của các phương pháp 34

Bảng 4: Các chân của Atmega128 39

Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng 48

Bảng 6: Địa chỉ các Port 50

Bảng 7: Lựa chọn tốc độ xung clock 54

Bảng 8: Lựa chọn các chế độ thực thi của bộ định thời 0 67

Bảng 9: Bảng Vector Ngắt Của ATmega128 78

Bảng 10: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh A 79

Bảng 11: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh B 80

Bảng 12: Các chân Atmega8 84

Bảng 13: Các thông số kỹ thuật của sensor JS-20 85

Hình 8: Ghép nối trực tiếp 28

Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485 29

Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 30

Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị 30

Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 31

Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây 32

Hình 14: Dây xoắn đôi 32

Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây 33

Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485 34

Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống 37

Hình 18: Sơ đồ chân 38

Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader 40

Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ 42

Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31 42

Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128 46

Hình 23 Sơ đồ một cổng vào ra 49

Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3) 51

Hình 25: Thanh ghi TEMP 56

Hình 26: Ngõ ra khối Compare Match Output Unit 65

Hình 27: Sơ đồ khối bộ định thời 0 66

Hình 28: Sơ đồ khối bộ định thời 2 72

Hình 29: Sơ đồ chân Atmega8 83

Hình 30: Hình ảnh cảm biến JS- 20 Largo Pir 84

Hình 31: Khoảng cách và góc quét của JS-20 85

Hình 32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave 86

Hình 33: Sơ đồ mạch PCB của mạch slave 87

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 88

Hình 35: Sơ đồ mạch PCB của mạch Master 89

Hình 36: Mạch điện điều khiển của mạch Master 89

Hình 37: Sơ đồ mạch PCB của LCD Keyboad 90

Hình 38: Mạch điện điều khiển của Keyboad và LCD 91

Hình 39: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Slave 91

Hình 40: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Master 92

Hình 41: Hình ảnh của hệ thống 98

nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà

Hầu hết các tòa nhà này hiện đều được trang bị hệ thống điều khiển và quản

lý tòa nhà BMS (Building Management System) như ở các nước công nghiệp Chỉ

có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14]

Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát

và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lượng và hệ thống thông tin Khi được trang bị như vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả năng hoạt động độc lập thì cần phải được điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng

độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống Hệ thống tổng thể cần được thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có được tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các kênh thông tin được tích hợp với nhau như dùng kết nối các đường dây chuyên dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều khiển qua đường điện lưới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc thậm chí cả mạng Internet.[15]

Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS được phát triển và ứng dụng khoảng

20-30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh

tế Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ, nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế Chúng ta có thể

tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng Seagate ở Singapore Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của Siemens và đã, đang được khai thác rất hiệu quả và kinh tế

Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens Các tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng 1996, Red river building Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003 Sau khi trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với trước khi lắp đặt hệ thống BMS.[14]

Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà(Hệ thống điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều khiển chiếu sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn Việc quản lý tốt vấn đề chiếu sáng không chỉ đem lại môi trường làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tư cho việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành

Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, người vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định Như khu hành lang là nơi thường xuyên có người qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó trong thời gian làm việc Những khu vực nhạy cảm về vấn đề an ninh,

hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cường trong những thời điểm nhạy cảm

Xuất phát từ những ý tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn

đề tài: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” cho luận văn tốt nghiệp

Luận văn được tổ chức thành 3 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 – Tổng quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống

BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS

Chương 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền

thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS

Chương 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày

mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng, thiết kế các modul mạch điện của hệ thống và xây dựng phần mềm nhúng cho hệ thống

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS

1.1 Giới thiệu chung

Mục tiêu của hệ thống BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa việc giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà BMS cho phép nâng cao hiệu suất của tòa nhà bằng cách giảm chi phí nhân công, chi phí năng lượng và cung cấp môi trường làm việc thoải mái và an toàn cho con người

- Phản ứng nhanh đối với các đòi hỏi của khách hàng và các sự cố

- Giảm chi phí năng lượng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng lượng

- Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà: nhờ vào hệ thống dữ liệu lưu trữ, chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo

- Linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức và các yêu cầu mở rộng

- Sử dụng hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy nhập, điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM,…

Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS

Trong hệ thống BMS có khá nhiều phân hệ, cụ thể:

- Trạm phân phối điện

- Máy phát điện dự phòng

- Hệ thống chiếu sáng

- Hệ thống điều hoà và thôn g gió

- Hệ thống cấp nước sinh hoa ̣t

- Hệ thống báo cháy

- Hệ thống chữa cháy

- Hệ thống thang máy

- Hệ thống âm thanh công cô ̣ng

- Hệ thống an ninh

1.2.1 Quản lý vào/ra trong tòa nhà

Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận đối tƣợng bằng sóng vô tuyến

Dạng đơn giản nhất đƣợc sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc nhƣ sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của

nó đến một con chip không tiếp xúc Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm đƣợc từ con chip Các con chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng lƣợng chúng nhận từ tín hiệu đƣợc gửi bởi một reader.[13]

1.2.1.1 Thành phần của một hệ thống RFID

Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:

Hình 2: Reader và Card

(ID) duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ

đó Bởi vì các chip được sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa thông tin như chuỗi số, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học và lịch trình Cũng như phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID cũng sử dụng bốn băng thông tần số chính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) hoặc sóng cực ngắn (viba)

RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với host computer Đơn vị đo tiếp sóng giữa host computer

và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa/ giải

mã và xác thực người dùng Đầu đọc RFID có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn Host xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.[13]

1.2.2 Hệ thống báo cháy

1.2.2.1 Cách nhận biết và báo cháy

Khi có căn phòng trong tòa nhà bị cháy, ở những căn phòng có cháy đó thường có dấu hiệu sau:

- Lửa, khói và vật liệu chỗ cháy bị thiêu hủy

- Nhiệt độ trong vùng cháy tăng lên cao

- Không khí bị Oxy hóa mạnh

- Có mùi cháy và mùi khét

Ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến để làm các thiết bị báo cháy

Thiết bị báo cháy tự động giúp chúng ta thường xuyên theo dõi để hạn chế các vụ cháy tai hại, hạn chế thiệt hại và an toàn cho mọi người

Các loại cảm biến nhiệt:

IC cảm biến:

Là loại cảm biến bán dẫn được chế tạo thành các IC chuyên có độ nhạy cao, điện áp ra thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, một số loại IC được bán trên thị trường là: LM355, LM334,…

Thermo Couples:

Thermo Couples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC nhỏ Nó gồm hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai mối nối Khi các dây nối đặt ở các vị trí khác nhau trong dây sẽ xuất hiện suất điện động Suất điện động

tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối

 Cảm biến lửa:

Khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, nên ta sử dụng các linh kiện phát hiện tia hồng ngoại để phát hiện lửa Nguyên lý hoạt động của cảm biến lửa là điện trở của các linh kiện thu sóng hồng ngoại tăng nó chuyển tín hiệu ánh sáng thu được thành tín hiệu điện để báo cháy Cảm biến loại này rất nhạy với lửa, tuy nhiên cũng dễ báo nhầm nếu ta để cảm biến ngoài trời hoặc gần ánh sáng bóng đèn tròn

 Cảm biến khói:

Thường cảm biến loại này là bộ phận riêng biệt chạy bằng Pin được thiết kế

để lắp đặt trên trần nhà, trên tường Có hai loại cảm biến khói:

có cháy xảy ra, khói đi vào vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy

Trong hai loại này thì cách thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưng khó thực thi, khó lắp hơn Còn loại thứ hai linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi và lắp đặt hơn

Một nhược điểm chung của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể sai nếu vùng bảo vệ bị ảnh hưởng bởi các lớp bụi.[10]

1.2.2.2.2 Thiết bị báo động

Thiết bị báo động gồm có hai loại:

- Báo động tại chỗ

- Báo động qua điện thoại

Trong các hệ thống báo cháy, các bộ cảm biến thường được đặt ở những nơi

dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, cho nên trong một số trường hợp dây sẽ bị đứt Vì vậy để một hệ thống hoạt động có hiệu quả thì người

ta thường sử dụng các bộ phát vô tuyến trong đó bộ phận phát gắn với bộ cảm biến còn bộ phận thu gắn với mạch báo động

Hình 3: Thiết bị báo cháy

1.2.3 Hệ thống thang máy

Gần đây, hệ thống thang máy đã trở thành một hệ thống quan trọng và hệ thống này thường đi kèm với một phần mềm trên máy PC để giám sát và điều khiển Hệ thống này cũng sẽ cung cấp một cơ chế giao tiếp để cho các nhà tích hợp như BMS để truy nhập và lấy thông tin

Một giao tiếp mức cao sẽ được cung cấp cho hệ thống điều khiển thang máy

và thang trung tâm Thông qua giao diện này, hệ thống BMS sẽ có thể giám sát và điều khiển các thông tin liên quan đến thang máy và cũng giao tiếp với hệ thống thông báo, hệ thống nhắn tin và màn hình hiển thị của thang máy Toà nhà sẽ trang

bị nơi đặt hệ thống, rack, kết nối mạng và các hạng mục liên quan cần thiết cho cổng giao tiếp với hệ thống thang máy

Các nhà cung cấp thang máy thường cung cấp các hệ thống thang máy với các giao thức như OPC, BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc đơn giản hơn là TCP/IP Hệ thống thang máy của các nhà cung cấp lớn như Schindler, Ryoden, Mitsubishi…hỗ trợ giao thức TCP/IP

Mỗi một hệ thống thang máy sẽ cung cấp các chức năng sau để có thể dùng BMS điều khiển chúng (thông qua cổng giao tiếp của BMS):

báo sẽ được giám sát

- Vị trí của mỗi thang máy sẽ được chỉ ra và có thể đặt được

- Hiển thị trạng thái hoạt động của thang máy

- Các thông báo bằng hình ảnh đang hiển thị hoặc được lên lịch trình hiển thị cũng sẽ được xem bằng hệ thống BMS

- Hiển thị tầng nghỉ của thang máy

- Hướng đi của thang máy

- Giám sát được được trạng thái dừng khẩn cấp của thang máy

- Giám sát trạng thái của các cảnh báo của thang máy

Các cảnh báo chung của hệ thống thang máy sẽ không cần phải đưa ra Hệ thống BMS sẽ nhận các thông tin cảnh báo và trạng thái chi tiết của hệ thống

Hệ thống BMS sẽ cung cấp màn hình đồ hoạ mô phỏng động để chỉ ra các chuyển động và trạng thái của tất cả thang máy.[12]

Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông thường đều thông qua các bộ điều khiển số trực tiếp của hệ thống BMS Hệ thống BMS sẽ điều khiển và/hoặc giám sát tối thiểu là:

- Các máy lạnh trung tâm

- Điều chuyển không khí

- Chỉnh lượng không khí

- Quạt khí thải/ khí tươi

- Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời

- Tình trạng của các thiết bị

- Công suất hệ thống

- Các mức quá nhiệt của hệ thống

- Mức quá tải của hệ thống

- Giám sát các trạng thái hoạt động

- Thời gian hoạt động của tất cả hệ thống hoặc cục bộ

- Tính toán hoạt động với hiệu suất cao nhất

1.2.5 Máy phát điện

Các bộ điều khiển của BMS sẽ cho phép hệ thống BMS giám sát và điều khiển máy phát và hệ thống nhiên liệu và cung cấp tối thiểu là các thông tin sau:

- Trạng thái của từng máy phát

- Giám sát tình trạng và mức độ chất lượng của hệ thống phát điện

- Giám sát các cảnh báo của các khối của máy phát điện

- Giám sát thời gian hoạt động của tất cả các máy phát

- Giám sát các mức nhiên liệu trong tất cả các bình chứa

- Giám sát nguồn cung cấp năng lượng và các cảnh báo về rò rỉ [12]

