Đo lường và điều khiển qua cổng USB

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ QUYÊN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA CỔNG USB LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình vẽ Mở đầu Chƣơng Tổng quan USB 1.1 Những nét chung Bus USB 1.2 Đầu nối cáp USB 10 Chƣơng Host USB: Phần cứng phần mềm 13 2.1 Tổng quan host USB Error! Bookmark not defined 2.1.2 Cơ chế điều khiển .Error! Bookmark not defined 2.1.3 Đường dẫn liệu .Error! Bookmark not defined 2.1.4 Tình trạng tập chung số liệu thống kê hoạt động Error! Bookmark not defined 2.1.5 Giao diện điện .Error! Bookmark not defined 2.2 Các yêu cầu điều khiển host Error! Bookmark not defined 2.2.1 Trạng thái móc nối .Error! Bookmark not defined 2.2.2 Bộ chuyển đổi song song-nối tiếp/bộ chuyển đổi nối tiếp-song song Error! Bookmark not defined 2.2.3 Quá trình tạo khung .Error! Bookmark not defined 2.2.4 Quá trình xử lý liệu .Error! Bookmark not defined 2.2.5 Phương tiên giao thức Error! Bookmark not defined 2.2.6 Điều khiển lỗi truyền Error! Bookmark not defined 2.3 Tổng quan kỹ thuật phần mềm Error! Bookmark not defined 2.3.1 Cấu hình thiết bị Error! Bookmark not defined 2.3.2 Quản lý tài nguyên .Error! Bookmark not defined 2.3.3 Truyền liệu .Error! Bookmark not defined 2.3.4 Định nghĩa chung liệu .Error! Bookmark not defined 2.4 Thiết bị điều khiển host Error! Bookmark not defined 2.5 Bộ điều khiển bus nối tiếp đa Error! Bookmark not defined 2.5.1 Tổng quan .Error! Bookmark not defined 2.5.1.1 Khởi tạo Error! Bookmark not defined 2.5.1.2 Cách dùng đường dẫn USBD Error! Bookmark not defined 2.5.1.3 khả dịch vụ Error! Bookmark not defined 2.5.2 Những yêu cầu chế lệnh USBD Error! Bookmark not defined 2.5.2.1 Điều khiển tình trạng giao diện Error! Bookmark not defined 2.5.2.2 Điều khiển trạng thái đường dẫn Error! Bookmark not defined 2.5.2.3 Thiết lập mô tả Error! Bookmark not defined 2.5.2.4 Thiết lập cấu hình hành Error! Bookmark not defined 2.5.2.5 Thêm thiết bị Error! Bookmark not defined 2.5.2.6 Loại bỏ thiết bị .Error! Bookmark not defined 2.5.2.7 Quản lý trạng thái Error! Bookmark not defined 2.5.2.8 Gửi lớp lệnh Error! Bookmark not defined 2.5.2.9 Gửi lệnh nhà cung cấp .Error! Bookmark not defined 2.5.2.3 Xác minh thiết lập xen kẽ Error! Bookmark not defined 2.5.2.11 Xác minh cấu hình Error! Bookmark not defined 2.5.2.12 Thiết lập mô tả .Error! Bookmark not defined 2.5.2.13 Xác minh kích thước gói cực đại cho đường dẫn Error! Bookmark not defined 2.5.3.14 Các có chế dường dẫn USBD .Error! Bookmark not defined 2.5.3 Các kiểu đường dẫn hỗ trợ Error! Bookmark not defined 2.5.3.1 Truyền liệu đồng .Error! Bookmark not defined 2.5.3.2 Các yêu cầu chế đường dẫn USBD Error! Bookmark not defined 2.5.4 Quản lý USB thông qua chế USBD Error! Bookmark not defined 2.5.4.1 Các dịch vụ cấu hình .Error! Bookmark not defined 2.5.4.2 Quản lý bus thiết bị .Error! Bookmark not defined 2.5.4.3 Điều khiển công suất Error! Bookmark not defined 2.5.4.4 Những thông báo kiện Error! Bookmark not defined 2.5.4.5 Các trạng thái thông báo dịch vụ khôi phục lỗi Error! Bookmark not defined 2.6 Hường dẫn môi trường hệ điều hành Error! Bookmark not defined Chƣơng Thiết bị USB Error! Bookmark not defined 3.1 Các trạng thái thiết bị USB (USB Device States) Error! Bookmark not defined 3.1.1 Các trạng thái nhìn thấy (Visible Device States) Error! Bookmark not defined 3.1.1.1 Attached: Error! Bookmark not defined 3.1.1.2 Cấp nguồn: Error! Bookmark not defined 3.1.1.3 Mặc định .Error! Bookmark not defined 3.1.1.4 Địa .Error! Bookmark not defined 3.1.2 Liệt kê bus (Bus Enumeration) Error! Bookmark not defined 3.2 Các hoạt động chung