Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng internet

Hệ thống thông tin thời gian thực ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong ngành công nghiệp sản xuất, kiểm soát tiến trình trong nhà máy, hay trong các lò phản ứng hạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Quang Vinh

Hà Nội - 2012

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET 4

1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 4

1.2 Nguyên lý làm việc của module điều khiển 5

1.3 Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống 5

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HALL 7

2.1 Lý thuyết về hiệu ứng Hall 7

2.2 Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712 8

2.2.1 Dạng đóng gói và sơ đồ khối 8

2.2.2 Đặc điểm kỹ thuật của cảm biến ACS712 9

2.2.3 Mô tả chi tiết về cảm biến ACS712 10

2.2.4 Các đặc tính vận hành 10

CHƯƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 12

3.1 Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A 12

3.2 Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân 14

3.2.1 Sơ đồ khối 14

3.2.2 Sơ đồ chân 15

3.2.3 Bảng mô tả chức năng của chân 16

3.3 Các cổng vào ra 17

3.4 Các module giao tiếp 21

3.4.1 Module UART 21

3.4.2 SPI 23

3.5 Tổ chức bộ nhớ 26

3.5.1 Không gian địa chỉ chương trình 26

3.5.2 Không gian địa chỉ dữ liệu 27

3.5.3 Ngăn xếp phần mềm 28

3.6 Cấu hình dao động của PIC16F877A 29

CHƯƠNG 4: KHỐI GIAO TIẾP INTERNET VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU( ETHERNET TO UART ) 31

4.1 Đầu nối RJ45 HR911105A 31

4.2 Vi điều khiển PIC18F67J60-I/PT 32

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 34

5.1 Phân loại các phương pháp đo dòng điện xoay chiều 34

5.2 Thuật toán đo dòng điện xoay chiều hiệu dụng 35

CHƯƠNG 6: CÁC BƯỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 39

6.1 Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống 39

6.1.1 Khối nguồn nuôi 40

6.1.2 Module E2U ( Ethernet to Uart ) 41

6.1.3 Khối rơle và cảm biến 41

6.1.4 Khối xử lý dữ liệu và điều khiển công suất PaC (Processing and Control) 43

6.1.5 Mạch in PCB 44

6.1.6 Đóng gói thiết bị 45

6.2 Thuật toán cho phần mềm điều khiển 48

6.3 Phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính PC 49

6.3.1 Giao diện chương trình 49

6.3.2 Giao diện chương trình khi hoạt động 49

CHƯƠNG 7: NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU ĐƯỢC QUA LUẬN VĂN 54

7.1 Về phần cứng: 54

7.2 Về phần mềm: 54

7.3 Những vấn đề còn tồn tại của đề tài và hướng giải quyết 54

7.4 Hướng phát triển của bài luận văn 55

STT Chữ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt

3 VDC Voltage Directly Curent Điện áp một chiều

4 UART2ETHERNET UART TO ETHERNET Chuyển đổi từ UART sang

ETHERNET

6 LSB Least Significant Bit Bít trọng số thấp nhất

7 MSB Most Significant Bit Bít trọng số cao nhất

Universal Ansynchronous Receiver/Tranceiver

Khối thu phát nối tiếp bất đồng bộ đa năng

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: So sánh tính năng 3 loại cảm biến dòng 6

Bảng 2-1: Các đặc tính chung của ACS712 11

Bảng 3-1: Chức năng các chân của PIC16F877A 16

Bảng 3-2: Ngoại vi và các thanh ghi cấu hình lối vào tương ứng 20

Bảng 3-3: Ngoại vi và các bít cấu hình lối ra tương ứng 21

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet 4

Hình 2.1: Hiêu ứng Hall khi chưa có từ trường 8

Hình 2.2: Nguyên lý hiêu ứng Hall khi có từ trường đặt vào 8

Hình 2.3: Vi mạch ACS712 9

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172 9

Hình 2.5: Đặc tính hàm truyền 11

Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện chức năng và hiệu suất của dòng PIC16F877A so với các dòng vi điều khiển khác của Microchip 14

Hình 3.2: Sơ đồ khối của PIC16F877A 15

Hình 3.3: Sơ đồ chân của PIC16F877A 16

Hình 3.4: Cấu tạo một cổng vào ra của PIC16F877A 18

Hình 3.5: Bộ hợp kênh lối vào cho các ngoại vi 19

Hình 3.6: Sơ đồ khối của bộ UART 22

Hình 3.7: Sơ đồ khối của bộ SPI 24

Hình 3.8: Tổ chức bộ nhớ chương trình 27

Hình 3.9: Tổ chức bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A 28

Hình 3.10: Cơ chế lệnh gọi ngăn xếp 28

Hình 3.11: Hệ thống tạo dao động cho PIC16F877A 29

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo cơ học của đầu nối RJ45 HR911105A 32

