Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cabin học sinh phục vụ giảng dạy và

Nhận thức rõ vấn đề này, ngày 30 tháng 9 năm 2008, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định 1400/QĐ-TTg phê duyệt đề án “Dạy và học ngoại ngữ trong hệ thống giáo dục quốc dân giai đoạn 2008

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TẠ AN HOÀNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CABIN HỌC SINH PHỤC VỤ GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP NGOẠI NGỮ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS NGUYỄN VĂN HÒA

Hà Nội – Năm 2015

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Hòa – thầy giáo

đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp, các lãnh đạo của tôi đang công tác tại Trung tâm công nghệ Vi điện tử và Tin học – Viện ứng dụng công nghệ và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Những nội dung tôi thực hiện trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Văn Hòa

2 Mọi thông tin dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Tạ An Hoàng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vẽ, đồ thị vi

MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1

I.1 Một số phòng học ngoại ngữ hiện nay trên thị trường 1

I.2 Hệ thiết bị phòng học ngoại ngữ LABStore 4

1 Giới thiệu chung về LABStore 4

2 Các thiết bị trong hệ thống 5

3 Các chức năng chính 7

I.3 Kết luận 8

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 10

II.1 Thiết kế phần cứng tổng thể 10

II.2 Khối xử lý trung tâm - ATMEGA128 12

1 Sơ đồ chân và chức năng chi tiết của từng chân 13

2 Chức năng ngắt 15

3 Các cổng vào ra 15

4 Timer/Counter 0 15

5 Timer/Counter 1 và Timer/Counter 3 15

6 Timer/Counter 2 16

7 SPI 16

8 USART 16

9 TWI 17

10 Analog Comparator 17

11 ADC 17

II.3 Khối hiển thị 20

1 Cấu tạo 20

2 Cấu trúc GLCD 20

3 Thứ tự và chức năng các chân của GLCD 22

II.4 Khối giao tiếp bàn phím 24

1 Cấu tạo 24

2 Chức năng 24

3 Giới thiệu chung về bàn phím 24

II.5 Khối truyền thông 26

1 Cấu tạo 27

2 Chức năng 27

3 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-232 27

4 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485 30

5 Giới thiệu IC SN75176 31

II.6 Khối xử lý âm thanh 33

1 Cấu tạo 33

2 Chức năng 34

3 Giới thiệu chung về chuẩn MP3 34

4 Giới thiệu về IC VS1011E 36

II.7 Khối lưu trữ dữ liệu 39

1 Cấu tạo 39

2 Chức năng 40

3 Tổng quan về thẻ nhớ 40

4 Chế độ giao tiếp với thẻ nhớ 41

5 Thứ tự và chức năng các chân của thẻ nhớ 41

II.8 Khối nguồn 42

1 Cấu tạo 42

2 Chức năng 42

3 Giới thiệu IC nguồn AMS1117 43

II.9 Mạch in 45

CHƯƠNG III: CẤU TRÚC PHẦN MỀM 50

III.1 Giao tiếp giữa vi điều khiển và các khối ngoại vi 50

1 Giao tiếp với khối hiển thị 50

2 Giao tiếp với bàn phím 58

3 Truyền nhận với khối truyền thông 61

4 Giao tiếp với IC VS1011E 63

5 Giao tiếp với thẻ nhớ 65

III.2 Các chức năng của Cabin 72

1 Mode 1: Hội thoại đôi 73

2 Mode 2: Hội thoại nhóm 76

3 Mode 3: Phát biểu ý kiến 78

4 Mode 4: Giáo viên gọi học viên 78

5 Mode 5: Tự học 79

6 Mode 6: Thi trắc nghiệm 81

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

Danh mục các bảng

Bảng 2.1: Sơ đồ chân nối của ATmega128 với các ngoại vi 19

Bảng 2.2: Chức năng chân của IC SN75175 32

Bảng 2.3: Chức năng các chân của VS1011E kiểu đóng gói LQFP-48 38

Bảng 3.1: Cấu hình các chân để đọc trạng thái GLCD 50

Bảng 3.2: Ý nghĩa các bit trạng thái của T-6963C 51

Bảng 3.3: Ý nghĩa các chân trong Native Mode 65

Bảng 3.4: Ý nghĩa từng bit của phản hồi R1 67

Bảng 3.5: Ý nghĩa từng bit trong byte 2 của phản hồi R2 68

Bảng 3.6: Tập lệnh cơ bản của thẻ nhớ 69

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1: Mô hình phòng học dùng MCC-295NPS 1

