Nghiên cứu mô hình truyền dữ liệu giữa 2 máy tính bằng laser bán dẫn qua không khí ở cự ly ngắn

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN MẠNH TƯỜNG NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH BẰNG LASER BÁN DẪN QUA KHÔNG KHÍ Ở CỰ LY NGẮN Chuyên ngành: KỸ THUẬT LASER Mã số ngành: 2.07.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2005 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày .tháng năm TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HỒ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHỊNG ðÀO TẠO SðH ðỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC _ Tp HCM, ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN MẠNH TƯỜNG Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1978 Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật (Kỹ thuật laser) Phái: Nam Nơi sinh: Tây Ninh MSHV: 01203293 I-TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU GIỮA HAI MÁY TÍNH BẰNG LASER BÁN DẪN QUA KHƠNG KHÍ Ở CỰ LY NGẮN II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nhiệm vụ nội dung ñề tài gồm hai phần sau: Nghiên cứu kỹ thuật truyền thơng laser qua khơng khí Xây dựng mơ hình truyền liệu hai máy tính laser bán dẫn qua khơng khí cự ly ngắn III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ( Ngày ký ñịnh giao ñề tài): 07/07/2005 IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2005 V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Cẩn Văn Bé CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) Nội dung ñề cương luận văn thạc sĩ Hội ðồng Chun Ngành thơng qua Ngày PHÒNG ðÀO TẠO SðH tháng năm KHOA QUẢN LÝ NGÀNH Luận văn thạc só Kỹ thuật laser LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Cẩn Văn Bé tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn thạc só này! Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Minh Thái hết lòng giúp đỡ thời gian thực đề tài! Cảm ơn gia đình, bạn bè người thân động viên giúp đỡ suốt trình thực luận văn này! Tp.HCM, tháng 11 năm 2005 Học viên: Nguyễn Mạnh Tường Luận văn thạc só Kỹ thuật laser TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Viễn thông ngành công nghiệp liên quan nằm số ngành công nghiệp phát triển nhanh Việt Nam Lĩnh vực viễn thơng Việt Nam hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU) xếp hạng hai giới phát triển thị trường viễn thơng nhanh nhất, đứng sau Trung Quốc Hiện có sáu nhà khai thác có giấy phép mười lăm nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP) có giấy phép Vào tháng 12 năm 2007, thị trường ñiện thoại ñược mở cửa tự theo hiệp ñịnh thương mại song phương Việt – Mỹ (BTA) ñã ñược thực gần ñây Hiệp định thương mại có ý nghĩa chuẩn bị ñường lối cho Việt Nam gia nhập tổ chức thương mại giới (WTO) Mặc dù có nhiều nhà cung cấp dịch vụ nước, nhà cung cấp xem có sức cạnh tranh yếu so với doanh nghiệp nước ngồi, đặc biệt công nghệ Sự gia nhập WTO làm cho cạnh tranh thêm khốc liệt với xâm nhập tập đồn cơng ty nước ngồi ðó hội để bắt kịp phát triển nhanh cơng nghệ Trong đó, kỹ thuật laser ñã ñược quan tâm nhiều nước phát triển cịn bỏ ngỏ Việt Nam Vì lý trên, người viết mong muốn bạn nghiên cứu cặn kẽ truyền thông laser qua không khí Nhưng khả thời gian có hạn, ñề tài luận văn thạc sĩ dừng lại mức độ “Nghiên cứu mơ hình truyền thơng laser qua khơng khí hai máy tính cự ly ngắn” Và mục tiêu trước mắt ñề tài xây dựng mơ hình truyền liệu hai máy tính laser bán dẫn qua khơng khí cự ly ngắn Về lâu dài, ñề tài tiến ñến nghiên cứu kỹ thuật truyền thông laser bán dẫn khơng trung Tuy vậy, nhiệm vụ đề tài khơng nghiên cứu mà cịn chế tạo hệ thống truyền liệu (thơng điệp tập tin) hai máy tính qua cổng RS-232 viết chương trình giao tiếp hai máy tính Luận văn ñược chia làm ba phần: phần ñầu giới thiệu sở lý thuyết cần thiết; phần thứ hai giới thiệu phương án thiết kế mô hình truyền thơng hai máy tính; phần cuối phụ lục, trích dẫn datasheet vi mạch ñược dùng ñề tài Với mong muốn phương pháp truyền thơng laser qua khơng khí nhận ñược quan tâm nhà ñầu tư ngồi nước, người thực đề tài xin ñược khép lại chút tham vọng - mong muốn đóng góp chút vào cơng cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Luận văn cịn nhiều sai sót khó tránh khỏi, góp ý phê bình q thầy bạn niềm vinh hạnh cho tơi Luận văn thạc só Kỹ thuật laser ABSTRACT Telecommunications and related industries are currently among of the fastest growing industries in Vietnam Vietnam's telecom sector has been rated by the International Telecommunication Union as the second fastest-growing telecom market in the world after China At present, there are six licensed-operators and fifteen licensed-ISPs In December 2007, the market for basic voice telephone should be liberalized, under the recently implemented Vietnam – US Bilateral Trade Agreement (BTA) This trade agreement is meant to prepare the way for Vietnam enter the World Trade Organization (WTO) Despite a large number of domestic service providers, they are known that having weak competitiveness compare to oversea ones, especially technology The WTO accession would make competition fiercer, with the entry of foreign corporations and firms It’s opportunity to catch up with the fast development of technology In there, laser technology considered in many developed countries is still left open in Vietnam For above reason, the writer desire to research into laser communication through the air in detail with you This master’s thesis will halt in level “Research into model of laser communication through the air between two computer in a short distance” within my reach That is an immediate objective must be resolved before reaching to study of free-space laser communication However, the main task isn’t only researching but also making a data (messages and files) communication system for two computers by using RS-232 port, and writing a window program interfacing for two computers This thesis is divided into three parts: the first is the theory basic introduction part; the second is the design solution part presenting how to establish an optical through the air between two computer communication system; and the last is the appendix part quoting some IC datasheets I used Hoping that domestic and foreign investors would be more interested in laser communication through the air, the writer want to end my word with a little ambition – a desire to contribute to demands of industrializing and modernizing the country There are still many errors and omissions I haven’t found out yet I welcome all criticisms and advices form teachers and readers of this thesis Luận văn thạc só Kỹ thuật laser MỤC LỤC Lời cảm ơn .5 Tóm tắt luận văn thạc só Abstract Muïc luïc Chương mở đầu Giới thiệu chung 10 I Toång quan 10 II Mục tiêu đề tài 13 III Phaïm vi nghiên cứu 13 IV Đối tượng nghiên cứu 14 VI Ý nghóa khoa học thực tiển đề tài 14 Phần Cơ sở lý thuyết .15 Chương Một số khái niệm quang học cần thiết 16 1.1 Quang phổ đáp ứng mắt người .16 1.2 Đáp ứng đầu dò silic 18 1.3 Các đại lượng ánh sáng 18 1.4 Công suất ánh sáng cường độ sáng 19 Chương Đầu thu nhiễu đầu thu quang .20 2.1 Photodiode Silic PIN .21 2.2Photodiode InGaAs PIN 22 2.3 Các đặc tính photodiode silic PIN tiêu biểu .23 2.4 Phototransistor .28 2.5 Photodiode APD 29 2.6 OÁng nhaân quang 30 2.7 Bộ thu tạo phách quang 32 2.8 Các đầu thu tương lai .33 2.9 Nhiễu đầu thu .34 2.10 Mức ánh sáng tối thiểu dò 36 Chương Các phát quang truyền thông .38 3.1 Diode phaùt quang (LED) 39 3.2 Laser bán dẫn 42 Luận văn thạc só Kỹ thuật laser 3.3 Các nguồn sáng khác .48 Chương Cấu hình hệ quang học 53 4.1 Cấu hình đối nghòch 53 4.2 Cấu hình phản xạ khuếch tán 54 4.3 Caáu hình phản xạ ngược lại .56 Chương Lý thuyết xử lý ánh sáng 59 5.1 Góc phân kỳ góc nhận 59 5.2 Bộ chuẩn trực 61 5.3 Bộ lọc quang 64 5.4 Khoảng cách truyền 66 5.5 nh hưởng môi trường đến việc lựa chọn bước sóng .67 Chương Giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp 74 6.1 Vài nét nguồn gốc cổng nối tiếp kỹ thuật truyền nối tiếp .74 6.2 Cáp RS-232 .75 6.3 Các đầu nối cổng RS-232 76 6.4 Các mức điện áp đường truyền 78 6.5 Khuôn mẫu khung truyền 80 6.6 Điều khiển thông tin nối tiếp hai thiết bị 80 6.7 Một số tiêu chuẩn truyền thông nối tiếp