1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.2.5 Khối nguồn
a) Nguồn cho VĐK 3,3V Tính năng:
Ngõ ra có thể điều chỉnh hoặc cố định.
Dòng điện ngõ ra 1A.
Độ sụt thấp, tối đa 1.3V với dòng ngõ ra 1A.
Độ ổn định mạch 0.04%.
Độ ổn định tải 0.2%.
Giới hạn nhiệt độ 100%.
Điện áp đáp ứng nhanh. Ứng dụng:
Độ ổn định tuyến tính hiệu quả cao
Ổn định cho bộ chuyển mạch cung cấp
Điều chỉnh nguồn
Hình 2. 16 IC LM1117 3.3V [13]
b)Nguồn cho module sim 4V
Thông số hoạt động IC 2576
Hình 2. 17 IC LM2576 [13]
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 29
Đảm bảo dòng ngõ ra đỉnh điểm là 7A.
Đảm bảo dòng ngõ ra ổn định là 5A.
Ngõ ra điều chỉnh xuống 1.2V.
Đảm bảo điều tiết nhiệt độ.
Dòng điện giới hạn không đổi theo nhiệt độ.
Nâng cao kiểm tra sản phẩm.
Ngõ ra được bảo vệ ngắn mạch. Ứng dụng:
Nguồn điện điều chỉnh được.
Điều chỉnh hệ số dòng điện.
Sạc pin
c)Nguồn cho giao tiếp RS232, RS485
Giao tiếp RS232 được cung cấp bởi nguồn 3.3V nên dùng chung với nguồn cung cấp cho vi điều khiển STM32.
Giao tiếp RS485 thì cần cung cấp nguồn +5V được lấy từ IC ổn áp
LM1117 -5V. Cũng tương tự như IC LM1117 3.3V nhưng điện áp đầu ra là khác nhau.
Trang 30
Chương 3: Thiết kế phần cứng Mạch nguyên lý-Mạch layout 3.1 Công cụ thiết kế mạch nguyên lý và layout Altium
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của máy tính, CAD (Computer Aided Design) ngày càng hoàn thiện và được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của khoa học kỹ thuật. Đối với chuyên ngành Điện tử, nhiều phần mềm CAD cho phép vẽ mạch, mô phỏng mạch điện và chuyển sang mạch in một cách nhanh chóng và hiệu quả như: OrCAD/PSPICE, EAGLE, Mutisim Workbench, MicroSim, Altium Designer, …
Altium Designer, phiên bản trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay. Được phát triển bởi hãng Altium Limited, Altium Designer (Altium) mang lại cho người dùng một môi trường làm việc hết sức chuyên nghiệp.
Khởi động chương trình từ shortcut trên destop màn hình nền hoặc từ Menu Start >> All programs >>Altium Designer 10>> Altium Designer 10. Khi đó cửa sổ làm việc của Altium Designer có dạng như sau:
Hình 3. 1 Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer
Để tạo sơ đồ nguyên lý trước hết ta cần tạo 1 dự án mới: Từ menu File >> New >> Project >> PCB Project .
Hoặc bằng các phím tắt: F, N, J, B. Việc sử dụng phím tắt sẽ giúp bạn thiết kế nhanh hơn. Các phím tắt của menu tương ứng được gạch chân dưới menu hoặc lệnh tương ứng.
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 31
3.2 Kết nối VĐK
3.2.1 Nguồn cho STM32
Chức năng của khối là nguồn cung cấp điện áp 3.3V cho chip ARM. Khối có thể lấy điện áp ngõ vào từ khối nguồn 5V hoặc có thể lấy nguồn trực tiếp từ cổng USB kết nối với máy tính.
Hình 3. 2 Khối nguồn cho vi điều khiển STM32F103
Dòng LM1117 điều chỉnh được áp dương và bộ điều chỉnh cố định được thiết kế để cung cấp nguồn 1A với hiệu quả cao. Tất cả các mạch nội bộ được thiết kế để tác động giảm xuống 1.3V sai lệch đầu vào so với đầu ra. Bộ tinh chỉnh điện áp tham chiếu đến 1%.
