Màn hình LCD 1602A và vi điều khiển CC1010

Ngày nay dưới sựphát triển rất mạnh mẽcủa khoa học kĩthuật nói chung và công nghệthông tin nói riêng, mạng cảm nhận không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin

MỞ ĐẦU

Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm nhận không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin Một trong các lĩnh vực của mạng cảm nhận không dây ( Wireless Sensor Network – WSN ) là sự kết hợp của việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị…

Trong những nghiên cứu mới nhất hiện nay thì hầu hết các ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa hoặc có thể mang theo một thiết bị nhỏ gọn nhưng có sức mạnh có thể làm việc hiệu quả không kém một hệ thống thiết bị cồng kềnh Ví dụ như có thể ứng dụng WSN vào trong công việc phòng cháy rừng bằng rất nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng không dây để có thể ngay lập tức phát hiện những vùng có khả năng cháy và gây cháy có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo động cần thiết Một trong những ưu điểm lớn của mạng không dây WSN là chi phí chiển khai và lắp đặt được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng.Thay vì hàng ngàn km dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã được lắp đặt nhỏ gọn vào vị trí cần thiết Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của WSN, rất đơn giản ta chỉ việc thêm vào các thiết bị, linh kiện không cần thao tác phức tạp

Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm nhận không dây, căn

cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các hệ thống giám sát các thông

số trong môi trường để phục vụ cho nhiều nghành, nhiều lĩnh vực đồ án đã chọn hướng nghiên cứu là Mô hình mạng cảm nhận không dây - WSN

Đồ án được chia làm 5 chương với nội dung được trình bày như sau:

- Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây

- Chương 2: Tổng quan về màn hình tinh thể lỏng - LCD và Vi điều khiển

- Chương 3: Màn hình LCD 1602A và vi điều khiển CC1010

- Chương 4: Phần mềm nhúng cho hệ đo nhiệt tự động

- Chương 5: Cài đặt thử nghiệm trên hệ thống, các kết quả đạt được

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

(Wireless sensor Network - WSN) 1.1 Mạng cảm nhận không dây

Mạng cảm nhận không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin của môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian xác định nhằm phát hiện các quy luận vận động và các đặc điểm thay đổi rất chậm của môi trường hoặc của đối tượng, mạng cảm nhận không dây thông thường bao gồm các nút mạng cảm nhận được phân bố trong một phạm vi không gian nhất định Các nút cảm nhận này sẽ tiến hành đo đạc các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ

ẩm, độ mặn, độ PH, áp suất …Việc thu thập các thông tin này trong văn phòng, nhà kho, công xưởng, viện bảo tàng, trong công nghiệp, y tế, nông nghiêp, lâm nghiệp… WSN dường như đã trở thành giải pháp hấp dẫn vì mang đến sự tiện lợi về nhiều phương diện, và đặc biệt trong nhiều trường hợp thậm chí còn hạn chế được sự nguy hiểm cho con người trong những môi trường làm việc khắc nghiệt ( nút mạng thay thế cho sự làm việc trực tiếp của con người trong những môi trường có độc tính hay nhiệt độ cao, áp suất cao ) Một hệ thống WSN hoàn thiện còn có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trường hoặc định vị sự di chuyển các đối tượng trong phạm vi của nó Tùy theo mục đích của mạng cảm nhận mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp.Các nút cảm nhận có bộ vi xử lý bên trong, thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích nó có thể tiến hành xử lý đơn giản và gửi về dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu

Hình 1.1: Minh họa mạng cảm nhận không dây cảnh báo sự cố

Các nút mạng cảm nhận thu thập thông tin môi trường sau đó gửi về nút gốc ( nút cơ sở), nút gốc thường là cố định và được nối với PC, hoặc máy tính xách tay qua cổng RS232 việc đó nảy sinh những vấn đề như sự thiếu linh hoạt trong việc theo dõi ,dám sát trực tiếp môi trường, không cơ động… Hình 1.2 là mô hình của một mạng cảm nhận không dây truyền thống có nút gốc được nối cố định với máy vi tính hoặc máy tính xách tay

Liên kết không dây

Từ đề tài cụ thể “CHƯƠNG TRÌNH THU NHẬN, XỬ LÝ DỮ LIỆU,

CẢNH BÁO SỰ CỐ TRÊN NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

(WSN), HIỂN THỊ BẰNG MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG - LCD ” Sau

đây em xin giới thiệu một ứng dụng của mạng cảm nhận WSN thu thập dữ liệu môi trường, giải quyết được đa số những nhược điểm của một mạng cảm nhận không dây thông thường, cụ thể đề tài sẽ đi vào tìm hiểu, phân tích thiết

kế một nút mạng di động có khả năng thu nhận dữ liệu, xử lý, hiển thị lên màn hình LCD với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, tiết kiệm…Hình 1.3 minh họa một mô hình mạng cảm nhận sử dụng CC1010 được kết nối với một màn hình tinh thể lỏng

Hình 1.3: Hệ thống cảm nhận sử dụng CC1010 kết nối với LCD

Ở đây LCD được gắn với bộ phận nhân dữ liệu ,xử lý và hiển thị kết quả lên màn hình LCD.Có thể coi đây như một nút mạng di động ,hoạt động tốt trong phạm vi của mạng cảm nhận không dây - WSN.Như vậy chúng ta không cần thiết phải có kết nối PC mà vãn có thể theo dõi được các thông số của môi trường cũng như tình trạng ở những nút mạng cảm nhận một cách linh hoạt và cơ động hơn rất nhiều

1.2 Mô tả hệ thống

Từ hình 1.3 ta thấy hệ thống gồm có 2 phần cơ bản là:

