Giao tiếp USB cĩ những đặc trưng như liệt kê ở dưới đây:
Mở rộng tới 127 thiết bị cĩ thể kết nối cùng vào một máy tính trên một cổng USB duy nhất (bao gồm các hub USB)
Những sợi cáp USB riêng lẻ cĩ thể dài tới 5 mét; với những hub, cĩ thể kéo dài tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp nhau thơng qua các hub) tính từ đầu cắm trên máy tính. Với USB 2.0 (tốc độ cao), đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps.
Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cùng một cặp gồm hai sợi dây xoắn để mang dữ liệụ
Trên sợi nguồn, máy tính cĩ thể cấp nguồn lên tới 500mA ở điện áp 5V một chiều (DC).
Những thiết bị tiêu thụ cơng suất thấp (ví dụ: chuột, b à n phím, loa m á y tính cơng suất thấp...) được cung cấp điện năng cho hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà khơng cần cĩ sự cung cấp nguồn riêng (thậm trí các thiết bị giải trí số như SmartPhone, PocketPC ngày nay sử dụng các cổng USB để xạc pin). Với các thiết bị cần sử dụng nguồn cơng suất lớn (như máy in , máy
quét...) khơng sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ cĩ tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín hiệụ Hub cĩ thể cĩ nguồn cấp điện riêng để cấp điện thêm cho các thiết bị sử dụng giao tiếp USB cắm vào nĩ bởi mỗi cổng USB chỉ cung cấp một cơng suất nhất định.
Những thiết bị USB cĩ đặc tính cắm nĩng, điều này cĩ nghĩa các thiết bị cĩ thể được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người sử dụng cần mà khơng cần phải khởi động lại hệ thống.
Nhiều thiết bị USB cĩ thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện.
2.2.1.3 Chuẩn giao tiếp USB 2.0
Chuẩn giao tiếp USB 2.0 được đưa ra vào tháng tư năm 2000 và được xem như là bản nâng cấp của USB1.1. USB 2.0 (USB với loại tốc độ cao) mở rộng băng thơng cho ứng dụng đa truyền thơng và truyền với tốc độ nhanh hơn 40 lần so với USB 1.1 . Để cĩ sự chuyển tiếp các thiết bị mới và cũ, USB 2.0 cĩ đầy đủ khả năng tương thích ngược với những thiết bị USB trước đĩ và cũng hoạt động tốt với những sợi cáp, đầu cắm dành cho cổng USB trước đĩ.
Hình 2.24 Đầu nối chuẩn giao tiếp USB2.0
Hỗ trợ ba chế độ tốc độ (1,5 Mbps; 12 Mbps và 480 Mbps), USB 2.0 hỗ trợ những thiết bị chỉ cần băng thơng thấp như bàn phím và chuột, cũng như thiết bị cần b ă ng
thơng lớn như We b ca m, máy q u é t, máy in, máy quay và những hệ thống lưu trữ lớn. Sự phát triển của chuẩn USB 2.0 đã cho phép những nhà phát triển phần cứng phát triển các thiết bị giao tiếp nhanh hơn, thay thế các chuẩn giao tiếp song song và tuần tự cổ điển trong cơng nghệ máy tính. USB 2.0 và các phiên bản kế tiếp của nĩ trong tương lai sẽ giúp các máy tính cĩ thể đồng thời làm việc với nhiều thiết bị ngoại vi hơn.
2.2.1.4 Chuẩn giao tiếp USB 3.0
Ở đồ án này em khơng sử dụng chuẩn USB 3.0 mà sử dụng chuẩn USB 2.0 để thực hiện giao tiếp giữa reader và máy tính. Tuy nhiên đây là một chuẩn mới ra đời vào năm 2009 với nhiều ưu điểm nổi trội so với chuẩn 2.0. Nên tơi xin phép được giới thiệu qua ở đâỵ
Được mệnh danh là USB “siêu tốc độ”, USB 3.0 là chuẩn mới nhất trong giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi (máy ảnh số, thiết bị nghe nhạc cầm tay, điện thoại, ổ cứng di động...). Nĩ là sự thay thế cho chuẩn USB 2.0 vốn được mệnh danh là “tốc độ cao”.
