Giao tiếp với GSM

Hiện nay điện thoại di động đang có những bước tiến vượt bậc về công nghệ, ngày càng phổ biến rộng rãi trong đời sống con người, do nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng đồng thời cá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG THẾ LONG

GIAO TIẾP VỚI GSM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG THẾ LONG

GIAO TIẾP VỚI GSM

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Diên Tập

Hà Nội – 2010

LỜI NÓI ĐẦU

để nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Công nghệ thông tin đóng vai trò cốt lõi trong việc nắm bắt, cập nhật thông tin của nhân loại Hiện nay điện thoại di động đang có những bước tiến vượt bậc về công nghệ, ngày càng phổ biến rộng rãi trong đời sống con người, do nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng đồng thời các thiết bị điện thoại ngày càng phổ biến rộng rãi, trong đó việc sử dụng mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phương thức rất tiện lợi, tiết kiệm nhiều thời gian cho công việc

Một vấn đề đặt ra là chúng ta cần phát triển những ứng dụng liên lạc vào nhu cầu thực tiễn của con người, điều khiển tự động dựa trên hệ thống thông tin sẵn có, mang lại nhiều lợi ích cao cho người sử dụng Ví dụ như giám sát trạng thái, điều khiển thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại, tự động cảnh báo qua mạng điện thoại cố định và di động Dựa trên những kiến thức đã được học

và tham khảo qua sách vở, mạng internet em quyết định chọn đề tài:

"Giao tiếp với GSM "

Do kiến thức còn chưa sâu, ít kinh nghiệm và thời gian có hạn, nên trong bài luận văn này không tránh khỏi thiếu sót, mong quý Thầy, Cô và các bạn đóng góp ý kiến để bài luận văn được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô giáo và các bạn đã quan tâm, ủng hộ, giúp đỡ em để từng bước em hoàn thành đề tài này

Đặc biệt em chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Ngô Diên Tập đã chỉ dẫn cho em

rất nhiều về mặt kiến thức, kỹ thuật, đồng thời đưa ra nhiều định hướng, ý tưởng giúp em hoàn thành luận văn này!

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Hoàng Thế Long

LỜI CAM ĐOAN

Bài Luận văn này do em nghiên cứu, thực hiện dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Ngô Diên Tập Để hoàn thành luận văn này, em chỉ sử dụng những tài

liệu liệt kê trong phần tài liệu tham khảo Em cam đoan không sao chép bất kỳ công trình, thiết kế tốt nghiệp nào khác

Em xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 6

PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 7

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH CỦA MÔĐEM GSM VÀ CÁCH GIAO TIẾP VỚI MÔĐUN SIM300CZ 9

2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM 9

2.2 Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động 9

2.3 Lịch sử hình thành GSM 11

2.4 Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào 11

2.5 Giao diện vô tuyến 12

2.6 Kiến trúc mạng GSM 13

2.7 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service 19

2.8 Giới thiệu về Môđem GSM 24

2.9 Tổng quan về môđun SIM300CZ 25

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA128 29

3.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMega128 29

3.2 Cấu trúc bộ nhớ và giao tiếp USART 32

3.2.1 Cấu trúc bộ nhớ 32

3.2.2 Giao tiếp USART 35

CHƯƠNG IV: TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM PHẦN CỨNG 41

4.1 Khối chỉnh lưu nguồn 43

4.2 Khối vi điều khiển 45

4.3 Khối hiển thị LCD 47

4.4 Khối giao tiếp máy tính qua USB và RS-232 49

4.5 Khối role đóng ngắt thiết bị 51

4.6 Môđun thu phát GSM 52

4.7 Chương trình vi điều khiển 54

4.8 Một số hình ảnh hoạt động thực tế của hệ thống 55

Kết luận 58

Tài liệu tham khảo 59

Phụ lục 01 60

Phụ lục 02 65

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Kiến trúc mạng GSM 14

Hình 2.2 Trạm di động MS 14

Hình 2.3 Các phân hệ của mạng GSM 16

Hình 2.4 Phân hệ trạm gốc BSS 166

Hình 2.5 Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ TRAU 177

Hình 2.6 Hệ chuyển mạch NSS 17

Hình 2.7 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS 20

Hình 2.8 Cấp phát địa chỉ IP tĩnh trong GPRS 22

Hình 2.9 Cấp phát địa chỉ IP động trong GPRS 22

Hình 2.10 Môđun SIM300CZ 26

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch SIM300CZ 28

Hình 3.1 Vi điều khiển ATMEGA128 29

Hình 3.2 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMega128 30

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển ATMega128 331

Hình 3.4 Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng Boot loader 33

Hình 3.5 Bản đồ bộ nhớ dữ liệu 34

Hình 3.6 Thanh ghi dữ liệu UDR0 36

Hình 3.7 Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRA0 36

Hình 3.8 Thanh ghi điều khiển hoạt động USART0 37

Hình 3.9 Thanh ghi UCSRC 38

Hình 3.10 Cấu trúc hai thanh ghi UBRRL và UBRRH 39

Hình 4.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống giám sát, điều khiển 41

Hình 4.2 Hình ảnh mạch phần cứng 42

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 43

Hình 4.4 Mạch phần cứng khối nguồn 43

Hình 4.5 ATMEGA128 45

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý ATMEGA128 46

Hình 4.7 Mạch phần cứng ATMEGA128 46

Hình 4.8 LCD16x2 47

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp ATMEGA128 với LCD 47

Hình 4.10 Mạch nguyên lý USB 49

Hình 4.11 Mạch phần cứng USB 50

Hình 4.12 Mạch nguyên lý RS-232 50

Hình 4.13 Mạch phần cứng RS-232 51

Hình 4.14 Phần cứng rơle 51

Hình 4.15 Mạch phần cứng SIM300CZ 52

Hình 4.16 Giao tiếp giữa SIM300CZ với ATMEGA128 53

Hình 4.17 Bàn phím, mic, tai nghe môđun SIM300CZ 53

Hình 4.18 Sơ đồ giải thuật hệ thống giám sát, điều khiển thiết bị điện từ xa…………55

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

THUẬT

High Speed Downlink Packet

Access, High Speed Uplink Packet

Access

Gói đường truyền tốc độ cao

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã trên băng rộng

PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Trong thời đại hiện nay, hệ thống thông tin liên lạc là một trong những vấn

đề quan trọng của xã hội, đặc biệt là những ứng dụng của nó trong các lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật Con người ngoài nhu cầu liên lạc của mình, còn có nhiều nhu cầu khác như: tự động trả lời điện thoại khi chủ vắng nhà, giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng điện thoại

Hệ thống điều khiển từ xa nắm giữ một vai trò quan trọng trong cuộc sống

xã hội ngày nay Điều khiển từ xa rất đa dạng và phong phú, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quân và dân sự

Việc sử dụng mạng điện thoại để truyền tín hiệu điều khiển là phương thức khá thuận tiện và tiết kiệm nhiều thời gian cho công việc, đồng thời tiết kiệm được nhiều chi phí

Ngoài ra, ứng dụng của hệ thống điều khiển từ xa qua mạng điện thoại giúp con người tránh được những nguy hiểm trong điều kiện môi trường làm việc khó khăn và nguy hiểm

Mạch giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị điện từ xa thông qua mạng điện thoại giúp ta giám sát trạng thái, điều khiển các thiết bị gia dụng khi không

có ai ở nhà (có thể ở nhà) hoặc ở những môi trường làm việc nguy hiểm mà con người khó thể qua lại hoặc trong một dây chuyền sản xuất để thay thế con người Giả sử khi trong nhà không có người, nếu muốn giám sát, điều khiển các thiết bị điện, ta gửi tin nhắn theo cấu trúc mã lệnh đã lập trình vào Modem GSM ở nhà, Modem GSM sẽ thực thi câu lệnh đó và gửi trả lại phản hồi cho ta biết kết quả Nhằm thử nghiệm khả năng giao tiếp với Modem GSM để giám sát trạng thái và điều khiển các thiết bị điện từ xa qua hệ thống mạng GSM, đồ án này đi vào thiết kế một mạch giao tiếp với Modem GSM để giám sát trạng thái và điều khiển từ xa các thiết bị điện trong gia đình

-

PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Sự phát triển của hệ thống thông tin di động [9]

Đầu năm 1960 dịch vụ điện thoại di động mới xuất hiện ở các dạng sử dụng được và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận Các hệ thống điện thoại di động đầu tiên này ít tiện lợi và dung lượng rất thấp so với các hệ thống hiện nay cuối cùng các hệ thống điện thoại tổ ong điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) đã xuất hiện vào những năm 1980 Cuối năm 1980 người ta nhận thấy rằng các hệ thống tổ ong tương tự không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng vào thế kỷ sau nếu như không loại bỏ được các hạn chế cố hữu của các hệ thống này như:

1 Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng thấp

2 Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường pha đinh đa tia

3 Không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn đối với khách hàng

4 Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

5 Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

6 Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt là ở Châu Âu, làm cho thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở nước khác Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng

kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với các kỹ thuật đa truy nhập mới Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) đầu tiên trên thế giới được ra đời ở Châu Âu và có tên gọi là GSM GSM được phát triển từ năm 1982 khi các nước Bắc Âu gửi đề nghị đến CEPT để quy định một dịch vụ viễn thông chung châu Âu ở băng tần 900 MHz Năm 1985 hệ thống số được quyết định Tháng 5 năm 1986 giải pháp TDMA băng hẹp đã được lựa chọn Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động số GSM được đưa vào từ năm 1993

Ở Mỹ khi hệ thống AMPS tương tự sử dụng phương thức FDMA được triển khai vào giữa những năm 1980, các vấn đề dung lượng đã phát sinh ở các thị trường di động chính như: New York, Los Angeles và Chicago Mỹ đã có chiến lược nâng cấp hệ thống này thành hệ thống số: Chuyển tới hệ thống

TDMA được ký hiệu là IS - 54 Không giống như IS - 54, GSM đã đạt được các thành công ở Mỹ

Các nhà nghiên cứu ở Mỹ tìm ra hệ thống thông tin di động số mới là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Công nghệ này sử dụng kỹ thuật trải phổ trước đó đã có các ứng dụng chủ yếu trong quân sự Được thành lập vào năm 1985, Qualcom đã phát phiển công nghệ CDMA cho thông tin di động và

đã nhận được nhiều bằng phát minh trong lĩnh vực này Đến nay công nghệ này

đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ, Qualcom đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là IS - 95A

Chúng ta đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, đặc biệt là thông tin di động và truyền thông không dây Kỹ thuật đa truy nhập đang bùng nổ Số lượng người sử dụng mạng di động tăng vọt Nhu cầu dịch vụ ngày càng đa dạng, đặc biệt là các dịch vụ số liệu, kết nối Internet và multimedia Hệ thống thông tin đi động tế bào đầu tiên được triển khai vào năm

1971 dùng kỹ thuật điều chế tương tự FM ở dải tần 850 MHz Tương ứng là hệ thống AMPS của Mỹ ra đời vào năm 1983 Đến đầu những năm 90, thế hệ đầu tiên của thông tin di động tế bào đã bao gồm hàng loạt hệ thống ở nhiều nước khác nhau: TACS, NMT, NAMPS… Tuy nhiên các hệ thống này đều không thỏa mãn được nhu cầu ngày càng tăng, trước hết là nhu cầu về dung lượng Mặt khác, việc tồn tại nhiều tiêu chuẩn không tương thích với nhau làm cho liên lạc giữa các mạng cực kỳ khó khăn Những hạn chế trên đã được đặt ra cho mạng

di động tế bào thế hệ thứ hai phải giải quyết

Mạng di động thế hệ thứ hai ra đời, sử dụng kỹ thuật số thay vì kỹ thuật tương tự như trong thế hệ thứ nhất Việc sử dụng công nghệ số giúp cho mạng thế hệ thứ hai bảo đảm chất lượng cao trong một môi trường nhiễu mạnh, có dung lượng lớn hơn, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn, có nhiều dịch vụ hơn … Mạng thế hệ thứ hai được phát triển mạnh mẽ, trong đó nổi tiếng nhất và được

sử dụng nhiều nhất là mạng GSM với khoảng 600 triệu thuê bao trên toàn thế giới Hiện tại GSM vẫn đang là tiêu chuẩn được ứng dụng rộng khắp… Nhưng trong khi nhu cầu của người sử dụng ngày càng cao, thì hệ thống GSM vẫn còn nhiều hạn chế Không hỗ trợ dịch vụ số liệu tốc độ cao, không thể ứng dụng multimedia, dung lượng của mạng vẫn còn thấp

-

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TÍNH CỦA MÔĐEM GSM

VÀ CÁCH GIAO TIẾP VỚI MÔĐUN SIM300CZ 2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM

GSM - Global System for Mobile Communications: Hệ thống thông tin di động toàn cầu, là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động

Hệ thống thông tin di động toàn cầu là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thông tin di động trên thế giới hiện nay Theo tổ chức sáng lập là hiệp hội GSM ước đoán rằng, 80% thị trường di động toàn cầu đang sử dụng công nghệ này, với hơn 3 tỷ người trên hơn 212 quốc gia Sự phổ biến này giúp cho việc chuyển vùng quốc tế giữa các nhà cung cấp dịch vụ di động trở nên dễ dàng, các thuê bao có thể sử dụng dịch vụ di động ở nhiều nơi trên thế giới

Ngoài cung cấp dịch vụ cuộc gọi thoại, GSM cũng mở rộng các dịch vụ tiện lợi khác cho người sử dụng như tin nhắn ngắn SMS, được hỗ trợ tốt bởi hầu hết các chuẩn di động khác Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, như General Packet Radio Service – GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 1999), mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú

- TACS: Total Access Communication System triển khai tại Anh năm 1985

- AMPS: Advanced Mobile Phone System triển khai tại Bắc Mỹ vào năm

1978, sử dụng băng tần 800MHz

* Thế hệ thứ hai – 2G

Là các hệ thống thông tin di động số tế bào

Các đặc điểm:

- Dung lượng truyền tải tăng

- Chất lượng thoại tốt hơn

- Hỗ trợ một số dịch vụ số liệu đơn giản

Phương thức truy cập: TDMA, CDMA

Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch kênh

Hỗ trợ các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao và dịch vụ truy cập internet:

- Di chuyển trên các phương tiện: 144kbps (ô tế bào marco)

- Đi bộ, di chuyển chậm: 384kbps (ô tế bào mico)

- Văn phòng: 2Mbps (ô tế bào pico)

Hai hướng triển khai cho mạng 3G:

- W-CDMA (UTMS): Phát triển từ nền GSM/GPRS

- CDMA 2000 1xEVDO: Phát triển từ nền CDMA One (IS-95)

* Thế hệ thứ 4 – 4G

Các đặc điểm:

- Tốc độ cao (n*10Mbps)

- Tăng cường khả năng tích hợp theo các phương diện: thiết bị đầu cuối, ứng dụng, và hạ tầng mạng trên nền giao thức IP

- Xu hướng kết hợp mạng lõi IP và mạng truy nhập di đông 3G, truy nhập vô tuyến Wimax & Wi-fi

2.3 Lịch sử hình thành GSM [10]

Năm 1982, Hội nghị các nhà lãnh đạo châu Âu về bưu chính và viễn thông (CEPT), đã thành lập nhóm mang tên Group Special Mobile (GSM) để phát triển một tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động có thể sử dụng trên toàn châu Âu Năm 1987, một hiệp ước ghi nhớ đã được ký bởi 13 quốc gia để phát triển một hệ thống thông tin di động chung ở châu Âu Cuối cùng, hệ thống được thiết kế bởi SINTEF – một tổ chức nghiên cứu độc lập hàng đầu tại Na-uy,

do Torleiv Maseng điều hành đã được lựa chọn

Năm 1989, GSM được chuyển giao cho Viện tiêu chuẩn viễn thông châu

Âu (European Telecommunications Standards Institute – ETSI), và giai đoạn 1 của các chỉ tiêu kỹ thuật GSM được công bố năm 1990 Một năm sau đó, mạng thông tin di động GSM đầu tiên trên thế giới được triển khai tại Phần Lan bởi nhà cung cấp dịch vụ di động Radiolinja, với sự liên kết về kỹ thuật hạ tầng với tập đoàn Ericsson Đến cuối năm 1993, trên một triệu thuê bao sử dụng mạng điện thoại di động GSM, với khoảng 70 nhà cung cấp dịch vụ của 48 quốc gia trên toàn thế giới Hiện nay GSM đang được quản lý và phát triển bởi Dự án đối

2.4 Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào [9]

Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM là một mạng tế bào, điều đó có nghĩa là các trạm di động (Mobile Station – MS) kết nối tới mạng bằng cách tìm kiếm các trạm thu phát gốc (Base Transceiver Station – BTS) tương ứng trong ô

tế bào (cell) gần nhất

Có 5 kích thước ô tế bào khác nhau trong mạng GSM: macro, micro, pico, femto, và umbrella Phạm vi bao phủ của mỗi loại ô khác nhau, tùy theo môi trường triển khai ứng dụng Các ô macro là các ô tế bào nơi ăng-ten của trạm thu phát gốc được đặt trên các cột hay nóc tòa nhà cao tầng, cao hơn độ cao trung bình của mái nhà Các ô micro là các ô tế bào tại nơi ăng-ten được đặt thấp hơn

độ cao trung bình của mái nhà, thường được sử dụng trong đô thị Các ô Pico là các ô tế bào có đường kính bao phủ khoảng vài chục mét, thường được sử dụng trong nhà Các ô Femto là các ô tế bào được thiết kế sử dụng cho nhà riêng hay phạm vi kinh doanh nhỏ, kết nối với mạng di động của nhà cung cấp qua kết nối

internet băng thông rộng Các ô umbrella là các ô tế bào sử dụng để bao phủ các vùng bóng, che khuất của các ô tế bào nhỏ hơn và lấp đầy các lỗ trống của các ô này

Bán kính ngang của các ô tế bào phụ thuộc vào chiều cao ăng-ten, độ khuếch đại của ăng-ten và điều kiện lan truyền sóng, từ 1 vài trăm mét cho tới vài chục kilomet Khoảng cách tối đa mà chuẩn GSM hỗ trợ là 35km

2.5 Giao diện vô tuyến [9]

Mạng lưới GSM hoạt động trên một số các dải tần số khác nhau Hầu hết các mạng GSM thế hệ thứ 2 (2G) hoạt động trên dải tần 900MHz và 1800MHz Một số nước ở châu Mỹ bao gồm Canada và Hoa Kỳ sử dụng bằng tần 850MHz

và 1900MHz vì cả hai bằng tần 900MHz và 1800MHz đã được sử dụng Hầu hết các mạng GSM thế hệ thứ 3 (3G) triển khai tại châu Âu hoạt động trên băng tần 2100MHz Ngoài ra, một số quốc gia sử dụng một số băng tần ít sử dụng 400MHz và 450MHz khi mà các băng tần trên đã được cấp cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G

tần

Uplink (MHz)

Băng tần GSM-900 sử dụng dải tần số từ 890MHz – 915MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 935MHz – 960MHz cho hướng truyền từ BTS tới MS (downlink), chia thành 124 kênh tần số (đánh số từ 1-124), mỗi kênh cách nhau một khoảng 200KHz Ở một số nơi, GSM-900 được mở rộng để

có thể sử dụng băng tần số lớn hơn Gọi là E-GSM, sử dụng dải tần số 880 – 915MHz (uplink) và 925 – 960MHz (downlink), cho phép tăng thêm 50 kênh (từ kênh số 975 – 1023 và 0) so với GSM-900

Băng tần GSM-1800 sử dụng dải tần 1710MHz – 1785MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 1805MHz – 1880MHz để truyền thông tin

từ BTS tới MS (downlink), chia thành 374 kênh (đánh số từ 512 tới tới 885) Băng tần GSM-850 và GSM-1900 được sử dụng tại Mỹ, Canada, Úc, và các nước châu Mỹ khác GSM-850 sử dụng dải tần từ 824MHz – 849MHz để truyền thông tin từ MS tới BTS (uplink) và 869MHz – 894MHz cho chiều ngược lại (uplink) Có tổng cộng 124 kênh đánh số từ 128 tới 251

GSM-1900 sử dụng dải tần 1850MHz – 1910MHz cho hướng uplink và 1930MHz – 1990MHz cho hướng downlink, chia thành 299 kênh, đánh số từ

Mạng GSM khá lớn và phức tạp để đáp ứng đầy đủ các dịch vụ cho khách hàng, và được chia thành các phần như sau:

- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Switching SubSystem

- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

- Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem

 Trạm di động MS - Mobile Station

Hình 2.2: Trạm di động MS

Trạm di động MS = ME + SIM

Thiết bị di động Bao gồm phần cứng và phần mềm Mỗi thiết bị di động được gắn liền với một số nhận dạng thiết bị di động (IMEI - International Mobile Equipment Identity) duy nhất do nhà sản xuất đăng ký

IMEI

Môđun nhận dạng thuê bao Lưu giữ các thông tin nhận thực thuê bao, mật

mã hóa và giải mật mã hóa Các thông tin lưu trong SIM gồm có:

Số nhận dạng IMSI: International Mobile Subscriber Identity – Số nhận dạng MS bởi hệ thống, phục vụ báo hiệu và điều khiển

MSISDN

Số nhận dạng IMSI và MSISDN của một số nhà cung cấp dịch vụ mạng di động tại Việt Nam:

Số nhận dạng TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity – Số nhận dạng thuê bao tạm thời, có cấu trúc tối đa là 32 bit TMSI đƣợc bộ ghi định vị VLR cấp phát cho MS, cho phép nhận dạng duy nhất 1 MS trong vùng điều khiển của một VLR

BTS kết nối với NSS thông qua luồng cơ sở PCM 2Mbps

BSC - Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc

- Điều khiển một số trạm BTS, xử lý các tin báo hiệu, vận hành và bảo dƣỡng đi/ đến BTS

- Khởi tạo kết nối

- Điều khiển chuyển giao

TRAU +

BSC + BTS BSS

=

TRAU: Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ

BTS: Trạm thu phát gốc

- Thu phát vô tuyến

- Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý

- Mã hóa/ Giải mã hóa

- Mật mã hóa/ Giải mật mã hóa

- Điều chế/ Giải điều chế

thoại: 64Kbps

Tốc độ 1 kênh

Bộ định vị thường trú (HLR): là cơ sở dữ liệu tham chiếu, lưu giữ thông tin các thuê bao lâu dài

- Trạng thái của MS (bận/ rỗi)

của các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận thực: RAND, Kc, SRES khi HLR yêu cầu để tiến hành nhận thực thuê bao

Khối nhận dạng thiết bị (EIR): là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết

bị di động ME qua số IMEI Có 3 phân loại thiết bị dựa trên số IMEI:

- Danh sách trắng: ME đủ điều kiện

Trung tâm bảo dưỡng OMC có các thiết bị đầu cuối vận hành và bảo dưỡng OMT (Operation and Maintenance Terminal) cho phép thao tác các lệnh can thiệp tới hệ thống và các OMT này kết nối thông qua mạng cục bộ LAN Chức năng OMC:

Phân loại OMC:

- OMC-S (Switching): quản lý phân hệ NSS

- OMC-R (radio): quản lý phân hệ BSS

 Các chức năng của mạng GSM

Một mạng thông tin di động GSM thực hiện 5 chức năng:

- Truyền dẫn (dữ liệu và báo hiệu, MS, BTS, BSC)

- Quản lý truyền thôn /kết nối (CM)

- Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến (RRM)

- Quản lý sự lưu động (MM)

- Bảo trì, quản trị và vận hành (OAM)

2.7 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service [9]

* Sơ lược

GPRS là dịch vụ dữ liệu di động, sử dụng phương thức chuyển mạch gói được phát triển trên nền hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, cho phép các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu trong mạng GPRS là một bước để phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)

- Tốc độ: GPRS sử dụng phương thức chuyển mạch gói Tốc độ kết nối cao hơn, có thể đạt tới khoảng 56-118kbps, so với mạng GSM truyền thống chỉ là 9,6kbps Bằng việc kết hợp các khe thời gian chuẩn GSM, tốc độ theo lý thuyết

có thể đạt tới 171,2kbps Tuy nhiên, tốc độ 20-50kbps là khả thi hơn trong thực

có thể được thực hiện trên các thiết bị di động hay chuyển tới máy PC

- Chi phí đầu tư và vận hành: các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động không cần phải bắt đầu từ vạch xuất phát để có thể triển khai GPRS GPRS được nâng cấp từ mạng GSM đã có

- Cước phí dịch vụ truyền tải dữ liệu bằng GPRS thường được tính trên lưu lượng truyền tải, trong khi đó phương pháp truyền thống sử dụng chuyển mạch

kênh được tính dựa trên thời gian kết nối, không phụ thuộc vào việc người sử dụng đang truyền tải dữ liệu hay ở trạng thái nghỉ

* Kiến trúc hệ thống GPRS chung

ư Hình 2.7: Kiến trúc chung của hệ thống GPRS

GPRS không phải là một mạng hoàn toàn tách biệt với GSM Nhiều thiết

bị như trạm thu phát gốc (BTS), bộ điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) vẫn được sử dụng Việc triển khai dịch vụ GPRS thường là nâng cấp về phần mềm, phần cứng hoặc cả hai Việc nâng cấp phần mềm hầu như có thể được thực hiện

từ xa

Có hay bộ phận chức năng quan trọng trong hoạt động của GPRS: Serving GPRS Support Node – SGSN và Gateway GPRS Support Node – GGSN Hai thành phần này là những thay đổi lớn nhất và hoàn toàn mới so với mạng GSM Dịch vụ dữ liệu GPRS hoạt động song song với dịch vụ thoại trên GSM Trong mạng GSM thường có nhiều trạm điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) Khi triển khai dịch vụ GPRS, tại các trạm BSC được bổ sung các bộ đơn vị điều khiển gói tin PCU – Packet Control Unit Bộ phận này sẽ phân biệt dữ liệu của mạng GSM chuẩn (hay chuyển mạch kênh) và dữ liệu của dịch vụ GPRS (hay chuyển mạch gói) Trong vài trường hợp, PCU có thể là các bộ phận riêng biệt

a) SGSN

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) đảm nhận các tác nhiệm quan trọng, bao gồm định tuyến (routing), chuyển giao và cấp phát địa chỉ IP

SGSN có một kết nối logic tới các thiết bị GPRS Khi thiết bị đang sử dụng dịch vụ GPRS di chuyển, từ ô tế bào này sang ô tế bào khác, SGSN có nhiệm vụ đảm bảo kết nối của thiết bị di động tới mạng không bị ngắt Khi thiết bị di chuyển vào một vùng mạng được điều khiển bởi một SGSN khác, nó sẽ thực hiện chuyển giao cho SGSN mới Quá trình này được thực hiện rất nhanh Bất

kỳ gói dữ liệu nào bị mất trong quá trình chuyển giao này cũng sẽ được truyền lại

SGSN chuyển đổi dữ liệu di động thành IP và được kết nối với GGSN qua giao thức đường hầm (tunneling protocol)

IP, hay bên ngoài mạng GPRS

c) Kết nối giữa SGSN và GGSN

Kết nối giữa hai nút hỗ trợ GPRS sử dụng giao thức gọi là GPRS Tunneling Protocol (GTP) GTP nằm trên TCP/IP và có trách nhiệm thu thập các thông tin tính cước và dàn xếp Trong thực tế hai khối GSN có thể nằm cùng trong một khối đơn

d) HLR – Home Location Register

Bộ đăng ký vị trí trung tâm (HLR) là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin thuê bao, khi một thiết bị di động kết nối tới mạng sử dụng số nhận dạng MSISDN, trạng thái của thuê bao, hay đôi khi là địa chỉ IP

b) Liên lạc giữa SGSN và GGSN

Một thiết bị di động được lập trình với một hay nhiều tên điểm truy cập – Access Point Name (APN) Một APN có chứa một tên máy chủ tên miền DNS Khi thiết bị di động muốn truy cập một địa chỉ web, SGSN tìm kiếm máy chủ tên miền DNS và phân giải tên tới đúng GGSN tương ứng

Các thiết bị này chỉ cho phép thực hiện 1 trong 2 kết nối thoại hoặc dữ liệu

Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS

a) Kiến trúc mạng:

Các mạng lưới cần được nâng cấp trong GPRS, trong đó có các nút hỗ trợ GSN GPRS đã đáp ứng sự trông đợi của người sử dụng về hiệu suất mạng

b) Giao điện vô tuyến

Các mô hình mã hóa trong GPRS

ETSI đã cho ra đời 3 sơ đồ mã hóa mới cho giao diện vô tuyến Khi thiết bị GPRS liên lạc với trạm thu phát gốc, chúng có thể sử dụng 1 trong 4 sơ đồ Các

sơ đồ CS-1 tới CS-3 trong đó CS-1 giống như chuẩn GSM Một cách đơn giản, CS-1 có độ dư thừa lớn, trong khi CS-2 và CS-3 có ít dư thừa hơn Trong khi CS-4 có ít dư thừa nhất, gỡ bỏ tất các điều khiển lỗi, trong khi đạt khả năng truyền tải lớn nhất Nếu chất lượng sóng vô tuyến thấp, CS-1 được sử dụng, với các điều khiển lỗi giúp tăng chất lượng dịch vụ

c) Các lớp dịch vụ GPRS

Các thiết bị di động có thể yêu cầu các loại truyền tải khác nhau được ưu tiên, trong nỗ lực mang đến cho người sử dụng mức độ kết nối mong muốn Có 4 lớp truyền tải khác nhau:

- Lớp ưu tiên: một ứng dụng có thể được gán cho một lớp ưu tiên 1, 2 hay

3 Nếu một ứng dụng có độ ưu tiên cao hơn (1) các ứng dụng khác (3) thì quá trình truyền tải của nó sẽ có thứ tự ưu tiên cao hơn

- Lớp trễ: các ứng dụng có thể yêu cầu các lớp trễ, đảm bảo độ trễ trung bình 95% Có 4 lớp, lớp 1 là nhanh nhất

- Lớp tin cậy: các ứng dụng có thể yêu cầu các mức khác nhau của độ tin cậy cho dữ liệu của nó, phụ thuộc vào mức độ mất mát dữ liệu

- Lớp dung lượng: các ứng dụng có thể chọn các cấu hình khác nhau cho lưu lượng Có hai lớp: đỉnh và trung bình Lớp lưu lượng đỉnh được sử dụng chủ yếu cho các truyền dẫn tức thời với số lượng octet biến đổi trong một giây Lớp trung bình là tốc độ truyền dẫn trung bình trong một khoảng thời gian, tính bằng

số octet trong một giờ

Ngoài ra, các nhân tố khác cũng có thể ảnh hưởng tới QoS, như chất lượng sóng vô tuyến, nghẽn mạng internet, LAN/ WAN, lỗi trong mạng GSM/ GPRS, vv…

* Các dịch vụ hỗ trợ

Dịch vụ GPRS trên nền GSM cung cấp các dịch vụ mới:

- Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS – Multimedia messaging service)

- Dịch vụ đàm thoại Push to Talk (PTT)

- Các ứng dụng internet trên thiết bị thông minh, qua giao thức ứng dụng không giây (WAP – Wireless Application Protocol)

- Dịch vụ Point to Point (PTP): liên mạng với mạng internet (giao thức IP) GPRS cho phép tăng hiệu quả sử dụng đường truyền và tốc độ truyền dữ liệu Khi sử dụng dịch vụ nhắn tin ngắn SMS bằng GPRS có thể đạt được tốc độ truyền tin 30 bản tin/ phút, trong khi với dịch vụ SMS truyền thống trên GSM, tốc độ chỉ đạt được từ 6-10 bản tin/ phút

2.8 Những nét cơ bản về môđem GSM

Môđem GSM là một loại môđem đặc biệt, nó giống như một chiếc điện thoại di động có thể nhận thẻ SIM và hoạt động như một thuê bao di động Theo quan điểm của hệ điều hành di động, Môđem GSM cũng giống như một điện thoại di động

Một Môđem GSM có thể là một thiết bị Môđem chuyên dụng với cổng giao tiếp USB hoặc kết nối Bluetooth, hay nó có thể là một điện thoại di động

Thuật ngữ Môđem GSM được sử dụng như một thuật ngữ chung để chỉ bất

kỳ Môđem nào hỗ trợ một hoặc nhiều các giao thức trong sự tiến triển của hệ thống GSM, bao gồm công nghệ 2.5G: GPRS và EDGE, cũng như công nghệ 3G: WCDMA, UMTS, HSDPA và HSUPA

Môđem GSM cho phép các ứng dụng như gửi và nhận tin nhắn Nhà điều hành tính giá cước trực tiếp trên điện thoại di động cho các tin nhắn gửi và nhận

Để thực hiện các nhiệm vụ này, một Môđem GSM phải hỗ trợ “lệnh AT mở rộng” cho việc gửi/ nhận tin nhắn SMS

Môđem GSM có thể là một phương thức nhanh chóng và hiệu quả để bắt đầu với tin nhắn SMS, vì một thuê bao đặc biệt tới nhà cung cấp dịch vụ SMS là không cần thiết Nhà điều hành tính giá cước trực tiếp trên điện thoại di động cho các tin nhắn gửi và nhận Hầu hết trên thế giới, GSM Môđem là một giải pháp chi phí hiệu quả để gửi và nhận tin nhắn SMS

Trước đây Môđem GSM từ các hãng sản xuất như: Multitech, Falcom, Siemens (nay là Cinterion), iTegno và Wavecom được chế tạo ra tốt, thì trên thị trường hiện có rất nhiều Môđem GSM/3G USB với chi phí thấp và trong nhiều trường hợp nó nhanh hơn đáng kể so với Môđem GSM cũ

Một Môđem GSM cũng có thể là một chiếc điện thoại di động tiêu chuẩn với cáp nối và trình điều khiển phần mềm để kết nối tới cổng nối tiếp hoặc cổng USB trên máy tính

Do một số vấn đề tương thích có thể tồn tại với điện thoại di động, việc sử dụng một Môđem GSM chuyên dụng thường được ưu tiên dành riêng cho điện thoại di động GSM

Trong khi việc sử dụng điện thoại như một thiết bị Môđem có thể là một phương thức tốt để gửi và nhận tin nhắn thì giải pháp tốt nhất là sử dụng một thiết bị Môđem GSM chuyên dụng, chẳng hạn như Môđem GSM/ USB 3G mà chúng ta đã đề cập ở trên

2.9 Tổng quan về môđun SIM300CZ [5]

Môđun SIM300CZ được thiết kế với mục đích thương mại, làm việc trên 2 dải băng tần EGSM 900MHz và DCS 19800MHz

Với kích thước nhỏ gọn 50mm x 33mm x 8.8mm, SIM300CZ có thể được

sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng ví dụ như: M2M, điện thoại thông minh, điện thoại PDA, thiết bị định vị cầm tay và các thiết bị di động khác hoặc các ứng dụng cho xe hơi, cho server… với mạch sạc tích hợp sẵn bên trong rất phù hợp cho ứng dụng dùng pin

- Điều khiển tập lệnh AT thông qua cổng giao tiếp truyền thông nối tiếp

- Giao tiếp với SIM card holder

- Nguồn tiết kiệm: dòng tiêu thụ trong chế độ SLEEP cỡ 2,5mA

- Pin sạc: Hỗ trợ sạc PIN Li-Ion

- Dải tần sử dụng: EGSM 900/ DCS 1800 and PCS 1900 MHz SIM300CZ

có thể tự động tìm các băng tần trên Các băng tần có thể đƣợc thiết lập bằng tập lệnh AT

- Dữ liệu GPRS:

Protocol) thường được sử dụng cho kết nối PPP

- SMS:

- FAX: Group 3 class 1

- Giao tiếp SIM: hỗ trợ SIM card: 1,8V; 3V

- Audio: Chế độ Speech codec

SIMCARD

1 3

4 6

USIM_VDD USIM_CLK

GND VPP USIM_DATA

C15 CAP NP

C16 104

VBAT STATUS

U8 SIM300CZ

39 40

41 42

43 44

45 46

56 57

58 59

DTR DISP_CLK

RXD DISP_DATA

TXD DISP_D/C

RTS DISP_RST

MIC2P SPK2N

MIC2N

MCURX

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch SIM300CZ

Để SIM300CZ có thể hoạt động, ta chỉ việc cấp đủ điện áp nguồn (dùng nguồn 4,2V) SIM300CZ hỗ trợ các chân cắm SIM,và các đèn báo hiệu trạng thái, báo nguồn SIM300CZ giao tiếp với vi điều khiển qua 2 chân theo chuẩn USART với tốc độ Baud tự động chọn từ 1,200 bps đến 115,200 bps Giao tiếp giữa SIM300CZ và vi điều khiển ta dùng USART1 SIM đƣợc giao tiếp với môđun thông qua 4 chân: Sim_clk, Sim_reset, Sim_data, Sim_vcc ngoài ra còn

1 chân đất và 1 chân bỏ trống

Tất cả các câu lệnh thao tác trên SIM300CZ đều bắt đầu bằng hai chữ cái

AT, để hiểu đầy đủ tài liệu câu lệnh AT chúng ta có thể tham khảo trong tài liệu Pctel.ATCommand.Guide.6.23.00

-

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA128 3.1 Tổng quan về vi điều khiển ATMega128 [1, 6]

Trong luận văn này vi điều khiển ATMega128 được sử dụng như một trung tâm điều khiển

Vi điều khiển AVR do hãng Atmel (Hoa Kì) sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR (như AT tiny 13, ATtiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR (chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega32, ATmega128…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kbyte cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR) Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau

Ưu điểm của ATMega128 mà các dòng thấp hơn không có là nó hỗ trợ 2 cổng giao tiếp nối tiếp (chân 2, 3: RXD0-TXD0 và chân 27, 28: RXD1-TXD1)

Hình 3.1: Vi điều khiển ATMEGA128

Những tính năng, thông số chính của vi điều khiển ATmega128 có thể kể ra như

- Bộ nhớ ROM : 128Kbyte

- Bộ nhớ SRAM: 4Kbyte

- Bộ nhớ EEPROM: 4Kbyte

- Gồm có 64 thanh ghi vào ra I/O

- 160 thanh ghi vào ra mở rộng

- 32 thanh ghi đa mục đích

- 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bit

- Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào

- Hai khối USART lập trình được

- Khối truyền nhận nối tiếp SPI

- Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI

Ta chọn vi điều khiển hỗ trợ 2 cổng giao tiếp nối tiếp là một cổng kết nối với phần GSM/GPRS của môđun SIM300CZ để điều khiển SIM300CZ này thông qua tập lệnh AT, một cổng giao tiếp USB, COM

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển ATMega128

3.2 Cấu trúc bộ nhớ và giao tiếp USART [11]

3.2.1 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ vi điều khiển ATMega128 có cấu trúc Harvard là cấu trúc có đường Bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ ATMega128 được chia làm 2 phần chính:

- Bộ nhớ chương trình (program memory)

- Bộ nhớ dữ liệu (data memory)

 Bộ nhớ chương trình :

Bộ nhớ chương trình của ATMega128 là bộ nhớ flash có dung lượng 128Kbyte Bộ nhớ chương trình có độ rộng bus là 16 bit Những địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình được dùng cho véc tơ ngắt Ở vi điều khiển ATmega128 bộ nhớ chương trình còn có thể được chia làm 2 phần:

- Phần boot loader (Boot loader program section)

- Phần ứng dụng (Application program section)

Phần boot loader chứa chương trình boot loader Chương trình boot loader

là một phần mềm nhỏ nạp trong vi điều khiển và được chạy lúc khởi động Phần mềm này có thể tải vào trong vi điều khiển chương trình của người sử dụng và sau đó thực thi chương trình này Mỗi khi reset vi điều khiển CPU sẽ nhảy tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi điều khiển hay không, nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chương trình vào vùng nhớ ứng dụng (Application program section), rồi thực thi chương trình này Ngược lại, boot loader sẽ chuyển tới chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này

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 3.4 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

Hình 3.4: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng Boot loader

- Bộ nhớ dữ liệu:

Bộ nhớ dữ liệu của ATMega128 chia làm 2 phần chính là bộ nhớ SRAM 4Kbyte và bộ nhớ EEPROM 4Kbyte 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 dụng lượng 4Kbyte, 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 (M103C fuse bits)

- 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 4096byte 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 64Kbyte Khi nói bộ nhớ SRAM có dung lượng 4Kbyte 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 4,25Kbyte = 4352byte

- Bộ nhớ SRAM ở chế độ tương thích ATmega103:

Ở chế này bộ nhớ SRAM cơ bản cũng giống ở chế độ bình thường, ngoại trừ phần thứ 3 là vùng nhớ dành cho các thanh ghi vào ra mở rộng không tồn tại, ngoài ra kích thước của phần SRAM nội (internal SRAM) chỉ có 4000 byte so với 4096 byte ở chế độ bình thường

Hình 3.5: Bản đồ bộ nhớ dữ liệu A: Chế độ bình thường

nghĩa là ta cần sử dụng các lệnh in, out… khi muốn truy xuất tới EEPROM Để điều khiển vào ra dữ liệu với EEPROM ta sử dụng 3 thanh ghi sau:

- Thanh ghi EEAR (EEARH và EEARL):

Thanh ghi 16 bit lưu giữ địa chỉ của các ô nhớ của EEPROM

- Thanh ghi EEDR:

Đây là thanh ghi dữ liệu 8 bit của EEPROM, là nơi chứa dữ liệu ta định ghi vào hay lấy ra từ EEPROM

- Thanh ghi EECR:

Đây là thanh ghi điều khiển 8 bit EEPROM, ta chỉ sử dụng 4 bit đầu của thanh ghi này, 4bit cuối là dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bit dự trữ

3.2.2 Giao tiếp USART [11]

USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and

Transmitter): Bộ truyền, nhận nối tiếp Đồng bộ Và Bất đồng bộ phổ dụng, đây

là khối chức năng dùng cho việc truyền thông giữa vi điều khiển với các thiết bị khác Trong vấn đề truyền dữ liệu số, có thể phân chia cách thức (method)

truyền dữ liệu ra hai chế độ (mode) cơ bản là: chế độ truyền, nhận Đồng bộ (Synchronous) và chế độ truyền, nhận Bất đồng bộ (Asynchronous) Ngoài ra,

nếu ở góc độ phần cứng thì có thể phân chia theo cách khác đó là: Truyền nhận

dữ liệu theo kiểu nối tiếp (serial) và song song (paralell)

quá trình truyền hoặc nhận dữ liệu Do đó, hệ thống truyền không đồ bộ còn được gọi là hệ thống truyền “tự đồng bộ”

Từ hai kiểu truyền dữ liệu cơ bản trên, người ta đưa ra nhiều giao thức (Protocol) truyền khác nhau như: SPI (đồng bộ), USRT (đồng bộ), UART (bất đồng bộ)…Tuy vậy, cũng có giao thức truyền mà không thể xếp được vào kiểu nào: đồng bộ hay bất đồng bộ, chẳn hạn kiểu truyền I2C (Trong AVR gọi là TWI), tuy vậy một cách hơi gượng ép thì có thể thấy giao thức truyền I2C gần với kiểu đồng bộ hơn vì các thiết bị giao tiếp với nhau theo chuẩn I2C điều dùng chung một xung clock

ATmega128 có hai bộ USART là USART0 và USART1 Hai bộ USART này là độc lập nhau, điều này có nghĩa là hai khối USART0 và USART1 có thể hoạt động cùng một lúc

Tất cả hoạt động và tráng thái của USART0 được điều khiển và quan sát thông qua các thanh ghi trong vùng nhớ I/O Có 5 thanh ghi được thiết kế riêng cho hoạt động và điều khiển của USART0, đó là:

* UDR0: Hay thanh ghi dữ liệu, là 1 thanh ghi 8 bit chứa giá trị nhận

được và phát đi của USART0 Thực chất thanh ghi này có thể coi như 2 thanh ghi TXB0 (Transmit data Buffer) và RXB0 (Reveive data Buffer) có chung địa chỉ Đọc UDR0 thu được giá trị thanh ghi đệm dữ liệu nhận, viết giá trị vào UDR0 tương đương đặt giá trị vào thanh ghi đệm phát, chuẩn bị để gởi đi Chú ý trong các khung truyền sử dụng 5, 6 hoặc 7 bit dữ liệu, các bit cao của thanh ghi UDR0 sẽ không được sử dụng

Hình 3.6: Thanh ghi dữ liệu UDR0

* UCSRA0: (USART Control and Status Register A): Là 1 trong 3 thanh

ghi điều khiển hoạt động của môđun USART0

Hình 3.7: Thanh ghi điều khiển hoạt động UCSRA0

R/W R/W

R/W R/W

R

R

R

R R/W

R

Thanh ghi UCSRA0 chủ yếu chứa các bit trạng thái như bit báo quá trình nhận kết thúc (RXC), truyền kết thúc (TXC), báo thanh ghi dữ liệu trống (UDRE), khung truyền có lỗi (FE), dữ liệu tràn (DOR), kiểm tra parity có lỗi (PE)…bạn chú ý một số bit quan trọng của thanh ghi này

* UDRE0 (USART Data Register Empty) khi bit bày bằng 1 nghĩa là

thanh ghi dữ liệu UDR đang trống và sẵn sàng cho một nhiệm vụ truyền hay nhận tiếp theo Vì thế nếu bạn muốn truyền dữ liệu đầu tiên bạn phải kiểm tra xem bit UDRE0 có bằng 1 hay không, sau khi chắc chắn rằng UDRE0 = 1 hãy viết dữ liệu vào thanh ghi UDR để truyền đi

- U2X là bit chỉ định gấp đôi tốc độ truyền, khi bit này được set lên 1, tốc

độ truyền so cao gấp 2 lần so với khi bit này mang giá trị 0

- MPCM là bit chọn chế độ hoạt động đa xử lí (multi-processor)

* UCSRB0 (USART Control and Status Register B): Đây là thanh ghi

quan trọng điều khiển USART0 Vì thế chúng ta sẽ khảo sát chi tiết từng bit của thanh ghi này

Hình 3.8: Thanh ghi điều khiển hoạt động USART0

- RXCIE (Receive Complete Interrupt Enable) là bit cho phép ngắt khi quá trình nhận kết thúc Việc nhận dữ liệu truyền bằng phương pháp nối tiếp không đồng bộ thường được thực hiện thông qua ngắt, vì thế bit này thường được set bằng 1 khi USART được dung nhận dữ liệu

- TXCIE (Transmit Complete Interrupt Enable) là bit cho phép ngắt khi quá trình truyền kết thúc

- UDRIE (USART Data Register Empty Interrupt Enable) là bit cho phép ngắt khi thanh ghi dữ liệu UDR trống

- RXEN (Receiver Enable) là một bit quan trọng điều khiển bộ nhận của USART, đề kích hoạt chức năng nhận dữ liệu bạn phải set bit này lên 1

- TXEN (Transmitter Enable) là bit điều khiển bộ phát Set bit này lên 1 bạn sẽ khởi động bộ phát của USART

- UCSZ2 (Chracter size) bit này kết hợp với 2 bit khác trong thanh ghi

R/W R/W

R/W R/W

R/W

RXCIE TXCIE UDRIE RXEN TXEN UCSZ2 RXB8 TXB8