Hình 4.3: sơ đồ khối của khối E2U 33

Hình 5.1: Nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt 34

Hình 5.2: Các loại CT trên thị trường 35

Hình 5.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall 35

Hình 6.1: Sơ đồ mạch của hệ thống 39

Hình 6.2: Sơ đồ mạch điện khối nguồn nuôi 40

Hình 6.3: Hình Module E2U 41

Hình 6.4: Sơ đồ mạch điện khối rơle và cảm biến 42

Hình 6.5: Bộ lọc thông thấp 42

Hình 6.6: sơ đồ mạch điện của khối khối PaC 44

Hình 6.8: Mạch in nhìn từ trên xuống (top-down) 45

Hình 6.9: Mặt trên bo mạch của thiết bị 45

Hình 6.10: Mặt dưới bo mạch của thiết bị 46

Hình 6.11: Hình chi tiết vị trí 4 cảm biến ACS712 46

Hình 6.13: Giao diện chương trình 49

Hình 6.14: Giao diện khi mở tải là bóng đèn 25W 50

Hình 6.15: Giao diện khi mở tải là hai bóng đèn 25W và 7W 50

Hình 6.16: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W 51

Hình 6.17: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W Nhưng bóng thứ 2 không sáng 51

LỜI MỞ ĐẦU Giới thiệu mô hình tổng quan của đề tài

Ngày nay, Internet phát triển mở ra những khả năng ứng dụng mới, Internet và các ứng dụng của nó đã và đang thay đổi cách làm việc, cách giải trí và cách sống của chúng ta Internet không chỉ cho phép tìm kiếm thông tin, mà còn cho phép truy cập đến lĩnh vực rộng lớn của số liệu và các dịch vụ đa phương tiện Nhiều ứng dụng mới

đã được triển khai và người sử dụng có thể bắt đầu chạy nhiều ứng dụng âm thanh và hình ảnh từ Internet, cũng như thưởng thức một thế giới mới của các ứng dụng tương tác ba chiều Gần đây, vấn đề đặc biệt được quan tâm là các hệ thống thời gian thực trên nền mạng Internet Qua hệ thống thời gian thực này mà con người có thể điều khiển chính xác những thiết bị vật lý Hệ thống thông tin thời gian thực ngày nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong ngành công nghiệp sản xuất, kiểm soát tiến trình trong nhà máy, hay trong các lò phản ứng hạt nhân, trong hệ thống hàng không, thông qua các hệ thống dẫn đường tích hợp trên máy bay, vệ tinh và gần gũi nhất với chính cuộc sống con người là điều khiển thiết bị trong tòa nhà thông minh

,

Người dùng, với một chiếc máy tính ở bất kỳ đâu được nối mạng Internet, có thể điều khiển các thiết bị ở trong nhà của mình như bật nồi cơm điện, bật điều hòa, vận hành máy giặt, kiểm tra tình trạng an ninh Phương pháp điều khiển này mạng lại những ưu điểm nổi bật sau:

các bộ điều khiển sẽ không yêu cầu phải lắp đặt mới đường truyền hay phần cứng phức tạp

lắp ráp một hệ thống “Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng Internet” Luận văn đƣợc bố cục thành 3 phần : Tìm hiểu tổng quan lý thuyết, báo cáo quá trình thiết kế, lắp đặt và kết quả thử nghiệm, cuối cùng là phần kết luận

PHẦN I: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET

hoạt động, cấu trúc phần cứng và chương trình phần mềm như sau

1.0 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Dưới đây là hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đóng ngắt thiết bị tòa nhà qua mạng Internet

TV

Máy giặt

Tủ lạnh

Module điều khiển

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet

Trong sơ đồ này, các thiết bị trong mỗi căn hộ của tòa nhà như bóng đèn, máy giặt, tivi, tủ lạnh, lò vi sóng sẽ được kết nối đến các đầu vào/ra của bộ điều khiển Bộ điều khiển này sau đó được kết nối tới bộ định tuyến (Router) của tòa nhà thông qua mạng Ethernet LAN rồi từ đó kết nối với Internet Mỗi bộ điều khiển trong tòa nhà

