Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi dùng sóng rf,luận văn thạc sỹ kỹ thuật ngành kỹ thuật điện tử

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ASK: Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên độ BPSK: Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha hai mức COM: A Serial Communications Port Cổng thông tin nối tiếp CPU

HỒ HẢI HÀ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGOẠI VI

DÙNG SÓNG RF

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH – 2009

HỒ HẢI HÀ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGOẠI VI

LỜI CẢM ƠN



Tác giả xin chân thành cảm ơn:

Thầy TS Trịnh Quang Khải đã tận tình hướng dẫn, nhận xét, góp ý và có

những định hướng quý báu trong quá trình làm luận văn

Quý thầy cô trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội, Khoa Điên - Điện tử và đăc biệt là quý thầy cô trong bộ môn Kỹ Thuật Viễn Thông đã truyền đạt những kiến thức hữu ích trong suốt khoá học

Các bạn lớp Kỹ thuật Điện tử K14 và những anh chị khoá trước cung cấp tài liệu và trao đổi kiến thức trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp

đã quan tâm, động viên và cung cấp tài liệu trong suốt quá trình học cũng như trong quá trình làm luận văn

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng

11/2009 Học viên: Hồ Hải Hà

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASK: Amplitude Shift Keying (Khóa dịch biên độ)

BPSK: Binary Phase Shift Keying (Khóa dịch pha hai mức)

COM: A Serial Communications Port (Cổng thông tin nối tiếp)

CPU: Central Processing Unit (Bộ xử lý trung tâm)

DOUT: Data Output (Dữ liệu ra)

DCE: Data Circuit-Terminating Equipment (Thiết bị kết cuối mạch dữ liệu) DTE: Data Terminal Equipment (Thiết bị đầu cuối dữ liệu)

EHF: Extremely High Frequencies (Tần số vô cùng cao)

ELF: Extremely Low Frequencies (Tần số vô cùng thấp)

EEPROM: Electrically Erabase Programmable Read-Only Memory (Bộ nhớ chương trình chỉ đọc có thể xóa bằng điện)

FSK: Frequency Shift Keying (Khóa dịch tần)

GND: Ground (Đất)

HDB3: High Density Bipolar (Lưỡng cực mật độ cao)

HF: High Frequencies (Tần số cao)

M-ary PSK: M-ary Phase Shift Keying (Khóa dịch pha M mức)

MF: Medium Frequencies (Tần số trung bình)

MSB: Most Significant Bit (Bit có trọng số lớn nhất)

LED: Light Emitting Diode (Đi ốt quang)

LF: Low Frequencies (Tần số thấp)

LSB: Least Significant Bit (Bit có trọng số nhỏ nhất)

NRZ: Non Return to Zero (Không trở về 0)

NRZ – L :Non Return to Zero – Level (Không trở về 0 trong thời gian tồn tại bit) NRZ – I :Non Return to Zero – Inverted on ones (Không trở về 0 trong thời gian tồn tại bit, nhưng đổi bit 1)

PWM: Pulse-Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

PSK : Phase Shift Keying (Khóa dịch pha )

QPSK: Quadrature Phase Shift Keying (Khóa dịch pha bốn mức)

OSC: Oscillator (Dao động)

RST: Reset (Đặt lại)

RF: Radio Frequency (Tần số radio)

RS232: Recommended Standard (Tiêu chuẩn giao tiếp 232)

RWS: Radio Frequency Receiver (Bộ thu tần số radio)

SRAM: Static Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh)

SHF: Super High Frequencies (Tần số siêu cao)

TIA/EIA: The Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Allia (Hiệp hội công nghiệp viễn thông)

TE: Transmission Enable (Cho phép phát)

TWS: Radio Frequency Transmitter (Phát tần số radio)

UHF: UltraHigh Frequencies (Tần số cực cao)

USB: Universal Serial Bus (Chuỗi bus nối tiếp)

Vcc: Power supply pin (Chân nguồn cung cấp)

VF: Voice Frequencies (Tần số âm thanh)

VLF: Very Low Frequencies (Tần số rất thấp)

VHF: Very High Frequencies (Tần số rất cao)

Vss: Negative Power Supply (Nguồn âm)

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS232

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối đơn giản dùng cổng nối tiếp

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối dùng cổng nối tiếp có sử dụng tín hiệu bắt tay Hình 2.4: Sơ đồ chân cổng nối tiếp

Hình 2.5: Mô tả chức năng các chân AT89S52

Hình 2.6: Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống truyền số liệu

Hình 3.2: Phổ tần vô tuyến và miền áp dụng của chúng

Hình 3.3: Tín hiệu dạng mã NRZ

Hình 3.4: Tín hiệu dạng mã RZ

Hình 3.5: Tín hiệu dạng mã tách pha chuẩn và tách pha mở rộng

Hình 3.6: Tín hiệu dạng mã lưỡng pha chuẩn và lưỡng pha mở rộng Hình 3.7: Tín hiệu dạng mã Miller

Hình 3.8: Tín hiệu dạng mã Manchester

Hình 3.9: Tín hiệu dạng mã lưỡng cực AMI

Hình 3.10: Tín hiệu dạng mã tam phân chon cặp

Hình 3.11: Tín hiệu dạng mã BnZS

Hình 3.12: Tín hiệu dạng mã HDBn

Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống thu phát BPSK

Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch điều chế BPSK

Hình 3.15: Phổ tần của tín hiệu BPSK

Hình 3.16: Sơ đồ khối mạch giải điều chế BPSK

Hình 3.17: Sơ đồ khối điều chế M-ary PSK

Hình 3.18: Biểu diễn hình học của M-ary PSK

Hình 3.19: Sơ đồ khối mạch giải điều chế M-ary PSK

Hình 3.20: Quá trình điều chế biên độ một sóng mang với tín hiệu nhị phân Hình 3.21: Mật độ phổ công suất ASK nhị phân