Hình 1.2: HiClass V của Ikonnet 2

Hình 1.3: Phòng học ngoại ngữ LL3000 3

Hình 1.4: Mô hình phòng học LABStore 5

Hình 2.1: Sơ đồ khối của Hộp thiết bị hiển thị và điều khiển 10

Hình 2.2: Sơ đồ chân của ATmega128 13

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị 20

Hình 2.4: Graphic LCD 240x128 21

Hình 2.5: Sơ đồ khối của GLCD 240x128 21

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp bàn phím 24

Hình 2.7: Scan codes của bàn phím 25

Hình 2.8: Scan codes của phần mở rộng 26

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của khối truyền thông 26

Hình 2.10: Sơ đồ chân của loại giắc cắm DB-9 28

Hình 2.11: Sơ đồ chân nhìn từ trên xuống của SN75175 31

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý của SN75175 32

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý của khối âm thanh 33

Hình 2.14: VS1011E 36

Hình 2.15: Sơ đồ khối của VS1011E 37

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của khối lưu trữ dữ liệu 39

Hình 2.17: So sánh chân giữa hai loại thẻ MMC và SD 40

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp 42

Hình 2.19: 3 kiểu đóng gói của IC AMS1117 44

Hình 2.20: Hình ảnh mạch in mặt trên của thiết bị 45

Hình 2.21: Hình ảnh mạch in mặt dưới của thiết bị 46

Hình 3.1: Cấu trúc 8 bit trạng thái của T-6963C 50

Hình 3.2: Thiết lập dữ liệu với lệnh chỉ có một dữ liệu 52

Hình 3.3: Thiết lập dữ liệu với lệnh có hai dữ liệu 53

Hình 3.4: Ví dụ quá trình ghi 1 byte dữ liệu vào RAM ngoài 56

Hình 3.5: Lưu đồ thực hiện việc Set/Reset một bit 57

Hình 3.6: Chuẩn cắm PS/2 59

Hình 3.7: Giản đồ xung hướng truyền Bàn phím đến Host 60

Hình 3.8: Giản đồ xung hướng truyền Host đến Bàn phím 60

Hình 3.9: Quá trình truyền dữ liệu ra Bus 62

Hình 3.10: Quá trình nhận dữ liệu từ Bus 63

Hình 3.11: Luồng dữ liệu của VS1011E 63

Hình 3.12: Kết nối cơ bản giữa Vi điều khiển và Thẻ nhớ 65

Hình 3.13: Cấu trúc một khung lệnh và phản hồi 66

Hình 3.14: Cấu trúc phản hồi R1 67

Hình 3.15: Cấu trúc phản hồi R2 67

Hình 3.16: Cấu trúc phản hồi R3 68

Hình 3.17: Cấu trúc của một gói dữ liệu 70

Hình 3.18: Đọc một khối dữ liệu từ thẻ nhớ 70

Hình 3.19: Đọc nhiều khối dữ liệu từ thẻ nhớ 71

Hình 3.20: Ghi một khối dữ liệu vào thẻ nhớ 71

Hình 3.21: Ghi nhiều khối dữ liệu vào thẻ nhớ 71

Hình 3.22: Lưu đồ thuật toán chương trình chính của vi điều khiển 73

Hình 3.23: Lưu đồ thuật toán Mode hội thoại đôi 74

Hình 3.24: Màn hình Mode hội thoại đôi 75

Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán hội thoại nhóm 76

Hình 3.26: Màn hình hội thoại nhóm 77

Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán tự học 79

Hình 3.28: Màn hình tự học 80

Hình 3.29: Lưu đồ thuật toán thi trắc nghiệm 81

Hình 3.30: Màn hình thi trắc nghiệm 82

Hình 4.1: Thiết bị hiển thị và điều khiển 86

Hình 4.2: Bàn phím 86

Hình 4.3: Tai nghe và Micro 87

Hình 4.4: Hình ảnh thực tế của một cabin học viên 88

Hình 4.5: Phòng học ngoại ngữ LABStore tại Trường Học viện Hậu Cần – Hà Nội 88

Hình 4.6: Phòng học ngoại ngữ LABStore tại Trường Hằng Hải – Hải Phòng 89

đã và đang trở thành xu hướng của bất kỳ người nào Đơn giản chỉ vì, với chỉ tiếng

mẹ đẻ, bạn có thể sẽ mất đi cơ hội làm việc trong các công ty đa quốc gia hay giảm

đi năng lực cạnh tranh đối với những ứng viên thông thạo thêm ngoại ngữ khác Nếu như khoảng chục năm trước đây, học ngoại ngữ chỉ được thấy trong các lớp học chính khóa dưới sự hướng dẫn của các giáo viên người Việt Nam, cách học tập trung quá nhiều vào ngữ pháp, máy móc và thụ động khiến việc học ngoại ngữ trở thành một “cực hình”, học xong lại quên vì không được áp dụng vào thực tế Nhận thức rõ vấn đề này, ngày 30 tháng 9 năm 2008, Thủ tướng Chính phủ đã

ký Quyết định 1400/QĐ-TTg phê duyệt đề án “Dạy và học ngoại ngữ trong hệ

thống giáo dục quốc dân giai đoạn 2008-2020” với mục tiêu chung là “Đổi mới toàn diện việc dạy và học ngoại ngữ trong hệ thống giáo dục quốc dân, triển khai chương trình dạy và học ngoại ngữ mới ở các cấp học, trình độ đào tạo, nhằm đến năm 2015 đạt được một bước tiến rõ rệt về trình độ, năng lực sử dụng ngoại ngữ của nguồn nhân lực, nhất là đối với một số lĩnh vực ưu tiên; đến năm 2020 đa số thanh niên Việt Nam tốt nghiệp trung cấp, cao đ ng và đại học c đủ năng lực ngoại ngữ sử dụng độc lập, tự tin trong giao tiếp, học tập, làm việc trong môi

trường hội nhập, đa ngôn ngữ, đa văn hoá; biến ngoại ngữ trở thành thế mạnh của người dân Việt Nam, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước.”