Chân tín hiệu ra của IC LM1117 là chân số 2 và 4 có điện áp ra là 3.3V được lọc bởi tụ 100nF và tụ phân cực 100uF để tạo dòng và điện áp ổn định dùng cho vi điều khiển.
Tín hiệu vào chân 3 của IC LM1117 là nguồn VBAT qua 1 tụ lọc 1uF.Chân số 1 là chân nối đất.
3.1.2 Tín hiệu vào ra STM32
a) Giao tiếp USART
Hình 3. 3 Khối giao tiếp UART
Giao tiếp giữa Vi Điều Khiển STM32 và máy tính thông qua cổng com DB9 và dùng IC MAX3232. Thông số của IC MAX3232:
Trang 32
Tốc độ truyền dữ liệu tối đa 120kbit/s
Có hai trình điều khiển và nhận dữ liệu
Áp ngõ vào tối đa ± 30V
Dòng nguồn thấp – loại 8mA
MAX3232 là một trình điều khiển/thu kép bao gồm một nguồn áp kiểu điện dung để cung cấp TIA/EIA-232-F mức điện áp từ một nguồn cung cấp 3.3V duy nhất. Mỗi bộ nhận chuyển đổi TIA/EIA-232-F ngõ vào thành mức điện áp 3.3V theo TTL/CMOS. Những bộ nhận có một áp giới hạn điển hình là 1.3 V, một độ trễ điển hình là 0.5 V, và có thể chấp nhận ± 30V đầu vào. Mỗi trình điều khiển chuyển đổi mức điện áp TTL/ CMOS đầu vào thành mức điện áp TIA/EIA-232-F.
Chân số 13 và 14 của IC Max nối với cổng com để giao tiếp với PC,còn chân số 11 và 12 kết nối với USART2 của vi điều khiển STM32.
b) Giao tiếp SPI
Giao tiếp SPI được thực hiện thông qua BUS 4 dây MISO, MOSI, SCK, SS nên đôi khi SPI còn được gọi là giao thức giao tiếp 4 dây.
+ MISO: Master Input Slave Output
Chân MISO dùng để truyền dữ liệu ra khỏi Modun SPI khi đặt cấu hình là Slave và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là Master.
+ MOSI: Master Output Slave Input.
Chân MOSI dùng để truyền dữ liệu ra khỏi Mođun SPI khi đặt cấu hình là Master và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là Slave.
+ SCK : Serial Clock
Chân SCK cấp xung đồng bộ để truyền nhận dữ liệu với một Slave nào đó được chọn
+ SS : Slave Select
Chân SS cấp tín hiệu chọn chip ở ngõ ra của Mođun SPI đến một ngoại vi khác nếu đặt cấu hình là Master và chân SS sẽ là ngõ vào nhận tín hiệu chọn chip nếu được cấu hình là Slave
SPI là giao thức đồng bộ: Modun SPI cho phép giao tiếp nối tiếp đồng bộ kép giữa MCU hoặc MPU với thiết bị ngoại vi
+Tín hiệu SCK được cung cấp bởi Master nhằm tạo xung đồng bộ cho phép dữ liệu được truyền đi hoặc khi đọc dữ liệu nhận được
+Khi tín hiệu SCK được phát ra thì tín hiệu này có thể thay đổi nhưng không làm hỏng dữ liệu. Lí do là trong giao thức SPI, tốc độ của dữ liệu truyền đi sẽ thay đổi theo sự thay đổi của SCK. Điều này rất có lợi nếu như MCU hoặc MPU bị cấp xung đồng hồ không chính xác (VD: bộ dao động RC).
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 33
Hình 3. 4 Giao diện cơ bản giao tiếp SPI [14]
Thiết bị tên ‘Processor’ đóng vai trò Master, thiết bị ‘Peripheral’ là Slave. Cả Master và Slave đều có thanh ghi dịch nối tiếp ở bên trong. Thiết bị Master bắt đầu việc trao đổi dữ liệu bằng cách truyền đi một Byte vào thanh ghi dịch của nó, sau đó Byte dữ liệu sẽ được đưa sang Slave theo đường tín hiệu MOSI (SDI), Slave sẽ truyền dữ liệu nằm trong thanh ghi dịch của chính nó ngược trở về Master thông qua đường tín hiệu MISO (SDO). Bằng cách này, dữ liệu của hai thanh ghi sẽ được trao đổi với nhau. Việc đọc và ghi dữ liệu vào Slave diễn ra cùng một lúc nên tốc độ trao đổi dữ liệu diễn ra rất nhanh. Do đó, giao thức SPI là một giao thức rất có hiệu quả.
Khối flash memory dùng giao tiếp SPI1:
Hình 3. 5 Khối giao tiếp Flash memory
IC AT45DB041 có chức năng lưu trữ dữ liệu lên đến 4Mbytes.Giao tiếp giữa IC SRAM với vi điều khiển STM32 tuân theo chuẩn giao tiếp SPI.
3.3 Kết nối giao tiếp RS485
a)Khối nguồn nuôi
Giao tiếp RS485 sử dụng nguồn +5V được tạo ra bởi IC LM1117 với điện áp đầu vào là VIN lấy từ nguồn cung cấp DC-12V.
Trang 34
Hình 3. 6 Khối nguồn nuôi IC Max485
b)Giao tiếp vi điều khiển với Max485
IC Max 485 giao tiếp với vi điều khiển STM32 qua USART3 Rx và Tx . Chân EN_TX kết nối với 1 chân vào ra của STM32F103 để điều khiển quá trình truyền nhận dữ liệu cho IC Max485.
Hình 3. 7 Khối giao tiếp vi điều khiển với IC Max485 3.4 Kết nối module sim
a)Khối nguồn nuôi
Module Sim900 được cung cấp bởi nguồn tạo ra từ IC LM2576 –ADJ là nguồn điều chỉnh điện áp. Từ nguồn vào DC-12V qua Diode bảo vệ và tụ lọc phân cực 100uF vào chân 1 của IC nguồn. Điện áp đẩu ra được điều chỉnh bởi điện trở phân áp 4k7 và 2k để tạo ra điện áp mong muốn.
Hình 3. 8 Khối nguồn nuôi Module Sim900
Nguồn cung cấp điện áp của SIM900 là từ một nguồn điện áp duy nhất VBAT = 3.4V ... 4.5V. Trong một số trường hợp, các đợt sóng bùng nổ trong lúc truyền dữ liệu có thể gây giảm áp khi dòng tiêu thụ tăng lên đến đỉnh điểm điển
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 35
hình của 2A có khi 3A. Vì vậy, nguồn cung cấp điện phải có khả năng cung cấp đủ dòng lên đến 2A.
Đối với các đầu vào VBAT, khuyến cáo nên cho qua một tụ điện. Đề nghị tụ điện đó khoảng 100μF. Một sự lựa chọn chi phí thấp hơn đó là một tụ điện tantalum 100μF nối song song với một tụ gốm nhỏ (0.1μF đến 1μF). Và các tụ điện nên đặt càng gần chân VBAT càng tốt.
Hình 3. 9 Nối chân VBAT cho module Sim900 [15]
Hình dưới đây là điện áp VBAT gợn sóng ở giai đoạn công suất truyền tải tối đa, các điều kiện kiểm tra là VBAT = 4.0V, VBAT tối đa sản lượng hiện tại = 2A, CA = 100μF tantali tụ (ESR = 0.7Ω) và CB = 1μF.
