PDF Cơ sở và ứng dụng Internet Of Things, thiết kế hệ thống nhúng, Phan Văn Ca, Trương Quang Phúc

Cơ sở và ứng dụng Internet Of Things, thiết kế hệ thống nhúng, Phan Văn Ca, Trương Quang Phúc

 

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................... 3
MỤC LỤC ................................................................................................ 5
Chương 1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG .................................... 13
1.1. HỆ THỐNG NHÚNG ....................................................................... 13
1.2. TIẾN TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ............................ 13
1.2.1. Đặc tả vấn đề ........................................................................ 15
1.2.2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết ................................................... 15
1.2.3. Tiền thiết kế .......................................................................... 15
1.2.4. Thiết kế ................................................................................. 17
1.2.5. Thực hiện thiết kế mẫu thử Prototype .................................. 19
1.2.6. Kiểm thử thiết kế .................................................................. 19
1.2.7. Lập hồ sơ thiết kế đầy đủ và chính xác ................................ 20
1.3. VÍ DỤ VỀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ................................. 21
BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ............................................................................. 25
Chương 2: KIẾN TRÚC BỘ XỬ LÝ ................................................... 27
2.1. KHÁI QUÁT KIẾN TRÚC ATMEGA164 ...................................... 27
2.1.1. Kiến trúc RISC ..................................................................... 27
2.1.2. Tập lệnh hợp ngữ .................................................................. 28
2.1.3. Kích thước toán tử C ............................................................ 29
2.1.4. Các phép toán trên BIT ........................................................ 29
2.1.5. Khái quát kiến trúc ATMEGA164 ....................................... 30
2.2. BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH VÀ BỘ NHỚ DỮ LIỆU ................... 31
2.2.1 Bộ nhớ có thể lập trình Flash EEPROM ............................... 31
2.2.2 EEPROM truy xuất theo byte ................................................ 32
2.2.3. Ví dụ EEPROM truy xuất theo byte .................................... 32
2.2.4. Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh (SRAM) .......................... 33
2.2.5. Các bit khóa có khả năng lập trình ....................................... 33
2.3. HỆ THỐNG CỔNG .......................................................................... 34
2.4. CÁC ĐẶC TÍNH NGOẠI VI ........................................................... 36
2.4.1. Cơ sở thời gian ..................................................................... 36
2.4.2. Hệ thống con định thời ......................................................... 37
6
2.4.3. Các kênh điều chế độ rộng xung .......................................... 37
2.4.4. Truyền thông nối tiếp ........................................................... 37
2.4.5. Bộ chuyển đổi số sang tương tự - ADC ............................... 38
2.4.6. Bộ so sánh tương tự .............................................................. 39
2.4.7. Hệ thống ngắt ....................................................................... 39
2.5. CÁC THAM SỐ HOẠT ĐỘNG VÀ VẬT LÝ ................................ 40
2.5.1. Đóng gói ............................................................................... 40
2.5.2. Tiêu thụ công suất ................................................................ 42
2.5.3. Tốc độ xử lý ......................................................................... 42
2.6. CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN ................................................................. 42
2.7. ỨNG DỤNG: BOARD THỬ ATMEGA164 ................................... 43
2.7.1. Cấu hình phần cứng .............................................................. 43
2.7.2. Cấu hình phần mềm .............................................................. 45
2.8. LẬP TRÌNH VỚI ATMEGA164 ..................................................... 48
2.8.1. Thủ tục lập trình ................................................................... 48
2.8.2. Lập trình trên hệ thống (ISP) ................................................ 50
2.9. TÍNH LINH ĐỘNG CỦA PHẦN MỀM .......................................... 51
2.10. KIẾN TRÚC ATMEGA328P ......................................................... 51
2.11. NGÔN NGỮ ASSEMBLY ............................................................. 53
2.11.1. Giới thiệu ............................................................................ 53
2.11.2. Chuỗi công cụ Arduino ...................................................... 55
2.11.3. Assembly trên Arduino ...................................................... 61
2.11.4. Assembly nội tuyến trên Arduino ...................................... 63
2.11.5. Hiệu quả của ngôn ngữ C ................................................... 66
BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ............................................................................. 67
Chương 3: GIAO TIẾP NỐI TIẾP ...................................................... 69
3.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................... 69
3.2. GIAO THỨC KẾT NỐI I2C ............................................................. 72
3.3. GIAO DIỆN NGOẠI VI NỐI TIẾP SPI .......................................... 73
3.3.1. Các thanh ghi SPI ................................................................. 75
3.3.2. Lập trình SPI ........................................................................ 77
3.3.3. Mở rộng các tính năng Atmel AVR qua SPI ........................ 77