được xác định bởi cặp địa chỉ IP-Port của router, do đó các máy tính bất kỳ trên mạng Internet có thể kết nối chính xác tới mỗi bộ điều khiển này Người dùng, với phần mềm được cài trên máy tính, khi kết nối với Internet có thể truy cập vào hệ thống và tương tác điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng Việc điều khiển ở đây là hai chiều, trong đó, người dùn

1.1 Nguyên lý làm việc của module điều khiển

Mô đun điều khiển từ xa qua mạng Internet được trình bày trong hình 1.2

RJ45 HR911105A

Vi điều khiển PIC18F67J60-I/PT

Vi điều khiển PIC16F887A Tầng công suất

Thiết bị cần điều khiển

Khổi E2U Khối PaC Ethernet

Khối phản hồi

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng bộ điều khiển qua mạng Internet

Theo sơ đồ, bộ điều khiển bao gồm 2 khối: khối E2U (Ethernet to UART) giao tiếp với mạng internet và truyền dữ liệu đầu ra theo chuẩn RS232, và khối PaC (Process and Control) thực hiện việc xử lý dữ liệu rồi xuất tín hiệu điều khiển thiết bị qua tầng công suất, khối phản hồi sử dụng vi xử lý ACS712

Hệ thống được mô tả như sau:

 Module Ethernet làm nhiệm vụ chuyển các ký tự nhận được từ Ethenet (đúng IP và Port) ra cổng UART của module và ngược lại

 PIC 16F887A sẽ nhận các ký tự từ module Ethernet, phân tích các ký tự

và đưa ra quyết định đóng mở rơ le tương ứng

 IC ULN2003 làm nhiệm vụ đệm dòng điều khiển rơ le

 Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng điện đi vào thiết bị, đưa tín hiệu về hệ thống

1.2 Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống

Hệ thống yêu cầu thiết bị phải có phản hồi trạng thái đầu ra về trung tâm bằng cách cảm nhận dòng điện tiêu thụ tại lối ra

Để thực hiện việc việc cảm nhận dòng điện có 3 loại cảm biến thông dụng: biến dòng, shunt dòng và cảm biến Hall tích hợp

Hình 1.3: Các cảm biến dòng thông dụng

Loại cảm

biến Nguyên lý Kích thước

Độ phức tạp mạch khuyếch đại/ xử lý

Cách

ly Giá thành Biến dòng Cảm ứng từ Lớn Trung bình Có Trung bình

Shunt dòng ĐL ôm Nhỏ Phức tạp Không Thấp

Cảm biến

Hall tích

hợp

Hiệu ứng

Bảng 1-1: So sánh tính năng 3 loại cảm biến dòng

Nhận xét: Trong khuôn khổ luận văn này này cảm biến Hall tích hợp là phù hợp

nhất xét theo các tiêu chí Cụ thể trong đề tài này là IC ACS712

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG

ĐIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HALL 2.0 Lý thuyết về hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa hiệu thế Hall

và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879

Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại) Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall gây

ra hiệu điện thế Hall

Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:

Với VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ trường, d là

độ dầy của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall,

và n là mật độ các hạt này trong thanh Hall Công thức này cho thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dương Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton được chuyển động

tự do để mang dòng điện Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống điện tử (có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là electron đơn thuần

Khi từ trường lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng

tử, thể hiện sự lượng tử hóa điện trở của vật dẫn Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall

bị tăng lên một cách dị thường, được biết đến là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với độ

từ hóa của vật liệu Cơ chế vật lý của hiệu ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi Hình 2.1 thể hiện trạng thái hiệu ứng Hall khi chưa có từ trường

Hình 2.1: Hiêu ứng Hall khi chưa có từ trường

Hình 2.1 sẽ thuyết minh nguyên lý cơ bản của hiệu ứng Hall Nó nói rằng một tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua nó Kết nối ngõ ra vuông góc với chiều của dòng điện Khi không có từ trường đặt vào (hình 2.1), sự phân bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra

Hình 2.2 thể hiện hiêu ứng Hall khi có từ trường đặt vào

Hình 2.2: Nguyên lý hiêu ứng Hall khi có từ trường đặt vào

Khi đặt một từ trường vuông góc vào như hình 2.2, một lực Lorent tác dụng lên dòng điện Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác biệt

về điện áp ở ngõ ra Điện áp này được gọi là điện áp Hall Sự tương tác giữa từ trường

và dòng điện được chỉ ra như biểu thức dưới đây

2.1 Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712

Vi mạch ASC172 là một cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, được tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2.1kV RMS