USB 2.0 cĩ tốc độ truyền tải dữ liệu tối đa là 480 Mbps. Chuẩn giao tiếp mới cĩ tốc độ nhanh gấp 10 lần chuẩn cũ. Tức là tốc độ của USB 3.0 đạt gần 5 Gbps. Với chuẩn giao tiếp mới này, thời gian để truyền đi 25 GB sẽ giảm xuống chỉ cịn khoảng 70 giây - một con số vơ cùng ấn tượng. Và ta sẽ cịn cảm thấy bất ngờ hơn, khi cùng với tiến trình xử lý này, USB 2.0 mất khoảng 14 phút, trong khi đĩ chuẩn USB 1.1 phải mất đến 9 giờ.
Khơng giống với USB 2.0 dữ liệu chỉ cĩ thể truyền một hướng tại một thời điểm xác định thì USB 3.0 lại cĩ khả năng đọc ghi dữ liệu đồng thờị Để làm được kiểu này, nhà sản xuất đã thêm 4 kết nối mới (2 để truyền và 2 để nhận dữ liệu) nâng tổng số kết nối lên 8 (so với 4 của USB 2.0).
Hình 2.25 Đầu nối chuẩn giao tiếp USB3.0
USB 3.0 được thiết kế với hiệu suất cải thiện hơn so với người tiền nhiệm của nĩ. Khi bắt đầu dịng điện chỉ tăng từ 500 tới 900 mẠ Điều này giúp làm tăng tính ổn định, cho phép máy tính và USB hub cĩ thể kết nối tới nhiều thiết bị ngoại vi hơn.
2.2.2 Lớp định nghĩa HID
Ở đây ta chỉ nĩi đến lớp HID được sử dụng với chuẩn giao tiếp USB 2.0. Lớp
HID bao gồm các thiết bị cơ bản được sử dụng bởi con người để điều khiển thao tác của các hệ thống tính tốn. Các ví dụ điển hình của lớp HID bao gồm:
Các thiết bị bàn phím và con trỏ - ví dụ, các thiết bị chuột máy tính tiêu chuẩn, các quả bĩng xoay, và các cần điều khiển.
Các bộ phận điều khiển tìm thấy trong các thiết bị chẳng hạn như điện thoại, điều khiển từ xa, các thiết bị trị chơi hoặc mơ phỏng.
Các thiết bị khơng cần tới thao tác của con người nhưng cung cấp dữ liệu theo định dạng giống như lớp thiết bị HID – ví dụ, các máy đọc mã vạch, nhiệt kế đo nhiệt độ, hoặc vơn kế.
2.2.2.1Tổng quan về quản lý chung của lớp HID
Thơng tin về bản thân một thiết bị USB được lưu trữ bên trong các segment của bộ nhớ ROM của nĩ. Các segment này được gọi là các descriptor. Một giao diện
descriptor cĩ thể nhận dạng một thiết bị như là thuộc về một trong số các lớp đã được định nghĩa của nĩ.
Một thiết bị lớp HID sẽ sử dụng một tham chiếu tới trình điều khiển lớp HID
để lấy dữ liệu và định tuyến nĩ.Và cơng đoạn này được hồn thành bằng việc kiểm tra các descriptor của thiết bị và dữ liệu nĩ cung cấp.