Hình 3.22: Các bộ điều chế tối ưu a) tương quan chéo b)lọc kết hợp

Bộ giải điều chế kết hợp nhị phân ASK

Hình 3.24: Sơ đồ khối của bộ giải điều chế không kết hợp ASK

Hình 3.25: Rayleigh và Rice pdfs đối với tạp âm dải điều chế ASK không kết hợp và

hình bao cộng với tạp âm

Hình 3.26: Sơ đồ khối mạch điều chế BFSK

Hình 3.27: Mật độ phổ công suất BFSK

Hình 3.28: Sơ đồ khối mạch giải điều chế BFSK

Hình 4.1: Mạch Master

Hình 4.2: Mạch Slave

Hình 4.3: Sơ đồ chân MAXIM 232

Hình 4.4: Sơ đồ kết nối MAXIM 232

Hình 4.5: Sơ đồ kết nối cổng COM

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm trong mạch Master

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm trong mach Slave

Hình 4.17: Sơ đồ chân Module thu RF RWS-434N

Hình 4.18: Sơ đồ khối bên trong Module thu RF RWS-434N

Hình 4.19: Khối thời gian thực Realtime DS1307

Hình 4.20: Sơ đồ khối của DS1307

Hình 4.21: Thanh ghi mô tả thời gian thực

Hình 4.22: Khung ghi dữ liệu chế độ slave nhận

Khung đọc dữ liệu ở chế độ slave

Hình 4.24: Sơ đồ nguyên lý khối EPROM 24C04

Hình 4.25: Sơ đồ chân IC ST24C04

Hình 4.26: Điện trở kéo lên bên ngoài

Hình 4.27: Giản đồ ghi Byte số liệu từ EEPROM 24Cxx

Hình 4.28: Giản đồ đọc Byte số liệu từ EEPROM 24Cxx

Hình 4.29: Module mô phỏng thiết bị ngoại vi

Hình 5.1: Giao diện khi khởi động chương trình

Hình 5.2: Checkbox để lựa chọn chế độ làm việc

Hình 5.3: Cửa sổ chọn modem

Hình 5.4: Cách chọn modem thông qua menu

Hình 5.5: Các nút để vào các giao diện khác hoặc thoát

Hình 5.6: Giao diện chọn cổng, tốc độ, hẹn giờ tắt, mở

Hình 5.7: Giao diện hiển thị các cửa sổ hẹn giờ tắt mở, hiển thị trạng thái đèn Hình 5.8: Checkbox Scan input để cho phép cập nhật trạng thái thiết bị lên PC Hình 5.9: Cửa sổ theo dõi dữ liệu nhận,gửi

Hình 5.10: Giao diện hiển thị trạng thái các đèn

Hình 5.11: Cửa sổ chọn cổng và tốc độ

Hình 5.12: Cửa sổ báo lỗi

Hình 5.13: Cửa sổ hiển thị tình trạng on/off của thiết bị

Hình 5.14: Cửa sổ đồng hồ hệ thống

Hình 5.15: Lưu đồ giải thuật của chương trình viết cho vi điều khiển mạch Slaver Hình 5.16: Lưu đồ giải thuật của chương trình viết cho vi điều khiển mạch Master Hình 5.17: Lưu đồ giải thuật mô tả chương trình điều khiển trên máy tính

Hình 5.18: Hình dạng thực tế của mạch Master

Hình 5.19: Hình dạng thực tế của mạch Slaver

Hình 5.20: Màn hình chính hiển thị ngày giờ

Hình 5.21: Các phím chức năng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232

Bảng 2.2: Mô tả chức năng các chân cổng COM

Bảng 2.3: Mô tả chức năng các chân cổng song song

Bảng 2.4: Mô tả chức năng của các chân trong các port Bảng 3.1: Các loại mã NRZ

Bảng 3.2: Bảng mã tam phân chọn cặp

Bảng 4.1: Chức năng chân cổng RS232

Bảng 4.2: Giá trị điện trở tương ứng của hai IC

Bảng 4.3: Các tham số của Module RF TWS434A

Bảng 4.4: Chỉ tiêu kỹ thuật điện Module thu RF RWS-434N Bảng 4.5: Chức năng chân Module thu RF RWS-434N

Cơ quan công tác: Trường Trung Học kỹ Thuật Tàu Hải Quân Khoá: K14

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70

Cán bộ hướng dẫn: TS TRỊNH QUANG KHẢI Bộ môn: Kỹ thuật điện tử

1 Tên luận văn: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

NGOẠI VI DÙNG SÓNG RF

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Hệ thống lại một số kiến thức đã học liên quan đến chuyên ngành và nâng cao

khả năng tự thiết kế Mặt khác tạo ra mô hình cho việc tham khảo thiết kế những hệ

thống điều khiển thiết bị không dây khác

3 Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được:

Thiết kế chế tạo hoàn thiện bộ điều khiển thiết bị ngoại vi bằng sóng RF trên

cơ sở lý thuyết truyền dữ liệu không dây, kết hợp với những module thu RWS 434,

module phát TWS 434, IC giải mã PT2272, IC mã hóa PT2272, vi điều khiển

AT89S52, với một số linh kiện khác

Nêu ra được cơ sở lý thuyết liên quan để thiết kế hệ thống như lý thuyết về

các loại mã đường dây, các phương pháp điều chế số thường sử dụng trong truyền

số liệu, lý thuyết về các phương pháp giao tiếp máy tính, lý thuyết về vi điều khiển

AT89S52…

4 Điểm bình quân môn học: Điểm bảo vệ luận văn:

Ngày tháng năm Học viên: HỒ HẢI HÀ

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn:

Xác nhận của Bộ môn:

MỤC LỤC

Trang

TỜ BÌA

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC BẢNG x

Chương I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Giới hạn đề tài 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Điểm mới của đề tài 4

1.6 Kỹ thuật sử dụng 5

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GIAO TIẾP MÁY TÍNH,VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu chung 6

2.2 Cơ sở lý thuyết về giao tiếp máy tính 7

2.2.1 Giao tiếp nối tiếp 7

2.2.1.1 Tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp 7

2.2.1.2 Phương thức kết nối giữa DTE và DCE 8

2.2.1.3 Phương pháp kết nối 8

2.2.1.4 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 9

2.2.2 Giao tiếp song song 11

2.2.2.1 Cấu trúc cổng song song 11

2.2.2.2 Ưu nhược điểm và chức năng các chân 11

2.3 Cơ sở lý thuyết về vi điều khiển AT89S52 13

2.3.1 Giới thiệu chung 13

2.3.2 Sơ đồ chân 14

2.3.3 Tổ chức bộ nhớ 16

2.3.4 Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52 17

Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN DỮ LIỆU 3.1 Giới thiệu chung 19

