Điều khiển robot từ xa sử dụng sóng wifi,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Thiết bị điều khiển từ xa là thiết bị điều khiển không dây sử dụng bằng sóng radio nhằm mang lại sự linh hoạt, không gian trong vận hành hệ thống thiết bị, tăng cường hiệu quả trong sản

Thuộc nhóm ngành Điện- Điện tử

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: Tự động hóa và điều khiển, Điện- Điện tử

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4

Giáo viên hướng dẫn: Lê Mạnh Tuấn

Tp HCM, 05/2013

- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỪ XA SỬ DỤNG SÓNG WIFI

- Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh

- Lớp: Tự động hóa và điều khiển

Khoa: Điện- Điện tử Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4

- Người hướng dẫn: Lê Mạnh Tuấn

2 Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu giao thức truyền tin qua mạng

- Thiết kế phần cứng DAQ

- Điều khiển từ xa sử dụng hệ DAQ và Wifi

3 Kết quả nghiên cứu:

- Đưa ra được sản phẩm phần cứng Card DAQ

- Sử dụng Card DAQ và máy tính điều khiển Robot từ xa qua sóng Wifi

4 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng

và khả năng áp dụng của đề tài:

- Card DAQ giao tiếp máy tính là công cụ để phục vụ nghiên cứu và học tập của sinh viên

- Hướng ứng dụng điều khiển từ xa sử dụng sóng Wifi có khả năng áp dụng trong nhà máy có điều kiện làm việc khắc nghiệt, độc hại, sử dụng trong mục đích quân

sự như rà phá bom mìn, điều khiển xe quân sự, phục vụ công tác đào tạo, mô phỏng lái xe…vv

CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:

Họ và tên: Nguyễn Đức Thịnh

Sinh ngày: 29 tháng 11 năm 1990

Nơi sinh: ĐăkLăk

Lớp: Tự động hóa và điều khiển Khóa: 50

Khoa: Điện- Điện tử

Điện thoại: 0973.702.785 Email: nguyenducthinh6789@gmail.com

II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến

MỤC LỤC

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 5

2 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 5

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

1.1 K Ỹ THUẬT MẠNG KHÔNG DÂY 8

1.1.1 Giới thiệu 8

1.1.2 Chuẩn Wireless LAN – IEEE 802.11 8

1.1.3 Ứng dụng mạng không dây 9

1.1.4 Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây 9

1.1.4.1 Giới thiệu 9

1.1.4.2 DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum 10

1.3 WLAN Media Access Control 11

1.3.1 CSMA/CA 11

1.3.2 RTS/CTS 12

1.4 Các mô hình m ạng không dây 13

1.4.1 Mô hình Ad-Hoc 13

1.4.2 Mô hình Infrastructure 1 13

1.4.3 Mô hình Infrastructure 2 14

1.4.4 Roaming 15

1.4.5 Các mô hình khác 15

1.5 B ảo mật trong mạng không dây 17

1.6 Các thi ết bị sử dụng trong mạng không dây 18

1.6.1 Wireless LAN card 18

1.6.1.1 Giới thiệu 18

1.6.2 Access Point 20

1.6.2.1 Đặc tính 20

1.6.2.2 Nguyên tắc khi lắp đặt Access Point 20

1.6.3 Anten 20

1.2 T ỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL) 22

1.2.1 Định nghĩa và khái niệm 22

1.2.1.1 Bộ chuyển đổi (Transducer) và cảm biến (Sensor) 22

1.2.1.2 Dây nối và cáp truyền thông 22

1.2.1.3 Xử lý tín hiệu (Data conditioning) 23

1.2.1.4 Phần cứng thu thập dữ liệu 23

1.2.1.5 Phần mềm thu thập dữ liệu 23

1.2.1.6 Máy chủ 24

1.2.2 Cấu hình hệ DAQ 24

2.1 TỔNG QUAN VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F2455/2550/4455/4550 25

2.1.1 BỘ NHỚ 27

2.1.2 KHỐI TIMER 28

2.1.3 KHỐI CAPTURE/SO SÁNH/PWM (CCP) 29

2.1.4 KHỐI USB (Universal Serial Bus) 30

2.1.5 KHỐI BIẾN ĐỔI AD 10 BIT 31

2.1.6 NGẮT 33

2.2 CỔNG USB 35

2.2.1 CỔNG USB 35

2.2.2 MÔ HÌNH BUS USB 36

2.2.3 CÁC KIỂU TRUYỀN USB 38

2.2.3.1 Truyền điều khiển (Control Transfers): 39

2.2.3.2 Truyền ngắt (Interrupt Transfers): 39

2.2.3.3 Truyền theo khối (Bulk Transfers): 39

2.2.3.4 Truyền đồng bộ (Isochronous Transfers): 39

2.2.4 GIAO DIỆN VẬT LÝ BUS USB 39

2.2.5 GIAO THỨC TRUYỀN 42

2.2.5.1 Các trường trong truyền thông USB 42

2.2.5.2 Các loại gói trong truyền thông USB 44

2.2.6 CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN USB 45

2.2.6.1 Truyền điều khiển 45

2.2.6.2 Truyền ngắt 47

2.2.6.3 Truyền đồng bộ (Isochronous Transfers) 48

2.2.6.4 Truyền khối (Bulk Transfers) 48

2.2.7 ĐIỂM DANH VÀ GÓI PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 49

2.2.7.1 Điểm danh 49

2.2.7.2 Phần mềm điều khiển 54

3.1 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA CARD DAQ 56

3.2 PHẦN LẬP TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU TRÊN MÁY TÍNH VỚI LABVIEW2009 56

3.3 LẬP TRÌNH TCP/IP VỚI LABVIEW 2009 57

3.3.1 Lập trình TCP/IP truyền dữ liệu từ máy tính Sever tới máy tính Client 57

PHẦN GIỚI THIỆU

DANH SÁCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Cao Xuân Anh

ĐIỀU KHIỂN ROBOT TỪ XA SỬ DỤNG SÓNG WIFI

Nhiệm vụ của đề tài này gồm thiết kế & chế tạo phần cứng và phần mềm Robot điều khiển

từ xa

Ph ần cứng: Mạch giao tiếp máy tính (DAQ), Robot điều khiển từ xa

Phần mềm: Viết phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu trên máy vi tính