Hình 2.26 Tham chiếu giữa trình điều khiển lớp HID và thiết bị HID Descriptor của thiết bị lớp HID được sử dụng để nhận dạng các descriptor của lớp HID khác tại thời điểm hiện tại và cho biết các kích thước của chúng. Ví dụ, các descriptor Report và Physical như chỉ ra ở hình dưới đây:
Hình 2.27 Ví dụ về descriptor của thiết bị lớp HID
Một descriptor report mơ tả mỗi phần dữ liệu mà thiết bị sinh ra và đo lường dữ liệu trong thực tế là gì. Ví dụ, nĩ định nghĩa các mục để mơ tả một vị trí hoặc trạng thái nút bấm. Thơng tin về các mục này sẽ được sử dụng để:
Quyết định định tuyến đầu vào ở đâu .
Cho phép phần mềm thao tác các chức năng đầu vàọ
Bằng cách kiểm tra một mục (cịn được gọi là descriptor report) trình điều khiển của lớp HID cĩ thể quyết định kích thước và bố cục dữ liệu được báo cáo từ thiết bị lớp HID.
Descriptor physical thiết lập các descriptor tùy chọn để cung cấp thơng tin các phần hoặc các bộ phận trên cơ thể con người được sử dụng để kích hoạt bộ điều khiển trên một thiết bị.
Tất cả những cái này cĩ thể được kết hợp lại để minh họa cấu trúc descriptor
Hình 2.28 Cấu trúc các descriptor của thiết bị lớp HID
2.2.2.2 Mơ hình hoạt động
Tại mức cao nhất, một descriptor bao gồm hai bảng thơng tin được tham chiếu tới là descriptor device và descriptor string. Với thiết bị theo chuẩn giao tiếp USB thì descriptor device sẽ chịu trách nhiệm chỉ ra mã số sản phẩm ( product ID) và các thơng tin khác về thiết bị đĩ. Ví dụ, descriptor device cĩ thể bao gồm các trường thơng tin cơ bản sau:
Các thơng tin về lớp (Class)
Các thơng tin về phân lớp (Subclass) Các thơng tin về nhà sản xuất (Vendor) Các thơng tin về sản phẩm (Product)
Các thơng tin về phiên bản của sản phẩm (Version) Với các thiết bị lớp HID thì hơi cĩ sự khác biệt ở chỗ :
Kiểu lớp khơng được định nghĩa tại mức descriptor device của thiết bị. Mà nĩ sẽ được định nghĩa bởi descriptor interface.
Trường phân lớp được sử dụng để nhận dạng các thiết bị khởi động .
Trước đây các descriptor được minh họa bằng các sơ đồ các mục dữ liệu được biểu diễn dưới dạng các bảng thơng tin. Mỗi bảng thơng tin cĩ thể được sử dụng như một khối dữ liệụTuy nhiên hiện tại thay vì làm theo cách đĩ, các descriptor report sẽ bao gồm nhiều đoạn thơng tin. Mỗi đoạn thơng tin được gọi là một danh mục (item) như hình minh họa dưới đâỵ
Hình 2.29 Các descriptor report bao gồm các đoạn thơng tin là các danh mục Một danh mục là một đoạn thơng tin về thiết bị. Tất cả các danh mục đều cĩ một byte đầu tiên để chứa thẻ danh mục, kiểu danh mục, và kích thước danh mục.