3.4. TRUYỀN/NHẬN BẤT ĐỒNG BỘ USART ................................... 80
3.4.1 Bộ tạo xung nhịp cho hệ thống USART ................................ 82
7
3.4.2 Bộ nhận/phát USART ........................................................... 83
3.4.3 Các thanh ghi USART ........................................................... 83
3.4.4. Chương trình và cách thức hoạt động .................................. 85
3.4.5. Truyền song công USART ................................................... 87
3.4.6. Truyền dữ liệu USART qua sóng vô tuyến .......................... 91
3.4.7. Truyền USART đến PC ........................................................ 93
3.4.8. USART truyền nối tiếp đến LCD ......................................... 94
3.4.9. ASCII .................................................................................... 95
3.5. USART TRÊN ATMEGA328P ....................................................... 96
3.5.1. Quản lý ngắt cổng nối trong C ............................................. 96
3.5.2. Mô tả các thanh ghi ............................................................ 103
3.6. MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 112
3.6.1. Giao tiếp nối tiếp hai dây ................................................... 114
3.6.2. Mạng CAN ......................................................................... 114
3.6.3 Mạng ZIGBEE .................................................................... 114
BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ........................................................................... 114
Chương 4: CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC) ...................... 117
4.1. LẤY MẪU, LƯỢNG TỬ HÓA VÀ MÃ HÓA ............................. 120
4.2. QUÁ TRÌNH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ .......................... 124
4.2.1. Thiết kế giao tiếp bộ chuyển đổi TID ................................. 124
4.2.2. Khuếch đại thuật toán ......................................................... 126
4.3. CÁC CÔNG NGHỆ ADC .............................................................. 129
4.3.1. Phương pháp xấp xỉ liên tiếp .............................................. 129
4.4. HỆ THỐNG ADC ATMEL ATMEGA164 .................................... 129
4.4.1. Sơ đồ khối........................................................................... 130
4.4.2. Thanh ghi ............................................................................ 131
4.4.3. Lập trình ADC .................................................................... 133
4.5. VÍ DỤ ............................................................................................. 134
4.5.1. Bộ chỉ thị lượng mưa ADC ................................................ 134
4.5.2. Bộ chỉ thị lượng mưa ADC với SPI ................................... 138
4.5.3. Truyền các giá trị ADC tới USART hoặc SPI ................... 139
4.5.4. Phát hiện ngưỡng – ADC 1BIT .......................................... 142
4.6. BỘ CHUYỂN ĐỔI SỐ SANG TƯƠNG TỰ (DAC) ..................... 143
4.6.1. DAC 8 kênh, 8-bit giao tiếp SPI ......................................... 145
8
4.7. BỘ ADC VÀ SO SÁNH TRÊN ATMEGA328P ........................... 146
BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ........................................................................... 153
Chương 5: HỆ THỐNG NGẮT .......................................................... 157
5.1. LÝ THUYẾT NGẮT ...................................................................... 157
5.1.1. Giới thiệu ngắt .................................................................... 157
5.1.2. Thuộc tính ........................................................................... 159
5.1.3. ISR và truyền thông tác vụ chính ....................................... 160
5.2. HỆ THỐNG NGẮT ATMEGA164 ................................................ 161
5.2.1. Lập trình một hệ thống ngắt ............................................... 162
5.2.2. Ứng dụng ............................................................................ 163
5.2.3. Tiến trình nền và tiến trình ưu tiên ..................................... 166
5.2.4. Các ví dụ ngắt ..................................................................... 167
5.3. NGẮT ATMEGA328P TRONG C ................................................ 179
5.3.1. Các trình xử lý ngắt ............................................................ 179
BÀI TẬP CHƯƠNG 5 ................................................................. 191
Chương 6: HỆ THỐNG ĐỊNH THỜI ............................................... 193
6.1. TỔNG QUAN ................................................................................. 193
6.2. NHỮNG THUẬT NGỮ LIÊN QUAN ĐẾN TIMER .................... 194
6.2.1. Tần số ................................................................................. 194
6.2.2. Chu kỳ ................................................................................ 194
6.2.3. Chu kỳ xung tác động (Duty cycle) .................................... 194
6.3. TỔNG QUAN VỀ TIMER ............................................................. 195
6.4. ỨNG DỤNG ................................................................................... 197
6.4.1. Bắt xung – đo sự kiện theo thời gian bên ngoài ................. 197
6.4.2. Đếm sự kiện ........................................................................ 199
6.4.3. So sánh - Tạo tín hiệu định thời giao tiếp ngoại vi ............ 200
6.4.4. Điều chế độ rộng xung ....................................................... 200
6.4.5. Tình huống ứng dụng trong công nghiệp (PWM) .............. 205
6.5. BỘ TIMER CỦA DÒNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEL ................... 206
6.5.1. Bộ Timer 0 .......................................................................... 207
6.5.2. Bộ Timer 1 .......................................................................... 213
6.5.3. Bộ Timer 2 .......................................................................... 217
6.5.4. Mô tả thanh ghi Timer trong Atmega328P ........................ 221
9
6.6. CHƯƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG TIMER ...................................... 230
6.6.1. Định thời chính xác ............................................................ 230
6.6.2. Điều chế độ rộng xung ....................................................... 231
6.6.3. Chế độ thu thập ngõ vào ..................................................... 232
6.6.4. Điều khiển động cơ servo với PWM .................................. 233
6.6.5. PWM sử dụng cho hệ thống quạt lạnh tự động .................. 237
BÀI TẬP CHƯƠNG 6 ........................................................................... 243
Chương 7: THÔNG SỐ ATMEL AVR VÀ NGOẠI VI ................... 245
7.1. CÁC THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG .................................................. 245
7.2. HOẠT ĐỘNG CỦA PIN ................................................................ 248
7.2.1. Đặc tính điện áp và dòng máng của hệ thống nhúng .......... 249
7.2.2. Đặc tính của pin .................................................................. 249
7.3. THIẾT BỊ NGÕ VÀO .................................................................... 250
7.3.1. Chuyển mạch ...................................................................... 250
7.3.2. Điện trở kéo lên trong cấu hình chuyển mạch .................... 251
7.3.3. Sự nảy của chuyển mạch .................................................... 251
7.3.4. Bàn phím ............................................................................ 252
7.3.5. Cảm biến ............................................................................. 256
7.3.6. Ví dụ cảm biến nhiệt độ LM34 .......................................... 259
7.4. THIẾT BỊ NGÕ RA ........................................................................ 259
7.4.1. LED đơn ............................................................................. 259
7.4.2. LED bảy đoạn ..................................................................... 260
7.4.3. Ví dụ về mã nguồn ............................................................. 262
7.4.4. LED chỉ thị ba trạng thái .................................................... 263
7.4.5. Hiển thị ma trận điểm ......................................................... 263
7.4.6. Hiển thị trên LCD ............................................................... 266
7.4.7. Hiển thị GLCD ................................................................... 268
7.4.8. Thiết bị DC công suất cao .................................................. 274
7.5. ĐIỀU KHIỂN CUỘN DÂY SOLENOID DC ................................ 275
7.6. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC ........................................................ 276
7.6.1. Thông số hoạt động của động cơ DC ................................. 277
7.6.2. Điều khiển chiều quay với cầu H ....................................... 278
7.6.3. Kết nối động cơ servo ........................................................ 278
7.6.4. Điều khiển động cơ bước ................................................... 278
10
7.6.5. Thiết bị xoay chiều ............................................................. 284
7.7. KẾT NỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ KHÁC ......................................... 285
7.7.1. Sonalerts, máy nhắn tin, chuông ........................................ 285
7.7.2. Động cơ rung ...................................................................... 286
7.7.3. Quạt DC .............................................................................. 287
BÀI TẬP CHƯƠNG 7 ........................................................................... 287
Chương 8: MỘT SỐ ỨNG ỤNG HỆ THỐNG NHÚNG .................. 289
8.1. TỔNG QUAN ................................................................................. 289
8.2. TRẠM DỰ BÁO THỜI TIẾT ........................................................ 290
8.2.1. Yêu cầu ............................................................................... 290
8.2.2. Sơ đồ khối........................................................................... 290
8.2.3. Sơ đồ mạch ......................................................................... 291
8.2.4. Lưu đồ hoạt động UML ...................................................... 293
8.2.5. Chương trình vi điều khiển ................................................. 294
8.3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .............................................. 301
8.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ .................................................................... 301
8.4.1. Yêu cầu hệ thống ................................................................ 303
8.4.2. Sơ đồ khối........................................................................... 303
8.4.3. Lưu đồ hoạt động UML ...................................................... 303
8.4.4. Chương trình vi điều khiển ................................................. 304
8.5. ROBOT TỰ HÀNH TRONG MÊ CUNG ...................................... 309
8.5.1. Giới thiệu ............................................................................ 309
8.5.2. Yêu cầu ............................................................................... 309
8.5.3. Sơ đồ mạch nguyên lý ........................................................ 311
8.5.4. Sơ đồ khối........................................................................... 311
8.5.5. Lưu đồ của robot ................................................................ 312
8.5.6. Chương trình vi điều khiển ................................................. 313
BÀI TẬP CHƯƠNG 8 ........................................................................... 313
PHỤ LỤC ............................................................................................. 315
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 331