L ỜI CAM ĐOAN
3.Thiết kế chế tạo phần cứng
Khối nguồn cần cung cấp cho vi điều khiển, cảm biến nhiệt LM35D, LCD hoạt động ở điện áp 5V và rơ le hoạt động ở điện áp 12V. Camera 8211c cần 3 mức điện áp là 1,3V, 2,5V và 2,8V. Module SIM5218A hoạt động ở VBAT từ 3,4V đến 4,2V (ở đây chọn VBAT = 3,7V). Do vậy giải pháp đưa ra là: Với khối nguồn tạo điện áp 5V ta sử dụng LM7805, với khối tạo điện áp 1,3V, 2,5V và 2,8V ta sử dụng LM317 còn với 12V ta lấy từ nguồn vào của Adapter.
Hình 4.12. Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho mạch
74
lưu cầu. Nguồn này đưa vào hai chân đầu vào của LM317 để tạo điện áp VBAT(điều chỉnh được thông qua biến trở tinh chỉnh 10K) sử dụng cho Module SIM5218A sẽ sử dụng sau này và LM7805 cho ra điện áp 5VDC. Nguồn chiều ra từ Adapter được sử dụng làm điện áp đầu vào cho các LM317 và đầu ra cho ra các mức điện áp 1,3V, 2,5V, 2,8V. Nguồn cung cấp cho mạch là một yếu tố cực kỳ quan trọng cho sựổn định và hiệu quả vận hành của mạch, do vậy khi thiết kế khối nguồn cần lưu tâm đặc biệt và phải tính toán cẩn thận để đảm bảo cung cấp đủ điện áp và công suất cho mạch.
IC nguồn LM7805
Họ IC 7805 là họ có điện áp đầu ra là 5V, dòng điện ra 1A với dải điện áp đầu vào phong phú từ 5V đến 24V, giá thành rẻ và rất dễ tìm trên thị trường chính vì vậy nó được chọn làm IC cấp nguồn 5V cho mạch.
IC nguồn LM317
LM317 là linh kiện ổn áp bù nối tiếp dùng để biến đổi và ổn định điện áp dương. Nó có thể cấp dòng hơn 1.5 A và điện áp ngã ra có thể biến thiên từ 1.25V đến 37 V. Là linh kiện tương đối dễ sử dụng vì nó chỉ cần thêm 2 điện trở bên ngoài để đặt điện áp ngã ra. Điện áp cấp cho tải ổn định hơn so với các loại IC ổn áp cố định. Ngoài việc có hiệu suất cao hơn ổn áp cố định, loại IC này còn được tích hợp khả năng hạn dòng khi ngắn mạch, bảo vệ quá tải nhiệt... Sau đây là hình dạng thực tế và sơ đồ chân của IC LM317:
Hình 4.13: Sơ đồ chân của IC LM317
TO-220 là dạng đóng gói thường gặp nhất của LM317 dùng cho các ứng dụng thông thường, có thể trang bị thêm để tản nhiệt cho IC này. Các chân bao gồm: 1. Chân điều chỉnh điện áp. 2. Ngã ra điện áp. 3. Ngã vào điện áp.
Thông số quan trọng:
- Độ lệch điện áp ngã vào và điện áp ngã ra: Vi-Vo= 35 Volt (hay 40 volt tùy nhà sản xuất)
75
- Nhiệt độ giới hạn: 230 độ C.
- Nhiệt độ vận hành: 0 đến +125 độ C.
- Nhiệt độ lưu trữ: -65 đến +125 độ C.
- Công suất tiêu thụ: trong khoản giới hạn ( tối đa 20W).
- Điều kiện làm việc thông thường: 5V<=Vi-Vo<=35V
- Điện áp quy chiếu (Vref )từ 1.2 đến 1.3 volt.
- Dòng cấp cho chân điều chỉnh Iadj không quá 100uA.
