Hình 2 .19 Khay giữ thẻ nhớ T-Flash
Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý kết nối pin dự phòng
2.7.4. Khối cảm biến rung
Khối cảm biến rung được thiết kế với mục đích nhận dạng các chuyển động rung lắc bất thường của xe máy để cảnh báo cho chủ xe.
Nhằm thực hiện nhiệm vụ trên, tác giả xử dụng module cảm biến ADXL346[10] với các đặc điểm sau:
- Kích thước nhỏ gọn 3 mm x 3 mm x 0.95 mm. - Nhận biết gia tốc ở cả 3 chiều không gian. - Cảm biến có thể cấu hình độ phân giải đến 1% - Có thểcài đặt các ngưỡng cảnh báo gia tốc rung.
- Năng lượng tiêu thụ ít với dòng 23 µA khi đo lường và 0,2 µA ở chế độ
standby với điện áp nguồn 2,6 V. - Hỗ trợ giao tiếp SPI, I2C.
- Dải nhiệt độ hoạt động rộng -40oC đến 85 oC.
Sơ đồ khối chức năng của ADXL346
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Bố trí chân của ADXL346
Hình 2.30. Sơ đồ bố trí chân của ADXL346 Bảng 2.5. Bảng cổng kết nối ADXL346 Bảng 2.5. Bảng cổng kết nối ADXL346
Số Tên Cổng Chức năng
1 VDD I/O Cổng giao diện số cho nguồn cấp
2 NC
3 NC
4 SCL/SCLK Nhận tín hiệu Clock
5 NC
6 SDA/SDI/SDIO Truyền thông I2C, SPI
7 SDO/ALT ADDRESS Truyền thông I2C, SPI
8 CS Chọn chip
9 INT2 Cổng ra interupt 2
10 NC
12 GND Nối đất
13 GND Nối đất
14 VS Nguồn cấp
15 RESERVED Dự phòng
16 GND Nối đất
Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến rung trong mạch
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.32. Mạch module ADXL346
2.7.5. Khối GPS
Đây là khối có vai trò xác định vị trí và tốc độ của thiết bị thông qua hệ
thống GPS và gửi thông tin về khối điều khiển. Với yêu cầu sai số của chỉ tiêu cụ thể:
- Sai số vị trí: ≤ 10m tại vịtrí thông thoáng không có mây mù, mưa.
- Sai số vận tốc: ≤ 5 km/h với tốc độ 60 km/h tại vị trí thông thoáng không
có mây mù, mưa.
Tác giả lựa chọn chip MT3337[6] của Mediatek với độ chính xác: - Sai số vị trí: ≤ 2 m tại vịtrí thông thoáng không có mây mù, mưa.
- Sai số vận tốc: ≤ 0,1 m/s với tốc độ 60 km/h tại vị trí thông thoáng không
có mây mù, mưa.
Một sốưu điểm khác của chip MT3337
- 22 tracking / 66 acquisition-channel GPS receiver. - Hỗ trợ 210 channel PRN.
- Tương thích với nhiều hệ thống GNSS khác như QGSS, SBAS
- Hỗ trợ A-GPS.
- Có phần mềm hỗ trợ AlwaysLocateTM
- Năng lượng tiêu thụ thấp khoảng 25 mW.
- Độ nhạy: -148 dBm (lạnh)/ -163 dBm (nóng), trong điều kiện môi trường tối ưu có thểđạt đến – 165 dBm. - Kích thước nhỏ gọn với 52 mm2 - Có UART 4800/9600/38400/115200 bps và GPIO. Kiến trúc chip MT3337 Hình 2.33. Sơ đồ khối hệ thống MT3337 Mô hình chức năng phần RF
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.34. Mô hình chức năng phần RF của MT3337 Các bộ phận chức năng khối RF trong MT3337: Các bộ phận chức năng khối RF trong MT3337:
- LNA/Mixer: Nhận tín hiệu RF từăng ten tới khối LNA để khuếch đại và
đưa đến Mixer. Tại Mixer tín hiệu được chuyển đổi từ dạng tần số
1575.42 MHz về tín hiệu 4.092 MHz.
- VCO/Bộ tổng hợp: Bộ tổng hợp trong MT3337 đóng nhiều vai trò như dao động nội, VCO, bộ chia, lọc, tách sóng tích hợp trong MT3337. Khi khởi động VCO tựđộng calib về sub-band.
- IF CSF: Nhận tín hiệu từ sau bộ mixer lọc đi các nhiễu > 0.5 dB.
- PGA: Khuếch đại tín hiệu với khoảng 1.6 dB/step và maximum lên đến 40 dB. Mạch HPF tích hợp trong PGA giúp loại bỏ DC offset.
