Đồ án Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO DẠNG SÓNG GVHD: ThS. PHAN VÂN HOÀN SVTH: TRẦN HỮU NGHĨA MSSV: 12141602 SVTH: PHẠM PHÚ KHẢI MSSV: 12141106 S K L 0 0 4 5 3 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO DẠNG SÓNG GVHD: Ths. Phan Vân Hoàn SVTH: Trần Hữu Nghĩa MSSV: 12141602 SVTH: Phạm Phú Khải MSSV: 12141106 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2016
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO DẠNG SÓNG GVHD: Ths. Phan Vân Hoàn SVTH: Trần Hữu Nghĩa MSSV: 12141602 SVTH: Phạm Phú Khải MSSV: 12141106 Tp. Hồ Chí Minh – 7/2016
4. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Trần Hữu Nghĩa Phạm Phú Khải v
5. LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy chúng em nhiệt tình và truyền đạt kiến thức chuyên môn hữu ích, đó là nền tảng để chúng em phát triển sau này. Cảm ơn gia đình, cha mẹ đã là nguồn động viên to lớn về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học hành, để có được tương lai, theo đuổi ước mơ và sự nghiệp. Đặc biệt cảm ơn Th.S Phan Vân Hoàn nhiệt tình chỉ bảo về kiến thức chuyên môn cũng như tạo điều kiện để nhóm hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp. Cuối cùng xin chúc gia đình, bạn bè và quý thầy, cô nhiều sức khỏe và thành công trong mọi việc. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Trần Hữu Nghĩa Phạm Phú Khải vi
6. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Phiếu đánh giá khóa luận tốt nghiệp iv Cam đoan v Lời cảm ơn vi Mục lục vii Liệt kê hình vẽ viii Liệt kê bảng vẽ ix Tóm tắt x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu 2 1.3 Nội dung nghiên cứu 2 1.4 Giới hạn 2 1.5 Bố cục 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Khái quát về máy đo dạng sóng 4 2.1.1 Công dụng của máy đo dạng sóng 4 2.1.2 Oscilloscope số và tương tự 4 2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy Oscilloscope 5 2.2 Giới thiệu về phần cứng 7 2.2.1 Tổng quan về ARM 7 2.2.2 IC LM358 21 2.3.3 ICL 7660 22 2.3.4 Giới thiệu về định dạng BMP 23 2.3.5 Chuẩn truyền USB 24 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 26 vii
7. 3.1 Giới Thiệu 26 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 26 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 26 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 28 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 37 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 39 4.1 Thi công hệ thống 39 4.2.1 Thi công board mạch 39 4.2 Lập trình hệ thống 42 4.2.1 Lưu đồ giải thuật 42 4.2.2 Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống 44 4.2.3 Lưu đồ chương trình con lưu ảnh 46 4.2.4 Phần mềm Keil C sử dụng cho vi điều khiển 47 4.3 Hướng dẫn sử dụng, thao tác với sản phẩm 55 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 56 5.1 Sản phẩm sau khi hoàn thành 56 5.1.1 Sản phẩm 56 5.1.1 Kết quả có được sau khi hoàn thành sản phẩm 56 5.2 Kết quả chạy sản phẩm 56 5.2.1 Quá trình chạy thực tế của sản phẩm 57 5.2.2 Đánh giá kết quả 64 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65 6.1 Kết luận 65 6.2 Hướng phát triển 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 67 vii
8. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Ứng dụng ARM 8 Hình 2.2: Sơ đồ khối ARM Cortex 11 Hình 2.3: Các dòng của ARM Cortex 12 Hình 2.4: Sơ đồ vùng nhớ ARM Cortex 13 Hình 2.5: Sơ đồ chân của STM4F407VGT6 14 Hình 2.6: Các bước để sử dụng ngắt 16 Hình 2.7 FSMC giao tiếp với các thiết bị 19 Hình 2.8: Tốc độ chuyển đổi 21 Hình 2.9: Sơ đồ chân IC 22 Hình 2.10: Sơ đồ chân ICL 7660 23 Hình 2.11: Hình ảnh cổng USB 2.0 và USB 3.0 25 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát 27 Hình 3.2: Mạch tín hiệu ngõ vào trước khi qua mạch cộng 28 Hình 3.3: Mạch cầu phân áp. 29 Hình 3.4: Mạch cộng đảo cơ bản 30 Hình 3.5: Mạch cộng đảo tầng 1 31 Hình 3.6: Mạch cộng đảo tầng 2 32 Hình 3.7: Mạch tạo nguồn âm sử dụng IC 7660 33 Hình 3.8: Board STM32F4 DISCOVERY 34 Hình 3.9: Giao tiếp với IC cảm ứng TSC2046 với khối xử lý 36 Hình 3.10: Chân ra của LCD để giao tiếp với khối xử lý 36 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý của mạch giao tiếp USB 37 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 38 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện dạng 3D 40 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện lớp dưới 40 Hình 4.3: Mạch sau khi thi công xong 41 Hình 4.4: Lưu đồ chương trình 43 Hình 4.5: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống 45 Hình 4.6: Lưu đồ chương trình con lưu ảnh 46 Hình 4.7: Chọn đường dẫn 47 Hình 4.8: Tiến trình cài đặt 48 Hình 4.9: Cài đặt các dòng chip 48 viii
9. Hình 4.10: Lựa chọn dòng ARM sử dụng 49 Hình 4.11: Tạo thư mục và thêm files 50 Hình 4.12: Thêm đường dẫn file.h vào 50 Hình 4.13: Chọn cách nạp chương trình 51 Hình 4.14: Chỉnh Port 52 Hình 4.15: Chỉnh các thiết lập cho mạch nạp 52 Hình 4.16: Biên dịch và nạp chương trình 53 Hình 4.17 Giao diện lưới hiển thị dạng sóng. 54 Hình 5.1: Sản phẩm sau khi hoàn thành 56 Hình 5.2: Dạng sóng DC từ nguồn pin 9V được sản phẩm đo 57 Hình 5.3: Dạng sóng DC đo từ nguồn pin 9V của máy đo thực tế 57 Hình 5.4: Dạng sóng sin từ máy phát sóng được sản phẩm đo 58 Hình 5.5: Dạng sóng sin từ máy phát sóng được đo từ máy đo thực tế 58 Hình 5.6: Dạng sóng vuông từ máy phát sóng được sản phẩm đo. 59 Hình 5.7: Dạng sóng vuông từ máy phát sóng được đo từ máy đo thực tế 59 Hình 5.8: Dạng sóng tam giác từ máy phát sóng được sản phẩm đo. 60 Hình 5.9: Dạng sóng tam giác từ máy phát sóng được đo từ máy đo thực tế. 60 Hình 5.10: Dạng sóng răng cưa từ máy phát sóng được sản phẩm đo 61 Hình 5.11: Dạng sóng răng cưa từ máy phát sóng được đo từ máy đo thực tế. 61 Hình 5.12: Hình hiển thị dạng sóng 1 chiều dc từ pin 9V được lưu trong USB 62 Hình 5.13: Hình hiển thị dạng sóng sin được lưu trong USB. 62 Hình 5.14: Hình hiển thị dạng sóng vuông được lưu trong USB 63 Hình 5.15: Hình hiển thị dạng sóng tam giác được lưu trong USB 63 Hình 5.16: Hình hiển thị dạng sóng răng cưa được lưu trong USB. 64 viii
10. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các dòng phát triển của ARM. 9 Bảng 2.2: Dòng tiêu thụ của STM32F4 15 Bảng 2.3: Bảng phân chia số cấp ưu tiên giữa 2 nhóm PreemptionPriority và SubPriority. 16 Bảng 2.4 Thông số của ICL7660. 22 Bảng 2.5: So sánh hai chuẩn USB 2.0 và USB 3.0 25 Bảng 3.1: Bảng kết nối cảm ứng:. .34 Bảng 3.2: Sơ đồ kết nối chân của LCD với Board STM32F4 Discovery:. .34 Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện:. 39 ix