Cuối cùng là thử nghiệm, hiệu chỉnh phần mềm, phần cứng phù hợp với yêu cầu chức năng của đề tài

GI ỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Điều khiển không dây không phải là một lĩnh vực mới mẻ trong những thiết bị tự động hóa ngày nay Có rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết từng bài toán kỹ thuật cụ thể trong công nghiệp và cả những thiết bị dân dụng tiện ích Kết nối mạng không dây giải trí chỉ là điểm sơ khởi của cuộc cách mạng không dây Giờ đây, Wi-Fi, 3G có thể tạo nên một cuộc “cách mạng tự động hóa lần thứ hai” với chi phí thấp và đơn giản hơn rất nhiều Nền tảng của cuộc cách mạng này là sự kết nối hàng ngang của các thiết bị số, từ điện thoại thông minh, máy tính, tablet đến các thiết bị dân dụng Với những ứng dụng thiết thực đấy

nhóm chọn đề tài “Điều khiển Robot từ xa sử dụng sóng Wifi” làm nghiên cứu khoa học

của mình

- Tổng quan về một hệ thống điều khiển qua mạng Wifi

- Thiết kế phần cứng phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra

- Xây dựng một số ứng dụng tiêu biểu trên nền phần cứng và phần mềm đã thiết kế Thiết bị điều khiển từ xa là thiết bị điều khiển không dây sử dụng bằng sóng radio nhằm mang lại sự linh hoạt, không gian trong vận hành hệ thống thiết bị, tăng cường hiệu quả trong sản xuất, mang đến sự an toàn cho người vận hành hệ thống, đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điều khiển, không có điểm mù vì vậy yêu cầu phải thiết kế bộ điều khiển phù hợp với hoàn cảnh và môi trường của hệ thống đặt vào Đề tài chỉ tập trung vào giải quyết những vấn đề chung của bài toán điều khiển vì vậy lựa chọn phương án thiết kế mạch giao tiếp máy tính làm công cụ giao tiếp giữa phần mềm và phần cứng Sử dụng máy tính đề phát triển thuật toán của mình Đây là phương pháp hướng vào cách giải quyết chung khả thi cao và nhanh chóng áp dụng được lý thuyết vào thực tiễn

Quá trình nghiên cứu gồm các giai đoạn

3.1 Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu chung trong và ngoài nước

Bằng cách tham khảo các nguồn thông tin từ giảng viên, tham khảo những diễn đàn trong nước cũng như nước ngoài Nhóm đã định hình được nhiệm vụ phải làm trong thời gian nghiên cứu, cụ thể:

Phương án 1: Sử dụng phương pháp xây dựng từng module có chức năng riêng (Module

Wifi, Module Điều khiển, Module hiển thị) Đây là phương án hướng vào sản phẩm thực tế

và phải tối ưu phần cứng cũng như phần mềm Trong giới hạn kiến thức cũng như kinh nghiệm làm việc thì nhóm phải cần có thời gian nghiên cứu và kiến thức chuyên sâu để làm được điều này

Phương án 2: Sử dụng hệ thống DAQ tự thiết kế Phương pháp này đang được áp dụng

nhiều trong giáo dục và đào tạo Nhờ sự trợ giúp của máy tính nâng cao thời gian xử lý, trực quan và dễ tối ưu phần điều khiển của mình Phương án này là bản lề cho phương án

1, phát triển ý tưởng, trực quan hóa thuật toán của mình, trên cơ sở đó thực hiện sản phẩm

hoàn thiện Hệ DAQ làm cầu nối giữa phần cứng và phần mềm trên máy tính qua đó còn giải quyết được nhiều bài toán điều khiển khác ngoài nội dung của đề tài này với chi phí thấp Do đó Card DAQ có thể làm phương tiện học tập nghiên cứu hữu hiệu và thiết thực cho sinh viên sau này

3.2 Lựa chọn phần cứng phù hợp

Trên cơ sở những phân tích đánh giá trên nhóm quyết định phát triển Card DAQ sử dụng những linh kiện phổ thông nhưng vẫn đảm bảo được những yêu cầu đặt ra Tham khảo những chức năng của sản phẩm Card DAQ hiện nay và tinh chỉnh lại theo chức năng của mình

3.3 Tham khảo tài liệu

Nguồn tài liệu tham khảo vô cùng phong phú từ các sách chuyên đề, các môn học chính quy, mạng Internet, … bên cạnh đó là ý kiến trực tiếp từ giảng viên và các bạn trên diễn đàn chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung

1.1 KỸ THUẬT MẠNG KHÔNG DÂY

1.2 TỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)

Chương đầu trình bày những hiểu biết về mạng không dây, những phương thức kết nối thông dụng Phần tiếp theo trình bày tổng quan về hệ DAQ : phần cứng trong hệ, phương thức kết nối và cấu hình của một hệ DAQ sử dụng vào ra tập trung

1.1 K Ỹ THUẬT MẠNG KHÔNG DÂY

1.1.1 Gi ới thiệu

Khái niệm mạng không dây (Wireless Network) là một khái niệm rất rộng, nó tương

tự như mạng có dây mà chúng ta đã học nhưng có một điều khác nhau quan trọng là

mạng không dây dùng sóng để làm phương tiện truyền dẫn chủ yếu Trong đề tài này nhóm chỉ tập trung tìm hiểu mạng nội bộ không dây (Wireless LAN) để phục vụ cho việc điều khiển Robot

