Báo cáo bài tập lớn hệ thống nhúng và thiết kế giao tiếp nhúng đề tài hệ thống điều khiển tàu lượn khu vui chơi

Trong báo cáo này, nhóm chúng em triểnkhai thiết kế và mô phỏng hệ thống nhúng cho Điều khiển tàu lượnkhu vui chơi, mục đích của hệ thống là điều khiển tàu chạy đúng tốc độ để không bị t

111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC

VÀ THIẾT KẾ GIAO TIẾP NHÚNG

Đề tài: Hệ thống điều khiển tàu lượn khu vui chơi

Giảng viên: TS Phạm Văn Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Phú Lâm

201826 27

2 Lê Tuấn Anh

201823 39

3 Lê Đức An

201823 25

Hà Nội, năm 2023

MỤC LỤC

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I Xác lập chỉ tiêu kỹ thuật

I.1 Tìm hiểu về trò chơi tàu lượn siêu tốc

I.1.1 Các bộ phận 5

I.1.2 Vật lý 5

I.2 Các yêu cầu hệ thống

I.2.1 Yêu cầu chức năng hệ thống 6

I.2.2 Yêu cầu đáp ứng thời gian thực 6

I.3 Đề xuất bài toán thực

CHƯƠNG II Mô hình hóa hệ thống

II.1 Mô hình hóa hệ thống sử dụng UML

II.1.1 Mô hình FSM: 8

II.1.2 Mô hình USE CASE 8

II.2 Mô hình hóa các tham số của tàu lượn

II.3 Mô hình hóa hệ thống sử dụng SystemC và biên dịch chéo

II.3.1 Mô hình hóa hệ thống sử dụng SystemC 9

II.3.2 Biên dịch chéo cho thiết kế 11

II.4 Tổng hợp hệ thống lên phần cứng kit FPGA DE2

II.4.1 Bổ sung thêm các module 13

II.4.2 Tạo constraint file 13

II.4.3 Kết quả 14

CHƯƠNG III Đồng thiết kế cứng mềm

III.1 System Sppecification

III.2 Sơ đồ ASMD

III.3 Allocation

CHƯƠNG IV Thiết kế giao tiếp ngoại vi

IV.1.1 Specification 21

IV.1.2 Connection 22

IV.2 Proximity sensor

IV.2.1 Specification 23

IV.2.2 Connection 24

IV.3 Measure Speed Using IC FC-03

IV.3.1 Specification 25

II.1.2 Connection 25

CHƯƠNG V Biên dịch phần mềm hệ thống

V.1 Điều khiển động cơ bằng IC L298

V.1.1 Yêu cầu thiết bị 27

V.1.2 Sơ đồ nối dây : 30

V.1.3 Điều khiển động cơ 31

V.2 Đọc tốc độ tàu trượt từ cảm biến hồng ngoại

V.2.1 Yêu cầu thiết bị : 33

V.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 34

V.2.3 Mã nguồn biên dịch 35

CHƯƠNG VI Báo cáo cá nhân

VI Hệ thống đo tốc độ tàu trượt từ đường ray bằng cảm biến hồng ngoại

VI.1 Xác định yêu cầu kỹ thuật 37

VI.2 Sơ đồ thiết kế mạch 38

VI.3 Mã nguồn biên dịch 39

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Thời gian gần đây, các Hệ thống nhúng – Thời gian thực đượcquan tâm nhiều hơn ở Việt Nam, và trên thế giới thì các hệ thốngnày đã và đang được phát triển mạnh mẽ và là xu hướng thịnh hành

ở các nước Công nghiệp vì những lợi ích to lớn, thiết thực mà nómang lại Chương trình học môn Hệ thống nhúng và thiết kế giaotiếp nhúng là một phần quan trọng giúp hiểu rõ quy trình thiết kế,đánh giá hệ thống nhúng Trong báo cáo này, nhóm chúng em triểnkhai thiết kế và mô phỏng hệ thống nhúng cho Điều khiển tàu lượnkhu vui chơi, mục đích của hệ thống là điều khiển tàu chạy đúng tốc