3.2 Tổng quan về hệ thống truyền số liệu 19

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 19

3.2.2 Chức năng của các khối 20

3.2.2.1 Tuyến phát 20

3.2.2.2 Tuyến thu 21

3.2.3 Các tham số cơ bản 22

3.2.3.1 Tốc độ 22

3.2.3.2 Độ tin cậy 22

3.2.3.3 Dung lượng kênh truyền 22

3.2.4 Đường truyền dẫn tín hiệu 23

3.2.4.1 Môi trường truyền vô tuyến 23

3.3 Lý thuyết về mã hóa và giải mã 31

3.3.1 Khái niệm mã hóa, giải mã 31

3.3.2 Mã hóa đường dây 32

3.3.2.1 Mã hai mức 33

3.3.2.2 Mã ba mức 36

3.4 Lý thuyết về điều chế, giải điều chế trong truyền số liệu 40

3.4.1 Khái quát về điều chế và giải điều chế khóa dịch pha 40

3.4.2 Điều chế và giải điều chế BPSK 40

3.4.2.1 Điều chế BPSK (Binary Phase Shift Keying) 40

3.4.2.2 Giải điều chế BPSK 43

3.4.3 Điều chế và giải điều chế M-ary PSK 45

3.4.3.1 Điều chế M-ary PSK 45

3.4.3.2 Biểu diễn hình học tín hiệu M-ary PSK 46

3.4.3.3 Mật độ phổ công suất Pc, Po 47

3.4.3.4 Giải điều chế M-ary PSK 48

3.4.4 Điều chế và giải điều chế dịch biên ASK 49

3.4.4.1 ASK kết hợp 50

3.4.4.2 ASK không kết hợp 54

3.4.5 Điều chế và giải điều chế dịch tần FSK 56

3.4.5.1 Điều chế BFSK 56

3.4.5.2 Phổ của BFSK 57

3.4.5.3 Giải điều chế BFSK 59

Chương IV: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 4.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc hệ thống 60

4.1.1 Giới thiệu chung 60

4.1.2 Thiết kế chi tiết các mạch chức năng 62

4.1.2.1 Thiết kế khối giao tiếp máy tính 62

4.1.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm 65

4.1.2.3 Thiết kế khối nguồn cấp cho hệ thống 67

4.1.2.4 Thiết kế khối phát RF TWS-434 68

4.1.2.5 Thiết kế Module thu RF RWS-434N 72

4.1.2.6 Thiết kế khối thời gian thực Realtime DS1307 75

4.1.2.7 Thiết kế khối EPROM 24C04 81

4.1.2.8 Thiết kế khối mô phỏng thiết bị ngoại vi 85

Chương V: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

5.1 Giới thiệu chung 87

5.2 Chương trình điều khiển hệ thống 87

5.2.1 Chương trình điều khiển hệ thống từ máy tính (PC) 87

5.2.2 Chương trình điều khiển hệ thống ở chế độ bằng tay (Manual) 92

5.3 Lưu đồ giải thuật 94

5.3.1 Lưu đồ giải thuật của chương trình viết cho vi điều khiển 94

5.3.1.1 Lưu đồ giải thuật viết cho vi điều khiển mạch Slave 94

5.3.1.2 Lưu đồ giải thuật viết cho vi điều khiển mạch Master 95

5.3.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển trên máy tính 95

5.4 Kết cấu bo mạch và kết quả thực nghiệm 97

5.4.1 Kết cấu các bo mạch 97

5.4.2 Kết quả chế tạo và vận hành hệ thống 97

Chương VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận 101

6.2 Hướng phát triển của đề tài 102

LỜI CẢM ƠN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Ngày nay việc truyền/nhận dữ liệu không dây thu hút được sự quan tâm lớn lao của những người hoạt động trong lĩnh vực điện tử viễn-thông, các hệ thống thông tin truyền và nhận dữ liệu ở dạng tương tự hoặc số được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và các ngành khoa học kỹ thuật Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng điện từ hay sóng radio bởi vì những ưu điểm của nó là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao, băng tần rộng… có rất nhiều vi mạch hỗ trợ xử lý thu/phát tín hiệu không dây như PT9148, PT9149, PT2262, PT2272, HT12A, HT12E, HT12D… những module thu/phát cao tần như TWS434, RWS434… và với những vi điều khiển và AVR mới có tốc độ xử lý nhanh hơn, nhiều tính năng tác dụng hỗ trợ cho việc thiết kế, chế tạo, xây dựng một

hệ thống điều khiển không dây hoàn chỉnh phục vụ cho các mục đích khác nhau Chính từ những thuận lợi đó, mà việc ứng dụng truyền dữ liệu không dây vào điều khiển các thiết bị ở trên thế giới, nhất là những nước có ngành công nghiệp phát triển đã trở thành phổ biến, và không thể thiếu nhất là trong lĩnh vực điều khiển thông tin số và nó luôn phát triển không ngừng với tốc độ rất nhanh, đóng góp không nhỏ vào sự phát triển kinh kế, quốc phòng, an ninh của các quốc gia đó

Ở nước ta hiện nay, theo xu thế phát triển của thế giới việc ứng dụng truyền dữ liệu không dây vào điều khiển các thiết bị cũng đã phát triển nhưng phần nhiều chỉ

ở mức khai thác và sử dụng thiết bị được nhập từ nước ngoài về Còn ở mức thiết

kế, chế tạo ra sản phẩm thì chưa nhiều, còn phụ thuộc nhiều vào nước ngoài, chưa

có cơ sở phát triển vững trắc cho lĩnh vực này

Chính vì vậy, để thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi hơn lĩnh vực điều khiển không giây thì trước hết các nhà trường, học viện, các trung tâm nghiên cứu

và thiết kế, phải thực sự là nơi đi đầu trong việc ứng dụng, khai thác, thiết kế, tạo mới các hệ thống này làm cơ sở tiền đề cho cho sự phát triển các sản phẩm ứng

dụng khác sau này Muốn vậy phải có nhiều đề tài, các công trình nghiên cứu, các buổi hội thảo khoa học về lĩnh vực này hơn nữa Mặt khác, các trung tâm nghiên cứu, các nhà trường, học viện phải kết hợp chặt chẽ với các công ty, nhà máy sản xuất để đưa những công trình nghiên cứu, những đề tài khoa học trong phòng thí nghiệm ra cuộc sống

Trước đòi hỏi đó, người làm đề tài đưa ra ý tưởng “Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi bằng sóng RF” với sự trình bày khá khái quát về cơ sở

lý thuyết liên quan và trình tự thiết kế sẽ là một đề tài rất có ý nghĩa cho việc thúc đẩy thiết kế, chế tạo các hệ thống điều khiển khác sau này

Với ý tưởng đó, trong chương này người thiết kế sẽ trình bày những vấn đề có tính chất định hướng của đề tài như mục đích nghiên cứu, giới hạn đề tài, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng… Tuy nó là khái quát nhưng từ đó người thiết

kế lấy đó làm cơ sở cho việc định hướng thiết kế làm cơ sở cho nghiên cứu các chương tiếp theo

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Hệ thống điều khiển thiết bị bằng sóng RF bao gồm mạch Master và mạch

Slave, mạch Master được kết nối với máy tính cho phép người sử dụng có thể điều khiển, thiết lập thời gian và quan sát trạng thái tắt mở của thiết bị thông qua giao diện trên máy tính Ngoài ra, người dùng còn có thể thao tác điều khiển thông qua màn hình hiển thị Các thông số điều khiển sẽ được lưu lại khi hệ thống đột ngột mất điện và tiếp tục hoạt động theo các thông số này khi có điện trở lại Trên mạch

