ĐỀ tài KHOÁ LUẬN tốt NGHIỆP TRUYỀN THÔNG đa KÊNH độc lập sử DỤNG ARM

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ HỌ TÊN SINH VIÊN : PHAN VŨ KIỆT HỌ TÊN SINH VIÊN : TẠ NGUYỄN ĐĂNG KHOA ĐỀ TÀI KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP TRUYỀN THÔNG ĐA KÊNH ĐỘC LẬP SỬ DỤNG ARM Chuyên ngành : Công nghệ điện tử viễn thông Mã chuyên ngành : 52510302.2 ĐỀ CƯƠNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 THƠNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên: Phan Vũ Kiệt MSHV : 16012531 Lớp : Đại học Điện tử 12A Khóa : 12 Chuyên ngành : Công nghệ điện tử viễn thông Mã chuyên ngành : 52510302.2 SĐT : 0358.956.971 Email : phanvukiet98@gmail.com Địa liên hệ : 31,Nguyễn Du, Phường7, Gị Vấp Tên đề tài : Truyền thơng đa kênh độc lập sử dụng ARM Người hướng dẫn : Lê Văn Hùng SĐT : 0907.435.426 Email : levanhung@iuh.edu.vn Cơ quan công tác : Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM Tp Hồ Chí Minh, ngày Người hướng dẫn tháng năm 2019 Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) THÔNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên : Tạ Nguyễn Đăng Khoa MSHV : 16015841 Lớp : Đại học Điện tử 12A Khóa : 12 Chuyên ngành : Công nghệ điện tử viễn thông Mã chuyên ngành : 52510302.2 SĐT : 0333.913.344 Email : tandkhoa1998@gmail.com Địa liên hệ : 66 ấp Tây, Xã Đông Thạnh, Huyện Cần Giuộc, Tỉnh Long An Tên đề tài : Truyền thông đa kênh độc lập sử dụng ARM Người hướng dẫn : Lê Văn Hùng SĐT : 0907.435.426 Email : levanhung@iuh.edu.vn Cơ quan công tác : Trường Đại học Cơng Nghiệp TP.HCM Tp Hồ Chí Minh, ngày Người hướng dẫn tháng năm 2019 Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .7 MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài .8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10 1.1 Giới thiệu chung đề tài 10 1.2 Tìm hiểu chuẩn truyền thông ARM 10 1.3 Tìm hiểu định thời .10 1.3.1 Các tiêu chuẩn định thời 10 1.3.2 Các loại đinh thời 11 1.4 Tìm hiểu cách giao tiếp điều khiển với thiết bị ngoại vị 12 1.5 Tìm hiểu ARM .12 1.6 Nội dung thực 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Giới thiệu cổng giao thức truyền thơng có dây phổ biến .14 2.1.1 RJ-45 14 2.1.2 RS-232 .15 2.1.3 RS-485 .15 2.1.4 MODBUS 16 2.1.5 USB (Universal Serial Bus) 17 2.1.6 PROFIBUS (Process Field Bus) .17 2.2 Truyền thông đa kênh tốc độ cao 18 2.3 Giới thiệu ARM Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY 19 2.4 Tổng quan định thời độc lập 19 2.4.1.Tìm hiểu định thời độc lập 19 2.4.2 Các tiêu chuẩn định thời 22 2.5 Bộ xử lý ngắt dùng ARM 23 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ,THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG 26 3.1 Phân tích hệ thống 26 3.1.1 Sơ đồ khối 26 3.1.2 Chức khối 27 3.1.3 lưu đồ giải thuật hệ thống 27 3.1.4 Lưu đồ giải thuật vi điều khiển ARM 27 3.1.5 Lưu đồ giải thuật ARDUINO 27 3.1.6 Lưu đồ giải thuật driver điều khiển (C#) 27 3.2 Thiết kế thi công hệ thống 27 3.2.1 Mơ hình mơ protues .27 3.2.2 xây dựng phần mềm hệ thống (code) 29 3.2.3 Thiết kế phần cứng 29 CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 30 4.1 Mơ hình thực tế 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1.1: Cáp RJ45 11 Hình 2.1.2: Cáp RS-232 .12 Hình 2.1.3: Đầu nối RS-485 12 Hình 2.1.5: Cáp USB 13 Hình 2.3.1: KIT STM32F407 DISCOVERY .15 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý NVIC 18 Hình 2.6.2 : Sơ đồ mô truyền thông đa kênh 19 Hình 3.2.1:Các khối hệ thống truyền thơng đa kênh 20 Hình 4.1: Dự đốn kết hệ thống dùng KIT STM32F407 .21 MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề Trong trình phát triển công nghệ yêu cầu công nghệ truyền thông nhiều, xử lý liệu ngày lớn tốc độ cao Các vi điều khiển bit 16 bit không đủ khả với yêu cầu điều khiển, xử lý truyền thông tốc độ cao, không đủ không gian nhớ để chứa liệu, không đủ nhanh để xử lý liệu, hình ảnh Từ nhu cầu thực tế chúng em tiến hành thực tìm hiểu nghiên cứu đề tài ‘Truyền thông đa kênh độc lập sử dụng ARM’ Mục tiêu đề tài Từ vấn đề nêu trên, đồ án hướng đến mục tiêu sau: - Xây dựng Switch truyền liệu đa kênh định thời độc lập, giao tiếp TCP/IP PC chuyển mạch Ứng dụng truyền liệu tốc độ cao ( Dữ liệu điều khiển thơng tin) - Phương pháp phân tích tài liệu, tổng kết thực nghiệm ( Sử dụng vi điều khiển ARM, viết thuật toán Driver định thời mềm cứng) - Kết quả: Bộ chuyển mạch đa kênh driver điều khiển theo yêu cầu - Đánh giá kết thu hoạch định phương hướng phát triển Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung vào đối tượng nghiện cứu vi điều khiển ARM, thuật toán xây dựng định thời độc lập Xây dựng hệ thống truyền thông dựa theo cảm biến thiết bị điện tử, module dùng định thời miềm độc lập ARM Ý nghĩa thực tiễn đề tài Ngày yêu cầu truyền thông tốc độ cao độc lập sử dụng ngày rộng rãi, với nhiều mục đích khác Độ trể tín hiệu điều khiển thông tin ảnh hưởng đến kết xử lý online (yêu cầu thời điểm không trể không tới sớm) hệ thống Nên xây dựng Driver điều khiển phối hợp luồng liệu đa kênh với độ định thời độc lập linh động yêu cầu cần thiết hệ thống xuất tín hiệu điều khiển tốc độ cao từ ta xây dựng số hệ thống sau: - Hệ thống LED nghệ thuật - Hệ thống truyền liệu đa kênh theo phương thức đóng gói tập tin - Hệ thống phân loại nông sản - Hệ thống điều khiển không lưu - Hệ thống dẫn đường tên lửa CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung đề tài 1.2 Tìm hiểu chuẩn truyền thông ARM Chuẩn truyền thông ARM sử dụng cổng USB để kết nối với ARM với PC qua cáp USB type C Trong lĩnh vực lập trình hệ thống nhúng, cơng việc quan trọng với lập trình ghép nối, điều khiển module, thiết bị ngoại vi ghép nối với hệ trung tâm Để làm việc này, kỹ lập trình cịn cần phải thành thạo giao thức ghép nối phổ biến RS232, SPI, I2C đặc biệt nhu cầu tất yếu phải tìm hiểu chuẩn USB nói