thiết bị USB Error! Bookmark not defined 3.2.1 Gắn vào gỡ động Error! Bookmark not defined 3.2.2 Chỉ định địa .Error! Bookmark not defined 3.2.3 Cấu hình Error! Bookmark not defined 3.2.4 Truyền liệu .Error! Bookmark not defined 3.2.5 Quản lý nguồn cung cấp Error! Bookmark not defined 3.2.6 Xử lý yêu cầu .Error! Bookmark not defined 3.2.6.1 Yêu cầu xử lý thời gian .Error! Bookmark not defined 3.2.6.2 Thời gian Khởi động lại/khôi phục .Error! Bookmark not defined 3.2.6.3 Xử lý SetAddress .Error! Bookmark not defined 3.2.6.4 Các yêu cầu thiết bị chuẩn Error! Bookmark not defined 3.2.6.5 Các yêu cầu cho lớp đặc biệt Error! Bookmark not defined 3.2.6.6 Các mô tả phụ thuộc vào tốc độ .Error! Bookmark not defined 3.2.7 Lỗi yêu cầu .Error! Bookmark not defined 3.3 Các yêu cầu thiết bị USB Error! Bookmark not defined 3.3.1 Loại bmRequest Error! Bookmark not defined 3.3.2 bRequest Error! Bookmark not defined 3.3.3 wValue Error! Bookmark not defined 3.3.4 wIndex .Error! Bookmark not defined 3.3.5 wLength Error! Bookmark not defined 3.4 Các yêu cầu thiết bị chuẩn Error! Bookmark not defined 3.4.1 Xoá chức .Error! Bookmark not defined 3.4.2 Nhận diện cấu hình (GetConfiguration) .Error! Bookmark not defined 3.4.3 Nhận diện mô tả (Get Descriptor) Error! Bookmark not defined 3.4.4 Nhận diện giao diện (Get Interface) Error! Bookmark not defined 3.4.5 Nhận diện trạng thái (Get Status) Error! Bookmark not defined 3.4.6 Thiết lập địa Error! Bookmark not defined 3.4.7 Thiết lập cấu hình Error! Bookmark not defined 3.4.8 Thiết lập mô tả Error! Bookmark not defined 3.4.9 Thiết lập chức Error! Bookmark not defined 3.4.10 Set Interface Error! Bookmark not defined 3.4.11 Đồng khung (Synch Frame) Error! Bookmark not defined 3.5 Các mô tả Error! Bookmark not defined 3.6 Định nghĩa mô tả chuẩn USB Error! Bookmark not defined 3.6.1 Thiết bị .Error! Bookmark not defined 3.6.2 Device_Qualifier Error! Bookmark not defined 3.6.3 Cấu hình Error! Bookmark not defined 3.6.4 Cấu hình tốc độ khác .Error! Bookmark not defined 3.6.5 Giao diện Error! Bookmark not defined 3.6.6 Điểm cuối Error! Bookmark not defined 3.6.7 Chuỗi Error! Bookmark not defined 3.7 Định nghĩa lớp thiết bị .Error! Bookmark not defined 3.7.1 Bộ mô tả Error! Bookmark not defined 3.7.2 Cách dùng giao diện điểm cuối Error! Bookmark not defined Chƣơng Thiết kế thiết bị USB (Universal serial Bus) Error! Bookmark not defined 4.1 Thiết kế .Error! Bookmark not defined 4.1.1 Yêu cầu Error! Bookmark not defined Yêu cầu tối thiểu thiết bị USB là: Error! Bookmark not defined 4.1.2 Các vấn đề cung cấp PIC Error! Bookmark not defined 4.1.3 Các vấn đề cung cấp người dùng: Error! Bookmark not defined 4.1.3 Truyền thông ứng dụng thiết bị Error! Bookmark not defined 4.2 Bus nối tiếp đa .Error! Bookmark not defined 4.2.1 Truyền liệu nối tiếp: Error! Bookmark not defined 4.2.2 Các kiểu truyền USB (Xem chương 2) .Error! Bookmark not defined 4.2.3 Nguyên lý hoạt động cổng USB .Error! Bookmark not defined 4.2.4 Giao thức truyền tin USB Error! Bookmark not defined 4.3 Mạch điều khiển máy tính dùng PIC 18F4550 Error! Bookmark not defined 4.3.1 Sơ đồ nguyên lý Error! Bookmark not defined 4.3.2 Các ví dụ thí nghiệm: Error! Bookmark not defined 4.4 Đo lường qua USB Error! Bookmark not defined 4.4.1 Các phương thức cách ly Error! Bookmark not defined 4.4.2 Biện pháp cách ly đo lường Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined Phụ lục Error! Bookmark not defined Giới thiệu PIC 18F4550 .Error! Bookmark not defined * Sơ đồ thứ tự chức chân PIC 18F4550 mơ tả hình A.1 Error! Bookmark not defined * Chức chân .Error! Bookmark not defined * Cấu trúc phần cứng USB vi