Công văn số 5893/BGDĐT- CSVCTBTH ký ngày 06 tháng 09 năm 2011 về viếc hướng dẫn mua sắm thiết bị dạy học môn ngoại ngữ theo tiêu chuẩn mới Hiện các tổ chức, cơ quan trung ương và địa phương đã, đang quan tâm đầu tư mạnh mẽ các hệ thiết bị phòng vụ cho đào tạo ngoại ngữ tuy nhiên còn có một số nhược điểm như:

- Các hệ thiết bị phòng học ngữ âm thông thường chỉ nghe, nói, giao tiếp qua

âm thanh còn các hình ảnh, thông tin minh họa phải xem trên thiết bị trình

chiếu vì vậy tính hiệu quả chưa cao

- Các hệ thiết bị phòng học ngoại ngữ kết hợp với mạng máy tính giá thành

còn cao, việc vận hành đòi hỏi trình độ tin học chưa tốt Vì vậy, về cơ bản

không đáp ứng được nhu cầu sử dụng rộng rãi của toàn xã hội

- Các hệ thiết bị được nhập ngoại về cơ bản có chức năng tương đương với

yêu cầu của Công văn số : 5893/BGDĐT- CSVCTBTH ký ngày 06 tháng 09

năm 2011 Tuy nhiên một số chức năng không đúng với quy định của Việt

Nam, giá thành hệ thống còn rất cao, thời gian đáp ứng lắp đặt bảo hành

không đảm bảo

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học –

Viện Ứng dụng Công nghệ đã giới thiệu hệ thiết bị học ngoại ngữ LABStore Nó là

phương tiện phục vụ cho công tác giảng dạy, quản lý nhằm nâng cao hiệu quả đào

tạo Tuy nhiên, do thời gian có hạn, luận văn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

Cabin học sinh phục vụ giảng dạy và học tập ngoại ngữ” chỉ đề cập đến phần thiết

kế, chế tạo Cabin học sinh – là một phần quan trọng của phòng học LABStore này

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:

- Chương I: Giới thiệu một số phòng học ngoại ngữ hiện nay trên thị trường

và cấu trúc của một phòng học LABStore

- Chương II: Thiết kế phần cứng cho một Cabin học sinh.

- Chương III: Cấu trúc phần mềm của một Cabin học sinh

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

I.1 Một số phòng học ngoại ngữ hiện nay trên thị trường

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất thiết bị học ngoại ngữ đã và đang được chào bán tại Việt Nam Tuy nhiên các hệ thiết bị được chia thành hai nhóm như:

- Hệ thiết bị phòng học đa năng: hệ này ngoài các thiết bị chuyên dụng của nhà sản xuất, nó còn phải kết hợp với mạng LAN Hệ này có giá thành rất cao (hơn 1 tỷ đồng cho 1 phòng học 48 học viên), đòi hỏi người sử dụng có trình độ về tin học

Hình 1.1: Mô hình phòng học dùng MCC-295NPS

Hình 1.2: HiClass V của Ikonnet

- Hệ thiết bị phòng học truyền thống: Hệ thiết bị bao gồm 01 máy tính cho giáo viên, bảng điều khiển, hệ thống cáp, thiết bị trình chiếu (Tivi hoặc máy chiếu), mỗi bàn học viên có 01 card âm thanh (có các nút điều chỉnh âm lượng, nút nhấn dùng cho thi trắc nghiệm) Hệ thiết bị này giá cả phù hợp với điều kiện kinh tế của nước ta Tuy nhiên, hệ thiết bị không cho phép rèn luyện kỹ năng viết trong các kỹ năng “Nghe, nói, đọc, viết” trong việc học ngoại ngữ

Hình 1.3: Phòng học ngoại ngữ LL3000

I.2 Hệ thiết bị phòng học ngoại ngữ LABStore

1 Giới thiệu chung về LABStore

LABStore là một hệ thiết bị phòng học ngoại ngữ của Trung tâm Công nghệ Vi điện tử và Tin học – Viện Ứng dụng Công nghệ Nó là phương tiện phục vụ cho công tác giảng dạy, quản lý nhằm nâng cao hiệu quả đào tạo Tạo cho học viên có cảm giác hứng thú khi tiếp thu bài giảng, đặc biệt với phần mềm thi trắc nghiệm sẽ

giúp cho học viên luyện bài và làm quen với việc thi trắc nghiệm Hệ thiết bị

phòng học ngoại ngữ - LABStore sẽ đáp ứng được mục tiêu cụ thể như sau:

- Cho phép thực hiện giao tiếp đa chiều giữa giáo viên với học viên, giữa các học viên với nhau

- Cho phép giáo viên kiểm soát được việc đàm thoại của các học viên

- Cho phép ghi âm đàm thoại giữa giáo viên và học viên, giữa các học viên với nhau

- Phần mềm thi trắc nghiệm giúp cho học viên luyện tập, nâng cao kỹ năng làm bài thi trắc nghiệm

- Cho phép giáo viên lấy ý kiến phát biểu của học bất kỳ truyền đến một hay nhiều học viên khác cùng nghe

- Cho phép sử dụng các loại giáo án, giáo trình điện tử hoặc ghép nối với hệ thống khác (băng Cassette, băng Video, đĩa CDROM)

- Giao diện thiết kế theo kiểu nút lệnh trên cùng một màn hình điều khiển, được sử dụng ngôn ngữ tiếng Việt, giúp người sử dụng khai thác thuận tiện

- Hệ thống cho phép thay đổi số lượng Cabin học viên tuỳ vào nhu cầu thực tế của đơn vị sử dụng

