Nghiên cứu hệ thống nhúng thiết kế điều khiển LED MATRIX ứng dụng với EMBEDDED COMPUTER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÚNG, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN LED MATRIX ỨNG DỤNG VỚI EMBEDDED COMPUTER NGÀNH: XỬ LƯ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MĂ SỐ : NGUYỄN Đ̀INH LUYỆN Người hướng dẫn khoa học :TS.ĐẶNG VĂN CHUYẾT HÀ NỘI 2005 MỤC LỤC MỞ ĐẦU TỔNG QUAN CHƯƠNG I: HỆ NHÚNG 1.1 Khái niệm hệ thống nhúng 1.2 Sự cần thiết hệ nhúng 1.3 Đặc điểm hệ nhúng 1.4 Các công cụ phát triển hệ nhúng 1.5 Phân loại vi điều khiển vi xử lý đa 1.6 Bộ vi điều khiển hệ thống nhúng CHƯƠNG II : MÁY TÍNH NHÚNG 12 2.1 Cấu trúc hệ máy tính nhúng 12 2.1.1 Máy tính nhúng 12 2.1.2 Tổ chức khối chức máy tính 13 2.1.3 Thành phần CPU 14 2.1.4 Các hệ thống hỗ trợ cho hoạt động máy tính 17 2.2 Giới thiệu PC/104 bus - bit 18 2.3 Giới thiệu tập lệnh x86 ứng dụng máy tính nhúng 20 2.4 Đánh giá việc chọn máy tính nhúng thiết kế ứng dụng 24 2.5 Phân tích thiết kế hệ thống ứng dụng máy tính nhúngVortex86-6070 26 2.5.1 Sơ đồ khối thiết kế tổng thể ứng dụng 26 2.5.2 Sơ đồ khối chi tiết thiết kế 28 2.6 Giới thiệu vi mạch sử dụng thiết kế bảng trạng thái 29 CHƯƠNG III :PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP VỚI PC/104 BUS 32 3.1 Bộ định thời 8253 32 3.2 PC/104 bus phân tích thiết kế mạch 8253 39 3.2.1 Giới thiệu PC104 BUS bit : 41 3.2.2 Thiết kế mạch đệm bus hai chiều 74HC245 42 3.2.3 Thiết kế mạch lập trình định thời 8253 44 CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ; MẠCH QUÉT 53 4.1 Phân tích nguyên lý hoạt động 53 4.1.1 Sơ đồ khối thiết kế chung Mạch đệm, điều khiển 55 4.1.2 Phân tích sơ đồ 56 4.2 Cấu trúc vi điều khiển 57 4.2.1 Lập trình vào – ra, thao tác bit 65 4.2.2 Đọc - sửa đổi – ghi (Read –Modify-Write) 66 4.2.3 Định địa bit cổng 67 4.3 Nguyên lý hoạt động mạch thiết kế chi tiết 68 4.4 Phân tích thiết kế mạch phân phối xuất thông tin Led Matrix 71 4.4.1 Nguyên lý hoạt động 71 4.4.2 Thiết kế chi tiết khối giải mã hàng ghi dịch cột 73 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Tiếng Việt 79 Tiếng Anh 80 PHỤ LỤC A SƠ ĐỒ MẠCH ĐỊNH THỜI 8253 B SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 8952 C SƠ ĐỒ MẠCH PHÂN PHỐI LED MATRIX D CHƯƠNG TRÌNH C ĐIỀU KHIỂN VÀ ROM 8952 MỞ ĐẦU Trong trình phát triển kinh tế hội nhập quốc tế nước ta, nhu cầu thông tin ngày trở nên đa dạng Bảng điện tử sử dụng rộng rãi Nó biển quảng cáo, áp phích cổ động, hay biển báo sân bay, nhà ga, thị trường chứng khoán, sân vận động … Bảng điện tử có ưu vượt trội so với bảng thông thường khả hiển thị thông tin linh hoạt, phong phú, sống động Các bảng điện tử hiển thị text có từ lâu, với chất lượng ngày cải thiện, với nhiều kỹ xảo phức tạp Tuy nhiên nhu cầu ngày cao, bảng điện tử phải hiển thị thông tin phong phú, bật hơn, cập nhật thông tin cho bảng điện tử phải dễ dàng nhanh chóng Hiện xuất bảng điện tử có khả hiển thị đồ hoạ, nhiều màu, kết nối với máy tính trực tiếp qua mạng LAN, chí có bảng điện tử trở thành hình VIDEO Tuy nhiên, giá thành bảng cao, đặc biệt bảng nhập trực tiếp nước ngồi Theo xu hướng đó, nhằm nghiên cứu xây dựng ứng dụng thực tế đơn vị - Trường Đại Học Quy Nhơn, phục vụ việc truyền thông thông tin trường đến với sinh viên, học sinh ngày lễ lớn đặc biệt thông tin liên quan tuyển sinh đại học năm, cụm tuyển sinh liên trường Quy nhơn Nhiệm vụ Luận văn tốt nghiệp trình bày chương cụ thể : ■ Mở đầu; Đánh giá tổng quan hệ nhúng ■ Chương I : Hệ nhúng, khái niệm, đặc điểm công cụ phát triển ■ Chương II : Tìm hiểu cơng nghệ Computer Embedded (To Embedded or not to Embedded ), phân tích thiết kế tổng thể xây dựng bảng thông tin điện tử 48x160 - màu, hiển thị Text, đồ hoạ, ảnh động online tuỳ biến Ứng dụng với Embedded DM&P Vortex86™ - CPU 166Mhz ; 128MB ; IDE HDD DiskOnchip ■ Chương III : Thiết kế mạch định thời (Sử dụng vi mạch lập trình thời gian 8253) ghép nối mạch đệm điều khiển, phân phối hình bảng điện tử với Embedded Computer ■ Chương IV : Thiết kế mạch điều khiển, phân phối chương trình C giao tiếp PC Embedded Computer thông qua mạng LAN Giữa Computer Embedded Mạch đệm sử dụng vi điều khiển 8952 ■Chương V : Kết luận, hướng phát triển luận văn Đây vấn đề kỹ thuật đại, mẽ Để tạo hệ thống hoàn hảo cấu trúc thiết bị chương trình cần thời gian thử nghiệm nhiều lần Với thời gian có hạn, nhiều vấn đề luận văn đề cập tới song để mức độ hoàn thiện, tối ưu hệ thống chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp Thầy bạn học viên để luận văn ngày hồn thiện Tơi xin chân thành cám ơn Thầy hướng dẫn TS.Đặng Văn Chuyết – Khoa Công Nghệ Thông Tin - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, tận tình bảo, hướng dẫn để hoàn thành luận văn Trong thời gian học tập thực luận văn trường, khơng thể tơi qn tận tình dạy bảo Thầy, Cô - Khoa Công Nghệ Thông Tin, bạn học viên lớp XLTT&TT 2003 động viên, giúp đỡ học tập Cuối xin gửi đến gia đình người thân tơi lòng biết ơn chân thành TỔNG QUAN Trên giới, phát triển máy tính (PC) chuyển sang giai đoạn thứ - giai đoạn môi trường thông minh mà hệ thống nhúng cốt lõi (còn gọi giai đoạn hậu PC - Internet) Phát triển hệ nhúng phần mềm (PM) nhúng quốc sách nhiều quốc gia Việt Nam cần quan tâm trước toán cạnh tranh tiến trình hội nhập Thiết bị ngày phải có nhiều chức năng, thân thiện với người dùng, đặc biệt gia tăng “độ thơng minh” Đó lý xuất loại điện thoại di động tích hợp nhiều tính năng, mẫu người máy (robot) ngày gần giống người thật Chính điều cần đến vai trị hệ thống nhúng.Khái niệm hệ thống nhúng hiểu hệ tính tốn nhúng vào sản phẩm để thực số chức cụ thể Trong sống, xung quanh có nhiều sản phẩm nhúng lị vi sóng, nồi cơm điện, điều hòa, điện thoại di động Các thiết bị chức truyền thống (như lâu biết) cịn tích hợp nhiều tính thơng qua hệ điều khiển nhúng, chẳng hạn lị vi sóng có khả điều khiển giọng nói, điều khiển thông qua điện thoại di động Lâu nhìn thấy bề CNTT PC Internet, cịn phần chìm CNTT chiếm đến 99% xử lý toàn cầu nằm hệ thống nhúng biết đến Các thống kê cho biết, số chip vi xử lý máy tính (PC) server, mạng LAN Internet chiếm khoảng 1% tổng số chip vi xử lý có giới Rõ ràng, CNTT khơng đơn PC, mạng LAN, WAN, Internet, Phần mềm quản lý nhiều người thường nghĩ mà ứng dụng hệ nhúng Vai trò Phần mềm PC thiết bị nhúng có nét khác biệt Đối với PC mạng Internet, chức xử lý phát triển mạnh lĩnh vực quản lý dịch vụ thương mại điện tử, ngân hàng điện tử, phủ điện tử, thư điện tử, đào tạo từ xa, báo điện tử Các ứng dụng chạy PC, mạng WAN, LAN Còn hệ nhúng, chức xử lý, tính tốn Phần mềm ứng dụng cho thiết bị vật lý điện thoại di động, thiết bị gia dụng, thiết bị điện tử cầm tay, thiết bị y tế, tơ Lâu nay, sách phát triển nghiên cứu CNTT nước thiên phần nổi, nghĩa PC PM quản lý Trong đó, thị trường cho hệ nhúng đa dạng, lớn gấp 100 lần thị trường PC, khơng cơng ty lớn giới chiếm lĩnh