Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình
Trang 1ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 1/20
LOI MO DAU
Với sự ra đời của các chip Vi Điều Khiếển đã làm cho công việc thiết kế các ứng
dụng số trở nên nhỏ gọn và mềm dẻo hơn Chúng có thể được ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau Trong đề tài thiết kế Đồng hồ thời gian thực em đã ứng
dụng các tính năng sẵn có của Vi Điều Khién cụ thê là 89S52 vào công việc thiết
kế phần mềm và phần cứng để giao tiếp với IC thời gian thực DS1307 Nhằm mục
đích là thiết kế một đồng hỗ chỉ thị thời gian hiện tại với độ chính xác cao Bài báo
cáo này trình bày các van dé:
Giới thiệu sơ lược giao tiếp I2C
JC thời gian thực RTC DS1307
AT8§9S52: Sơ đồ khối và sơ đồ chân
Thuật toán giao tiếp I2C giữa DS1307 và 89S52
Sơ đồ khối tông quát
Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần mềm
Kết Quả
Lời cảm tạ
Trang 2ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 2/20
1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC GIAO TIẾP I2C
Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductor và được gọi là bus I2C Vì nguồn gốc nó được thiết kế là để điêu khiển liên thông IC (Inter-Intergrated Circuit) nên nó được đặt tên là I2C Tất cả các chip có tích hợp và tương thích với I2C đều có thêm một giao diện tích hợp trên Chip để truyền thông trực tiếp với các thiết bị tương thích I2C khác Việc truyền đữ liệu nối tiếp theo hai hướng 8 bit được thực thi theo 3 chế độ sau:
Chuẩn (Standard)—100 Kbits/sec
Nhanh (Fast)—400 Kbits/sec
Tốc độ cao (High speeđ)—3.4 Mbits/sec
Đường bus thực hiện truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường là đường
truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vi
cơ chế hoạt động là đồng bộ nên nó cân có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ Các
thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong đó một số bit địa chỉ
là thấp có thê cầu hình Đơn vị hoặc thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông là đơn
vị Chủ và cũng là đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm
thông tin địa chỉ của đơn vị mà nó muôn truyền trong đữ liệu truyền Đơn vị Tớ
đều được gán và đánh địa chỉ thông qua đó đơn vị Chủ có thể thiết lập truyền
thông và trao đổi đữ liệu Bus đữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều
đơn vị Chủ và Tớ ở trên cùng Bus
Quá trình truyền thông I2C được bắt đầu bằng tín hiệu start tạo ra bởi đơn
vị Chủ Sau đó đơn vị Chủ sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của đơn vị Tớ mà
nó muốn truyền thông, theo thứ tự là các bit có trọng số lớn nhất MSB sẽ được
truyền trước Bit thứ tám tiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định đơn vị Tớ sẽ thực
hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) đữ liệu Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi đơn vị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không Đơn vị truyền (gửi) sẽ truyền đi 1 byte dữ liệu bắt đầu bởi MSB Tại điểm cuôi của byte truyền, đơn vị
nhận sẽ tạo ra một bit xác nhận ACK mới Khuôn mẫu 9 bit này (gồm 8 bit đữ liệu
và 1 bit xác nhận) sẽ được lặp lại nếu cần truyền tiếp byte nữa Khi đơn vị Chủ đã trao đổi xong dữ liệu cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó
sẽ tạo ra một tín hiệu đừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông I2C là một giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho các ứng
dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngăn
và tốc độ thấp Ví dụ như truyền thông giữa CPU với các khối chức năng trên
cùng một bo mạch như EEPROM, cảm biên, đông hồ tạo thời gian thực Hầu hêt các thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động ở tốc độ 400Kbps, một số cho phép hoạt động ở tốc độ cao vài Mbps I2C khá đơn giản để thực thi kết nối nhiều đơn vị vì nó hỗ trợ cơ chế xác định địa chỉ
Trang 3ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 3/20
2 IC THỜI GIAN THỰC RTC (REAL TIME CLOCK) DS1307
DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử
dụng, tình bằng giây, phút, giờ DSI307 là một sản phẩm của Dallas
Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products) Chip nay c6 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân như trong hình 1
GND CI 4 5 [SDA GND m4 5 [SDA
DS1307 8-Pin DIP (300-mil) —_DS1307 8-Pin SOIC (150-mil)
Hình 1 Hai gói cấu tạo chip DS1307
Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
e_ XI và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chịp
e VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip
e GND: chan mass chung cho cả pin 3V va Vcc
e Vcc: nguén cho giao diện 2C, thường là 5V và dùng chung với vĩ điều khiến Chú ý là nêu Vcc không được cập nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được)
¢ SQW/OUT: mét ngo phu tao xung vudng (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 la đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trông chân này khi nôi mạch
e SCL va SDA la 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C
e _ Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như trong hình 2.