1.2.6 Hệ thống điện

Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà

Các dịch vụ về điện sẽ có các bộ điều khiển của riêng chúng và có giao diện đến hệ thống BMS Nhà cung cấp hệ thống điện sẽ cung cáp bộ điều khiển với thủ tục giao diện hoặc cổng giao diện cần thiết để giao tiếp với hệ thống BMS Cổng giao tiếp sẽ cung cấp giao diện RS232 hoặc RS485 Bảng điều khiển của hệ thống

có các điểm kiểm tra, các bộ biến đổi để có thể đo được điện áp, dòng, tần số, công suất và năng lượng của hệ thống điện

Để tích hợp với hệ thống BMS, các bộ điều khiển cần phải có các thủ tục giao tiếp cần thiết để hệ thống BMS có thể giao tiếp với chúng Thông qua giao diện này Hệ thống BMS sẽ giám sát các thông tin được chỉ định

Hệ thống BMS sẽ cung cấp việc hiển thị đồ hoạ của tất cả hệ thống điện hiển thị hạ tầng kết nối và các mạch điện Màn hình đồ hoạ sẽ hiển thị bề mặt của các bảng chuyển mạch và chỉ ra tên và số của các mạch, các cầu chì cùng với các lƣợng điện tiêu thụ, các giá trị đọc đƣợc của điện áp và dòng điện Trạng thái của tất cả các điểm giám sát thiết bị điện cũng đƣợc hiển thị

Hệ thống BMS sẽ cung cấp các chức năng điều khiển mức vùng cho các chức năng sau:

- Bất kỳ thay đổi nào về trạng thái của bộ chuyển mạch điều khiển cần phải đƣợc phát hiện

- Bộ chuyển mạch điều khiển sẽ cung cấp trạng thái là đang làm việc hay không

- Giám sát các modul điều khiển của tất cả hệ thống điều khiển chiếu sáng

Hệ thống sẽ hiển thị chi tiết bên ngoài và các tầng cho thấy trạng thái của tất

cả các đèn từng khu vực và mạch điện bộ cảm biến chuyển động,cảm biến mức ánh sáng.[10]

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS

2.1 Mạng truyền thông trong hệ thống BMS

Để ứng dụng được BMS, các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kết nối BMS, tức là hỗ trợ các chuẩn truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWork, Modbus hoặc hỗ trợ chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA BMS có thể điều khiển các thiết bị này qua chuẩn truyền thông

Mạng thông tin của BMS chia làm 3 cấp ( hoặc 02 cấp) tùy vào từng nhà cung cấp:

- Mạng trục backbone (thường là mạng Ethernet) : TCP/IP hoặc Bacnet/IP 10100/1000Mb nối các bộ điều khiển tòa nhà ( Builiding controllers) với nhau và nối với các Server của hệ thống ( thường có 2 server chạy nóng và dự phòng)

là mạng RS485, chuẩn truyền thông thường là LON, Bacnet MS/TP, N2, P2 mạng này do bộ điều khiển tầng quản lý và liên kết các bộ điều khiển nhỏ hơn đặt tại từng thiết bị cụ thể trong tầng của tòa nhà.[6]

Thường các hệ BMS đơn giản chỉ có 02 phân lớp mạng như vậy Các hệ thống lớn và yêu cầu tích hợp cao thường có thêm phân lớp mạng thứ 3 nằm trên 2 lớp trên: ALN ( Application Level network) Phân lớp này thường là lớp mạng interconnect giữa rất nhiều hệ thống khác nhau trong tòa nhà, cùng chia sẻ thông tin

và quản lý, nó sẽ có 1 hệ thống trung tâm để thu thập và phân phối thông tin cho các Client trong hệ thống mạng.[7]

2.2 Một số chuẩn truyền thông

2.2.1 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232

RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm giữa hai thiết bị đầu cuối ( DTE, Data Terminal Equipment ), như giữa hai máy tính PC, PLC , giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu ( DCE, Data Communication Equipment )

