THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 3.1 MỞ ĐẦU CHƯƠNG Trong chương này, luận văn tập trung vào thiết kế thi công hệ thống điều khiển, giám sát thiết bị xây dựng phần mềm viết ngôn ngữ C kết nối với internet thông qua giao thức MQTT 3.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG Thiết bị gia dụng Khối ngoại vi Khối xử lý trung tâm Khối giao tiếp Interne PC, Laptop Smartpho ne Khối nguồn Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Khối xử lý trung tâm : Là trái tim toàn hệ thống, nơi thu nhận, xử lý truyền tải tất thông tin liệu hệ thống Khối xử lý trung tâm nhận lệnh từ kết nối đường truyền internet để điều khiển thiết bị ngoại vi, ngược lại, phản hồi trạng thái ngoại vi đến thiết bị đầu cuối Khối giao tiếp Internet : Đóng vai trò cầu nối để liệu di chuyển từ khối trung tâm internet ngược lại Khối ngoại vi : Là cấu chấp hành thông thường quạt, đèn Khối nguồn : Cung cấp nguồn ổn áp cho toàn hệ thống 3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CHỨC NĂNG CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG 3.3.1 Mạch nguồn a Cơ sở lý thuyết Mạch nguồn đóng vai trò quan trọng toàn hệ thống Các IC giao tiếp hoạt động tốt điều kiện nhiệt độ phòng, Luận văn hướng đến việc thiết kế mạch nguồn xung để loại bỏ tổn hao nhiệt mạch nguồn tuyến tính Bộ nguồn xung cung cấp tín hiệu đầu nhờ hoạt động phần tử đóng cắt mạch điện Bộ nguồn xung cung cấp hiệu suất cao thiết kế phức tạp Mạch sử dụng linh kiện L – C để lưu trữ giải phóng lượng trình hoạt động đóng ngắt switch Nguồn xung mang lại nhiều ưu điểm hiệu suất cao, chế tạo boots buck, kích thước mạch nhỏ gọn Với đặc tính đó, nguồn xung thường dùng máy móc đại Nhược điểm nguồn xung nhiễu EMI cao so với nguồn tuyến tính Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch buck Gọi D duty cycle van điều khiển đóng khóa Khi van điều khiển đóng khóa 1, lượng tích trữ L – C Khi van khóa 2, lượng lượng giải phóng để cấp cho tải Điện áp trung bình cuộn dây D(Vin - Vout) – (1 - D)Vout = suy Vout = D Vin b Yêu cầu Nguồn cần đảm bảo tiêu chí: mức áp dòng ổn định, độ gợn sóng đầu thấp, tính ổn định nhiệt độ cao không bị ảnh hưởng yếu tố môi trường Cụ thể thông số hệ thống cho sau: - Điện áp nguồn cấp : 3.3VDC - Điện áp đầu vào : điện áp lưới 220VAC/50Hz - Độ gợn sóng tín hiệu : < 3% - Dải nhiệt độ hoạt động : 00C đến 500C c Sơ đồ nguyên lý Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn Trong : - C1, C5 : Tụ lọc nguồn - F1, RV1, D2 : Linh kiện bảo vệ nguồn - U2 : LM2596 IC nguồn xung - L1 : Cuộn dây tích trữ lượng - R4, D4 : Led báo nguồn 3.3.2 Khối xử lý trung tâm a Cơ sở lý thuyết Luận văn lựa chọn chip vi xử lý PIC24EP512GP806 cho khối xử lý trung tâm Ưu điểm lớn PIC nạp trình tự lắp ráp cách dễ dàng với chi phí thấp theo chuẩn ICSP (In –Circuit Siral Programming) Microchip cung cấp đầy đủ chi tiết tài liệu kỹ thuật tất loại vi điều khiển PIC Ngoài cộng đồng sử dụng PIC lớn mạnh Việt Nam PIC24EP512G806 vi điều khiển thuộc nhóm cao cấp dòng vi điều khiển PIC24 – hiệu suất tính toán lớn, giá phù hợp - độ bền cao, dung lượng nhớ chương trình nâng cấp Ngoài chúng thiết