Slave cả hai khối thu và phát RF cho phép người dùng cập nhật thông tin về trạng thái hoạt động tức thời của thiết bị ngoại vi (thiết bị ngoại vi ở đây có thể là các đèn chiếu sáng trong một tòa nhà, hay thệ thống cửa trong nhà kho, hệ thống cửa trong

xe ô tô…) Khi người sử dụng thiết lập thời gian hoặc điều khiển trực tiếp thiết bị trên máy tính (thông tin điều khiển này sẽ được truyền từ máy tính xuống mạch

Master thông qua khối giao tiếp RS232) hoặc điều khiển thông qua màn hình hiển thị trên mạch Master các thông tin điều khiển này sẽ được lưu trữ vào EPROM, tiếp theo thông tin đó được vi điều khiển đưa vào khối phát RF thông qua bộ mã hóa đến mạch Slave, mạch này nhận thông tin điều khiển từ module thu qua IC giải mã

thông tin và thông qua bộ điều khiển trung tâm điều khiển tắt/mở thiết bị tương ứng, sau đó mạch Slave đọc trạng thái của các thiết bị và gửi về mạch Master qua khối phát RF trên mạch Slave Ở mạch Master cũng có khối thu RF khối này sẽ thu tín hiệu hiển thị trạng thái thiết bị qua mạch giải mã đến vi điều khiển, tại vi điều khiển

sẽ đưa ra tín hiệu tương ứng hiển thị trạng thái thiết bị qua khối giao tiếp RS232

hiển thị trên màn hình máy tính Trạng thái tắt/mở của các thiết bị thường xuyên

được mạch Master cập nhật sau đó gửi lên máy tính và màn hình hiển thị cho người dùng quan sát

Với những nguyên tắc cơ bản của hệ thống như trên, người thiết kế muốn thể hiện với mục đích hệ thống lại một số kiến thức đã học liên quan đến chuyên ngành

và nâng cao khả năng tự thiết kế Mặt khác tạo ra mô hình cho việc tham khảo thiết

kế những hệ thống điều khiển thiết bị không dây khác

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Với khoảng thời gian cho phép người thiết kế tập trung vào những phần sau:

 Mạch Master sẽ phải thiết kế những khối như sau:

• Khối giao tiếp máy tính

• Khối mã hóa sẽ mã hóa những dữ liệu từ khối xử lý trung tâm đưa sang

• Khối phát

• Khối thu

• Khối giải mã tín hiệu sau khi nhận được dữ liệu đã được mã hóa từ khối thu

• Khối lưu trữ những thông số cài đặt để phòng những trường hợp khi mất nguồn đột ngột (EPROM)

• Khối màn hình hiển thị những thông số điều khiển cần thiết để người dùng

có thể quan sát dễ dàng

• Khối keypad dùng nhập những thông số điều khiển khi cần thiết mà không cần dùng đến máy tính

• Khối realtime là hệ thống thời gian thực giúp cho việc cài đặt, điều khiển cũng như thiết lập thời gian đúng với thời gian thực tế

• Bộ xử lý trung tâm ở đây sử dụng chíp vi điều khiển AT89S52 của hãng Atmel có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ máy tính sau đó xử lý những thông tin rồi đưa ra những tín hiệu điều khiển thích hợp đến các khối khác trong mạch để tạo ra sự hoạt động nhịp nhàng

 Mạch slave sẽ phải thiết kế những khối như sau:

• Khối EPROM có nhiệm vụ lưu trữ những thông số cài đặt, tín hiệu điều khiển… để phòng những trường hợp khi mất nguồn đột ngột thì dữ liệu không mất đi và vẫn hoạt động bình thường với những thông số cài đặt ban đầu khi có nguồn trở lại

• Khối mã hóa sẽ mã hóa những dữ liệu từ khối xử lý trung tâm đưa sang sau

đó truyền đến Module phát để phát đến mạch Slave

• Khối phát để truyền dữ liệu đã được mã hóa đến mạch Master

• Khối thu là thu những dữ liệu đã được mã hóa từ mạch master phát ra

• Khối giải mã sau khi nhận được dữ liệu đã được mã hóa từ khối thu sẽ giải

mã dữ liệu sau đó đưa đến bộ xử lý trung tâm

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tài liệu về truyền dữ liệu, tài liệu vi điều khiển, tài liệu về mã hóa và giải mã, tài liệu lập trình cho vi điều khiển AT89S52, tài liệu lập trình Microsoft Visual Basic 1998 để tạo ra các giao diện

sử dụng cho điều khiển trên máy tính…

 Phương pháp thực nghiệm như (gia công, lắp ráp, thí nghiệm, viết phần mềm điều khiển thiết bị)

1.5 ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

 Hệ thống dùng AT89S52 có khả năng xử lý dữ liệu nhanh, có khả năng ứng dụng nhiều

 Hệ thống có kết nối với máy tính, có hiển thị trạng thái hệ thống trên máy tính,

có thể đặt thời gian tắt/mở cho hệ thống theo yêu cầu

 Hệ thống dùng những module thu, phát chuyên dụng nên có kích thước nhỏ nhẹ

1.6 KỸ THUẬT SỬ DỤNG

 Phần cứng

• Trên cơ sở kỹ thuật ghép nối AT89S52 với máy tính, AT89S52 với các module thu, module phát, khối màn hình hiển thị, khối thời gian thực, khối EPROM

 Phần mềm

• Phần mềm viết giao diện điều khiển vận hành trên máy tính

• Phần mềm viết cho AT89S52 để điều khiển thiết bị

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ

VI ĐIỀU KHIỂN

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Sự kết nối giữa máy tính với các hệ thống truyền thông đặc biệt là viễn thông

đã tạo ra sự chuyển biến có tính cách mạng trong vấn đề tổ chức khai thác sử dụng các hệ thống viễn thông Việc kết nối giữa máy tính với hệ thống truyền thông cho phép chúng ta có thể quản lý, điều khiển, theo dõi hệ thống ở khoảng cách xa mà không cần phải trực tiếp điều khiển tại hệ thống

Sự kết nối giữa máy tính với các hệ thống truyền thông có nhiều phương pháp kết nối và cũng có rất nhiều hệ thống hay thiết bị khác nhau để kết nối, tuy nhiều thiết bị khác nhau nhưng khi kết nối chúng phải tuân theo các tiêu chuẩn kết nối của hiệp hội công nghiệp viễn thông quốc tế đưa ra