Trang 4ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 4/20
10k x
p65 4 — Sel spa vEAT EL đơn giản của DS130
| —=x X3 SQW/OUT
GND Zs 3 ip
Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch
dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM) Sử dụng DS1307 chủ yêu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này Vì thế có 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất các thanh ghi này thông qua giao diện I2C
Như đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi §-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 00H đến 3FH theo hệ HexaDecimal) Tuy nhiên, thực chất chỉ
có 8 thanh ghi đầu là đùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi
bỏ trống có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nêu muốn Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), gis (HOURS), thtr (DAY), ngay (DATE), thang (MONTH) va nam (YEAR) Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC Việc đọc giá trị từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà
chip tạo ra Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54
Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6) Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thể bỏ qua thanh ghi thứ 8 Tổ chức bộ nhớ của DS1307 được trình bày trong hình 3
Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307, chúng
ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiệt Trước hêt hãy quan sát tô chức
theo từng bit của các thanh ghi này như trong hình 4
Trang 5
00H SECONDS
MINUTES HOURS DẠY DATE MONTH
đãi CONTROL Hình 3 Tô chức bộ nhớ của DS1307
56x8
3FH
|mm| | | AM | 8 |
ean
07H | OUT 0 0 l|sQwE| 0 0 RS1 | RSO
Hình 4 Tổ chức các thanh ghi thời gian Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00 Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4-bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS 6:4) là có thể mã hóa được (số 5 =101, 3 bit) Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock halt — treo đồng hô), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu
Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 01H, chứa giá trị phút của đồng hồ Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0
Thanh ghi gid (HOURS): co thé nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307 Thanh ghi này có địa chỉ 02H Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được đùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển
Trang 6ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 6/20
thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 (hình 4)
xác lập hệ thống giờ Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và
4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ Do giá trị lớn nhất của chữ số
hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa Nếu bit6=1 thì hệ thông 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng
mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5 (màu orange trong hình 4) chỉ buổi trong
ngày, AM hoặc PM Bit5 =0 là AM và bit5=I là PM Bit 7 luôn bằng 0
Thanh ghi thứ (DAY — ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 03H Thanh ghi
DAY chi mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa
Các thanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến
31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) vàYEAR chứa năm (00 đến 99) Chú ý,
DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm
do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx)
Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm
riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register) Giá trị của
thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập
„[1H„
OSCILLATOR AND OWVIDER
RTC
SQUARE WAVE
—
ve —] SRB
—
mua = =
3 AT89S52: SO DO KHOI VA SO DO CHAN
3.1 Giới thiệu sơ lược
Vi điều khiến 8051 được Intel cho ra đời vào năm 1980 thuộc vi điều khiển
đầu tiên của họ MCS-51 Hiện tại rất nhiều nhà sản xuất như Siemens, Advanced
Micro Devices, Fusisu và Philips tập trung phát triển các sản phẩm trên cơ sở
8051.Atmel là hãng đã cho ra đời các chip 89C51, 52, 55 và sau đó cải tiến thêm,
hãng cho ra đời 89851, 89S52, 89S8252
Cấu hình 89552:
+ 8KB bộ nhớ chương trình
Trang 7ĐÔNG HỒ THỜI GIAN THỰC
+ Dao động bên ngoài với thạch anh <24MHz Thông thường, VĐK 89S52 chạy
với thạch anh 12MHz
+ 256 Byte Ram nội
+ 4 Port xuât nhập
+ 3 Timer/ Counter 16 bit Timer 0,1,2 Timer 2 có các chức năng
Capture/Compare
+ 8 nguôn ngắt
+ Nạp chương trình song song hoặc nạp nối tiếp qua đường SPI
TRANG 7/20
3.2 Sơ đồ khôi
SERIAL PORT
TEMERI
CPU
EA\ lL» ALE\
I XTALy
cải tiến thêm Các phiên bản về Sau càng có nhiều khối tính năng đặc biệt hơn
Hình7: Sơ đồ khối họ 8051
Về cơ bản thì các chip nêu trên giống nhau, chỉ có một số tính năng được Chúng ta xem bảng so sánh một số loại phô biến như dưới đây
¡T2
' T0
Trang 8
Table 1 Atmel's Flash Microcontrollers
Device Name Program Data Memory 16-bit Timers Technology
Memory Bytes
2K EEPROM
Hình 8: Bảng so sánh cấu hình một số loại VĐK họ 8051
3.3 Sơ đồ chân 89S52
PDIP
(T2) P1.0 LÏ
(T2 EX) P1.1 L
P1.2L P1.30
(SS) P1.4E
(RAOS!) P+1.SL
(MISO) P1.6E
(SCK) P1.7
RsT (RXD) P3.0 4
(TXD) P3 1 L]
(NTD) F3.2 L
(NT?) P3.30
(70) P3.40
71) P3.s0
(WR) Ps.6O
(RD) P37
XTAL2
xXTALTO GND
`—_
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
ao 2s
28
27
26
25
24
23
22
21
L1VCC [3 P0.0 (ADO)
L1 PO 1 (AD1)
[J PO.2 (AD2) L1Eo 3 (AD3)
PI Po.4 (AD4) [3] PO.5 (ADS) E2 Po.6 (ADS) L1 P0.7 (AD7)
4 EA VPP L]Ì ALE/PEOG HPESEN
LIP2.7 (A15)
LIP26 (A14) TIP2S (A13) TIP2 4 (A12)
HP23 (A11)
LÌP2 2 (A10) [3 P2.1 (Ag)
I P2.0 (AB)
Hinh 9:
Sơ đồ chân của 89S52
Trang 9ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC
3.4 Chức năng các chân 89S52
TRANG 9/20
© PO,1,2,3 c6 chức năng cơ bản xuất/nhập
e Riêng P0,P2 còn có chức năng kết nối bộ nhớ mở rong, sé
được khảo sát trong phần mở rộng bộ nhớ
e PI: Chân T2 và T2EX dùng cho timer/ counter 2 Hai chức
năng này sẽ khảo sát trong phần Timer Chân SS\, MOSI,
MISO, SCK truyền dữ liệu theo chuẫn SPI đồng thời có chức
năng kết nối với mạch nạp chương trình Xem hình 10:
XIALt
1
7
3i
oO
1
t 2z a
se
MACH NAP 89SXX, AVR
se | Decumert Nariver
stom) ` <Đoe»
Snider Seed 200 Het i sĩ
Hình 10:Sơ đồ kết nối mach nap qua đường SPI
e P3: Tích hợp các chức năng đặc biệt Xem bang:
P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nôi tiếp
P3.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nỗi tiếp
P3.2 INTO\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0
P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1
P3.4 T0 Ngõ vào của timer/counter 0
P3.5 Tl Ngo vao cua timer/counter 1
P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài
P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoải
e_ Chân ALE, PSEN, WR\, RD\ dùng để kết nối bộ nhớ mở rộng
e_ Chân EA\ có chức năng chọn bộ nhớ chương trình: EA\=GND:
Chọn bộ nhớ ngoại, EA\=VCC chọn bộ nhớ nội
Trang 10ĐÔNG HỖ THỜI GIAN THỰC TRANG 10/20
e Chân Xtall và Xtal2 gắn với thạch anh
4 THUẬT TOÁN GIAO TIẾP I2C VỚI VI DIEU KHIEN 89852
4.1 Điều kiện START and STOP
START và STOP là những điều kiện bắt buộc phải có khi một thiết
bị chủ muốn thiết lập giao tiếp với một thiết bị nào đó trong mạng I2C START là điều kiện khởi đầu, báo hiệu bắt đầu của giao tiếp, còn STOP báo hiệu kết thúc một giao tiếp Hình 11 mô tả điều kiện START và điều kiện STOP khi giao tiếp I2C giữa DS1307 với Vi Điều Khiên
|
START condition STOP condition
|
I
|
|
I
AMECE22
| allowed | wecees
Hình 11: Điều kiện START và STOP
e Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cá hai đường SDA và SCL đều
ở mức cao (SDA = SCL = HIGH) Lúc này bus I2C được coi là “rỗi” (“bus free”),
sẵn sàng cho một giao tiếp Hai điều kiện START và STOP là không thể thiếu trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C, tất nhiên là trong giao tiếp này cũng không ngoại lệ
e_ Điều kiện START: một sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao (cao = l; thấp =0) báo hiệu một điều
kiện START
e_ Điều kiện STOP: Một sự chuyển đổi trạng thái từ mức thấp lên cao trên đường
SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao
© _ Cả hai điều kiện START và STOPđều được tao ra bởi thiết bị chủ Sau tín hiệu
START, bus I2C coi như đang trong trạng thái làm việc (busy) Bus I2C sẽ rỗi, sẵn sàng cho một giao tiếp mới sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ
e Sau khi có một điều kiện START, trong qua trình giao tiếp, khi có một tín hiệu
START được lặp lại thay vì một tín hiệu STOP thi bus I2C vẫn tiếp tục trong
trạng thái bận Tín hiệu START và lặp lại START đều có chức năng giống nhau
là khởi tạo một giao tiếp.