chuẩn phổ biến 1.3 Tìm hiểu định thời 1.3.1 Các tiêu chuẩn định thời Các giải thuật định thời khác có thuộc tính khác có xu hướng thiên vị cho loại trình trình Trong việc chọn giải thuật sử dụng trường hợp nào, phải xét thuộc tính giải thuật khác Nhiều tiêu chuẩn đề nghị để so sánh giải thuật định thời biểu Những đặc điểm dùng để so sánh tạo khác biệt quan trọng việc xác định giải thuật tốt Các tiêu chuẩn gồm: - Việc sử dụng CPU Thông lượng Thời gian hoàn thành Thời gian chờ Thời gian đáp ứng 1.3.2 Các loại đinh thời 1.3.2.1 Định thời đến trước phục vụ trước Giải thuật định thời biểu CPU đơn giản đến trước, phục vụ trước (first-come, first-served-FCFS) Với chế này, trình yêu cầu CPU trước 10 + Modbus RTU: Dữ liệu mã hóa theo hệ nhị phân, cần byte truyền thông cho byte liệu + Modbus TCP: MODBUS/TCP đơn giản MODBUS qua Ethernet Với MODBUS/TCP, liệu MODBUS tóm lược đơn giản gói TCP/IP 2.1.5 USB (Universal Serial Bus) USB (Universal Serial Bus) chuẩn kết nối đa dụng máy tính USB sử dụng để kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường thiết kế dạng đầu cắm, với tính cắm nóng thiết bị (nối ngắt thiết bị khơng cần phải khởi động lại hệ thống) Hình 2.1.5: Cáp USB 2.1.6 PROFIBUS (Process Field Bus) PROFIBUS sử dụng phương tiện truyền tin xoắn đôi và RS485 chuẩn công nghiệp ứng dụng sản xuất IEC 1158-2 điều khiển trình. PROFIBUS cũng sử dụng Ethernet/TCP-IP PROFIBUS là mạng Fieldbus thiết kế để giao tiếp máy tính PLC Dựa nguyên tắc token bus không đồng chế độ thời gian thực, PROFIBUS xác định mối quan hệ truyền thông nhiều master master-slave, với khả truy cập theo chu kì khơng theo chu kì, tốc độ truyền tối đa lên tới 500 kbit/s (trong số ứng dụng lên tới 1,5Mbp hay 12Mbp) Khoảng cách bus tối đa không dùng lặp (repeater) 200m dùng lặp khoảng cách tối đa đạt 800m Số điểm (node) tối đa khơng có lặp 32 127 có lặp 17 Họ PROFIBUS có kiểu giao thức là: PROFIBUS DP, PA, FMS PROFIBUS-DP sử dụng rộng rãi     PROFIBUS DP là bus cấp thiết bị hỗ trợ tín hiệu tương tự tín hiệu phân tán PROFIBUS DP sử dụng rộng rãi cho đối tượng hệ thống I/O, điều khiển động biến tần Profibus DP truyền thông với tốc độ từ 9,6 Kbp -12 Mbp phạm vi từ 100-1200m Nó PROFIBUS hoạt động giao diện RS485 chuẩn bổ sung số đặc điểm để phù hợp với ứng dụng trình đọc/ghi liệu q trình khơng theo chu kì, truyền trạng thái thiết bị, cấp nguồn bus an toàn nội PROFIBUS DP thiết kế để truyền liệu tốc độ cao cấp thiết bị Trong trường hợp này, điều khiển trung tâm (PLC, PC) giao tiếp với thiết bị trường phân tán chúng (I/O, drive, van…) qua liên kết nối tiếp tốc độ cao Hầu hết trình truyền liệu với thiết bị phân tán thực theo chu kì  PROFIBUS PA fieldbus có chức toàn diện thường sử dụng cho thiết bị cấp q trình PROFIBUS PA truyền thơng với tốc độ 31,25 Kbp với phạm vi tối đa 1.900m/phân đoạn Chuẩn thiết kế cho ứng dụng Intrinsically Safe PROFIBUS FMS là bus điều khiển sử