khác 83 Phần Thiết kế thi công 85 Chương Phương án thiết kế 86 7.1 Chọn cấu hình quang hoïc 86 7.2 Chọn thu phát quang .88 7.3 Chọn chuẩn giao tiếp máy tính 92 7.4 Thiết kế mạch giao tiếp máy tính 94 7.5 Laäp sơ đồ giải thuật viết phần mềm điều khiển .101 7.6 Sourcecode 106 Chương Kết thực hướng phát triển 117 8.1 Kết thực 117 8.2 Hướng phát triển đề tài 121 Phần Phụ lục 125 Tài liệu tham khảo Luận văn thạc só Kỹ thuật laser CHƯƠNG MỞ ðẦU GIỚI THIỆU CHUNG I Tổng quan 1) Giới thiệu Truyền thông ánh sáng khoa học Các di tích người La Mã cổ đại cho biết đóa kim loại bóng láng dùng gương phản chiếu ánh sáng mặt trời để truyền tín hiệu khoảng cách xa Quân đội Mỹ dùng thiết bị có lượng tương tự ánh sáng mặt trời để gửi thông điệp từ đỉnh núi đến đỉnh núi đầu năm 1800 Đến năm 1880 Alexander Graham Bell thí nghiệm với photophone sử dụng ánh sáng mặt trời phản chiếu từ gương dao động tế bào quang học để truyền tín hiệu thoại qua không khí rộng 200m Trong hai chiến tranh giới, vài thử nghiệm truyền thông ánh sáng đạo, sóng vô tuyến radar đạt nhiều thành công giành ý cao Mãi đến laser đời, kèm theo phát triển linh kiện bán dẫn cáp quang vào năm 1960, truyền thông quang học cuối bắt đầu giành thu hút thật Khoảng 30 năm gần đây, lónh vực quang điện tử có bước tiến dài Các linh kiện truyền thông chùm sáng ngày tìm thấy nhiều thiết bị thông dụng, thiết bị điện thoại, hệ thống máy tính Nhiều chương trình nghiên cứu phòng thủ tiến hành để phá vỡ truyền thông quang qua khoảng cách lớn Ngày người ta xây dựng hệ thống phát nhận âm thanh, truyền hình chí truyền liệu máy tính tốc độ cao qua khoảng cách lớn sử dụng thành phần rẻ tiền 2) Tại phải truyền thông quang qua không khí? Từ vô tuyến phát minh, ngày có nhiều phổ tần số điện từ sử dụng cho thương mại, quân sự, truyền thông giải trí điện thoại Chẳng hạn thành phố ta, sóng vô tuyến trở nên đông nghẹt Các doanh nghiệp tìm cách cải thiện hệ thống thông tin họ thử nghiệm cho 10 Luận văn thạc só Kỹ thuật laser mong muốn riêng gây nản chí giới hạn nguyên tắc phát thông tin vô tuyến Có năm nhà cung cấp dịch vụ nước ta (MobiFone, Vinaphone, S-phone, Viettel, VP Telecom, có thêm Hanoi Telecom Vishipel) Chỉù băng thông nhỏ dành cho phổ tần vô tuyến để truyền nhiều kênh thông tin, tần số vô tuyến ngày đông nghẹt Trong lónh vực lại PSTN, ADSL, truyền hình cáp,… khoảng năm nhà cung cấp Hệ thống mạng cáp nước ta chằng chịt, điều vừa mỹ quan lại vừa nguy hiểm Đào đường? Không phải nơi đào Đường sá thành phố tình trạng đào lên lấp xuống nhiều Hơn nữa, giao thông ách tắc vấn đề đáng ngại Việt Nam Vì lý nhiều công ty cá nhân tìm đến ánh sáng cách cần thiết để cung cấp nhiều chỗ cho việc mở rộng truyền thông Bằng cách sử dụng ánh sáng điều biến sóng mang thay cho sóng vô tuyến vô hạn, phổ ánh sáng trở nên hữu dụng Lấy ví dụ xem có thông tin phát hệ thống thông tin quang Hình ảnh nguồn sáng laser đơn, chẳng hạn laser bán dẫn phát ánh sáng có bước sóng hẹp Như linh kiện phát triển có sẵn để điều biến tốc độ lớn 60GHz Nếu điều biến tốc độ 10Ghz nguồn laser đơn truyền giây: 900 đóa mềm, 650.000 trang văn bản, 1000 tiểu thuyết, 200 phút nhạc chất lượng cao, 10.000 hình TV Hơn nữa, ta thêm vào nguồn sáng nhiều bước khác nhiều kênh thông tin đưa thêm vào mà không làm nhiễu Một dung lượng thông tin lớn mà sóng vô tuyến làm Đánh giá tìm phương pháp truyền thông laser qua không khí, số tạp chí khoa học Mỹ cho phương pháp giải tượng nghẽn cổ chai thời kỳ thông tin bùng nổ 3) Những hạn chế truyền thông qua không khí Yếu tố ảnh hưởng đến khả truyền thông qua không khí thời tiết Sương mù, mưa nặng hạt, tuyết ngăn chặn ánh sáng truyền thông bị ngắt quãng May mắn mắt nhận biết tín hiệu Một vài bước sóng hồng ngoại xuyên qua thời tiết xấu tốt ánh sáng khả kiến Nếu khoảng cách truyền không lớn (nhỏ dặm), hệ thống thiết kế với hiệu suất cao, xuyên qua hầu hết điều kiện thời tiết Thật không may mắn có thông tin tồn ảnh hưởng thời tiết qua khoảng cách lớn Nhưng điều trở ngại để phát triển hệ thống truyền thông qua không khí nhiều vùng trái đất, thời tiết tồi tệ 11 Luận văn thạc só Kỹ thuật laser else if (S = 'Y') and Flag_S then begin St:=''; Flag_S:= False; yes:= True; TimerDelay.FreeOnRelease; ButtonSendfile.Enabled:= True; LabelSending.Visible:= True; GaugeTx.Visible:= True; end else if (S = 'N')and Flag_S then begin St:=''; Flag_S:= False; Flag_H:= True; TimerDelay.FreeOnRelease; MessageDlg('The remote computer has refused to receive your files.', mtInformation, [mbOK], 0); end else if (S = '%') and SendFile then begin if MessageDlg('Sending process has finished.', mtInformation, [mbOK], 0)= mrOK then begin GaugeTx.Progress:= 0; LabelSending.Visible:= False; GaugeTx.Visible:= False; MemoTx.ReadOnly:= False; end; SendFile:= False; end else if not Flag_B and not SendFile and not ReceiveFile then begin MemoRx.Text := MemoRx.Text+S; Flag_H:= True; end; if ReceiveFile then begin GaugeRx.Visible:= True; LabelReceiving.Visible:= True; GaugeRx.Progress:= Round(Length(St)*100/ByteNumber); if length(St)= ByteNumber then begin ReceiveFile:= False; if MessageDlg('Receiving process has finished Click OK button to save file.', mtInformation, [mbOK], 0)= mrOK then begin SaveFile(SaveDialog.FileName,St); ButtonSendfile.Enabled:= False; 112 Luận văn thạc só Kỹ thuật laser St:=''; ByteNumber:=0; GaugeRx.Progress:=0; GaugeRx.Visible:= False; LabelReceiving.Visible:= False; StatusBar.Panels[0].Text:='The received file has been saved.'; Comport.WriteStr('%'); end; end; end; end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.Bt_DefaultClick(Sender: TObject); begin ComPort.LoadSettings(stRegistry, 'HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Dejan'); // ComPort.LoadSettings(stIniFile, 'e:\Test.ini'); end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.Bt_StoreClick(Sender: TObject); begin // ComPort.StoreSettings(stIniFile, 'e:\Test.ini'); ComPort.StoreSettings(stRegistry, 'HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Dejan'); end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.MemoTxKeyUp(Sender: TObject; var Key: Word; Shift: TShiftState); begin if Key = VK_RETURN then begin Button_send.Click; end end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.ButtonClearClick(Sender: TObject); begin MemoRx.Clear; MemoTx.Clear; end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.ButtonLoadClick(Sender: TObject); begin yes:= False; if OpenDialog.Execute then begin 113 Luận văn thạc só Kỹ thuật laser if OpenDialog.FileName '' then begin LabeledEditTx.Text:= OpenDialog.FileName; Str:= LoadFile(OpenDialog.FileName); Flag_S:= True; Sl:= inttoStr(length(Str)); Delay:= 25; if Comport.Baudrate = br110 then Delay:= 500 else if Comport.Baudrate = br300 then Delay:= 200 else if Comport.Baudrate = br600 then Delay:= 100 else if Comport.Baudrate = br1200 then Delay:= 50; TimerDelay.Interval:= Delay; TimerDelay.Enabled:= True; i:= 0; end; end; end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.ButtonSendfileClick(Sender: TObject); var i: word; begin ButtonSendfile.Enabled:= False; MemoTx.ReadOnly:= True; Sendfile:= True; if yes then For i:= to length(Str) begin Comport.TransmitChar(Str[i]); GaugeTx.Progress:= Round(i*100/length(Str)); end; end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.Timer1sTimer(Sender: TObject); begin if Connect and Comport.Connected then begin if ImageConnect.Visible = False then ImageConnect.Visible:= True else ImageConnect.Visible:= False; if ImageDisConnect.Visible = False then ImageDisConnect.Visible:= True else ImageDisConnect.Visible:= False; Timer1s.Enabled:= True; end; end; //********************************************************* procedure TFormMainWindow.TimerDelayTimer(Sender: TObject); begin 114 Luận văn thạc só Kỹ thuaät laser if not Connect and Comport.Connected and (Reconnect 3 then begin StatusBar.Panels[0].Text:= 'Connection is failure Please check your hardware!'; StatusBar.Panels[1].Text:= 'Status: Disconnected'; Reconnect:= 0; Flag_H:= False; end; end; if Connect and Flag_S then begin if i = then Comport.TransmitChar('@') else if (i 0) and (i length(Sl) then begin Comport.TransmitChar('$'); TimerDelay.Enabled:= False; end; inc(i); if i