hết Vì thế, hội cho thị trường lớn Hệ nhúng trải rộng tất ngành từ thiết bị tiêu dùng, y tế, giao thông, công nghiệp đến lĩnh vực cao cấp máy bay, tên lửa, vệ tinh Hệ nhúng có đồ chơi Mỗi đồ chơi hình thù khác nhau, gắn chip điều khiển khác trở nên vô đa dạng, mở thị trường phong phú Cần biết Trung Quốc, doanh số sản phẩm đồ chơi có chip lớn nhiều lần doanh số PC Nếu thiết bị phần cứng phần xác phần mềm nhúng làm nên hồn thiết bị, tạo nhiều tính chiếm tỷ lệ ngày cao giá trị sản phẩm Hiện phần lớn phần mềm nhúng nằm sản phẩm truyền thông, điện tử gia dụng, tiếp đến tơ, phương tiện vận chuyển, máy móc, thiết bị y tế, thiết bị lượng, thiết bị cảnh báo Hệ nhúng gì? Hệ nhúng hệ kết hợp phần cứng phần mềm cách tối ưu, máy tính nằm ẩn bên (được biết đến dạng chip, mạch phụ trợ, thiết bị ngoại vi) gắn hữu với vật dụng Các hệ thống nhúng lớn thường hệ nối mạng Ở máy bay, tàu vũ trụ thường có nhiều mạng nhúng kết nối để kiểm sốt hoạt động điều khiển Trong tơ đại có đến 80 nút mạng nhúng kết nối để đảm bảo tơ hoạt động an tồn thoải mái cho người sử dụng Sự phát triển CNTT Năm 1960 - 1980 giai đoạn phát triển máy tính lớn (mainframe); 1980 - 2000: PC - Internet phát triển; dự đoán từ 2000 - 2020: giai đoạn môi trường thông minh với cốt lõi hệ thống nhúng (gọi tắt giai đoạn hậu PC - Internet) Phát triển hệ nhúng phần mềm nhúng quốc sách nhiều quốc gia giới Hàn Quốc có dự án lớn nhằm phát triển cơng nghệ phần mềm nhúng thiết bị gia dụng nối mạng Internet, hệ thống phần mềm nhúng phát triển thành phố thơng minh Phần Lan, Mỹ có sách quốc gia tích cực cho việc nghiên cứu phát triển hệ nhúng, đặc biệt phần mềm nhúng Hầu hết quốc gia lập nhiều viện nghiên cứu trung tâm phát triển hệ nhúng Từ thực tế trình phát triển nước ta nay, Thông tin quảng bá ngày phát triển với ứng dụng : Bảng thông tin điện tử cho phép hiển thị thông tin Text Video ; Bảng tỉ giá ; Bảng thông tin chứng khoán Nhưng hầu hết thiết bị với phần mềm điều khiển nhập từ nước ngồi gia cơng lại nước, với giá thành đắt Cụ thể SeaGames 22, nước ta nhập bảng thông tin điện tử hai sân vận động lớn Mỹ Đình Hải phịng phục vụ thông tin trận đấu Đồng thời địa điểm khác nhà thi đấu Ninh Bình, sân vận động Ninh Bình mà em có dịp khảo sát thực tế Với mong muốn triển khai hệ nhúng ứng dụng trình phát triển nước ta, định hướng luận văn “ Nghiên cứu hệ thống nhúng, thiết kế điều khiển LED Matrix ứng dụng với Embedded Computer “ chọn nhằm mục đích nghiên cứu triển khai cụ thê ứng dụng thực tế đơn vị- Trường Đại Học Quy Nhơn, phục vụ việc quảng bá thông tin liên quan đến với sinh viên thơng tin tuyển sinh dịp đón tiếp thí sinh dự thi Thơng qua q trình học tập thực luận văn trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn tận tình Thầy TS.Đặng Văn Chuyết- Bộ môn Mạng truyền thông – Khoa Công Nghệ Thông Tin Em đúc kết nhiều kinh nghiệm quý báu trình nghiên cứu triển khai CHƯƠNG HỆ NHÚNG 1.1 Khái niệm hệ thống nhúng : Hệ nhúng hệ thống thoả mãn đồng thời : - Sự kết hợp làm việc phần cứng phần mềm để thực chức chuyên dụng - Là phần hệ thống lớn khơng phải máy tính - Cung cấp dịch vụ dành riêng cho hệ thống - Có khả tương tác thời gian thực Có thể phản ứng với thay đổi liên tục môi trường phải tính tốn thời gian thực * Phần cứng : Vi xử lý ;Vi điều khiển , ASIC , FPGA, Memory sử dụng cho việc thực thi (và có cài đặt giải pháp an ninh ) * Phần mềm : sử dụng với mục đích riêng biệt mềm dẻo 1.2 Sự cần thiết hệ nhúng : Những năm gần đây, thiết kế mạch ứng dụng hệ thống số vài lĩnh vực có phát triển đáng kể Các hệ thống số thiết kế chủ yếu cho hai lớp ứng dụng : Các hệ thống đa mục đích hệ thống chuyên dụng Các hệ thống đa mục đích khơng thiết kế riêng cho ứng dụng cụ thể mà lập trình để chạy ứng dụng khác Ngược lại, hệ thống chuyên dụng thiết kế cho ứng dụng riêng biệt Ví dụ hệ thống thiết bị y tế, điều khiển chương trình, điều khiển tơ tự động, hệ thống mạng liên lạc Vì hệ thống nằm hệ thống khác lớn phục vụ cho ứng dụng phi điện tử nên gọi hệ thống nhúng Sự phát triển hệ nhúng thúc đẩy phát triển vi xử lý, thành phần chủ yếu hệ thống Vi điều khiển, 82 hình LED.Tồn chức mạch, ta ví mạch thiết bị giao tiếp điều khiển với hình LED Matrix Do vậy, Trong mơ hình khối thiết kế ta phân thành khối khối điều khiển phụ hình 4.3b * Giới thiệu sơ đồ: Khối điều khiển 8952 Bộ nhớ RAM Khối Tạo tín hiệu Đọc ghi luân phiên Bộ nhớ Ghi dịch bit Vào song song/ Ra nối tiếp Tạo xung ghi dịch Khối giải mã hàng/ ghi dịch cột Màn hình LED Hình 4.3 b Sơ đồ thiết kế * Phân tích sơ đồ - Khối điều khiển : Vi điều khiển 8952 chọn sử dụng mạch Với tính điều khiển cải tiến so với 8051 với nhớ ROM lớn hơn, cho phép chương trình nạp vào đủ lớn để đáp ứng điều khiển phức tạp Được bổ sung thêm định thời Timer Nhiệm vụ khối thực phần mềm cài đặt ROM, để tạo tín hiệu điều khiển thích hợp cho việc tổ chức liệu lưu trữ RAM mở rộng điều khiển khối khác thực việc lấy liệu từ RAM mở rộng đưa đến mạch giải mã ghi dịch xuất hình LED - Bộ nhớ RAM : Đây khối nhớ có chức vùng đệm liệu truyền từ máy tính nhúng đến Khối nhớ này, cần có tốc độ hoạt nhanh 83 đủ lớn để chứa liệu Với yêu cầu hình thiết kế luận văn có tổng số điểm ảnh 48x160 = 7680 pixel ; Với bit mã hóa cho hình màu, ta có 7680x2 = 15.360 bit tương đương 15Kbit Việc sử dụng vi điều khiển 8952 bus liệu PC/104 bit, RAM mở rộng thiết kế chọn sử dụng loại W24257 CMOS STATIC RAM 32K – bit , với tốc độ truy cập 70ns Để tận dụng tốc độ xử lý nhanh máy tính nhúng 166MHz so với tốc độ chậm vi điều khiển 8952 tăng tốc độ xuất hình Trong khối nhớ RAM mở rộng ta sử dụng vi mạch nhớ nhau, đồng thời sử dụng mạch tạo tín hiệu điều khiển sử dụng 74HC240 để lật trạng thái OE1 OE2 mạch đệm bus hai chiều sử dụng 74HC245 Như vậy, liệu nhớ thực luân phiên theo chu kỳ ghi đọc liệu Có nghĩa RAM ghi liệu RAM xuất hình ngược lại - Khối ghi dịch dồn kênh tín hiệu : khối nhận liệu từ nhớ, phiên nhận bit liệu song song từ mạch chốt tín hiệu Thời gian phiên quy định xung phát từ mạch đếm lên bit sử dụng 74HC161 đẩy liệu nối tiếp Tất họat động lập trình chương trình ROM vi điều khiển 8952 4.1.2Nguyên lý hoạt động mạch thiết kế chi tiết : Như vậy, từ sơ đồ khối thiết kế tổng thể chọn linh kiện sử dụng nêu tín hiệu qua mạch định thời 8253, sau gọi thủ tục ngắt Dữ liệu đường địa chỉ, cấp qua đầu nối 40 chân đến mạch điều khiển Các tín hiệu cho phép kích hoạt đệm trạng thái 74HC240 tạo tín hiệu chọn địa cho mạch điều khiển phối ghép khác ( JP4 JP5 ) hình vẽ 4.4 Đồng thời tạo tín hiệu chọn chiều di chuyển liệu OE1 OE2 ,hai tín hiệu điều khiển chân tín hiệu P3.4 luân phiên đổi mức H(cao) L( thấp) đến chân OE đệm bus hai chiều 84 74HC245 hướng đường liệu ghi đọc vào nhớ ram W24257 -1 W24257-2 Hoạt động mạch điều khiển điều khiển thơng qua chương trình nạp vào ROM vi điều khiển 8952.Trên hình vẽ 4.4 sơ đồ nguyên lý, để tiện cho việc phân tích mạch ta tạm phân chia