điều khiển PIC 18F4550 Error! Bookmark not defined * Các ghi điều khiển: Error! Bookmark not defined Các ngắt USB Error! Bookmark not defined Xung đồng hồ: Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1: Bảng so sánh tương đối số chuẩn truyền thống nối tiếp Bảng 3.1: Khung liệu Setup 43 Bảng 3.2: Các yêu cầu thiết bị chuẩn 45 Bảng 3.3: Các mã yêu cầu chuẩn 45 Bảng 3.4: Các loại mô tả 46 Bảng 3.5: Bảng lựa chọn chức 46 Bảng 3.6: Các chọn chế độ kiểm tra 53 Bảng 3.7: Bộ mô tả thiết bị chuẩn 57 Bảng 3.8: Bộ mô tả Device_Qualifier 58 Bảng 3.9: Bộ mơ tả cấu hình chuẩn 60 Bảng 3.10: Bộ mơ tả cấu hình tốc độ khác 60 Bảng 3.11: Bộ mô tả giao diện chuẩn 62 Bảng 3.12: Bộ mô tả điểm cuối chuẩn 64 Bảng 3.13: Các giá trị wMaxPacketSize cho số lượng công việc khác siêu khung 65 Bảng 3.14: Bộ mô tả chuỗi 0, Các ngôn ngữ đặc biệt thiết bị hỗ trợ 66 Bảng 3.15: Bộ mô tả chuỗi UNICODE 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Ví dụ minh họa phân chia dải thông cho thiết bị USB Hình 1.2: Các đầu nối USB 10 Hình 1.3: Cáp USB ký hiệu màu dây 11 Hình 2.1: Phương thức truyền thông lớp lõi 12 Hình 2.2: Các trình truyền thơng 13 Hình 2.3: Quá trình tạo khung 18 18 Hình 2.4: Sự tương tác cấu hình 22 22 Hình 2.5 Cấu trúc Driver Bus nối tiếp đa 26 Hình 3.1: khung wIndex điểm cuối 44 Hình 3.2: Khung wIndex biết giao diện 44 Hình 3.3: Ví dụ số điểm cuối phản hồi 65 Hình 3.4: Ví dụ mối quan hệ điểm cuối phản hồi 65 Hình 4.1: Q trình truyền thơng hệ thống USB 68 Hình 4.2: Mạch điều khiển máy tính dùng PIC18F4550 có sơ đồ ngun lý 75 Hình 4.3: Hình ảnh thiết bị điều khiển máy tính 76 Hình 4.4: Kết thu sau kết nối mạch với máy tính 79 Hình 4.5: module thu thập liệu, xây dựng cho PIC, USB chuẩn bus khác, có phần truyền thơng phần lường 81 Hình 4.6: Đất vịng cuất phận tách biệt thiết bị dùng chung đất 82 Hình 4.7: Những điện áp kiểu di chuyển hai phía đường truyền tín hiệu cân đối xứng với đất 83 Hình 4.8: Các phương thức cách ly hệ thống đo lường 84 Hình 4.9: Kiến trúc mơ đun đo lường USB cách ly 85 Hình 4.10: Sử dụng mô đun USB cách ly để đo nguồn pin lối 86 Hình A.1: Sơ đồ chân PIC 18F4550 88 Hình A.2: Mô tả chân thực thao tác Reset 89 Hình A.3: Cấu trúc PIC 18F4550 90 Hình A.3: Cấu trúc PIC 18F4550 91 HìnhA.5: Mơ tả USB RAM 91 Hình A.6: Bộ mơ tả nhớ đệm 92 MỞ ĐẦU Bus nối tiếp đa USB (Universal Serial Bus) loại Bus xuất máy tính PC gần Loại bus sử dụng để kết nối tất thiết bị ngoại vi với máy tính PC chuột, bàn phím, máy in, thiết bị âm thanh,…Ban đầu bus thiết kế cho ứng dụng với tốc độ thấp trung bình, ghép nối nhiều loại thiết bị khác nhau, nhiều hãng vào bus chung USB đưa vào sử dụng lần vào năm 1996, phải đến năm 1998 USB thực phát triển Các thông số kỹ thuật USB công ty lớn tham gia xây dựng, phải kể đến Compaq, Digital Equipment, IBM, Intel, NEC Northern Telecom,… Sự hỗ trợ USB thể qua Win32 Driver Model (WMD) nhờ cho phép lập trình phần mềm điều khiển thống dùng cho Win 9x, NT, XP Trong hệ điều hành đời từ năm 1998 có hỗ trợ đầy đủ cho USB (ví dụ: Win98, NT5.0) Trên thực tế, phiên nâng cấp Win95 (từ phiên OEM-2.1) bắt đầu có tính hỗ trợ Từ phiên OSR-2.0 Win95, hỗ trợ cho USB thể từ chương trình cài đặt Trong PC, USB bus nối tiếp, đưa sử dụng năm 1996, phải đến năm 1998 phát triển rộng rãi Hai phiên phổ biến USB sử dụng 1.0 2.0 Do loại 1.0 có tốc độ truyền thấp (max=12Mbps), nên thay loại 2.0 (max=480Mbps) Bus USB liên quan chặt chẽ đến đặc tính cắm chạy máy tính PC đời Trong máy tính hoạt động, thiết bị USB đấu nối trực tiếp ln với máy tính mà khơng cần phải RESTART Hệ thống tự nhận biết có thiết bị kết nối với máy tính tự động tải DRIVER thích hợp Cổng USB lấy điện áp chiều 5V với dòng cực