- ADC: Chuyển đổi tín hiệu về dạng số 4bit. Các bộ phận số của MT3337:
- ARM7JE-S được thiết kế với nền tảng Java, hoạt động với chế độ thời gian thực cùng các ưu điểm như kích thước, tốc độ, năng lượng tiêu thụ
thấp. Ngoài ra ARM7JE-S cũng hỗ trợ JTAG debug và có thể đạt tốc độ
- Ắc quy back-up cho dữ liệu: Hỗ trợ việc lưu trữ các thông tin cần thiết của GPS cho việc khởi động nhanh và lưu trữcác thông tin được cấu hình từngười dùng.
- SMPS: Nguồn switching
- Bộ phận đếm thời gian: Với 24 bit đếm có thể cấu hình thời gian từ 31.25
ms đến 524.287 s với độ phân giải đến 31.25 ms.
- GPIO ở RTC domain: RTC domain có thể tạo các xung đồng hồ 32.768 KHz hỗ trợ cho một sốứng dụng, với những yêu cầu cần xung clock cao
hơn cần nguồn xung ngoài.
- Bộ phận cảnh báo điện áp thấp: Phát hiện và gửi tín hiệu cảnh báo khi
điện áp cung cấp cho MT3337 thấp. - Khối đồng hồ.
- Bộ phận điều khiển Reset: Tạo tín hiệu yêu cầu Reset đến các bộ phận của MT3337.
- Bộ phận UART.
- Bộ phận xác định trạng thái treo để có thể tái khởi động.
- EFUSE là bộ nhớ ghi 1 lần có 128 bit dung lượng phục vụ việc cấu hình của người dùng.
- Bộ phận GPIO: Có thể cấu hình 16 chân GPIO
- PPS là bộ phận tạo tín hiệu xung gửi qua các chân cho các ứng dụng bên ngoài.
Ngoài ra để tăng độ nhạy cho GPS ta sử dụng thêm mạch khuếch đại LNA (Low Noise Amplifier) BGU7007 thường được ứng dụng với GPS, GLONASS và Beidou cho các sản phẩm điện thoại thông minh với các đặc điểm sau:
- Có khảnăng hoạt động trên toàn dải L1 từ1599 MHz đến 1610 MHz. - Noise figure: 0,85 dB.
- Độ khuếch đại: 18,5 dB. - Nguồn nuôi 1,5 – 3,1 V.
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
- Kích thước nhỏ: 1 mm x 1,45 mm x 0,5 mm.
Sơ đồ nguyên lý kết nối của BGU7007
Hình 2.35. Sơ đồ nguyên lý kết nối của BGU7007
Để cấp nguồn cho khối GPS tác giả sử dụng MP20051[9] có nhiệm vụ biến
đổi điện áp từ 3,44V. Một số thông số chính của MP20051: - Dải điện áp đầu vào: 2.5 – 5.5 V.
- Dải điện áp đầu ra: 0,8 – 5,0 V - Dòng cung cấp tối đa: 1A.
- Sai số: 35 μVRMS
Sơ đồ khối chức năng MP20051
Hình 2.37. Sơ đồ khối chức năng MP20051Sơ đồ nguyên lý tổng thể của khối GPS: Sơ đồ nguyên lý tổng thể của khối GPS:
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.38. Sơ đồ nguyên lý kết nối của khối GPS-LNA
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
2.7.6. Khối truyền thông RF
Khối truyền thông có nhiệm vụ gửi và nhận tín hiệu RF từ chip điều khiển lên mạng GSM/GPRS qua ăng ten.
Vềcơ bản khối truyền thông RF gồm 3 thành phần chính
- Ăng ten.
- Chip truyền nhận tín hiệu RF. - Balun.
Lựa chọn chip SKY77582 là chip truyền nhận tín hiệu RF với một số đặc
điểm chính sau:
- Hiệu suất cao. - Dòng truyền thấp.
- Trở kháng 50 Ω cả2 đường input/output.
- Có bộ lọc giữa Tx-VCO-ăng ten và ăng ten-Rx-SAW. - Kích thước nhỏ gọn.
Thông số kỹ thuật chi tiết:
Bảng 2.6. Thông số chip SKY77582
Số Hạng mục Thông số 1 Tần số hoạt động (MHz) 824-849 880-915 1710-1785 1850-1910 2 Mạng hỗ trợ GSM850 GSM900 DCS1800 DCS1900 3 Điện áp cấp (V) 3,0 – 4,5 4 Kích thước (mm) 6 x 6 x 0,9
Hình 2.41. Hình ảnh thực tế SKY77582
Về khối Balun giữ chức năng kết nối một dòng tín hiệu cân bằng với một dòng tín hiệu không cân bằng. Thiết bị Balun cho phép một tín hiệu được truyền qua cáp với một giá trị trở kháng mà khi sử dụng lại là một trở kháng khác (cùng tín hiệu khi truyền và nhận trở kháng khác nhau).
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của khối RF:
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
2.8. Chương trình thực hiện trên vi điều khiển
Vềcơ bản thiết bị hoạt động theo quy trình quét của vi điều khiển, theo đó vi điều khiển sẽquét để lấy thông tin từ các bộ phận chức năng nhằm:
- Đọc thông tin về vị trí và tốc độ từ khối GPS
- Đọc thông tin kiểm tra chuyển động bất thường từ khối cảm biến rung. - Nhận dạng thông tin thuê bao từ SIM
Và tuần tự thực hiện các tác vụ sau:
- Gửi thông tin về server qua mạng GPRS qua khối truyền thông RF. - Gửi thông tin về server qua mạng GMS qua khối truyền thông RF. - Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ.
Chương trình lập trình vi điều khiển cũng được xây dựng để thực hiện một cách tuần tự các nhiệm vụ trên:
Bắt đầu
Gửi lệnh đọc tọa độ và vận tốc đến module GPS
Gửi tín hiệu ra chân MICN, MICP nối MT3337
Nhận thông tin tọa độ từ GPS
Đọc dữ liệu từ 02 chân U0RXD, U0TXD
Kiểm tra các cảm biến cảnh báo
Cảnh báo qua MIC
Gửi tín hiệu ra chân MICN, MICP
Có
Không
Kiểm tra dung lượng bộ nhớ trong
Kiểm tra dung lượng bộ nhớ ngoài
Ghi đè dữ liệu cũ bộ nhớ ngoài
Ghi thông tin vào bộ nhớ ngoài
Qua các chân SDIO_D(0-3), SDIO_CMD, SDIO_CLK0 nối với
T-FLASH
Ghi thông tin vào bộ nhớ trong
Qua các chân ESMCLK, ESMD0, ESMD1 nối với NOR FLASH
Kiểm tra tình trạng bộ nhớ ngoài
Ghi đè dữ liệu của nhớ trong
Qua các chân ESMCLK, ESMD0, ESMD1 nối với NOR
FLASH Còn Hết Không có bộ nhớ ngoài Có bộ nhớ ngoài Còn Hết
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Kiểm tra tình trạng
SIM
Đọc dữ liệu nhận dạng từ
SIM
Qua các chân SIMDA0, SIMCLK0, SIMRST0
Cảnh báo
Gửi tín hiệu ra chân MICN, MICP
Kiểm tra thông tin server gửi
Qua các chân EGSM_RX+ và EGSM_RX- đến BALUN
Đến thời gian gửi
định kỳ Có lệnh gửi từ server
Gửi các thông tin chưa gửi
lên server Qua các chân GSM_RX và DCS_RX đến RF Switch Lặp lại Có SIM Không có SIM Chưa đến Đến Có Không Hình 2.45. Lưuđồchương trình lập trình
Chương 3
ĐÁNH GIÁ THỬ NGHIỆM
3.1. Kết quảđánh giá chung.
Sau quá trình nghiên cứu, đơn vị tác giảđã sản xuất thử nghiệm 20 chiếc với hình ảnh khi thử nghiệm trên phần mềm
Hình 3.1 Hình ảnh giao diện ứng dụng trên website và điện thoại
Đồng thời, tác giả đã tổ chức thực hiện đo kiểm đánh giá sơ bộ chất lượng sản phẩm với các chỉ tiêu:
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu tiến hành đo kiểm
TT Nội dung Yêu cầu kỹ thuật
1 Sai số vị trí
≤ 10m tại vị trí thông thoáng không có mây mù,
mưa
2 Sai số vận tốc
≤ 5 km/h với tốc độ 60 km/h tại vị trí thông thoáng không có mây mù,
mưa
Chương 3. Đánh giá thử nghiệm
nhật firmware qua các kết nối trực tiếp thông qua cáp tín hiệu hoặc qua GPRS hoặc thẻ nhớ
Kết quả kiểm tra cả 20 sản phẩm đều đạt yêu cầu và được đưa ra kinh doanh.
Sản phẩm vẽđúng quãng đường đã đi để phục vụ việc KCS
Hình 3.2. Hình ảnh kết quảđo kiểm ghi nhận được trên website
Sai số vị trí được tính bằng khoảng cách giữa điểm mốc và điểm nhận được trên google map.
Sai số vận tốc được tính bằng hiệu giữa vận tốc nhận được trên web và vận tốc đo được trên đồng hồ.