- Giá thành rất thấp so với sản phẩm nhập khẩu cùng loại

2 Các thiết bị trong hệ thống

Hình 1.4: Mô hình phòng học LABStore

Thiết bị hệ thống bao gồm: Nguồn nuôi chuyên dụng, hộp điều khiển giáo viên, hộp nhận tín hiệu điều khiển và khuyếch đại tín hiệu âm thanh bàn học viên Tất cả được kết nối theo chuẩn hình sao và kết nối với máy tính Phần mềm điều khiển được cài trên máy tính (bàn giáo viên) thực hiện điều khiển toàn bộ chức năng của hệ thống và đặc biệt phần mềm thi trắc nghiệm cho phép giáo viên tạo ngân hàng câu hỏi mới, sử dụng ngân hàng câu hỏi có sẵn, định dạng đề thi và tổ chức thi

- Máy tính điều khiển:

Phần mềm điều khiển và thi trắc nghiệm được cài trên máy tính bàn giáo viên Máy tính cung cấp các dịch vụ hỗ trợ giảng dạy bao gồm các Files giáo trình, cơ sở dữ liệu, truyền thông, in ấn, tạo và sử dụng ngân hàng câu hỏi thi

trắc nghiệm, tổ chức thi trắc nghiệm

- Nguồn nuôi chuyên dụng:

Nguồn nuôi chuyên dụng cung cấp điện một chiều cho toàn bộ hệ thống

- Thiết bị bàn giáo viên:

Hộp điều khiển bàn giáo viên: Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính qua cổng máy tính, xử lý tín hiệu, điều khiển hộp học viên

Bộ chia tín hiệu: Kết nối, xử lý tín hiệu âm thanh, hình ảnh máy tính và các thiết bị ngoại vi khác như cassette, thiết bị phát hình truyền tải tới các hộp học viên

- Thiết bị bàn học viên:

Mỗi cabin học viên cần 01 hộp nhận tín hiệu điều khiển, lưu trữ thông tin, bàn phím, màn hình (Số lượng cabin, sơ đồ lắp đặt được thiết kế trên cơ sở khảo sát thực tế và yêu cầu của đơn vị sử dụng)

Khối lưu trữ thông tin cho phép cập nhật dữ liệu bài giảng và các files dữ liệu khác

Bàn phím giúp học viên nhập và kích hoạt chức năng

Màn hình hiển thị hiển thị tín hiệu bài giảng và phục vụ chức năng thi trắc nghiệm

- Hệ thống cáp sử dụng:

Hệ thống cáp kết nối hệ thống được đấu theo hình sao Đấu mạng theo kiểu này giúp người dùng dễ quản lý, có khả năng phân tách sự cố rất tốt

a Chức năng giảng dạy

- Giảng bài dưới dạng âm thanh: Truyền tín hiệu bài giảng một chiều từ giáo viên tới các học viên

- Giảng bằng Video: Truyền giáo trình, các files dữ liệu bài giảng đến màn hình của học viên kết nối đồng thời với Tivi hoặc máy chiếu Các dữ liệu này được lưu lại tại máy của học viên phục vụ cho chức năng tự học

- Hội thoại đôi: Cho phép từng cặp học viên trao đổi với nhau bằng ký tự (sử dụng bàn phím) và âm thanh; trong chức năng này giáo viên có thể truy cập kiểm tra và tham gia vào cặp bất kỳ

- Hội thoại nhóm: Giáo viên có thể chọn nhóm học viên bất kỳ để trao đổi bài với nhau

- Trao đổi trực tiếp với giáo viên: Giáo viên kích vào biểu tượng học viên (Icon) của một học viên hoặc một nhóm học viên bất kỳ để trao đổi trực tiếp Trong

chức năng này giáo viên có thể cho các học viên còn lại nghe hoặc không nghe cuộc trao đổi

- Kích hỏi giáo viên: Tất cả các học viên đều có thể kích phát tín hiệu hỏi giáo viên từ cabin của mình Tín hiệu được truyền là âm thanh và thay đổi màu sắc

tại Icon kích hỏi

- Chế độ tự học: Dữ liệu bài giảng, các files giáo trình được lưu trên bộ nhớ của khối học viên, học viên có thể mở và tự học trên máy riêng của mình

- Lưu bài giảng: Cho phép giáo viên giáo viên lưu bài giảng dưới dạng âm thanh

b Chức năng thi trắc nghiệm

- Ngân hàng câu hỏi: Giáo viên được sử dụng ngân hàng câu hỏi có sẵn hoặc soạn thảo ngân hàng câu hỏi mới Có 2 loại câu hỏi đó là câu hỏi đơn và câu hỏi nhóm

- Định dạng đề thi: Giáo viên được phép định lượng câu hỏi, số câu hỏi khó, số câu hỏi dễ và cho thang điểm từng loại câu hỏi này

- Thi trắc nghiệm trên hệ thống: Hệ thống cho phép tổ chức thi trắc nghiệm trực tiếp trên từng vị trí học viên

- Thi trắc nghiệm trên giấy: Sau khi giáo viên định dạng đề thi, đề thi được sinh ngẫu nhiên thành dạng bản ghi và in trên giấy Học viên làm bài xong, nộp bài, giáo viên chấm bài bằng chương trình theo các đề đã được lưu trên máy tính trước khi in

