4.3 Thiết kế xây dựng mơ hình thiết bị
4.3.3.1 Mạch Raspberry Pi4 Model B (8GB)
Hình 4.26: Cấu tạo mạch Raspberry Pi 4 Model B (8GB):
1- RAM bộ nhớ tạm (8GB); 2- Bộ xử lý BCM2711; 3- 40 Chân đầu vào/ đầu ra GPIO; 4- Bộ thu, nhận sóng 2 kênh 2.4/5 Wi-Fi, Bluetooth 5.0 & BLE; 5- Khe cắm
thẻ nhớ Micro SD; 6- Cổng MIPI DSI (Màn hình); 7- Led báo hoạt động (màu xanh); 8- Led báo nguồn (màu đỏ); 9- USB Type C cấp nguồn; 10- 2 Cổng microHDMI; 11- Cổng MIPI CSI (Camera); 12- Audio, Video Composite 3.5mm
Jack; 13- 2 cổng USB 2.0; 14- 2 cổng USB 3.0; 15- Cổng mạng Ethernet LAN. (Nguồn internet)
Raspberry Pi ở hình 4.26 là một máy tính rất nhỏ gọn, kích thước hai cạnh như bằng khoảng một cái thẻ ATM và chạy hệ điều hành Linux. Raspberry Pi được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation - một tổ chức phi lợi nhuận.
Với Raspberry Pi, bạn chỉ cần cài hệ điều hành, gắn chuột, bàn phím và màn hình là có thể sử dụng như một máy vi tính. Raspberry Pi khơng hồn tồn có thể
2 1 3 15 5 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16
66
thay thế được máy tính để bàn hoặc laptop nhưng nó là một thiết bị đa năng có thể được sử dụng cho những hệ thống điện tử, thiết lập hệ thống tính tốn, những dự án DIY… với chi phí hợp lí.
RAM (Bộ nhớ tạm)
RAM được viết tắt từ Random Access Memory, một trong những yếu tố hết sức quan trọng bên cạnh vi xử lý. RAM là bộ nhớ tạm của máy giúp lưu trữ thông tin hiện hành để CPU có thể truy xuất và xử lý. bộ nhớ RAM là thiết bị trung gian giữa các tệp tin hệ thống bao gồm ROM và vi xử lý với nhiệm vụ là cung cấp các thông tin, tác vụ và các dịng lệnh càng nhanh càng tốt. Những thơng tin mà vi xử lý cần sẽ được lưu trữ trên RAM để chờ được truy nhập, có thể là tệp tin của hệ điều hành, dữ liệu của ứng dụng, đồ họa, các tác vụ thường hay bất cứ thứ gì cần được truy xuất ngay lập tức.
Bộ nhớ của RAM thấp hơn bộ nhớ của ổ cứng khá nhiều, tuy nhiên RAM lại là nơi để CPU lấy dữ liệu để xử lý nên tốc độ ghi và đọc trong RAM rất nhanh. RAM đóng vai trị quyết định đối với khả năng thực thi đa nhiệm. Dung lượng RAM càng lớn, chu kỳ bộ nhớ càng nhanh… thì thiết bị có thể chạy cùng lúc nhiều ứng dụng càng thoải mái. Nếu dung lượng RAM không đủ, máy sẽ gặp phải hiện tượng giật lag hoặc treo do số lượng các tác vụ lớn gây tràn bộ nhớ.
Bộ vi xử lý CPU (BCM2711)
Bộ vi xử lý (viết tắt của Central Processing Unit là CPU, hay cịn có tên khác là CHIP) là bộ vi xử lý trung tâm của mạch. CPU đóng vai trị như bộ não của máy có chức năng chính là xử lý thơng tin, dữ liệu, thao tác điều kiện đầu vào của mạch. Từ khái niệm ta có thể thấy, CPU được coi là não bộ của cả bộ mạch, có chức năng xử lý mọi thông tin và dữ liệu nhập và. Giúp Mạch có thể vận hành và xử lý chơn chu mọi tác vụ yêu cầu.
Chip Broadcom BCM2711 chứa bộ xử lý ARM Cortex-A53 lõi tứ 64-bit tốc độ 1,5 GHz.