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp kết quảđo lường TT Tên sản phẩm Chỉ tiêu Sai số vị trí (m) Sai số vận tốc (m/s) Điện áp hoạt động Cập nhật Firmware 1 Mẫu 01 3,2 1.5 Đạt Đạt 2 Mẫu 02 1,1 2.2 Đạt Đạt 3 Mẫu 03 2,4 1.6 Đạt Đạt 4 Mẫu 04 2,9 3.1 Đạt Đạt 5 Mẫu 05 2,6 2.1 Đạt Đạt
6 Mẫu 06 1,2 1.4 Đạt Đạt 7 Mẫu 07 1,2 2.2 Đạt Đạt 8 Mẫu 08 3,0 2.1 Đạt Đạt 9 Mẫu 09 2,5 3 Đạt Đạt 10 Mẫu 10 2,7 1.1 Đạt Đạt 11 Mẫu 11 2,6 0.8 Đạt Đạt 12 Mẫu 12 2,6 1.3 Đạt Đạt 13 Mẫu 13 3,0 1.7 Đạt Đạt 14 Mẫu 14 2,8 2.1 Đạt Đạt 15 Mẫu 15 1,9 1.6 Đạt Đạt 16 Mẫu 16 2,2 1.5 Đạt Đạt 17 Mẫu 17 2,6 2.1 Đạt Đạt 18 Mẫu 18 2,8 2 Đạt Đạt 19 Mẫu 19 2,5 1.6 Đạt Đạt 20 Mẫu 20 2,7 2.4 Đạt Đạt Giá trị trung bình 2,4 1.87
Việc tính toán sai sốđược dựa trên việc xác định khoảng cách giữa các điểm chuẩn và điểm nhận được từ máy đo trên google map. Theo đó lựa chọn các điểm
đặc biểm như các góc vuông tại các đường giao nhau hoặc góc sân bóng và so sánh với vị trí nhận được trên google map để tính toán kết quả.
Hình 3.3 Biểu đồ sai số vị trí
Đánh giá: Sai số vị trí của sản phẩm luôn nằm trong khoảng 24% sai số cho phép của chỉ tiêu (2,4/10). 3.2 1.1 2.4 2.9 2.6 1.2 1.2 3 2.5 2.7 2.6 2.6 3 2.8 1.9 2.2 2.6 2.8 2.5 2.7 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Gi á t rị s ai số v ị t rí Các mẫu thử
Chương 3. Đánh giá thử nghiệm
Hình 3.4 Biểu đồ sai số vận tốc
Đánh giá: Sai số vị trí của sản phẩm luôn nằm nhỏ hơn 60% sai số cho phép của chỉ tiêu (trong hình trên biểu đạt 5 là mức 100%).
Đi chi tiết vào việc xây dựng bài đo hoàn chỉnh, ta cần xác định cụ thể các nội dung sau:
- Lựa chọn phương tiện đo
- Lựa chọn số mẫu - Xác định bài đo
Tuy nhiên, do hạn chế về nội dung trình bày trong luận văn, tác giả sẽ chỉ tập trung vào việc xây dựng tìm hiểu phương thức lựa chọn phương tiện đo, xác định số
mẫu và xây dựng các bài đo chính.
3.2. Phương án lựa chọn phương tiện đo [3][4][5]
Để lựa chọn phương tiện đo có các yếu tố sau cần xác định:
- Đối tượng đo: Phương tiện đo cần phải có khả năng đo được đối tượng cần xác định trạng thái, giá trị. Ví dụ để đo điện áp dòng điện, ta không thể sử dụng thước kẻ hay để đo điện trở đất không thể dùng máy đo quang hay máy đo sức gió được.
- Khoảng đo: Phương tiện đo cần có khoảng đo lớn hơn giá trị dự kiến của
đối tượng đo. Ví dụ thiết bị DMM có khoảng đo điện áp lớn nhất đến khoảng 500V thì không thể sử dụng đểđiện áp cao hoặc trung thế (giá trị lên đến 10 hay 36 kV) 1.5 2.2 1.6 3.1 2.1 1.4 2.2 2.1 3 1.1 0.8 1.3 1.7 2.1 1.6 1.5 2.1 2 1.6 2.4 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Gi á t rị s ai số v ận tốc Các mẫu thử
- Dung sai: Phương tiện đo cần có dung sai phù hợp với yêu cầu xác định giá trị của đối tượng đo. Ví dụ để đo kích thước một cạnh hình hộp với yêu cầu sai số không quá 5 mm, không thể sử dụng phương tiện đo có dung sai ≥ 5 mm.
Trong 03 yếu tố đã nêu trên, so với 02 yếu tố đều khá dễ xác định việc lựa chọn dung sai của phương tiện đo từ dung sai cho phép của bài đo là vấn đề cần
phân tích sâu hơn[5].
Để xác định dung sai phương tiện đo, trước hết ta sử dụng khái niệm TUR (Test Uncertaity Ratio) hay còn gọi là độkhông đảm bảo đo. Với công thức sau