dụng để giao tiếp DCS hệ thống PLC 2.2 Truyền thông đa kênh tốc độ cao Truyền thông đa kênh cách thức truyền liệu cho nhiều kênh để điều khiển thiết bị ngoại vị Được ứng dụng nhiều công nghiệp Dùng để điều khiển máy móc thiết bị cơng nghiệp khác 18 Giải yêu cầu tính thời gian thực, độ tin cậy khả tương thích mơi trường cơng nghiệp mạng truyền thông công nghiệp cao Đơn giản hóa cấu trúc liên kết thiết bị cơng nghiệp Nhờ cấu trúc đơn giản nên hệ thống giúp tiết kiệm dây nối công thiết kế công lắp đặt hệ thống Các thông tin truyền ln đảm bảo độ tin cậy độ xác cao Nâng cao độ linh hoạt, tính mở hệ thống Đơn giản hóa tham số, chuẩn đốn định vị lỗi thiết bị 2.3 Giới thiệu ARM Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY Dòng ARM Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY xử lí hệ đưa kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng công nghệ Không giống chip ARM khác, dịng Cortex lõi xử lí hồn thiện, đưa chuẩn CPU kiến trúc hệ thống chung Dịng Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY gồm có phân nhánh chính: dịng A dành cho ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho ứng dụng thời gian thực đầu đọc dòng M dành cho ứng dụng vi điều khiển chi phí thấp KIT STM32F4 DISCOVERY sử dụng chip ARM7 ARM9 nhà sản xuất bán dẫn thiết kế với giải pháp riêng mình, đặc biệt phần xử lí các ngắt đặc biệt (exception) ngắt thông thuờng (interrupt) 19 Hình 2.3.1: KIT STM32F407 DISCOVERY 2.4 Tổng quan định thời độc lập 2.4.1.Tìm hiểu định thời độc lập Được sử dụng vi điều khiển Có khả định thời độc lập thực chức độc lập khoảng thời gian xác định nhỏ chấp nhận Các hệ thống có khả đáp ứng tín hiệu ngõ vào kiện giới hạn khoảng thời gian bắt buộc Chia sẻ tài nguyên cách đơn giản: cung cấp chế để phân chia yêu cầu nhớ ngoại vi MCU Dễ debug phát triển: Mọi người nhóm làm việc cách độc lập, lập trình viên tránh tương tác với ngắt, timer, với phần cứng (cái khơng khuyến khích hiểu phần cứng tốt nhiều) Tăng tính linh động dễ dàng bảo trì: thơng qua API RTOS, … Dùng để xây dựng nên hệ điều hành Cho phép nhiều chương trình chạy lúc (multi-tasking) Có quản lý tài nguyên phần cứng cung cấp dịch vụ cho chương trình khác 20 Hình cấu tạo hệ điều hành thời gian thực (RTOS) Nếu ứng dụng có kích thước chương trình lớn dần độ phức tạp tăng lên RTOS hữu dụng trường hợp này, lúc RTOS chia ứng dụng phức tạp thành phần nhỏ dễ quản lý Một hệ thống có khả thực thời gian thực nghĩa hệ thống phải thực chức khoảng thời gian xác định nhỏ chấp nhận Khi đáp ứng yêu cầu này, hệ thống gọi hệ thống thời gian thực Các hệ thống phải có khả đáp ứng tín hiệu ngõ vào kiện giới hạn khoảng thời gian bắt buộc Cho nên hệ thống trả kết mà phải nhanh đáp ứng yêu cầu tốc độ hệ thống Trong hệ thống thời gian thực, tốc độ quan trọng khơng độ xác 21 Cho nên hệ thống trả kết mà phải nhanh đáp ứng yêu cầu tốc độ hệ thống Trong hệ thống định thời độc lập tốc độ quan trọng khơng độ xác Có loại thời gian thực: thời gian thực cứng thời gian thực mềm Đối với hệ thống thời gian thực cứng, tất chức phải thực thi xác khoảng thời gian xác định, không hệ thống bị lỗi nghiêm trọng Ví dụ : hệ thống điều khiển không lưu, hệ thống dẫn đường tên lửa, thiết bị y tế Đối với hệ thống thời gian thực mềm, chức phải thực khoảng thời gian xác định nhỏ khơng bắt buộc Có loại định thời độc lập : + Định thời mềm: Là định thời mà viết diver điều khiển cho được, tùy theo loại cấu tạo vi điều khiển có nhiều định thời mềm Linh hoạt việc ứng dụng vào công nghiệp Tiết kiệm chi phí Có thể tùy chỉnh tốc độ, độ nhạy + Định thời cứng: Là định thời mà chúng tích hợp sẵn vi điều khiển thông thường vi điều khiển có định thời cứng Dễ dàng viết code có chương trình khn Thiếu linh hoạt Số lượng nên khơng đáp ứng nhu cầu công nghiệp 2.4.2 Các tiêu chuẩn định thời Việc sử dụng CPU: Chúng ta muốn giữ CPU bận nhiều Việc sử dụng CPU từ đến 100% Trong hệ thống thực, nên nằm khoảng từ 40% (cho hệ thống nạp tải nhẹ) tới 90% (cho hệ thống nạp tải nặng) 22 Thông lượng: Nếu CPU bận thực thi trình cơng việc thực Thước đo cơng việc số lượng q trình hồn thành đơn vị thời gian gọi thông lượng (throughput) Đối với trình dài, tỉ lệ q trình giờ, giao dịch ngắn, thơng lượng 10 q trình giây Thời gian hồn thành: Là khoảng thời gian từ thời điểm gởi trình tới q trình hồn thành gọi thời gian hoàn thành (turnaround time) Thời gian hoàn thành tổng thời gian chờ đưa trình vào nhớ, chờ hàng đợi sẵn sàng, thực thi CPU thực nhập/xuất Thời gian chờ: Thời gian chờ (waiting time) tổng thời gian chờ hàng đợi sẵn sàng, khơng ảnh hưởng lượng thời gian q trình thực thi hay thực nhập/xuất Thời gian đáp ứng: Trong hệ thống giao tiếp, thời gian hồn thành khơng tiêu chuẩn tốt Do đó, thước đo khác thời gian từ lúc gởi yêu cầu đáp ứng tạo Thước đo gọi thời gian đáp ứng (response time), lượng thời gian từ lúc bắt đầu đáp ứng không thời gian để xuất đáp ứng Thời gian hồn thành thường bị giới hạn tốc độ thiết bị xuất Chúng ta muốn tối ưu hóa việc sử dụng CPU thơng lượng, đồng thời tối thiểu hóa thời gian hoàn thành, thời gian chờ thời gian đáp ứng Trong hầu hết trường hợp, tối ưu hóa thước đo trung bình 2.5 Bộ xử lý ngắt dùng ARM NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller) thành phần tích hợp vi xử lý có khả xử lý ngắt linh hoạt nhanh chóng Trong cài đặt chuẩn, cung cấp NMI (Non-Maskable Interrupt) 32 ngắt vật lý đa dụng với mức ưu tiên pre-emption Nó cấu hình từ đến 240 ngắt vật lý với tối đa 256 mức độ ưu tiên 23 Bộ vi xử lý ARM sử dụng bảng vector tái định vị được, dùng để chứa địa hàm xử lý ngắt Khi nhận ngắt, xử lý lấy địa từ bảng vector thông qua bus chương trình Bảng vector ngắt đặt địa reset, di chyển đến vị trí khác cách lập trình ghi điều khiển NVIC hỗ trợ ngắt lồng nhau, cho phép ngắt xử lý trước ngắt khác dựa mức độ ưu tiên Nó hỗ trợ cấu hình mức ưu tiên động cho ngắt Độ ưu tiên thay đổi phần mềm thời gian chạy (run time) Các ngắt xử lý bị khóa hàm xử lý ngắt hồn thành, đó, độ ưu tiên ngắt thay đổi mà không cần lo đến chuyện trùng lặp 24 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý NVIC Trong trường hợp ngắt nối đuôi nhau, hệ thống cũ lặp lại hai lần việc lưu trạng thái hồn thành khơi phục, dẫn đến độ trễ cao Bộ vi xử lý ARM đơn giản hóa việc chuyển đổi ngắt hoạt động chờ cách cài đặt công nghệ tail-chaining phần cứng NVIC Tail-chaining xử lý để có độ trễ thấp hơn, cách thay chuỗi thao tác pop push vốn 30 chu kỳ xung nhịp thao tác nạp lệnh đơn giản chu kỳ Trạng thái vi xử lý tự động lưu ngắt bắt đầu, xử lý phục hồi kết thúc, chu kỳ so với việc thực thi phần mềm, nâng cao hiệu suất đáng kể hệ thống hoạt động 100MHz 25 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ,THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG HỆ THỐNG 3.1 Phân tích hệ thống Hệ thống hoạt động độc lập với tốc độ xử lý nhanh, chương trình ngắt tùy chỉnh lại cho phù hợp với môi trường thực tế 3.1.1 Sơ đồ khối Hình 3.2.1:Các khối hệ thống truyền thông đa kênh 26 3.1.2 Chức khối 3.1.3 lưu đồ giải thuật hệ thống 3.1.4 Lưu đồ giải thuật vi điều khiển ARM 3.1.5 Lưu đồ giải thuật ARDUINO 3.1.6 Lưu đồ giải thuật driver điều khiển (C#) 3.2 Thiết kế thi cơng hệ thống 3.2.1 Mơ hình mơ protues Hệ thống sử dụng lập trình theo cấu trúc NVIC KIT, lập trình 10 ngắt cho CPU chạy hỏi vòng để định thời độc lập tách biệt LED với 10 input có xung mức thấp cao 27 Hình 2.6.2 : Sơ đồ mô truyền thông đa kênh 28 3.2.2 xây dựng phần mềm hệ thống (code) 3.2.3 Thiết kế phần cứng 29 CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mơ hình thực tế - Input : Cảm biến ánh sáng - Output: LED sáng tay người không che tắt tay người che khoảng thời gian ngắn Hình 4.1: Dự đốn kết hệ thống dùng KIT STM32F407 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO  http://tai-lieu.com/tai-lieu/gioi-thieu-ve-arm-2591/ ( Giới thiệu ARM)  https://hethongtudonghoa.com/san-pham/bo-dinh-thoi-gian/ (Hệ thống tự động hóa, định thời gian )  https://search.yahoo.com/search?fr=mcafee&type=E210US91215G10&p=c %C3%A1c+chu%E1%BA%A9n+truy%E1%BB%81n+th%C3%B4ng+hi %E1%BB%87n+nay ( Các chuẫn truyền thông tốt ) 31 ... nghiên cứu đề tài ? ?Truyền thông đa kênh độc lập sử dụng ARM? ?? Mục tiêu đề tài Từ vấn đề nêu trên, đồ án hướng đến mục tiêu sau: - Xây dựng Switch truyền liệu đa kênh định thời độc lập, giao tiếp... thời độc lập Xây dựng hệ thống truyền thông dựa theo cảm biến thiết bị điện tử, module dùng định thời miềm độc lập ARM Ý nghĩa thực tiễn đề tài Ngày yêu cầu truyền thông tốc độ cao độc lập sử dụng. .. ? ?Truyền thông đa kênh độc lập sử dụng ARM? ?? nhóm thực nội dung sau: - Tìm hiểu kit ARM 12 - Tìm hiểu tập lênh, cấu trúc ARM - Xây dựng thuật toán tạo sở xây dựng hệ thống định thời độc lập đa kênh