Tên chân Vào/Ra Miêu tả
MTCK Input Kiểm tra clock và tín hiệu clock cho bộ điều khiển TAP và ghi dữ liệu
MTMS Input Kiểm tra chếđộđược lựa chọn
MTDI Input Kiểm tra chức năng nhận dữ liệu đầu vào và dữ liệu được ghi.
MTDO Output Kiểm tra chức năng gửi dữ liệu MTRST_N Input Kiểm tra các chức năng còn lại
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.13. Sơ đồ kết nối cổng JTAG
2.6.4. Sơ đồ kết nối của chip điều khiển
Sơ đồ kết nối của chip đến các bộ phận khác trong mạch điện được thiết kế
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
2.7. Các mạch và bộ phận chức năng
Với sơ đồ khối đã xây dựng, ngoài khối vi điều khiển đã thiết kế, các phần mạch chức năng bao gồm:
1. Khối giao tiếp SIM card. 2. Khối thẻ nhớ T-Flash. 3. Khối nguồn cấp. 4. Cảm biến rung. 5. Khối GPS.
6. Khối truyền thông RF.
2.7.1. Khối giao tiếp SIM card
SIM (Subscriber Identity Module) là module nhận dạng người dùng và cho phép họ truy cập vào mạng lưới điện thoại.
Thẻ SIM có một mã IMSI (International Mobile Subscriber Identity) dùng để
nhận dạng người dùng di động quốc tế và một khóa xác nhận. Khi lắp thẻ SIM vào
điện thoại, những thông tin này sẽđược gửi đi và nếu nó phù hợp với những gì nhà mạng chứa trong kho dữ liệu của họ thì người dùng sẽ bắt đầu được truy cập vào mạng di động.
Thẻ SIM thực tế chỉ cần thiết nếu chúng ta sử dụng mạng GSM. Với mạng CDMA nên thẻSIM đã không còn là thứ bắt buộc phải có do việc xác nhận người dùng vẫn có thể thực hiện được bằng những cách khác.
Tuy nhiên, thẻ SIM hỗ trợ việc chuyển đổi tiện lợi hơn, cả giữa các nhà mạng lẫn giữa các thiết bị với nhau. Nếu có một thẻ SIM đúng cỡ thì ta có thể sử
dụng nó trên bất kì thiết bị hỗ trợ nào, trong khi nếu không có thẻ SIM thì chỉ có thể
sử dụng 01 thiết bị duy nhất cho một đầu sốdi động.
Do thiết bị định vị giao tiếp với hệ thống server, máy chủ qua mạng
GSM/GPRS do đó bắt buộc phải được thiết kế sử dụng SIM.
Giao diện SIM được thiết kế dựa trên tiêu chuẩn ISO7816 với các chân Bảng 2.4. Bảng cổng kết nối SIM Card
C1: Vcc = 5V C5: Gnd
C2: Reset C6: Vpp
C3: Clock C7: I/O
C4: RFU C8: RFU (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lựa chọn khay SIM U1100-A với các ưu điểm về giá thành và ít biến dạng trong nhiệt dộ cao
Hình 2.17. Khay SIM
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý kết nối khay SIM
2.7.2. Khối giao tiếp với thẻ nhớ T-Flash
Thẻ nhớ microSD là một định dạng thẻ nhớ dùng bộ nhớ flash có thể tháo ra
được. Nó xuất phát từ SanDisk TransFlash nên còn gọi là T-Flash, được sử dụng phần lớn trong các điện thoại di động, nhưng cũng có thể dùng trong các thiết bị
GPS, máy nghe nhạc bỏtúi, máy chơi game và các thiết bị USB Flash.
Nhờ kích thước nhỏ gọn (32 x 24 x 2.1 mm) và khả năng chống sốc tốt do trọng lượng rất nhẹ, chúng rất thích hợp đểlưu dữ liệu. Có 2 nhóm chính được phân
loại dựa trên tốc độ hoạt động. Hiện tại có 3 tiêu chuẩn thẻ SD phổ biến là
microSD, SDHC và SDXC tương thích với hầu hết thiết bị.
Vềcơ bản do có yêu cầu chỉ tiêu về thời gian lưu trữ dữ liệu định vị khi mất liên lạc với máy chủ, do đó thiết kế thêm khối giao tiếp thể nhớ T-Flash để có thể nâng dung lượng lưu trữ của sản phẩm khi cần
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
2.7.3. Khối nguồn cấp
Các bộ phận chức năng phụ trợ được cấp nguồn lấy từ chip điều khiển SC6531DA theo sơ đồ kết nối tại hình 3.10.
Nguồn điện cấp cho chip điều khiển SC6531DA được lấy nguồn nuôi từ ắc
quy xe máy (điện áp danh định 12V). Ngoài ra thiết bị cũng cần có pin dựphòng để phòng trường hợp mất nguồn.
Để tạo ra điện áp danh định 3,6V ta sử dụng 02 module MP2560 và MP2617 của MPS (Monolithic Power System).
Trong đó MP2560[7] có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ 12V về điện áp 5V. Một số thông số chính của MP2560 bao gồm:
- Dải điện áp đầu vào: 4,5 – 42 V.
- Dải điện áp đầu ra có thểđiều chỉnh được trong khoảng: 0,8 – 39 V. - Điện trở nội: 220 mΩ.
- Hiệu suất: 93%.
- Tần sốđóng cắt tối đa: 4 MHz.
Hình 2.22. Hình ảnh và và sơ đồ chân của module MP2560
Căn cứ theo thiết kế mẫu tác giả thiết kếsơ đồ nguyên lý sau:
Hình 2.23. Sơ đồ nguyên lý kết nối MP2560 trong mạch điện
Với MP2617 [8] có nhiệm vụ biến đổi điện áp từ 5V vềđiện áp chuẩn cấp cho SC6531DA. Một số thông số chính của MP2617:
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
- Dải điện áp đầu vào: 4 – 14 V. - Dải điện áp đầu ra: 4,3 – 4,6 V. - Điện trở nội: 50 mΩ.
- Hiệu suất: 95%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tần sốđóng cắt tối đa: 1,6 MHz.
Hình 2.24. Biểu đồ quan hệ giữa hiệu suất và dòng tải của MP2617
Căn cứ theo thiết kế mẫu tác giả thiết kếsơ đồ nguyên lý sau:
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý kết nối MP2617 trong mạch điện
Với ắc quy dự phòng, lựa chọn loại lithium polyme có số tuổi thọ theo số lần phóng xả cao, dung lượng 420mAh
Chương 3. Thiết kế bộđịnh vị
Hình 2.27. Pin dự phòng 420 mAh
Sơ đồ nguyên lý kết nối khối 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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