kế để phù hợp cho ứng dụng có hiệu suất cao, tiêu tốn lượng * Những tính - Program Flash Memory 586 Kbyte - RAM : 52 Kbyte - Bộ nhớ EEPROM liệu (Bytes): 256 - Cổng I/O: Ports A,B,C,D,E - 16 bits Timers: - Module Capture/Compare/PWM: 16 - Giao tiếp nối tiếp: MSSP, USART cải tiến - Module 10-Bit Analog-to Digital: 24 Input Channels Hình Sơ đồ chân PIC24EP512GP806 b Sơ đồ nguyên lý Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Trong : - PORTD9, PORTD10, PORTD11, PORTG2 kết nối SPI với chip Ethernet - PORTB2, PORTB3, PORTB4, PORTB5 kết nối led thị - Thạch anh 20 MHz 3.3.3 Khối giao tiếp qua Internet a Cơ sở lý thuyết ENC424J600 chip hỗ trợ kết nối Ethernet lớp vật lý tương tự mô hình OSI cho vi điều khiển có giao tiếp SPI giao tiếp song song Phần cứng ENC424J600 tích hợp hai lớp kết nối liệu lớp vật lý Chip đáp ứng tất thông số tiêu chuẩn IEEE 802.3 với ứng dụng Ethernet 10Base-T 100Base-TX Chip hỗ trợ DMA 16 bit đáp ứng tốc độ thông suốt liệu nhanh hơn, đồng thời hỗ trợ việc tính toán IP checksum Chip hỗ trợ truyền song công bán song công với chế CSMA/CD chống xung đột kênh truyền ENC424J600 cung cấp giao diện truyền thông SPI với vi điều khiển tốc độ 14Mbit/s, nhớ đệm thu/phát lên đến 24Kbyte RAM Hình 3.6 Sơ đồ khối chức chip ENC424J600 b Một số lưu ý thiết kế mạch giao tiếp Ethernet * Kết nối thạch anh ENC424J600 thiết kế hoạt động với thạch anh 25Mhz, đảm bảo tính xác thấp 50ppm phù hợp tiêu chuẩn IEEE 802.3 * Điện áp phân cực Để giảm thiểu tối đa điện áp nhiễu gây ảnh hưởng đến đường truyền Ethernet đảm bảo công suất dòng lớn, chip tích hợp nhiều chân nguồn, cụ thể VDD VSS, VDDOSC VSSOSC, VDDPLL VSSPLL, VDDRX VSSRX, VDDTX VSSTX Các cặp chân nguồn phải nối đến tụ bypass gần để triệt nhiễu EMI Hình 3.7 Các tụ ngoại vi cho ENC424J600 Các linh kiện bên chip hoạt động điện áp 1.8V, cấp ổn áp on-chip, cần kết nối tụ lọc chân VCAP để đảm bảo điện áp chuẩn Tụ điện phải lựa chọn tụ có trở kháng nối tiếp tương đương thấp, cụ thể tụ ceramic hay tantalum, tránh dùng tụ aluminum electrolytic * RBIAS Được sử dụng để phục vụ chức cho tầng vật lý bên chip Trở phải đặt sát chip, phải tránh xa đường tín hiệu để nhiễu EMI dung kháng không ảnh hưởng đến đường truyền Hình 3.8 Điện trở phân cực cho ENC424J600 * Kết nối đến cổng RJ45 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý kết nối ENC424J600 với cổng RJ45 Các tụ điện điện trở kèm theo tích hợp bên chip để đảm bảo phân cực kết nối Ethernet, chúng kết hợp lọc thông cao triệt nhiễu baseline Điện trở 10 Ω kết nối để tạo đường dẫn nguồn nến điểm biến áp nhằm tạo dạng sóng Ethernet Ngoài ra, điện trở giúp tiêu tán bớt nhiệt mà PHY phải gánh trình truyền dẫn Giao diện truyền Ethernet bao gồm chân TPOUT + TPOUT- Đây chân vi sai chế độ truyền current-mode Để tạo dạng sóng Ethernet, thông thường yêu cầu sử dụng biến áp điểm giữa,khi module Ethernet kích hoạt kết nối đến thiết bị khác, sóng xuất thông qua hai chân TPOUT Khi lớp PHY tích cực truyền, điện áp vi sai tạo cáp Ethernet cách thay dòng TPOUT + so với TPOUT- Cơ chế hoạt động hoàn toàn tương tự cho mode nhận PHY sử dụng ADC tốc độ cao để lấy mẫu sóng