- Xử lý kết quả thi: Chương trình tự động chấm, tạo bảng điểm và ghi lưu đề thi

I.3 Kết luận

Hệ thống phòng học LABStore có thể được chia làm 3 thành phần chính là

Thiết bị bàn giáo viên, Cabin học viên và Thiết bị khác Trong đó thiết bị bàn giáo

viên gồm: Máy tính giáo viên, Hộp điều khiển bàn giáo viên, Bộ chia tín hiệu Cabin học viên gồm: Bàn phím, Thiết bị hiển thị và điều khiển, Tai nghe và Micro Các thiết bị khác gồm: Nguồn nuôi chuyên dụng, Hệ thống cáp, máy in, máy chiếu,

Do giới hạn về thời gian, nội dung của luận văn chỉ đề cập vào phần thiết kế Cabin Chương II sẽ đi vào phần thiết kế phần cứng của một Cabin học viên

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

II.1 Thiết kế phần cứng tổng thể

Một Cabin học viên gồm 3 khối chính là:

- Tai nghe và Micro

- Bàn phím

- Thiết bị hiển thị và điều khiển

Trong 3 khối đó thì Bàn phím, tai nghe và micro là các thiết bị được mua sẵn

trên thị trường Còn khối quan trọng nhất là Thiết bị hiển thị và điều khiển được thiết kế Hình 2.1 là sơ đồ khối của hộp Thiết bị hiển thị và điều khiển

Khối truyền thôngKhối nguồn

Khối hiển thị

Khối xử lý âm thanh

Khối giao tiếp với bàn phím

Khối lưu trữ dữ liệu

Khối xử lý trung tâm

Hình 2.1: Sơ đồ khối của Hộp thiết bị hiển thị và điều khiển

Hộp thiết bị hiển thị và điều khiển gồm 7 khối cơ bản:

- Khối xử lý trung tâm

- Khối hiển thị

- Khối giao tiếp bàn phím

- Khối truyền thông

- Khối xử lý âm thanh

- Khối lưu trữ dữ liệu

- Khối nguồn

Trong đó Khối xử lý trung tâm là quan trọng nhất, nó có nhiệm vụ xử lý và

liên kết các khối còn lại với nhau Để thực hiện được tất cả các chức năng của phòng học ngoại ngữ LABStore, khối xử lý trung tâm được chọn là vi điều khiển ATMEGA128 của hãng Atmel

II.2 Khối xử lý trung tâm - ATMEGA128

Khối xử lý trung tâm được chọn là vi điều khiển ATMEGA128 – đây là vi điều khiển thuộc dòng AVR do hãng Atmel (Mỹ) sản xuất và được giới thiệu lần đầu năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng TinyAVR

(Attiny13, Attiny22, ) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít ngoại vi Đến dòng AVR (AT90S8535, AT90S8515, …) có kích thước bộ nhớ trung bình Và đến những dòng mạnh hơn như dòng Mega (ATmega32, ATmega128,…) Trong luận văn này

ta chọn chip ATMEGA128 của Atmel vì chip này có tốc độ xử lý nhanh (lên tới 16MIPS – 16 triệu lệnh/giây) và có bộ nhớ vừa đủ lớn (128KByte) để thực hiện được các yêu cầu của phòng học ngoại ngữ LABStore

Những tính năng chính của ATmega128:

- 53 đường lập trình vào/ra đa chức năng

- 128KB bộ nhớ Flash

- 4KB EEPROM

- 4KB SRAM

- Số lần ghi/xóa tối đa: 10000 đối với Flash và 100000 đối với EEPROM

- Hỗ trợ giao diện sửa lỗi JTAG

- 2 Timer/Counter 8-bit

- 2 Timer/Counter 16-bit

- Hỗ trợ bộ đếm thời gian thực RTC (Real Time Counter)

- 2 kênh PWM 8-bit

- 8 kênh ADC 10-bit

- 1 giao diện TWI

- 1 giao diện SPI

- 2 giao diện USART

- 1 bộ Watchdog Timer

- Tần số hoạt động: 0-16MHz

- Điện áp hoạt động: 2.7-5.5V

1 Sơ đồ chân và chức năng chi tiết của từng chân

Hình 2.2: Sơ đồ chân của ATmega128

VCC: đây là chân cấp nguồn cho vi điều khiển Atmega128 Gồm có 2 chân ở các vị

trí 21 và 52 Các chân này đều được nối thông với nhau ở bên trong chip tạo thuận lợi cho người thiết kế mạch

GND: chân cấp đất cho vi điều khiển Atmega128 Gồm có 3 chân ở vị trí 22, 52 và

63

PORTA: (PA0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 44 (PA7) đến 50

(PA0) Mỗi bit của PORTA có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTB: (PB0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 10 (PB0) đến 17

(PB7) Mỗi bit của PORTB có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTC: (PC0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 35 (PC0) đến 42

(PC7) Mỗi bit của PORTC có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTD: (PD0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 25 (PD0) đến 42

(PD7) Mỗi bit của PORTD có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTE: (PE0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 2 (PE0) đến 9 (PE7)

Mỗi bit của PORTE có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTF: (PF0…7) là cổng vào ra 8-bit Vị trí các chân là từ 54 (PF7) đến 61