Hình 2.30 Cấu trúc một danh mục
Một danh mục cĩ thể bao gồm các dữ liệu tùy chọn của danh mục đĩ. Kích thước của phần dữ liệu đĩ được quyết định bởi kiểu cơ sở của danh mục đĩ. Cĩ hai kiểu danh mục cơ sở là: các danh mục ngắn và các danh mục dàị Nếu là một danh mục ngắn, thì kích thước phần dữ liệu của nĩ cĩ thể là 0, 1, 2, hoặc 4 bytẹ Cịn nếu là kiểu danh mục dài, thì giá trị tham số bSize luơn luơn là 2. Dưới đây là ví dụ minh họa các giá trị cĩ thể ở bên trong một byte đầu tiên cho một danh mục dàị
Hình 2.31 Ví dụ về một danh mục dài
2.2.3 Vi điều khiển PIC16F886 và sơ đồ khối mạch điều khiển
Vi điều khiển PIC16F886 nằm trong họ PIC18 ,là dịng vi điều khiển PIC cĩ tính thực thi cao của hãng Microchip. Đây là dịng vi điều khiển được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hệ thống nhúng cơng nghiệp. Dưới đây ta sẽ tìm hiểu qua về vi điều khiển PIC18F886
Thơng qua cơng nghệ Nanowat, hãng Microchip đã đưa vào bên trong thiết bị PIC18F886 các chức năng đặc trưng mà khiến nĩ cĩ thể giảm được đáng kể sự tiêu thụ năng lượng trong suốt quá trình hoạt động.Bao gồm như:
Các chế độ chạy xen kẽ: Bằng cách tạo xung nhịp cho khối điều khiển từ nguồn Timer1 hoặc từ khối tạo dao động ở bên trong , năng lượng tiêu thụ trong suốt quá trình thực thi mã cĩ thể giảm được tới 90%.
Các chế độ Idle: Khối điều khiển cũng cĩ thể chạy với lõi CPU của nĩ khơng hoạt động nhưng các thiết bị ngoại vi vẫn ở trạng thái hoạt động. Trong các trạng thái này,năng lượng tiêu thụ cĩ thể giảm tới mức thấp hơn nữa, ít nhất là bằng 4% mức cần thiết trung bình để hoạt động.
Chế độ chuyển mạch on-the-fly: Các chế độ quản lý năng lượng được gọi ra bởi người dùng trong suốt quá trình thao tác mã, cho phép họ cĩ thể đưa ra các ý tưởng tiết kiệm năng lượng vào bên trong các thiết kế phần mềm của ứng dụng.
Các chế độ khĩa tiêu thụ ít năng lượng: khiến cho năng lượng cần cho cả bộ Timer1 và bộ Watchdog Timer là rất nhỏ.
Khi nĩi đến các dịng vi điều khiển hay vi xử lý nĩi chung, thì khơng thể khơng nhắc tới bộ tạo xung dao động cho nĩ. Với thiết bị PIC18F2550 cùng các anh chị trong họ của nĩ (như PIC18F2455,PIC18F4550,...) đã được Microchip hỗ trợ lên tới mười hai lựa chọn chế độ dao động khác nhau,vì vậy người dùng sẽ tùy biến hơn rất nhiều trong việc thiết kế phần cứng ứng dụng so với các loại vi điều khiển khác. Nĩ bao gồm:
Bốn chế độ dao động tinh thể bằng cách sử dụng các bộ cộng hưởng tinh thể hoặc ceramic.
Bốn chế độ dao động xung ở bên ngồị
Một khối tạo dao động ở bên trong cung cấp một xung tín hiệu cĩ tần số 8 MHz (với độ chính xác là ±2%) và một nguồn INTRC (khoảng 31 kHz),cũng như là một phạm vi sáu tần số xung người dùng cĩ thể lữa chọn,nằm giữa 125 kHz và 4 MHz, trong tổng số tám kiểu tần số xung.
Một bộ nhân tần số PLL ,cĩ thể bao gồm cả chế độ dao động tinh thể tốc độ cao và các chế độ dao động ở bên ngồi, cho phép tốc độ xung cĩ một phạm vi rộng từ 4 MHz tới 48 MHz.
Hai xung hoạt động khơng đồng bộ với nhau, cho phép module USB cĩ thể chạy được với bộ tạo dao động tần số cao trong khi phần cịn lại của vi điều khiển thì được tạo xung dao động từ một bộ tạo dao động cơng suất thấp ở bên trong.