1.1.2 Chu ẩn Wireless LAN – IEEE 802.11

Hình 1.1

M ột số chuẩn thông dụng

Tổ chức IEEE chịu trách nhiệm phát triển các chuẩn mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Networking Standards)

Tổ chức IEEE dựa trên công nghệ mạng cục bộ để phát triển chuẩn đầu tiên cho

mạng cục bộ không dây (IEEE 802.11) IEEE 802.11 có framework giống như chuẩn Ethernet, điều này đảm bảo sự tương tác giữa các tầng ở mức cao hơn và sự kết nối dễ dàng giữa các thiết bị Ethernet và WLAN IEEE xem xét lại chuẩn này vào năm 1999

và nhắm tới kết nối RF(Radio Frequency) với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn Kết quả

là chuẩn 802.11b ra đời và mô tả riêng cho sự kết nối RF LAN với tốc độ 11Mbps Chuẩn 802.11 là chuẩn được thiết kế cố định ban đầu, do đó một số nhóm mở rộng được gán vào tên chuẩn nhằm mục đích định nghĩa các cải tiến mới

chất lượng của dịch vụ

IEEE802.11f Cho phép các Access Point của nhiều nhà sản xuất khác nhau có

thểlàm việc được với nhau

IEEE802.11g Sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu cao hơn (

cổ điển ta gặp rất nhiều khó trong những điều kiện môi trường và địa lý đặc biệt

Mạng không dây là một giải pháp tốt trong các điều kiện và môi trường sau:

- Xây dựng các mạng tạm thời

- Môi trường, địa hình phức tạp không thể đi dây được như: đồi núi, hải đảo…

- Toà nhà không thể đi dây mạng hoặc người dùng thường xuyên di động như: nhà hàng, khách sạn, bệnh viện…

- Những nơi phục vụ Internet công cộng như: nhà ga, sân bay, trường học…

1.1.4 K ỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây

1.1.4.1 Gi ới thiệu

Hình 1.2

Các kỹ thuật dùng trong chuẩn 802.11

Chuẩn 802.11 định nghĩa một số phương thức và kỹ thuật truyền khác nhau cho mạng nội bộ không dây Chuẩn này bao gồm cả kỹ thuật RF(Radio Requency) và IR(Infra Red) Các kỹ thuật truyền dùng trong mạng không dây dựa trên nguyên lý trải phổ, thay vì truyền trên một tần số dễ bị nhiễu và mất mát dữ liệu thì chúng ta truyền tín

hiệu trên nhiều tần số song song hoặc luân phiên Kỹ thuật trải phổ được dùng rất nhiều trong mạng không dây vì kỹ thuật này chống nhiễu và bảo mật tốt Các kỹ thuật truyền tín hiệu dùng trong 802.11:

- Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS)

- Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS)

- Kỹ thuật truyền song song các sóng mang có tần số trực giao với nhau (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM)

Các thiết bị không dây hiện nay trên thị trường hầu hết đều sử dụng kỹ thuật truyền tín hiệu DSSS, do đó chúng ta chỉ tập trung tìm hiểu sâu về kỹ thuật này, các kỹ thuật khác chúng ta có thể tham khảo tại địa chỉ: http://www.webopedia.com/TERM/F/FHSS.html

1.1.4.2 DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum

DSSS là kỹ thuật cho phép tín hiệu truyền đi được trải trên nhiều tần số hoạt động đồng thời nhằm giảm đến mức tối thiểu sự nhiễu và mất mát dữ liệu Tín hiệu ban đầu được kết hợp với một tín hiệu hệ thống (tín hiệu này gọi là chipping code) trước khi truyền trên môi trường sóng Tín hiệu được trải trên 7 hoặc 11 tần tùy theo chiều dài của chipping code Theo tổ chức FFC (Federal Communications Commission) quy định băng

tần hoạt động của DSSS là 900 MHz (902 - 928MHz) và 2.4GHz (2.4 -2.483GHz)

Hình 1.3

Mô tả kỹ thuật DSSS

Dữ liệu dạng bit của người dùng tại máy gởi kết hợp với giá trị chip code (trong hình trên thì chiều dài chip code là 7 bit) của hệ thống với phép toán XOR, kết quả đạt được là 7 bit sẽ được truyền trên 7 tần số khác nhau Khi đến máy nhận các bit này

cũng sẽ kết hợp với chip code với phép toán XOR, nếu số bit 1 trong kết quả nhận được nhiều hơn số bit 0 thì dữ liệu được nhận là bit 1, ngược lại dữ liệu nhận được là bit 0 Với cách hoạt động trên kỹ thuật DSSS có độ bảo mật cao vì các máy nhận dữ liệu

phải biết trước chip code, đồng thời khi có tác nhân làm nhiễu một phần của dãy tần thì

ngẫu nhiên nên các máy trạm đang đợi sẽ gởi dữ liệu lại tín hiệu vào những thời điểm khác nhau (tránh được đụng độ) Nếu máy trạm 1 lắng nghe không thấy máy trạm nào khác truyền tín hiệu thì máy trạm này bắt đầu truyền Data Frame Bên máy nhận, sau khi nhận hoàn tất dữ liệu, máy này sẽ gởi một tín hiệu ACK (Acknowledgment