độ để không bị trật bánh, rơi

CHƯƠNG I Xác lập chỉ tiêu kỹ thuật

I.1 Tìm hiểu về trò chơi tàu lượn siêu tốc

I.1.1 Các bộ phận

Tàu lượn siêu tốc là một loại trò giải trí có sử dụng một đường ray xe lửa trên cao được thiết kế với những cú ngoặt đột ngột, sườn dốc, và đôi khi là những đường ray lộn ngược vòng Tàu lượn siêu tốc

là một cỗ máy phức tạp Nó có hình dáng giống một đoàn tàu nhưng lại vận hành không cần động cơ mà chỉ dựa chủ yếu vào quán tính

và trọng lực

Để giữ cho đoàn tàu lượn vận hành an toàn từ khi khởi hành tới lúc dừng lại, ta cần sự phối hợp của một vài thành phần khác nhau Đầu tiên là xích nâng – một sợi xích dài bên dưới đường ray, chạy lên sườn dốc nghiêng, nó cho phép đoàn tàu có thể chậm rãi đi lên đoạndốc đầu tiên Cấu trúc của nó khá đơn giản: nó được kết nối với một

hệ thống kéo sử dụng motor đặt ở đầu vào cuối con dốc thông qua bánh răng Đồng thời, mặt dưới của tàu lượn cũng có nhiều thanh móc để kết nối với sợi xích một cách an toàn khi nó được kéo lên dốc Khi lên tới đỉnh, sợi xích sẽ được thả ra để tàu có thể dễ dàng dichuyển

Nhiều mẫu tàu lượn đời mới thì được trang bị hệ thống đẩy có sử dụng nam châm điện để tạo ra động năng lớn nhanh hơn Nhờ vậy

mà kiểu tàu lượn này có tốc độ ban đầu đã rất cao mà không cần sử dụng tới đoạn dốc nghiêng đầu

Một khi đã rời khởi hệ thống hỗ trợ, trọng lực sẽ đảm nhận nốt nhiệm

vụ trên quãng đường ray còn lại hoặc cho tới khi tàu gặp một hệ thống đẩy/kéo khác đặt trên đường Tiếp đó, một hệ thống phanh bằng kẹp sẽ được tích hợp vào đường ray để giúp tàu ngừng lại Một

hệ thống máy tính sẽ nhận biết khi mà tàu đến điểm hãm tốc, sau

đó, hệ thống thanh kẹp sẽ bám lấy thanh móc gắn dưới gầm của tàulượn để giảm tốc và làm con tàu dừng lại

I.1.2 Vật lý

Tàu lượn siêu tốc hoạt động phần lớn là nhờ tác dụng của thế năng và động năng Khi đoàn tàu dần được kéo lên dốc (hoặc được kéo đi bằng nam châm), nó dần tích lũy một lượng thế năng lớn Banđầu đoàn tàu leo lên càng cao thì trọng lực lại càng kéo nó đi xa hơn

Một khi đầu tàu chạm đến đỉnh dốc đầu tiên và bắt đầu chuyển độngxuống dưới, do tác động của trọng lực, toàn bộ thế năng tàu tích lũy được sẽ chuyển hóa thành động năng Phần năng lượng này sẽ kéo các toa xe đi xa, khi ấy, độ nghiêng của đường ray sẽ quyết định tốc

độ "đổ đèo" của cả đoàn tàu

Nhờ vào định luật thứ nhất về chuyển động của Newton (một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động), đoàn tàu siêu tốc sẽ tiếp tục duy trì vận tốc ngay cả khi đang lên một con dốc khác bởi vì

nó không hề gặp phải một trướng ngại vật nào Khi lên dốc, nó lại tạo ra thế năng, phần năng lượng này sẽ lại chuyển hóa thành động năng khi nó xuống dốc Đây chính là lý do tại sao nhiều tàu lượn siêutốc lại đi qua không chỉ một đoạn dốc – đó là phương thức vật lý để tiếp tục chuỗi chuyển động của đoàn tàu

Những tàu lượn siêu tốc ngày nay có rất nhiều đặc điểm mới, từ khởiđộng nhanh, nhiều thay đổi về đường ray, tới những pha nhào lộn bất chấp trọng lực Nhưng dù có thế nào đi chăng nữa thì vật lý vẫn

sẽ luôn là cái cốt lõi của loại trò chơi này

I.2 Các yêu cầu hệ thống

I.2.1 Yêu cầu chức năng hệ thống

 Hệ thống xác định được vị trí của tàu trên đường ray

 Hệ thống kiểm soát được tốc độ của tàu

 Hệ thống đưa ra các thông tin về chuyến đi : tổng cân nặng,tốc độ hiện tại, loại đường ray tàu đi qua, độ lớn lực bổ sungcần tác dụng

 Hệ thống đưa ra cảnh báo dừng khẩn cấp nếu không thể cungcấp được lực bổ sung để tàu chạy ổn định

I.2.2 Yêu cầu đáp ứng thời gian thực

 Hệ thống tính toán, cung cấp lực bổ sung kịp thời dựa trên tốc

độ hiện tại của tàu, thời gian đáp ứng của hệ thống

 Hệ thống đưa ra cảnh báo dừng khẩn cấp ngay khi tính toán rarủi ro

I.3 Đề xuất bài toán thực

Figure 1.1: Đường ray đề xuất

Giới hạn tốc độ của tàu tại đỉnh các track:

2 Track 3 : m v12

2 =

m v22

2 +mg⋅(2 R3)Suy ra v 3required ≤√v22+2mg (2R3)

Giả sử hệ thống nhận tín hiệu từ sensor tại track 1, tốc độ

(tính từ lúc hệ thống nhận tín hiệu từ cảm biến tiệm cận đến thời điểm bắt đầu tác dụng lực bổ sung lên tàu) Tính lực bổ sung hệ thống cần tác dụng lên tàu.

CHƯƠNG II Mô hình hóa hệ thống

II.1 Mô hình hóa hệ thống sử dụng UML

Công cụ sử dụng: Draw.io

II.1.1 Mô hình FSM:

Figure 2.1: Mô hình FSM

II.1.2 Mô hình USE CASE

Figure 2.2: Mô hình USE CASE

II.2 Mô hình hóa các tham số của tàu lượn

II.3 Mô hình hóa hệ thống sử dụng SystemC và biên dịch chéo.

Công cụ sử dụng: Vivado HLS

Ngôn ngữ sử dụng: SystemC

II.3.1 Mô hình hóa hệ thống sử dụng SystemC

a Các thành phần của thiết kế

Figure 2.3: Các thành phần trong thiết kế

b Kiểm tra thiết kế hệ thống:

 Khởi tạo xung đồng hồ clk

 Khai báo các tín hiệu trong file testbench

 Kết nối các tín hiệu này với các port trong file thiết kế

 Khởi tạo tín hiệu

Figure 2.4: Khởi tạo việc kiểm tra

c Kết quả kiểm tra thiết kế

Figure 2.5: Kết quả kiểm tra

II.3.2 Biên dịch chéo cho thiết kế.

a Lý thuyết biên dịch chéo

Trình biên dịch là phần mềm dịch mã máy tính được viết bằngngôn ngữ lập trình bậc cao sang ngôn ngữ máy Trình biên dịchchéo là một phần mềm có thể tạo mã thực thi cho các nền tảngkhác với nền tảng mà trình biên dịch đang chạy

Trong thiết kế được đề cập ở bài tập lớn này, thiết kế hệ thốngđược viết bằng SystemC, đây là một lớp của ngôn ngữ lập trìnhC/C++ Chúng em đã sử dụng công cụ tổng hợp mức cao – VivadoHLS để biên dịch chéo từ ngôn ngữ lập trình - SystemC sang ngônngữ mô tả phần cứng – HDL (Verilog/VHDL) Với kết quả thu được

có thể nạp lên kit FPGA

b Kết quả biên dịch chéo

Mỗi METHOD được tổng hợp thành một module tương ứng trong thư mục syn/verilog và syn/vhdl Các module này là một instance module trong module TOP của desgin.

Như kế quả được thể hiện ở hình 2.6, method control_speed đượctổng hợp thành module CONTROL_SPEED_control_speed.v,method alarm_signal được tổng hợp thành moduleCONTROL_SPEED_alarm_signal.v Đây là hai instance module củamodule top CONTROL_SPEED.v

Figure 2.6: Kết quả kiểm tra của biên dịch chéo

Interface của module CONTROL_SPEED được mô tả như hình 2.7 bêndưới

Figure 2.7: Interface của design

Figure 2.8: Utilization Estimates

II.4 Tổng hợp hệ thống lên phần cứng kit FPGA DE2

Công cụ sử dụng: Phần mềm Quartus, phần cứng kit FPGA DE2

và để có thể quan sát được sự thay đổi các tín hiệu thì khối chia tần

đã được sử dụng Pin đồng hồ lựa chọn là 50MHz, đầu ra i_clk có tần

số là 0.5MHz

Figure 2.10: Sơ đồ khối chia tần

II.4.2 Tạo constraint file.