1.2.1 Các nút cảm nhận và truyền dữ liệu:

Đại diện cho tất cả nút mạng cảm nhận, bao gồm các nút cảm nhận thông

số cần đo, mạch tích hợp CC1010EM nhận, xử lý rồi truyền không dây đến nút di động Mỗi nút cảm nhận trên đều được gán một địa chỉ cụ thể

Từ những phân tích lý thuyết ở trên ta có mô hình của nút mạng cảm nhận và truyền dữ liệu như sau :

Hình 1.4: Mô hình nút cảm nhận và truyền dữ liệu

Cảm biến-Sensor

a) Khái niệm

Trong các hệ thông đo lường, điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mô men…Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập các thông tin, đo đạc, theo dõi

sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này chúng thu thập, đáp ứng với các tín hiệu và các kích thích, có thể nói chúng có thể so sánh như là tai, mắt của các hoạt động kha học và

CC1010

Sensor Angten phát

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích Trong các hệ thống đo lường- điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm

b) Phân loại các loại cảm biến

Ta có thể phân loại các loại cảm biến theo một số các đặc trưng sau:

¾ Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

- Vật lý: Nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, nhiệt quang

- Hóa học: Biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ

¾ Theo dạng kích thích

- Âm thanh: Biến, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng…

- Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp…

- Từ: Từ trường, độ từ thẩm…

- Quang: Biên, pha, phân cực, phổ…

- Cơ: Lực, áp suất, gia tốc, vận tốc,khối lượng, tỷ trọng…

- Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỉ nhiệt…

- Bức xạ: Kiểu, năng lượng, cường độ…

- Ngoài ra còn có rất nhiều loại cảm biến tùy theo tính năng và phạm vi sử dụng…

Theo chức năng mạng và đặc điểm của mỗi cấu hình mạng cảm nhận

mà có thể sử dụng những loại cảm biến khác nhau ,Trong đồ án này cảm biến được chọn để nghiên cứu là loại cảm biến nhiệt độ có tên là LM61 có dạng

¾ Khoảng thay đổi điện áp lối ra là từ 300mV đến 1600mV ứng với khoảng nhiệt độ từ -300C tới 1000C

IC cảm biến thu nhận thông tin của môi trường sau đó biến đổi thông tin

đó thành đại lượng điện dưới dạng tín số hoặc tín hiệu tương tự ,sau đó được

số hóa để có thể truyền đi trong mạng không dây.IC LM61 thu nhận thông tin nhiệt độ của môi trường sau đó biến đổi thành điện áp lối ra ( Dạng thông tin tương tự )

1.2.2 Nút mạng di động( Nhận và hiển thị )

Bao gồm mạch tích hợp CC1010EM nhận dữ liệu của các nút cảm nhận ,xử lý ,sau đó hiển thị kết quả của mỗi nút lên mà hình LCD.Nút mạng di dộng trên vừa có thể thu nhận tín hiệu do các nút mạng cảm nhận truyền về, vừa xử lý để lấy thông tin càn thiết và trong quá trình xử lý dữ liệu có thể đưa

ra các dạng cảnh báo khác nhau ví dụ bằng âm thanh, đóng mở hệ thống trong báo cáo này nút mạng di động được kết nối với một màn hình tinh thể lỏng LCD, các kết quả và các cảnh báo của từng nút mạng (nếu có) sẽ được hiển thị trên màn hình LCD nói trên và loại LCD được sử dụng loại màn hình LCD 1602A 16x2 dòng

Hình 1.5: Mô hình nút mạng di động

LCD 1602A

CC1010 Angten thu

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG – LCD

VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu về Vi điều khiển

Có thể nói hiện nay vi điều khiển đã được ứng dụng rất phổ biến ở Việt Nam đã và đang được ứng dụng rất nhiều vào tất cả các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại Vi điều khiển

và được chia làm 3 loại chính đó là: Vi điều khiển họ 8051, PIC và Motorola

2.2 Vi điều khiển

2.2.1 Vi điều khiển là gì ?

Vi điều khiển là một IC lập trình vì vậy vi điều khiển muốn sử dụng được phải được lập trình từ trước, mỗi phần cứng nhất định phải có một phần mềm riêng kèm theo, nói theo cách khác thì Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, thường được dùng để điều khiển các thiết bị điện

tử, Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu xuất

đủ dùng với giá thành thấp.Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các

hệ thống nhúng nó xuất hiện nhiều trong các thiết bị điện tử (ví dụ như trong Mạng cảm nhận không dây WSN )

Hầu hết các Vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc VonNewman, kiến trúc này định nghĩa được 4 thành phần quan trọng của một

hệ thống nhúng là lõi CPU, bộ nhớ chương trình thường là ROM và Flash, bộ nhớ dữ liệu-RAM, một hoặc một vài bộ định thời, các cổng vào ra chung

2.2.2 Kiến trúc của Vi điều khiển

Thực chất vi điều khiển cũng là một kiến trúc siêu nhỏ, gồm các linh kiện điện tử ở kích thước rất nhỏ có thể là micro hoặc là Nano, các linh kiện này được kết hợp với nhau và được nối với các thiết bị bên ngoài thông qua các chân của vi điều khiển vì vậy để bắt tay vào xây dựng một ứng dụng cụ thể của vi điều khiển ta cần phải hiểu rõ được kiến trúc của vi điều khiển

2.2.3 Tập lệnh

Tập lệnh chính là tập mã lệnh nhị phân Bản chất của một tập lệnh là một tập hợp các mã nhị phân mà qua đó các đơn vị xử lý trung tâm (CPU) có thể nhận biết và thực hiện được Vậy dữ liệu được CPU xử lý là các số nhị phân Tập lệnh sẽ thực hiện các công việc chính sau đây :

¾ Tính toán các con số nhị phân

¾ Các lệnh để chuyển các giá trị ra thành tín hiệu điện tử ở các chân linh kiện

¾ Các lệnh di chuyển các giá trị giữa các thanh ghi

¾ Các lệnh điều khiển con trỏ chương trình

¾ Các tập lệnh được chia làm hai loại, tập lệnh RISC và tập lệnh CISC

2.3 Lập trình cho Vi điều khiển

Chương trình là một tập hợp các lệnh được tổ chức theo một trình tự hợp

li để giải quyết các yêu cầu của người lập trình Tập hợp tất cả lệnh gọi là một tập lệnh Các họ Vi điều khiển đều có chung một tập lệnh, Các Vi điều khiển ngày nay được cải tiến thường ít thay đổi hoặc mở rộng tập lệnh mà chú trọng phát triển phần cứng

Lệnh của Vi điều khiển là các số nhị phân 8bit hay còn được gọi là mã máy Các lệnh mang mã 00000000b đến 11111111b Các mã lệnh này được đưa vào lưu trữ trong ROM, khi thực hiện chương trình Vi điều khiển đọc các

mã lệnh này, giải mã lệnh, và thực hiện lệnh

Vì các lệnh của Vi điều khiển có dạng số nhị phân quá dài và khó nhớ, hơn nữa việc gỡ lỗi khi chương trình phát sinh lỗi rất phức tạp và kho khăn Khó khăn náy được giải quyết với sự hỗ trợ của máy tính, người viết chương trình có thể viết chương trình cho Vi điều khiển bằng ngôn ngữ lập trình bậc cao, sau khi việc viết chương trình hoàn tất , các chương trình se chuyển các câu lệnh cấp cao thành mã máy một cách tự động Các mã này sau đó được đưa (nạp) vào bộ nhớ ROM của Vi điều khiển, Vi điều khiển sẽ tìm đến đọc các lệnh từ ROM để thực hiện chương trình Bản thân máy tính không thực

hiện các mã máy này vì chúng không phù hợp với phần cứng máy tính, muốn thực hiện phải có chương trình mô phỏng dành riêng cho nó

Các chương trình dành cho Vi điều khiển có thể được viết bằng C++, C, Visual Basic, hoặc các ngôn ngữ cấp cao khác

2.4 Màn hình tinh thể lỏng-LCD

Màn hình tinh thể lỏng là loại thiết bị hiển thị được cấu tạo bởi các tế bào( Các điểm ảnh) chứa các tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng do đó thay đổi cường độ ánh sáng khi truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực, chúng có rất nhiều ưu điểm và các ưu điểm nổi bật nhất là tiết kiệm năng lượng, phẳng, hình ảnh sáng chân thật, nhỏ gọn được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như các thiết bị yêu cầu nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng ít như đồng hồ, điện thoại di động…ngoài ra trong xu thế phát triển mạnh của khoa học công nghệ màn hình tinh thể lỏng còn được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống như màn hình màu của máy tính và tivi

2.5 Kết luận

Trong chương 2 em đã nêu được một số các nội dung sau :

- Giới thiệu về Vi điều khiển trong đó có các nội dung đã được trình bày như vi điều khiển là gì, kiến trúc của vi điều khiển, các tập lệnh của vi điều khiển Trước khi bắt tay vào viết chương trình cho vi điều khiển chúng ta cần nắm rõ các đặc điểm của vi điều khiển nói chung để từ đó chọn ra được loại vi điều khiển mà mình muốn làm việc

- Màn hình tinh thể lỏng-LCD

Đặc điểm chung của màn hình tinh thể lỏng LCD 1602A

LCD 1602A là màn hình loại 16 ký tự * 2 đường, là loại màn hình đơn sắc có một bộ ASCII chuẩn.Kiến trúc phần cứng gồm có 64 bytes CGRAM (Charactor-Genarator) đây là bộ nhớ dùng để lưu trữ những ký tự được định nghĩa sẵn bởi người dùng và có 80 bytes DDRAM dùng để lưu trữ những ký

tự đặc biệt.Màn hình LCD có thể giao tiếp với vi xử lý thông qua một bus dữ liệu 8bit hoặc 4bit, khi làm việc LCD 1602A cần nguồn cung cấp là +5V

Có hai chế độ làm việc với màn hình LCD 1602A

¾ Chế độ 8 bit

¾ Chế độ 4 bit Chúng ta hay dùng cách này vì đơn giản và tiết kiệm chân cho vi điều khiển, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm đó là tốc

đọ chậm hơn so với khi làm việc ở chế độ 8 bit

Để có thể loạt động LCD 1602A yêu cầu 3 đường điều khiển từ vi điều khiển, Cụ thể như sau :

¾ Đường Enable(E) :cho phép truy nhập màn hình thông qua R/W

- Khi (R/W) = 0 cho phép ghi thông tin lên LCD

- Khi (R/W) = 1 đọc thông tin từ LCD

¾ Đường Register Select (RS) :Dựa vào đường (RS) LCD sẽ làm rõ kiểu của dữ liệu trên đường dữ liệu

- Khi (RS) = 0 chọn thanh ghi mã lệnh, cho phép người dùng gửi lệnh lên LCD

- Khi (RS) = 1 chọn thanh ghi dữ liệu cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị lên LCD

Hai đường A, K là nguồn +5V dùng để điều khiển độ sáng tối của màn hình LCD, LCD 1602A có 8 đường dữ liệu từ DB0 đến DB7, hai đường Vss

và Vee điều khiển độ tương phản của LCD

3.2 Cơ chế hoạt động và điều khiển hiển thị trên LCD

Khi LCD được khởi động để sẵn sàng nhận dữ liệu hoặc lệnh cần thiết lập các đặc trưng của LCD như : độ dài giao diện, ghi mã lệnh (0x010) để tắt màn hình hiển thị, ghi mã lệnh (0x001) để xóa màn hình hiển thị, ghi mã lệnh hướng dịch chuyển của con trỏ, ghi mã lệnh cho phép hiển thị con trỏ ở trạng thái chờ, ghi mã lệnh (0x20) để cho phép chế độ 4bit làm việc.nếu nhận một

ký tự nó sẽ ghi ký tự đó lên màn hình và di chuyển con trỏ sang phải một khoảng Vùng con trỏ đánh dấu vùng tiếp theo là nơi ký tự tiếp theo được ghi lên Khi muốn viết một chuỗi ký tự, đầu tiên chúng ta cần thiết lập địa chỉ ban

đầu thường là 0 sau đó hiển thị lên màn hình

Dữ liệu được đưa đến hiển thị trên màn hình LCD có độ dài 8 bit theo hai chế độ là 4bit và 8 bit Chế độ 4 bit chia byte thành hai phần 4bit cao gửi trước, 4 bit thấp gửi sau, đồng thời gửi xung kích hoạt chân (E).Sau khi LCD được khởi tạo ta có thể viết các lệnh hoặc dữ liệu lên mà hình LCD.Sau mỗi lần viết mã lệnh lên LCD thì lại phải đợi một khoảng thời gian nhất định để thực hiện lệnh (khoảng 5ms) trong suốt thời gian này vi điều khiển không thể truy cập vào LCD

Sau khi màn hình LCD được khởi tạo, có thể viết các lệnh hoặc dữ liệu lên LCD Quá trình viết các kí tự giống như viết một byte điều khiển, chỉ khác về mức thế điều khiển trên RS Nhờ việc lập bit RC qua lệnh di chuyển con trỏ / dịch chuyển màn hình trong quá trình khởi tạo, sau mỗi một kí tự được gửi đến màn hình LCD Nội dung con trỏ tăng một đơn vị, con trỏ dịch tới vị trí tiếp theo ( bên phải hoặc bên trái ) Theo sơ đồ thiết kế LCD làm việc

ở chế độ 4 bit, kết nối với CC1010EM qua cổng P2

Một số các thông số điều khiển hướng dịch chuyển hiển thị của con trỏ trên màn hình:

- ID : chỉ số tăng của con trỏ sau mỗi một bytes được hiển thị

- S : dịch chuyển màn hình hiển thị sau mỗi bytes được hiển thị

Cho phép hiển thị mà hình / con trỏ:

- D : On(1) / Off(0) màn hình

- C : On(1) / Off(0) con trỏ

- B : On(1) / Off(0) nhấp nháy con trỏ

Di chuyển con trỏ trên mà hình hiển thị:

- SC : On(1) / Off(0) Sự dịch chuyển màn hình hiển thị

- RL : Hướng dịch chuyển Phải(1) / Trái (0)

- DL : Thiết lập độ dài dữ liệu 8bit(1) / 4bit(0)

- N : Số dòng hiển thị 1dòng (0) / 2dòng (1)

- F : Font ký tự 5x10 (1) / 5x7 (0)

Thăm dò cờ báo bận BUSY FLAG:

- BF : Sét module đang trong quá trình sử lý

Dịch chuyển con trỏ tới vùng CGRAM để hiển thị A-Address đọc viết

mã ASCII để hiển thị D-DATA

3.3 Vi điều khiển CC1010

Vấn đề lựa chọn vi điều khiển để xây dựng nút mạng là một vấn đề rất quan trọng Việc lựa chọn vi điều khiển hợp lý sẽ làm cho quá trình xây dựng

hệ thống được rút ngắn, hệ thống có thể hoạt động ổn định, độ tin cậy cao và

có thể đạt các chỉ tiêu đề ra như sau:

¾ Tiêu thụ năng lượng thấp

¾ Bộ nhớ chương trình cũng như bộ nhớ dữ liệu có kích thước hợp lý

¾ Kích thước vật lý nhỏ

¾ Giá thành rẻ, dễ sử dụng, quen thuộc với người sử dụng

Như đã giới thiệu ở chương 2 thì trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại

vi điều khiển khác nhau và các loại vi điều khiển đó đều thỏa mãn được các chỉ tiêu đề ra Tuy nhiên 2 loại PIC và Motorola không có tích hợp truyền nhận không dây hoặc khi sử dụng chúng ta phải thiết kế thêm nhiều các thành phần phụ trợ rắc rối khác vì thế khi thiết kế hệ thống có thể gặp nhiều khó khăn, phức tạp Vi điều khiển CC1010 được lựa chọn để làm nút mạng là thích hợp hơn tất cả các loại khác mà em từng được biết vì nó đã thỏa mãn được những yêu cầu đã đặt ra

Vi điều khiển CC1010 được cung cấp bởi hãng điện tử nổi tiếng Chipcon, có lõi tương thích với vi điều khiển 8051 Vi điều khiển CC1010 là dòng vi điều khiển mạnh ,kích thước nhỏ ,tiêu thụ năng lượng ít ,có thời gian sống dài ,có đủ tài nguyên phần cứng để đáp ứng chức năng mạng và chức năng cảm ứng thích hợp cho các ứng dụng truyền nhận không dây, CC1010 được tích hợp nhiều các tính năng phục vụ cho các ứng dụng không dây như

bộ truyền nhận vô tuyến, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ lập trình Flash Vì vậy CC1010 chỉ cần đến rất ít các thành phần phụ khác để có thể trở thành một nút mạng cảm nhận không dây

Đặc điểm chung của vi điều khiển CC1010

- Vi điều khiển CC1010 có lõi là vi điều khiển 8051

- Tốc độ xử lý được nâng cấp nhanh hơn 2.5 lần so với 8051 chuẩn

- Có 32kb flash, 2048 + 128 Byte SRAM

- Có 4 bộ định thời

- Có 2 cổng UART, RTC

- Có 3 kênh ADC 10 Bit

- Giao diện lập trình SPI

- Bộ mã hóa DES tích hợp bên trong

- Có 26 chân vào ra chung

- Cần rất ít thành phần bên ngoài

- Độ nhạy cao (-107 dBm)

- Nguồn nuôi từ 2,7 – 3,6 V

- Có bộ thu phát sóng vô tuyến 300 – 1000 MHz

- Tiêu thụ dòng thấp ( 9.1 mA trong chế độ thu )

- Công suất phát có thể lập trình được ( lên đến +10 dBm )

- Tốc độ thu phát dữ liệu lên đến 76.8 kbit/s

3.3.1 Bộ nhớ Flash:

CC1010 có tích hợp 32-kbyte bộ nhớ lập trình flash Nó được chia thành

256 trang, mỗi trang dài 128 byte Nó có thể được lập trình hoặc xoá dữ liệu thông qua giao diện nối tiếp SPI hoặc thông qua vi nhân 8051 Tuổi thọ của

bộ nhớ Flash thường là 20.000 lần ghi/xoá Bộ nhớ Flash có thể được khoá để không đọc/ghi được bằng cách thiết lập bít tương ứng thông qua giao diện nối tiếp Việc xoá chíp phải được thực hiện trên bộ nhớ không bị khoá Ðiều này cho phép ngăn chặn phần mềm không bị copy trái phép

3.3.2 Các cổng vào – ra chung:

Vi điều khiển CC1010 có tất cả 4 cổng vào - ra chung đó là: P0, P1, P2, P3 Mỗi cổng liên kết với 2 thanh ghi là:Thanh ghi cổng (P0, P1, P2, P3) và Thanh ghi hướng (P0dir, P1dir, P2dir, P3dir) Mỗi bit trên thanh ghi Px được liên kết với bit tương ứng trên thanh ghi hướng PxDIR Việc thiết lập PxDIR.y sẽ làm cho chân Px.y trở thành đầu nhập dữ liệu và đưa vào bit Px (y) Tất cả các chân đều là chân nhập dữ liệu khi mà reset lại chip Việc xóa bit hướng PxDir.y sẽ làm cho chân Px.y trở thành chân xuất dữ liệu từ thanh ghi Px(y) Một số cổng có những hàm chức năng thêm vào (ví dụ như giao diện SPI) Các chức năng này có thể được dùng thông qua các thanh ghi khác (như SPCR.SPE) Các chức năng thêm vào này có thể ghi đè lên bit hướng được thiết lập trong PxDIR hoặc là không Khi đọc thanh ghi Px, dữ liệu sẽ lấy từ bộ đệm (Pad) Khi sử dụng các lệnh ghi - đọc dữ liệu thì giá trị của thanh ghi xuất dữ liệu sẽ bị thay đổi bất chấp việc thiết lập các bit hướng trong PxDIR

Hình 3.1: Các cổng vào / ra chung 3.3.3 Các bộ định thời:

Vi điều khiển CC1010 có chứa 4 bộ định thời / bộ đếm của vi nhân 8051 chuẩn (Timer0 và Timer1), chúng có thể hoạt động như một bộ định thời với xung nhịp dựa trên đồng hồ hệ thống hoặc hoạt động như một bộ đếm với xung nhịp dựa trên T0 (p3.4 cho Time 0) hoặc T1 (p3.5 cho Time 1) Mỗi bộ định thời /bộ đếm có một thanh ghi 16 bit có thể ghi đọc được thông qua TL0

và TH0 cho Timer 0 và TL1 và TH1 cho Timer 1 Ngoài 2 bộ định thời trên CC1010 còn cung cấp thêm 2 bộ định thời Timer2 và Timer3 có khả năng điều chỉnh độ rộng xung Chế độ hoạt động của 2 bộ định thời này có thể được thiết lập thông qua thanh ghi TCON2 có địa chỉ 0xA

Hình 3.2: Các thanh ghi của bộ định thời

3.3.4 Các cổng nối tiếp

CC1010 có tích hợp 2 cổng nối tiếp 0 và 1 Hai cổng này được điều khiển thông qua thanh ghi SCON0 và SCON1 Dữ liều vào ra trên hai cổng này sẽ được lưu tạm thời thông qua các thanh ghi đệm SBUF0 và SBUF1 Cổng nối tiếp 0 được sử dụng trong các giao tiếp chung Trong khi đó cổng nối tiếp 1 được dùng chủ yếu cho mục đích gỡ rối

3.3.5 Các bộ biến đổi ADC:

Bộ biến đổi ADC tích hợp trên chip được điều khiển bởi thanh ghi ADCON và ADCON2 Có 2 chân analog được dùng để lấy mẫu được điều khiển bởi ADCON.ADADR Thanh ghi này được dùng để lựa chọn chân AD1 như là chân so sánh bên ngoài (khi đang dùng AD0) Ðiện thế so sánh được điều khiển bởi ADCON.ADCREF Bit ADCON.AD_PD được lập khi ADC không được dùng để tiết kiệm điện năng

Bộ biến đổi ADC hoạt động 1 trong 4 chế độ được lựa chọn bởi bit ADCON.ADCM Mỗi lần biến đổi thì mất 11 chu kì xung nhịp Trong chế độ xung nhịp 1 khi POWER.PMODE được thiết lập thì đồng hồ 32 kHz được đưa trực tiếp vào bộ biến đổi ADC Trong chế độ xung nhịp 0, xung nhịp đầu vào của ADC lấy từ bộ dao động chính bằng cách sử dụng bộ chia được lựa

chọn bởi ADCON2.ADCDIV Thanh ghi phải được thiết lập để tần số xung nhịp của ADC phải nhỏ hơn hoặc bằng 250 kHz

Trong chế độ chuyển đổi đơn mỗi lần chuyển đổi được thiết lập bằng việc đặt bít điều khiển ADCON.ADCRUN Cờ ngắt EXIF.ADIF và ADCON2.ADCIF được đặt bởi phần cứng nếu 8 bit của giá trị mẫu sau cùng lớn hơn hoặc bằng giá trị được lưu trữ trong thanh ghi ADTRH Một thủ tục ngắt sẽ được thực thi nếu các cờ ngắt này được thiết lập Ðể luôn luôn nhận được một ngắt khi mà hoàn thành việc chuyển đổi thì ADTRH phải được đặt bằng 0 Khi việc chuyển đổi hoàn thành thì bit điều khiển ADCON.ADCRUN

bị xóa bởi phần cứng

Trong chế độ đa chuyển đổi thi ADC bắt đầu với lần chuyển đổi mới sau mỗi 11 chu kì xung nhịp Tất cả lần chuyển đổi sẽ ngừng lại khi xóa bit ADCON.ADCRUN sau đó ADC sẽ bỏ qua các tiến trình và ngừng hoạt động Trong tất cả các chế độ hoạt động khi mà 8 bit của giá trị mẫu lớn hơn hoặc bằng giá trị được ghi ở trong thanh ghi ADTRH thì một hành động được diễn ra:

¾ Ða chuyển đổi - có nối tiếp: Khi việc so sánh ngưỡng có giá trị

TRUE thì một ngắt được sinh ra và một thủ tục phục vụ ngắt tương ứng được thực hiện nếu các cờ ngắt EIE.ADIE và ADCON2.ADCIE được bật ADC sẽ thực hiện tiếp tục các quá trình chuyển đổi mà không quan tâm tới kết quả của việc so sánh ngưỡng Ðể luôn luôn nhận được ngắt khi quá trình biến đổi được hoàn thành thì ADTRH phải được đặt =0

¾ Ða chuyển đổi - có dừng: Khi việc so sánh ngưỡng có giá trị TRUE

thì một ngắt được sinh ra và một thủ tục phục vụ ngắt tương ứng được thực hiện nếu các cờ ngắt EIE.ADIE và ADCON2.ADCIE được bật ADC sẽ dừng hoạt động và bit ADCON.ADCRUN được xóa

¾ Ða chuyển đổi nạp lại: Khi đã vượt qua ngưỡng thì một quá trình

khởi động lại hệ thống sẽ được sinh ra Chế độ này thường được sử dụng cùng

với chế độ Stop Mode của 8051 và bộ dao động 32 kHz để tiết kiệm điện năng

trong khi giám sát tín hiệu Giá trị được lưu trữ trong ADDATH và ADDATL

không bị ảnh hưởng khi reset hệ thống

3.4 Kết luận

Trong chương 3 đã giới thiệu một số các kiến thức cơ bản về vi điều khiển CC1010, các đặc điểm chính, các thành phần mà ta sẽ tiến hành làm việc trực tiếp đó là lập trình cho nó, một nội dung quan trọng nữa là các kiến thức về loại màn hình được chọn để hiển thị kế quả của nút gốc sau khi nhận được dữ liệu từ các nút cơ sở đó là loại màn hình tinh thể lỏng – LCD 1602A,

cơ chế hiển thị và cách thức làm việc của nó

do của sự phát triển vượt bực này xuất phát từ những nhu cầu bức thiết từ thực tế và những bước tiến mạng mẽ trong công nghệ phần cứng Một phần mềm nhúng phải kết hợp chặt chẽ với môi trường của nó bao gồm phần cứng

và các hệ thống liên quan Nó có những ràng buộc về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và mức tiêu thụ điện năng…Một phần mềm nhúng tốt là phần mềm phải đảm bảo được các yếu tố trên và đó cũng là hướng phát triển quan trọng của các phần mềm nhúng Điểm mấu chốt của các phần mềm nhúng ngày nay là việc lựa chọn các phương pháp thực thi của một chức năng giống như một thành phần “cứng” của phần mềm như các thành phần truyền thông khác

4.2 Các bước để xây dựng một phần mềm nhúng

Phần mềm viết cho các họ vi xử lý có thể sử dụng các ngôn ngữ khác nhau như C/C++ hoặc Assembler Tùy theo tiêu chí xây dựng hệ thống mà lựa chọn ngôn ngữ thích hợp Từ đó cũng chọn ra chương trình dịch thích hợp Ngày nay nhu cầu phát triển hệ thống nhanh, bảo trì dẽ dàng nên dùng ngôn ngữ được lựa chọn thường là ngôn ngữ cấp cao như C/C++

Quy trình xây dựng một phần mềm bất kỳ thường trải qua các bước như sau:

- Tìm hiểu bài toán

- Phân tích

- Thiết kế

- Kiểm thử

Việc xây dựng một phần mềm nhúng cũng tuân theo trình tự các bước như trên Ngoài ra, phần mềm nhúng còn có đặc trưng là làm việc trực tiếp với phần cứng Do đó để kiểm soát quá trình làm việc với các thành phần chấp hành có đúng đắn không là điều kiện rất quan trọng

4.3 Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010

Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010 được viết bằng ngôn ngữ C, sử dụng các thư viện cho CC1010 do hãng chipcon cung cấp, sử dụng chương trình dịch Keil uVersion 2.0

Chương trình dịch Keil uVersion 2.0 do hãng Keil Electronic GmbH xây dựng là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) dùng để xây dựng các chương trình cho các họ vi điều khiển tương thích họ 8051 của Intel Đây là

bộ chương trình dịch cho phép người viết chương trình soạn thảo chương trình, dịch chương trình và gỡ lỗi trên cùng một môi trường Chương trình dich hỗ trợ cả C và Assembly

Phần mềm nhúng cho hệ được thiết kế nhằm mục đích sử dụng hệ thống

để cảnh báo sự kiện nguy hiểm ( vượt mức thông thường về nhiệt độ) Tức là nếu thông tin nhiệt độ mà nút mạng thu nhận được vượt quá ngưỡng nào đó thì nút gốc sẽ đưa ra cảnh báo Phần mềm được thiết kế để hệ hoạt động trong

2 trường hợp:

4.3.1 Trường hợp truyền đơn bước

Các nút mạng cảm nhận được nhiệt độ và truyền không dây trực tiếp về nút gốc Nút gốc tập hợp dữ liệu, hiển thị lên màn hình LCD Sau đó nút gốc

sẽ tiến hành kiểm tra nhiệt độ các nút mạng xem có nút nào vượt quá ngưỡng không, từ đó đưa ra các phán đoán và cảnh báo cần thiết

4.3.2 Trường hợp truyền đa bước

Nút mạng cảm nhận nhiệt độ và truyền gián tiếp thông tin về nút gốc thông qua các nút trung gian Bản thân các nút trung gian có thể mang dữ liệu hoặc không Nút gốc nhận thông tin từ các nút mạng thông qua các nút trung gian, hiển thị lên màn hình LCD, và đưa ra các kết luận cần thiết Trường hợp

truyền đa bước chỉ mang tính chất thử nghiệm, tức là truyền nhận được dữ liệu thông qua nút trung gian, chưa tính toán đến vấn đề cản nhiễu hay xung đột

Thiết kế phần cứng chỉ thiết kế khối truyền (nút mạng) và khối nhận (nút gốc) Nút trung gian được tạo ra bằng cách dùng một phần mềm điều khiển khác nạp cho nút mạng bình thường để biến một nút cảm nhận đó thành một nút trung gian Trường hợp truyền đa bước này là một khác biệt so với các nghiên cứu trước đây

Giới thiệu Bộ công cụ Development Enviroment IDE với thư viện

hàm hỗ trợ:

Bộ công cụ Development Enviroment IDE do hãng Chipcon cung cấp giúp ta lập trình và nạp cho chip CC1010 Chip có thể nạp trực tiếp khi kết nối bộ CC1010EM với bộ C1010EB mà không cần phải tháo Chip CC1010 khỏi bo mạch

Môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Enviroment dựa trên chip CC1010 IDE bao gồm giao diện đồ hoạ quản lý các dự án, một

bộ soạn thảo chương trình nguồn, bộ mô phỏng cho hỗ trợ nhiều thiết bị khác nhau, và các bộ biên dịch, liên kết CC1010IDE hoạt động dựa trên μVision2b là một công cụ phát triển phần mềm của hãng Keil Elektronik GmbH Công cụ này hỗ trợ tốt các đặc tính của CC1010IDE và các vi điều khiển khác dựa trên kiến trúc của bộ vi xử lý 8051

CC1010IDE bao gồm nhiều các file nguồn để hỗ trợ và đơn giản hoá công việc lập trình phát triển chương trình Bên cạnh thư viện C chuẩn, IDE còn có các file nguồn khác được chia thành 4 nhóm:

- Hardware Definition Files (HDF)

- Hardware Abstraction Library (HAL)

- Chipcon Utility Library (CUL)

- Application examples

Hình 4.1: Thư viện Chipcon

Trong đó:

Hardware Definition Files (HDF): chứa địa chỉ của các thanh ghi, bản

đồ vector ngắt và các hằng số phần cứng khác đều được xác định trước Nó bao gồm các macro dành cho CC1010EB và các định nghĩa chung khác hỗ trợ

4.3.3 Thiết kế phần mềm nhúng

4.3.3.1 Phần mềm cho hệ truyền đơn bước ( single hop)

Trong hệ này giả sử ta chỉ truyền từ các nút mạng về trung tâm Mỗi nút mạng này ta sẽ gắn 1 địa chỉ Mỗi nút mạng khác nhau sẽ có một địa chỉ khác

nhau Muốn thu dữ liệu từ nút đơn nào ta chỉ việc kiểm tra địa chỉ nút đó, nếu đúng địa chỉ thì sẽ tiến hành xử lý dữ liệu để hiển thị

Phần mềm nhúng cho hệ đơn bước phải bao gồm 2 phần mềm:

¾ Phần mềm 1( software 1 single hop SW1-SH ):

Cài đặt cho nút mạng (bộ truyền), đảm bảo rằng khi nút mạng nhận được tín hiệu từ cảm biến thì sẽ thực hiện số hóa tín hiệu, điều chế và đưa lên Anten phát Phần mềm này cũng phải đảm bảo rằng nút mạng có khả năng hoạt động độc lập, có chế độ ngủ đông để tiết kiệm pin

¾ Phần mềm 2 ( software 1 single hop SW2-SH ):

Cài đặt cho nút gốc (bộ nhận ), đảm bảo rằng khi nút gốc nhận được tín hiệu vô tuyến của các nút mạng thì sẽ tiến hành phân tích, kiểm tra địa chỉ, sau đó lọc ra thông tin nhiệt độ, điều khiển hiển thị lên màn hình LCD Phần mềm 2 này còn phải bao gồm cả việc điều khiển phân tích dữ liệu và đưa ra các phán đoán xử lý kịp thời, hay đơn giản là hiển thị dữ liệu cho quan sát viên ở trung tâm xử lý có thể nhận biết được

Trong khi viết các phần mềm này, có thể sử dụng một vài hàm trong thư viện hàm mà nhà sản xuất cung cấp

a) Phần mềm 1 (software 1 single hop SW1-SH)

♦ Thuật toán

Nút mạng thực hiện việc cảm nhận, số hóa và truyền tín hiệu nhiệt độ đã

số hóa đến nút gốc Theo cấu trúc phần cứng của CC1010, để tiết kiệm nguồn nuôi, sau mỗi lần phát tín hiệu, ta sẽ đặt nút mạng vào trạng thái Hibernate (ngủ đông) Sau đó lại cho tiếp tục phát Chu trình hoạt động của nút mạng theo một vòng lặp như sau:

- Phát tín hiệu số hoá của nhiệt độ lấy từ chân AD1

- Đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên từ 0 đến 250* 8ms (trong lúc này tiến hành ngủ đông cho nút mạng)

- Phát tín hiệu số hoá của nhiệt độ lấy từ chân AD1

Hình 4.3: Thuật toán cho nút truyền trường hợp single hop

- Hàm truyền nhiệt được viết như sau:

void tbcTransmit (void) {

word xdata temp;

// Khoi dong ADC

ADC_SAMPLE_SINGLE();

temp = ADC_GET_SAMPLE_10BIT();

// Cap nhat bang

txDataBuffer[TBC_TEMP_OFFSET] = (temp >> 8) & 0xFF;

txDataBuffer[TBC_TEMP_OFFSET + 1] = temp & 0xFF;

nodeTemps[0] = temp;

nodeLastT[0] = (int) sppGetTime();

// Truyen thong tin

sppSend(&TXI);

do { /*nothing*/ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE);

} // tbcTransmit

- Hàm đợi ngẫu nhiên:

// doi 1 khoang ngau nhien (0 to 255*8=2040)

void tbcWaitRandom (void) {

byte xdata time;

Hình 4.4: Thuật toán cho nút gốc trường hợp truyền single hop

// thông báo không có số liệu }

} }

- Đoạn hiển thị lên LCD dùng một số hàm được viết ở trong file thư viện: lcd.h điều khiển LCD ở chế độ 4 bit:

+ Để in một xâu ra LCD cần thực hiện các động tác:

lcd_init();

lcd_com(a); // a là đặt địa chỉ trên màn hình ta cần in lcd_puts("xâu cần in ");// phần trong dấu nháy kép là dòng cần in

+ Để in nhiệt ra LCD cần chuyển dữ liệu thành dạng chuỗi, ở đây

dữ liệu trong biến fTemp được chuyển thành chuỗi bằng lệnh:

Char so[15]; // khai báo chuỗi “so”

sprintf(so,"%2.3f",fTemp); // chuyển giá trị biến ra chuỗi

- Ví dụ: Với khai báo:

char so[15] // khai báo xâu tên nút mạng và: sprintf(not,"%2d",p);

đoạn chương trình sau được đặt vào vòng lặp để kiểm tra tính an toàn của hệ thống:

// Phan doan he thong:

if (fTemp<70){

lcd_init(); // khởi tạo LCD

lcd_com(15); // đặt con trỏ lên dòng đầu

lcd_puts(" Nhiet not ");

lcd_puts(not); // in tên nút mạng cần hiển thị

lcd_com(0xC0); // đặt con trỏ đầu dòng 2

lcd_puts(" An toan "); // thông báo nút an toàn delayy(10000); // quan sát trong 10s

delayy(10000);

}

4.3.3.2 Phần mềm cho hệ truyền nối tiếp nhiều bước (multi hop )

Trường hợp này ta giả sử có hệ truyền 2 bước nối tiếp Nút 1 truyền cho nút 2 ( nút trung gian), nút 2 truyền tiếp cho nút gốc, nút gốc nhận dữ liệu của nút 1 từ nút 2 và tiến hành hiển thị phân tích để đưa ra các cảnh báo về

độ an toàn Như vậy có 3 phần mềm cần được viết:

¾ Phần mềm cho nút 1 (software 1 multi hop SW1-MH): Cài đặt cho nút 1 SW1-MH = SW1- SH

Về cơ bản phần mềm này chính là phần mềm SW1- SH ở trên với địa chỉ nút 1 đặt là 1

¾ Phần mềm cho nút 2 ( software 2 multi hop SW2-MH): Cài đặt cho nút trung gian

Nhận tín hiệu, kiểm tra địa chỉ nếu, nếu tín hiệu thu được là của nút 1 thì

sẽ tiến hành đem dữ liệu đó truyền tiếp Về cơ bản nút trung gian có cấu trúc giống hệt nút 1 nhưng được cài đặt bằng phần mềm khác để chỉ đóng vai trò vận chuyển mà không có vai trò cảm nhận Trong phần mềm sẽ không có đoạn kết nối LM61 với kênh AD1

¾ Phần mềm cho nút gốc ( software 3 multi hop SW3-MH) : SW3-MH Phần mềm này đảm bảo cho nút 3 nhận dữ liệu liên tục, kiểm tra nếu đúng dữ liệu do nút 2 gửi đến thì cho phép hiển thị và tiến hành phân tích để

xử lý hiển thị và đưa ra dạng cảnh báo