S ignal) đến máy trạm 1 để thông báo quá trình truyền nhận dữ liệu đã thành công

1.3.2 RTS/CTS

Hình 1.5

Mô phỏng mạng không dây

Trong hình trên chúng ta quan sát thấy: máy 1 nhìn thấy máy 2, máy 2 nhìn thấy máy 1

và máy 3, máy 3 chỉ nhìn thấy máy 2 Tóm lại máy 1 không nhìn thấy máy 3 Vấn đề Node ẩn xuất hiện trong mạng kết nối một điểm đến nhiều điểm (point to multi-point network), vấn đề này cũng xuất hiện khi mạng có nhiều hơn 3 node Trong môi

trường CSMA/CA thì máy trạm 1 và máy trạm 3 truyền nhận dữ liệu rất tốt nhưng máy

1.4 Các mô hình m ạng không dây

1.4.1 Mô hình Ad-Hoc

Ad-Hoc Wireless LAN là một nhóm các máy tính, mỗi máy trang bị một Wireless card, chúng nối kết với nhau để tạo một mạng LAN không dây độc lập Các máy tính trong cùng một Ad-Hoc Wireless LAN phải được cấu hình dùng chung cùng một kênh radio

Mô hình mạng này thường dùng trong một tầng lầu của công ty hoặc gia đình (SOHO)

Mô hình mạng này là mô hình các máy tính liên lạc trực tiếp với nhau không thông qua Access Point do đó tiết kiệm nhưng hạn chế số lượng máy trạm Mô hình này còn có tên gọi khác là IBSS (Independent Basic Service Set) Chú ý, các máy cùng trong một

mạng theo mô hình Ad-Hoc phải có cùng các thông số như: BSSID, kênh truyền, tốc độ truyền dữ liệu

Hình 1.7

Mô hình Ad-Hoc

Ưu điểm của mô hình Ad-Hoc: là kết nối Peer-to-Peer không cần dùng Access

Point, chi phí thấp, cấu hình và cài đặt đơn giản

Khuy ết điểm của mô hình Ad-Hoc: khoảng cách giữa các máy trạm bị giới hạn, số

lượng người dùng cũng bị giới hạn, không tích hợp được vào mạng có dây sẵn có

1.4.2 Mô hình Infrastructure 1

Mô hình Infrastructure là mô hình mạng LAN không dây, trong đó các máy trạm không dây (dùng Wireless card) kết nối với nhau thông qua thiết bị Access Point Access Point là một thiết bị mạng cho phép điều khiển và quản lý tất cả các kết nối

giữa các trạm không dây với nhau và giữa các trạm không dây với các trạm trong

mạng LAN dùng kỹ thuật khác Thiết bị này cũng đảm bảo tối ưu nhất thời gian truyền dữ liệu trong mạng không dây và mở rộng mạng không dây Mô hình này còn

gọi là mô hình BSS (Basic Service Set) Chú ý, các máy cùng trong một mạng theo

mô hình Infrastructure phải có cùng các thông số như: BSSID, kênh truyền, tốc độ truyền

dữ liệu với thiết bị Access Point

Hình 1.8

Mô hình Infrastructure1

Ưu điểm của mô hình Infrastructure1: các máy trạm không kết nối trực tiếp

được với nhau, các máy trạm trong mạng không dây có thể kết nối với hệ thống mạng

có dây

Khuy ết điểm của mô hình Infrastructure1: giá thành cao, cài đặt và cấu hình phức

tạp hơn mô hình Ad- Hoc

1.4.3 Mô hình Infrastructure 2

Mô hình Infrastructure 2 cũng tương tự như mô hình 1, nhưng khác trong mô hình 2 các Access Point ở xa nhau có thể kết nối với nhau thông qua mạng có dây, mô hình này còn gọi là mô hình ESS (Extended Service Set)

Hình 1.9

Mô hình Infrastructure 2

1.4.4 Roaming

Hình 1.10

Mô hình Roaming

Hình 1.11

Mô hình Roaming tiếp theo

Roaming một tính năng trong mô hình Infrastructure cho phép các máy trạm di chuyển qua lại giữa các cell (vùng phủ sóng của Access Point) với nhau mà vẫn duy trì

kết nối Trong mô hình này các Access Point phải có cùng giá trị ESSID

1.4.5 Các mô hình khác

Khuyếch đại tín hiệu dùng Access Point nhằm mở rộng mạng không dây

Hình 1.12

Mô phỏng khuếch đại tín hiệu

Kết nối hai mạng LAN thông qua mạng không dây

Hình 1.13

Mô phỏng kết nối mạng không dây

Mô hình HotSpot tại các quán Cafe Internet

Hình 1.14

Mô phỏng mô hình HostPost

Kết nối hai mạng LAN của hai tòa nhà

Hình 1.15

Mô phỏng kết hợp 2 tòa nhà

1.5 B ảo mật trong mạng không dây

Hình 1.16

Bảo mật trong mạng không dây

Mạng không dây dựa trên môi trường sóng để truyền dữ liệu nên các tin tặc rất dễ nghe lén và tấn công, do đó vấn đề bảo mật trong mạng không dây là quan trọng Đầu tiên mạng không dây nội bộ theo chuẩn IEEE 802.11 bảo mật dùng thông số cấu hình SSID (Service Set ID) SSID có thể hiểu là tên của mạng không dây, kỹ thuật này

hoạt động theo hai chế độ Chế độ không bảo mật thì theo chu kỳ thời gian Access Point gởi broadcast SSID của mình đến các máy trạm không dây, máy trạm nhận các tín hiệu này từ đó quyết định chọn Access Point để kết nối thông qua SSID Chế độ thứ hai là chế độ bảo mật thì Access Point không gởi thông tin SSID của mình, mà máy

trạm muốn kết nối vào mạng phải có cùng giá trị SSID với Access Point

Hình 1.17

Quá trình trao đổi SSID

Chuẩn IEEE 802.11b định nghĩa một protocol bảo mật WEP (Wired Equivalent Privacy) cho mạng không dây nội bộ WEP được thiết kế cùng tầng bảo mật với mạng

có dây, protocol này bảo mật bằng cách mã hóa dữ liệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác WEP làm việc tại hai tầng thấp nhất trong mô hình tham chiếu OSI, sự đóng gói của WEP bao gồm những nội dung chính sau:

- Thuật toán mã hóa: RC4

- Khóa mã hóa trên mỗi packet: 24bit IV (Initialization Vector) nối vào khóa chia

sẻ

- WEP cho phép IV (Initialization Vector) được dùng lại trên bất kỳ Frame nào

- Tính nguyên vẹn dữ liệu được cung cấp bởi CRC-32

1.6 Các thi ết bị sử dụng trong mạng không dây

1.6.1 Wireless LAN card

1.6.1.1 Gi ới thiệu

Wireless LAN Card là một loại thiết bị mạng cho phép nối kết các máy tính và thiết bị

di động vào hệ thống mạng không dây và có dây thông qua môi trường sóng Chức

năng của Wireless card cũng giống như chức năng của card mạng có dây là truyền dữ

liệu giữa các máy trạm không dây và giữa các máy trạm với Access Point Wireless Card có các loại chủ yếu sau:

- PC Card: dùng cho các loại thiết bị và máy tính di động như Palm, Laptop

- Adapter Card: dùng cho máy tính để bàn chủ yếu sử dụng khe cắm PCI

- Card lắp rời bên ngoài, thông thường loại này kết nối với máy tính thông qua

cổng USB, COM, Parallel…

Hầu hết các card mạng ngoài thị trường đều có các đặc tính chung như sau:

- Hỗ trợ tốc độ truyền 11Mbps, 54Mbps, 108 Mbps hoặc lớn hơn

- Bán kính hoạt động trung bình khoảng 250m tuỳ theo công suất của từng loại thiết

bị và Anten

- Hỗ trợ truy cập theo dạng point-to-point hoặc point-to-multipoint

- Dùng công nghệ bảo mật DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

- Mạng không dây linh động và không tốn chi phí cáp, dễ dàng lắp đặt và cấu hình

1.6.2 Access Point

1.6.2.1 Đặc tính

Access Point là thiết bị có chức năng giống như thiết bị Hub trong mạng có dây, thiết bị này nối kết và cho phép các máy trạm không dây, có dây có thể truyền dữ liệu với nhau Chức năng chính của Access Point là tiếp nhận và khuyếch đại tín hiệu giúp tín hiệu trong mạng không dây truyền đi xa hơn, đồng thời thiết bị này cũng có chức quan

trọng khác là chuyển đổi định dạng dữ liệu giữa mạng không dây và có dây

1.6.2.2 Nguyên tắc khi lắp đặt Access Point

- Giảm tối thiểu số lượng tường chắn và trần nhà: mỗi tường chắn và trần nhà sẽ làm suy giảm tín hiệu sóng do đó cũng làm ảnh hưởng đến bán kính phủ sóng, trung bình sẽ giảm từ 1 đến 30 mét khi xuyên qua một bức tường hoặc một trần nhà Do đó chúng ta cần tính toán để đặt các Access Point, Gateway, và máy tính sao cho tín hiệu xuyên tường và trần nhà là hạn chế nhất

- Nên có đường nhìn thấy trực tiếp giữa các thiết bị Access Point và thiết bị Gateway, máy tính Nếu có xuyên tường hoặc xuyên trần thì nên chọn hướng xuyên qua tường vuông góc với bức tường thì khả năng xuyên qua sẽ tốt hơn

- Đặt anten tại vị trí sao cho việc thu nhận tín hiệu tốt nhất bằng cách dùng các công cụ kèm theo của sản phẩm để kiểm tra

- Đặt thiết bị mạng không dây cách xa các thiết bị điện và điện tử như radio, monitor, tivi…

1.6.3 Anten

Anten là thiết bị quan trọng trong mạng không dây, chức năng chính của thiết bị này

là thu và phát sóng Dựa vào đặc điểm thu phát sóng này người ta chia anten thành hai loại: anten đa hướng và anten định hướng

Hình 1.19

Các lo ại Anten

Anten đa hướng là anten có thể truyền và nhận tín hiệu từ mọi hướng,

ngược lại anten định hướng là loại anten chỉ có thể thu phát sóng từ một

hướng Anten định hướng thường được dùng trong trường hợp nối kết hai

điểm ở xa thông qua mạng không dây Các loại Anten này có thể được sử

dụng trong nhà hoặc ngoài trời, nhưng chú ý khi sử dụng Anten ngoài trời thì

chúng ta phải có hệ thống chống sét vì nếu không sét có thể làm hỏng toàn bộ

hệ thống mạng Một loại Anten trên thị trường Việt Nam như:

- Anten định hướng luới Yagi

- Anten định hướng lưới phẳng

- Anten định hướng parabol

- Anten đa hướn

1.2 T ỔNG QUAN VỀ DAQ (DATA ACQUISITION AND CONTROL)

1.2.1 Định nghĩa và khái niệm

Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) là quá trình chuyển tín hiệu vật lý từ thế giới thực thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính

Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thu thập dữ liệu (Data Acquisition (DAQ) System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn cả chức năng điều khiển Vì

vậy khi nói hệ DAQ thường hàm ý cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and Control)

Hình 1.20

Các thành phần cơ bản của hệ DAQ

1.2.1.1 Bộ chuyển đổi (Transducer) và cảm biến (Sensor)

Bộ chuyển đổi và cảm biến thực hiện thay đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện để phần cứng có thể xử lý

Bộ chuyển đổi có thể chuyển hầu hết các đại lượng cần đo sang tín hiệu điện như: cặp nhiệt điện, nhiệt kế điện trở (RTD – Resistive Temperature Detector), nhiệt trở, …