Ngồi ra thiết bị PIC18F2550 cịn được đưa vào một mơ đun truyền thơng USB đầy đủ phù hợp với các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn USB 2.0. Mơ đun hỗ trợ cả hai kiểu truyền thơng low-speed và full-speed cho tất cả các kiểu dữ liệu mà nĩ hỗ trợ. Nĩ cũng được tích hợp thêm một bộ thu-phát và bộ điều chỉnh điện áp 3.3V trên chip của nĩ và hỗ trợ sử dụng với các bộ thu- phát và bộ điều chỉnh điện áp ở bên ngồị
Trong đồ án này , thì vi điều khiển PIC16F886 cĩ thể nĩi là thành phần quan trọng nhất. Nĩ thực hiện hai nhiệm vụ chính là:
Kết nối với chip RFID EM4095 để nhận kết quả mã số thẻ trả về và lưu trữ trong bộ nhớ ROM ,đồng thời đưa ra các cảnh báo LED để giúp người dùng biết được trạng thái hiện tại của hệ thống.
Kết nối với máy tính cá nhân qua chuẩn giao tiếp USB2.0 , để thực hiện truyền dữ liệu mã số thẻ lưu trữ trong bộ nhớ ROM về máy tính, để cho phần mềm quản lý trên máy tính thực hiện khâu tiếp theọ
2.3 Thiết kế phần mềm quản lý
Như đã nĩi trong phần giới thiệu chung về một hệ thống RFID ,hệ thống RFID cĩ thể hoạt động mà khơng cần tới thành phần nàỵTuy nhiên, nếu như khơng sử dụng thành phần này thì hệ thống RFID sẽ trở nên vơ giá trị.Vì vậy vẫn cĩ thể nĩi rằng, thành phần này đĩng gĩp phần quan trọng làm nên thành cơng của một hệ thống RFID được triển khaị Ở đây ta xây dựng khơng phải là một hệ thống phần mềm mà chỉ là phần mềm quản lý đơn giản để thử nghiệm. Nĩ cĩ khả năng quản lý kết nối giữa máy tính và reader thơng qua giao tiếp USB, và quản lý cở sở dữ liệu trên máy tính. Dưới đây là chi tiết về phần mềm quản lý tơi đã xây dựng cho đồ án nàỵ
2.3.1 Xây dựng giao diện
Visual Csharp hiện là ngơn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi nhất để viết các ứng dụng chạy trên hệ điều hành windows. Visual Csharp cho phép phát triển nhanh chĩng các ứng dụng truyền thống được thiết kế theo mơ hình đặc trưng của windows. Với Csharp người thiết kế cĩ thể rất nhanh chĩng và dễ dàng tạo ra được một giao diện trực quan thân thiện với người sử dụng. Ngồi ra các cú pháp trong Csharp cũng khá giống với ngơn ngữ hướng đối tượng C++. Nên khi sử dụng qua ngơn ngữ này người lập trình sẽ cĩ cái nhìn tổng quan hơn về lập trình hướng đối tượng, một xu hướng trong nghành cơng nghệ thơng tin.
Visual Csharp cĩ khá nhiều ưu điểm khiến tơi phải lựa chọn sử dụng nĩ trong đồ án này . Các ưu điểm của nĩ cĩ thể kể đến như:
Visual Csharp là một ngơn ngữ lập trình cĩ cấu trúc tương đối đơn giản
Ngơn ngữ này là lý tưởng để phát triển các giao diện đồ họa người dùng (GUI).
Các thư viện MSDN trực tuyến cung cấp một tương tác tồn diện và hệ thống trợ giúp trực tuyến.
Dễ dàng xây dựng các phần mềm quản lý giao tiếp giữa máy tính và thiết bị ngoại vi thơng qua các chuẩn như RS232, USB 2.0 chỉ đơn giản bằng cách gọi các hàm WIN API đã cĩ sẵn trong hệ điều hành windows.
2.3.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu mà ta sẽ lựa chọn sử dụng ở đây là MySQL. MySQL là giải pháp nhanh nhất để sử dụng hệ thống quản lý dữ liệu quan hệ RDMS. MySQL là một phần