Với những ảnh hưởng to lớn của máy tính như vậy nên người làm đề tài có ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi bằng sóng cao tần có kết nối và điều khiển trên máy tính, thực chất là kết nối máy tính với một vi điều khiển, nhờ có

vi điều khiển mà hệ thống làm việc với nhiều chức năng hơn, dễ dàng quản lý sự làm việc của hệ thống hơn bởi vì chúng có thể cài đặt được thời gian tắt, thời gian

mở của hệ thống, lưu các thông số hoạt động của hệ thống khi đột ngột mất điện…

Để thực hiện được ý tưởng thiết kế đó trong chương II này người làm đề tài sẽ trình bày về các phương pháp giao tiếp máy tính và lý thuyết vi điều khiển AT89S52 cụ thể

 Về cơ sở lý thuyết về giao tiếp máy tính sẽ giới thiệu một số phương pháp giao tiếp như giao tiếp nối tiếp, giao tiếp song song Về giao tiếp nối tiếp sẽ tìm hiểu

về tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp, các phương thức, các phương pháp kết nối giữa DTE và DCE, các đặc tính kỹ thuật của RS232

 Về vi điều khiển sẽ giới thiệu những nét cơ bản về vi điều khiển AT89S52 như

giới thiệu chung về vi điều khiển AT89S52, sơ đồ chân, tổ chức bộ nhớ, sơ đồ

khối… Tuy nó chưa hoàn toàn đầy đủ nhưng đó là kiến thức cần thiết để người thiết kế sử dụng để xây dựng nên hệ thống qua đó giúp cho người thiết kế thấy được các ưu điểm cũng như giới hạn của hệ thống và từ đó góp phần định hướng thiết kế cho hệ thống được tốt hơn

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH

2.2.1 Giao tiếp nối tiếp

2.2.1.1 Tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp

Hiệp hội công nghiệp viễn thông (Telecommunications Industry Assosiation –TIA) đưa ra tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng cho việc kết nối giữa hai thiết bị Giao tiếp nối tiếp được thưc hiện qua cổng nối tiếp được dùng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp đầu tiên là RS-232 có

ưu điểm sau

 Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song

 Số dây kết nối ít

 Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại và sóng vô tuyến

 Có thể ghép nối với vi điều khiển và PLC

 Cho phép nối mạng

 Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc

 Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản

Các thiết bị khép nối chia làm hai loại DTE và DCE, DCE là thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, vi điều khiển…Viêc trao đổi dữ liệu thông thường qua hai chân (RxD) và TxD các tín hiệu còn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập quá trình truyền đươc gọi là tín hiệu bắt tay, ưu điểm của quá trình truyền dùng tín hiêu bắt tay là có thể kiểm soát được quá trình truyền Tín hiệu truyền theo chuẩn RS232 của EIA (Electronics Industry

Associations) quy định mức 1 với mức điện áp (-3 đến -15v ) mức 0 ứng với điện áp (3 đến 15v) và có khả năng cung cấp dòng từ 10mA đến 20mA Chuẩn RS323 cho phép truyền tín hiêu với tốc độ 20000 bps nhưng với cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115200 bps

2.2.1.2 Phương thức kết nối giữa DTE và DCE

 Đơn công: Dữ liệu chỉ được truyền theo một hướng

 Bán song công: Dữ liệu đươc truyền theo hai hướng nhưng mỗi thời điểm dữ

liệu chỉ đươc truyền theo một hướng

 Song công: Dữ liệu được truyền theo hai hướng

Định dạng khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS232

(Hình 2.1 Khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS232 )

 Nguyên lý truyền dữ liệu

Khi không truyền dữ liệu đường truyền ở trang thái MARK (-10v), khi bắt đầu

truyền TDE sẽ đưa ra xung Start (space là 10v) và sau đó truyền lần lượt từ D0

đến D7 và Party sau cùng là Stop (MARK = -10v) để khôi phục trạng thái đường

truyền

2.2.1.3 P hương pháp kết nối

 Các sơ đồ kết nối khi dùng cổng nối tiếp

(Hình 2.2 Sơ đồ kết nối đơn giản dùng cổng nối tiếp)

Khi thực hiện kết nối như trên quá trình truyền phải bảo đảm tốc độ ở đầu phát

và thu giống nhau Khi có dữ liệu đến DTE, dữ liệu này sẽ được đưa vào bộ đệm

và tạo ngắt

 Ngoài ra khi thực hiện kết nối giữa hai DTE ta còn dùng sơ đồ (Hình 2.3):

Khi DTE1 cần truyền dữ liệu thì cho DTR tích cực đến tác động lên DSR của

DTE2 cho biết sẵn sàng nhận dữ liệu và cho biết đã nhận được sóng mang của

TxD RxD GND

TxD RxD GND DTE1

(Hình 2.3 Sơ đồ kết nối dùng cổng nối tiếp có sử dụng tín hiệu bắt tay)

MODEM (ảo) Sau đó DTE1 tích cực chân RTS để tác động đến chân CTS của DTE2 cho biết DTE1 có thể nhận dữ liệu Khi thực hiện kết nối giữa DTE và DCE, do tốc độ truyền khác nhau nên phải thực hiện điều khiển lưu lượng Quá trình điều khiển bằng phần mềm thực hiện bằng hai ký tự Xon và Xoff Ký tự Xon được DCE gởi đi khi rảnh (có thể nhận dữ liệu) Nếu DCE bận thì sẽ gởi ký

tự Xoff Quá trình điều khiển bằng phần cứng dùng hai chân RTS và CTS Nếu DTE muốn truyền dữ liệu thì sẽ gởi RTS để yêu cầu truyền, DCE nếu có khả

năng nhận dữ liệu (đang rảnh) thì gởi lại CTS

2.2.1.4 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232

(Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232)

Tốc độ dữ liệu cực đại 20kbps Điện áp ngõ ra cực đại ± 25v Điên áp ngõ ra có tải ± 5v đến ± 15v

TxD RxD GND RTS CTS DSR DCD DTR DTE 2

(Bảng 2.2 Mô tả chức năng các chân cổng COM)

D25 D9 Tín hiệu Hướng truyền Mô tả

24 - TSET DTE→DCE Tín hiệu định thời truyền đi từ

DTE

15 - TSET DCE→ DTE Tín hiệu định thời truyền đi từ

DCE để truyền dữ liệu

17 - RSET DCE→ DTE Tín hiệu định thời truyền đi từ

DCE để truyền dữ liệu

21 - RL DCE→ DTE Tao ra bởi DCE khi tín hiệu nhận

từ DCE lỗi

Cổng COM có hai loại giắc đấu nối là DB25 (loại 25 chân) và loại DB9 (9 chân) và

sau đây là sơ đồ hai loại đó

(Sơ đồ chân loại 25 chân)

(Sơ đồ chân loại 9 chân) (Hình 2.4 Sơ đồ chân cổng nối tiếp)