1.2.1.2 Dây n ối và cáp truyền thông

Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc

từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu cách xa PC

Trường hợp phần cứng khối xử lý tín hiệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là

RS-232 hoặc RS-485 : cáp truyền thông

Đây thường là thành phần cồng kềnh nhất của hệ thống và dễ chịu tác động của nhiễu

bên ngoài, đặc biệt trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt Vì vậy cần quan tâm đặc biệt đến vấn đề chống nhiễu cho dây nối và cáp truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu

Ngoài ra nếu yêu cầu không đòi hỏi khoảng cách lớn như trong phòng thí nghiệm chẳng hạn có thể sử dụng các công cụ khác như cáp RS232 (COM), USB Ở đây nhóm sử dụng USB làm chuẩn truyền Phương pháp này phổ thông và tốc độ cao phù hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra

1.2.1.3 X ử lý tín hiệu (Data conditioning)

Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến cần được chuyển sang dạng thích hợp, tương thích với phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D

Các nhiệm vụ của thành phần này có thể là:

- Lọc: thường là bộ lọc thông thấp để loại các thành phần tần số nhiễu

- Khuếch đại: dùng để tăng độ phân giải cho hệ thống

- Tuyến tính hóa: dùng để hiệu chỉnh cho các bộ chuyển đổi phi tuyến như cặp nhiệt điện

- Cách ly: dùng để cách ly với máy tính nhằm bảo vệ máy tính trước các thành phần điện áp cao

- Kích thích: dùng cho các bộ chuyển đổi cần dòng hay áp kích thích ngoài như cảm biến điện trở, nhiệt trở, …

1.2.1.4 Ph ần cứng thu thập dữ liệu

Thực hiện các chức năng sau:

- Chuyển tín hiệu dạng tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích

- Đọc vào tín hiệu số chứa đựng thông tin về quá trình của một hệ thống

- Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ thống hay quá trình

- Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số

Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản xuất, có thể là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus boards), intelligent stand-alone loggers and controllers (loại này có thể được định cấu hình, quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập), hoặc các thiết bi độc lập từ xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn giao tiếp IEEE-488

- Dùng gói phần mềm ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu để

thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu công nghệ cho một ứng dụng cụ thể

1.2.1.6 Máy ch ủ

Dùng thực thi các chương trình phần mềm và lưu trữ dữ liệu, có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ của hệ thống

1.2.2 C ấu hình hệ DAQ

Việc lựa chọn cấu hình cho hệ DAQ phụ thuộc vào:

- Môi trường làm việc (phòng thí nghiệm, thu thập dữ liệu trong cùng khu vực sản xuất hay từ xa),

- Số lượng cảm biến và cơ cấu chấp hành yêu cầu, vị trí của chúng với máy chủ, hình thức xử lý tín hiệu yêu cầu, độ khắc nghiệt của môi trường làm việc là các yếu tố quan trọng

Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ:

- Vào/ra tại chỗ (tập trung) với PC

- Vào/ra phân tán

- Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập hoặc phân tán

- Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

Vào / ra t ập trung (Plug-in I/O)

- Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở rộng

- Đặc điểm: nhỏ gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp

vì vậy thường được dùng

- Được sử dụng trong các ứng dụng mà máy chủ ở gần cảm biến và cơ cấu chấp hành

Hình 1.2

Một số ví dụ của Plug-in I/O board

Chương 2

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Nội dung

2.1 TỔNG QUAN VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F2455/2550/4455/4550

2.2 CHUẨN GIAO TIẾP USB

2.1 TỔNG QUAN VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F2455/2550/4455/4550

Họ vi điều khiển PIC18F2455/2550/4455/4550 là họ vi điều khiển tiên tiến của MICROCHIP, đặc biệt họ này có tích hợp cổng USB 2.0, ADC 10 bit và tích hợp nhiều công cụ khác Mạnh, mềm dẻo là từ đánh giá ngắn gọn về họ vi điều khiển này Chương này giới thiệu tổng quan các khối tích hợp của họ vi điều khiển PIC18F và các đặc điểm

của các khối tích hợp

Các đặc điểm cổng USB:

 USB V2.0

 Tốc độ thấp (1.5 Mb/s) và tốc độ toàn phần (12Mb/s)

 Hỗ trợ tới 32 điểm cuối

 RAM 1 kByte cho khối USB

 Mạch thu phát USB trên chip cùng với mạch ổn áp 3.3V

 Cổng song song streaming (SPP) cho truyền streaming USB

 Hỗ trợ cả 4 chế độ truyền:

- Truyền điều khiển (Control transfer)

- Truyền ngắt (Interrupt transfer)

- Truyền đồng bộ (Isochronous transfer)

- Truyền khối (Bulk transfer)

Các chế độ quản lý năng lượng :

 Có nhiều chế độ quản lý năng lượng để giảm năng lượng tiêu thụ tối đa, đặc biệt có

ý nghĩa cho các ứng dụng sử dụng pin

 Hoạt động bình thường (Run): CPU bật, ngoại vi bật

 Nghỉ (Idle): CPU tắt, ngoại vi bật, tiêu thụ dòng tiêu biểu 5.8 mA

 Ngủ (Sleep): CPU tắt, ngoại vi tắt, tiêu thụ dòng tiêu biểu 0.1 mA

 Dao động timer1: tiêu thụ dòng tiêu biểu 1.1 mA , 32kHz, 2V

 Watchdog timer: tiêu thụ dòng tiêu biểu 2.1 mA

 Khởi động dao động 2 tốc độ

Cấu trúc dao động mềm dẻo:

Bốn chế độ tinh thể bao gồm PLL độ chính xác cao cho USB

Hai chế độ xung clock ngoài lên đến 48 MHz

Khối dao động nội

- 8 tần số chọn được bởi người sử dụng, từ 31kHz đến 8 Mhz

- Tinh chỉnh bởi người dùng để bổ chính độ trôi tần số

Dao động thứ cấp dùng timer1 32kHz

Tùy chọn dao động đôi cho phép CPU và USB hoạt động 2 tần số xung nhịp khác nhau

Khối theo dõi an toàn xung nhịp

- Cho phép shutdown an toàn khi tắt xung nhịp

- Vi điều khiển sẽ tiếp tục hoạt động với tần số xung nhịp thấp hơn

Các đặc điểm ngoại vi:

Dòng vào/ra (sink/source) cao 25mA/25mA

Ba ngắt ngoài

Bốn khối timer (timer0 đến timer3)

Có tới 2 khối CCP (Capture/Compare/PWM)

- Capture 16 bit cực đại, độ phân giải 6.25 ns ( TCY / 16 )

- So sánh 16 bit cực đại, độ phân giải 100 ns ( TCY )

- PWM có lối ra với độ giải từ 1 đến 10 bit

Khối CCP nâng cao ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM)

Nhiều chế độ lối ra

Các đặc điểm của vi điều khiển

 Cấu trúc tối ưu biên dịch C với tập lệnh mở rộng tùy chọn

 Bộ nhớ chương trình flash nâng cao cho phép 100.000 lần xóa/ghi

 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM cho phép 1.000.000 lần xóa/ghi

 Lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ flash/EEPROM hơn 40 năm

 Ngắt nhiều mức ưu tiên

 Watchdog timer mở rộng, chu kỳ khả trình từ 41 ms đến 131 s

 Bảo vệ mã lập trình

 Nguồn nuôi đơn 5V cho lập trình nối tiếp trên mạch qua 2 chân

 Mạch gỡ lỗi qua 2 chân

 Dải điện áp hoạt động rộng (2.0V đến 5.5V)

Bảng 2.1

C ác tính năng kỹ thuật của các vi điều khiển PIC18F2455/2550/4455/4550

Trong họ vi điều khiển PIC18, chữ giữa “F” cho phép Vdd từ 4.2V đến 5.5V, chữ giữa

“LF” cho phép mở rộng giải Vdd từ 2.0V đến 5.5V

2.1.1 BỘ NHỚ

Bộ nhớ Flash nâng cao (Enhanced Flash) sử dụng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ

liệu EEPROM Số lần xóa/ghi cho bộ nhớ chương trình là 100.000 lần và cho bộ nhớ dữ

liệu là 1.000.000 lần Dữ liệu lưu lại trong bộ nhớ đến 40 năm mà không cần làm tươi Có

ba loại bộ nhớ trong họ PIC18:

Khả năng tự lập trình: Họ vi điều khiển PIC18F2455/2550/4550 có khả năng tự nạp

chương trình vào bộ nhớ chương trình mà không cần phải có thiết bị phụ bên ngoài, điều này được thực hiện bằng đoạn chương trình con Bootloader đặt trên phần cao bộ nhớ

chương trình vào được bảo vệ Khả năng tự lập trình cho phép các ứng dụng dùng họ vi điều khiển này có khả năng nâng cấp firm-ware

Bộ nhớ chương trình Flash: 24Kbytes cho PIC18FX455, 32 Kbytes cho PIC18FX550

• Định chế độ hoạt động bằng phần mềm: timer hoặc counter, 8 bit hoặc 16 bit

• Bộ chia khả trình 8 bit chuyên dụng

• Nguồn xung nhịp chọn được (trong hay ngoài)

• Khả năng chọn cạnh đối với xung nhịp ngoài

• Ngắt khi tràn

Timer1:

• Chọn bằng phần mềm timer hay counter 16 bit

• Khả năng đọc viết thanh ghi 8 bit (TMR1H và TMR1L)

• Chọn nguồn xung nhịp trong hay ngoài

• Ngắt khi tràn

• Khối RESET hoạt động trên cơ sở xung kích sự kiện CCP

• Cờ trạng thái xung nhịp (T1RUN)

Timer2:

• Timer 8 bit (TMR2) và thanh ghi chu kỳ (PR2)

• Khả năng đọc viết cả 2 thanh ghi

• Lập trình bằng phần mềm cho bộ chia (1:1, 1:4, 1:16)

• Ngắt khi TMR2 gặp PR2

• Tùy chọn dùng như xung nhịp dịch cho khối MSSP

Timer3:

• Chọn bằng phần mềm hoạt động như là timer hoặc counter 16 bit

• Khả năng đọc ghi thanh ghi 8 bit (TMR3H và TMR3L)

• Khả năng chọn nguồn xung nhịp (trong hoặc ngoài)

Chế độ Capture: Cặp thanh ghi CCPRxH:CCPRxL bắt giá trị 16 bit của thanh ghi

TMR1 hoặc TMR3 khi sự kiện xảy ra ở chân CCPx tương ứng Một sự kiện được định nghĩa:

• Mỗi khi có cạnh lên

• Mỗi khi có cạnh xuống

• Mỗi khi có cạnh lên thứ 4

• Mỗi khi có cạnh lên thứ 16

Sự kiện được chọn bởi bit chọn chế độ CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON<3:0>) Khi sự

kiện Capture được thực hiện, bit cờ yêu cầu ngắt (CCPxIF) được SET và chỉ xóa bằng

phần mềm

Chế độ so sánh: Thanh ghi 16 bit CCPRx có giá trị hằng số được so sánh với giá trị của

cặp thanh ghi TMR1 hoặc TMR3 Khi xảy ra sự kiện bằng nhau, chân CCPx có thể là:

• Chuyển mức cao

• Chuyển mức thấp

• Phát xung (cực tính dương hoặc âm)