Hình 3. 10 Điện áp VBAT trong quá trình truyền [15]
b)Giao tiếp với Vi Điều Khiển
Bảng 3. 1 Chức năng chân của module SIM300CZ
STT Chân Tên Chân I/O STT Chân Tên Chân I/O
1 VBAT PWR 2 GND
3 VBAT PWR 4 GND
5 VBAT PWR 6 GND
7 CHG_IN I 8 ADC I
9 TEMP_BAT I 10 VRCT I
11 POWKEY Vin 12 NETLIGHT O
13 POWKEY_OUT O 14 STATUS O 15 NRESET O 16 KBC0 I 17 SCL I 18 KBC1 I 19 SDA O 20 KBC2 I 21 GPIO11 I/O 22 KBC3 I 23 GPIO12 O 24 KBC4 I 25 SIM_VDD O 26 KBR0 O
Trang 36 27 SIM_RST O 28 KBR1 O 29 SIM_DATA I/O 30 KBR2 O 31 SIM_CLK O 32 KBR3 O 33 SIM_PRESENSE I 34 KBR4 O 35 DCD O 36 DSP_CS I 37 DSR O 38 DSP_D/C O 39 RXD I 40 DSP_DATA O 41 TXD O 42 DSP_CLK I/O 43 RTS I 44 PWM1 O 45 CTS O 46 PWM2 O 47 RI O 48 DGB_RXD I 49 DTR I 50 DGB_TXD O 51 LINEIN_R I 52 LINEIN_L I 53 SPK_P O 54 MICP I 55 SPK_N O 56 MICN I 57 SPK2_P O 58 MIC2_P I 59 SPK2_N O 60 VDD_EXT I
Bảng 3. 2 Mô tả chân kết nối DIP
Tên chân I/O Mô tả Đặc điểm DC
Power Supply
VBAT 5 chân VBAT của kết nối DIP được dành riêng để kết nối nguồn áp. Nguồn áp cung cấp cho SIM300CZ phải là một nguồn đơn VBAT = 3.4V ... 4.5V. Nó phải có khả năng cung cấp đầy đủ dòng trong một truyền dữ liệu mà thường tăng lên đến 2A. Có thể trong 0.1ms lên đến 3A trong một số lần, hiện 5 chân là điện áp đầu vào.
Vmin = 3.4V Vmax=4.5V Vnorm= 4.0V
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 37
pin không được cung cấp cho hệ thống.
Dòng điện ngõ ra cho pin dự phòng khi pin chính là hiện hành và pin dự phòng ở trạng thái điện áp thấp.
Vmin=1.2V Vnorm=1.8V Inorm= 20uA
VDD_EXT O Cung cấp điện áp 2.93V cho mạch bên ngoài. Bằng cách đo pin này, người dùng có thể đánh giá liệu hệ thống điện ON hoặc OFF. Khi điện áp thấp, hệ thống tắt nguồn. Nếu không, hệ thống mở nguồn.
Vmax=3.0V Vmin=2.75V Vnorm=2.93V Imax=60mA
VCHG I Điện áp ngõ vào cho các mạch sạc; làm cho hệ thống phát hiện các bộ sạc.
Vmax=5.25V
Vmin=1.1 * VBAT Vnorm=5.1V
VCHG I Điện áp ngõ vào cho các mạch sạc; làm cho hệ thống phát hiện các bộ sạc. Vmax=5.25V Vmin=1.1 * VBAT Vnorm=5.1V GND Nối đất
Power on or power off
PWRKEY I Điện áp ngõ vào cho các phím mở nguồn. PWRKEY ở mức điện áp thấp cho người sử dụng mở hoặc tắt nguồn hệ thống. Người sử dụng nên giữ cách nhấn phím cho một thời điểm khi điện mở hoặc tắt nguồn hệ thống. Bởi vì hệ thống cần thời gian để xử lý phần mềm.
VILmax=0.2*VBAT VIHmin=0.6*VBAT VImax=VBAT
Giao tiếp Audio
Trang 38
MIC1N tần âm thoại
MIC2P MIC2N
I Ngõ vào phụ trợ dương và âm
của băng tần âm
SPK1P SPK1N
O Ngõ ra dương và âm của băng tần âm thoại
SPK1P SPK1N
O Ngõ ra phụ trợ dương và âm của băng tần âm thoại
BUZZER O Ngõ ra của Buzzer
AGND Nối đất
Các ngõ ra và ngõ vào nói chung
KBC0~KBC4 O Bàn phím ma trận VILmin=0V VILmax=0.3 *VDD_EXT VIHmin=0.7*VDD_EXT VIHmax= VDD_EXT+0.3 VOLmin=GND VOLmax=0.2V VOHmin= VDD_EXT-0.2 VOHmax= VDD_EXT KBR0~KBR4 I DISP_DATA I/O Giao tiếp màn hình DISP_CLK O DISP_CS O DISP_D/C O DISP_RST O NETLIGHT O Đèn báo mạng
STATUS O Báo trạng thái làm việc
GPIO0 I/O
Port ngõ ra ngõ vào chuẩn
GPIO1 I/O
Giao tiếp nối tiếp
DTR I Dữ liệu đầu cuối sẵn sàng VILmin=0V
VILmax=0.3*VDD_EXT VIHmin=0.7*VDD_EXT VIHmax= VDD_EXT+0.3 VOLmin=GND VOLmax=0.2V VOHmin= VDD_EXT-0.2 VOHmax= VDD_EXT RXD I Dữ liệu nhận TXD O Dữ liệu phát
RTS I Yêu cầu gửi
CTS O Xóa để gửi
RI O Báo gửi nhận
DCD O Phát hiện dữ liệu truyền
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 39
SIM_VDD O Điện áp cấp cho SIM Các điện áp có thể được chọn bằng phần mềm hoặc 1.8V hoặc 3V
SIM_DATA I/O Ngõ ra dữ liệu SIM VILmin=0V
VILmax=0.3*SIM_VDD VIHmin=0.7*SIM_VDD VIHmax= SIM_VDD+0.3 VOLmin=GND VOLmax=0.2V VOHmin=SIM_VDD-0.2 VOHmax= SIM_VDD
SIM_CLK O Xung clock SIM
SIM_PRESENCE I Nhận dạng SIM
SIM_RST O Reset SIM
Tính năng cổng giao tiếp nối tiếp:
Bảy đường trên giao diện Serial Port.
Bao gồm: đường dữ liệu TXD và RXD, đường trạng thái RTS và CTS, đường kiểm soát DTR, DCD và RI.
Serial Port có thể được sử dụng cho CSD FAX, dịch vụ GPRS và gửi lệnh AT điều khiển module. Ngoài ra Serial Port có thể được sử dụng cho các chức năng ghép kênh.
Serial Port hỗ trợ tốc độ truyền thông như sau: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 Default là 115200bps.
Autobauding hỗ trợ tỷ lệ truyền thông như sau:1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 và 115200bps.
Autobauding GSM cho phép động cơ tự động phát hiện tốc độ truyền cấu hình trong ứng dụng máy chủ. Giao diện nối tiếp của cơ cấu GSM Autobauding hỗ trợ cho các mức độ truyền sau: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200bps. Điều này cho phép ta linh động để đưa cơ cấu GSM vào hoạt động mà không có vấn đề gì về tốc độ baud của ứng dụng máy chủ.
Các TXD, RXD và GND phải được kết nối với cổng IO khi người dùng cần phải nâng cấp phần mềm. Các chân TXD, RXD nên được sử dụng để nâng cấp phần mềm. Chân PWRKEY được khuyến cáo kết nối với đầu nối I/O. Người sử dụng cũng có thể thêm một công tắt giữa PWRKEY và GND. PWRKEY nên được kết nối với GND khi SIM900 là nâng cấp phần mềm.
Trang 40
Hình 3. 11 Giao tiếp nâng cấp phần mềm và giao tiếp [15]
Hình 3. 12 Khối giao tiếp Module Sim900 với vi điều khiển 3.5 Kết nối giao tiếp thẻ nhớ
Trong SPI mode, hướng của dữ liệu trên đường tín hiệu được cố định, dữ liệu truyền đồng bộ nối tiếp theo từng byte .
Đồ Án Tốt Nghiệp
Trang 41
Hình 3. 13 Giao tiếp giữa SD Card và SPI [4]
Trong đó:
SCLK : SPI2_SCK
DI : SPI2_MOSI
DO : SPI2_MISO
NCR: thời gian đáp ứng của lệnh (tùy vào từng loại Card mà có thời gian khác nhau)
Khi một khung lệnh được truyền đến Card, một đáp ứng tương ứng cho lệnh đó ( R1, R2,R3 ) có thể được đọc từ Card. Vì việc chuyển dữ liệu được lái bằng xung clock của SPI do đó sau khi truyền xong khung lệnh SPI cần tiếp tục cấp xung clock cho Card thì mới có thể nhận được đáp ứng từ Card (bằng cách gửi liên tục giá trị 0xFF và đọc giá trị trả về cho tới khi nhận được đáp ứng đúng).