2.1.1 Dạng đóng gói và sơ đồ khối

ACS712 được đóng gói theo dạng SOIC-8 như hình 2.3 dưới đây

Hình 2.3: Vi mạch ACS712

Hình 2.4 giới thiệu sơ đồ nguyên lý mạch điện của cảm biến

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172

Nhìn sơ đồ trên ta thấy bên trong cảm biến đã được tích hợp sẵn bộ bù thế offset

và các bộ khuyếch đại tín hiệu Tụ lọc CF kết hợp với các trở nội tạo thành bộ lọc RC ngay trước bộ đệm đầu ra giúp giảm suy hao do sụt áp trên bộ lọc Đồng thời tụ CF

cũng xác định bandwidth của cảm biến

2.1.2 Đặc điểm kỹ thuật của cảm biến ACS712

 Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp

 Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới

 Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs

 Băng thông 80kHz

 Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%

 Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ

 Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ

 Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8

 Nguồn vận hành đơn 5V

 Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC

 Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định

 Sự trễ từ gần bằng zero

 Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp

2.1.3 Mô tả chi tiết về cảm biến ACS712

ACS712 Allegro cung cấp giải pháp kinh tế và chính xác cho việc cảm ứng dòng

AC hoặc DC trong các hệ thống công nghiệp, thương mại và liên lạc Dạng đóng gói của thiết bị cho phép người sử dụng dễ dàng lắp đặt Ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều khiển động cơ, quản lý và phát hiện tải, nguồn cung cấp chế độ switch, và bảo vệ lổi quá dòng Thiết bị này không sử dụng cho các ứng dụng trong ô tô

Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đường dây dẫn đồng được đặt gần bề mặt của lớp vỏ Dòng điện được cung cấp đi qua phần dây đồng sẽ tạo ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp tương ứng Thiết bị được tối ưu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất gần đến bộ biến đổi Hall

Một điện áp tỷ lệ, chính xác được cung cấp bởi IC Hall BiCMOS độ lệch thấp,

bộ tạo xung được ổn định mà đã được lập trình chính xác sau khi đóng gói

Ngõ ra của thiết bị có 1 sườn xung dương (> VIOUT(Q)) khi tăng dòng điện đi qua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 1 và 2, đến chân 3 và 4), là phần được dùng để lấy mẫu dòng điện Điện trở trong của phần dẫn điện này là 1.2mΩ, tiêu thụ nguồn thấp

Bề dày của dây đồng cho phép thiết bị có thể chịu được đến 5 lần điều kiện quá dòng Các đầu của phần dẫn điện được cách điện với các đầu tín hiệu (chân 5 đến chân 8) Điều này cho phép ACS712 được dùng trong các ứng dụng được yêu cầu cách điện mà không dùng bộ phân cách quang (OPTORON) hoặc các kỹ thuật cách điện đắt tiền khác

ACS712 được cung cấp trong dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ Các khung chân của thiết bị được mạ với 100% thiếc mà nó phù hợp với tiêu chuẩn RoSH Thiết

bị này được hiệu chuẩn đầy đủ tại nhà máy trước khi xuất xưởng

2.1.4 Các đặc tính vận hành

Bảng 2-1 giới thiệu các đặc tính chung của cảm biến ACS712

Bảng 2-1: Các đặc tính chung của ACS712 Hình 2.5 mô tả đặc tính hàm truyền của cảm biến

Hình 2.5: Đặc tính hàm truyền

CHƯƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

Vi điều khiển PIC16F877A được sử dụng trong luận văn đóng vai trò là mạch xử

lý điều khiển toàn bộ thiết bị Các tài liệu chi tiết về vi điều khiển này được nhà sản xuất cung cấp đầy đủ trên trang chủ của hãng

Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển PIC16F877A

Dòng PIC16F877A có rất nhiều chức năng mạnh, nhưng trong giới hạn của đề tài, bài luận văn chỉ tập trung tìm hiểu về:

- Đặc điểm tổng quát

- Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân

- Các đặc điểm nổi bật của các cổng vào ra

- Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

- Các giao tiếp truyền thông SPI, UART

3.0 Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A

PIC16F877A là một trong 4 dòng vi điều khiển 8 bít của Microchip ra đời năm

2007 với những đặc điểm điển hình như sau [6]:

- Hầu hết các ngoại vi đều hỗ trợ truy nhập bộ nhớ trực tiếp

Bộ định thời / Bộ so sánh/ Bộ điều chế độ rộng xung

- Có đến năm bộ định thời 8 bít, cho phép ghép hai bộ thành bộ định thời 32 bít

- Một bộ định thời chạy với thạnh anh ngoài 32,768 kHz

- Bốn bộ FIFO cho mỗi bộ bắt tín hiệu

- Bộ so sánh 8 bít

Bộ điều khiển ngắt:

- Độ trễ năm chu kỳ máy

- Hỗ trợ 53 nguồn ngắt, ba ngắt ngoài, bẩy mức ưu tiên lập trình được

Cổng vào ra số:

- Cho phép chọn chức năng ngoại vi của từng chân

- 31 chân cho phép đánh thức vi điều khiển khi phát hiện thay đổi điện áp

- Các chân lối vào đều hỗ trợ đến 5V

- Các chân lối ra hỗ trợ ra nguồn 5V ở chế độ cực góp hở

- Có nhiều chế độ lấy xung dao động

- Bộ ổn nguồn 2,5V được đặt ngay trên vi điều khiển

Bộ chuyển đổi tương tự sang số:

- 10 bít: Tốc độ 1,1 Msps

- 12 bít: Tốc độ 500 ksps

- 9 kênh ADC, có thể nhận ADC trong chế độ ngủ

Bộ chuyển đổi số sang tương tự:

- 8 bít, hai kênh

- Tốc độ lấy mẫu tối đã 100 ksps

Công nghệ CMOS:

- Tiêu thụ năng lượng thấp, công nghệ Flash tốc độ nhanh

Các ngoại vi giao tiếp:

- SPI: 8 bit, 8 bít, hộ trợ tất cả các định dạng đồng hồ nối tiếp

- I2C: Cho phép định địa chỉ 7 bít, 10 bít Khả năng dò và phân xử xung đột đường truyền

- UART: có hai bộ, độ rộng FIFO bốn ký tự

- CAN: 32 bộ đệm nhận, 16 bộ lọc nhận, ba mặt nạ

- PMP: Hỗ trợ tám bộ, 8 bítdữ liệu, 8 bítđường địa chỉ

- CRC: Có 8 byte hàng đợi, 16 bit cho dữ liệu đầu vào

Hình 3.1 thể hiện các chức năng và hiệu suất của các dòng vi điều khiển của Microchip Trong đó, PIC16F877A là dòng vi điều khiển 8 bít có hiệu suất cao và nhiều chức năng nhất

Hình 3.1: Biểu đồ thể hiện chức năng và hiệu suất của dòng PIC16F877A so với các

dòng vi điều khiển khác của Microchip

3.1 Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân

Hình 3.2: Sơ đồ khối của PIC16F877A

3.1.2 Sơ đồ chân

PIC16F877A đƣợc đóng gói kiểu DIP40, có tổng cộng 40 chân

Hình 3.3: Sơ đồ chân của PIC16F877A

3.1.3 Bảng mô tả chức năng của chân

Mỗi chân của họ vi điều khiển PIC16F877A đều kiêm nhiệm nhiều chức năng khác nhau Bảng dưới sẽ mô tả chức năng của các nhóm chân

Bảng 3-1: Chức năng các chân của PIC16F877A

Nhóm Vị trí chân Loại Mô tả chân

gỡ rối chương trình theo chuẩn ICSP

ICSP

sang tín hiệu số

CNx Các chân có khả năng tạo ngắt khi có sự thay

đổi điện áp vào các chân đó

3.2 Các cổng vào ra

Tất cả các chân của vi điều khiển PIC16F877A (ngoại trừ VDD, VSS, MCLR, OSC/CLKI) đều có thể được cấu hình là các chân vào ra của ngoại vi hoặc là các chân của cổng song song

3.3.1 Cổng song song

Cấu tạo của một chân vào ra thông thường của PIC16F877A được mô tả trong hình 3.4

Bộ đệm dữ liệu lối ra của ngoại vi và tín hiệu điều khiển được lựa chọn bởi hai

bộ hợp kênh Các bộ hợp kênh này sẽ quyết định chân đó là chân vào ra của ngoại vi hay chỉ là chân vào ra thường được điều khiển bởi cổng song song

- Khi một chân được thiết lập là lối vào ra của một ngoại vi, chân đó chỉ có chức năng nhận tín hiệu và không thể điều khiển nó như là một chân dữ liệu ra

Một chân của cổng song song bất kỳ được điều khiển bởi 3 thanh ghi:

- TRISx: Thanh ghi này quyết định hướng vào ra của một chân Với x sẽ tương ứng là tên cổng các cổng của PIC16F877A, ví dụ: TRISA, TRISB, TRISC….vvv Khi các bít của thanh ghi này là một thì các chân tương ứng với từng bít là chân vào và ngược lại

- LATx: Dùng để đặt giá trị cho một chân khi nó là lối ra

- PORTx: Dùng để đọc giá trị của cổng song song

Ví dụ, khi người dùng muốn đặt giá trị của chân thứ nhất cổng A có giá trị là mức logic cao:

_TRISA1 = 0; //Đặt hướng của chân thứ nhất cổng A là chân lối ra số

_LATA1 = 1; //Đặt giá trị chân thứ nhất của cổng A là mức cao

Hình 3.4: Cấu tạo một cổng vào ra của PIC16F877A

Các chân đều được thiết kế kiểu cực góp hở, có khả năng tương thích với mức điện áp cao hơn điện áp nguồn bởi việc gắn thêm một trở treo bên ngoài

3.3.2 Các chân tín hiệu tương tự

Thanh ghi AD1PCFGL và TRISx sẽ điều khiển các chân nhận tín hiệu tương tự

Ở chế độ mặc định, AD1PCFGL = 0x0000 và các chân vào ra có ký hiệu ANx sẽ là chân nhận tín hiệu tương tự

Các chân CNx hỗ trợ hức năng phát hiện sự thay đổi trạng thái của các chân khi VĐK chạy trong chế độ ngủ Có 4 thanh ghi quản lý chức năng này, CNEN1,CNEN2

là hai thanh ghi quản lý ngắt, khi có sự kiện thay đổi trạng thái ở các chân tương ứng xuất hiện

3.3.3 Cách chọn chân tương ứng với ngoại vi

PIC16F877A hỗ trợ chức năng cho phép chọn lựa các chân cho từng ngoại vi PIC16F877 có 26 chân ký hiệu RPn thực hiện chức năng này Các chân được nối vào một bộ hợp kênh trước khi nối với bộ nhận tín hiệu của ngoại vi nào đó

Hình 3.5 mô tả bộ hợp kênh lối vào bộ nhận của khối truyền thông nối tiếp bất đồng bộ vạn năng

Hình 3.5: Bộ hợp kênh lối vào cho các ngoại vi

Có 5 bít trong thanh ghi RPINRx được sử dụng cho việc cấu hình các chân lối vào của ngoại vi Tên các thanh ghi tương ứng với từng ngoại vi được liệt kê trong bảng 1-2

Ví dụ: Việc cấu hình chân RX cho bộ UART1

Thanh ghi điều khiện bộ nhận của UART1 là thanh ghi RPINR18 với năm bít U1RXR<4:0> Giả sử, muốn cho chân RX của bộ nhận UART1 là chân RP10 thì:

RPINR18 = 0x0A Tương tự như RPINRx, Thanh ghi RPORx cũng gồm năm bít để xác định các chân ra cho từng bộ ngoại vi

Ví dụ: Muốn cấu hình chân TX của bộ UART1 là chân RP11 ta có:

RP11 được quản lý bởi thanh ghi RPOR5 Ta chỉ cần gán năm bít đầu của thanh ghi RPOR5 bằng giá trị của ngoại vi tương ứng được mô tả trong bảng dưới (bảng 3-2)

Như vậy ta có:

RPOR5 = 0x05 Bảng 3-2 giới thiệu ngoại vi và các thanh ghi cấu hình lối vào tương ứng

Bảng 3-2: Ngoại vi và các thanh ghi cấu hình lối vào tương ứng

Do khả năng thay đổi chân vào ra của ngoại vi linh hoạt, nên các chân này cũng

có thể bị thay đổi trong quá trình hoạt động của VĐK Để ngăn chặn việc này, nhà sản xuất chip đã tích hợp thêm 3 tính năng:

- Điều khiển chuỗi khóa thanh ghi bằng bít IOLOCK trong thanh OSCCON

- Giám sát trạng thái liên tục Bất kỳ việc thay đổi hoặc ghi trực tiếp vào thanh ghỉ RPINRx và RPORx không mong đợi đều phát ra tín hiệu reset toàn bộ hệ thống

- Bít cấu hình khóa chân VĐK Sử dụng một bít IOL1WAY để xác định việc cho phép ghi trực tiếp bít IOLOCK sau khi bít này đã được đặt Bảng 3-3 mô tả ngoại vi và các bít cấu hình lối ra tương ứng

Bảng 3-3: Ngoại vi và các bít cấu hình lối ra tương ứng

3.3 Các module giao tiếp

3.3.1 Module UART

UART của dsPIC có những đặc điểm chính sau:

- Hệ thống truyền thông bất đồng bộ hai chiều có hỗ trợ điều khiển luồng bằng phần cứng

- Có lựa chọn kiểm tra chẵn lẻ

- Một hoặc hai bít dừng

- Điều khiển luồng sử dụng hai chân UxCTS và UxRTS

- Tốc độ từ 38 bps đến 10Mbps khi xung hệ thống đạt 40 MIPS

- Hỗ trợ bộ FIFO cho bộ đệm nhận và bộ đệm truyền với độ rộng 4 Byte

- Phát hiện tràn và lỗi khung truyền

Hình 3.6: Sơ đồ khối của bộ UART

Các thanh ghi liên quan:

UxMODE: Dùng để cấu hình các đặc trưng của bộ UART

- UARTEN: Cho phép sử dụng bộ UART khi bít này bằng 1, không cho phép khi bằng không

+ 00: UxTX, UxRX đƣợc sử dụng, UxRTS và UxCTS đƣợc điều khiển bởi thanh chốt cổng

- BRGH:

+ 1 : bộ BRG phát 4 xung trong một chu kỳ bít

+ 0: bộ BRG phát 16 xung trong một chu kỳ bít

- PDSEL:

+ 11: 9 bit dữ liệu, không chẵn lẻ

+ 10: 8 bít dữ liệu, kiểm tra lẻ

+ 01: 8 bít dữ liệu, kiểm tra chẵn

+ 00: 8 bít dữ liệu, không có kiểm tra chẵn lẻ

- STSEL:

+ 1: Hai bít dừng

+ 1: Cho phép truyền dữ liệu

+ 0: Không cho phép truyền dữ liệu

+ 0x: Ngắt khi có bất kỳ ký tự nào vào bộ đệm

- PERR: Báo lỗi kiểm tra chẵn lẻ

- FERR: Báo lỗi khung truyền

- OERR: Báo lỗi tràn dữ liệu bộ đệm nhận

- SDIx: dữ liệu vào nối tiếp

- SDOx: dữ liệu ra nối tiếp

- SCKx: chân phát xung

- SSx: chân chọn slave đƣợc kích hoạt mức thấp

Dữ liệu truyền đi được nạp vào thanh ghi bộ đệm chung SPIxBUF, sau đó được chuyển đến bộ đệm truyền, từ bộ đệm truyền dữ liệu được chuyển đến thanh ghi dịch Sau đó được truyền đi nối tiếp bằng cách dịch từng bít của thanh ghi SPIxSR

Dữ liệu nhận cũng được dịch dần vào thanh ghi dịch, sau đó sẽ được truyền đến

bộ đệm nhận Khi bộ đệm nhận đầy, sẽ có một ngắt phát ra yêu cầu đọc bộ đệm nhận

Dữ liệu được chuyển xuống bộ đệm chung và được xử lý tiếp

Tốc độ của SPI trích ra từ Fcy và được quyết định bởi đặt hai bộ chia trước theo

tỷ lệ xác định Hình 3.7 giới thiệu sơ đồ khối của bộ SPI

Hình 3.7: Sơ đồ khối của bộ SPI

Các thanh ghi liên quan:

SPIxSTAT: Thanh ghi trạng thái và điều khiển

- SPIEN:

+ 1: Cho phép SPIx hoạt động

+ 0: Không cho phép SPIx hoạt động

- SPITBF

+ 1: SPIxTXB bị đầy, dữ liệu chƣa đƣợc truyền đi

+ 0: Việc truyền dữ liệu bắt đầu, SPIxTBF rỗng

+ 1: Không cho phép sử dụng chân SDO

+ 0: Cho phép sử dụng chân SDO

- MODE16:

+ 1: Truyền thông với bộ đệm 8 bít

+ 0: Truyền thông với bộ đệm 8 bít

- SMP:

Chế độ chủ (master mode):

+ 1: Dữ liệu vào đƣợc lấy ở cuối dữ liệu ra

+ 0: Dữ liệu vào đƣợc lấy ở giữa dữ liệu ra

+ 1: Cho phép hỗ trợ khung SPIx

+ 0: Không cho phép hỗ trợ khung SPIx

3.5.1 Không gian địa chỉ chương trình

Bộ nhớ được định địa chỉ 24 bít Các địa chỉ này được nạp vào thanh ghi PC (Program counter) 23 bít trong quá trình thực thi chương trình Các ứng dụng truy cập vào vùng nhớ chương trình sẽ bị cấm trong dải từ 0x000000 đến 0x7FFFFF, ngoại trừ lệnh cho phép truy cập các bít cấu hình và nhận diện chip TBLRD/TBLWT Hình 3.8

mô tả cấu trúc của địa chỉ thanh ghi bộ đếm chương trình

Hình 3.8: Tổ chức bộ nhớ chương trình

3.5.2 Không gian địa chỉ dữ liệu

Độ rộng bus dữ liệu là 8 bít Khoảng không dữ liệu được truy cập bởi việc sử dụng bộ AGU

Để đọc các byte dữ liệu, CPU sẽ đọc cả một từ (word), sau đó sử dụng LSB của thanh ghi EA để xác định byte cần đọc Byte đó sẽ được thay thế LSB trên đường dừ liệu Việc ghi byte dữ liệu sẽ chỉ được viết vào mảng hoặc thanh ghi với địa chỉ tương ứng

Việc truy cập theo word phải được sắp thành hàng theo các địa chỉ chẵn Nếu

dữ liệu không được sắp thành hàng thì bẫy lỗi sẽ được tạo ra và lệnh không thể được hoàn thành

Các thanh ghi chức năng đặc biệt được đặt từ địa chỉ 0x0000 đến 0x07FF, các thanh ghi này được sử dụng để thiết lập ngoại vi và nhân CPU, phục vụ cho việc điều khiển các hoạt động của vi điều khiển

Nhân của PIC16F877A có hai vùng dữ liệu là X và Y Hai vùng dữ liệu này có thể được truy cập bởi bộ AGUs Tính năng này cho phép đẩy hai từ đồng thời vào RAM khi thực thi một lệnh giúp tăng hiệu năng của các thuật toán của bộ DSP như FIR, FFT

Sau vùng dữ liệu X,Y là vùng DMA RAM, vùng nhớ này có dung lượng hai kbyte, nó có thể được truy cập đồng thời bời CPU và bộ điều khiển DMA Hình 3.9

mô tả chi tiết tổ chức bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A

Hình 3.9: Tổ chức bộ nhớ dữ liệu của PIC16F877A

3.5.3 Ngăn xếp phần mềm

Con trỏ ngăn xếp luôn trỏ vào từ đầu tiên và tăng dần từ địa chỉ thấp đến địa chỉ cao Hình 3.10 dưới đây mô tả giá trị của thanh ghi PC trong mỗi lần sử dụng lệnh CALL, MSB của thanh ghi PC luôn là 0 trước mỗi thao tác đẩy dữ liệu vào ngăn xếp

Hình 3.10: Cơ chế lệnh gọi ngăn xếp

3.6 Cấu hình dao động của PIC16F877A

Bộ dao động của PIC16F877A bao gồm những tính năng sau:

- Dao động nội hoặc ngoại

- Tần số dao động nội sử dụng vòng bám pha PLL

- Bộ dao động FRC nội sử dụng vòng bám pha, cho phép hệ thống chạy với tốc

độ tối đa mà không cần phần cứng phát dao động ở bên ngoài

- Có khả năng chuyển đổi giữa các nguồn dao động

- Chế độ tiết kiệm điện cho phép lập trình lại thang chia tỉ lệ dao động hệ thống

- Giám sát và phát hiện lỗi dao động chủ

- Thanh ghi điều khiển dao động OSCCON

- Hỗ trợ bộ dao động thạch anh phụ cho khối chuyển đổi số sang tương tự

Hình 3.11: Hệ thống tạo dao động cho PIC16F877A

PIC16F877A cung cấp bẩy lựa chọn dao động hệ thống:

- Dao động FRC với thang chia tỷ lệ

Bằng cách thiết lập các bít trong thanh ghi cấu hình FNOSC<2:0> và FOSCSEL<2:0>, POSCMD<1:0>, người dùng có thể chọn các chế độ đồng hồ hệ thống phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

Thông thường, sau khi xuất xưởng, các chip PIC16F877A được đặt ở chế độ sử dụng FRC Chế độ này, tần số là 7,37 MHz

Bộ dao động chủ có thể sử dụng một trong các nguồn dao động sau:

- XT: Bộ cộng hưởng thạch anh trong dải từ 3MHz đến 10MHz

- HS: Thạch anh trong dải từ 10MHz đến 40MHz

- EC: Sử dụng tín hiệu dao động ngoại nối vào chân OSC của vi điều khiển

Bộ dao động phụ (LP) và bộ dao động tiêu thụ công suất thấp (LPRC) đều sử dụng thạch anh 32,768 kHz