11. TÓM TẮT Trong đề tài: Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng có rất nhiều vấn đề liên quan, như vấn đề xử lý tín hiệu ngõ vào, giao tiếp LCD, hiểu về lập trình ngắt cũng như ADC trên STM32F407, cách tạo file ảnh định dạng Bitmap, v.v. Kết quả mong muốn sau khi hoàn thành đề tài là máy hoạt động ổn định, đo được dạng sóng AC cũng như DC với độ chính xác cao. Có thể thay đổi được thang đo về điện áp cũng như tần số để tiện quan sát cũng như cải thiện được độ chính xác khi sử dụng sản phẩm. Hơn nữa sản phẩm có thêm chức năng lưu ảnh thông qua USB hữu ích trong việc xem xét dạng sóng. x
12. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin Do đó, là một sinh viên chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Công Nghiệp chúng ta phải biết nắm bắt xu hướng và vận dụng những kiến thức đã được học để phát triển nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử, truyền thông nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì các vấn đề về xử lý đo đạc tín hiệu luôn luôn biến đổi cho phù hợp với từng nhu cầu công nghệ. Mặc dù các loại máy đo dạng sóng đã ra đời từ rất lâu, nhưng các loại máy đo dạng sóng vẫn không ngừng phát triển và luôn được cải tiến đáp ứng nhu cầu thị trường trong các lĩnh vực khác nhau với những tính năng mới vô cùng tiện ích và phong phú. Từ lý do đó, việc ứng dụng các loại vi điều khiển để ứng dụng dùng làm các máy đo dạng sóng đang được phát triển rất nhiều. Để thực hiện được việc đó, người học cần rất nhiều yếu tố như ngôn ngữ lập trình, các kiến thức liên quan đến kỹ thuật số, thiết kế mạch ứng dụng và điều quan trọng là phải có phương tiện, thiết bị phục vụ cho việc học tập, thực hành ứng dụng kiến thức. Trên hết việc sở hữu riêng một chiếc máy đo dạng sóng để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu tại nhà là khá khó khăn bởi vì giá thành của chúng rất lớn. Chính vì thế nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế và thi công máy đo dạng sóng” Với việc ứng dụng vi điều khiển vào ứng dụng làm máy đo dạng sóng sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu của sinh viên trong việc học tập của mình đồng thời sẽ làm tăng hiệu quả của việc nắm bắt kỹ thuật, tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc nghiên cứu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
13. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.2. MỤC TIÊU Qua quá trình tìm hiểu, khảo sát, nghiên cứu, đánh giá kèm theo mong muốn áp dụng kiến thức tiếp thu được ở trường cộng thêm nhu cầu của máy đo dạng sóng. Chính vì thế nhóm quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY ĐO DẠNG SÓNG.” Với mong muốn mang lại sự thuận tiện và đáp ứng nhu cầu của 1 bộ phận sinh viên có nhu cầu nghiên cứu và học tập. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung 1: Tìm hiểu vi điều khiển ARM khiển (Board STM32F4 Discovery). Nội dung 2: Tìm hiểu về cách đo dạng sóng AC, DC. Nội dung 3: Thiết kế và thi công mạch đo AC, DC. Nội dung 4: Tiến hành giao tiếp giữa LCD và vi điều khiển. Nội dung 5: Nghiên cứu giao tiếp giữa vi điều khiển và USB. Nội dung 6: Thiết kế mô hình. Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện. 1.4. GIỚI HẠN Vì thời gian nghiên cứu thực hiện nên sản phẩm làm ra vẫn còn mắc phải một số giới hạn sau: + Ứng dụng chủ yếu trong việc học tập vì sản phẩm có độ tin cậy về giá trị đo còn thấp. + Tốc độ đáp ứng về dạng sóng cũng như sai lệch còn nhiều. + Giới hạn đo còn hạn chế: Sản phẩm chỉ đo được trong dải điện áp AC, DC 12V. + Còn sai số trong quá trình đo. + Dạng sóng còn nhiễu ảnh hưởng nhiều đến đo các giá trị có điện áp thấp. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Chương 4: Thi Công Hệ Thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
14. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Chương 1: Tổng Quan. Chương này trình bày vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Giới thiệu các linh kiện, thiết bị sử dụng thiết kế hệ thống, các chuẩn truyền, giao thức. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Hệ Thống. Tính toán thiết kế, đưa ra sơ đồ nguyên lí của hệ thống. Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống. Thiết kế hệ thống, lưu đồ, đưa ra giải thuật và chương trình. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét, Đánh Giá. Đưa ra kết quả đạt được sau một thời gian nghiên cứu, một số hình ảnh của hệ thống, đưa ra những nhận xét, đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển. Trình bày những kết luận về hệ thống những phần làm rồi và chưa làm, đồng thời nêu ra hướng phát triển cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
15. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY ĐO DẠNG SÓNG. Máy đo dạng sóng “Oscilloscope” là một thiết bị hiển thị đồ thị, nó vẽ ra đồ thị của các tín hiệu điện. Trong hầu hết các ứng dụng, đồ thị chỉ ra tín hiệu thay đổi thế nào theo thời gian: Trục dọc (Y) biểu diễn điện áp và trục ngang (X) biểu diễn thời gian. Máy đo dạng sóng có thể coi là công cụ hữu ích luôn song hành cùng những chuyên gia nghiên cứu về công nghệ và đông đảo những người làm nghề sản xuất, lắp ráp, sửa chữa các thiết bị điện tử viễn thông, CNTT, và công nghệ cao chuyên nghiệp. 2.1.1 Công dụng của Máy hiện sóng: Nhận dạng tín hiệu (Xung vuông, răng cưa, hình sin, tin hiệu hình, tín hiệu tiếng ) Xác định rõ các giá trị thời gian và mức điện áp và đường đi của một tín hiệu Tính toán được tần số của một tín hiệu dao động Nhận thấy “các phần động” của một mạch điện được biểu diễn bởi tín hiệu Chỉ ra nếu một thành phần lỗi làm méo dạng tín hiệu Tìm ra tín hiệu như thế nào là dòng một chiều hay dòng xoay chiều Chỉ ra tín hiệu như thế nào là nhiễu và nếu có thì nhiễu thay đổi thế nào theo thời gian. Sự hữu ích của một máy hiện sóng không bị giới hạn chỉ trong thế giới của các thiết bị điện tử. Với một bộ chuyển đổi thích hợp, một. Máy đo dạng sóng có thể đo đạc được tất cả các kiểu hiện tượng về vật lí, âm thanh, áp lực cơ khí, áp suất, ánh sáng hoặc nhiệt độ. Một kỹ sư ô tô có thể dùng. Máy đo dạng sóng để đo đạc sự rung của động cơ. Một nghiên cứu sinh y khoa có thể dùng máy đo dạng sóng để đo đạc các sóng não. Các khả năng là rất lớn! 2.1.2 Oscilloscope số và tương tự: Thiết bị điện tử có thể chia làm hai loại: Tương tự và số. Thiết bị tương tự làm việc với các điện áp biến đổi liên tục, trong khi thiết bị số làm việc với các số nhị phân rời rạc mà có thể biểu diễn các mẫu điện áp. Các máy Oscilloscope cũng có loại tương tự và số: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
16. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy hiện sóng tương tự: làm việc trực tiếp với điện áp đặt vào được đo để di chuyển dòng electron ngang qua màn hình máy oscilloscope. Trái lại, máy hiện sóng số lấy mẫu dạng sóng và dùng một bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D) để chuyển đổi điện áp được đo thành thông tin số. Sau đó, nó dùng thông tin số này để tái cấu trúc lại dạng sóng trên màn hình Đối với nhiều ứng dụng, hoặc là máy oscilloscope số hoặc là máy oscilloscope tương tự sẽ được dùng. Tuy nhiên, mỗi loại máy có một số đặc tính riêng làm cho nó thích hợp hơn hoặc kém thích hợp hơn trong các tác vụ riêng. Người ta thường ưu tiên chọn các máy hiện sóng tương tự hơn vì nó quan trọng để hiển thị nhanh chóng các tín hiệu đang thay đổi trong thời gian thực (hay như là chúng đang diễn ra) Máy hiện sóng số: cho phép bạn ghi lại và xem các sự kiện mà chúng có thể chỉ diễn ra duy nhất 1 lần. Chúng có thể xử lý dữ liệu dạng sóng số và gửi các dữ liệu đó tới máy tính để xử lý. Như vậy, chúng có thể lưu trữ dữ liệu dạng sóng số để xem và in ra sau đó. 2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy Oscillocope Máy oscilloscope tương tự gồm một đèn điện tử (cathode ray tube), mặc dù kích thước và hình dạng khác nhau nhưng nguyên lí hoạt động thì giống nhau. Bên trong ống là chân không. Chùm điện tử được phát ra từ cathode được làm nóng ở phía sau ống chân không được gia tốc và làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trước ống làm một điểm trên màn hình phủ photpho của ống phát sáng. Chùm điện tử được bẻ cong ,được làm lệch nhờ điện áp đặt vào các bản cực cố đình trong ống chân không. Các bản cực lái tia theo chiều ngang hay các bản cực X tạo ra chuyển động của chùm điện tử theo phương ngang. Chúng được liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sở”.Cái này tạo ra một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha của xung răng cưa, điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía trước của màn hình trong suốt quá trình giảm pha, chùm điện tử quay lại nhanh chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn hình. Theo cách này,“chu kì cơ sở” tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của oscilloscope. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
17. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều chỉnh sử dụng núm điều khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X. Việc màn hình chia thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo giây, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chia). Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào. Chuyển mạch DC/AC thường được giữ ở vị trí DC để có sự kêt nối trực tiếp với bộ khuếch đại Y. Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ở đường dẫn tín hiệu ngăn cản tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua. Bộ khuếch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope . Bộ khuyếch đại Y có thể được điều chỉnh thông qua núm điều chỉnh VOLT/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng. Thang đo thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV. Mạch kích được sử dụng để làm trễ tín hiệu “chu kỳ cơ sở” để đồng bộ phần của tín hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu. Thay đổi thang đo của X và Y cho phép nhiều tín hiệu được hiển thị, đôi khi nó cũng hữu ích để thay đổi vị trí các trục .Sự thay đổi này sử dụng núm điều chỉnh X-POS và Y-POS. Oscilloscope tương tự: Khi các bạn nối đầu đo (dò) của máy oscilloscope vào mạch điện, tín hiệu điện áp đi qua đầu đo (dò) tới hệ thống dọc của máy oscilloscope. Tùy thuộc vào các bạn thiết đặt chia thang đo dọc (điều khiển Volts/div) như thế nào thì bộ suy hao làm giảm điện áp tín hiệu hoặc là bộ khuếch đại làm tăng điện áp tín hiệu. Điện áp đặt vào các bản lái tia làm cho một điểm sáng di chuyển (môt dòng electron đập vào lớp phosphor bên trong CRT tạo ra điểm sáng). Điện áp dương làm cho điểm sáng đi lên trong khi điện áp âm làm cho điểm sáng đi xuống. Tín hiệu cũng đồng thời đi tới hệ thống Trigger để khởi động hay kích một “quét ngang”. Quét ngang là một thuật ngữ chỉ việc hệ thống ngang làm cho điểm sáng di chuyển ngang trên màn hình. Việc kích hệ thống ngang gây ra thời gian cơ bản để di BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chuyển điếm sang ngang trên màn hình từ trái sang phải trong một khoảng thời gian xác định. Nhiều lần quét thành các dãy nhanh làm cho chuyển động của điểm sáng được hợp thành một đường liền nét. Ở các tốc độ cao hơn, điểm sáng có thể quét ngang màn hình lên tới 500,000 lần mỗi giây. Cùng với nhau, việc quét ngang và việc lái dọc vạch ra một đồ thị tín hiệu trên màn hình. Bộ kích khởi là cần thiết để ổn định hóa tín hiệu tuần hoàn. Nó đảm bảo rằng lần quét bắt đầu ở cùng một điểm với tín hiệu tuần hoàn, dẫn tới một hình ảnh rõ ràng được chỉ ra trên màn hình. 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG 2.2.1 Tổng quan về ARM a. Giới thiệu về vi xử lý ARM: Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC( thuộc kiến trúc Harvard, có tập lệnh rút gọn) được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do đó có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu. Ngày nay ARM được ứng dụng và rộng rãi trên mọi lĩnh vực của đời sống: Robot, máy tính, điện thoại, xe hơi, máy giặt BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Các ứng dụng của ARM b. Lịch sử phát triển của ARM: Việc thiết kế ARM được bắt đầu từ năm 1983 trong một dự án phát triển của công ty máy tính Acorn. Nhóm thiết kế hoàn thành việc phát triển mẫu gọi là ARM1 vào năm 1985, và vào năm sau, nhóm hoàn thành sản phẩm “thực” gọi là ARM2 với thiết kế đơn giản chỉ gồm 30000 transistor. ARM2 có tuyến dữ liệu 32 bit, không gian địa chỉ 26 bit tức cho phép quản lý đến 61 Mbyte địa chỉ và 16 thanh ghi 32 bit. Thế hệ sau, ARM3 được tạo ra với 4 KB cache và có chức năng được cải thiện tốt hơn. Vào những năm cuối thập niên 80, hãng máy tính Apple Computer và hãng VLSL Technology bắt đầu hợp tác với Arcon để phát triển các thế hệ lõi ARM mới. Kết quả sự hợp tác này là ARM6. Mẫu đầu tiên được công bố vào năm 1992 và Apple đã sử dụng bộ vi xử lý ARM 610 dựa trên ARM6 làm cơ sở cho PDA hiệu Apple Newton. Vào năm 1994, Acorn dùng ARM 610 làm CPU trong các máy vi tính RiscPC của họ. Trải qua nhiều thế hệ nhưng lõi ARM gần như không thay đổi kích thước. ARM2 có 30000 transistors trong khi đó ARM6 chỉ tăng lên đến 35000. Ý tưởng của nhà sản xuất lõi ARM là sao cho người sử dụng có thể ghép lõi ARM với một số bộ phận tùy chọn nào đó để tạo ra một CPU hoàn chỉnh, một loại CPU mà có thể tạo ra trên những nhà máy sản xuất bán dẫn cũ và vẫn tiếp tục tạo ra được sản phẩm với nhiều tính năng mà giá thành vẫn thấp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: Các dòng phát triển của ARM Kiến trúc Số bit Tên lõi ARMv1 32/26 ARM1 ARMv2 32/26 ARM2, ARM3 ARMv3 32 ARM6, ARM7 ARMv4 32 ARM8 ARMv4T 32 ARM7TDMI, ARM9TDMI ARMv5 32 ARM7EJ, ARM9E, AEEM10E ARMv6 32 ARM11 ARMv6-M 32 ARM Cortex-M0, ARM Cortex-M0+. ARM Cortex- M1 ARMv7-M 32 ARM Cortex-M3 ARMv7E-M 32 ARM Cortex-M4 ARMv7-R 32 ARM Cortex-R4, ARM Cortex-R5, ARM Cortex-R7 ARMv7-A 32 ARM Cortex-A5, ARM Cortex-A7, ARM Cortex- A8, ARM Cortex-A9, ARM Cortex-A12, ARM Cortex-A15, ARM Cortex-A17 ARMv8-A 61/32 ARM Cortex-A53, ARM Cortex-A57 c. Giới thiệu về ARM Cortex: Như đã thấy trong phần giới thiệu, bộ xử lý Cortex là thế hệ lõi nhúng kế tiếp từ ARM. Cortex thừa kế các ưu điểm từ các bộ xử lí ARM trước đó, nó là một lõi xử lý hoàn chỉnh, bao gồm bộ xử lí trung tâm Cortex và một hệ thống các thiết bị ngoại vi xung quanh, Cortex cung cấp phần xử lí trung tâm của một hệ thống nhúng. Để đáp ứng yêu cầu khắc khe và đa dạng của các hệ thống nhúng, bộ xử lý Cortex gồm có 3 nhánh, được biểu hiện bằng các ký tự sau tên Cortex như sau: Cortex-A: Bộ vi xử lý dành cho hệ điều hành và các ứng dụng của người dùng phức tạp. Hỗ trợ các tập lệnh ARM, Thumb và Thumb-2. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cortex-R: Bộ xử lí dành cho các hệ thống đòi hỏi khắc khe về tính thời gian thực. Hỗ trợ các tập lệnh ARM, Thumb, và Thumb-2. Cortex-M: Bộ xử lí dành cho dòng vi điều khiển, được tối ưu hóa cho các ứng dụng nhạy cảm về chi phí. Chỉ hỗ trợ tập lệnh Thumb-2. Giá trị số nằm cuối tên của 1 dòng ARM (ví dụ ARM Cortex-M3) cho biết về mức độ hiệu suất tương đối của dòng đó. Theo đó dòng ARM mang số 0 sẽ có hiệu suất thấp nhất. d. Giới thiệu về ARM Cortex M4: Bộ vi xử lý ARM Cortex®-M4 là một bộ xử lý nhúng hiệu suất cao với lõi DSP được phát triển kèm theo để giải quyết thị trường kiểm soát tín hiệu kỹ thuật số mà đòi hỏi hiệu quả, dễ sử dụng, cần có sự kết hợp giữa khả năng xử lý điều khiển và tín hiệu. ARM Cortex M4 có những đặc điểm sau: ARM Cortex M4 được xây dựng dựa trên kiến trúc ARMv7E-M 32 bit. Kiến trúc Harvard tách biệt Bus dữ liệu và lệnh. Đơn vị bảo vệ bộ nhớ (MPU - Memory Protection Unit): hỗ trợ bảo vệ bộ nhớ thông qua việc phân quyền thực thi và truy xuất. Bộ vi xử lý Cortex-M4 hỗ trợ kiến trúc tập lệnh Thumb-2. Hỗ trợ kỹ thuật Bit Band giúp cho phép truy xuất dữ liệu theo bit đồng thời giảm thời gian truy xuất. Cho phép truy cập dữ liệu không xếp hàng (unaligned data accesses) đặc điểm này cho phép sử dụng hiệu quả SRAM nội. SysTick timer 24 bit hỗ trợ cho việc chạy hệ điều hành thời gian thực. Hỗ trợ lập trình và gỡ rối qua cổng JTAG truyền thống cũng như chuẩn 2 dây nhỏ gọn SWD (Serial Wire Debug). Khối quản lý vector ngắt lồng nhau (NVIC – Nested Vectored Interrupt Controller) cho phép rút ngắn thời gian đáp ứng yêu cầu ngắt. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4