điểm-Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một vài cổng RS-232 ( cổng COM ), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại

vi hoặc với các máy tính khác Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng

RS-232 phục vụ lập trình hoặc tham số hoá.[9]

các thiết bị tham gia và của cả đường truyền.[9]

Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19,2kBd ( chiều dài cho phép 30-50m ) Gần đây, sự tiến bộ của vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều lần so với ngưỡng 19,2kBd Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460kBd và hơn nữa Tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115,2 kBd theo tiêu chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện

Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ

Một số thông số điện học quan trọng của RS-232:

Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232

Giao diện cơ học: chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 ( 9 chân ), DB-25 ( 25 chân ) và ALT-A ( 26 chân ), trong đó hai loại đầu sử dụng rỗng rãi hơn Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574 [7]

Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:

• RxD ( receive data ): đường nhận dữ liệu

• TxD ( transmit data ): đường gửi dữ liệu

• DTR ( Data terminal ready ): chân DTR thường ở trạng thái On khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ " tự trả lời "chấp nhận lời gọi không yêu cầu Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa ( chế độ cục bộ )

• DSR ( data set ready, DCE ready ): cả hai modem chuyển mạch DSR sang

ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên

• DCD ( data carrier detect ): chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy nhập đường truyền Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu ( chân RTS ) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm

ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up

Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân

Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân

- Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần ( full-duplex ), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong

đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu hình tối thiều này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm

Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay ( handshake mode ) không thông qua modem Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo Trong trường hợp này các chân RTS

và CTS được nối ngắn [7]

Hình 8: Ghép nối trực tiếp

2.2.2 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485

Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn ( có thể lên đến 1200m ) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới 200mV

Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485

RS-485 có khả năng ghép nối nhiều điểm Có thể ghép nối 32 trạm, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời qua một đoạn RS-485 mà không cần lắp bộ Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu Vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia Chế độ này gọi là chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền thông Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào 'enable ' được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state.[6]

Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485 Mặc dù phạm vi làm việc tối đa là -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch), trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V đối với đầu ra ( bên phát ) và từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào ( bên nhận )

Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị ( unit load, UL ), ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị thành viên Thông thường, mỗi bộ thu phát được thiết kế tương đương với một tải đơn vị Gần đây cũng có những cố gắng giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là tăng trở kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần, với mục đích tăng số lượng trạm lên

64 hoặc 128 Tuy nhiên, tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc

độ truyền thông, vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.[6]

Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485

Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền thông nhiều điểm Các tải được mắc song song vì thế việc tăng tải sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép Theo qui định chuẩn, một bộ kích thích tín hiệu phải đảm bảo dòng tổng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho:

• Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Ω ( 120Ω tại mỗi

đầu ) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA

• 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi tải ( trường hợp

xấu nhất ), tạo dòng tương đương 32mA

Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị

Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS485 cho phép truyền khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 10Mbit/s, một số hệ

thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s Tuy nhiên có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd Quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào chất lượng cáp dẫn và phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu

Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng đôi dây xoắn AWG24

Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đôi dây xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UPT và vì thế có thể truyền với tốc độ cao hơn Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng, cũng như chiều dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín hiệu

Cấu hình mạng: RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ sử dụng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi

là bus Chính vì vậy mà nó được làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus hiện thời

Cấu hình phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu Trong trường hợp này, hệ thống chỉ có thể làm việc với chế độ hai chiều gián đoạn ( half-duplex ) và các trạm có thể nhận quyền bình đẳng trong việc truy nhập đường dẫn Chú ý, đường dẫn được kết thúc bằng hai trở tại hai đầu chứ không được phép ở giữa đường dây Trên hình trên không vẽ dây nối đất song trên thực tế việc nối đất là rất quan trọng.[6]

Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây

+ Cáp nối: RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không đƣa ra các qui định cho cáp nối cũng nhƣ các bộ nối Có thể dùng dây xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác Tuy nhiên dây xoắn đôi vẫn là loại cáp đƣợc sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm

Hình 14: Dây xoắn đôi

Trở đầu cuối: Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong các ứng dụng nên hầu hết các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ

trong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu.Trở đầu cuối dùng cho RS485

có thể từ 100Ω đến 120Ω

Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây

Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể không cần dùng trở đầu cuối Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại Tốc độ truyền dẫn thấp có nghĩa là chu kỳ nhịp bus dài Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo ( thường vào giữa chu kỳ ) thì tín hiệu mang thông tin sẽ không bị ảnh hưởng

Có nhiều phương pháp chặn đầu cuối một đường dẫn RS-485 Phương pháp được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở thuần nhất nối giữa hai dây A và

B tại mỗi đầu Phương pháp này gọi là chặn song song Điện trở được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng ( trở kháng sóng ) của cáp nối Như vậy sẽ không có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo

Nhược điểm của phương pháp này là sự tổn hao nguồn tại hai điện trở

Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485

Bảng 3: Thông số của các phương pháp Phương pháp thứ hai được gọi là chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối tiếp với điện trở R Mạch RC này cho phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng một điện trở thuần nêu trên Trong lúc tín hiệu ở giai đoạn quá độ, tụ C có tác dụng ngắn mạch và trở R có tác dụng chặn đầu cuối Khi tụ C đảo chiều sẽ cản trở dòng một chiều và vì thế có tác dụng giảm tải Tuy nhiên, hiệu ứng sẽ cản trở thông thấp ( lowpass ) của mạch RC không cho phép hệ thống làm việc với tốc độ cao

Một biến thể của phương pháp chặn song song cũng được sử dụng rộng rãi là chặn tin cậy, bởi nó có tác dụng khác nữa là tạo thiên áp tin cậy ( fail-safe biasing ) đảm bảo một dòng tối thiểu cho trường hợp bus rỗi hoặc có sự cố

Nối đất: Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không liên quan tới đất, hệ thống RS485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụ dòng đầu vào bộ thu Một sai lầm thường gặp là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm Trong trường hợp này dòng chế độ chung sẽ tìm cách quay ngược trở lại nguồn phát, bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh ảnh hưởng tới tính tương thích điện

từ của hệ thống Nối đất sẽ có tác dụng tạo một đường thoát trở kháng nhỏ tại một

vị trí xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác hại gây nhiễu Hơn thế nữa với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp kể cả bus rỗi hoăc có sự cố.[7]

2.3 Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của BMS vì

nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác và bởi

vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau

Sử dụng giao thức truyền thông ngang hàng (Peer Communication Protocol)

So với giao thức hỏi vòng, giao thức ngang hàng có các lợi ích sau:

- Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào – trạm chủ

- Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà không cần phải thông qua một trạm trung gian nào

- Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng

2.3.1 Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet

BACnet (Building Automation and Control network Protocol) là Giao thức truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà

Ngày nay, BACnet đã và đang được các nhà cung cấp thiết bị chấp nhận một cách rộng rãi như một chuẩn Quốc tế trong lĩnh vực tự đống hoá toà nhà BACnet được sáng lập bởi một hiệp hội các kỹ sư trong lĩnh vực cơ điện lạnh tại Mỹ có tên

là ASHRAE.[9]

Với tư cách là một chuẩn truyền thông mở giành cho toà nhà nó tạo ra nền chuẩn cho phép các thiết bị của các hãng khác nhau trao đổi thông tin với nhau trong toà nhà như: Cảnh báo, lịch biểu, theo dõi bằng đồ thị và báo cáo Chính vì vậy, BACnet tỏ ra rất cạnh tranh so với các chuẩn giao thức khác thể hiện ở chỗ:

- Chi phí tích hợp hệ thống thấp

- Tính năng tích hợp hệ thống cao

- Thu việc điều hành về một máy chủ

- Loại bỏ sự ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị[9]

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet

Ethernet hay còn biết đến dưới tên gọi IEEE 802.3 là một giao thức mạng chuẩn hóa việc truyền thông tin gói trong mạng cục bộ Giao thức Ethernet được xếp vào lớp thứ hai trong mô hình OSI tức tầng data link Phương thức truyền gói tin của Ethernet là Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect (CSMA/CD).[9]

chiếu sáng tòa nhà thông minh

Ở những nơi công cộng như hành lang, cầu thang, những nơi có không gian lớn hoặc những nơi không cần sự chiếu sáng thường xuyên, việc bật sáng thường xuyên sẽ gây ra tình trạng lãng phí điện, làm giảm tuổi thọ của bóng đèn Vì vậy chúng ta có thể sử dụng thiết bị cảm biến hồng ngoại để tự động điều khiển bật tắt các thiết bị Các cảm biến hồng ngoại được đặt ngay tại nơi cần chiếu sáng, trong vùng quét Khi có người đi qua cảm biến hồng ngoại sẽ nhận biết và truyền tín hiệu

về bộ điều khiển trung tâm để điều khiển bật tắt thiết bị Thời gian bật tắt được tùy biến cài đặt đảm bảo sự chiếu sáng tiện nghi Do đó việc lắp đặt hệ thống cảm biến không những đảm bảo tính tiện lợi, hiện đại mà còn nâng cao tính hiệu quả tiết kiệm điện, nhất là các tòa nhà lớn

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bo mạch điện tử ứng dụng trong Tự động hóa và xây dựng phần mềm điều khiển cho bo mạch nêu trên để điều khiển bật/ tắt đèn chiếu sáng và điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện dân dụng khác một cách tự động nhằm nâng cao đời sống tiện ích cho con người và tiết kiệm năng lượng, góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

- Rơle đóng/ ngắt nguồn điện cấp cho bóng đèn (tải)

Các modul trong hệ thống được kết nối với nhau như hình dưới đây:

Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống

3.3 Thiết kế phần cứng của hệ thống

3.3.1 Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR

AVR là họ vi diều khiển mới khá mạnh, tích hợp tính năng cao, hơn hẳn họ 89xx của hãng Atmel theo công nghệ RISC(Reduced Instruction Set Computer )

Những đặc điểm nổi trội của AVR đó là về tốc độ sử lý nhanh hơn, nhiều tính năng hơn, giao tiếp đơn giản, khả năng chống nhiễu tốt hơn

Có thể xem AVR ngang hàng với những họ vi điều khiển mới như: Pic, psoc cùng thời Tuy mỗi họ có những tính năng riêng tuỳ thuộc vào ứng dụng thực tế của chúng ta, sử dụng cho phù hợp yêu cầu

Những tính năng mạnh hơn như:

- Kiến trúc (RISC) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy cập bộ nhớ nạp - lưu dữ liệu và 32 thanh ghi đa năng

- Kiến trúc đường ống lệnh kiểu 2 tầng làm tăng tốc độ thực thi lệnh

- Có chứa nhiều bộ phận ngoại vi: giao diện SPI đồng bộ, các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được, giao tiếp I2C, bộ biến đổi ADC 10 bit, các kênh băm xung PWM, chế độ sleep, standby, 1 bộ định thời Watchdog, 3 bộ

Cảm

Keyboard

Tải LCD

- Khả năng lập đƣợc trình trong hệ thống, do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ có thể lập trình ngay trong khi đang đƣợc cấp nguồn trên mạch, không cần phải nhấc chip ra nhƣ các vi điều khiển khác

- Hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C

- Điện áp làm việc thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7->6V.[17]

3.3.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128

3.3.2.1 Sơ đồ chân

Hình 18: Sơ đồ chân

Vi điều khiển AVR Atmega128 có 64 chân Cụ thể các chân như sau:

Pin Number Description

Bảng 4: Các chân của Atmega128

3.3.2.2 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ vi điều khiển AVR có đường Bus riêng cho bộ nhớ chương trình và

bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ AVR được chia làm 2 phần chính: Bộ nhớ chương trình ( program memory ) và bộ nhớ dữ liệu ( Data memory )

Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có

dung lượng 128 K bytes Bộ nhớ chương trình có độ rộng bus là 16 bit Vi điều khiển Atmega128 bộ nhớ chương trình còn có thể được chia làm 2 phần: phần boot loader ( Boot loader program section ) và phần ứng dụng ( Application program section )

Phần ứng dụng (Application program section ) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích thước của phần boot loader và phần ứng dụng

có thể tùy chọn Hình 19 thể hiện cấu trúc bộ nhớ chương trình có sử dụng và không sử dụng boot loader, khi sử dụng phần boot loader ta thấy 4 word đầu tiên thay vì chỉ thị cho CPU chuyển tới chương trình ứng dụng của người dùng (là chương trình có nhãn start ) thì chỉ thị CPU nhảy tới phần chương trình boot loader

để thực hiện trước, rồi mới quay trở lại thực hiện chương trình ứng dụng.[2]

Hình 19:Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader

Bộ nhớ dữ liệu : Bộ nhớ dữ liệu của AVR chia làm 2 phần chính là bộ nhớ

SRAM và bộ nhớ EEPROM Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại tách biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng

+ Bộ nhớ SRAM có dung lượng 4 K bytes, Bộ nhớ SRAM có hai chế độ hoạt động là chế độ thông thường và chế độ tương thích với Atmega103, muốn thiết lập bộ nhớ SRAM hoạt động theo chế độ nào ta sử dụng bit cầu chì M103C

Bộ nhớ SRAM ở chế độ bình thường: Ở chế độ bình thường bộ nhớ SRAM được chia thành 5 phần: Phần đầu là 32 thanh ghi chức năng chung (General Purpose Register ) R0 đến R31 có địa chỉ từ $0000 tới $001F Phần thứ 2 là không gian nhớ vào ra với 64 thanh ghi vào ra ( I/O Register ) có địa chỉ từ $0020 tới

$005F Phần thứ 3 dùng cho vùng nhớ dành cho các thanh ghi vào ra mở rộng ( Extended I/O Registers ) có địa chỉ từ $0060 tới $00FF Phần thứ 4 là vùng SRAM nội với 4096 byte có địa chỉ từ $0100 tới $10FF Phần thứ 5 là vùng nhớ SRAM ngoài ( External SRAM ) bắt đầu từ địa chỉ $1100, vùng SRAM mở rộng này có thể mở rộng lên đến 64 K byte Khi nói bộ nhớ SRAM có dung lượng 4 K byte là nói tới phần thứ 4 ( SRAM nội ) Nếu tính cả các thanh ghi thì bộ nhớ SRAM trong chế độ bình thường sẽ là 4.25 K byte = 4352 byte

64 thanh ghi vào ra trong vùng nhớ vào ra ( phần số 2 ) có 2 kiểu chọn địa chỉ : Nếu xem chúng là vùng nhớ vào ra thì địa chỉ sẽ là $00 - $3F, khi sử dụng các lệnh in, out … ta phải sử dụng địa chỉ này Nếu xem chúng như là một phần của bộ nhớ SRAM thì sẽ có địa chỉ là $0020 - $005F, khi ta dùng các lệnh như LD, ST…

ta phải sử dụng kiểu địa chỉ này

Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ

Tiệp ghanh ghi ( register file ): Tiệp 32 thanh ghi đa chức năng ( $0000 -

$001F ) đã được nói ở trên, ngoài chức năng là các thanh ghi đa chức năng, thì các thanh ghi từ R26 tới R31 từng đôi một tạo thành các thanh ghi 16 bit X, Y, Z được dùng làm con trỏ trỏ tới bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu ( Hình ) Thanh ghi con trỏ X, Y có thể dùng làm con trỏ trỏ tới bộ nhớ dữ liệu, còn thanh ghi Z có thể dùng làm con trỏ trỏ tới bộ nhớ chương trình Các trình biên dịch C thường dùng các thanh ghi con trỏ này để quản lí Data stack của chương trình C.[17]

Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31