BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TAO TRƯỜNG………………… Đồ án Thiết kế hệ thống giao tiếp I2C hai vi điều khiển PIC TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển không ngừng cách mạng khoa học kĩ thuật, ngành kĩ thuật điện tử dần khẳng định vai trị ngày lớn đƣa ngƣời bƣớc sang kỉ nguyên mới:kỉ nguyên số Trong số ta khơng thể khơng nói đến kĩ thuật vi điều khiển Kỹ thuật vi điều khiển có ứng dụng rộng rãi thâm nhập vào nhiều lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội Hầu hết thiết bị kỹ thuật từ đơn giản phức tạp nhƣ thiết bị điều khiển tự động, thiết bị văn phòng, thiết bị gia đình dùng vi điều khiển Cùng với ngƣời ngày hoàn thiện chuẩn giao tiếp để kết nối thiết bị điện tử với thực việc trao đổi thông tin, điều khiển cấu chấp hành cách thuận lợi Với kiến thức đƣợc học kiến thức cập nhập, nghiên cứu với hƣớng dẫn thầy giáo hƣớng dẫn Em chọn đề tài: Thiết kế hệ thống giao tiếp I2C hai vi điều khiển PIC Đồ án em gồm phần: Chƣơng :Tổng quan pic giao tiếp I2C Chƣơng hai :Thiết kế hệ thống giao tiếp I2C pic 16F877A Trong trình làm đồ án tốt nghiệp, hạn chế thời gian, tài liệu nên không tránh khỏi thiếu sót Em mong đƣợc góp ý thầy cô hội đồng bạn để đồ án tốt nghiệp em đƣợc hoàn thiện Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trƣờng thầy cô khoa Điện tử, đặc biệt thầy Đoàn Hữu Chức giúp đỡ em hoàn thành đồ án Hải Phòng, ngày 30 tháng 10 năm 2010 Sinh viên Bùi Văn Nguyên Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG CHƢƠNG TỔNG QUAN Sơ lƣợc vi xử lý vi điều khiển Trong thập niên cuối kỉ XX, từ đời công nghệ bán dẫn, kĩ thuật điện tử có phát triển vƣợt bậc Các thiết bị điện tử sau đƣợc tích hợp với mật độ cao cao diện tích nhỏ, nhờ thiết bị điện tử nhỏ nhiều chức Các thiết bị điện tử ngày nhiều chức giá thành ngày rẻ hơn, điện tử có mặt khắp nơi Bƣớc đột phá công nghệ điện tử, công ty Intel cho đời vi xử lý đầu tiên, tức phần cứng đóng vai trị thứ yếu, phần mềm (chƣơng trình) đóng vai trị chủ đạo chức cần thực Nhờ vi xử lý có mềm dẻo hóa chức Ngày vi xử lý có tốc độ tính tốn cao khả xử lý lớn Vi xử lý có khối chức cần thiết để lấy liệu, xử lý liệu xuất liệu sau xử lý Và chức Vi xử lý xử lý liệu, chẳng hạn nhƣ cộng, trừ, nhân, chia, so sánh.v.v Vi xử lý khơng có khả giao tiếp trực tiếp với thiết bị ngoại vi, có khả nhận xử lý liệu mà Để vi xử lý hoạt động cần có chƣơng trình kèm theo, chƣơng trình điều khiển mạch logic từ vi xử lý xử lý liệu cần thiết theo yêu cầu.Chƣơng trình tập hợp lệnh để xử lý liệu thực lệnh đƣợc lƣu trữ nhớ, công việc thực hành lệnh bao gồm: nhận lệnh từ nhớ, giải mã lệnh thực lệnh sau giải mã Để thực công việc với thiết bị cuối cùng, chẳng hạn điều khiển động cơ, hiển thị kí tự hình địi hỏi phải kết hợp vi xử lý với mạch điện giao tiếp với bên đƣợc gọi thiết bị I/O (nhập/xuất) hay gọi thiết bị ngoại vi Bản thân vi xử lý đứng Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG khơng có nhiều hiệu sử dụng, nhƣng phần máy tính, hiệu ứng dụng Vi xử lý lớn Vi xử lý kết hợp với thiết bị khác đƣợc sử hệ thống lớn, phức tạp đòi hỏi phải xử lý lƣợng lớn phép tính phức tạp,có tốc độ nhanh Chẳng hạn nhƣ hệ thống sản xuất tự động công nghiệp, tổng đài điện thoại, robot có khả hoạt động phức tạp v.v Bộ Vi xử lý có khả vƣợt bậc so với hệ thống khác khả tính tốn, xử lý, thay đổi chƣơng trình linh hoạt theo mục đích ngƣời dùng, đặc biệt hiệu toán hệ thống lớn Tuy nhiên ứng dụng nhỏ, tầm tính tốn khơng địi hỏi khả tính tốn lớn việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc Bởi hệ thống dù lớn hay nhỏ, dùng vi xử lý địi hỏi khối mạch điện giao tiếp phức tạp nhƣ Các khối bao gồm nhớ để chứa liệu chƣơng trình thực hiện, mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập điều khiển trở lại, khối liên kết với vi xử lý thực đƣợc công việc Để kết nối khối đòi hỏi ngƣời thiết kế phải hiểu biết tinh tƣờng thành phần vi xử lý, nhớ, thiết bị ngoại vi Hệ thống đƣợc tạo phức tạp,chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp vấn đề trình độ ngƣời thiết kế Kết giá thành sản phẩm cuối cao, không phù hợp để áp dụng cho hệ thống nhỏ Vì số nhƣợc điểm nên nhà chế tạo tích hợp nhớ số mạch giao tiếp ngoại vi với vi xử lý vào IC đƣợc gọi Microcontroller-Vi điều khiển Vi điều khiển có khả tƣơng tự nhƣ khả vi xử lý, nhƣng cấu trúc phần cứng dành cho ngƣời dùng đơn giản nhiều.Vi điều khiển đời mang lại tiện lợi ngƣời dùng,họ không cần nắm vững khối lƣợng kiến thức lớn nhƣ ngƣời dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho ngƣời dùng trở nên đơn giản nhiều có khả giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên ngoài.Vi điều khiển đƣợc xây dựng với phần cứng dành cho ngƣời sử dụng đơn giản hơn, nhƣng thay vào lợi Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG điểm khả xử lý bị giới hạn(tốc độ xử lý chậm khả tính tốn hơn,dung lƣợng chƣơng trình bị giới hạn) Thay vào đó, vi điều khiển có giá thành rẻ nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản,do đƣợc ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức đơn giản, khơng địi hỏi tính tốn phức tạp Vi điều khiển đƣợc ứng dụng dây chuyền tự động loại nhỏ, robot có chức đơn giản, máy giặt, ôtô v.v Năm 1976 Intel giới thiệu vi điều khiển (microcontroller) 8748, chip tƣơng tự nhƣ vi xử lý chip họ MCS-48 Độ phức tạp, kích thƣớc khả Vi điều khiển tăng thêm bậc quan trọng vào năm 1980 intel cho chip 8051,bộ Vi điều khiển họ MCS-51 chuẩn công nghệ cho nhiều họ vi điều khiển đƣợc sản xuất sau này.Sau nhiều họ vi điều khiển nhiều nhà chế tạo khác lần lƣợt đƣợc đƣa thị trƣờng với tính đƣợc cải tiến ngày mạnh Các vi điều khiển thông dụng: + Họ vi điều khiển AMCC: tập đoàn “Applied Micro Circuits Corporation” sản xuất Tháng 5/2004, họ vi điều khiển đƣợc phát triển đƣa thị trƣờng IBM, bao gồm: 403 PowerPC CPU PPC 403GCX 405 PowerPC CPU PPC 405EP PPC 405GP/CR PPC 405GPr PPC NPe405H/L 440 PowerPC Book-E CPU Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG PPC 440GP PPC 440GX PPC 440EP/EPx/GRx PPC 440SP/SPe + Họ vi điều khiển Atmel: Dòng Atmel AT91 (Kiến trúc ARM THUMB) Dòng AT90, Tiny & Mega – AVR (Atmel Norway design) Dòng Atmel AT89 (Kiến trúc Intel 8051/MCS51) Dòng MARC4 + Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor: Năm 2004, vi điều khiển đƣợc phát triển tung thị trƣờng Motorola Dòng 8-bit 68HC05 (CPU05) 68HC08 (CPU08) 68HC11 (CPU11) Dòng 16-bit 68HC12 (CPU12) 68HC16 (CPU16) Freescale DSP56800 (DSPcontroller) Dòng 32-bit Freescale 683XX (CPU32) MPC500 MPC 860 (PowerQUICC) Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG MPC 8240/8250 (PowerQUICC II) MPC 8540/8555/8560 (PowerQUICC III) + Họ vi điều khiển Intel Dòng 8-bit 8XC42 MCS48 MCS51 8061 8xC251 Dòng 16-bit 80186/88 MCS96 MXS296 Dòng 32-bit 386EX i960 + Họ vi điều khiển Microchip 12-bit instruction PIC 14-bit instruction PIC PIC16F84 16-bit instruction PIC Trong họ vi điều khiển Microchip đƣợc ứng dụng phổ biến nhất, đặc biệt PIC16F877A đƣợc tích hợp thêm thành phần nhƣ chuyển đổi A/D 10 bits, lập trình phần mềm điều khiển đơn giản Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG 2.Tổng quan vi điều khiển PIC 2.1.PIC gì? PIC viết tắt thuật ngữ “Programable Interlligent Compurter”, tạm dịch “máy tính thơng minh khả trình” hãng Gnenral Intrusment đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên họ PIC 1650 đƣợc thiết kế dùng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển sau đƣợc nghiên cứu phát triển thêm từ hình thành nên dòng vi điều khiển PIC nhƣ ngày 2.2 Đặc điểm PIC so với loại vi điều khiển khác Hiện thị trƣờng có nhiều loại vi điều khiển khác nhƣ: 8051 Motorola 68HC, AVR, ARM…Tuy PIC đƣợc sử dụng ngày đƣợc phổ biến bởi: - Dễ dàng mua đƣợc thị trƣờng Viêt Nam - Giá thành không đắt - Có đầy đủ tính vi điều khiển hoạt động độc lập - Là bổ xung tốt kiến thức nhƣ ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống nhƣ 8051 - Có hỗ trợ nhà sản xuất trình biên dịch, cơng cụ lập trình,mạch nạp từ đơn giản đến mức cao - Các tính đa dạng vi điều khiển PIC,ngày đƣợc mở rộng, phát triển 2.3 Kiến trúc PIC Kiến trúc phần cứng vi điều khiển đƣợc thiết kế theo dạng kiến trúc:kiến trúc Von Neuman kiến trúc Havard Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG Harvard Data mem ory 14 CPU Von_Neumann Progr am mem ory CPU Progr am and data mem ory Hình 1.1 Kiến trúc Harvard kiến trúc Von-Neumann Tổ chức phần cứng PIC đƣợc tổ chức theo kiểu kiến trúc Harvard Điểm khác biệt kiến trúc Harvard Von-Neumann cấu trúc nhớ liệu nhớ chƣơng trình Đối với kiến trúc Von-Neumann, nhớ liệu nhớ chƣơng trình nằm chung nhớ Do ta tổ chức, cân đối cách linh hoạt nhớ chƣơng trình nhớ liệu Tuy nhiên điều có ý nghĩa tốc độ xử lí CPU cao, với cấu trúc thời điểm CPU tƣơng