Tạo file ràng buộc các input, output của thiết kế với các chân pin của kit FPGA, được minh hoạ ở hình 2.5 bên dưới

Figure 2.10: Constrain file

II.4.3 Kết quả.

Các sensor để lấy dữ liệu không đồng thiết kế với FPGA, nên một số tín hiệu đầu vào được lưu trữ tại một thanh ghi tạm, tại mỗi thời điểm sẽ gửi đi, điều này giúp phỏng tạo được thiết kế hoạt động

Figure 2.11: Các tham số được mô tả trong thiết kế

Vị trí của các tín hiệu được biểu diễn trên hình 2.4.3.1 bên dưới: Tại state IDLE, khối lượng đo được từ sensor là 1234, thoản mãn điều kiện về khối lượng tín hiệu báo màu xanh sáng lên

Figure 2.12: Kết quả triển khai trên kit FPGA

Sau khi các điều kiện đảm bảo an toàn được thỏa mãn, người điều khiển sẽ cho tàu chạy, tín hiệu này được mô tả bởi công tắc trên kit Các state tiếp theo được minh họa ở các hình bên dưới

Figure 2.15: State 3

STATE 3: Vận tốc là 23, lớn hơn giới hạn cho phép trong STATE 3, đèn báo giảm vận tốc sáng lên, có tính hiệu được khởi tới khối phanh

CHƯƠNG III Đồng thiết kế cứng mềm

III.1 System Sppecification

Figure 3.1: Sơ đồ mô tả hệ thống

III.2 Sơ đồ ASMD

III.3 Allocation

Figure 3.3: Sơ đồ Allocation

CHƯƠNG IV Thiết kế giao tiếp ngoại vi

IV.1 Digital Weight Sensor Module

Mô-đun cảm biến trọng lượng kỹ thuật số dựa trên mô-đun HX711, đây là bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số 24 bit chính xác được thiết kế cho cân trọng lượng Nó cũng được thiết kế cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với cảm biến cầu nối So với các chip khác, HX711 không chỉ có một số chức năng cơ bản mà còn có khả năng tích hợp cao, phản hồi nhanh, khả năng miễn dịch và các tính năng khác Con chip này cũng có chi phí thấp hơn so với các loại cân điện tử khác mà vẫn cải thiện hiệu suất

và độ tin cậy

IV.1.1 Specification

24-Bit Analog-to-Digital Converter for Weight Scales (HX711)

 Two selectable differential input channels

 On-chip active low noise PGA with selectable gain of 32, 64 and 128

 On-chip power supply regulator for load-cell and ADC analog power supply

 On-chip oscillator requiring no external component with optional external crystal

 On-chip power-on-rest

 Simple digital control and serial interface: pin-driven controls, no programming needed

 Selectable 10SPS or 80SPS output data rate

 Simultaneous 50 and 60Hz supply rejection

 Supply Voltage: 2.6V~5.5V

 Current: <1.6mA

 Working temperature: -40~85°C

 16 pin SOP-16 package

Weight Sensor Module

 Range:1kg

 Excitation voltage: 5-15 V

 Output sensitivity: 1.0±0.15mV/V

 Synthetical error: 1 per thousand cent of full scale

 Zero shift: 0.05/0.03 （30min（%F.S

 Zero temperature shift: 0.05/0.03 %F.S/10°C

 Zero output: ±0.1mV/V

 Overload capability: 200 %F.S

 Output: Analog output

 Size: 33mm*38mm

IV.1.2 Connection

Figure 4.1: Cấu trúc của sensor đo cân nặng

Figure 4.2: Sơ đồ kết nối của sensor đo cân nặng

Software Requirement :

