Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảm biến nhiệt độ giao tiếp và ghép nối máy tính qua giao thức USB lớp HID

Từ máy chủ người điều khiển có thể nhận biết được trạng thái hoạt động, thông tin sảm phẩm đồng thời cũng có thể lưu trữ, in ấn được các thông số này khi cần thiết 1.2:Thực trạng hiện na

TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC USB VÀ LỚP HID

Phân tích ưu điểm và nhược điểm của giao thức USB

2.3.1: Ưu điểm: Error! Bookmark not defined

2.3.2: Nhược điểm Error! Bookmark not defined.

Giới thiệu các lớp của giao thức USB

2.4.1: Lớp thiết bị âm thanh (Audio) Error! Bookmark not defined

2.4.2: Lớp thiết bị thẻ thông minh (Chip/Smart Card Interface) Error! Bookmark not defined

2.4.3: Các thiết bị truyền thông (Modems and Networks) Error! Bookmark not defined

2.4.4: Lớp thiết bị bảo mật thông tin Error! Bookmark not defined

2.4.5 Lớp các thiết bị nâng cấp firmware Error! Bookmark not defined

2.4.6:Lớp các thiết bị tương tác với con người (Human Interface) Error!

2.4.7:Cầu chuyển đổi hồng ngoại (IrDA) Error! Bookmark not defined

2.4.8: Lớp các thiết bị lưu trữ thứ cấp (Mass Storage) Error! Bookmark not defined

2.4.9:Lớp các thiết bị in ấn (Printers) Error! Bookmark not defined

2.4.11: Các thiết bị đo đạc và kiểm tra Error! Bookmark not defined

2.4.12: Lớp thiết bị ảnh động (Video) Error! Bookmark not defined

2.4.13: Thực hiện các chức năng không tiêu chuẩn Error! Bookmark not defined.

Lớp thiết bị giao diện người sử dụng (HID-Human Interface Device)

2.5.1: Khái niệm về HID Error! Bookmark not defined

2.5.2: Các yêu cầu về phần cứng Error! Bookmark not defined

2.5.3: Các yêu cầu về vi chương trình (Firmware) Error! Bookmark not defined

2.5.4: Cách thức để chỉ ra một thiết bị thuộc lớp HID Error! Bookmark not defined

2.5.5: Bộ mô tả báo cáo (Report Descriptor) Error! Bookmark not defined

2.5.6: Các yêu cầu mà host có thể gửi tới một thiết bị thuộc lớp HID Error!

Chọn chip

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG 1 DÂY Error!

3.1:Định nghĩa mạng truyền thông 1 dây Error! Bookmark not defined

3.2: Tổng quan về Bus 1 dây Error! Bookmark not defined

3.3: Các yêu cầu Error! Bookmark not defined

3.4:Hoạt động của bus 1 dây Error! Bookmark not defined

3.4: Mạng một dây và Vi điều khiển PIC Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG IV: TỔNG QUAN VỀ PIC 18F2550/4550 Error! Bookmark not defined

4.1: Giới thiệu PIC 18F2550/4550 Error! Bookmark not defined

4.2: Khái quát chức năng USB trong PIC Error! Bookmark not defined

4.2.1:Trạng thái và điều khiển USB Error! Bookmark not defined

4.2.2: Thanh ghi điểu khiển (UCON) Error! Bookmark not defined

4.2.3: Thanh ghi cấu hình USB (UCFG) Error! Bookmark not defined

4.2.5: Thanh ghi điều khiền USB ENDPOINT( UEPn) Error! Bookmark not defined

4.2.6: Thanh ghi trạng thái ngắt của giao thức USB Error! Bookmark not defined

4.2.7: Thanh ghi kích hoạt trạng thái ngắt của giao thức USB Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG V: GIỚI THIỆU CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20 Error! Bookmark not defined