2.2 2 Giao tiếp song song

2.2.2.1 Cấu trúc cổng song song

Gồm bốn đường điều khiển, năm đường trạng thái tám đường dữ liệu và năm chế độ hoạt động

(Bảng 2.3 Mô tả chức năng các chân cổng song song)

11 BUSY(in) Mức cao: Ký tự đã được nhận bộ đệm máy in

đầy khởi động máy in, máy in ở trạng thái off line

12 PAPER EMPTY(in) Mức cao: Hết giấy

13 SELECT(in) Mức cao: Máy in ở trạng thái online

 Cổng song song: Có 3 thanh ghi để truyền dữ liệu và điều khiển máy in Địa chỉ

cơ sở của các thanh ghi cho tất cả các cổng (LPT1–LPT4) được lưu dữ trong vùng dữ liệu của BIOS

 Phương pháp giao tiếp song song: Các bít trong 1byte, 1word được truyền qua lại đồng thời, phương pháp này có tốc độ truyền cao Tuy nhiên muốn tăng độ tin cậy khi truyền thì bộ truyền phải đồng bộ về xung nhịp, đường truyền không dài quá 2m vấn đề này sẽ hạn chế và gây khó khăn nếu thiết bị nối ở xa máy tính

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AT89S52

2.3 1 Giới thiệu chung

Hệ thống điều khiển thiết bị ngoại vi dùng sóng RF trong đề tài này sử dụng vi điều khiển AT89S52 của hãng ATMEL, nó sử dung công nghệ CMOS 8bit Để hiểu được nó người thiết kế đề tài trích dẫn một số chức năng cơ bản của AT89S52 như sau

 AT89S52 thuộc họ MCS51 được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và ở nước

ta

 256 byte SRAM nội

 8kb FLASH

 4 port xuất nhập (32 đường)

 1 port nối tiếp song công lập trình được UART

 3 bộ định thời 16 bit

 Tất cả các chip họ MCS51 đều có tính năng phần mềm gần như nhau

 Phần cứng của họ 89s có chế độ nap nối tiếp như vây nó đơn giản và dễ sử dung và rất thuận tiện cho người dùng

 Có thể mở rộng không gian bộ nhớ chương trình ngoài 64kb

 Có thể mở rộng không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài 64kb

 Bộ xử lý bit có thể truy suất từng bit riêng rẽ (210bit có thể truy suất đến bít)

 Có thể viết / xóa 10000 lần

 Không làm việc ở chế độ nguồn thấp

 Phục hồi ngắt từ chế độ nguồn thấp

 Bộ định thời whatchdog

 Cặp thanh ghi con trỏ dữ liệu

 Thời gian xử lý chương trình nhanh

 Khoảng hoạt động của nguồn từ 4v ÷ 5,5v

 Hoạt động không có nhiễu từ tần số (0 ÷ 33)Mhz

 Port 0 gồm 8 chân từ (32 ÷ 39 ) có hai chức năng là xuất và nhâp, các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để xử lý hoặc xuất tín hiêu ra ngoài Chức năng thứ hai là trong các thiết kế lớn có bộ nhớ ngoài port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp

 Port 1 có công dụng là xuất /nhập (các chân từ 1 – 8) ký hiêu là P1.0, P1.1, P1.2,… P1.7, đươc dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi bên ngoài khi có yêu cầu P1.0, P1.1, hoặc làm các đường xuất/nhập hoăc làm ngõ vào định thời cho timer thứ 3 và cũng nhận thứ tự những byte địa chỉ thấp trong khi bộ nhớ đang thực hiện và kiểm tra

 Port 2 (từ chân 21 – 28) có hai công dụng, hoăc là xuất/nhâp hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài

 Port 3 (từ các chân 10 – 17) có hai công dụng Khi không hoạt động xuất/nhập các chân port 3 có nhiều chức năng riêng

 Chân Vcc: Chân 40 là chân cấp nguồn cho vi điều khiển (nguồn là 5 ± 0,5v)

 Chân GND: Chân 20 nối GND (nối đất)

 Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN

Tín hiệu cho phép bộ nhớ chương trình PSEN là tín hiệu xuất trên chân 29 đây

là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài

(Hình 2.5 Mô tả chức năng các chân AT89S52 )

 Chân cho phép chốt địa chỉ ALE (chân 30) là chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE để dải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số thạch anh dao động trong chip và có thể được dùng làm xung clock cho phần còn lại của hệ thống, chân ALE còn được dùng làm ngõ vào cho

bộ nhớ trên chip

 Chân truy xuất ngoài EA ngõ vào này (chân 31) có thể đươc nối với 5v (logic1) hoặc đất (GND), nếu chân này nối lên 5v nó thực thi chương trình trong bộ nhớ nội Nếu chân này nối đất và chân PSEN cũng nối đất thì chương trình cần thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài, chân này còn sử dụng làm chân nhận điện áp 12v cho việc lập trình bộ nhớ nội

(Bảng 2.4 Mô tả chức năng của các chân trong các port)

2.3.3 Tổ chức bộ nhớ

 AT89S52 có không gian bộ nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu đều đặt trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ chương trình và dữ liệu bằng cách sử dụng các chip nhớ bên ngoài với dung lương tối đa 64kb cho cả bộ nhớ chương trình và dữ liệu Bộ nhớ nội trong chip bao gồm ROM và RAM, trong RAM có vùng RAM đa mục đích có địa chỉ từ (30h – 7Fh), bất kỳ vị trí nào trong vùng RAM đa mục đích đều có thể truy xuất tự do bằng các kiểu định địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp

 Các băng thanh ghi có địa chỉ từ (00h ÷ 1Fh) có 4 băng thanh ghi mỗi băng có 8 thanh ghi

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp

P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp

P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 0

P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 1

P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

P1.0 T2 90H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 2

P1.1 T2EX 91H Nạp lại/ thu nhận của bộ định thời 2

 210 vị trí được định địa chỉ bit nằm trong vùng RAM định địa chỉ bit trong đó

128 bit chứa trong các byte địa chỉ từ (20h ÷ 2Fh) và số còn lại nằm trong các thanh ghi đặc biệt

 Các thanh ghi có chức năng đặc biệt có địa chỉ từ (80h – 0F8h)

 Còn ROM là 8kb dùng để lưu dữ chương trình do người lập trình viết khi hoạt động vi điều khiển truy xuất từng lệnh trong ROM để thực hiện ROM được định địa chỉ theo byte, các byte được đánh địa chỉ bằng số hex bắt đầu là 0000h

và có 256 byte RAM nội

2.3 4 Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52

 AT89S52 là vi điều khiển có hiệu suất cao, nguồn cung cấp thấp, công nghệ chế tạo CMOS, là loại 8 bit, 8kb bộ nhớ chương trình trên chip (bộ nhớ FLASH), nó được sản xuất theo công nghệ bộ nhớ không bay hơi, mật độ cao của ATMEL

