Sử dụng máy tính làm dao động kí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SỬ DỤNG MÁY TÍNH LÀM DAO ĐỘNG KÍ TRẦN VIỆT HÀ NỘI 2008 USB SIGNAL VIEW LỜI CẢM ƠN Luận văn thực hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Chuyết, đánh giá khoa học thầy phản biện giúp đỡ thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Em xin chân thành cảm ơn thầy cô ! Hà nội 4/2008 Trần Việt MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Căn máy dao động kí kỹ thuật số Error! Bookmark not defined 1.1.1 Sơ đồ khối máy dao động kí ký thuật số .4 1.1.2 Nội suy trước hiển thị 1.2 Bộ phận thu nhận mẫu dao động kí số sử dụng máy tính 1.2.1 Dùng Sound Card 1.2.2 Dùng ngoại vi cắm PCI 1.2.3 Dùng ngoại vi gắn qua cổng USBError! Bookmark not defined CHƯƠNG CHỨC NĂNG TỪNG THÀNH PHẦN CỦA BỘ ĐO 2.1 Phần cứng 2.2 Phần mềm 10 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHẦN CỨNG 17 3.1 Giải pháp chọn linh kiện cho phần cứng 17 3.1.1 Sơ đồ chức thiết bị ngoại vi 17 3.1.2 Kết nối USB lựa chọn thích hợp 17 3.1.3 Họ vi điều khiển AVR chi phí thấp,hiệu cao 18 3.2 Chíp USB-SERIAL Converter FT232BM 19 3.2.1 Cấu hình 19 3.2.2 Sơ đồ chân 20 3.2.3 Sơ đồ nguyên lí FT232BM 21 3.3 Vi điều khiển ATMEGA8535 21 3.3.1 Cấu hình 21 3.3.2 Sơ đồ chân kiểu PDIP .23 3.3.3 Sơ đồ nguyên lí ATMEGA8535 24 3.3.4 Sơ đồ nhớ ATMEGA8535 25 3.3.5 Hoạt động ADC ATMEGA8535 26 3.3.5.1 Các ghi cổng thiết lập chế độ hoạt động 26 3.3.5.2 Đưa ADC vào hoạt động 29 3.3.5.3 Hoạt động UART ATMEGA8535 .31 CHƯƠNG VIẾT FIRMWARE CHO PHẦN CỨNG 33 4.1 Một số lệnh hợp ngữ cho AVR môi trường AVR Studio .33 4.1.1 Nhóm lệnh với ghi đa 33 4.1.2 Nhóm lệnh rẽ nhánh 34 4.1.3 Nhóm lệnh làm việc với ghi cổng .36 4.1.4 Các lệnh khác 37 4.2 Một số ghi cổng ATMEGA8535 .37 4.2.1 SREG 37 4.2.2 SPH,SPL .39 4.2.3 DDRB 39 4.2.4 PORTB 39 4.3 Firmware 40 4.3.1 Khởi tạo 40 4.3.2 Giải thuật 41 4.3.3 Chương trình .43 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM 49 5.1 Giải thuật Error! Bookmark not defined 5.2 Chọn môi trường cài đặt 50 5.3 Điều khiển MicroSoft Comm Control Visual Basic 50 5.3.1 Đưa điều khiển vào Project Error! Bookmark not defined 5.3.2 Một số thuộc tính MicroSoft Comm Control .51 5.3.2.1 Handshaking 51 5.3.2.2 Rtheshold 52 5.3.2.3 Settings 53 5.3.2.4 InBufferCount Error! Bookmark not defined 5.3.2.5 Input 53 5.3.2.6 Inputlen 53 5.3.2.7 Output .53 5.3.2.8 Commport 53 5.3.2.9 Portopen 54 5.4 Thủ tục để nhận biết thiết bị ngoại vi .Error! Bookmark not defined 5.4.1 Kiểm tra xem cổng có gắn thiết bị khôngError! Bookmark not defined 5.4.2 Liệt kê tất cổng xem cổng gắn thiết bị 57 5.5 Một số thủ tục đồ họa 59 5.5.1 Thủ tục vẽ đường thẳng 59 5.5.2 Thủ tục vẽ chuỗi đường thẳng Error! Bookmark not defined 5.5.2.1 Public Sub ve() .Error! Bookmark not defined 5.5.2.2 Public Sub the_line() 61 5.6 Chương trình xử lí ngắt cổng Com 63 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM,HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 6.1 Xác định điện áp,tần số 64 6.2 Đo thử tín hiệu điều chế điều khiển từ xa TiVi Sony 64 6.3 Hướng phát triển đề tài 67 6.3.1 Phần cứng 67 6.3.2 Thêm chức cho phần mềm 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 TÓM TẮT 72 USB SIGNAL VIEW MỞ ĐẦU Dao động kí thiết bị thiếu thử nghiệm điện tử,nó thiết bị hiển thị biến thiên điện áp theo thời gian,thợ sửa chữa dùng vào việc dò tìm tín hiệu,căn chỉnh động ,người thiết kế dung để kiểm nghiệm lại vừa xảy mạch thiết kế, điều làm giảm nhiều chi phí khâu phải làm mạch chức để kiểm tra quan sát trực quan.Dao động kí thể ứng dụng cho nhiều ngành khác biết cách chuyển thông tin phi điện sang tín hiệu điện Dao động kí có hai loại dao động kí tương tự dao động kí số,loại tương tự thích hợp với thợ sửa chữa khả lưu hình giá vài triệu đồng máy có dải thông 20Mhz,tốc độ lấy mẫu dao động kí số ngày cao nên ưu điểm thời gian thực động kí tương tự mờ nhạt mặt khác dao động kí số có nhiều chức có vi xử lí không đơn hiển thị dao động kí tương tự nhược điểm giá ,hiện dao động kí số loại dải thông 20Mhz nghìn USD.Các trình bày sau luận văn đề cập đến dao động kí số Không phải thử nghiệm cần đến dao động kí cao tần mà bỏ số tiền không nhỏ để đầu tư máy lãng phí,nên có nhiều công ty cho đời phần mềm dùng máy tính để làm dao động kí phần mềm “Virtins Sound Card Oscilloscope “ hãng Virtins Technology bán với giá 35$ ,bộ đo có ưu điểm gọn nhẹ,vì dùng Sound Card để lấy mẫu tín hiệu , nhược điểm không quan sát điện áp âm lấy mẫu tín hiệu USB SIGNAL VIEW 20khz Một loại khác dung máy tính sử dụng ngoại vi bên “PC USB Oscilloscope DiSco” hãng HobbyLab dùng ngoại vi bên chạy qua cổng USB có kênh đo ,tần số lấy mẫu kênh đến 200khz không đo điện áp âm, so với lẫy mẫu qua Sound Card có ưu điểm tốc độ nhược điểm giá đo 169$ Từ phân tích nên đề tài với mục đích “Dùng máy tính làm dao động kí” tần số lấy mẫu chưa cao chưa đo điện áp âm hướng phát triển đề tài có khả quan đề tài xây dựng ngoại vi chạy qua cổng USB nên cải thiện phẩm chất linh kiện để đạt mục đích tốc độ USB SIGNAL VIEW CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 CĂN BẢN VỀ MÁY DAO ĐỘNG KÍ SỐ: 1.1.1 Sơ đồ khối máy dao động kí số: + Tín hiệu cần đo có điện áp cao vượt qua giới hạn đo máy cần phân áp,sau cho qua khuyếch đại thuật toán để tránh suy giảm tín hiệu + Tiếp theo tín hiệu đưa đến chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ,tại tín hiệu lấy mẫu rời rạc theo thời gian chuyển đổi điện áp tín hiệu lấy mẫu điểm thành giá trị số chúng gọi điểm mẫu + Tần số lấy mẫu hệ thống ngang định khoảng cách thời gian điểm lấy mẫu + Các điểm mẫu tạo từ ADC lưu nhớ ,được xử lí hiển thị hình + Hệ thống dọc,ngang Trigger chỉnh để kích thước mẫu phù hợp với khả quan sát máy USB SIGNAL VIEW 1.1.2 Nội suy trước hiển thị: + Trong trường hợp lẫy mẫu tín hiệu biến đổi chậm,dao động kí số dễ dàng hợp nhiều điểm mẫu để xây dựng hình ảnh tương đối xác dạng song + Với tín hiệu biến đổi nhanh dao động kí số hợp đủ mẫu để xây dựng dạng sóng mà nội suy từ điểm mẫu có tạo hình ảnh chân thực dạng sóng USB SIGNAL VIEW 1.2 BỘ PHẬN THU NHẬN MẪU CỦA DAO ĐỘNG KÍ SỐ SỬ DỤNG MÁY TÍNH: 1.2.1 Dùng Sound Card: + Để sử dụng máy tính thiết bị tín hiệu điện áp biến đổi theo thời gian cách đơn giản dùng Sound Card đường line in Microphone Sound Card nối với ADC có tần số lấy mẫu 44,1khz + Cách lấy mẫu ứng dụng nhiều phần mềm như: - Konstantin Zelnovich Oscilloscope 2.51 - Virtins Sound Card Oscilloscope 1.0 + Đây phương án tiết kiệm chi phí Sound Card lấy mẫu tín hiệu có tần số 20khz không lấy mẫu điện áp âm 1.2.2 Dùng ngoại vi cắm khe PCI: USB SIGNAL VIEW + Chương trình: Public Sub TESTPORT(PORT As Byte) Dim I As Integer On Error GoTo THOAT ‘ thoát cổng không tồn If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False End If MSComm1.CommPort = PORT If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False End If MSComm1.RThreshold = ‘ Đọc liệu từ cổng đệm nhận có kí tự MSComm1.PortOpen = True MSComm1.Output = Chr(83) ' yêu cầu dừng ADC MSComm1.InBufferCount = LAYMA = False I=1 MSComm1.Output = Chr(52) ‘ yêu cầu ngoại vi gửi mã thiết bị Do I=I+1 53 USB SIGNAL VIEW DoEvents Loop Until (LAYMA = True) Or (I > 30000) If (MA0 = 84) And (MA1 = 86) Then SETCOM = True ‘ Nếu mã thiết bị hợp lệ chấp nhận Exit Sub End If THOAT: End Sub 5.4.2 Liệt kê tất cổng xem cổng kết nối với thiết bị: Public Sub DETECTDEVICE() + Các cổng Com PC đánh số từ trở đi, thường PC số thiết bị ngoại vi không nhiều nên chương trình duyệt cổng từ đến 16 thấy ngoại vi,tức SETCOM=TRUE dừng 54 USB SIGNAL VIEW + Giải thuật: START SETCOM=FALSE I=1 I=1 I < 17 I=I+1 Call TESTPORT(I) SETCOM ?=TRUE SETCOM=TRUE COMPORT = I DONE + Chương trình: Public Sub DETECTDEVICE() Dim I As Byte SETCOM = False I=1 Do l.Caption = "DETECTING DEVICE " & I DoEvents 55 USB SIGNAL VIEW Call TESTPORT(I) I=I+1 If I > 16 Then I=1 End If Loop Until SETCOM = True ‘ kiểm tra cổng từ đến 16 tìm ngừng trao quyền ‘ cho nút lệnh RUN giao diện MSComm1.RThreshold = 3010 MSComm1.Output = Chr(69) MSComm1.PortOpen = False RUN.Caption = "START" End Sub 5.5 MỘT SỐ THỦ TỤC VỀ ĐỒ HỌA: 5.5.1 Thủ tục vẽ đường thẳng: Line –(x,y), màu + Thủ tục vẽ đường thằng có màu định từ tọa độ thời đến tọa độ (x,,y) , vd: + currentx = currenty = line -( 300,500) , vbred Ba lệnh cho ta đường thẳng màu đỏ tử tọa độ (2,5) đến tọa độ (300,500) 56 USB SIGNAL VIEW 5.5.2 Thủ tục vẽ chuỗi đường thẳng: 5.5.2.1 Public Sub ve() + Sau 3000 giá trị đệm nhận kiện On_Com tự động dọc trị vào mảng C() , hình dạng tín hiệu chuỗi đường thẳng nối giá trị vào nhau,số giá trị nhiều đường tín hiệu trơn + Mỗi lần lấy mẫu 88µs mà sau 3000 giá trị vẽ,ta chọn khoảng thời gian quan sát số giá trị vẽ tương ứng sau: Thời gian Số điểm Số khung cần vẽ Khoảng cách hai khung lần đọc liệu điểm kề (pixel) hình khung (3000 mod sodiem) ( bước=6000/sodiem) 88ms 100 30 60 17.6ms 200 15 30 44ms 500 12 88ms 1000 176ms 2000 264ms 3000 + Màn hình đồ họa chia làm 6000 điểm chiều ngang (chiều thời gian) 4000 điểm chiều dọc (chiều điện áp) với : - góc trái có tọa độ (-3000,2000) - góc phải có tọa độ (3000,-2000) - đường thằng điện áp V=0 qua điểm (-3000,0) ( 3000,0) - đường thẳng điện áp V=5 qua điểm (-3000,200) (3000,2000) giá trị bit C(i) có giá trị điện áp round(C(I)*(2000/256)) 57 USB SIGNAL VIEW + Thủ tục vẽ chuỗi đường thẳng nối điểm khung hình: Public Sub ve() Dim I, K As Integer sokhung = sobyte \ sodiem truoc = sau = sodiem Cls Call THANG ‘ chương trình vẽ thang điện áp thời gian CurrentX = -3000 CurrentY = Round(C(0) * (2000 / 256)) ' -For I = truoc To sau Line -(Round(CurrentX) + buoc, Round(C(I) * (2000 / 256))), vbRed Next I ' -hs.Max = hs.Min + sokhung - End Sub 5.5.2.2 Public Sub the_line() + Thủ tục vẽ khung hình hết tất 3000 giá trị: Public Sub the_line() Dim I, K As Integer sokhung = sobyte \ sodiem 58 USB SIGNAL VIEW truoc = sau = sodiem For K = To sokhung Cls Call THANG CurrentX = -3000 CurrentY = y_batdau For I = truoc To sau Line -(Round(CurrentX) + buoc, Round(C(I) * (2000 / 256))), vbRed Next I y_batdau = Round(C(sau) * (2000 / 256)) truoc = truoc + sodiem sau = sau + sodiem Next K hs.Max = hs.Min + sokhung - End Sub 5.6 CHƯƠNG TRÌNH CON XỬ LÍ NGẮT: + Khi số kí tự đệm nhận lớn giá trị thuộc tính Rtheshold chương trình phục vụ ngắt OnComm dược gọi + Tại chương trình SETCOM=FALSE tức chưa nhận thiết bị ta lấy byte đệm để so sánh với mã thiết bị 59 USB SIGNAL VIEW + Nếu SETCOM=TRUE gọi chương trình ve() để vẽ hình dạng tín hiệu + Sau chương trình: Private Sub MSComm1_OnComm() sobyte = MSComm1.InBufferCount C = MSComm1.Input LAYMA = True MA0 = C(0) MA1 = C(1) If SETCOM And dachay Then Call ve End If End Sub 60 USB SIGNAL VIEW CHƯƠNG THỬ NGHIỆM ,HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 XÁC ĐỊNH ĐIỆN ÁP TẦN SỐ: + Để xác định điện áp điểm ta click chuột vào điểm đó,trên giao diện chương trình hiển thị điện áp thời gian tương đối điểm khung quan sát + Hai lần click ta biết khoảng thời gian từ điểm đến điểm kia,từ xác định chu kỳ tín hiệu tuần hoàn 6.2 ĐO THỬ TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ CỦA ĐIỀU KHIỂN TỪ XA TIVI SONY: + Dùng điều khiển tivi Sony phát vào Phototransitor , Phototransitor suốt với sóng mang từ 35khz đến 50khz ( thực tế thiết bị đề tài không đo sóng mang 35khz >> 5,7 khz mà đo tín hiệu điều chế ,tức mã phát ra) đầu Phototransitor phủ định,tức có sóng mang tới Vout=0 , sóng mang Vout=V nguồn + Dùng que đo đầu Phototransitor để nhìn mã điều khiển từ xa phát + Giao thức điều khiển từ xa Sony: - Mỗi khung truyền bao gồm gói - Gói thứ xung đồng bộ, xung tạo cách phát sóng mang thời gian 2500 micro giây 61 USB SIGNAL VIEW - Gói thứ bao gồm bít mã lệnh ,bit thấp truyền trươc bit cao truyền sau - Gói thứ bao gồm bit nhận dạng thiết bị ( để phân biệt TV ,DVD,VCR….của Sony ,với TV bít này=00001 ),bít thấp truyền trước,bít cao truyền sau - Trong bit lệnh bit nhận thiết b có bit=1 ,có bit=0 mô tả sau: • bit=1 : nghỉ thời gian 650 micro giây phát sóng mang thời gian 1250 micro giây • Bit=0 : nghỉ thời gian 650 micro giây phát sóng mang thời gian 650 micro giây + Kết đo vài phím điều khiển TV Sony: - Phím số ( theo Sony mã lệnh=0 ,mã thiết bị =1) 51 USB SIGNAL VIEW - Phím on/off power (theo Sony mã lệnh 21,mã thiết bị 1) 52 USB SIGNAL VIEW + Kết đo thử cho thấy cấu trúc bít độ rộng bit trùng khớp với giao thức Sony 6.3 6.3.1 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: Phần cứng: Nâng cao tần số lấy mẫu: + Thay vi điều khiển hệ sau ARM có khả chạy với thạch anh tới 100MHz ADC có phẩm chất cao + Kết nối với PC với tốc độ chuẩn 2.0 USB Có thể đo điện áp âm: 53 USB SIGNAL VIEW + Trong ATMEGA8535 hầu hết vi điều khiển đời sau có so sánh analog , với sơ dồ nguyên lí trên,dựa vào đầu ACO ta xác định chiều tín hiệu - ACO=0 điện áp vào dương - ACO =1 điện áp vào âm + Chương trình lấy mẫu luôn hỏi vòng , điện áp dương lấy mẫu kênh ADC7 ngược lại lấy mẫu kênh ADC6 Tăng số kênh đo: + ATMEGA8535 có ADC kênh không đồng thời,muốn lấy mẫu nhiều kênh ta việc lấy mẫu luân phiên kênh điều làm 54 USB SIGNAL VIEW tốc độ kênh chậm nên điều giải vi điều khiển hệ sau 6.3.2 Thêm chức cho phần mềm: + Ngoài chức xây dựng lại hình dạng sóng,hướng phát triển để tài có thêm nhiều tính toán đáp ứng xung,đếm tần cho tín hiệu tuàn hoàn + Kết luận + Từ yêu thích chụp mã điều khiển từ xa hồng ngoại nên em tổng quát đến xây dựng đo tín hiệu tần số thấp,thử nghiệm chụp mã Sony tạo mã chụp em nhận thấy kết bước đầu chấp nhận Tivi nhận + Mặc dù đo chưa lấy mẫu tín hiệu cao tần điện áp âm em đề tài có hướng phát triển đề tài khắc phục nhược điểm + Thiết bị ứng dụng để dạy học phòng thí nghiệm đơn giản có chi phí thấp nhiều so với Oscilloscope có chức lưu hình 55 USB SIGNAL VIEW tµi liÖu tham kh¶o TiÕng ViÖt Đặng Văn Chuyết – Nguyễn Tuấn Anh(2000), Cơ sở lí thuyết truyền tin, NXB Giáo Dục Ngô Diên Tập (2002), Đo lường điều khiển máy tính, NXB Khoa Học Kỹ Thuật,Hµ Néi Nguyễn Nam Trung(2000), Cấu trúc máy tính & thiết bị ngoại vi, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hµ Néi., Phạm Hữu Khang(2004), Kỹ xảo lập trình VB6, NXB Lao Động Xã Hội,TP Hồ Chí Minh John D.Lenk (1995),Những qui trình kỹ thuật thử nghiệm điện tử,NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hµ Néi TiÕng Anh Jan Axelson (1999), USB Complete ATMEL corporation (2005), ATMEGA8535 datasheet Future Technology Devices Intl Ltd (2005), FT232BM datasheet ATMEL corporation (2005), AVR instruction Set 56 ... Căn máy dao động kí kỹ thuật số Error! Bookmark not defined 1.1.1 Sơ đồ khối máy dao động kí ký thuật số .4 1.1.2 Nội suy trước hiển thị 1.2 Bộ phận thu nhận mẫu dao động kí số sử dụng. .. cập đến dao động kí số Không phải thử nghiệm cần đến dao động kí cao tần mà bỏ số tiền không nhỏ để đầu tư máy lãng phí,nên có nhiều công ty cho đời phần mềm dùng máy tính để làm dao động kí phần... ưu điểm thời gian thực động kí tương tự mờ nhạt mặt khác dao động kí số có nhiều chức có vi xử lí không đơn hiển thị dao động kí tương tự nhược điểm giá ,hiện dao động kí số loại dải thông 20Mhz