hai kênh A B Hai kênh luân phiên nạp lấy liệu Vào / Ra nhớ, hoạt động điều khiển đoạn chương trình PING_PONG RAM nạp ROM 8952 sau : ; PING-PONG RAM CH_RAM: CLR EA CPL P3.4 ; lấy bù P3.4 CLR TR2 MOV DPTR,#0 MOV R2,#0E0H SETB TR2 SETB EA U19B 11 13 15 17 P3.4 A1 A2 A3 A4 19 LO Y1 Y2 Y3 Y4 OE2 OE1 G 74HC240 RETI A U20 P2.0 P2.1 P2.2 P2.4 P3.7 HI P2.3 HI OE2 19 20 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 18 17 16 15 14 13 12 11 LO DIR OE OE1 VCC B 74HC245 U27 19 20 HI P2.3 HI OE1 19 20 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 DIR OE VCC 74HC245 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 18 17 16 15 14 13 12 11 U19B P3.4 DIR OE 11 13 15 17 19 LO VCC 18 17 16 15 14 13 12 11 LO OE2 19 20 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Y1 Y2 Y3 Y4 12 U18 11 HI HI OE2 OE1 G HI U19A U28 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 A1 A2 A3 A4 74HC240 74HC245 U22 P2.0 P2.1 P2.2 P2.4 P3.7 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 18 17 16 15 14 13 12 11 LO A1 A2 A3 A4 Y1 Y2 Y3 Y4 18 16 14 12 JP4 JP4 JP4 JP4 1 1 JP5 JP5 JP5 JP5 74HC30 1 1 G 74HC240 DIR OE VCC U33 74HC245 P3.2 LO LO 19 20 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 18 17 16 15 14 13 12 11 SMEMR SMEMW IRQ SA7 DIR OE VCC 74HC245 U36 LO LO 19 20 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 18 17 16 15 14 13 12 11 SA0 SA1 SA2 SA3 SA4 SA5 SA6 LO J2 (SMEMW & SMEMR) | 0xD000 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 13 11 SMEMW DIR OE IRQ VCC 74HC245 SA7 SA6 SA5 SA4 SA3 SA2 SA1 SA0 DO0PC DO1PC DO2PC DO3PC LO 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 SMEMR IRQ SA15 SA14 SA13 SA12 SA11 SA10 SA9 SA8 DO7PC DO6PC DO5PC DO4PC CON40A Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hoạt động luân phiên nhớ 85 Việc điều khiển hoạt động liệu luân phiên, cho phép tăng tốc độ xuất liệu Led Matrix Khắc phục hạn chế việc nhận, truyền liệu vi mạch điều khiển 8952 trễ thông qua vi mạch số, họ 74HCxxx P1.6 14 13 QA 12 QB 11 QC QD 15 A B C D RCO CLK U15B U17 OE374 P1.7 7408 HI CLR ENP 10 ENT LOAD P1.5 HI U16D U15A 74HC161 13 11 7408 U16C 12 U16B 10 U15C 10 7400 CLK165 7408 7400 U16A 7400 R23 1K C4 7400 20 p Hình 4.5 Sơ đồ ngun lý mạch tạo tín hiệu CLK165 Và OE374 Hoạt động 74HC165 định thời thông qua mạch đếm lên bit 74HC161 sơ đồ mạch chi tiết thiết kế hình 4.5 Với tần số xác định công thức f=1/T với T  2.2RC Tín hiệu CLK165 tạo ra, kích cho 74HC165 hoạt động đẩy tín hiệu nối tiếp đến mạch điều khiển phối ghép khác ( Tín hiệu RED GREEN ) Đoạn chương trình sau mơ tả hoạt động điều khiển vi mạch 74HC161 74HC165 TIMER: CLR EA CLR TF2 MOV R3,#MAX_WIDTH ; R3 = 21 SETB P3.1 ; Disable all Row MOVX A,@DPTR CLR P1.6 SETB P1.6 T_01: INC ; Latch Red data to 165 DPTR 86 ; Day MOVX A,@DPTR CLR P1.7 SETB P1.7 CLR P1.5 SETB P1.5 INC DPTR MOVX A,@DPTR CLR P1.6 SETB P1.6 INC DPTR MOVX A,@DPTR CLR P1.7 SETB P1.7 ; Latch Green data to 165 CLR P1.5 ; Start shift bits SETB P1.5 INC DPTR bit xanh va ; đọc liệu trỏ vào ghi A ; Latch Green data to 165 ; Start shift bits – CLK165 ; Latch Red data to 165 bit DJNZ R3,T_01 MOV P1,R2 ; Set Row to active CLR P3.1 ; Enable active Row MOV A,DPL ADD A,#INC_ADD JNC T_03 INC DPH CLR C MOV DPL,A ; T_03: INC CJNE R2 R2,#0F0H,T_04 MOV MOV ; R2 co gia tri E0 va F0 R2,#0E0H DPTR,#0 T_04: SETB EA RETI ; -; INIT TIMER No.2 FOR TIME BASE ; -I_TIMER: 87 MOV T2CON,#0H MOV RCAP2L,#LOW(-2500) MOV RCAP2H,#HIGH(-2500) SETB ET2 SETB EA ; Generate 1/800s INT RET 4.2 Phân tích thiết kế mạch phân phối xuất thông tin Led Matrix : 4.2.1 Nguyên lý hoạt động : Nhiệm vụ khối giải mã tín hiệu chọn dịng từ khối điều khiển đưa xuống , để thời điểm cho dòng sáng Một khối phải chọn hàng cho 16 hàng nên cần tín hiệu chọn hàng từ module điều khiển đưa xuống tín hiệu P1.0, P1.1, P1.2, P1.3 Các tín hiệu chọn dịng giải mã IC giải mã 3-8 74LS138 Ở module sử dụng hai IC giải mã để tạo thành giải mã 4-16 Trên dòng bảng điện tử có 160 điểm , điểm lại có hai đèn LED, đèn xanh ,một đèn đỏ, hàng có 320 đèn nên tín hiệu chọn dòng phải qua khuếch đại cơng suất để cung cấp đủ dịng cho 320 đèn sáng đồng thời trường hợp cực đại Sau sơ đồ khối khối quét dòng P1.0 Hàng1 P1.1 Hàng P1.2 P1.33 P3.1 Giải mã ………… Khuyếch đại Hàng 16 Hình 4.6 Sơ đồ khối khối quét dòng Ma trận LED 16 hàng 88 Bộ phận giải mã ngồi tín hiệu chọn dịng P1.0, P1.1, P1.2, P1.3 cịn có tín hiệu P3.1 dùng để bật tắt dòng chọn Thực chất tín hiệu cho IC giải mã hoạt động Điều giúp ta hồn tồn điều khiển thời điểm sáng dòng chọn việc thay đổi tín hiệu chọn dịng khơng làm ảnh hưởng tới hình ảnh bảng LED Bộ phận giải mã gồm hai IC 74LS138 Đối với cột, liệu đưa ma trận LED theo kiểu đẩy nối tiếp Ở việc đẩy nối tiếp thực dãy ghi dịch liên tiếp mạch thiết kế luận văn chọn sử dụng ghi vào nối tiếp song song bit 74LS164 Vì bảng có màu tạo nên từ màu xanh đỏ, cần hai đường liệu nối tiếp cho hai màu Trên dòng có 160 điểm LED, có 160 điểm xanh 160 điểm đỏ Dữ liệu đẩy nối tiếp, nghĩa liệu điểm cuối phải dịch chuyển qua tất điểm trước Để đẩy 160 điểm tốn 160 chu kỳ clock, để quét dòng 320 chu kỳ clock Các ghi dịch bit đặt nối tiếp để tạo thành ghi dịch vào nối tiếp song song 160 bit Bit cuối đầu ghi trước nối vào đầu vào ghi sau Dưới nguyên lý đẩy liệu cho màu dịng: Data 160 điểm Đèn Đèn Hình 4.7 Ngun lý đẩy liệu liệu Thanh ghi dịch làm việc theo xung CLK165 tạo từ mạch điều khiển 8952 đưa vào chân clock Khi xung clock thay đổi ghi dịch 89 bit Các tín hiệu đầu ghi dịch đưa qua đèn cơng suất nhằm tăng dịng , trước đưa đến chân ma trận LED 4.2.2 Thiết kế chi tiết khối giải mã hàng mạch ghi dịch cột * Vi mạch đơn ổn bình phục âm 74HC122 : Vi mạch đơn ổn bình phục âm 74HC122 , hay nảy tiếp Khác với vi mạch đơn ổn 74HC121 cần thời gian bình phục trước nảy tiếp 74HC122 trường hợp xung chưa hết nảy tiếp, ta có mạch nảy liên tiếp Để định thời cho mạch nảy, ta mắc thêm giá trị điện trở Rext Cext hình vẽ 4.8 : Thời gian định thời cho vi mạch tính theo cơng thức sau :   0,32 RTCext ( 1+ 0,7/RT ) (  : ns ; RT : K ; Cext : pF ) Trong trường hợp khơng cần độ xác cao xung , ta áp dụng công thức :   0,45RTCext VCC_BAR U37 11 LO R23 CEXT 1K 13 REXT/CEXT C4 1mF HI P3.1 RIN A1 A2 B1 B2 CLR Q Q 74LS122 Hình 4.8 Mạch định thời 74HC122 Bảng trạng thái 74HC122, bảng 4.1 : 90 Ngõ Vào Ngõ Ra L A1 A2 B1 B2 Q L x x x H H H H H H H x H x x L L x x H x H x x x x L L x x L x x x x L H L L L L H H L H x H H H H H H L H H H H H H Bảng 4.1 Trạng thái 74HC122 Từ bảng trạng thái 4.1 ta nhận thấy A1, B1, B2 mức cao P3.1 mức thấp, mạch 74HC122 tạo xung nảy Xung nảy đưa vào điều khiển hai vi mạch giải mã 74HC138 nối có nhiệm vụ giải mã 16 hàng Led Matrix Các đầu Q Q 74HC122 nối với chân G1 IC1- 74HC138 chân G2 A IC2-74HC138 Bảng chân lý IC 74HC138 Bảng 4.2 Bảng chân lý IC 74LS138 91 Trong bảng chân lý IC 74LS138, G2 = G2A + G2B Chân G1 IC giải mã thứ đặt mức cao nối đầu Q 74HC122 Chân G2B IC giải mã thứ hai ln đặt mức thấp P1.3 Khi tín hiệu P3.1 tín hiệu điều khiển bật tắt dòng chọn Khi P3.1 mức thấp dịng chọn sáng, P3.1 mức cao dịng tắt Nếu P3.1 mức cao G2 hai giải mã mức cao, hai khơng hoạt động Khi P3.1 mức thấp thì, tín hiệu P1.3 có tác dụng chọn IC giải mã thứ hay thứ hai làm việc, P1.3 bit thứ dùng để chọn 16 dòng Khi P1.3 mức thấp, giải mã thứ làm việc G2 mức thấp, giải mã thứ hai không làm việc G1 mức thấp Ngược lại, P1.3 mức cao, giải mã thứ không làm việc G2 mức cao, giải mã thứ hai làm việc G1 mức cao Khi lập trình điều khiển việc quét dịng cần đưa tín hiệu P3.1 lên mức cao trước đưa tín hiệu chọn dịng Sơ đồ mạch chi tiết thiết kế giải mã hàng Hình 4.9 : U45 P1.0 P1.1 P1.2 VCC_BAR P1.3 P3.1 U37 11 LO R23 A B C G1 G2A G2B CEXT 1K Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 R 15 14 13 12 11 10 R Q1 Q2 HANG VCC 74HC138 13 REXT/CEXT C4 U44 1mF HI P3.1 RIN A1 A2 B1 B2 CLR Q Q P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P3.1 A B C G1 G2A G2B 74LS122 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Q1 Q2 HANG VCC 74HC138 Hình 4.9 Mạch điều khiển giải mã hàng Các tín hiệu Data Red, DataGreen đưa từ module trước đến Module nhận liệu từ mạch điều khiển Các tín hiệu từ chân Q H IC 74LS164 vừa đưa đèn LED vừa làm tín hiệu đầu vào Data Red Data Green module 92 Xung Clear dùng để đồng liệu dịng cho bảng Thực chất có xung Clear ghi dịch bị reset, xố tồn liệu chân đầu Điều tránh ảnh hưởng liệu lần quét dịng ghi dịch Khi lập trình điều khiển, trước đẩy liệu cần phải đưa tín hiệu Clear mức thấp để xoá liệu lần đẩy liệu trước, sau đẩy liệu màu đỏ liệu màu xanh Quy trình hoạt động quét liệu bảng điện tử mơ tả sơ đồ hình 4.10 đây: Đối với cột tín hiệu điều khiển RED GREEN đưa đến vi mạch ghi dịch bit 74HC164 Vi mạch ghi dịch theo nguyên lý vào nối tiếp song song, tín hiệu từ vi mạch 74HC164 bao gồm vi mạch cho tín hiệu RED vi mạch cho tín hiệu GREEN cho phép ghi dịch 16 cột Tương ứng với Led Đỏ Led Xanh điểm pixel hình Led Matrix Hình 4.11 Mạch ghi dịch 16 bit cho cột Khởi động Xoá toàn ghi Đẩy 160 bit liệu đỏ Đẩy 160 bit liệu xanh Giải mã bật dịng chọn Hình 4.10 Sơ đồ hoạt động qt liệu 93 U40 GREEN A B CLK165 HI CLK CLR QA QB QC QD QE QF QG QH 10 11 12 13 R Q3 COT U41 A B RED CLK165 HI CLK CLR QA QB QC QD QE QF QG QH 10 11 12 13 R 10 11 12 13 R Q3 COT 74LS164 74LS164 U39 A B U38 A B CLK165 HI CLK CLR QA QB QC QD QE QF QG QH 10 11 12 13 R Q3 COT CLK165 HI CLK CLR QA QB QC QD QE QF QG QH Q3 COT 74LS164 74LS164 Hình 4.11 Mạch ghi dịch 16 bit cho cột Trong thiết bị thực tế ứng dụng hoạt động hiệu qủa đơn vị Trường Đại Học Quy Nhơn Số Module Led ghép nối với mạch điều khiển 8952 10 Module, module có 16x16 (hàng cột) led đỏ xanh Tất thiết bị dùng hàng module Với độ phân giải hình Led Matrix 160x48 pixel, pixel có 22 ( ) màu 78 KẾT LUẬN Trong trình nghiên cứu, triển khai đề tài hệ thống nhúng ứng dụng thực tế Luận văn đạt kết qủa sau : - Nghiên cứu, phân tích thiết kế hồn chỉnh ứng dụng máy tính nhúng bảng thông tin điện tử - Hàm lượng thiết kế thi công hệ thống nước chiếm phần lớn Tiết kiệm tối đa cho hệ thống so với giá thành nhập ngoại - Thông qua thiết kế thi công hệ thống, hàng loạt kinh nghiệm nắm bắt giúp cho việc làm chủ công nghệ bảo hành sản phẩm - Thực tế hệ thống vận hành hai năm đơn vị chứng minh độ tin cậy hệ thống điều kiện khắc nghiệt khí hậu miền trung Các vấn đề hạn chế luận văn : - Hệ thống hạn chế việc hiển thị thông tin, điểm pixel thiết kế ứng dụng hiển thị màu - Phần mềm điều khiển viết ngôn ngữ C hệ điều hành DOS Do giao diện điều khiển chưa thân thiện với người sử dụng - Vì hạn chế kiến thức công nghệ , không sử dụng ưu điểm công nghệ SoC dẫn đến kích thước mạch thiết kế cịn cồng kềnh Kiến nghị hướng phát triển luận văn : - Phát triển thiết kế với số màu hiển thị cao điểm pixel - Tận dụng ưu điểm cơng nghệ SoC để giảm kích thước đáng kể module tăng tốc độ xử lý 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, Vũ hữu Nghị - Máy tính Cấu trúc lập trình T1,T2 Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2003 Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng- Cấu trúc lập trình họ vi điều khiển 8051 Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004 Nguyễn Mạnh Giang- Lập trình Ngơn ngữ Assembly cho máy tính PC-IBM Nhà xuất Giáo dục, 2003 Peter Norton, Người dịch : Nguyễn Minh Sang, Đỗ Phúc- Cẩm nang Lập trình Nhà xuất Giáo dục, 1993 Ngô Trung Việt - Ngôn ngữ lập trình C C++ Nhà xuất Giao thơng vận tải,1995 Văn Thế Minh - Kỹ thuật Vi xử lý Nhà xuất Giáo dục, 1997 Hoàng Kiếm, Vũ Hải Quân, Nguyễn Tấn Trần Minh Khang - Kỹ thuật lập trình mơ giới thực ứng dụng T1 Nhà xuất thống kê, 1997 Nguyễn Hữu Phương - Mạch số Nhà xuất thống kê, 2004 Ngô Diên Tập – Đo lường điều khiển máy tính Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1999 10.Ngô Diên Tập - Kỹ thuật ghép nối máy tính Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2001 11.Nguyễn Thuý Vân - Thiết kế Logic mạch số Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 12.Nguyễn Mạnh Giang - Kỹ thuật ghép nối máy tính Nhà xuất Giáo dục, 1997 80 Tiếng Anh 13.Myke Predko Programming & Customizing the 8051 Microcontroller McGraw - Hill, 1999 14.Michael Predko, Mike Predko Handbook of Microcontrollers McGraw-Hill, 1998 15.James W Stewart 8051 Microcontroller Hardware, Software, & Interfacing Prentice Hall, 1998 16 Kenneth J Ayala 8051 Microcontroller: Architecture, Programming & Applications Delmar Learning, 1996 17.Scott MacKenzie The 8051 Microcontroller Prentice Hall, 1998 19.Thomas W Schultz C and the 8051: Building Efficient Applications Prentice Hall, 1999 20.William Kleitz Microprocessor and Microcontroller Fundamentals: The 8085 and 8051 Hardware and Software Pearson Education, 1997 21.Barry B Brey Intel Microprocessors 8086/8088, 80186/80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, and Pentium Pro Processor: Architecture, Programming, and Interfacing Prentice Hall, 1999 22.Tanenbaum Structured Computer Hall,1998 23.Website http://www.intel.com 24.Website http://www.compaq.com 25.Website http://www.icoptech.com 26.Website http://www.Vortex86.com 27.Website http://www.pcworld.com.vn Ogranization 4/e Prentice ... sát thực tế Với mong muốn triển khai hệ nhúng ứng dụng trình phát triển nước ta, định hướng luận văn “ Nghiên cứu hệ thống nhúng, thiết kế điều khiển LED Matrix ứng dụng với Embedded Computer “... gần đây, thiết kế mạch ứng dụng hệ thống số vài lĩnh vực có phát triển đáng kể Các hệ thống số thiết kế chủ yếu cho hai lớp ứng dụng : Các hệ thống đa mục đích hệ thống chuyên dụng Các hệ thống. .. thiết kế riêng cho ứng dụng cụ thể mà lập trình để chạy ứng dụng khác Ngược lại, hệ thống chuyên dụng thiết kế cho ứng dụng riêng biệt Ví dụ hệ thống thiết bị y tế, điều khiển chương trình, điều