• Giữ nguyên không thay đổi trạng thái (phản ánh trạng thái chốt I/O

Chân CCPx xác định trên cơ sở giá trị của bit chọn chế độ (CCPxM3:CCPxM0) Khi sự

kiện so sánh bằng nhau bit cờ ngắt CCPxIF được set (mức1)

Chế độ PWM (Pulse-Width Modulation: điều chế độ rộng xung): Chân CCPx phát

sinh xung PMW độ phân giải 10 bit

Độ rộng xung PWM được xác định bằng cách viết vào

Thanh ghi CCPRxL và các bit CCPxCON<5:4> , CCPRxL chứa 8 bit cao và CPxCON<5:4> chứa 2 bit thấp giá trị 10 bit độ phân giải là giá trị CCPRxL : CCPxCON<5:4>

CCPRxL và CCPxCON<5:4> có thể được viết vào mọi thời điểm nhưng giá trị độ

rộng xung không chốt vào CCPRxH cho tới khi có sự gặp nhau (bằng) giữa PR2 và TMR2 Trong chế độ PWM CCPRxH là thanh ghi chỉ đọc

2.1.4 K HỐI USB (Universal Serial Bus)

Họ PIC18FX455/X550 tích hợp cổng USB hỗ trợ cả tốc độ truyền toàn phần (full-speed) 12Mb/s và tốc độ thấp (low-speed) 1.5 Mb/s cho phép giao tiếp nhanh giữa USB máy chủ

và USB vi điều khiển PIC Hỗ trợ đến 32 điểm cuối RAM 1 Kbyte cho USB Hỗ trợ đủ 4

lối truyền: truyền điều khiển (Control transfer); truyền ngắt (Interrupt transfer); truyền đẳng thời (Isochronous transfer) và truyền khối (Bulk transfer)

Hoạt động của khối USB được định cấu hình và quản lý thông qua 3 thanh ghi điều

khiển Hơn nữa có 19 thanh ghi quản lý giao tiếp USB thực Các thanh ghi đó là:

 Thanh ghi điều khiển USB (UCON): Thanh ghi này chứa các bit cần cho điều khiển trong quá trình truyền gồm: cho phép ngoại vi USB chính; reset con trỏ bộ đệm ping-pong; điều khiển chế độ treo; cấm truyền gói

 Thanh ghi cấu hình USB (UCFG): Trước khi liên lạc qua USB, khối USB kết hợp

phần cứng ngoài và/hoặc trong phải được đặt cấu hình UCFG chứa các bit liên quan đến việc đặt: tốc độ full-speed hay low-speed; cho phép dùng điện trở kéo lên trong IC; cho phép thu-phat trong IC; sử dụng bộ đệm ping-pong

 Thanh ghi trạng thái truyền USB (USTAT): Báo cáo trạng thái giao tiếp trong SIE

 Thanh ghi địa chỉ linh kiện USB (UADDR): Chứa duy nhất địa chỉ USB mà ngoại

vi sẽ giải mã khi tích cực UADDR = 00h khi reset USB bởi vi điều khiển Địa chỉ USB phải được viết bởi vi điều khiển trong pha setup USB được hỗ trợ bởi firmware của Microchip

 Thanh ghi số frame (UFRMH:UFRML): Thanh ghi số frame chứa số frame 11 bit, 8bit thấp chứa trong UFRML, 3 bit cao chứa trong UFRMH Cặp thanh ghi được

cập nhật với số frame hiện tại khi gói SOF được nhận Thanh ghi số frame được dùng căn bản cho lối truyền đẳng thời (Isochronous transfer)

 Thanh ghi cho phép điểm cuối từ 0 đến 15 (UEPn): Mỗi của 16 điểm cuối hai chiều có thanh ghi điều khiển độc lập UEPn, n là số điểm cuối

ĐIỀU KHIỂN ĐIỂM CUỐI USB

Mỗi của 16 điểm cuối hai chiều có thanh ghi điều khiển độc lập UEPn, n là số điểm cuối USB RAM

Dữ liệu USB di chuyển giữa lõi vi điều khiển và SIE (Serial Interface Engine) thông qua vùng nhớ gọi là RAM USB Đây là nhớ cổng đôi đặc biệt, vùng nhớ dữ liêu bình thường ở Bank 4 đến Bank 7 (400h tới 7FFh) dung lượng 1Kbyte Bank 4 (400h đến 4FFh) được dùng đặc biệt cho điều khiển đệm điểm cuối, trong khi Bank 5 đến Bank 7 dùng cho dữ

liệu USB

Ngắt USB: Khối USB có thể phát ra nhiều điều kiện ngắt Trên hình 2.6 cho thấy logic

ngắt cho khối USB Có hai lớp ngắt trong khối USB Mức cao gồm các ngắt trạng thái USB, nó đặt cho phép và đặt cờ trong thanh ghi cho phép ngắt UIE (USB Interrupt Enable)

và thanh ghi trạng thái ngắt USB UIR (USB Interrupt Status Register) tương ứng Mức thấp

gồm các điều kiện lỗi USB, nó đặt cho phép và đặt cờ trong thanh ghi trạng thái ngắt lỗi USB UEIR (USB Error Interrupt Status Register) và thanh ghi cho phép ngắt lỗi USB UEIE (USB Error Interrupt Enable Register)

Hình 2.2

Các ngắt của khối USB

2.1.5 KH ỐI BIẾN ĐỔI AD 10 BIT

Khối ADC 10 bit: Khối ADC của họ vi điều khiển này có khả năng kết hợp với việc thời gian thu thập dữ liệu khả trình cho phép không cần chờ chu kỳ lấy mẫu nên giảm thời gian

biến đổi AD

Khối biến đổi AD có 10 lối vào đối với PIC18 vỏ 28 chân và 13 lối vào đối với vỏ 40/44 chân Khối này có 5 thanh ghi: