chức năng các khối và các thành phần trong khối của kit frdm kl46z

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO MÔN HỌC CHỨC NĂNG CÁC KHỐI VÀ CÁC THÀNH PHẦN TRONG KHỐI CỦA KIT FRDM-KL46Z GVHD : Thầy Đậu Trọng Hiển SVTH : Phạm văn Doanh Trương Quốc Đạt Hoàng Văn Khoa Mai Hoàng Vinh 11/2016 14119008 14119012 14119025 14119066 Kit FRDM-KL46Z kit xây dựng dựa vi xữ lý ARM Cortex-M0+ Freescale sản xuất Sơ lượt chức Kit :  Chip ARM MKL46Z256VLL4MU, core clock 48MHz, nhớ flash 256KB, 32KB sram, tích hợp điều khiển segment LCD, USB otg  Cảm ứng điện dung (capactivie touch slider), chip ARM tích hợp controller cho touch sensing  Cảm biến Accelerometer MMA8451Q  Cảm biến từ trường magnetometer MAG3110  Linh hoạt lựa chọn nguồn, sử dụng 5V từ cổng USB máy tính,hoặc từ pin 3V3  Form factor compatible with Arduino tmR3 pin layout  Tích hợp debug Open SDA kit, sử dụng Open SDA để debug giao tiếp RS232 Hệ thống phần cứng gồm có khối chức sau : MPU Bộ vi xử lý điện Cortex có kích thước nhỏ giá thành thấp - tối ưu hóa cho thời gian không gian thiết kế hệ thống vi điều khiển ứng dụng xác định Dòng ARM Cortex xử lý loạt khả mở rộng, lượng hiệu dễ sử dụng xử lý đáp ứng nhu cầu ứng dụng nhúng thông minh kết nối ngày Cortex-M giúp nhà phát triển cung cấp nhiều tính hơn, thời gian hơn, với chi phí thấp hơn, với kết nối đa năng, tái sử dụng mã toàn diện, bảo đảm tiêu chuẩn nhà nước hiệu lượng Các vi xử lý ARM Cortex-M sử dụng ARM Thumb ® -2 - công nghệ nhằm cung cấp mật độ mã vượt trội so với 8-bit, 16bit Công nghệ Thumb-2 hỗ trợ tính củaThumb 16-bit, đồng thời mở rộng thêm tính để Thumb 32-bit mạnh mẽ Trong nhiều trường hợp, trình biên dịch C sử dụng phiên 16-bit công việc thực hiệu so với sử dụng phiên 32- bit Bộ vi xử lý ARM Cortex-M lựa chọn phổ biến cho ứng dụng nhúng, cấp phép cho 350 đối tác ARM hỗ trợ rộng rãi nhiều công ty nhúng giới với công cụ bên thứ ba rộng nhất, RTOS hỗ trợ trung gian kiến trúc Sử dụng xử lý chuẩn thiết kế cho phép đối tác ARM tạo thiết bị với sở phù hợp, cho phép họ tập trung vào việc triển khai tạo thiết bị cao cấp Cortex-M0+ có hiệu lượng cao dòng Nó xây dựng vi xử lý Cortex-M0 thành công, giữ lại đầy đủ tính đặc tính khả tương thích công cụ, đồng thời giảm mức tiêu thụ lượng tăng hiệu suất Lợi ích chính: hiệu lượng cao Cortex-M0 + xử lý đạt mức tiêu thụ điện  Năng 9.4μW / MHz (quá trình 90LP, cấu hình bản), đạt hiệu suất 2.46 CoreMark / MHz Tính linh hoạt Các xử lý Cortex-M0 + bao gồm chức tùy chọn cho  Phép nhà thiết kế để đạt phù hợp-cho mục đích giải pháp tối ưu cho loạt ứng dụng Chúng bao gồm chu trình đơn I / O giao diện để điều khiển nhanh hơn, vi vết đệm (MTB) để tăng cường gỡ lỗi, người khác mà chung cho tất vi xử lý Cortex-M, chẳng hạn đơn vị bảo vệ nhớ (MPU) vector relocatable -bàn Thời gian đưa thị trường nhanh Các xử lý Cortex-M0 + tương thích nhị  Phân để Cortex-M0 trở lên tương thích nhị phân để tất vi xử lý CortexM khác làm cho phần mềm tái sử dụng lợi thực Các nhà phát triển hưởng lợi từ quy mô hợp tác rộng lớn hãng ARM, nhờ dễ dàng việc tìm kiếm công cụ nhúng, phần mềm, sở kiến thức SYSTEM o Internal Watchdog Watchdog timer ( Cơ quan giám sát nội ) Watchdog timer đếm thời gian hoạt động liên tục nhằm tự động thực nhiệm vụ Sau khoảng thời gian định trước đếm không dừng refresh kích hoạt tác vụ định sẵn ví dụ reset thiết bị, tắt hình, phát tín hiệu cảnh báo, Trong trình đếm đếm refresh tự động đếm tiếp bắt đầu lại với thời gian Thông thường Watchdog timer nhắc đến hỗ trợ mang tính phần cứng, sử dụng phần mềm qua trình điều khiển, nhiên muốn nhìn nhận cách tổng quát mang tính khái niệm, Watchdog timer dễ dàng triển khai sở phần mềm Dưới minh họa cho chế hoạt động Watchdog timer tình phần cứng tạo nhằm giúp hệ thống tự động khởi động lại phần mềm bị treo Chức cần thiết tình thiết bị nhúng đòi hỏi phải hoạt động 24/7 camera, đầu đọc, thiết bị truyền dẫn liệu o DMA Direct memory access (DMA) phương pháp cho phép thiết bị Input/Output(I/O) gửi nhận liệu trực tiếp tới từ nhớ mà không cần thông qua CPU Quá trình quản lý vi xử lý gọi DMA controller(DMAC) Mỗi kênh DMA yêu cầu đường để thực chức Một đường cho DMA controller, đường cho CPU Một số công cụ tài nguyên hệ thống máy tính sử dụng việc giao tiếp phần cứng phần mềm Có dạng tài nguyên hệ thống bao gồm:  I/O address  Memory address  Interrupt request numbers(IRQ)  Direct memoty access(DMA) channels Các kênh DMA sử dụng để trao đổi liệu thiết bị ngoại vi nhớ hệ thống Cả dạng tài nguyên hệ thống kể hoạt động dựa vào đường cố định bus Một kênh DMA cho phép thiết bị truyền liệu không qua CPU, giảm tải cho CPU Nếu DMA, CPU phải chép liệu từ thiết bị ngoại vi o Low-Leakage Weakup Dùng vi xử lý thoát khỏi chế độ tiêu thụ điện thấp kiện bên ví dụ thay đổi trạng thái pin hay thiết bị hỗ trợ mà hoạt động hay chức không đồng với trạng thái lượng thấp o Bit manipulation Engine Dùng để kiểm soát thiết bị hoạt động với mức tiêu thụ thấp, phát sửa chữa lỗi thuật toán né liệu, thuật toán mã hóa tối ưu hóa o Unique ID Mỗi thiết bị có ID thường số se-ri, số ngẫu nhiên,… đăng ký qua tổ chức có thẩm quyền EPC (Electronic product code) MEMORIES Trong máy tính, nhớ đề cập đến thiết bị phần cứng máy tính sử dụng để lưu trữ thông tin để sử dụng máy tính Bộ nhớ máy tính chia làm loại nhớ bay (Volatile Memory) nhớ không bay hơi(Non-Volatile Memory) Bộ nhớ bay nhớ máy tính đòi hỏi nguồn điện để trì thông tin lưu trữ Hầu hết nhớ bán dẫn dễ bay RAM tĩnh (SRAM) RAM động (DRAM) SRAM giữ lại nội dung miễn điện kết nối dễ dàng để giao tiếp, sử dụng sáu transistor cho bit Dynamic RAM phức tạp giao tiếp kiểm soát, cần chu kỳ làm thường xuyên để tránh bị nội dung nó, sử dụng bóng bán dẫn tụ điện cho bit, cho phép để đạt mật độ cao nhiều chi phí cho bit rẻ nhiều Bộ nhớ không bay nhớ máy tính giữ lại thông tin lưu trữ nguồn điện Ví dụ nhớ không bay bao gồm nhớ đọc (ROM), nhớ flash, hầu hết loại thiết bị máy tính từ lưu trữ (ví dụ ổ đĩa cứng, đĩa mềm đĩa từ), đĩa quang, phương pháp lưu trữ máy tính giấy băng thẻ đục lỗ Bộ nhớ KIT K4lx family gồm nhớ Flash dung lượng từ 128 đến 256KB để lưu trữ chương trình Ram tĩnh dung lượng từ 16 đến 32KB CLOCKS Trong vi điều khiển, nguồn clock “trái tim” toàn hệ thống, cung cấp xung nhịp cho lõi vi điều khiển thiết bị ngoại vi giúp chúng hoạt động o Phase Locked Loop (vòng khóa pha) Phase Locked Loop (PLL) hệ thống kếm soát tần số khép kín Trong đó, tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha tín hiệu theo tần số pha tín hiệu vào PLL ngày có công nghệ tích hợp cao làm cho PLL nhỏ, tin cậy, giá rẻ, dễ sử dụng, đa năng, ứng dụng phổ thông lọc, tổng hợp tần số, giải điều chề, điều chế, điều khiển tự động o Frequency-locked loop (vòng lặp tần bị khóa) Một tần số khóa, vòng lặp tần bị khóa (FLL), hệ thống điều khiển điện tử để tạo tín hiệu bị khóa với tần số đầu vào "tham chiếu" tín hiệu mạch so sánh tần số dao động kiểm soát để tham khảo, tự động tăng giảm tần số dao động tần số (nhưng không thiết phải pha nó) phù hợp với tài liệu tham khảo o Low/high-frequency oscillator(bộ dao động thấp/cao tần) Một dao động điện tử mạch điện tử sản xuất một, định kỳ dao động tín hiệu điện tử, thường sóng sin hay sóng vuông Oscillators chuyển đổi dòng điện chiều (DC) từ nguồn cung cấp lượng cho dòng điện xoay chiều (AC) tín hiệu Chúng sử dụng rộng rãi nhiều thiết bị điện tử Ví dụ phổ biến tín hiệu tạo dao động bao gồm tín hiệu phát sóng đài phát truyền hình , tín hiệu đồng hồ mà điều chỉnh máy tính vàđồng hồ thạch anh , âm sản xuất beepers điện tử trò chơi video Oscillators thường đặc trưng tần số tín hiệu đầu họ:    Một dao động tần số thấp (LFO) Một dao động âm tạo tần số âm tầm xa, khoảng 16 Hz đến 20 kHz Một dao động RF tạo tín hiệu tần số vô tuyến (RF) phạm vi khoảng 100 kHz đến 100 GHz Internal reference clock(đồng hồ tham khảo nội bộ) Trong điện tử máy tính, tín hiệu đồng hồ sử dụng để đồng hóa hoạt động lịch ANALOG o 16-bit ADC ADC hay Mạch chuyển đổi tương tự số hay Analog-to-digital converter thực chuyển đổi đại lượng vật lý tương tự liên tục (thường điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn đại lượng Sự chuyển đổi liên quan đến việc lượng tử hóa tín hiệu ngõ vào, thiết mắc số lượng lỗi Thay làm chuyển đổi nhất, ADC thực việc chuyển đổi theo định kỳ gọi "mẫu" ngõ vào (sample) Kết trình thời gian liên tục (continuous-time) giá trị liên tục (continuousamplitude) chuyển đổi sang dãy số rời rạc hai thứ Dải giá trị điện áp danh định nầy gọi dải động, điện áp lớn gây tràn (overflow) Tại ngõ vào ADC chip có phần tử Multiplexer, cho ADC đa ngõ vào hay ADC đa kênh Trước giá thành ADC cao, nên bố trí đến 64 ngõ vào Hiện xuất chip bố trí 1, ngõ vào o Analog comparator Analog comparators khuếch đại so sánh độ lớn điện áp hai đầu vào Một so sánh tương tự khuếch đại hoạt động với thông tin phản hồi tiêu cực loại bỏ, thông tin phản hồi tăng cao, điện áp đầu vào cực đoan đến khác Trong so sánh tương tự, thường giới hạn bên ± 10 volt giới hạn để tránh thiệt hại o 12-bit DAC DAC hay Mạch chuyển đổi số tương tự, hay Digital-to-analog converter, Linh kiện bán dẫn thực chuyển đổi liệu kỹ thuật số (thường nhị phân) thành tín hiệu tương tự thường điện áp Nó hoàn nguyên tín hiệu tương tự số hóa ADC Thông thường chuyển đổi DAC thực mảng điện trở, với số ngõ vào tương ứng với số bit số liệu, ngõ Giá trị điện trở chọn tương ứng với bậc bit số, để tạo trọng số biến đổi, cho điện áp vào mức logic quy định phần bit góp vào điện áp tổng bậc bit Kết ngõ có mức điện áp tương ứng với giá trị số ngõ vào Do có sơ đồ đơn giản, chuyển đổi DAC mảng điện trở làm việc tần số tương đối cao Dẫu thực tế chế tạo mảng điện trở xác ổn định cao khó khăn công nghệ.Nó dẫn đến giá thành mảng cao Vì chip DAC thường bố trí ghép kênh, mảng điện trở thực thi biến đổi cho nhiều đường tín hiệu TIMERS Khối timer cho phép người dùng dễ dàng thực đếm chương trình điều khiển cho ứng dụng thời gian Bộ đếm thời gian thực chức tần số, đo đếm kiện, đo lường khoảng thời gian, đồng hồ, delay trễ thời gian Bộ đếm thời gian tạo tín hiệu ngắt hạn, cung cấp giá trị số hoạt động o PWM Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác, phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông, dẫn đến thay đổi điện áp Các PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Đây phương pháp thực theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tải cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt Phần tử thực nhiện vụ mạch van bán dẫn o PERIODIC INTERRUPT TIMER Ngắt kiện xảy làm dừng hoạt động chương trình để phục vụ thực thi tác vụ hay chương trình khác Cơ chế ngắt giúp CPU làm tăng tốc độ đáp ứng phục vụ kiện chương trình hoạt động VXL/VĐK Ví dụ ngắt ngắt truyền thông nối tiếp, ngắt định thời gian, ngắt cứng, ngắt Khi kiện yêu cầu ngắt xuất hiện, chấp nhận CPU lưu cất trạng thái hoạt động cho chương trình thực ví dụ nội dung đếm chương trình (con trỏ lệnh) nội dung ghi lưu liệu điều khiển chương trình nói chung để thực thi chương trình phục vụ tác vụ cho kiện ngắt Thực chất trình ngắt CPU nhận dạng tín hiệu ngắt, chấp nhận đưa trỏ lệnh chương trình trỏ tới vùng mã chứa chương trình phục vụ tác vụ ngắt Vì ngắt gắn với vector ngắt trỏ lưu thông tin địa vùng nhớ chứa mã chương trình phục vụ tác vụ ngắt o REAL TIME CLOCK Đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà người sử dụng, tình giây, phút, giờ… COMMUNICATION INTERFACES Trong kit FRDM-KL46Z có chuẩn giao tiếp để giao tiếp với ngoại vi o I2C (Inter‐IC) Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp phát triển Philips Semiconductor gọi bus I2C Tất chíp có tích hợp tương thích với I2C có thêm giao diện tích hợp Chip để truyền thông trực tiếp với thiết bị tương thích I2C khác Đường bus thực truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường đường truyền liệu nối tiếp SDA đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vì chế hoạt động đồng nên cần có nhịp xung tín hiệu đồng Đơn vị thiết bị khởi tạo trình truyền thông đơn vị Chủ đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc trình truyền Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác gửi kèm thông tin địa đơn vị mà muốn truyền liệu truyền Đơn vị Tớ gán đánh địa thông qua đơn vị Chủ thiết lập truyền thông trao đổi liệu I2C giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho ứng dụng truyền thông đơn vị bo mạch với khoảng cách ngắn tốc độ thấp Ví dụ truyền thông CPU với khối chức bo mạch EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực Hầu hết thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động tốc độ 400Kbps, số cho phép hoạt động tốc độ cao vài Mbps I2C đơn giản để thực thi kết nối nhiều đơn vị hỗ trợ chế xác định địa o SPI SPI giao diện cổng nối tiếp đồng ba dây cho phép kết nối truyền thông nhiều VĐK phát triển Motorola Trong cấu hình mạng kết nối truyền thống phải có VĐK giữ vai trò Chủ (Master) VĐK lại Chủ Tớ SPI có tốc độ lập trình, cực pha nhịp đồng hồ khả trình kết thúc ngắt truyền thông Nhịp đồng hồ không nằm dòng liệu phải cung cấp tín hiệu tách độc lập Có ba ghi SPSR, SPCR SPDR cho phép thực chức điều khiển, trạng thái lữu trữ Có bốn chân cần thiết để thực thi chuẩn giao diện truyền thông Dữ liệu MOSI (Master Output – Slave Input) Dữ liệu vào MISO (Master Input – Slave Output) Nhịp xung chuẩn SCLK (Serial Clock) Lựa chọn thành phần tớ SS (Slave Select) Nếu hệ thống có nhiều đơn vị tớ đơn vị Chủ tạo phải tín hiệu tách biệt để chọn đơn vị Tớ Đơn vị Chủ tạo tín hiệu chọn đơn vị Tớ nhờ chân tín hiệu logic đa chức Các tín hiệu phải điều khiển đảm bảo ổn định thời gian để tránh trường hợp tín hiệu bị thay đổi trình truyền liệu Một điều dễ nhận SPI không hỗ trợ chế xác nhận trình thực truyền thông Điều phụ thuộc vào giao thức định nghĩa phải thực bổ sung thêm số mở rộng phụ bên Khả truyền thông đồng thời hai chiều với tốc độ lên đến khoảng vài Mbit/s nguyên lý đơn giản nên SPI hoàn toàn phù hợp để thực truyền thông thiết bị yêu cầu truyền thông tốc độ chậm, đặc biệt hiệu ứng dụng đơn vị Chủ đơn vị Tớ Tuy nhiên ứng dụng với nhiều đơn vị Tớ việc thực thi lại phức tạp thiếu chế xác định địa chỉ, phức tạp tăng lên số đơn vị Tớ tăng o UART Trong giao tiếp UART, hai UART giao tiếp trực tiếp với Các UART truyền chuyển liệu song song từ thiết bị điều khiển CPU vào dạng nối tiếp, truyền liệu nối tiếp đến UART nhận, sau chuyển đổi liệu nối tiếp trở lại thành liệu song song cho thiết bị nhận Chỉ có hai dây để truyền liệu hai UART Luồng liệu từ pin Tx UART truyền với pin Rx UART nhận: Để bắt đầu cho việc truyền liệu UART, START bit gửi đi, sau bit liệu kết thúc trình truyền STOP bit Cả hai UARTs phải phải cấu hình để truyền nhận cấu trúc gói liệu giống o USB OTG USB On-The-Go, viết tắt USB OTG hay đơn giản OTG dạng thiết bị tích hợp cổng USB… khác với thông thường Giao thức kết nối USB (Universal Serial Bus) yêu cầu thiết bị thuộc mô hình khách/chủ Về bản, cổng USB máy tính bạn chủ flashdrive (USB) nhỏ xinh khách Khi khách chủ gặp nhau, kết nối tạo lập o SPI SPI (Serial Peripheral Bus) chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao hang Motorola đề xuất Đây kiểu truyền thông Master-Slave, có chip Master điều phối trình tuyền thông chip Slaves điều khiển Master truyền thông xảy Master Slave SPI cách truyền song công (full duplex) nghĩa thời điểm trình truyền nhận xảy đồng thời SPI gọi chuẩn truyền thông “4 dây” có đường giao tiếp chuẩn SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) SS (Slave Select) o I2S I2S viết tắt Inter-IC Sound Integrated Interchip Sound Chuẩn dùng cho việc truyền liệu âm Hỗ trợ truyền hai kênh liệu đường bus tín hiệu nối tiếp HMI Giao diện người dùng (User interface) hay gọi giao diện người-máy ( HMI ) phần máy tính đảm nhận tương tác người với máy tính Bàn phím máy tính, hình cảm ứng số ví dụ điển hình cho HMI nơi mà ta tương tác với máy tính Thành phần HMI thường có : Phần cứng :  Màn hình  Các phím bấm  Chips: CPU, ROM,RAM, EPROM/Flash, … Phần Firmware:  Các đối tượng  Các hàm lệnh Phần mềm phát triển:  Các công cụ xây dựng HMI  Các công cụ kết nối, nạp chương trình gỡ rối  Các công cụ mô Giao tiếp:  Các cổng giao tiếp  Các giao thức kết nối Trong KIT Kinetis KL4x Family, thành phần HMI gồm có : GPIO, Xtrinsic low-power touch-sensing Interface, Segment LCD controller GPIO viết tắt General Purpose Input Output chân đầu ra, đầu vào đa chức Chúng đảm nhận vai trò kiểm soát giao tiếp với thiết bị bên K4lx family có cảm biến cảm ứng điều khiển LCD với mức tiêu thụ điện thấp hỗ trợ LCD lên đến 376 đoạn  ... Phần cứng :  Màn hình  Các phím bấm  Chips: CPU, ROM,RAM, EPROM/Flash, … Phần Firmware:  Các đối tượng  Các hàm lệnh Phần mềm phát triển:  Các công cụ xây dựng HMI  Các công cụ kết nối, nạp... công cụ kết nối, nạp chương trình gỡ rối  Các công cụ mô Giao tiếp:  Các cổng giao tiếp  Các giao thức kết nối Trong KIT Kinetis KL4x Family, thành phần HMI gồm có : GPIO, Xtrinsic low-power... (overflow) Tại ngõ vào ADC chip có phần tử Multiplexer, cho ADC đa ngõ vào hay ADC đa kênh Trước giá thành ADC cao, nên bố trí đến 64 ngõ vào Hiện xuất chip bố trí 1, ngõ vào o Analog comparator