67
Chân GPIO (40 chân)
Hình 4.27: Chức năng các chân GPIO mạch Raspberry Pi 4 (Nguồn internet)
Bo mạch raspberry pi 4 model B bao gồm hai chân 5V, hai chân 3V3 và 7 chân nối đất (0V) như hình 4.27:
5V: Chân 5v xuất ra 5v từ cổng USB Type-C.
3.3V: Chân 3v dùng để cấp nguồn 3.3v ổn định cho các linh kiện bên ngoài. GND: Chân nối đất thường được gọi là GND.
68
Raspberry Pi 4 GPIO Pinout có 40 chân: 26 chân GPIO, hai chân 5V, hai chân 3V3 và 7 chân nối đất (0V) mơ tả ở mạch điện hình 4.28.
Các chân GPIO của RPI 4 có khả năng tạo ra đầu ra PWM và bo mạch hỗ trợ các giao thức truyền thông nối tiếp SPIs, I2C và UART.
GPIO được viết tắt từ General Purpose Input Output nghĩa là “chân đầu ra, đầu vào có mục đích chung” Các chân này được sử dụng để kết nối bo mạch Raspberry pi với các thiết bị ngoại vi đầu vào/đầu ra bên ngồi. Các chân GPIO khơng có bất kỳ chức năng cụ thể nào nên các chân này có thể được tùy chỉnh bằng phần mềm.
Bộ thu, nhận sóng 2 kênh 2.4/5 Wi-Fi, Bluetooth 5.0 & BLE
Mạng Wifi băng tần kép có khả năng hạn chế tối thiểu hiện tượng nhiễu, đồng thời cho phép cải thiện hiệu năng của mạng WiFi và giảm hiện tượng nghẽn mạng do nhiều thiết bị truy cập cùng 1 lúc.
Kết nối của Bluetooth 5.0 mạnh hơn đến 2 lần, năng suất làm việc cũng tăng 800% so với thế hệ 4.0. Tầm phủ sóng được tăng lên gấp 4 lần so với thế hệ Bluetooth 4.0. Khi kết nối có thể truyền dữ liệu ở khoảng cách 75 m trong mơi trường khơng có vật cản. Có thể kết nối 2 tai nghe hoặc 2 loa ngoài vào thiết bị và truyền âm thanh trực tiếp đến chúng cùng lúc thông qua kết nối Bluetooth 5.0
Khe cắm thẻ nhớ Micro SD
Khe cắm thẻ nhớ micro-SD được sử dụng để khởi động hệ điều hành và mục đích lưu trữ.
69
Cổng MIPI DSI (Màn hình)
Cổng nối tiếp màn hình MIPI DSI xác định giao diện nối tiếp tốc độ cao giữa bộ xử lý chủ và mô-đun hiển thị. Giao diện này cho phép các nhà sản xuất tích hợp màn hình để đạt được hiệu suất cao, công suất thấp và nhiễu điện từ thấp (EMI) đồng thời giảm số lượng pin và duy trì khả năng tương thích giữa các nhà cung cấp khác nhau. Các nhà thiết kế có thể sử dụng MIPI DSI để tạo điều kiện hiển thị màu sắc rực rỡ cho hình ảnh và cảnh video địi hỏi khắt khe nhất và hỗ trợ truyền tải nội dung lập thể.
Được thể hiện qua các tính năng cơ bản: Hiệu suất cao, năng lượng thấp, EMI thấp.
Led báo hoạt động
Khi mạch hoạt động, sẽ được thông báo cho người sử dụng bằng led báo hoạt động với màu xanh.
Led báo nguồn
Khi mạch được cấp nguồn, đèn led màu đỏ được hiển thị với mục đí báo đã được cấp nguồn cho mạch.
USB Type C cấp nguồn
Có cơng dụng cung cấp nguồn điện cho mạch với điện áp 5.1V và dòng điện 3A. USB Type C là một kiểu cổng kết nối USB.
Ưu điểm có cơng suất truyền tải điện lớn.
Cổng microHDMI
HDMI là viết tắt của High-Definition Multimedia Interface nghĩa là giao diện đa phương tiện độ phân giải cao bằng sợi cáp truyền tải âm thanh và hình ảnh lên những thiết bị khác...