(PF0) Mỗi bit của PORTF có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

PORTG: (PG0…4) là cổng vào ra 8-bit Vị trí 33 (PG0), 34 (PG1), 43 (PG2), 18

(PG3), 19 (PG4) Mỗi bit của PORTG có điện trở treo lên nguồn ở bên trong chip

RESET: chân 20, đây là chân Reset của vi điều khiển Khi kéo chân này xuống

mức thấp trong khoảng thời gian tối thiểu 1.5 us thì vi điều khiển sẽ bị reset Nếu thời gian nhỏ hơn khoảng thời gian này thì vi điều khiển sẽ không bị reset

XTAL1: chân 24, đầu vào của bộ tạo dao động thạch anh cho vi điều khiển

XTAL2: chân 25, đầu ra của bộ tạo dao động thạch anh cho vi điều khiển

AVCC: chân 64, đây là nguồn cho PORTF và bộ chuyển đổi A/D của vi điều khiển

Chân này nên đƣợc nối với VCC ngay cả khi bộ chuyển đổi A/D không đƣợc sử dụng

AREF: chân 62, đây là chân điện áp tham chiếu cho bộ chuyển đổi A/D

PEN: chân 1, đây là chân cho phép nạp khi sử dụng chế độ nạp SPI, chân này có

điện trở nội treo lên nguồn Bằng việc giữ chân này ở mức thấp trong khi vi điều khiển reset, Atmega128 sẽ vào chế độ nạp Khi vi điều khiển hoạt động thì chân này không có tác dụng

có một chức năng có tác dụng

4 Timer/Counter 0

Timer/Couter 0 là một mô đun 8-bit, gồm có các chức năng chính:

- Thanh đếm 8-bit

- Tự động Reset thanh ghi đếm khi đạt mức so sánh

- Tạo xung PWM trên chân 14 (chức năng OC0)

- Hỗ trợ bộ chia xung clock 10-bit

- Cung cấp nguồn ngắt tràn và nguồn ngắt so sánh

- Cho phép lấy xung clock từ nguồn ngoài (chân 18, 19-TOSC2, TOSC1)

5 Timer/Counter 1 và Timer/Counter 3

Là mô đun 16-bit Mỗi mô đun gồm có các chức năng chính:

- Thanh ghi đếm 16-bit

- Tự động Reset thanh ghi đếm khi đạt mức so sánh

- Có 3 chân tạo PWM riêng biệt (OC1A, OC1B, OC1C, OC3A, OC3B và OC3C)

- Có 1 chân so sánh đầu vào (Input Capture)

- Có nhiều chế độ PWM

- Có bộ tính toán tần số đếm

- Hỗ trợ đếm từ các nguồn từ các sự kiện ngoài

- Có 10 nguồn tạo ngắt độc lập

6 Timer/Counter 2

Timer/Couter 2 là một mô đun 8-bit, gồm có các chức năng chính:

- Thanh đếm 8-bit

- Tự động Reset thanh ghi đếm khi đạt mức so sánh

- Tạo xung PWM (chức năng OC2)

- Truyền thông đồng bộ 3 dây (MOSI, MISO, SCK) song công

- Cấu hình được là Master hoặc Slave

- Truyền MSB trước hoặc LSB trước

- Hỗ trợ chế độ truyền 7 bit

- Có nguồn ngắt khi kết thúc mỗi lần truyền

- Cho phép đánh thức vi điều khiển khi Atmega128 đang trong chế độ nghỉ

- Hỗ trợ tốc độ tối đa là một nửa tốc độ của Clock nguồn

8 USART

USART là chuẩn truyền thông không đồng bộ tương thích với nhiều thiết bị Atmega128 có 2 mô đun ngoại vi USART là USART1 và USART0 Sau đây là các chức năng chính của ngoại vi:

- Hỗ trợ truyền song công

- Hỗ trợ truyền đồng bộ và không đồng bộ

- Cấu hình được là Master hoặc Slave trong chế độ truyền đồng bộ

- Tốc độ truyền Baund cao

- Hỗ trợ khung truyền 5, 6, 7,8 hoặc 9 bit với 1 hoặc 2 bit Stop

- Tự động tính toán Parity (Odd hoặc Even) và được kiểm tra bởi phần cứng

- Nhận dạng khung truyền lỗi

- Thiết bị có thể hoạt động như một bộ truyền hoặc bộ nhận

- Có 7-bit địa chỉ có phép đến 128 thiết bị Slave khác nhau trên 1 đường bus

- Tốc độ truyền tối đa 400kHz

- Hỗ trợ mạch chống nhiễu trên các đường Bus

- Có thể đánh thức vi điều khiển khi AVR đang ở trong chế độ nghỉ (Sleep Mode)

10 Analog Comparator

Atmega128 có một bộ so sánh tương tự, gồm có 2 chân, Chân dương là AIN0 và chân âm là AIN1 Khi điện áp trên AIN0 lớn hơn điện áp trên AIN0 thì đầu ra của bộ so sánh (ACO) sẽ được set Đầu ra ACO này có thể được cấu hình

là đầu vào của chức năng Input Capture trên Timer/Counter 1 Ngoài ra ACO còn có thể bật một nguồn ngắt Người dùng có thể cấu hình cho ngắt là xung lên, xung xuống hoặc cả xung lên và xuống

- Độ chính xác xấp xỉ +- 2 đơn vị

- Thời gian chuyển đổi từ 13us đến 260us

- Tốc độ trích mẫu tối đa hỗ trợ 76.9kSPS ( hoặc 15 kSPS ở độ phân giải cực đại)

- 8 kênh ra (ADC0 đến ADC7)

- Hỗ trợ khoảng điện áp từ 0-VCC

- Có thể lựa chọn điện áp tham chiếu nội 2.56V

- Có nguồn ngắt khi một chuyển đổi hoàn thành

Bảng dưới là sơ đồ chân nối của ATMEGA128 với các khối ngoại vi:

II.3 Khối hiển thị

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị

1 Cấu tạo

Khối hiển thị gồm có một màn hình Graphic LCD (GLCD) độ phân giải 240x128 pixel và một biến trở xoay có giá trị 10k

2 Cấu trúc GLCD

Graphic LCD (gọi tắt là GLCD) là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng

để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh GLCD 240x128 có 240 cột và 128 hàng Như vậy

có tất cả là 240x128 = 30720 điểm ảnh tương ứng với 30720 bit dữ liệu Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động của GLCD có thể khác nhau Trong luận văn này tôi sử dụng loại GLCD được điều khiển bởi chip T-6963C của Toshiba

Hình 2.4 là hình ảnh thực tế của một GLCD 240x128 được điều khiển bởi T-6963C

Từ sơ đồ khối ta thấy GLCD được điều khiển bởi khối T-6963C thông qua 3 khối T6A39 và T6A40 Mỗi khối T6A39 điều khiển được 80 điểm ảnh chiều dọc Mỗi khối T6A40 điều khiển 64 điểm ảnh chiều ngang

3 Thứ tự và chức năng các chân của GLCD

Các GLCD sử dụng T-6963C để điều khiển thường có 21-22 chân Trong đó

có 14 chân dùng để điều khiển, 2 chân dành cho đèn LED nền, các chân còn lại là chân nguồn, đất Khác với loại Text LCD hỗ trợ cả hai chế độ điều khiển 4 bit và 8 bit, GLCD chỉ hỗ trợ duy nhất chế độ 8 bit

7 CE Cho phép chip thực hiện lệnh

8 CD Lựa chọn điều khiển lệnh hay dữ liệu

19 VEE Nguồn âm out ra từ GLCD (-20V)

20 LED+ Nguồn dương cho đèn LED nền

21 LED- Nguồn âm cho đèn LED nền

22 NC Không kết nối

Bảng 2.2: Chức năng chân của GLCD

Độ tương phản của GLCD được điều khiển trong khoảng điện áp từ -20V đên +5V Khoảng điện áp này được điều khiển thông qua biến trở xoay như trên sơ

đồ nguyên lý của khối hiển thị Các chân điều khiển CD, CS, RD, WR và các chân

dữ liệu D0-D7 được kết nối trực tiếp với chân vi điều khiển

- CE - Chip Enable: chọn chip, cho phép một quá trình bắt đầu Bình thường chân CS ở mức thấp Khi một quá trình nào đó (đọc hoặc ghi), các chân điều khiển khác được cài đặt sẵn sàng, sau đó kéo chân CS lên cao, GLCD bắt đầu thực hiện quá trình được yêu cầu Cuối cùng là đợi một khoảng thời gian ngắn cho GLCD gửi hoặc nhận dữ liệu, sau đó lại kéo CS xuống thấp để chuẩn bị cho quá trình mới

- CD – Code/Data: chân báo hiệu cho GLCD biết quá trình là lệnh hay dữ liệu Mức thấp nếu quá trình là lệnh điều khiển, mức cao nếu là dữ liệu

- RD – Read Data: quá trình yêu cầu đọc dữ liệu từ GLCD

- WD – Write Dat: quá trình yêu cầu ghi dữ liệu/lệnh vào GLCD

II.4 Khối giao tiếp bàn phím

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp bàn phím

- Chức năng trò chuyện trong chế độ giải lao

- Chức năng chọn bài học trong chế độ tự học

- Chức năng chọn đáp án trong chế độ thi trắc nghiệm

- Chức năng giơ tay phát biểu

Các chức năng này sẽ đƣợc mô tả cụ thể ở phần sau

3 Giới thiệu chung về bàn phím

Năm 1870, mẫu bàn phím đầu tiên xuất hiện với tên gọi QWERT, đƣợc đặt tên theo thứ tự những chữ cái nằm từ trái qua phải của dòng đầu tiên Đến năm

1930, August Dvorak và William Deay thiết kế ra chiếc bàn phím Dvorak với những tiến bộ đáng kể giúp tiết kiệm thời gian và công sức

Khi mọi người chuẩn bị chuyển sang bàn phím Drorak thì chiến tranh thế giới thứ hai bùng nổ khiến mọi người đều thống nhất dùng bàn phím QWERTY và chiếc bàn phím này tồn tại cho đến ngày nay

Trong thiết bị ta sử dụng bàn phím chuẩn PS/2 Giao tiếp của bàn phím này với thiết bị điều khiển (gọi là Host, ở đây là Vi điều khiển) là giao tiếp nối tiếp, gồm hai dây: dây xung và dây dữ liệu Cả hai dây này có thể được điều khiển theo hai hướng, từ bàn phím tới host hoặc ngược lại

Mỗi một phím trên bàn phím tương ứng với một mã quét gọi là “Scan code”

Ví dụ phím „A‟ có mã quét là 0x1C (Hex) Khi ấn phím „A‟, bàn phím sẽ gửi 0x1C tới Host Nếu phím „A‟ vẫn được giữ, thì 0x1C sẽ được gửi tiếp tới Host Điều này chỉ dừng lại khi phím „A‟ không được bấm nữa hoặc phím khác được bấm Khi nhả phím „A‟ thì bàn phím sẽ gửi 0xF0 (Hex) để cho ta biết rằng phím đang giữ đã được nhả Theo sau 0xF0 sẽ là 0x1C để cho Host biết rằng phím vừa được nhả là phím