Dễ tương thích với các tiêu chuẩn công nghệ của họ vi điều khiển MCS51 về cách cài đặt và các chân ra Bộ nhớ trên chip cho phép bộ nhớ chương trình lập trình lại được trong hệ thống hoặc bởi một bộ nhớ chương trình truyền thống Bằng cách ghép nối một CPU 8bit với trong hệ thống bộ nhớ chương trình trên 1 chip tạo thành 1 cấu trúc

AT89S52 là một vi điều khiển mạnh với sự đáp ứng một cách linh hoạt và là giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng điều khiển, nó cung cấp tiêu chuẩn đăc trưng sau Bộ nhớ 8kb FLASH, 256 byte RAM, 32 đường vào/ra, môt bộ whatdogtimer, hai con trỏ dữ liệu, ba bộ định thời/đếm, một kiểu kiến trúc ngắt hai mức có 6 véc tơ ngắt bao gồm 2 ngắt ngoài (INT0, INT1) 3 ngắt timer T1, T2, T3 và 1 ngắt nối tiếp một cổng nối tiếp song công, mạch khóa và dao động trên chip Hơn nữa AT89S52 còn đưa ra với trạng thái logic hoạt động xuống tới tần số 0hz và cung cấp hai chế độ tiết kiệm nguồn lựa chọn bởi phần mềm Chế

độ dừng CPU không làm việc và cho phép RAM, timer/counter, cổng nối tiếp hệ thống ngắt vẫn làm việc Chế độ sụt giảm nguồn đươc lưu trữ trong RAM nhưng dao động không làm việc và vô hiệu hóa tất cả các chức năng của chip cho đến khi ngắt tiếp theo hoặc reset lại bộ nhớ

(Hình 2.6 Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52)

PORT 0 DRIVER PORT 2 DRIVER

RAM ADDR REGISTERER RA M

PORT 0 LATCH

PORT 2 LATCH FLASH

PORT 3 DRIVERS PORT 1 DRIVERS

B REGISTER ACC

STACK POINTER

PROGRAM ADDRESS REGISTER

PC NCREMENTER

PROGRAM COUNTER

DUAL DPTR

PROGRAM LOGIC

ISP PORT

PORT 1 LATCH

PORT 3 LATCH

WATCH DOG

PSW

ALU INTERRUPT, SERIAL PORT,

AND TIMER BLOCKS

TIMING

AND

CONTROL

NSTRUCTION REGISTER

CHƯƠNG III

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRUYỀN DỮ LIỆU

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính, công nghệ chế tạo IC đa chức năng, khả năng to lớn của cáp quang và hệ thống vệ tinh địa tĩnh, thông tin truyền dữ liệu số đã trở thành phổ biến và có một sức mạnh đến kỳ lạ, nó có thể thỏa mãn nhiều yêu cầu về thông tin liên lạc của mọi người trên toàn cầu trong một khoảng thời gian rất ngắn

Với sự phát triển đó người làm đề tài có ý tưởng thiết kế hệ thống “truyền số liệu không dây bằng sóng RF” Với ý tưởng đề tài đó trong chương III này người làm đề tài sẽ trình bày khái quát về lý thuyết cơ bản trong truyền số liệu như sau

 Phần tổng quan về hệ thống truyền số liệu bao gồm nội dung chính sau:

• Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền số liệu

• Chức năng các khối trong hệ thống

• Các tham số cơ bản của hệ thống

• Đường truyền dẫn tín hiệu (sẽ phân tích nhiều về đường truyền vô tuyến)

 Phần lý thuyết mã hóa và giải mã:

• Khái niệm về mã hóa, giải mã

• Các loại mã đường dây thường sử dụng

 Phần lý thuyết về điều chế và giải điều chế bao gồm nội dung chính sau

Phương pháp điều chế cơ bản trong truyền số liệu như ASK trong đó có (ASK kết hợp, ASK không kết hợp và QASK), PSK trong đó có (BPSK, QPSK, M-ary PSK) và FSK … Qua đó lấy nó làm cơ sở lý thuyết để thiết kế, xây dựng hệ thống thích hợp với ý tưởng thiết kế

3.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN SỐ LIỆU

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

(Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền số liệu)

3.2.2 Chức năng của các khối

3.2.2.1 Tuyến phát

 Nguồn tin: Nhận các dạng thông tin như thoại, âm thanh, hình ảnh…, nhờ các thiết bị bàn phím, đĩa từ, băng đục lỗ,… lưu trữ thông tin theo một trật tự nhất định, lần lượt đưa thông tin m tới thiết bị đầu cuối DTE

 Thiết bị đầu cuối DTE (Data Terminal Equiment) Thực hiện chức năng mã hoá thông tin như biến đổi các kí hiệu thông tin thành tổ hợp mã g, mã hoá chống nhiễu thêm vào 1 số bít kiểm tra có chức năng phát hiện lỗi, sửa lỗi, tạo dãy xung tín hiệu tương ứng với tổ hợp mã để đưa tới thiết bị truyền, các xung được tạo ra nối tiếp nhau Dãy xung đó gọi là dãy xung cấp 1 g(t) (tín hiệu băng gốc)

 Thiết bị truyền dẫn DCE (Data Circuit Terminating Equiment) thực hiện xử lý tín hiệu băng gốc bằng quá trình sau

• Xáo trộn để tạo thành dãy tín hiệu có tính ngẫu nhiên không phụ thuộc vào nguồn tin để cải thiện đặc tính phổ của tín hiệu (hàm mật độ phổ đồng đều

hơn, quá trình làm trắng phổ)

• Mã hóa đường dây để khử thành phần một chiều của tín hiệu, tăng mật độ chuyển đổi trạng thái của tín hiệu để phục vụ việc khôi phục tín hiệu xung đồng hồ tại bên thu chính xác

• Biến đổi tín hiệu cấp 1 thành dãy tín hiệu cấp 2 s(t) phù hợp với đường truyền, quá trình biến đổi tín hiệu này còn gọi là điều chế tín hiệu (sẽ nghiên cứu cụ thể trong phần sau)

 Kênh truyền là môi trường truyền dẫn đảm bảo việc truyền dẫn tín hiệu từ bên phát tới bên thu với độ suy hao cho phép, các môi trường truyền dẫn có thể phân thành 2 nhóm truyền dẫn là hữu tuyến và vô tuyến