đại 100mA Luận văn gồm chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan bus nối tiếp đa USB Chương 2: Host USB: Phần cứng phần mềm Giới thiệu đường dẫn mối quan hệ nội phương thức truyền thông USB Chương Thiết bị USB Chương mô tả tính hoạt động phổ biết lớp thiết bị USB Các thuộc tính hoạt động dùng trình phân chia chức đặc biệt cho thiết bị để giao tiếp thông qua giao diện bus cuối giao tiếp với máy chủ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ USB 1.1 Những nét chung Bus USB USB bus nối tiếp, liệu bus truyền tương tự cổng nối tiếp, cụ thể bit Một điều đáng ý là, liệu truyền đường dẫn theo hai hướng, theo tiêu chuẩn RS-232 liệu truyền hai đường dẫn khác nhau, đường theo hướng USB cho phép đấu nối đến 127 thiết bị, mà gọi bus Mỗi thiết bị đấu nối vào bus nhận địa qua địa thiết bị trao đổi liệu với PC thiết bị khác Về mặt tốc độ, USB nhanh RS-232 nhiều, liệu truyền với tơc độ đến 12Mbps đường dẫn tín hiệu Tất nhiên dải thơng phân chia cho tất thiết bị đấu nối với bus Với USB-1.0, tốc độ lên 12Mbps/một kênh ( subchanel), 1,5Mbps cho thiết bị có tốc độ thấp (chuột), USB-2.0 480Mbps giữ tính tương thích với phiên 1.0 USB có mối liên quan chặt chẽ với đặc tính "Cắm Là Chạy; Plug and Play" PC đời Trong máy tính hoạt động, thiết bị đấu vào tháo mà không cần cắt điện nguồn ni cho máy tính Đặc tính gọi đấu/ngắt nóng Hệ thống nhận biết USB đấu vào nạp phần mềm điều khiển (tệp đệm) thích hợp Các đặc tính USB : • Các truyền đẳng thời (isochonous), hiểu truyền "liên tục", hỗ trợ tín hiệu video sound Với truyền đẳng thời, truyền nhận liệu theo kiểu đảm bảo đốn trước (predictable) • USB hỗ trợ thiết bị không đẳng thời hay thiết bi có quyền ưu tiên cao nhất, thiết bị đẳng thời lẫn khơng đẳng thời tồn thời điểm • Các thơng số kỹ thuật có thơng số Plug and Play, cáp nối cách kết nối tiêu chuẩn hố rộng rãi cơng nghiệp • Các hub xếp thành nhiều tầng (Multiple-tiered) với khả mở rộng gần đến mức lớn (có thể đến 127 thiết bị vật lý), thao tác xảy đồng thời • Tốc độ truyền USB2.0: 1,5/12/480 Mbps (low/full/high), với kích thước gói khác • Hỗ trợ nhiều ưu cầu dải thông thiết bị từ vài Kbps đến 480 Mbps • Hỗ trợ tốc độ truyền liệu thiết bị pham vi rộng giá trị thơng qua việc điều tiết kích thước đệm gói liệu chế tiềm ẩn (latency) • Có khả cắm nóng (hot-plug), nghĩa cho phép thiết bị ngoại vi đấu nối mà không cần phải cắt nguồn ni cho PC, đấu/ngắt thay đổi lại cấu hình thiết bi ngoại vi cách linh hoạt • Khả quản lý lượng tăng cường với chế độ "ngủ" "nằm_lì" pham vi hệ thống • Tự nhận dạng thiết bị ngoại vi, tự động vẽ đồ chức phần mềm điều khiển cấu hình • Hỗ trợ cho thiết bị ngoại vi khác nhau, với nhiều chức khác Điều khiển luồng liệu thông qua đệm, thông qua giao thức đặt sẵn bên • Có chế xử lý lỗi/hồn trả lỗi • Hỗ trợ khả nhận dạng thiết bị mắc lỗi • Giao thức đơn giản việc thực tích hợp USB cấu trúc bus cần Trong trình hoạt động, máy chủ USB điều khiển dải thông hệ thống Mỗi thiết bị gán địa mặc định thiết bi USB cấp điện lần reset Các hub thiết bị chức gán địa thiết bị giả định phần mềm USB Khung 1ms Hình 1.1: Ví dụ minh họa phân chia dải thông cho thiết bị USB Một đặc điểm khác USB điện áp nguồn ni (+5V) nhận từ bus Các thiết bị có cơng suất tiêu thu nhỏ sử dụng trực tiếp nguồn bus (ví dụ: USB flash disk, iPod,…) Đối với thiết bị công suất lớn (như máy Scan…) giao tiếp với PC qua USB nên có nguồn ni riêng, loại có nguồn ni lấy trực tiếp từ cổng USB phải cân nhắc kỹ trước sử dụng, liệu cơng suất nguồn PC có đủ cung cấp, dòng cho phép cổng USB mainboard 89 Chuẩn USB không trao quyền cách ly Điều làm tăng chi phi khơng cần thiết Khơng có yêu cầu chuẩn, thúc đẩy, gợi cho thiết bị