Tài liệu Thiết kế board giao tiếp

MÔN HỌC Thiết kế board giao tiếp (Interface Board Design) By Trần Văn Hùng Mechatronics Dept http://www.ntu.edu.vn/ Email: [email protected] Tài liệu tham khảo 1. 2. 3. 4. 5. 6. Microprofessors and microcpmputers hardware and softwware, Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, Prentice Hall, 2003 Interfacing Sensors To The Pc, Willis J.Tompkin, Jonh G.webster, Prentice Hall, 1998 Microprocessor Interfacing techniques, R. Zaks & A. Lease, Sybex Micro Processor and Interfacing, D. Hall, McGraw Hill; Parallel port complete, J.Axelson, LakeViewReseach Mastering Serial Communication, P.W.Gofton, Sybex Nội dung chương trình       Ch01: Giao thức ghép nối Ch02: Giao diện bus Ch03: Giao diện số Ch04: Giao diện tương tự Ch05: Vi điều khiển Ch06: Bàn phím Các bài toán 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Chế tạo mạch vị trí điểm phục vụ (thêm ít nhất 2IC) Chế tạo mạch đo lượng mưa Chế tạo mạch điều khiển nhiệt độ không khí Chế tạo mạch điều khiển nhiệt độ dung dịch Chế tạo mạch đồng hồ điện tử Chế tạo bảng quang báo (LED matrix) Chế tạo mạch khoá điện tử Chế tạo mạch điều khiển thiết bị bằng remote Kết nối bàn phím máy tính với VĐK, hiển thị ký tự lên LCD Chế tạo mạch điều khiển Robot chạy theo qũy đạo (sd motor bước) Chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ DC Chế tạo mạch điều khiển góc quay của môtơ, ổn tốc cho motor. Chế tạo mạch điều khiển máy trộn dung dịch tự động (cân điện tử) Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ AC Biến đổi từ 220VAC thành hai dải -24=>0, 0=>+24 dòng ≥2A Bộ nạp ắc quy (3 đầu ra, kiểm soát U, I) Chương 1: Giao thức ghép nối  Tín hiệu  Format  Tốc độ In/Out  Lỗi và kiểm soát lỗi  Bộ lệnh và trả lời  Kịch bản Mỗi trạm gồm: độ ẩm, t, v St-01 St-02 St-03 1.1 Tín hiệu Khi thiết kế, xây dựng ghép nối máy tính, cần chú ý đặc biệt tới các tín hiệu theo yêu cầu:  Analog/Digital  Digital: Trạng thái của sự vật, hiện tượng,… format, mức logic,…  Analog: Áp/dòng, dải đo, độ phân ly, thời gian tác động, độ chính xác, độ lặp lại,… giá trị đo  Hơn một thiết bị? => bus/mạng hay không? => dùng bit (trường) địa chỉ - tùy từng người 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Nếu dùng bus => Standard bus hay không (ISA, I2C, USB, … hay các bus trên chuẩn RS485)?  IDE và LPT – Mode 0 cables là bus? Tại sao?  Khoảng cách: Xa/gần => Serial, Parallel, có liên quan đến tốc độ  Xa: Daisy chain cho tín hiệu hoặc nguồn cấp…  Các tín hiệu điều khiển trạng thái  Control signals  Status signals  Handshaking sighals 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Daisy chain  Nối các thiết bị có khoảng cách từ vài đến vài chục m, output của port (modul) thứ i nối với input của i+1. Đặc biệt ở các Field Buses, có thể lên tới km  Dùng cho cả tín hiệu \\ và nối tiếp, nguồn cấp, handshaking,… …… CPU IO_0 IO_1 …… IO_n 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Tính chất vật lý của tín hiệu: là hàm của thời gian, mức U/I  Direction: In/Out, chú ý về chiều của dòng điện  Voltage/Current/Optical/Wave  Chú ý Input Voltage  Mức điện áp: Mức áp? (TTL, CMOS, …)  Single End (đơn cực) Differrential signal:  Single End signed:  Tín hiệu so với một điện thế chuẩn, thường là GND (0 Volt)  Ví dụ: Các tín hiệu trên bus (data, add, control)  Có n tín hiệu => có ít nhất n+1 dây dẫn  Nhạy cảm với nhiễu, tốc độ thấp hơn so với cùng chuẩn 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Differential Signal: Tín hiệu vi sai  n tín hiệu => 2*n dây dẫn ở phía thu    Thu: Nếu có hai dây có cùng kích thước, độ dài, trở kháng,… và gần nhau, thì mọi trên h được loại trừ => chịu được nhiễu rất tốt vì phía thu     (Va – Vb)>100mV=> logic 1, tùy thuộc vào chuẩn được áp dụng (Va – Vb)<100mV=> logic 0 Uin = k(Va – Vb) => những thành phần giống nhau được loại bỏ Khoảng cách lớn, tốc độ cao. IC: SN75176 của TI là ví dụ Địa chỉ ứng dụng: USB cable, Profibus,… Đơn cực A B Đơn cực + Vc = k(Va – Vb) C 1.1 Tín hiệu (tiếp)  Khả năng phối hợp tải – dòng điện ra:   Số tải Chiều dòng điện Sink hay Source  Nối chung/ghép nối bus đơn giản: 3 state, Mux, Switch.  