Nguồn cung cấp cho SIM5218A
Nguồn được cấp cho module qua sáu chân VBAT, yêu cầu VBAT=3.4V đến 4.2V, dòng cấp là 2A.Theo khuyến cáo của nhà sản xuất nên thiết kế nguồn như sau:
Trong đó VBAT = 3,7V
b. Camera 8211c
8211c camera module là UXGA CMOS camera, có cấu tạo gồm 24 chân. 8211c
sử dụng loại chip OV2460 của hãng Omnivision. OV2460 camera chip là loại cảm biến ảnh chế tạo theo công nghệ CMOS với độ phân giải UXGA (1632x1232) có công suất tiêu thụ thấp. Hỗ trợ full-frame và sub-frame, ảnh 8 hoặc 10 bit với nhiều định đang. Được điều khiển qua Bus điều khiển camera nối tiếp (Serial Camera Control BUS-SCCB).Tốc độ tối đa hỗ trợ là 15 frame/giây.
Đặc điểm
- Độ nhạy cao với môi trường ánh sáng yếu
- Công suất tiêu thụ thấp nên thích hợp với các ứng dụng
- Chuẩn giao tiếp SCCB
- Hỗ trợ các kiểu ảnh đầu ra: RGB, RGB(RGB565/555), GRB422, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
YUV(422/420) và YCBCR (4:2:2).
- Hỗ trợ kích thước ảnh: UXGA, SXGA, SVGA và bất kỳ kích thước nào từ SXGA đến 40x30.
Kết nối 8211c với SIM5218A
SIM5218A cung cấp một giao tiếp với camera module nhằm hỗ trợ camera và video call, hỗ trợ cả hai loại cảm biến ảnh số và cảm biến ảnh analog (NTSC hoặc PAL ), định dạng YUV và RBG. Nếu sử dụng cảm biến ảnh tương tự, đầu tiên ta phải sử dụng IC AK8856 để giải mã tín hiệu sang dạng số sau đó truyền dữ liệu vào camera Interface. Việc kết nối camera module như hình 4.13.
76
Hình 4.13: Kết nối camera module với SIM5218A
c. SIM Interface
Module nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) là một loại thẻ thông minh cho mạng di động UTMS/SGM. USIM cung cấp các thông tin cho phép thuê bao có thể đăng ký đến mạng UTMS và GSM. SIM5218A hỗ trợ hai loại USIM 3.0V và 1.8V.
Hình 4.14: Kết nối USIM và SIM5218
d. MIC Interface.
77
Hình 4.15: Kết nối MIC và SIM5218
e. Kết nối SIM 5218A đến Vi điều khiển
Hình 4.16: Kết nối SIM5218A với Vi điều khiển
f. Giao tiếp UART và USB2.0 của SIM5218A
Ngoài giao tiếp UART như trình bày ở trên, SIM5218A còn hỗ trợ giao tiếp USB2.0 để giao tiếp máy tính, thiết bị khác cũng như cập nhật firmware. Tốc độ hỗ trợ tối đa lên đến 480Mbps.
78
Hình 4.17: Kết nối SIM5218A với cổng USB
g. GPS (Global Positioning System)
SIM5218A cũng được tích hợp hệ thống định vị toàn cầu GPS qua vệ tinh và mạng thông tin để cung cấp cho các giải pháp công nghệ cao cho các ngành công nghiệp chính xác. GPS trong SIM5218A hoạt động tốt ngay cả trong điều kiện môi trường không thuận lợi và cung cấp một giải pháp khai thác mạng không dây trên cả phương diện thông tin và địa điểm.
GPS model -SIM5218A hỗ trợ cả A-GPS và S-GPS Thông số kỹ thuật -Tracking sensitivity: -156dBm -Aacquisition sensitivity: -145 dBm -Accuracy: <1.5M(CEP50)
-TTFF(Open Sky): Hot Start < ls Cold start < 40s
-Receiver type: 12-channel,GPS L1 Frequency (1575.42 MHz), C/A code
-Update rate: mặc định là 1s
-GPS data format: NMEA-0183
-Công suất tiêu thụ : 80mA (tổng dòng cung cấp tại chân VBAT)
-GPS antenna: Active và Passive
-Điện áp hoạt động của anten: 2.7V
Hoạt động của module GPS
Mặc định GPS không hoạt động,ta có thể cho nó bắt đầu hoạt động qua lệnh AT+CGPS. Lệnh này có hai thông số, một là on/off GPS và hai là chọn GPS mode. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
h. Khối giao tiếp máy tính theo chuẩn RS232
RS-232 là một tiêu chuẩn truyền dẫn dữ liệu nhị phân nối tiếp giữa DTE (Data
Terminal Equipment) và DCE (Data Circuit - Terminating Equipment). Thiết bị trung
79
đầu cuối chuyển đổi thông tin sang tín hiệu truyền dẫn khi truyền dữ liệu và chuyển đổi ngược lại khi nhận dữ liệu.
Phạm vi tiêu chuẩn RS232
Chuẩn RS-232-C do EIA bao gồm 1969 định nghĩa về:
- Đặc lính tín hiệu điện, như mức điện áp, tốc độ truyền tín hiệu, điện dung tải lớn nhất ...
- Đặc điểm giao diện cơ học, đầu kết nối cơ học và nhận dạng chân
- Các chức năng của mỗi mạch điện trong giao diện kết nối
- Các tập hợp tiêu chuẩn con của mạch điện giao diện kết nối cho các ứng dụng viễn thông được áp dụng
Chi tiết chuẩn RS232
Trong truyền thông nối tiếp RS-232, dữ liệu được gửi đi tuần tự từng bit một theo thời gian. Cả hai đường truyền đồng bộ và không đồng bộ đều được hỗ trợ.
Các mức điện áp
Chuẩn RS-232 quy định các mức điện áp tương ứng với các mức logic 1 và mức logic 0. Các tín hiệu hợp lệ là cộng hoặc trừ 3-15V. Khoảng điện áp xung quanh điện áp 0 là không hợp lệ. Mức logic 1 được quy định là điện áp âm, và mức logic 0 là điện áp dương. Tiêu chuẩn cũng chỉ ra điện áp hở mạch lớn nhất là 25V, các mức tín hiệu
5 , 10, 12, 15 là các mức điện áp thường thấy, phụ thuộc vào nguồn cũng
cấp trong thiết bị. Các thiết bị phải có khả năng chịu đựng được sự ngắn mạch hay bất kỳ mức điện áp nào quá 25V. Tốc độ chuyển mức điện áp (logic 1 và logic 0) cũng
được điều khiển.
Trong mạch giao tiếp RS232 của mạch sử dụng MAX3232 có dải điện áp hoạt động từ 3V đến 5.5V phù hợp với điện áp hoạt động của vi điều khiển là 3.3V
i. Khối giao tiếp máy tính theo chuẩn USB 2.0
USB (Univeral Serial Bus) là hình thức giao tiếp hữu dụng với tính năng Plug and Play. Ra đời từ năm 1996, là kết quả của sự hợp tác của 7 công ty hàng đầu thế giới: Compaq, Digital Equipment Corporation, IBM, Intel, Microsoft, NEC, và Northem Telecom. USB tạo cơ hội cho các thiết bị giao tiếp tốc độ cao: digital camera, multimedia device, telephone device, USB disk, ...
Mục tiêu của giao tiếp USB
80
- Plug and Play: tính năng cho phép người sử dụng không cần tắt máy để cài đặt cấu hình như interrupt, dipswitch, . . .
- Bộ điều khiển USB tự phát hiện và nhận biết khi thiết bị được kết nối hoặc ngắt kết nối.
+ Hỗ trợ truyền dữ liệu thời gian thực:
- Ứng dụng này cho phép giao tiếp với các thiết bị multimedia để truyền tín hiệu âm thanh hoặc hình ảnh
+ Mở rộng Port:
- USB cung cấp 1 giải pháp mở rộng port cho phép tối đa 127 thiết bị kết nối cùng lúc với 1 PC
- Với tốc độ kết nối mở rộng lên đến 12Mbps, nhưng mục tiêu của USB là dành cho các thiết bị tốc độ thấp và trung bình nưh: keyboard, mice, modem, scanner... (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Các chuẩn giao tiếp: - USB 1.0
- USB 1.1
- USB 2.0 và đến nay thế giới đã phát triển thành công chuẩn giao tiếp USB 3.0
Port kết nối USB
Có hai loại thông dụng: Loại A và loại B
- Loại A: Thường sử dụng kết nối upstream (trên PC) - Loại B: Thường sử dụng kết nối downtream (trên thiết bị)
Bảng 4.1: Ký hiệu và thứ tự chân của cổng USB
Chân số Màu cáp Chức năng
1 Red Vbus (5 volts)
2 White D-
3 Green D+
4 Black Ground
- Tín hiệu logic trên USB: sử dụng mã NRZI + Logic ‘1’
D+ > 2.8V D- < 0.3V + Logic ‘0’
81
D- < 2.8V Trở kháng đường dây: 90 Tốc độ kết nối USB
- Để báo tốc độ sẽ kết nối thiết bị USB phải có điện trở 1.5k kéo lên nguồn ở ngõ D+ hoặc D-
- Điện trở kéo lên này cũng dùng để host biết sự hiện hữu của thiết bị
- Để chọn tốc độ Full speed (12MBit/s), điện trở 1.5k được kéo lên 3.3V ở ngõ D+
- Để chọn tốc độ Low speed (1.5mbit/s), điện trở 1.5k được kéo lên 3.3V ở ngõ D-
- Một số thiết bị có điện trở được xây dựng mạch bán dẫn, có thể điều khiển bằng firmware
Nguồn cấp cho USB
Một lợi điểm quan trọng của thiết bị USB là không cần nguồn cấp điện bên ngoài mà được cấp từ host
Thiết bị USB có 3 chế độ nguồn:
- Low power: dòng cung cấp LOOMA, điện áp trong khoảng 4.4V - 5.25V
- High power: dòng cung cấp tối đa 500mA, điện áp bus từ 4.75V-5.25V - Selfpower: thiết bị được cấp nguồn từ bên ngoài
Mạch giao tiếp USB sử dụng PL2303
Mạch giao tiếp giữa vi điều khiển với PC hay các thiết bị khác theo chuẩn USB sử dụng IC chuyển đổi từ RS232 sang USB PL2303.
Đặc điểm :
- Hoàn toàn tương thích chuẩn USB 2.0(full speed) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- On chíp bộ truyền nhận dữ liệu USB l.l, bộ điều chỉnh điện áp 5V→3.3V, và bộ tạo dao động 12MHz.
- Hỗ trợ giao tiếp nối tiếp RS232 + Bộ truyền nhận dữ liệu song công
+ Sáu chân điều khiển MODEM (RTS,CTS,DTR,DSR,DCD và RI) + Dữ liệu 5,6,7 hoặc 8 bit
+ Các chế độ Old,Even,Mark, Space hoặc None parity
82
+ Phát hiện parity error,frame enor và serial break + 1,1.5 hoặc 2 bit stop
+ Điều khiển tắt bộ RS232 mở rộng + Giao tiếp nối tiếp phụ thuộc nguồn cấp - Cơ chế điều khiển luồng mở rộng
+ Điều chỉnh được mức cao/thấp watermark + Tự động điều khiển luồng với chân RTS/CTS + Tự động điều khiển luồng với chân XON/XOFF + Phát hiện được tràn bộ đệm dữ liệu
- Cấu hình được cho bộ đệm dữ liệu 512 byte hai hướng + 256 byte đệm truyền, 256 byte đệm nhận
+ 128 byte đệm truyền, 384 byte đệm nhận
- Hỗ trợ điều khiển đánh thức từ chân tín hiệu ngắt của Modem
- Hai chân vào ra mục đích chung (GPIO)
- Tùy chọn EEPROM ngoài cho việc cấu hình thiết bị khởi động
- Hỗ trợ driver cho window, linux, MAC OS, win CE
- Gồm 28 chân đóng vỏ theo kiểu SSOP Sơ đồ khối chức năng
Sơ đồ khối chức năng PL2303
Giới thiệu
PL2303 cho phép thiết bị có chuẩn RS232 kết nối tới bất kỳ thiết bị nào có chuẩn giao tiếp USB.
Bảng 4.2. Miêu tả chân PL2303
Chân Ký hiệu chân Miêu tả chân
1 TXD Chân truyền dữ liệu nối tiếp
2 DTR_N Dữ liệu đầu cuối sẵn sàng
3 RTS_N Yêu cầu gửi dữ liệu
4 VDD_325 Chân nguồn, có thể chọn 2.5V, 3.3V hoặc 5V tuỳ thuộc
5 RXD Chân nhận dữ liệu nối tiếp
6 RI_D Ring Indicator → chân chỉ định rung chuông
7 GND Chân nối đất
83
9 DSR_N Dữ liệu sẵn sàng
10 DCD_N Phát hiện sóng mang dữ liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
11 CTS_N Xóa để gửi
12 SHTD_N Điều kiện tắt bộ truyền nhận RS232
13 EE_CLK Cung cấp xung cho giao tiếp nối tiếp 2-wire với EEPROM
14 EE_DATA Dữ liệu EEPROM giao tiếp nối tiếp 2-wire
15 DP Tín hiệu D + cổng USB
16 DM Tín hiệu D- cổng USB
17 VO_3.3 Bộ điều chỉnh nguồn ra 3.3V
18 GND Chân nối đất
19 NC Chân bỏ trống
20 VDD_5 Chân Bbus cổng USB, nguồn 5V
21 GND Chân nói đất
22 GP0 Chân vào ra mục đích chung số 0
23 GP1 Chân vào ra mục đích chung số 1
24 NC Chân bỏ trống
25 GND_A Chân đất tương tự cho PLL
26 PLL_TEST Chân kiểm tra chế độ điều khiển PLL
27 OSC1 Chân vào bộ tạo dao động
28 OSC2 Chân ra bộ tạo dao động
Chân TXD của PL2303 nối vào chana RXD vi điều khiển, chân RXD của PL2303 nối vào chân TXD của vi điều khiển.
j. Đầu nối (Connector)
Tiêu chuẩn chỉ ra 20 loại đầu nối tín hiệu khác nhau. Trong hầu hết các thiết bị chỉ sử dụng một số ít tín hiệu, do vậy các đầu nối nhỏ hơn thường được sử dụng. Đầu nối 9 chân DB-9 được sử dụng trên hầu hết các máy tính PC và được chuẩn hóa bởi tiêu chuẩn TIA-574. Chúng ta cũng thường bắt gặp đầu nối 25 chân DB-25. Ngoài ra trên máy tính còn có nhiều loại đầu nối dữ liệu khác nhau cho chuẩn RS-232 như DA- L5, DC-37, DD-50.
k. Dây cáp kết nối
Chuẩn RS-232 không quy định chiều dài dây cáp lớn nhất, mà chỉ quy định dung kháng lớn nhất mà mạch điều khiển phải chịu được. Với dây cáp thông thường,
84
khoảng cách tối đa cho đường truyền là 15m, trừ khi chúng ta sử dụng các dây cáp đặc biệt. Các dây cáp đặc biệt với dung kháng thấp, kết hối có thể kéo dài lên tới 300m. Ở khoảng cách xa, các tiêu chuẩn tín hiệu khác sẽ thích hợp hơn để duy trì tốc độ truyền dữ liệu cao.