5.1: Khái quát chung Error! Bookmark not defined

5.2: Cấu trúc phần cứng Error! Bookmark not defined

5.3:Hoạt động đo nhiệt độ Error! Bookmark not defined

5.4: Hoạt động báo hiệu Error! Bookmark not defined

5.5: Thanh ghi cấu hình và độ phân giải Error! Bookmark not defined

5.6: 8 Bit CRC Error! Bookmark not defined

5.7: Tập lệnh Error! Bookmark not defined

5.7.1: Lệnh ROM Error! Bookmark not defined

5.7.2: Lệnh chức năng bộ nhớ Error! Bookmark not defined

5.8: Chuẩn 1 dây với cảm biến DS18B20 Error! Bookmark not defined

5.8.1: Thời gian khởi động bus Error! Bookmark not defined

5.8.2: Thiết lập các Slots ở chế độ ghi cho Master Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MỘT SỐ CÁC ỨNG DỤNG Error!

6.2: Sơ đồ nguyên lý Error! Bookmark not defined

6.3: Mô-đun thu phát RF 8 phím bấm Error! Bookmark not defined

6.3.1: Mô-đun thu RF Error! Bookmark not defined

6.3.2: Mô đun phát RF (Remote 8 phím) Error! Bookmark not defined

6.4: LCD 16x2 Error! Bookmark not defined

6.5: Công cụ hỗ trợ Error! Bookmark not defined

6.6: Xây dựng giao diện trên máy tính bằng VB 6.0 Error! Bookmark not defined

6.8: Một số hình ảnh của sản phẩm Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

Phụ Lục 0: Chương trình xây dựng giao diện trên VB Error! Bookmark not defined

Phụ Lục 1: Chương trình REMOTE 8 phím Error! Bookmark not defined

Phụ Lục 2: Chương trình đo nhiệt độ và ghép nối máy tính qua cổng USB Error!

Phụ Lục 3: Thư viện chuẩn 1-dây Error! Bookmark not defined

Phụ Lục 4: Danh sách các chip có hỗ trợ giao thức USB Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1:Tầm quan trọng của truyền thông và ghép nối máy tính với ngànhTự động hóa

Trong các nhà máy và xí nghiệp hiện nay, mọi hệ thống và thiết bị đều có thể liên lạc và trao đổi thông tin với nhau Điều này là nền tảng cho tự động hóa công nghiệp và quản lý vận hành hiệu quả hơn nhờ sự kết nối giữa các thiết bị qua nhiều chuẩn truyền dẫn khác nhau Thông qua các chuẩn truyền dẫn đa dạng, dữ liệu được tích hợp và chia sẻ giữa các hệ thống như PLC, SCADA và các thiết bị IoT công nghiệp, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất làm việc.

Chính điều này đã tạo nên sự hoạt động hài hòa giữa các thiết bị trong hệ thống

Ngoài việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị, chúng phải được kết nối để đưa dữ liệu về máy chủ Từ máy chủ, người điều khiển có thể nhận biết trạng thái hoạt động và thông tin sản phẩm, đồng thời hệ thống có thể lưu trữ và in ấn các thông số khi cần thiết.

1.2:Thực trạng hiện nay Hiện nay giao thức RS-232 được sử dụng phổ biến nhất để thực hiện việc ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Tuy nhiên giao thức này đã quá lỗi thời vì tốc độ truyền hạn chế và khả năng linh hoạt không cao Chính vì vậy, các máy tính hiện đại đều đã tháo bỏ, chỉ còn lại các cổng giao thức USB Vì vậy để có thể ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính hiện đại các nhà thiết kế đã sử dụng các giải pháp sau:

Một là sử dụng mô đun chuyển đổi USB-COM (Hình 1.1) Hai là sử dụng chip chuyển đổi USB-COM (Hình 1.2)

Hình 1.1 Mô đun chuyển đổi USB qua COM

Hình 1.2 Chip chuyển đổi USB-COM (PL2303)

Nhìn trên nhiều phương diện, đây là vấn đề lớn cho mỗi nhà tiết kế cần cân nhắc

- Xét về mặt kinh tế: Thêm Mô-đun chuyển đổi hay Chip chuyển đổi đều làm tăng giá thành của sản phẩm

Xét về mặt kỹ thuật, USB có tốc độ truyền dữ liệu rất cao, lên tới khoảng 12 Mbit/s ở chế độ full-speed, trong khi RS-232 chỉ đạt khoảng 20 Kbit/s Đây là minh chứng cho nguyên lý truyền thông cổ chai, tức là một điểm nghẽn băng thông giữa các giao thức gây hạn chế hiệu suất hệ thống Vì vậy, khi thiết kế các ứng dụng, cần tránh để bị giới hạn bởi điểm nghẽn này và tối ưu hoá cách thức truyền nhận dữ liệu để tận dụng ưu thế của USB.

Xét về lợi ích cho người dùng, các thiết bị được nêu trên mang lại nhiều ưu điểm về tính năng và hiệu suất, nhưng chúng vẫn yêu cầu driver riêng để hoạt động Thêm vào đó, tính ảo hóa của các thiết bị này đã gây ra một số trở ngại cho người dùng trong quá trình cài đặt và vận hành, ảnh hưởng tới trải nghiệm và sự tiện lợi khi sử dụng.

Để giải quyết vấn đề này, đề tài đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất một giải pháp công nghệ mới nhằm khắc phục những yếu điểm trước đây Giải pháp này tập trung vào việc ghép nối trực tiếp các thiết bị ngoại vi với máy tính thông qua giao thức USB, tối ưu hóa hiệu suất, độ ổn định và khả năng tương thích của hệ thống.

Thiết kế và lập trình ứng dụng sử dụng giao thức USB/lớp HID bao gồm những phần sau:

- Tổng quan về giao thức USB

- Giới thiệu chip có hỗ trợ giao thức USB, PIC18F2550/4550 -Thiết kế và lắp rápbàn phím không dây dạng thu nhỏ và mạch đo nhiệt độ

- Tìm hiểu sự hỗ trợ của Hệ điều hành với các lớp trong giao thức USB

- Xây dựng chương trình giao diện trên Windowsbằng VB 6.0 để cập nhật giá trị

Viết firmware cho vi điều khiển nhằm để hệ điều hành có thể tự động nhận diện thiết bị và hoạt động như một thiết bị plug-and-play mà không cần driver Bằng cách áp dụng các chuẩn giao tiếp phổ biến, như USB HID, thiết bị có thể tương thích với các hệ điều hành hiện có và nhận diện ngay giống như bàn phím, chuột và các thiết bị ngoại vi khác Việc tối ưu hóa firmware để tự động nhận diện sẽ cải thiện trải nghiệm người dùng, giảm thiểu công sức cài đặt và hỗ trợ kỹ thuật, đồng thời tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm trên thị trường Đây là hướng đi tiềm năng cho các dự án vi điều khiển, giúp thiết kế có tính tương thích cao và dễ tích hợp với nhiều hệ điều hành.

Trong đề tài này, cảm biến nhiệt độ DS18B20 được dùng để đo nhiệt độ môi trường và truyền dữ liệu về vi điều khiển Trên thị trường hiện nay có hai loại cảm biến nhiệt độ phổ biến: cảm biến có tín hiệu đầu ra liên tục (analog temperature sensor) và cảm biến có đầu ra số (digital temperature sensor) Với các cảm biến có tín hiệu liên tục, đầu ra hầu như là điện áp, còn với cảm biến số là một chuẩn truyền thông nhất định, có thể là I2C, SPI hoặc UART Riêng cảm biến DS18B20 sử dụng chuẩn truyền thông 1-Wire Thông qua cảm biến này, đề tài giới thiệu một giải pháp khá đơn giản trong lĩnh vực truyền thông: mạng truyền thông 1-Wire.

- Sơ đồ khối cho các mô hình:

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC USB VÀ LỚP HID 2.1: Giới thiệu sơ bộ về giao thức USB

Hình 2.1 Đầu cắm USB (type A)

USB (Universal Serial Bus) là một giao thức cho phép kết nối giữa các thiết bị ngoại vi và máy tính chủ, mang lại sự đơn giản, khả năng mở rộng và tốc độ truyền dữ liệu cao cho người dùng Giao thức này được phát minh và phát triển bởi Ajay Bhatt khi ông làm việc tại Intel USB đã thay thế cho nhiều giao thức đa dạng và phức tạp cũ như cổng giao tiếp nối tiếp và cổng giao tiếp song song, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ kết nối thiết bị máy tính.

USB có thể kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi như chuột máy tính, bàn phím, máy in, camera kỹ thuật số, ổ đĩa flash và ổ đĩa di động Nhờ tính tương thích cao và khả năng plug‑and‑play, USB cho phép truyền dữ liệu và cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi một cách nhanh chóng và ổn định Kể từ khi ra đời, USB đã trở thành giao thức kết nối tiêu chuẩn cho các thiết bị này, góp phần mở rộng khả năng kết nối và di động cho hệ thống máy tính.

USB ban đầu ra đời dành riêng cho máy tính cá nhân, nhưng theo thời gian nó đã trở nên phổ biến và được tích hợp trên nhiều thiết bị di động như smartphone, PDA và cả các thiết bị chơi game điện tử, cho thấy USB đã chuyển từ một chuẩn kết nối dành cho máy tính sang một giao thức dữ liệu đa năng phục vụ mọi thiết bị và người dùng.

Khác với các chuẩn truyền thông cũ như RS-232 và cổng Parallel, USB cung cấp nguồn điện sẵn cho các thiết bị ngoại vi Vì vậy, khi kết nối qua cổng USB, các thiết bị ngoại vi thường không cần nguồn cấp riêng, trừ các thiết bị đòi hỏi công suất lớn.

2.2:Quá trình phát triển giao thức USB Một nhóm gồm 7 công ty bắt đầu tìm hiểu và phát triển giao thức này từ năm 1994gồm Compaq, NEC, DEC, IBM, Intel, Cortel và Microsoft

USB 1.0 ra đời vào tháng 1 năm 1996 với tốc độ truyền 1.5 MBit/s (Low speed) USB 1.1 được công bố vào tháng 9 năm 1998 với hai cấp tốc độ truyền 1.5 MBit/s (Low speed) và 12 MBit/s (Full speed), bổ sung thêm một kiểu truyền thông mới “interrupt OUT” Tháng 4 năm 2000 USB 2.0 ra đời với 3 cấp tốc độ truyền 1.5 MBit/s (Low speed), 12 MBit/s (Full speed), 480 MBit/s (High speed) Ngày 12 tháng 11 năm 2008 USB 3.0 ra đời với tốc độ truyền 5 GBit/s Sản phẩm sử dụng USB 3.0 đầu tiên được ra đời sau khi chuẩn USB 3.0 được công bố.

( Trong đồ án này chỉ tìm hiểu về giao thức USB 2.0 Full speed) 2.3: Phân tích ưu điểm và nhược điểm của giao thức USB

2.3.1.1:Đối với người sử dụng

USB có tính linh hoạt cao và đủ để tương thích với nhiều loại thiết bị ngoại vi, giúp loại bỏ việc phải chế tạo nhiều kiểu đầu cắm cho từng thiết bị khác nhau Với một chuẩn kết nối USB duy nhất, người dùng có thể kết nối nhanh chóng và tiện lợi với các thiết bị như chuột, bàn phím, ổ đĩa ngoài và nhiều phụ kiện khác, tối ưu hóa sự tiện dụng và giảm thiểu sự phức tạp trong quá trình kết nối.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG 1 DÂY

Mạng một dây và Vi điều khiển PIC