giải mã cách sử dụng DSP onchip * Kết nối đến vi điều khiển Kết nối từ ENC424J600 đến vi điều khiển theo giao thức SPI nên chân song song chip tự động bị khóa trạng thái trở kháng cao nhớ đệm song song ngắt Vì tốt nên nối mass cho chân song song Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý kết nối ENC424J600 với vi xử lý - SCK Serial Clock – Xung đồng cho đường nối tiếp - SI Serial Input – Tín hiệu nối tiếp vào (ghi) - SO Serial Output – Tín hiệu nối tiếp (đọc) c Chuẩn truyền thông SPI chip ENC424J600 SPI (Serial Peripheral Inteface) chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao hãng 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 Output Slave Input) SS (Slave Select) SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, SPI chuẩn truyền đồng nên cần đường giữ nhịp, nhịp chân SCK báo bit liệu đến Đây điểm khác biệt với truyền thông không đồng mà biết chuẩn UART Sự tồn chân SCK giúp trình tuyền bị lỗi tốc độ truyền SPI đạt cao Xung nhịp tạo chip Master MISO– Master Input/Slave Output: chip Master đường Input chip Slave MISO lại Output MISO Master Slaves nối trực tiếp với MOSI – Master Output/Slave Input: chip Master đường Output chip Slave MOSI Input MOSI Master Slaves nối trực tiếp với SS – Slave Select: SS đường chọn Slave cần giap tiếp, chip Slave đường SS mức cao không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS Slave xuống mức thấp việc giao tiếp xảy Master Slave Chỉ có đường SS Slave có nhiều đường điều khiển SS Master, tùy thuộc vào thiết kế người dùng Hoạt động: chip Master hay Slave có ghi liệu bits Cứ xung nhịp Master tạo đường giữ nhịp SCK, bit ghi liệu Master truyền qua Slave đường MOSI, đồng thời bit ghi liệu chip Slave truyền qua Master đường MISO Do gói liệu chip gởi qua lại đồng thời nên trình truyền liệu gọi “song công” Hình 3.11 Quá trình truyền gói liệu thực module SPI d Chuẩn truyền thông Ethernet chip ENC424J600  Cấu trúc Packet Hình 3.12 Cấu trúc packet truyền thông Ethernet Giao tiếp Ethernet thiết lập thông tin truyền dẫn node thoogn qua chuẩn chung, bao gồm nhiều byte tạo thành packets Thông thường packet dài 64 byte đến 1518 bytes Mỗi packet chứa trường :địa MAC đích , địa MAC nguồns, type/length field, trường liệu payload, trường optional padding trường mã Cyclic Redundancy Check (CRC) Trên đường truyền Ethernet, trường CRC quan trọng trình mã hóa kênh Mã CRC thường có độ dài 4-byte tính toán thông qua địa nguồn, địa đích, dạng liệu trường padding CRC cho phép phát lỗi sai đường truyền Khi thực truyền thông, ENC424J600 nguồn tự động tạo mã CRC thiết lập bit PADCFG chuẩn xác Khi ENC424J600 đích nhận gói tin, mã CRC ghi vào đệm thu kiểm tra để loại bỏ packet lỗi * Thiết lập truyền thông - Ghi giá trị 1234h vào ghi EUDAST - Đọc giá trị ghi EUDAST, 1234h thực bước tiếp theo, không truyền thông SPI PSP thực thi Vì phải quay lại bước để thiết lập lại - Poll bit CLKRDY (ESTAT) đợi set lên - Thực lệnh System Reset cách set bit ETHRST (ECON2) - Phần mềm thực đợi 25 μs cho việc Reset giao tiếp SPI/PSP tái khởi động - Đọc giá trị ghi EUDAST để xác nhận trình System Reset đưuọc thực thi EUDAST phải reset trả giá trị mặc định 0000h - Đợi 256 μs cho ghi PHY registers bit PHY status khởi động Đến lúc chip truyền nhận lệnh thông thường * Quá trình truyền packet Trước thực truyền packets, thiết bị pahir thiết lập chuẩn Set bit TXRTS (ECON1) để bắt đầu truyền tin, bit tự động xóa sau trình truyền kết thức Ngoài ra, trình truyền cung cấp ngắt TXIF interrupt ngắt cho coding Thiết lập địa MAC cho thiết bị, địa giúp thiết bị luôn đường truyền Internet Hầu hết ứng dụng sử dụng bit PADCFG bit TXCRCEN trạng thái mặc định để đảm bảo trình tạo mã CRC diễn tự động Để chèn thông tin địa MAC vào packet tự động, phần mềm set bit TXMAC lên - Thiết lập ngắt trình truyền cách set bit TXIE TXABTIE (EIE) Xóa cờ ngắt liện quan TXIF TXABTIF chúng Thiết lập ngắt toàn cục cách set bit INTIE (EIE) - Copy packet đến SRAM buffer - Nạp giá trị ETXST để bắt đầu địa packet ETXLEN độ dài packet copy vào nhớ - Set bit TXRTS để bắt đầu truyền tin - Đợi phần cứng xóa bit TXRTS kích hoạt ngắt truyền trình truyền thực thi xong - Đọc giá trị ghi ETXSTAT để xác định thông tin mô tả trình truyền * Quá trình nhận packet CONFIGURING PACKET RECEPTION Khi ghi phục vụ MAC PHY thiết lập xác, thiết bị bắt đầu trình nhận tin - Thiết lập ERXST Pointer để xác định địa cho đệm thu Head Pointer ERXHEAD tự động set đến giá trị - Tạo giá trị biến NextPacketPointer để lưu giữ giá trị địa cho packet nhận - Thiết lập Tail Pointer, ERXTAIL, điểm nhớ cuối cho đệm thu, giá trị 5FFEh - Thiết lập ngắt nhận cần - Set bit RXEN (ECON1) cho phép nhận * Đọc giá trị packet từ đệm thu: - Xác định packet có nhớ đệm cách xét giá trị bit PKTCNT bits khác không cờ ngắt PKTIF (EIR) set - Đọc vào giá trị NextPacketPointer - Đọc byte đầu frame để xác định địa cho packet tiếp theo, ghi giá trị vào NextPacketPointer - Đọc vào byte để xác định Receive Status Vector (RSV) - Đọc vào frame Ethernet Độ dài frame thông tin xác định giá trị ghi RSV đọc - Khi frame đọc xong, tăng giá trị nhớ đệm lên đơn vị cách tăng giá trị ERXTAIL, giá trị cuối ghi ERXTAIL phải (NextPacketPointer– 2) - Set bt PKTDEC (ECON1) để giảm PKTCNT bits PKTDEC tự động reset PKTCNT giảm zero e Sơ đồ nguyên lý Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Ethernet Nguyên lý hoạt động - Nhận liệu: Tín hiệu yêu cầu từ mạng truyền qua cổng RJ45 vào ENC424J600 Chip thiết kế để giải mã tín hiệu chuyển tín hiệu thành liệu lưu vào đệm thu Thông qua giao tiếp SPI, PIC liên tục kiểm tra đệm ENC28J60 Nếu phát có liệu đọc liệu xử lí - Truyền liệu: Thông qua giao tiếp SPI, PIC gửi liệu vào đệm phát ENC424J600 Chip mã hóa liệu truyền đường RJ45 đến địa mong muốn - Trong mạch này, sử dụng đầu cắm giao tiếp RJ45 HR911105A HANRUN.HR911105A tích hợp sẵn biến áp cad có đèn led để thông báo trạng thái kết nối mạch 3.3.4 Khối ngoại vi Khối ngoại vi bao gồm tất cấu chấp hành thiết bị gia dụng thông thường gia đình : công tắc đèn điện, hệ thống chiếu sáng Khối ngoại vi nhận lệnh điều khiển trực tiếp thông qua khối xử lý trung tâm, trạng thái cập nhật với thời gian thực cho ứng dụng 3.4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM 3.4.1 Stack TCP/IP: Microchip cung cấp miễn phí thư viện công cụ TCP/IP Stack tối ưu hóa cho dòng PIC18, PIC24, DsPIC PIC32 Stack chia thành nhiều lớp, lớp truy cập trực tiếp service từ nhiều lớp Hình 3.14.Cấu trúc Stack TCP/IP Stack Microchip bao gồm tính đặc trưng sau: - Hỗ trợ giao thức: ARP, IP, ICPM, UDP, TCP, DHCP, SNMP, HTTP, FTP, TFTP - Hỗ trợ TCP, UDP - Secure Sockets Layer (SSL) - NetBIOS Name Service - DNS – Domain Name System - Ethernet Device Discovery Stack thiết kế theo kiểu module ngôn ngữ C Sau biên dịch, dung lượng nhớ chương trình khoảng từ 28-34 KB tùy theo module sử dụng 3.4.2 Thiết kế lớp ứng dụng MQTT Client Stack TCP/IP Microchip hỗ trợ hầu hết giao thức để thiết kế ứng dụng qua giao tiếp Ethernet, với điều kiện đặt đề tài thiết kế ứng dụng điều khiển thiết bị qua internet theo tiêu chí IOT stack chưa hỗ trợ Vì vậy, người nghiên cứu thiết kế thêm ứng dụng theo giao thức MQTT theo chuẩn mà IBM đưa Hình 3.15 Lớp MQTT Client thêm vào TCP/IP Stack Một đoạn code thực việc kết nối MQTT Client đến Server Code case MQTTCONNECT: /* Fixed header */ MQTTBuffer[pos++] = header&MQTTMTMASK; /* calculate remaining length */ remlen = + + + 2; if (MQTTClient.ClientId.szRAM) { remlen += + strlen(MQTTClient.ClientId.szRAM); } if (MQTTClient.ConnFlags.bits.WillFlag) { remlen += + strlen(MQTTClient.WillTopic.szRAM); remlen += + strlen(MQTTClient.WillMessage.szRAM); } if (MQTTClient.ConnFlags.bits.UserNameFlag) { remlen += + strlen(MQTTClient.Username.szRAM); } if (MQTTClient.ConnFlags.bits.PasswordFlag) { remlen += + MQTTClient.PassLength; } if (remlen > (MQTT_MAX_PACKET_SIZE - 5)) return (MQTTERROR); /* fill in remaining length */ pos = MQTTWriteRemainingLength(MQTTBuffer, pos, remlen); /* variable header */ MQTTBuffer[pos++] = 0x00; MQTTBuffer[pos++] = 0x04; MQTTBuffer[pos++] = 'M'; MQTTBuffer[pos++] = 'Q'; MQTTBuffer[pos++] = 'T'; MQTTBuffer[pos++] = 'T'; /* Protocol Level */ MQTTBuffer[pos++] = MQTTPROTOCOLVERSION; /* Connect Flags */ MQTTBuffer[pos++] = MQTTClient.ConnFlags.Val; /* Keep Alive */ MQTTBuffer[pos++] = HIBYTE(MQTTClient.KeepAlive); MQTTBuffer[pos++] = LOBYTE(MQTTClient.KeepAlive); /* Client Identifier */ pos = MQTTWriteString(MQTTClient.ClientId.szRAM, MQTTBuffer, pos); /* Will Topic & Will Message */ if (MQTTClient.ConnFlags.bits.WillFlag) { pos = MQTTWriteString(MQTTClient.WillTopic.szRAM, MQTTBuffer, pos); pos = MQTTWriteString(MQTTClient.WillMessage.szRAM, MQTTBuffer, pos); } /* Username */ if (MQTTClient.ConnFlags.bits.UserNameFlag) { pos MQTTBuffer, pos); = MQTTWriteString(MQTTClient.Username.szRAM, } /* Password, binary format must be allowed */ if (MQTTClient.ConnFlags.bits.PasswordFlag) { pos = MQTTWriteArray(MQTTClient.Password.szRAM, MQTTClient.PassLength, MQTTBuffer, pos); } break 3.4.3 Server Hình 3.16 Mô hình kết nối thiết bị giao thức MQTT Trong giới hạn đề tài, người nghiên cứu sử dụng server broker mosquito Mosquitto broker mã nguồn mở để thực giao thức MQ Telemetry Transport version 3.1 3.1.1, phương pháp truyền nhận message cách nhẹ (lightweight) Broker phù hợp với ứng dụng giám sát điều khiển thiết bị theo message (machine-to-machine)