https://codeload.github.com/DFRobot/DFRobot_HX711/zip/master

Figure 4.3: Install the weighing platform

IV.2 Proximity sensor

Công tắc tiệm cận thường sở hữu các đặc điểm của công tắc hành trình, công tắc vi mô và cảm biến Đây là công tắc tiệm cận kim loại 5V nhỏ với kích thước 27 10 6mm, có thể dễ dàng lắp đặt trong không gian chật hẹp Nó có đầu ra NPN (thường mở), khoảng cách phát hiện 4mm, tần số chuyển đổi 1000Hz Thời gian phản hồi dưới 1ms, nhanh chóng và ổn định Các cảm biến này được xếp hạng IP67, có thể chịu được phạm vi nhiệt độ từ -20℃~65℃ Vì vậy, cảm biến này có thể được sử dụng trong nhà và ngoài trời bất kể thời tiết.Công tắc lân cận này nên được vận hành ở mức 5V Nó không chỉ được sử dụng trong tự động hóa máy móc, thiết bị an ninh, chống trộm xe hơi và các hoạt động khác, mà còn được các nhà sản xuất

sử dụng với nhiều bảng điều khiển khác nhau để chuyển đổi đường băng rô-bốt, phát hiện tốc độ, v.v

IV.2.1 Specification

 Voltage: 5V

 Current: 30mA

 Detection Distance: 4mm

 Output: NPN (normally open)

 Detection Target: metal

 Wire Length: about 2m

 Sensing Type: inductive

 Protection: IP67

 Response Time: （1ms

 Dimension: 27106mm/1.060.390.24”

IV.2.2 Connection

Color Function Description

Black Signal Line Brown Power Input(5V)

Figure 4.4: Sơ đồ kết nối cảm biến tiệm cận

IV.3 Measure Speed Using IC FC-03

IV.3.1 Specification

 1 x Bộ thu phát ITR9608: chân số 2 có chứa diode phát tia hồng ngoại, chân số 1 chứa 1 phototransistor để thu nhận tín hiệu hồng ngoại

 1 x IC LM393

Các chân cắm:

 VCC: cảm biến chịu được mức điện áp từ 3.3 - 5V, chân này được nối với pin nguồn 5V của Arduino

 GND: nối với pin nguồn GND của Arduino

 DO: chân cho tín hiệu số đi ra của cảm biến (High / Low)

phototransistor không nhận được tín hiệu, chân DO được chuyển về

mức LOW

Dựa vào nguyên lý ngày, để lấy được số vòng quay của động cơ trong mộtkhoảng thời gian, chỉ cần đếm số lỗ mà FC-03 bắt được trong khoảng thời gian đó Tức là đếm số lần mà pin 2 của Arduino chuyển

từ HIGH sang LOW

Software :

Để bắt được sự thay đổi trạng thái của đầu ra DO trên FC-03, sử

nào đó ở phần cứng, tác vụ này được gọi ngầm định bởi chương trình Arduino đã hỗ trợ hàm thực hiện gọi interrupt, biến lưu số lỗ

mà FC-03 bắt được sẽ tăng một đơn vị khi ngắt xảy ra (pin 2 có hiện tượng chuyển từ HIGHT sang LOW)

V.1 Điều khiển động cơ bằng IC L298

Sử dụng IC L298 vừa để điều khiển 2 động cơ cùng lúc vừa cóthể điều xung PWM để cân bằng độ chênh lệch giữa 2 bánh xe

V.1.1 Yêu cầu thiết bị

 Arduino Uno R3

 Động cơ DC giảm tốc vàng 3V – 9V.

Arduino Uno R3 :

Arduino Uno R3 được sử dụng vi điều khiển ATmega328, tươngthích với hầu hết các loại Arduino Shield trên thị trường, có thể gắnthêm các module mở rộng để thực hiện thêm các chức năng nhưđiều khiển motor, kết nối wifi hay các chức năng khác. 

Sử dụng ngôn ngữ lập trình C,C++ hoặc Arudino, một ngônngữ bắt nguồn từ C,C++ trên phần mềm riêng cho lập trình ArduinoIDE

Các chân nguồn :

 Arduino Uno R3 được cấp nguồn 5V qua cáp usb hoặc cấpnguồn ngoài thông qua Adaptor chuyển đổi , với điện ápkhuyên dùng là khoảng 6-9V Có thể cấp nguồn từ máytính qua cổng usb về. 

 Các chân 5V, 3.3V là chân dùng để cấp nguồn đầu ra chocác thiết bị chứ không phải chân cấp nguồn vào

 Vin(Voltage Input): Dùng để cấp nguồn ngoài cho ArduinoUno, nối dương cực vào chân nà và cực âm vào chânGND