70
Đầu cáp HDMI được cấu tạo bao gồm 19 chân, mỗi chân đảm nhiệm một nhiệm vụ khác nhau và trong quá trình truyền dữ liệu thì sẽ phải tuân thủ theo nguyên tắc nhất định.
HDMI cho phép truyền tải hình ảnh ở độ phân giải full HD 60 khung hình/giây và đó cũng là chuẩn sắc nét trong thời điểm hiện tại. Đồng thời, với 8 kênh âm thanh chất lượng phòng thu giúp bạn sẽ có thể tận hưởng những âm thanh chất lượng cao.
Cổng MIPI CSI (Camera)
Giao diện nối tiếp máy ảnh trong ngành công nghiệp di động (MIPI) Giao diện nối tiếp máy ảnh (CSI-2), tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối máy ảnh nhỏ với bộ xử lý Broadcom BCM2835 chính.
Hình 4.29: Sơ đồ mạch điện cổng MIPI CSI (Nguồn internet)
Hình 4.29 là mạch điện mơ tả cổng CSI được nối với mạch chính thơng qua chân GND, nguồn 3,3V, CAM_GPIO và các chân cịn lại là chân tín hiệu.
Đây là cổng camera cung cấp kết nối điện giữa hai thiết bị. Nó là một giao diện rất đơn giản và với một chút kỹ thuật đảo ngược với một máy hiện sóng, có thể tìm ra sơ đồ chân. Mục đích của giao diện này là chuẩn hóa việc gắn các mô-đun máy
71
ảnh vào bộ xử lý cho ngành điện thoại di động. Phiên bản CSI-2 của giao diện cực kỳ phổ biến và được sử dụng trên hầu hết các thiết bị và điện thoại di động hiện nay. Với việc tăng độ phân giải của camera, băng thông truyền dữ liệu từ camera đến bộ xử lý cũng tăng lên.
MIPI CSI-2 hỗ trợ tối đa bốn làn dữ liệu, trong đó mỗi làn có băng thơng tối đa 1 Gbps, để cung cấp tổng băng thơng là 4 Gbps. Ngồi ra, giao diện sử dụng số lượng kết nối điện ít nhất để giảm độ phức tạp của PCB. Giao tiếp dữ liệu là một chiều, từ máy ảnh đến bộ xử lý.
Audio, Video Composite 3.5mm Jack
Audio, Video Composite 3.5mm Jack là một ổ cắm 4 cực mang cả tín hiệu âm thanh và hình ảnh. Nó tương tự như các ổ cắm được tìm thấy trên các thiết bị đa phương tiện khác.
Hình 4.30: Chức năng các vòng của Audio Jack 3.5mm (Nguồn internet)
Đỉnh đầu của Jack là tín hiệu âm thanh trái, vịng thứ nhất là tín hiệu âm thanh phải, vịng thứ 2 là tín hiệu nối đất, cuối cùng là tín hiệu hình ảnh như hình 4.30.
72
Hình 4.31: Sơ đồ mạch điện Audio Composite 3.5mm Jack
Hình 4.31 khi Audio 3.5mm Jack của loa được kết với mạch xử lý điều khiển Raspberry Pi 4 qua cổng Audio 3.3mm:
Đỉnh của Jack 3.5mm Audio: Kết nối với nguồn 3V3 cổng Audio 3.5mm. Vòng thứ 2 Kết nối với chân 3 của cổng.
Vòng thứ 3 được nối đất qua chân số 2 của cổng mạch. Vòng thứ 4 là tín hiệu của video.
Điểm tiếp xúc cuối cùng là tiếp xúc với chân COM 3.3V của mạch.
Cổng USB 2.0 Và Cổng USB 3.0
Hai cổng USB 3.0 và hai cổng USB 2.0 được dùng để kết nối mạch với bàn phím, chuột ngồi hoặc các thiết bị ngoại vi khác.
Cổng mạng Ethernet LAN
Ethernet là một loạt các công nghệ mạng và hệ thống được sử dụng trong các mạng cục bộ (LAN), nơi các máy tính được kết nối trong một khơng gian vật lý chính. Cổng Ethernet LAN đi kèm với Gigabit Ethernet thực sự có khả năng gửi các khung Ethernet với tốc độ một gigabit mỗi giây (1 tỷ bit mỗi giây).
Audio left
Audio right
73