tác với nhớ liệu nhớ chƣơng trình Nhƣ nói cấu trúc Von-Neumann khơng phù hợp với cấu trúc vi điều khiển Đối với cấu trúc Harvard, nhớ chƣơng trình nhớ liệu tách thành hai nhớ riêng biệt.Do thời điểm CPU tƣơng tác với hai nhớ,nhƣ tốc độ xử lí đƣợc cải thiện đáng kể Một điểm cần ý tập lệnh kiến trúc Harvard đƣợc tối ƣu tùy theo yêu cầu kiến trúc vi điều khiển mà khơng phụ thuộc vào cấu trúc liệu.Ví dụ với vi điều khiển dịng 16F độ dài ln 14 bít ( liệu đƣơc tổ chức thành byte) Đặc điểm đƣợc minh họa hình 1.1 2.4 RISC CISC Nhƣ trên,kiến trúc Harvard khái niệm so với kiến trúc VonNeumann.Khái niệm đƣợc cải thiện nhằm cải tiến tốc độ thực thi vi điều khiển.Qua việc tách rời nhớ chƣơng trình nhớ liệu,bus chƣơng trình Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHỊNG bus liệu.CPU lúc truy xuất nhớ chƣơng trình nhớ liệu,giúp tăng tốc độ xử lí liệu nên gấp đôi.Đồng thời cấu trúc lệnh không phụ thuộc vào cấu trúc liệu mà linh động điều chỉnh tùy theo khả tốc độ vi điều khiển.Và để tiếp tục cải tiến tốc độ thực thi lệnh,tập lệnh họ vi điều khiển PIC đƣợc thiết kế cho chiều dài mã lệnh ln cố định (ví dụ với họ 16Fxxxx chiều dài mã lệnh 14 bit),và cho phép thực thi chu kì xung clock (ngoại trừ số trƣờng hợp đặc biệt nhƣ lệnh nhảy, lệnh gọi chƣơng trình con-cần hai xung đồng hồ) Điều có nghĩa tập lệnh vi điều khiển thuộc cấu trúc Harvard lệnh hơn,ngắn hơn,đơn giản để đáp ứng yêu cầu mã hoá lệnh số lƣợng bit định Vi điều khiển đƣợc tổ chức theo kiến trúc Harvard đƣợc gọi vi điều khiển RISC (Reducer Instruction Set Computer) vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi điều khiển đƣợc thiết kế theo kiểu kiến trúc Von-Neuman đƣợc gọi vi điều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh phức tạp lệnh khơng phải số cố định mà bội số 8bit (1 byte) 2.5 PIPELINING (xử lí song song) Đây chế xử lí lệnh vi điều khiển PIC.Một chu kì lệnh vi điều khiển bao gồm xung clock.Ví dụ ta sử dụng oscillator có tần số MHZ xung lệnh có tần số MHZ (chu ki lệnh ns) Giả sử ta có đoạn chƣơng trình nhƣ sau: 1.MOVLW 55h 2.MOVWF PORT B 3.CALL SUB_1 4.BSF PORT A,BIT instruction @ address SUB_1 Ở ta bàn đến quy trình vi điều khiển xử lí đoạn chƣơng trình thơng qua chu kì lệnh.q trình đƣợc thực thi nhƣ sau: Sinh viên: Bùi Văn Nguyên Lớp: ĐT1001 ... tài: Thiết kế hệ thống giao tiếp I2C hai vi điều khiển PIC Đồ án em gồm phần: Chƣơng :Tổng quan pic giao tiếp I2C Chƣơng hai :Thiết kế hệ thống giao tiếp I2C pic 16F877A Trong trình làm đồ án tốt... cho vi điều khiển đầu tiên họ PIC 1650 đƣợc thiết kế dùng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển sau đƣợc nghiên cứu phát triển thêm từ hình thành nên dịng vi điều khiển PIC. .. Harvard đƣợc gọi vi điều khiển RISC (Reducer Instruction Set Computer) vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi điều khiển đƣợc thiết kế theo kiểu kiến trúc Von-Neuman đƣợc gọi vi điều khiển CISC (Complex