„A‟

Hình 2.7: Scan codes của bàn phím

Hình 2.8: Scan codes của phần mở rộng

II.5 Khối truyền thông

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của khối truyền thông

1 Cấu tạo

Cấu tạo của khối truyền thông gồm một Connector 15 chân, hai IC chuyển

đổi giao thức 232-485, hai transistor NPN và một vài điện trở phụ trợ

2 Chức năng

Khối truyền thông có chức năng truyền và nhận dữ liệu từ hệ thống mạng với

bộ xử lý trung tâm trên mạch Hệ thống truyền thông với tốc độ 9600baud Khung truyền là 8 bit, 1 bit Stop, không Parity

Chức năng của từng linh kiện trong khối:

- IC SN75176: là IC chuyển đổi giao tiếp từ chuẩn 232 sang chuẩn 485

- D Connector 15: Connector để cắm dây mạng vào

- Transistor C828: bảo vệ chân pin vi điều khiển, tránh kết nối trực tiếp từ đường mạng vào chân vi điều khiển

- Điện trở phụ trợ

Chức năng của các đường trong khối:

- TXD1: đường truyền dữ liệu trong chế độ tự hội thoại

- RXD1: đường nhận dữ liệu trong chế độ tự hội thoại

- RXD0: nhận dữ liệu từ máy chủ

- TXD0: truyền dữ liệu lên máy chủ

- Enb: đường báo hiệu trạng thái của mạng Mặc định khi đường truyền rỗi thì dây này ở mức cao Nếu đường truyền đang bận thì dây này ở mức thấp

- TE: đường chọn hướng truyền, mức cao nếu hướng là truyền dữ liệu đi, mức thấp nếu hướng là nhận dữ liệu về

- RE: khi đường truyền rỗi, có thể kéo dây này lên mức 1 để thiết lập hướng truyền đi

3 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-232

RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) lúc đầu được xây dựng phục vụ cho việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối Mặc dù tính năng hạn chế, tuy nhiên RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay mỗi máy tính cá nhân đều có ít nhất một

hoặc hai cổng RS-232 (cổng COM) Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 phục vụ lập trình hoặc tham số hóa

RS-232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Mức điện áp sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến +15V Khoảng từ 3V đến 15V ứng với mức logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với mức logic 1

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn, chẳng hạn với chiều dài 30-50m thì tốc độ tối đa cho phép là 19.2kBd

Chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (chín chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó hai loại đầu được sử dụng phổ biến hơn

Hình 2.10: Sơ đồ chân của loại giắc cắm DB-9

Dưới đây mô tả ý nghĩa từng chân của loại giắc cắm DB-9

1 DCD Data Carrier Detect: được dùng để kiểm soát truy nhập đường

truyền

2 RxD Receive Data: đường nhận dữ liệu

3 TxD Transmit Data: đường truyền dữ liệu

4 DTR Data Terminal Ready

5 Ground Đất

6 DSR Data Set Ready: đường truyền thông đã sẵn sàng

7 RTS Request to Send: kiểm soát chiều truyền dữ liệu

8 CTS Clear to Send: kiểm soát đường truyền dữ liệu

9 RI Ring Indicator

Chế độ làm việc của RS-232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), nghĩa là 2 thiết bị tham gia có thể cùng truyền và nhận cùng một thời điểm Do đó việc truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn là RxD, TxD và GND Đối với việc cấu hình như thế này, việc đảm bảo độ an toàn của truyền dẫn dữ liệu phụ thuộc vào phần mềm

- Quá trình truyền dữ liệu:

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp the Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII( có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó

là một Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng - bit stop có thể là 1, 1,5 hay 2 bit dừng

- Tốc độ Baud:

Đây là một tham số đặc trưng của RS-232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ

Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn

tả bit được truyền còn tốc độ bit thì phản ánh tốc độ thực tế mà các bit được

truyền.Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc

độ baud là phải đồng nhất Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300,

600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết

bị họ thường dùng tốc độ là 19200

Khi sử dụng chuẩn nối tiếp Cáp cổng Com RS-232 thì yêu cầu khi sử dụng chuẩn là thời gian chuyển mức logic không vượt quá 4% thời gian truyền 1 bit Do vậy, nếu tốc độ bit càng cao thì thời gian truyền 1 bit càng nhỏ thì thời gian chuyển mức logic càng phải nhỏ Điều này làm giới hạn tốc Baud và khoảng cách truyền

- Bit chẵn lẻ (Parity bit):

Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ xung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền Do đó trong chuẩn RS-232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để thấy số lượng các bit "1" được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi chả hạn như 1, 3, 5, 7, 9 Nếu như một bit chẵn được mắc lỗi thì Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện

ra lỗi Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi

4 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS-485

Khác với RS-232, RS-485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa 2 dây, nhờ đó nó giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn RS-485 cho phép truyền xa đến 1200m mà không cần bộ lặp Tốc độ truyền có thể lên đến 10Mbit/s

RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA () đưa ra mà có khả năng truyền dẫn đa điểm thực sự trên một đường dẫn chung duy nhất được gọi là bus

- Cáp nối:

RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không đưa ra các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối Có thể