• Hữu tuyến có môi trường là cáp đồng trục, cáp xoắn đôi, cáp sợi quang…

• Vô tuyến có môi trường là truyền bằng sóng viba, tia hồng ngoại, sóng vô tuyến…Ngoài ra thực hiện chức năng ghép các luồng tốc độ thấp thành luồng thông tin tốc độ cao để nâng cao hiệu suất đường truyền Kênh truyền chịu tác động của can nhiễu, can nhiễu gồm có 2 loại

Nhiễu ngoài là do tác động của môi trường bên ngoài, qui luật tác động là ngẫu nhiên nên không kiểm soát được cần phải khảo sát, dự đoán để thiết kế kênh truyền

Nhiễu trong là do bản thân thiết bị gây ra (như tạp âm nhiệt, nhiễu xuyên âm giữa hai dây trong cáp xoắn đôi, nhiễu giao thoa giữa các kênh vô tuyến…)

Do chịu tác động của nhiễu nên tín hiệu phát vào kênh truyền s(t), sau khi ra khỏi kênh truyền tới thiết bị thu có dạng r(t), (có dạng khác so với s(t) nhưng vẫn đảm bảo khôi phục được thông tin m)

 Đồng bộ là khối có nhiệm vụ tạo các xung đồng bộ điều khiển hoạt động của các khối trong hệ thống phát/thu để các khối xử lý thông tin tuần tự…

3.2.2.2 Tuyến thu

 Thiết bị truyền DCE ở bên thu thực hiện quá trình ngược với thiết bị DCE của bên phát là thu nhận tín hiệu từ kênh truyền và thực hiện quá trình xử lý sau Thực hiện biến đổi tín hiệu ở dạng cấp 2 về tín hiệu cấp 1 (g’(t))

Giải mã đường dây (line decoding) là dựa vào tín hiệu xung đồng hồ Clk để phân biệt các bít, và sử dụng qui luật giải mã của mã đường dây dùng bên phát

để mã hoá đường dây

Bỏ xáo trộn (descrambling) bỏ xáo trộn để thu được dãy dữ liệu ban đầu (g)

 Thiết bị đầu cuối DTE

Nhận dạng đúng các bít thu được trong điều kiện có tác động của nhiễu, có sử dụng thuật toán ghi nhận phù hợp và sự đồng bộ với bên phát thông qua xung đồng hồ

Dùng giải mã chống nhiễu để phát hiện lỗi, sửa lỗi nếu có

Dùng bộ giải mã để chuyển đổi mã thành tín hiệu thông tin (m’)

 Nhận tin để đưa thông tin nhận được ra các thiết bị hiển thị (màn hình ), in ấn, các thiết bị lưu trữ thành tập tin theo đúng trật tự ở bên phát Thông thường các

hệ thống thông tin có dạng 2 chiều có thể phát và có thể nhận thông tin nên gọi chung các thiết bị bên thu và phát

= (baud) với t0 là độ rộng 1 đơn vị tín hiệu

3.2.3.2 Độ tin cậy

Tỷ lệ lỗi:

0

s s

m h m

= với m s là số bít lỗi khi truyền được m0 bít

Thông thường tỷ lệ này gọi là tỷ lệ lỗi bít BER Đây là tham số đo được sau khi thực hiện truyền dữ liệu qua hệ thống Khi m0 → ∞ thì h s → p gọi là xác suất lỗi bít

và được xác định như sau:

0

m

m p

3.2.3.3 Dung lượng kênh truyền

Dung lượng của kênh được tính bằng số lượng bit truyền đi được trong một giây của kênh đó với điều kiện độ suy giảm nhất định và được tính như sau:

Với tín hiệu có độ rộng phổ W được truyền chịu tác động với tỷ số S/N nhất định thì chỉ có thể truyền với tốc độ lớn nhất qua kênh bằng dung lượng kênh truyền

R≤C

3.2.4 Đường truyền dẫn tín hiệu

Dữ liệu được truyền từ đầu phát tới đầu thu thông qua môi trường truyền Môi trường truyền có thể chia làm 2 loại là môi trường định tuyến (hữu tuyến) hay không định tuyến (vô tuyến) Trong cả hai trường hợp thông tin đều được thực hiện thông qua sự truyền lan của sóng điện từ

Đường đi của sóng điện từ được định sẵn theo một đường vật lý như cặp đôi dây xoắn, cáp đồng trục, cáp quang gọi là môi trường truyền hữu tuyến Trong môi trường này thường chia làm 2 loại là truyền điểm nối điểm và đa điểm Trong loại điểm nối điểm là môi trường truyền chỉ cho phép truyền thông tin giữa 2 thiết bị Môi trường trong truyền đa điểm là môi trường dùng chung bởi nhiều thiết bị

3.2.4.1 Môi trường truyền vô tuyến

Môi trường truyền chỉ cung cấp một phương tiện truyền lan sóng điện từ, mà không ràng buộc chúng theo một đường, một tuyến nhất định, ví dụ như sự truyền lan của sóng điện từ trong không khí, trong chân không hay qua nước biển

Khái niệm đường trực tiếp dùng để mô tả đường truyền giữa hai thiết bị mà trong đó tín hiệu được truyền từ đầu phát tới đầu thu không qua một thiết bị trung gian nào ngoại trừ các bộ khuyếch đại hay bộ lặp Khái niệm đường trực tiếp được dùng cho cả môi trường định tuyến và không định tuyến

 Phân chia giải tần vô tuyến

Ta biết rằng thông tin vô tuyến đảm bảo việc phát thông tin đi xa nhờ các sóng điện từ Môi trường truyền sóng (khí quyển trên mặt đất, vũ trụ, nước, đôi khi là các lớp địa chất của mặt đất) là chung cho nhiều kênh thông tin vô tuyến Việc

phân kênh chủ yếu dựa vào tiêu chuẩn tần số Một cách tổng quát phổ tần tổng cộng và miền áp dụng của chúng được chỉ ra trên (hình 3.2)

• Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi (30 ÷ 300)Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo

• Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi (30÷300)kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải

và hàng không

• Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi (300 kHz ÷ 3 MHz), chủ yếu dùng cho phát thanh thương mại sóng

trung (535 đến 1605 kHz) ngoài ra cũng sử dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

• Các tần số cao (HF - High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi (3 ÷ 30)MHz (thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều

sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá

• Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi (30 ÷ 300)MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại , truyền hình thương mại

• Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 300MHz ÷ 3GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh truyền hình thương mại, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống vi ba và thông tin vệ tinh

• Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và thông tin vệ tinh

• Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷ 300GHz (còn gọi là sóng mét), ít sử dụng cho thông tin

vô tuyến

• Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3THz ÷ 300THz, nói chung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học

• Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3PHz ÷ 3PHz, dùng trong hệ thống sợi quang

• Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ rất ít sử dụng cho thông tin

 Đặc điểm truyền sóng vô tuyến

• Sóng cực dài và sóng dài: