B-Giới thiệu usb: Universal serial bus usb-bus truyền thông nối tiếp là 1 trong những giaodiện phổ biến nhất được ứng dụng trong các sản phẩm điện tử tiên tiến hiện naynhư là: flash, car
Trang 12) Tình hình nghiên cứu hiện nay:
- Ở Việt Nam:
+ Tại các trường đại học có nhiều đề tài giao tiếp máy tính với vi điều
khiển AVR bằng cổng usb, còn với PIC thì có rất ít đề tài và chủ yếu giao tiếpqua lớp HID
+ Trên thị trường có các doanh nghiệp đã giao tiếp thành công và tự viếtdriver cho thiết bị và truyền với tốc độ cao
- Trên thế giới: vấn đề giao tiếp máy tính với vi điều khiển qua cổng usb đãđược nghiên cứu rất lâu, và có rất nhiều sản phẩm như các kit thí nghiệm, mạchnạp cổng usb
3) Tiếp cận đề tài:
-Có các kiến thức cơ bản về kỹ thuật số, vi điều khiển PIC, điện tử cơ bản,
kiến thưc cơ bản về chuẩn usb, lập trình C (hoặc ngôn ngữ lập trình khác)
*Hướng giải quyết đề tài:
- Tìm hiểu các linh kiện liên quan đến đề tài, so sánh tính ưu việt của cáclinh kiện tương quan nhằm lựa chọn linh kiện thiết kế cho phù hợp
- Thiết kế mạch
- Chạy mô phỏng
- Thi hành mạch
II- Lựa chọn phương án :
Phương án 1: sử dụng vi điều khiển có hổ trợ giao tiếp USB
Ưu điểm: giá thành rẽ, có nhiều phần mềm hổ trợ
Khuyết điểm: Có một số phần mềm đòi hỏi viết driver
Phương án 2: sử dụng sẵn module giao tiếp USB, và xây dựng những ứng
dụng mong muốn
Ưu điểm: dễ thiết kế, lập trình đơn giản (ứng dụng), không mất nhiềuthời gian để viết driver
Khuyết điểm: giá thành cao
Phương án 3: sử dụng cổng com ảo
Ưu điểm: lập trình như cổng com
Khuyết điểm: tốc độ thấp hơn so với cổng usb
Từ những phân tích trên và từ yêu cầu của đề tài nên em chọn phương án 1
Trang 2Các lựa chọn trong phương án 1:
- Vi xử lý: AVR, pic 18F2550, pic 18F4450
- Hiển thị: led ma trận,LCD, led 7 đoạn
- Phần mền: CCS, Delphi, mikcroC, C#,C+
- Tạo giao diện: VB, mikcroC
1) Lựa chọn vi điều khiển:
PIC 18F2250 có 28 chân có cấu trúc như sau:
-Có 3 port xuất nhập A,B,C
-10 kênh chuyển đổi tương tự sang số 10 bit
-Có 4 timers: 3 timer 16 bit, 1 timer 1 bit
-Có hỗ trợ giao tiếp USB
-Bộ nhớ dữ liệu EEPROM: 256 bytes
-Bộ nhớ chương trình : 32768 bytes
-Có giao tiếp nối tiếp MSSP, ENHANCED UART
-Giao tiếp song song PSP
-Có 19 nguồn ngắt
- Tần số hoạt động: 0-48MHz
PIC 18F4550 có các thông số như 18F2550:
-Có 5 port xuất nhập A,B,C, D,E
-13 kênh chuyển đổi tương tự sang số 10 bit
-Có 4 timers: 3 timer 16 bit, 1 timer 1 bit
-Có hỗ trợ giao tiếp USB
-Bộ nhớ dữ liệu EEPROM: 256 bytes
-Bộ nhớ chương trình: 32768 bytes
-Có giao tiếp nối tiếp MSSP, ENHANCED UART
-Giao tiếp song song PSP
-Có 20 nguồn ngắt
- Tần số hoạt động: 0-48MHz
AVR: có nhiều dòng hỗ trợ giao tiếp usb như tiny2313
* Đề tài chọn PIC 18F2550 vì:
- Có những kiến thức cơ bản về 16F877A
- Do yêu cầu của đề tài và giá thành
2) Lựa chọn khối hiển thị:
- Led ma trận hiển thị được nhiều thông tin hơn led 7 đoạn phù hợp vớiviệc điều khiển hiển thị từ máy tính
-LCD cũng hiển thị đựợc nhiều thông tin nhưng cở chữ nhỏ Do đó đềtài chọn led ma trận
3) Lựa phần mềm:
Trang 3MikroC: được xây dựng bởi MikroElektronika Dễ dàng để học với một sốlượng lớn hàm được hỗ trợ để lập trình, và có hỗ trợ các hàm giao tiếp usb, và cósẵn giao diện
PICC18: được xây dựng bởi Hi-Tech Software, với hai phiên bản standardand professional PICC18 được hỗ trợ bởi phần mềm mô phỏng PROTEUS dùng
để mô phỏng vi điều khiển PIC
C18: được xây dựng bởi Microchip Inc, bao gồm việc mô phỏng, hỗ trợphần cứng
CCS: được xây dựng bởi Custom Computer Systems Inc, cung cấp một sốlượng lớn các hàm để lập trình và các mạch debugger, chúng rất hữu ích để pháttriển PIC và có hỗ trợ các hàm giao tiếp usb
Người nghiên cứu chọn CCS để viết chương trình, và VB để viết giao diện
5) Sơ đồ:
a) Phần cứng:
Vi điều khiểnPIC18F4550
Máy tính
Nguồn DC
Hiển thị led ma trận
Nút nhấn (mở rộng)
usb
b) Phần mềm: Lưu đồ
Trang 4Bắt đầu
S
Đ
Gởi data từ
Xử lý
Hiển thị trên giao diện
Kết thúc
III- Giới thiệu linh kiện và phần mềm
A-Vi điều khiển PIC 18F2550:
1-Giới thiệu sơ lược về PIC 18F2550
-Có 3 port xuất nhập A,B,C
Trang 5+ OSC2: ngõ vào dao động thạch anh
+ CLK0: trong việc chọn mode, bằng ¼ tần số của OSC1
-RC4/D-/VM (chân 15):
+RC4: ngõ vào số
Trang 6+USB control register (UCON).
+USB configuration registor (UCFG)
+USB transfer status register (USTAT)
+USB device Address register (UADDR)
Thanh ghi UCON: chứa các bit cần thiết để điều khiển hoạt động của
module trong quá trình chuyển đổi Thanh ghi chứa các bit có thể điều khiển:
-Cho phép thiết bị ngoại vi USB
- Reset Ping-Pong buffer pointer
- Điều khiển chế độ suspend
-Cấm chuyển đổi gói
Ngoài ra còn chứa các bit trạng thái
Trang 7-Thanh ghi UCFG: chứa hầu hết các bit điều khiển hoạt động của module
USB:
+Tốc độ bus
+Cho phép điện trở kéo lên trong chip
+Cho phép chuyển đổi trong chip
+Sử dụng ping-pong buffer
Trang 8-Thanh ghi USATA: thanh ghi này chứa số endpoint, bộ đệm ping-pong, giá trị
con trỏ
Trang 9-Thanh ghi UADDR: chứa địa chỉ duy nhất của USB khi hoạt
động.UADDR sẽ reset về 0 khi nhận lệnh reset usb hoặc reset vi điều khiển Địachỉ usb phải được viết trong vi điều khiển thông qua quá trình thiết lập usb cũngnhư trong firmware của Mỉcochip hỗ trợ
B-Giới thiệu usb:
Universal serial bus (usb-bus truyền thông nối tiếp) là 1 trong những giaodiện phổ biến nhất được ứng dụng trong các sản phẩm điện tử tiên tiến hiện naynhư là: flash, card âm thanh…
Usb là một chuẩn kết nối tốc độ cao với nguồn cung cấp 5v được cung cấpcho thiết bị được kết nối đến chúng, 1 bus kết nối usb có thể kết nối đến 127 thiết
bị usb được nối qua 1 cáp 4 dây và có thể truyền thông tin qua khoảng cách từ3m đến 5m chiếu dài Nhiều thiết bị usb có thể kết nối như nhau đến 1 thiết bịgọi là hub có thể có đến 4, 8 hay thậm chí 16 port Một hub lại được kết nối vào 1hub khác, cứ như thế, số lượng tầng lớp cho phép là 6 Trên lý thuyết khoảngcách cực đại đến 1 trạm chủ là 30 mét, sử dung 5 hub
Trên lý thuyết usb có 2 phiên bản- phiên bản trước đó là 1.1 có thể hỗ trợ tốc
độ truyền thông lên đến 11Mbps Trong khi đó phiên bản 2.0 hỗ trợ đến480Mbps được định nghĩa với 3 tốc độ dữ liệu:
Low-speed: 1.5 Mbps
Full-speed: 12 Mbps
Trang 10High-speed: 480 Mbps
Usb bus có thể cung cấp nguồn tối đa cho thiết bi đến 100mA với nguồn 5v.Cáp usb sử dụng dây có 4 lõi với 2 đầu cáp được che kín, có 2 loại đầu nối usbkiểu A và kiểu B
Đầu nối kiểu A (trái)- đầu nối kiểu B (phải)
Thứ tự chân
Ý nghĩa các chân
Dây tín hiệu usb có 2 dây, tín hiệu được gửi từ máy chủ sử dung kỹ thuật mãhoá NRTI, Trong kỹ thuật này tín hiệu được đảo ngược cho sự thay đổi với mứclogic 0.Tín hiệu cho mức logix 1 là không đổi
Trang 11Một gói dữ liệu từ host được gởi tới các thiết được nối với bus qua các hub,tất cả các thiết bị đều nhận tín hiệu nhưng chỉ duy nhất một thiết bị đã được địnhđịa chỉ là nhận dữ liệu đó, chỉ duy nhất một thiết bị tại mỗi thời điểm bất kì có thểtruyền tới host, và dữ liệu được truyền lên lần lượt qua các hub cho đến khi đếnđược host.
Các thuật ngữ chung:
Endpoint: có thể là nguồn hoặc nơi thu vào dữ liệu, một thiết bị usb có thể
có 1 số endpoint, giới hạn số endpoint là 16 in và 16 out endpoint
Pipe: kết nối dữ liệu logic của host và endpoint
Transaction: truyền dữ liệu trên bus
1-Nhận biết tốc độ trên bus:
Ở bus full-speed điện trở được nối từ D+ lên 3.3v và ở bus low-speed điệntrở được nối từ D- lên 3.3v Khi không có thiết bị nào được nối host sẽ xem cảhai đường dữ kiệu đếu ở mức thấp Việc kết nối dữ liệu vào sẽ kéo D+ hoặt D-lên mức cao và host sẽ nhận biết đựơc là có thiết bị cắm vào bus
2- Các trạng thái usb:
Idle: bus ở trạng thái chờ khi đó một đường dữ liệu được kéo lên ở mức caocòn đường dữ liệu còn lại xuống thấp.Đây là trạng thái của dây trước và sau khitruyền xong gói dữ kiệu
Detached: khi không có thiết bị nào kết nối, host biết cả hai đường dữ liệuđiều ở mức thấp
Attached: trạng thái mà có một trong hai dây tín hiệu đã được nối với điệntrở treo lên 3.3v báo có thiết bị cắm vào bus
J state: giống idle
K state: ngược lại với J state
SE0: kết thúc trạng thái 0 Cả 2 dây tín hiệu được kéo xuống mức 0
SE1: kết thúc trạng thái 1 Hai dây tín hiệu ỏ mức 1 Đây là trạng thái cấmkhông bao giờ xuất hiện trên bus
Reset: trạng thái mà khi host bắt đầu kết nối với một thiết bị Một tín hiệureset đựơc gởi đến bằng cách kéo 2 dây tín hiệu xuống mức thấp (SE0) trong ítnhất 10ms
Trang 12EOP: (end of pakaged state) đại loại là trạng thái SE0 cho thời gian truyềnhai bit và trạng thái k state trong thời gian truyền một bit
Keep alive: trạng thái được gởi bằng EOP Trang thái này được gởi mổi 1mili giây để giữ thiết bị không bị gián đoạn
Suspend: chế độ đình chỉ dùng để tiết kiệm năng lượng Sẽ không truyền bất
cứ gì đến thiết bị khỏang 3ms, 1 thết bị bị đình chỉ tiêu tốn khoảng 0.5mA từ bus,
và có thể nhận biết được tín hiệu reset, và kết nối tiếp tục
Resume: 1 thíêt bị bị đình chỉ được đánh thức, bằng việc đảo ngược tín hiệutrong ít nhất 20ms, theo sau đó là 1 tín hiệu EOP chậm
3-Truyền thông qua bus USB
Mỗi thiết bị được cắm vào bus usb nó sẽ được host định cho 1 địa chỉ duynhất và không có thết bị phụ nào được phép gởi tín hiệu lên bus nếu nó khôngđược host ra lệnh Khi có 1 thiết bị được nối vào bus, host sẽ lấy thông tin từ địachỉ 0 để biết các thông tin cơ bản về thiết bị và sau đó host sẽ gán cho thiết bị này
1 địa chỉ duy nhất, tiếp theo host sẽ lấy thêm các thông tin cụ thể hơn từ thiết bịnhư tên sản phẩm, nhà sản xuất, dung lượng của thiết bị, số hiệu sản phẩm… lúcnày những giao tiếp hai chiều được bắt đầu
3.1 Gói dữ liệu
Dữ liệu được gởi qua lại trên bus usb theo gói Gói dữ liệu chứa 1 tín hiệuđồng bộ, 1 byte PID, 0- 1024 byte dữ liệu, 1 tín hiệu kiểm tra lỗi CRC và EOP
PID (packet identifier) là chuỗi 4 bit và chuỗi 4 bit này được lặp lại với số
bù của nó Có 17 giá trị PID khác nhau PID gởi tại điểm bắt đầu mỗi gói Có 4dang gói: token packet, data packet, handshake packet, special packet
Trang 133.2 Các kiểu truyền chuỗi dữ liệu:
Có 4 cách truyển dữ liệu lên bus usb: truyển dữ liệu khối lớn (bulk transfer),truyển dữ liệu qua ngắt (interupt transfer), truyền dữ liệu điều khiển (controltransfer) và truyền dữ liệu đẳng thời (isochronus transfer)
-Bulk transfer: được thiết kế để truyền 1 số lượng lớn dữ liệu mà không cósửa lỗi và không đảm bảo băng thông Nếu một out endpoint được định nghĩanhư sử dụng bulk transfer thì host sẽ gửi dữ liêu ra sử dung out transaction Nếumột in endpoint được định nghĩa sử dụng bulk transfer thì host sẽ nhận dữ liệu intransaction Nói chung, bulk transfer được sử dụng những nơi mà không truyền
dữ liệu tốc độ thấp Kích thước tối đa của nó là từ 8 đến 64 bytes ở tốc độ fullspeed và 512 gói ở high speed (bulk transfer không sử dụng ở chế độ low speed).-Interupt transfer: được thiết kế để truyền những mẫu nhỏ dữ liệu với 1 băngthông lớn, dữ liệu cần được truyền đi càng nhanh càng tốt mà không có thời giantrì hoãn Interupt transfer có thể truyền từ 1 đến 8 byte ở chế độ low speed, 1-64byte full speed ,và lên đến 1024 byte high speed
-Isochonous transfer: phải bảo đảm về băng thông, nhưng không đảm bảo vềlỗi dữ liệu khi đến nơi Kiểu này thường được dùng trong những ứng dụng mà tốc
độ truyền thì rất quan trọng nhưng việc có hỏng hóc 1 hay 1số ít dữ liệu thì chẳng
có vấn đề gì Kiểu truyền dữ kiệu này thì có thể truyền đến 1023 byte ở chế độ
Trang 14full-speed, và 1024 với chế độ full-speed (kiểu này không hỗ trợ chế độ lowspeed).
-Control transfer: kiểu truyền dữ liệu 2 chiều sử dụng cả in và out endpoint.Host sử dụng cấu hình ban đầu của thiết bị Kích thước tối đa của gói dữ liệu là 8byte ở low-speed, 8-64 byte full-speed và 64 byte high-speed
3.3 ENUMERATION (Quá trình liệt kê)
Khi có 1 thiết bị usb được cắm vào, thiết bị này sẽ được nhận biết bởi hostqua một quá trình được gọi là quá trình liệt kê Các bước của quá trình liệt kê:+Khi thiết bị cắm vào, host sẽ nhận biết usb, do 1 trong 2 chân tín hiệu (D+,D-) sẽ nối đến mức logic 1
+Host sẽ gửi đến usb một tín hiệu reset để có thể nhận biết trạng thái của nó,reset thiết bị về địa chỉ 0
+Host sẽ gởi 1 yêu cầu trên địa chỉ 0 tới thiết bị để tìm kích thước tối đa củagói dữ liệu bằng lệnh “get descriptor” (mô tả thiết bị)
+Thiết bị đáp ứng lại bằng cách gửi 1 phần nhỏ thông tin mô tả thiết bị.+Host gửi tín hiệu reset usb 1 lần nữa
+Host gán cho thiết bị 1 địa chỉ duy nhất, và gửi đến thiết bị một yêu cầu lậpđịa chỉ đến thiết bị Sau khi hoàn tất yêu cầu, thiết bị đựơc bổ sung địa chỉ mới
Và từ lúc này host đã có thể nhận biết các thiết bị mới hơn cắm vào bus
+Host gửi yêu cầu“get divice descritor” (mô tả thông tin thiết bị) để có thểnhận biết hoàn toàn các thông tin về thiết bị (thông tin về kiểu thiết bị, lớp thiếtbị…)
+Host gửi yêu cầu về “get configuration description” (mô tả cấu hình) đểbiết thông tin cấu hình như yêu cầu về năng lượng, kiểu và số của những giaodiện được hỗ trợ
+Host yêu cầu các thông tin thêm về mô tả thiết bị
Ban đẩu thiết bị đã được định địa chỉ tuy nhiên nó vẫn chưa thể dịnh xong cấuhình, sau khi host tập trung đủ tất cả thông tin về thiết bị, máy tính tải trình điềukhiển thiết bị (device driver) bằng cách gửi cho nó yêu cầu “set configuration”(đặt cấu hình), kể từ đây thíêt bị đã được đặt cấu hình và sẵn sàng đáp ứng nhữngyêu cầu đặt biệt từ máy tính (truyền ,nhận dữ liệu )
3.4 Descriptors: mô tả
-Tất cả các usb đều có 1 sự phân cấp các mô tả cho các đặt tính khác nhaucủa từng thiết bị: số hiệu sản phẩm, phiên bản thiết bị, phiên bản usb mà nó hỗtrợ
Trang 153.4.1 Mô tả thiết bị (device descriptor)
-Một thiết bị usb chỉ có 1 bản mô tả thiết bị, bởi vì nó biễu diễn cho cả thiết
bị, nó cung cấp các thông tin cơ bản như là nhà sản xuất, số hiệu sản phẩm, lớpthiết bị …
-blenght là chiều dài của bản mô tả thiết bị
-bdescritortype là loại descriptor
-bcdusb là số phiên bản cao nhất được hỗ trợ
Trang 16-bdeviceclass, bdevicesubclass và bdeviceprotocol: được gán bởi usb vàđược sử dụng bởi hệ thống để tìm lớp diver cho thiết bị.
-bmaxpacketsize0: kích thước tối đa của in và output cho 1 endpoint
-idvendor: id của nhà cung cấp
-idproduct: id của sản phẩm được gán bởi nhà cung cấp
-bcddivice: số phiên bản của thiết bị
3.4.2- CONFUGURATION DESCRIPTOR (mô tả cấu hình)
-Mô tả cấu hình đưa ra các thông tin về năng lượng cần có, số giao diện mà
nó hỗ trợ, có thể có nhiều hơn 1 cấu hình cho 1 thiết bị
Blenght: cho biết số byte dùng làm mô tả cấu hình
Bdescriptortype: dạng mô tả
Wtotalenght: tổng kích thước của bản mô tả (mô tả cấu hình, mô tả giao tiếp,
mô tả HID, mô tả endpoint)
Bnumberinterfac: số giao diện của cấu hình
Bconfigurationvalue: giao diện được chọn bởi host
Iconfigiration: chỉ số chỉ tới chuỗi mô tả cấu hình có thể đọc được
Bmattributes: các thông tin về nguồn điện
Bmaxpower: chỉ cho ta biết năng lượng tiêu thụ tối đa (mỗi bước là 2mA)
3.4.3- INTERFACE DESCRIPTOR (mô tả giao diện)
Mô tả giao diện chỉ rõ lớp thiết bị (device class) và số lượng endpoint mà nó
sử dụng Có thể có nhiều mô tả giao diện cho 1 thiết bị
Trang 17Blenght: chiều dài của mô tả thiết bị
bdescriptortype: kiểu mô tả
binterfacenumber: số của giao diện
balternatesetting: chỉ rõ những giao diện xen kẽ, có thể đặt bởi host bằngcách sử dụng lệnh setinterface
bnumendpiont: chỉ ra số endpoint dùng trong gao diện
binterfaceclass: chỉ ra mã số lớp thiết bị
binterfacesubclass: chỉ ra mã số lớp phụ thiết bị
binterfaceprotocol: chỉ ra mã số giao thức của thiết bị
iinterface: chỉ tới dịa chỉ chuỗi mô tả giao diện
3.4.4- HID DESCIPTOR (bản mô tả HID)
Bản mô tả này luôn đi sau bản mô tả giao diện, khi giao diện thuộc lớp HID
Blenght: chiều dài của bản mô tả
Bdescriptor: kiểu bản mô tả
Bcdhid: mô tả lớp hid
Bcountrycode: mã nước
Bnumdescriptor: chỉ ra những mô tả thêm có liên hệ với lóp này