Hot swap – hot plugible: yêu cầu Vcc và tín hiệu  Cách ly (isolation): Relay, Opto coupler, IrLED  Bus slot, Connecter, chuẩn, số chân (pin) 1.1 Tín hiệu (tiếp) 5V Sourse MCU Outport Buffer R LED Sink R Hình: Sink Sourse connection LED 5V 1.1 Tín hiệu (tiếp) 5V Hình: Open collecter 1.1 Tín hiệu (tiếp)   Connecter  D shell: DB9, DB25,…  DIN Cable  Flat  Coaxial,  Shield: Cho tín hiệu hoặc nguồn cấp  Twisted Pair: 5, 6  Vi sai  Optical Fiber Hình: Connecter 1.2 Format  Thông tin được định dạng theo: binary/hex (ASCII) VD: 1 số đo nhiệt độ 12 bits, dải giá trị 0 đến 9990C. Khi lưu trong CSDL, truyền tin:   12 bits (1,5 byte) tiết kiệm bộ nhớ, thời gian truyền  ASCII: 3 characters: Dễ quản lý, kiểm soát sai, hiển thị Lượng tin lớn => khi trao đổi (với DAS, PLC, GPS, Digi-Oscillocope,…)  Header: [tên (bản tin, gói), số thứ tự, ktự bắt tay, ktự đồng bộ, số ktự/byte trong gói,…] – không mang tin.  Content: nội dung tin – mang thông tin  Tailer: Mã bắt tay kết thúc, [mã kiểm lỗi] – không mang tin 1.2 Format (tiếp) 8 bits 0 – 1023 bytes 16bits PID Data CRC16 Hình: USB data packet format  Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ, RS-232, RS-485, RS-422): được định dạng thành 1 frame:  1 start bit = 0  5/6/7/8 data bit, D0 first  [parity: Even/odd]  1/1.5/2 stop bit = 1 1.3 Tốc độ In/Out  Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin của hệ (tốc độ và khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan đến tín hiệu:  Chỉ ra các “bottle_neck”, khắc phục được => xuất hiện các “bottle neck” ở mức độ thấp hơn  Phụ thuộc vào khoảng cách – tích số (k/c và tốc độ)  Nhiễu: theo công thức của Shannon bps = BW log2(1+P/N). Với BW: bandwidth, P/N: tỷ số công suất tín hiệu/nhiễu  Đường truyền: (công nghiệp) cáp đồng trục, cáp quang, wireless,…)  Synchronous/Asynchronous  Modulation/Demodulation…=>Tốc độ bao nhiêu kbps/kBps? VD: LPT: SPP mode: 50…100kBps; RS-232: 2400/4800/9600/19200/…bps 1.4 Lỗi và kiểm soát lỗi  Khi trao đổi thông tin thường gây ra lỗi, đặc biệt truyền xa/chuyển đổi tín hiệu. Nhiều phương pháp (hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra:  [Block] check sum – BCC, phần mềm: tính tổng của tất cả các ký tự, các byte. Kết quả có thể lấy 1 byte  VD: ROM BIOS, Ext BIOS started @ chẵn 2K, 2 ô đầu là mã 0x55 và 0xAA, độ dài của mảng ROM là 512 byte; checksum bù 2 sao cho tổng của tất cả các byte và mã checksum luôn bằng zero  CRC, ECC,… vi mạch/software – subroutine  Parity, 1 hoặc 2 chiều  Redundancy (RAID), thừa dư 1.5 Bộ lệnh và trả lời  Khi ghép Intelligent Devices (Computerized devices – mouse, KB, Printer, modem, FDC, HDC, RTU…) có nhiều tham số, chế độ hoạt động => xây dựng bộ lệnh (command set) và thông tin trả về (response set)  Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu và cổng phần cứng  Tập hợp các yêu cầu từ CS – command set  Tập hợp các trả lời, trạng thái – result/response/reaction set  Data down/up  Symtax of command and response (structure and grammar) 1.6 Kịch bản  Liệt kê các trường hợp rồi có thể áp các phép toán xử lý tương ứng để đảm bảo việc ghép nối: không mất tin, thừa tin, quẩn, treo,…  Thường xây dựng theo liểu Step List hoặc chart  Timeout  … Slave Master ACK ACK NACK t Hình: Scenario Chart