ngoại vi kết nối với máy tính thơng qua USB bị cách ly Việc cách ly quan trọng có nhiều tiềm ứng dụng máy tính dựa vào thiết bị đo Trong tất tài liệu tham khảo, thơng tin cơng nghệ truyền thơng khác, chúng phó thác cho thiết bị ngoại vi giao diện người - máy Các tín hiệu USB bậc vi phân 800mv, nên tín hiệu làm cho chúng có tín hiệu vi sai điện áp thấp (LVDS) Như vậy, chúng đối tượng để vi phân từ nguồn thay đổi bên ngồi Các nguồn khơng gây khó khăn cho ứng dụng HMI cao bảo vệ Nhưng chúng cản trở hệ thống đo lường cần thiết phải kiểm tra điện bên ngồi khơng điều khiển Chuột bàn phím cách ly nhờ vỏ nhựa Phổ biến có năm lớp khác thường xen vào mà trình cách ly hỗ trợ cách ly trình đo lường chúng ta: Sự loại bỏ điện tĩnh (Electrostatic Discharge: ESD) q trình phóng điện từ nguồn tĩnh vào thiết bị đo Điển hình vấn đề làm treo máy ta phải khởi động lại Nếu có tổn thất lớn, hình hệ thống ta có màu xanh lam nặng làm hỏng phần cứng ta Các tiêu chuẩn sản phẩm quốc tế việc đánh giá CE, khả chịu ESD lên đến 4000V sản phẩm kim loại tiếp xúc với khơng khí 8000V thiết bị nhựa cách điện Đất ảo nhận từ tín hiệu mạch khác xem đất khác Thậm chí card thu liệu có đất tương tự riêng biệt, đất số, đất máy (đối với cáp cách ly), kết nối hệ thống đo lường với bên ngồi, khơng có đảm bảo UUT khơng đánh điện đủ tới nguồn cung cấp 110V 220V thành tín hiệu đất vào tương đương Ngay biết có dây đặc hai điểm đất khơng chắn Dịng chảy qua dây dẫn nguồn cung cấp - đất làm tăng điện áp cuối “nóng” đủ làm hư hại việc đo lường phá huỷ máy tính Đất vịng xuất có đa đường tín hiệu dịng nguồn cung cấp chẩy đất nguồn cung cấp Các cáp dài hoạt động anten từ tính đặt lên trường điện có tần số thấp tản mạn quanh vùng lân cận, hình 4.6 Các điện trường tạo mô tơ điện, máy biến áp, xây dựng đường dây mang nguồn cung cấp để chạy lị vi sóng phịng nghỉ tạo trường quan trọng mà đất vòng nối vào hệ thống đo lường ta Máy tính chủ Thiết bị DAQKhơn g cách ly ĐẤT VỊNG Ồn tần số 60hz xạ vào đất vịng UUT 90 Hình 4.6: Đất vịng cuất phận tách biệt thiết bị dùng chung đất Đất chế độ chung nhiễu phát sinh số lượng có hiệu ứng đẩy dịng ngẫu nhiên làm liên quan đến tín hiệu chúng ta, đẩy tín hiệu cao tín hiệu thấp thống hình 4.7 Nhiễu kiểu Lớp bảo vệ tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự Đất tương tự Nhiễu kiểu Đất chung Hình 4.7: Những điện áp kiểu di chuyển hai phía đường truyền tín hiệu cân đối xứng với đất Trường hợp xấu nhất, nhiễu dâng lên đủ lớn để thiệt hại thiết bị xảy Một ví dụ đầy đủ nhiễu chế độ mức thấp xẩy tín hiệu tương tự chia sẻ nguồn cung cấp đất với số lượng lớn cổng logic tích cực trễ xấu theo sát EMF, Mỗi thời điểm đóng hay mở mạch; Nó thay đổi q trình nạp nguồn cung cấp dịng trả thông qua hệ thống đất Những thay đổi dịng nhanh gây đột biến điện áp tăng lên 100mV qua bảng mạch - đủ phá vỡ phép đo nhạy cảm EMR/RFI không liên quan đến tín hiệu tần số cao (hàng chục khz trở lên) Đạt trước kết thúc phép đo tương tự từ cáp hoạt động anten thu nhận trường điện xảy vùng lân cận Trong nhiễu tần số thấp thâm nhập tượng cảm ứng điện từ, trường tần số cao nhận thông qua cách ghép điện dung, điện cảm điện trở Ngồi ra, chúng nhảy từ phần tử mạch sang phần tử mạch Chúng không phá vỡ tỷ số tín tạp phép đo, chúng cịn thâm nhập vào xử lý Nếu xử lý bảng mạch bị treo, hệ thống đo lường bị khóa Chúng ta phải dừng truyền thông với USB, làm treo ứng dụng 91 4.4.1 Các phƣơng thức cách ly Cách ly đề cập đến việc thiết lập rào cản dòng điện phần thiết bị với phần khác, cho phép trao đổi qua lại (ví dụ: Giữa tín hiệu nguồn) Một ví dụ điển hình nhựa phím bấm bàn phím Chúng đặt hàng rào cách điện tay dòng điện điện áp làm cho bàn phím hoạt động, cho tín hiệu khí qua Để tránh thâm nhập tượng liệt kê trên, cách ly cần thiết vùng đo lường vùng truyền liệu hình Rào cản cách ly phải cho phép nguồn tín hiệu điều khiển liệu truyền qua, hệ thống đất tách biệt Hình 4.8 cho thấy có phương thức hệ thống đo lường cách ly Mỗi hệ thống có ưu nhược điểm riêng Bộ cách ly quang (Optoisolators) kết hợp diode phát quang photo trasistor để gửi tín hiệu qua khoảng cách ly dạng ánh sáng Các thiết bị nàylà đặc biệt hữu ích tín hiệu số, trừ nguồn ni Chúng có lợi chúng khơng sử dụng nguồi ni trạng thái ngắt Điều quan xem xét đến cách ly nguồn nuôi đắt hiệu ứng dụng đạt 75% Tuy nhiên, Bộ cách ly quang thường gặp trễ truyền lan cỡ s biến đổi đáng kể Máy biến áp cách ly thông qua cặp từ Khơng có thành phần chiều qua máy biến áp Máy biến áp có nguồn qua lơn, đặc biệt tần số cao, hiệu quả, chúng đặc biệt hữu ích nguồn nuôi cần cách ly tín hiệu có tần số cao tín hiệu đồng hồ Các máy biến áp biết đến khơng có biến đổi lớn Tuy nhiên, chúng công kềnh so với phần tử mạch tích hợp khơng phải tn theo kỹ thuật chế tạo trạng thái rắn Ngồi ra, máy biến có hai đường mà nhiễu thâm nhập vào Nguồn Thu Bộ thu phát quang Thu Nguồn Máy biến áp Nguồn Thu Tụ điện vi sai Hình 4.8: Các phương thức cách ly hệ thống đo lường 92 Ba phương pháp cách ly sử dụng rộng rãi hoàn toàn cách điện cho cặp tín hiệu qua khoảng cách điện: Optoisolators dùng ánh sáng, máy biến áp sử dụng từ trường, cặp tụ điện sử dụng điện trường Ghép tụ vi sai (DCC) dùng tốt tín hiệu xoay chiều, khơng cho dịng chiều qua Hạn chế lớn ghép tụ vi sai trễ truyền lan không ổn định DCC tốt cho việc cách ly luồng liệu số tốc độ cao 4.4.2 Biện pháp cách ly đo lƣờng Hình 4.9 cho thấy kiến trúc điển hình cho mô đun USB cách ly Mô đun đo lường USB Thiết bị logic khả trình CMOS Giao diện USB Phần đo lường Bộ xử lý Phần truyền thông liệu Bộ chuyển đổi tương tự số Chuyển nhận tín hiệu tương tự Tín hiệu cảnh báo Cáp USB Đất Máy tính chủ Đất tương tự Hình 4.9: Kiến trúc mô đun đo lường USB cách ly Bên cạnh việc truyền liệu có chíp USB với vi xử lý trung gian truyền thông máy tính chủ qua hàng rào cách ly tới phần đo lường Một xử lý thứ hai (một điều khiển logic khả trình CMOS - PLD) điều khiển hoạt động thu liệu phần đo lường Trước gặp vấn đề xảy phía đo lường hàng rào cách lý, phải nhận nguồn điện để kích thích mạch Chuyển mạch nguồn cung cấp (khơng hiển thi hình vẽ) dùng để ghép biến áp Bên phía khơng cách ly, chuyển đổi nguồn chiều sang xoay chiều (về cớ dao động hoạt động tần số vài trăm khz) cấp nguồn xoay chiều tới thơng qua máy biến áp Bên phía cách ly, chỉnh lưu lọc chuyển đổi nguồn xoay chiều trở lại thành nguồn chiều Với mạch đo lường kích thích, xử lý khơng đươc cách ly thiết lập thơng số đo lường, tốc độ lấy mẫu, kênh quét v.v.và 93 tải chúng vào nhớ CPLD Nó gửi tín hiệu điều khiển cài đặt thơng qua thu phát quang Kết thúc, hệ thống đo lường thu nhận liệu Phần tương tự đo lường, số hóa chuyển đổi thành tín hiệu số cho CPLD để đưa trở lại qua hành rào cách ly thơng qua DCC Bên phía khơng cách ly hàng rào, xử lý nhận liệu qua máy tín chủ thơng qua USB Dữ liệu đến an toàn điều kiện tốt vi hành rào cách ly có hiệu tách riêng đất đo lường từ nguồn cung cấp máy tính đất máy Với việc cách ly đất máy tính đất đo lường, tự thực phép đo tới điểm thích hợp UUT, cho phép vượt UUT nên thu đột biển ESD, ví dụ , hệ thống cách ly cho phép đo đất vượt lên so với đất UUT hệ thống tiêu tán tĩnh UUT xả hết khơng nạp Nếy UUT khơng có hệ thống tiêu tán tĩnh, hàng cách ly ngăn cản thất bại từ phép đo điều gây tổn hại cho hệ thống đo lường Đất ảo loại bỏ dẫn đo lường rõ dẫn UUT Tương tự, mạch đất khơng qua khó hiểu USB cho phép ta di chuyển để đóng kết thúc phần tương tự UUT, cần thiết loại bỏ dẫn tín hiệu dài Trong cách ly không loại bỏ điện áp chế độ thơng thường, cho phép tham chiếu đo lường dịch chuyển theo chúng Tuy nhiên, điện áp giữ nguyên chúng không ảnh hưởng đến phép đo Cách ly hệ thống đo lường cho phép áp dụng kỹ thuật đo lường không hệ thống đo lường khơng cách ly Hình 4.10, cho ví dụ, cho thấy tình ta muốn đo điện áp đầu giống đo nguồn pin chiều thứ 40 dãy nối tiếp 80 nguồn pin chiều 1,25V Thiết bị đo lường không cách ly buộc phải thực phép đo vi sai 48,75V 50V Vùng chức số hóa tốt 50V Giả sử trước kết thúc phần tương tự kiểm định thiết lập 50V số hóa định 12 bit, sai số số hòa 0,012V, 1% phép đo (50/4096=0,012V) Đất tương tự cách ly Máy tính chủ Dãy pin mắc nối tiếp Mơ đun đo lường USB cách ly Đất Hình 4.10: Sử dụng mơ đun USB cách ly để đo nguồn pin lối Tải 94 Có cách ly mơ đun USB cho phép ta sử dụng kỹ thuật đất động với đất tương tự kết nối tế bào thứ 40 Dải rộng cần nhỏ 1,25V Trước kết thúc phần tương tự hợp lý 5V thiết lập sẵn sàng Dùng để cấp sai số số hóa 0,012V, sai số 0,1% Tương tự, Cách ly phần đo lường cho phép ta áp dụng host kỹ thuật đo lường mạch điện cổ điển, tự bảo vệ, Kelvin dây, quay trở lại lần vậy, mà khác Có thể dùng USB để tích hợp việc kiểm tra sở máy tính hệ thống đo lường cho cách ly mạch điện đo lường Nó đảm bảo mơ đun thu thập liệu USB lựa chọn hợp công nghệ cách ly Bởi cách ly tốn để thiết kế mô đun Một số ưu điểm đo lường qua cổng USB dựa máy tính Các khe cắm mở rộng máy tính cá nhân nhanh chóng bỏ đi, Trong cổng USB thêm vào Chỉ vài năm trước đây, máy tính may mắn trang bị cổng USB Ngày nay, chúng thường có Vì lý đủ cho người dùng thiết bị kiểm tra đo lường nghĩ đến chuyển từ PCI sang USB để kết nối máy tính họ dựa phận hệ thống máy móc Ngồi ra, có số tính USB đưa đến chuẩn hợp máy móc - Kết nối phần cứng cắm vào chạy: khơng cần phải mở máy tính nhiều để cắm card mở rộng, cần cắm mô đun USB vào cổng bên ngồi Khơng cần cấp nguồn cho - Giữ cho mạch đo lường khỏi môi trường ồn case máy tính: Đây lý quan trọng xử lý xem xét có xử lý case máy tính tần số Ghz giống nguồn nhiễu túy đến cuối phần thu liệu tương tự - Dịch chuyển mạch đo lường gần UUT: Đưa thiết bị đo lường đến cuối phần tương tự cáp dài cho phép rút ngắn việc nối dây tới UUT - Tuyền liệu tốc độ cao: tốc độ truyền liệu cực đại 480Mbps USB tốc độ cao 2.0 - Chuẩn hướng người dùng trợ giúp giảm chi phí điều khiển: Lợi dụng thực tế chíp USB sản xuất cho thị trường làm giá thành linh kiện giảm mạnh cho nhà sản xuất thiết bị đo Họ tiết kiệm cho khách hàng họ theo hình thức giá thấp - Dễ ràng di chuyển: USB cho phép di chuyển thiết bị đo từ vị trí đến vị trí khác dễ dàng Thay ví phải di chuyển tồn máy tính, họ cần tháo mo đun USB cắm vào máy tính vị trí 95 - Dễ mở rộng: Hầu hết máy tính để bàn có nhiều cổng USB khe cắm mở rộng PCI hay ISA Ngoài ra, hub USB bên rẻ có sẵn từ cửa hàng điện tử, cho phép mở rộng hệ thống đo USB sở lên đến 127 thiết bị - Kết nối nguồn đơn giản: Nhiệm vụ USB mà máy chủ cấp nguồn chiều 5V tổng lên đến 500mA cho thiết bị ngoại vi Nhiều hub bên ngồi thêm vào hệ thống hành Máy tính xách tay Nếu sử sụng máy tính xách tay máy chủ thu thập liệu, khơng cần cắm vào để thay đổi pin tiến hành phép đo, ta có hệ thống cách ly, mô đun đo lường USB không cách ly Mặc dù đất ta kết nối mơ đun trở thành tham chiếu cho tồn máy tính xách tay Tuy nhiên, nhớ rằng, cắm thêm thiết bị ngoại vi máy in với máy tính xách tay làm hỏng cách ly 96 KẾT LUẬN Kết đạt đƣợc ứng dụng luận văn Luận văn trình bầy kỹ thuật giao tiếp ngoại vi máy tính chủ thơng qua bus nối tiếp đa USB, yêu cầu cần thiết viết chương trình cho thiết bị ngoại vi giao tiếp với máy tính qua bus USB Tác giả tập chung trình bầy phương thức truyền thơng USB từ cách thức kết nối host lớp tính hoạt động phổ biết lớp thiết bị USB Với mục đính luận văn đo lường điều khiển thông qua cổng USB, nên tác giả sâu nghiên cứu sở lý thuyết bus nối tiếp đa USB, phương thức kết nối lớp máy chủ host, thuộc tính hoạt động của thiết bị USB dùng nhờ trình phân chia chức đặc biệt cho thiết bị để giao tiếp thông qua giao diện bus cuối giao tiếp với máy chủ Việc đo lường điều khiển cổng USB thực có bắt tay máy tính chủ thiết bị ngoại vi USB Luận văn đưa thiết kế thiết bị USB sỏ sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 để điều khiển máy tính cách ly đo lường Hƣớng phát triển đề tài: Luận văn đưa phương thức truyền thông đo lường điều khiển phiên USB 2.0 Đề tài tiến tới nghiên cứu đo lường điều khiển thông qua cổng USB với phiên cao điều khiển từ xa thông qua cổng USB 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Mạnh Giang (2006), Kỹ thuật ghép nối máy vi tính, tr 90-96, NXB Giáo dục, Hà Nội Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật vi điều khiển với AVR, tr 382-388, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh Compaq Hewlett-Packard Intel Lucent Microsoft NEC Philips (2007), Universal Serial Bus Specification, pp 239-296 Janet L Axelson (2005), USB complate: Everything You Need to Develop USB Peripherals, Third Edition, , Lakeview Research LLC, Madison, WI 53704 Microchip Technology Inc (2007), PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, http://www.create.ucsb.edu/~dano/CUI/PIC18F4550datasheet.pdf OLIMEX Ltd (2007), "PIC-USB-4550 DEVELOPMENT PROTOTYPE BOARD FOR PIC18F4550", http:// www.optimal-microsystems.com/store/pdf/PIC/PIC-USB-4550.pdf, Tháng năm 2007 98 PHỤ LỤC Giới thiệu PIC 18F4550 PIC 18F4550 sản phẩm hãng Microchip, với 40 chân, có cổng vào A, B, C, D E PIC hoạt đơng với dao động nội ( PIN7: chân vào cổng A 99  PIN8 -> PIN10: chân vào cổng E  PIN11: nối với nguồn chiều +5V  PIN12: nối với đất  PIN13 PIN14: nối với mạch dao động ngồi Có thể khơng cần sử dụng dao động chân nối với mạch dao động ngồi việc lập trình  V1 5V +V   R1 1k  MCRL   RESET C1 1uF PIC 18F4550   Hình A.2: Mơ tả chân thực thao tác Reset   PIN15 -> PIN17 PIN23 -> PIN26: chân vào cổng C  PIN19 -> PIN22 PIN27 -> PIN30: chân vào cổng D  PIN31: nối đất  PIN32: nối với nguồn 5V  PIN33 -> PIN40: chân vào cổng B Đặc biệt, PIN23 PIN24 hai chân đảm nhận việc trao đổi liệu giao tiếp USB PIN23 tương ứng với chân D-, PIN24 tương ứng với chân D+ Sự hoạt động chân nói kĩ phần sau Mỗi chân có số chức riêng Khi thiết kế ta phải quan tâm tới chức cụ thể chân PIC 18F4550 giao tiếp với thiết bị có giao tiếp USB (Universal Serial Bus) Sau giới thiệu USB thiết kế mạch, lập trình cho PIC * Cấu trúc phần cứng USB vi điều khiển PIC 18F4550 Cấu trúc phần cứng USB vi điều khiển cho hình A.3 * Các ghi điều khiển: - USB Control register (UCON) - USB Configuration register (UCFG) - USB Transfer Status register (USTAT) - USB Device Address register (UADDR) - Frame Number registers (UFRMH:UFRML) - Endpoint Enable registers through 15 (UEPn) 100 Hình A.4 miêu tả phận đảm nhận nhập xuất liệu sử dụng giao tiếp USB Hình A.3: Cấu trúc PIC 18F4550 101 Hình A.4: Mô tả phận thu phát liệu qua cổng USB USB RAM PIC 18F4550 mô tả hình A.5 HìnhA.5: Mơ tả USB RAM 102 Các ngắt USB (Xem kỹ mục USB Interrupts phần 17.5 datasheet) Xung đồng hồ: Để thiết bị hoạt động tốc độ cao xung đồng hồ cung cấp cho PIC phải 48MH Bộ nhớ trung gian kiểm tra thuộc tính thiết bị cho hình A.6 103 Hình A.6: Bộ mơ tả nhớ đệm Bảng A.1: Bảng miêu tả ghi sử dụng giao tiếp USB