Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng

Với bộ xử lý này, tác giả không sử dụng những phương pháp cơ học để tách biệt hệ thống với môi trường mà thay vào đó, mạch Trigger Schmitt được sử dụng để giúp hệ thống nhận biết và loại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN VĂN MINH TRÍ

Đà Nẵng – Năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Trần Đình Nhật

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

CHẾ TẠO HỆ THỐNG BIA BẮN TÍNH ĐIỂM TỰ ĐỘNG

ÁP DỤNG CHO SÚNG QUÂN DỤNG

Học viên: Trần Đình Nhật Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Tóm tắt - Luận văn này trình bày phương pháp thiết kế, chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự

động áp dụng cho súng quân dụng Các nội dung chính bao gồm phân tích lý thuyết, xây dựng mạng truyền thông, thiết kế hệ thống điện tử và xây dựng chương trình quản lý trung tâm Ngoài việc nghiên cứu, ứng dụng những phương pháp khoa học - kỹ thuật đã có, luận văn còn đóng góp một phương pháp kỹ thuật hoàn toàn mới do chính tác giả xây dựng, đó chính là bộ

xử lý giúp nâng cao khả năng kháng ẩm của hệ thống Với bộ xử lý này, tác giả không sử dụng những phương pháp cơ học để tách biệt hệ thống với môi trường mà thay vào đó, mạch Trigger Schmitt được sử dụng để giúp hệ thống nhận biết và loại bỏ những tác động của môi trường ẩm, qua đó đảm bảo hệ thống có thể hoạt động một cách ổn định, chính xác trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao Các kết quả thực nghiệm bằng đạn thật đều cho kết quả chính xác, ổn định, đáp ứng tất cả các yêu cầu thiết kế đề ra

Từ khóa – Bia bắn tính điểm tự động; Tín hiệu tốc độ cao; Phương pháp kỹ thuật mới; Kháng

ẩm; Trigger Schmitt

FABRICATING AN AUTOMATIC TARGET-SCORING SYSTEM

APPLYING FOR MILITARY GUNS

Abstract - This thesis presents a method for designing, fabricating an automatic

target-scoring system applying for military guns The content of thesis focuses on analyzing theory, building communication networks, designing electronic systems and creating a central management application In addition to studying, applying existing scientific and technical methods, the thesis also contributes to a completely new technique developed by the author, which is the processor that improves moisture resistance This processor does not use mechanical methods to separate the system from the environment, but instead, the Schmitt Trigger circuit is used to help the system recognize and remove the effects of humid environment To ensure that the system can operate stably, precisely in high humidity environment The experiment results by using real bullet show that the system operated precisely, stability, meeting all of the design requirements

Key works - An automatic target-scoring; High-Speed signals; New technique

methods; Moisture resistance; Trigger Schmitt

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II MỤC LỤC…… III DANH MỤC CÁC HÌNH VI

MỞ ĐẦU……… 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 1

3.1 Đối tượng nghiên cứu: 1

3.2 Phạm vi nghiên cứu: 1

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN: 2

5.1 Ý nghĩa khoa học: 2

5.2 Ý nghĩa thực tiễn: 3

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN: 3

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

CHƯƠNG 1 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: 4

1.1.1 Vai trò của công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng: 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu các sản phẩm liên quan: 4

1.2 ĐỊNH HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG: 6

1.2.1 Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn: 6

1.2.2 Phương pháp truyền và thông báo kết quả: 7

1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ CÁC HƯỚNG GIẢI QUYẾT: 8

1.3.1 Bắt và đảm bảo không mất mát tín hiệu: 8

1.3.2 Môi trường làm việc ẩm ướt: 11

1.3.3 Sử dụng cổng mạch số họ TTL hay CMOS: 12

1.3.4 Đảm bảo toàn vẹn dữ liệu trên đường truyền: 14

1.3.5 Quản lý hệ thống và thông tin bài bắn: 15

iv

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

CHƯƠNG 2 2.1 MẠCH CHỐT FLIP – FLOP: 17

2.1.1 Tổng quan về mạch chốt Flip Flop: 17

2.1.2 Các loại Flip Flop: 17

2.1.3 Flip Flop khi có thêm ngõ vào trực tiếp: 20

2.2 MẠCH TRIGGER SCHMITT: 21

2.3 GIAO THỨC RS232: 22

2.3.1 Giới thiệu chung 22

2.3.2 Đặc tính điện học 23

2.3.3 Đặc tính cơ học 24

2.3.4 Chế độ làm việc 25

2.3.5 Truyền thông giữa hai nút: 26

2.4 GIAO THỨC I2C: 27

2.4.1 Giới thiệu về chuẩn giao tiếp I2C: 27

2.4.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp I2C: 27

2.4.3 Các quy định giao tiếp trong chuẩn I2C: 28

2.4.4 Hoạt động của giao thức I2C: 30

PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 34

CHƯƠNG 3 3.1 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU: 34

3.2 PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG CỦA BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU VỚI CÁC TÁC ĐỘNG ĐẦU VÀO: 44

PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MẠNG TRUYỀN THÔNG: 46

CHƯƠNG 4 4.1 CHỌN THIẾT BỊ TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU KHÔNG DÂY: 46

4.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HỆ THỐNG: 47

4.3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM: 48

4.3.1 Yêu cầu đặt ra: 48

4.3.2 Phân tích và thiết kế bộ điều khiển trung tâm: 48

4.4 PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CỦA HỆ THỐNG: 50

4.4.1 Tổng quan về hệ thống bia bắn: 50

4.4.2 Cơ chế truyền dữ liệu: 53

v

4.4.3 Khung truyền dữ liệu: 55

PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ CHƯƠNG 5 TRUNG TÂM… 57

5.1 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 57

5.2 PHÂN TÍCH GIẢI PHÁP THIẾT KẾ: 58

5.3 TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ: 59

5.3.1 Các khối chức năng cơ bản: 59

5.3.2 Thiết kế giao diện tùy chọn hệ thống: 60

5.3.3 Thiết kế giao diện điều khiển, giám sát: 62

5.3.4 Chương trình thi đấu và chương trình luyện tập: 63

HOÀN THIỆN SẢN PHẨM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 65

CHƯƠNG 6 6.1 HOÀN THIỆN SẢN PHẨM: 65

6.1.1 Bộ xử lý bia bắn: 65

6.1.2 Bộ xử lý trung tâm: 66

6.1.3 Chương trình quản lý trung tâm: 67

6.1.4 Kết nối hệ thống: 68

6.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: 69

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

vii

viii

1

MỞ ĐẦU

Trong quá trình trao đổi công việc, tôi đã được một số quân nhân đang làm việc tại cục kỹ thuật quân khu V, đề xuất ý tưởng về việc chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng Từ tư vấn của những quân nhân này cùng với quá trình tự tìm hiểu, tôi nhận thấy đây là một đề tài rất thiết thực, có tính cấp thiết cao, góp phần rút ngắn thời gian, nâng cao tính khách quan trong kết quả của công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật được tổ chức thường xuyên trong quân đội nhân dân Việt Nam

Ngoài ra, do đặc thù về điều kiện và môi trường làm việc hết sức khắc khe của hệ thống bia bắn khi áp dụng vào thực tế như phải phát hiện tác động rất nhanh của đầu đạn vào bia bắn, hay phải tăng khả năng kháng ẩm để hệ thống có thể làm việc chính xác, ổn định trong môi trường nhiều sương và mồ hôi,… nên đề tài đã đặt ra khá nhiều bài toán kỹ thuật cần được nghiên cứu xử lý

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế và những yêu cầu kỹ thuật đặt ra, tôi đã quyết định chọn đề tài: “Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng” để tiến hành nghiên cứu

Chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng

Trong đó:

 Bộ xử lý tín hiệu: vừa đảm bảo khả năng phát hiện tác động rất nhanh của đầu đạn vào bia bắn, vừa tăng khả năng kháng ẩm để hệ thống có thể hoạt động chính xác, ổn định trong môi trường có độ ẩm cao

 Mạng truyền thông: sử dụng kết hợp giữa các giao thức có dây và không dây

để nâng cao khả năng linh động và mở rộng của hệ thống bia bắn tự động

 Giao diện điều khiển, quản lý và lưu trữ dữ liệu bài bắn trên máy tính: đảm bảo khả năng kiểm soát toàn bộ hệ thống tại một điểm tập trung duy nhất

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống bia bắn tính điểm tự động

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng, dùng trong công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật của quân đội nhân dân Việt Nam

2

Để thực hiện công tác nghiên cứu, chế tạo hệ thống bia bắn tự động tính điểm, tôi chia toàn bộ công việc thành bốn khối công việc nhỏ hơn, có nội dung thực hiện tương đối độc lập, sau đó áp dụng các phương pháp xử lý phù hợp để giải quyết từng khối công việc đó

Cụ thể các khối công việc và phương pháp thực hiện nghiên cứu tương ứng của tôi được thể hiện như sau:

TT Khối công việc Phương pháp nghiên cứu

1 Xử lý tín hiệu tác

động

Phân tích đặc tính vật lý của tín hiệu

Mô phỏng và đánh giá phương pháp xử lý

Kiểm chứng, hiệu chỉnh và hoàn thiện phương pháp xử lý

2 Xây dựng mạng

truyền thông

Phân tích và xây dựng cấu trúc mạng truyền thông

Mô phỏng và đánh giá cấu trúc mạng áp dụng

Kiểm chứng, hiệu chỉnh và hoàn thiện cấu trúc mạng

3 Xây dựng chương

trình quản lý, điều

khiển và lưu trữ

dữ liệu

Phân tích dữ liệu tương tác giữa chương trình

và thiết bị điện tử trong hệ thống

Xây dựng, kiểm thử và hoàn chỉnh chương trình quản lý, điều khiển

4 Hoàn thiện và

kiểm tra hệ thống

Kiểm tra và hiệu chỉnh bằng thực nghiệm

5.1 Ý nghĩa khoa học:

- Bằng việc xây dựng bộ phát hiện tín hiệu tác động chỉ bằng hai dạng mạch số

cơ bản (mạch NAND và mạch chốt FLIP FLOP) với giá thành cực kỳ rẻ, nhưng vẫn đảm bảo khả năng bắt và chốt tín hiệu tác động rất nhanh từ đầu đạn vào bia, đề tài đã mang đến một hướng tiếp cận mới, có tính hiệu quả cao trong việc xử lý tín hiệu có thời gian tác động ngắn

- Bằng việc áp dụng mạch Trigger Schmitt (được tích hợp sẵn trong các mạch

số cơ bản) để thực hiện chức năng kháng ẩm cho hệ thống bia bắn tự động tính điểm, đề tài cũng đã có hướng khai thác mới về chức năng của mạch Trigger Schmitt trong việc xử lý tín hiệu

3

5.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Hệ thống bia bắn tính điểm tự động áp dụng cho súng quân dụng góp phần rút ngắn thời gian, nâng cao tính khách quan trong kết quả của công tác thi đua và huấn luyện bắn đạn thật được tổ chức thường xuyên trong quân đội nhân dân Việt Nam

MỞ ĐẦU

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phân tích và xây dựng hệ thống điện tử

Chương 4: Phân tích và xây dựng mạng truyền thông

Chương 5: Phân tích và xây dựng chương trình quản lý trung tâm

Chương 6: Hoàn thiện sản phẩm và kết quả thực nghiệm

KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

1.1.1 Vai trò của công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng:

Trong công cuộc xây dựng quân đội nhân dân Việt Nam chính quy, tinh nhuệ, từng bước hiện đại thì việc nâng cao chất lượng huấn luyện người lính là nhiệm vụ hết sức cấp thiết và luôn được ưu tiên hàng đầu Trong đó, hoạt động huấn luyện bắn súng quân dụng là nội dụng mà mọi người lính đều phải khổ luyện trong suốt thời gian quân ngũ, đồng thời kỹ năng bắn súng quân dụng cũng là yếu tố cơ bản để đánh giá năng lực người lính

Hình 1.1: Hoạt động thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng

Chính vì lý do này mà ngày nay công tác thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng với nhiều mức độ quy mô khác nhau, thường xuyên được tổ chức ở tất cả các bộ phận của quân đội nhân dân Việt Nam

1.1.2 Tình hình nghiên cứu các sản phẩm liên quan:

Xuất phát từ nhu cầu nêu trên mà các hoạt động cải tiến, sáng tạo công cụ máy móc hỗ trợ cho nội dung thi đua, huấn luyện bắn súng quân dụng luôn nhận được sự quan tâm đầu tư rất lớn từ các cục kỹ thuật quân sự Và trong số các nhóm sản phẩm

hỗ trợ bắn súng quân dụng thì nhóm sản phẩm bia bắn tính điểm tự động luôn nhận được rất nhiều sự đầu tư phát triển

5 Một số sản phẩm bia bắn tính điểm tự động đã được các đơn vị kỹ thuật quân sự chế tạo có thể kể đến như sau:

Hình 1.2: Bia bắn tại Đoàn B12 – Binh đoàn quyết thắng

Hình 1.3: Bia bắn tại Phòng Kỹ thuật Lữ đoàn Pháo binh 368

Hình 1.4: Bia bắn tại Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự

6

Hình 1.5: Bia bắn tại Tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel

Trên đây là những mô hình nghiên cứu, những sản phẩm tiêu biểu, ngoài

ra còn có rất nhiều những đề tài nghiên cứu, những mô hình hệ thống bia bắn báo điểm tự động khác Qua đó, ta có thể thấy nhu cầu, phạm vi ứng ứng dụng cũng như tiềm năng phát triển của hệ thống bia bắn báo điểm tự động trong thực

tế là rất lớn

1.2 ĐỊNH HƯỚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG:

Để xây dựng hệ thống bia bắn tính điểm tự động, trước tiên tôi xác định hướng giải quyết cho các nội dung cơ bản sau:

 Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn vào bia

 Phương pháp thu nhận, tổng hợp và thông báo kết quả từ nhiều bia khác nhau đến một thiết bị duy nhất

1.2.1 Phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn:

Để hệ thống bia bắn tính điểm tự động đảm tính gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển, dễ dàng lắp đặt, giá thành rẻ nhưng không mất đi tính hiệu quả, độ tin cậy,… tôi đã phân tích, đánh giá nhiều phương pháp và cuối cùng chọn phương pháp sau đây để phát hiện tác động của đầu đạn vào bia

7

Hình 1.6: Hình minh họa phương pháp phát hiện tác động của đầu đạn

Ý tưởng của phương pháp này rất đơn giản, trên bia bắn tôi đặt hai tấm kim loại được phân cách bởi vật liệu cách điện, hai tấm kim loại này sẽ được nối với mạch xử

lý Ban đầu, khi chưa có tác động, hai tấm kim loại này hoàn toàn độc lập nên sẽ không có phản ứng gì từ mạch xử lý Khi đầu đạn bắn trúng bia, như hình minh họa ta thấy, lúc này do viên đạn cũng được làm bằng kim loại nên nó sẽ là cầu nối hai tấm kim loại lại với nhau rõ ràng lúc này, mạch xử lý sẽ phát hiện và báo trạng thái đạn trúng bia

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, dễ thi công, giá thành rẻ nhưng nó cũng có những nhược điểm như khoảng thời gian đạn bay xuyên qua hai tấm kim loại quá nhanh (làm cho mạch xử lý không kịp phát hiện), dễ bị nhiễu nếu làm việc trong môi trường ẩm ướt (vì bề mặt tiếp xúc lớn nên tính cách điện giữa hai tấm kim loại sẽ

bị giảm mạnh) Do đó, sẽ cần những phương pháp đặc biệt để khắc phục những nhược điểm này, tôi sẽ trình bày cụ thể hơn ở các mục sau

1.2.2 Phương pháp truyền và thông báo kết quả:

Do đặc trưng làm việc của hệ thống bia bắn tự động là có thể có nhiều bia được bắn cùng lúc và địa điểm quan sát kết quả luôn được đặt khá xa so với bia bắn, hơn nữa hệ thống thông báo kết quả phải cùng lúc thể hiện được tất cả các thông tin kết quả từ nhiều bia bắn khác nhau lên một thiết bị hiển thị duy nhất Do đó, tất yếu ta cần phải xây dựng một mạng truyền thông để thu thập, tổng hợp và truyền tải các thông tin này đến người quan sát trên một thiết bị duy nhất

8

Hình 1.7: Hình minh họa mạng truyền thông sẽ xây dựng

Ý tưởng xây dựng mạng truyền thông cho hệ thống được trình bày như sau: Các bia bắn sẽ được đặt phân tán tùy theo yêu cầu của bài bắn, dữ liệu từ các bia bắn này sẽ được xử lý, gắn địa chỉ tương ứng rồi gửi về thiết bị trung tâm thông qua bộ phát tín hiệu không dây Thiết bị trung tâm này có nhiệm vụ thu nhận tất cả các dữ liệu, phân tích địa chỉ, xác nhận tính hiệu, tổng hợp dữ liệu và truyền lên thiết bị quan sát, lưu trữ,…

Ý tưởng xây dựng mạng truyền thông nêu trên là những đề xuất cơ bản để xác định phương pháp xử lý, hiển thị cũng như lưu trữ dữ liệu Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn cần giải quyết để đảm bảo tính toàn vẹn và chính xác của dữ liệu truyền về, tôi sẽ trình bày cụ thể hơn ở các mục sau

1.3 ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ CÁC HƯỚNG GIẢI QUYẾT:

1.3.1 Bắt và đảm bảo không mất mát tín hiệu:

Đặt vấn đề:

Để đánh giá khả năng bắt tín hiệu của mạch xử lý khi đầu đạn bay xuyên qua bia bắn, đầu tiên ta cần xác định khoảng thời gian tác động của đạn vào bia bằng cách xây dựng bài toán như sau:

Giả sử ta có:

 Bia bắn dày 0.5cm (khoảng cách hai tấm kim loại bằng 0.5cm)

 Đầu đạn dài 1cm

 Đầu đạn bay với tốc độ 710m/s

 Điều kiện cách điện giữa hai tấm kim loại là lý tưởng

9

Hình 1.8: Minh họa bài toán xác định thời gian tác động của đạn

Như hình minh họa dễ dàng ta thấy, quãng đường mà đầu đạn làm cho hai tấm kim loại được nối với nhau là 0.5cm = 0.005m Lúc này ta hoàn toàn có thể tính được khoảng thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn như sau:

Đây là một khoảng thời gian rất ngắn do đó ta cần phải có những biện pháp bắt tín hiệu một cách nhanh chóng để đảm bảo tính chính xác của hệ thống

Hướng giải quyết:

 Hướng giải quyết đầu tiên mà ta có thể nghĩ ngay tới đó là chọn một dòng chip xử lý tốc độ tương đối cao để đảm bảo thời gian chuyển mạch lớn hơn nhiều so với khoảng thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn, cùng với kết hợp sử dụng ngắt để tránh mất mát tín hiệu Đây thực sự là hướng giải quyết rất tốt vì giá thành của một chip xử lý có tần số hoạt động khoảng 100MHz (thời gian chuyển mạch là 0.01us, nhanh hơn gấp 1400 lần thời gian tác động của đạn vào bia) là khá rẻ và phổ thông Tuy nhiên, hướng giải quyết này cũng có một khuyết điểm rất lớn đó là, nếu làm việc trong điều kiện không hoàn toàn khô ráo thì do bề mặt tiếp xúc của hai tấm kim loại khá lớn, kết hợp với đặc tính dễ mất ổn định trong điều kiện ẩm ướt của chip xử lý sẽ dẫn đến tình trạng mất ổn định của hệ thống gây mất mát dữ liệu

 Hướng giải quyết tiếp theo mà tôi đề xuất đó là sử dụng IC số vì các dòng IC

số họ 74HC hiện nay có giá thành rất rẻ mà tốc độ chuyển mạch lại rất nhanh chỉ vào khoảng 10ns (nghĩa là nhanh hơn 1400 lần so với thời gian tác động của đầu đạn vào bia bắn) Ta thấy rằng, IC số họ 74HC và chip xử lý 100Mhz

có tần số chuyển mạch ngang nhau, nhưng trên thực tế thì IC số họ 74HC sẽ hiệu quả hơn nhiều so với chip xử lý 100Mhz trong việc bắt tín hiệu, bởi vì IC

10

số sẽ dùng trọn vẹn tốc độ của nó cho việc bắt tín hiệu, còn chip xử lý sẽ phải chia một phần tốc độ của nó cho các đoạn chương trình khác do đó hiệu quả bắt tín hiệu sẽ không thể bằng IC số (xét cùng tần số chuyển mạch)

Nhưng IC số lại có một nhược điểm rất lớn so với chip xử lý đó là tuy nó có thể bắt tín hiệu rất nhanh nhưng lại không có khả năng xử lý tín hiệu, do đó ta cần phải dùng thêm một chip xử lý để làm việc với tín hiệu mà IC số bắt được Hơn nữa, do trong điều kiện làm việc bình thường, sau khi mất tác động đầu vào thì IC số cũng đồng thời mất tín hiệu đầu ra, điều này lại dẫn đến hệ quả là chip xử lý lại cần phải có tốc độ xử lý nhanh để xử lý tín hiệu bắt được từ IC số, đây rõ ràng là điều mà ta không hề mong muốn

Tuy nhiên, ta hoàn toàn có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách ứng dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop Ý tưởng áp dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop vào đề tài được thể hiện tổng quát bằng sơ đồ sau:

Hình 1.9: Ý tưởng áp dụng mạch chốt dữ liệu Flip Flop vào đề tài

Dựa vào sơ đồ trên ta có thể thấy, tín hiệu sau khi được bắt bằng khối IC số đầu vào sẽ được đưa đến khối chốt dữ liệu, tại đây trạng thái tác động bắt được sẽ được giữ nguyên cho đến khi nhận được tín hiệu xóa từ chip xử lý Rõ ràng, lúc này do trạng thái tác động của đầu đạn vào bia đã được giữ trong khối chốt dữ liệu nên ta hoàn toàn không cần dùng đến chip xử lý tốc độ cao, mà thay vào đó ta chỉ cần sử dụng chip xử

lý thông thường đề đảm nhận nhiệm vụ đọc thông tin từ khối chốt dữ liệu và truyền về thiết bị trung tâm

Ưu điểm rất lớn của phương pháp này là tận dụng được tốc độ chuyển mạch nhanh của IC số để bắt tín hiệu khi đầu đạn đi xuyên qua bia bắn, đồng thời ứng dụng được mạch chốt Flip Flop để đảm bảo tín hiệu bắt được sẽ không bị mất mát Hơn nữa,

sẽ gây ra trạng thái bất ổn định của hệ thống, đây rõ ràng là điều mà ta hoàn toàn không mong muốn

Mặc dù so với chip xử lý thì do có cấu trúc đơn giản hơn nhiều nên IC số sẽ ít bị mất ổn định khi làm việc trong môi trường ẩm ướt, tuy nhiên nếu không có biện pháp

xử lý phù hợp thì ta cũng không thể đảm bảo được trạng thái làm việc ổn định của hệ thống trong môi trường như vậy Do đó, ta cần phải có hướng giải quyết phù hợp để đảm bảo tính ổn định của hệ thống khi làm việc trong môi trường ẩm ướt

Hướng giải quyết:

Để xử lý vấn đề này tôi tiếp tục tận dụng thêm một đặc tính quan trọng khác mà các IC số mang lại đó là mạch Trigger Schmitt tích hợp Cụ thể tôi ứng dụng tính chất ngưỡng tác động của mạch Trigger Schmitt để đảm bảo hệ thống vẫn làm việc ổn định, chính xác ngay trong điều kiện bia bắn bị ngâm hoàn toàn trong nước

Hình 1.10 minh họa vai trò của mạch Trigger Schmitt trong việc xử lý tác động gây ra bởi môi trường ẩm ướt đến hệ thống

Hình 1.10: Vai trò của mạch Trigger Schmitt ứng dụng trong đề tài

12 Như hình trên ta thấy, mặc dù nước là môi trường dẫn điện tốt, tuy nhiên khả năng dẫn điện của nước vẫn kém hơn nhiều so với kim loại, chính điều này sẽ làm cho ngưỡng điện áp gây ra khi bia bắn bị cho vào nước sẽ luôn thấp hơn so với khi được nối với nhau bằng kim loại (đầu đạn)

Kết hợp đặc tính này với tính chất ngưỡng tác động của mạch Trigger Schmitt một cách hợp lý ta sẽ loại bỏ được những tác động của môi trường ẩm ướt lên hệ thống nhằm đảm bảo hệ thống sẽ luôn duy trì được trạng thái làm việc ổn định, chính xác ngay cả khi phải làm việc trong môi trường ẩm ướt

Theo công nghệ chế tạo, mạch TTL và CMOS được phân loại như sau:

TTL loạt thường 74XX :

Loại này được ra đời sớm nhất ngay từ năm 1964, là sản phẩm của tập đoàn Texas Instruments Ngày nay vẫn còn dùng Loại này dung hoà giữa tốc độ chuyển mạch và mất mát năng lượng (công suất tiêu tán) Một số kí hiệu cho cổng logic loại này như 7400 là IC chứa 4 cổng nand 2 ngõ vào, 7404 là 6 cổng đảo,… Cần để ý là mạch số thường quy định mã số chung đầu là 74, 2 số sau chỉ chức năng logic

TTL công suất thấp 74LXX và TTL công suất cao 74HXX

Loại 74LXX có công suất tiêu tán giảm đi 10 lần so với loại thường nhưng tốc độ chuyển mạch cũng giảm đi 10 lần Còn loại 74HXX thì tốc độ gấp đôi loại thường nhưng công suất cũng gấp đôi Hai loại này ngày nay không còn được dùng nữa, công nghệ schottky và công nghệ CMOS đã thay thế chúng

TTL schottky 74SXX và 74LSXX

Hai loại này sử dụng công nghệ schottlky nhằm tăng tốc độ chuyển mạch Với loại 74LSXX, điện trở phân cực được giảm xuống đáng kể so với loại 74SXX nhằm giảm công suất tiêu tán 74LSXX được coi là chủ lực của họ TTL trong những năm

1980 và ngày nay mặc dù không còn là loại tốt nhưng nó vẫn là loại phổ biến

TTL shorttky tiên tiến 74ASXX và 74ALSXX

Hai loại này được phát triển từ 74SXX và 74LSXX nhưng có thêm nhiều sửa đổi mới trong mạch do đó có nhiều đặc điểm nổi bật hơn hẳn các loại trước

13

 Dao động trên đường dẫn tốt hơn

 Chống nhiễu và ổn định cao hơn

 Dòng ngõ vào giảm đi một nửa

 Sức thúc tải gấp đôi

 Tần số hoạt động tăng lên trong khi công suất tiêu tán lại giảm xuống

Điểm mạnh của nó thì có nhiều nhưng giá thành còn khá cao, nên chúng dùng chưa rộng rãi bằng 74LSXX, thường được dùng trong máy vi tính hay các ứng dụng đòi hỏi tần số cao

TTL nhanh 74FXX

Đây là loại TTL mới nhất sử dụng kĩ thuật làm mạch tích hợp kiểu mới nhằm giảm bớt điện dung giữa các linh kiện nhằm rút ngắn thời gian trễ do truyền, tức tăng tốc độ chuyển mạch Loại này do hãng Motorola sản xuất và thường được dùng trong máy vi tính nơi cần tốc độ rất rất nhanh

CMOS cũ họ 4000, 4500

Đặc điểm chung của loạt này là :

 Điện áp nguồn cung cấp từ 3V đến 18V mà thường nhất là từ 5 đến 15 V

 Chúng có công suất tiêu hao nhỏ

 Tuy nhiên về tốc độ thì tỏ ra khá chậm chạp và dòng cũng nhỏ hơn nhiều so với các loại TTL và CMOS khác Chính vì vậy chúng không được sử dụng rộng rãi ở các thiết kế hiện đại

Loại 74CXX

Đây là loại CMOS được sản xuất ra để tương thích với các loại TTL về nhiều mặt như chức năng, chân ra nhưng khoảng nguồn nuôi thì rộng hơn Các đặc tính của loại này tốt hơn loại CMOS trước đó một chút tuy nhiên nó lại ít được sử dụng do đã

có nhiều loại CMOS sau đó thay thế loại CMOS tốc độ cao 74HCXX và 74HCTXX Đây là 2 loại CMOS được phát triển từ 74CXX

74HCXX có dòng ra lớn tốc độ nhanh hơn hẳn 74CXX, tốc độ của nó tương đương với loại 74LSXX, nhưng công suất tiêu tán thì thấp hơn Nguồn cho nó là từ 2 đến 6 V

Còn 74HCTXX chính là 74HCXX nhưng tương thích với TTL nhiều hơn như nguồn vào gần giống TTL : 4,5V đến 5,5V Do đó 74HCTXX có thể thay thế trực tiếp cho 74LSXX và giao tiếp với các loạt TTL rất bình thường

Ngày nay 74HC và 74HCT trở thành loại CMOS hay dùng nhất mà lại có thể thay thế trực tiếp cho loại TTL thông dụng

14

Loại CMOS tiên tiến 74AC, 74ACT

Loại này được chế tạo ra có nhiều cải tiến, nó hơn hẳn các loại trước đó nhưng việc sử dụng còn hạn chế bởi lý do giá thành còn cao

Loại CMOS tốc độ cao tiên tiến 74AHC, 74AHCT

Đây là sản phẩm mới đã có những cải tiến từ loại 74HC và 74HCT, chúng tận dụng được cả 2 ưu điểm lớn nhất của TTL là tốc độ cao và của CMOS là tiêu tán thấp

do đó có thể thay thế trực tiếp cho 74HC và 74HCT

Bảng sau cho phép so sánh công suất tiêu tán và trì hoãn truyền của các loại TTL

và CMOS ở nguồn cấp điện 5V

Qua những phân loại, đánh giá nêu trên về hai loại mạch TTL và CMOS, ta thấy mạch số chế tạo theo công nghệ CMOS họ HC có nhiều ưu điểm nổi bật khi áp dụng trong thực tế như:

 Phổ biến, giá thành rẻ

 Tương thích với các loại mạch TTL

 Tốc độ chuyển mạch cao nhưng công suất tiêu tán lại thấp

Do đó, em quyết định chọn sử dụng các mạch số CMOS họ 74HC cho việc chế tạo hệ thống bia bắn tính điểm tự động

1.3.4 Đảm bảo toàn vẹn dữ liệu trên đường truyền:

Đặt vấn đề:

Các vấn đề và hướng giải quyết nêu trên cơ bản đã cho ta các phương pháp để xử

lý tín hiệu tác động từ đầu đạn vào bia bắn, cũng như để hệ thống có thể hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao Đến đây, cơ bản ta đã xác định được giải pháp xử lý vấn đề trong các bộ xử lý bia bắn độc lập Tuy nhiên trong thực tế, một đợt bắn tiêu chuẩn sẽ gồm năm người tham gia bắn cùng lúc, điều này sẽ dẫn đến một

15 vấn đề là có thể trong một lúc, dữ liệu từ năm bộ xử lý bia bắn sẽ đồng thời gửi về bộ

xử lý trung tâm, mà trong một thời điểm, bộ xử lý trung tâm chỉ có thể tiếp nhận được một dữ liệu truyền về, trong trường hợp này đòi hỏi phải có giải pháp phù hợp để tránh mất mát dữ liệu

Do đó, để hoàn thiện hệ thống thì tính toàn vẹn dữ liệu trong mạng truyền thông giữa các bộ xử lý bia bắn với bộ xử lý trung tâm là yếu tố không thể bỏ qua

Hướng giải quyết:

Để xử lý vấn đề này, cơ bản tôi kết hợp sử dụng hai giải pháp sau:

 Tạo khung truyền dữ liệu: để đảm bảo không trùng lặp dữ liệu trong mạng truyền thông, cũng như để đánh giá được khả năng mở rộng của hệ thống khi

có nhu cầu

 Truyền dữ liệu theo cơ chế truyền và xác nhận: mục đích của cơ chế này là để tránh khả năng mất mát dữ liệu khi bộ xử lý trung tâm nhận đồng thời nhiều

dữ liệu cùng lúc và không kịp xử lý tất cả chúng

Chi tiết về khung và cơ chế truyền nhận dữ liệu tôi sẽ trình bày chi tiết ở chương

4 của luận văn

1.3.5 Quản lý hệ thống và thông tin bài bắn:

Đặt vấn đề:

Qua những giải pháp nêu trên, cơ bản ta đã định hướng được phương án xây dựng hệ thống bia bắn tính điểm tự động, có khả năng đảm bảo phát hiện chính xác tác động của đầu đạn vào bia bắn, kể cả khi hệ thống phải làm việc trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao Đồng thời, đã có phương án xây dựng mạng truyền thông có thể đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu giữa các bộ xử lý bia bắn với bộ điều khiển trung tâm Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn những hạn chế sau đây:

 Về khả năng tùy chỉnh chức năng xử lý của hệ thống:

Các trường bắn, bãi bắn đa phần vừa là nơi để tổ chức thi đua, kiểm tra năng lực bắn súng nhưng cũng vừa là nơi để các quân nhân thử súng hay tập luyện Nên ta phải thiết kế hệ thống sao cho có thể linh hoạt chuyển đổi chức năng sử dụng Khi cần thi đấu, kiểm tra thì hệ thống phải đáp ứng được những yêu cầu khắc khe về thời gian, về tuần tự hoạt động, cũng như phải lưu trữ chính xác thông tin từ các bia bắn theo yêu cầu bài thi Nhưng khi cần thử súng hay tập luyện, thì người điều khiển cũng có thể dễ dàng tùy biến các chức năng để hệ thống có thể đáp ứng được các nhu cầu của buổi thử súng hay luyện tập

 Về mặt hiển thị và lưu trữ thông tin bài bắn:

Mặc dù trong một lượt thi đấu, huấn luyện tiêu chuẩn, sẽ có năm quân nhân tham gia bắn cùng lúc Tuy nhiên có những trường hợp đặc biệt, người ta chỉ quan tâm đến

16 kết quả của một quân nhân nào đó, lúc này nếu giao diện điều khiển, giám sát vẫn hiển thị và lưu trữ thông tin của cả năm quân nhân thì sẽ gây ra những bất tiện không đáng

có cho người chỉ huy trong việc giám sát, đánh giá hay phân tích kết quả sau buổi bắn

Do đó, ta cần thiết kế để đảm bảo giao diện điều khiển, giám sát phải có khả năng tùy biến theo yêu cầu của người sử dụng

Hướng giải quyết:

Để giải quyết vấn đề về tùy chỉnh chức năng xử lý của hệ thống: tôi phân định chức năng của bộ xử lý trung tâm và bộ xử lý bia bắn theo những hướng tách biệt nhau Trong đó, bộ xử lý bia bắn đảm nhận nhiệm vụ phát hiện tác động của đầu đạn vào bia bắn, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định trong điều kiện môi trường có độ ẩm cao, và truyền thông tin tác động từ đầu đạn về bộ xử lý trung tâm thông qua mạng truyền thông Bộ xử lý trung tâm kết hợp với máy tính sẽ đóng vai trò điều phối hoạt động của hệ thống, thu nhận và xử lý dữ liệu của các bộ xử lý bia bắn

Chính việc tách biệt, không phụ thuộc nhau về chức năng, đồng thời tập trung mọi chức năng điều phối hệ thống về bộ xử lý trung tâm và máy tính, nên mỗi khi người dùng thay đổi chức năng xử lý từ giao diện điều khiển, giám sát thì cũng dễ dàng trong việc thiết lập chức năng của hệ thống để phù hợp với yêu cầu sử dụng trong từng nhiệm vụ cụ thể

Để giải quyết vấn đề hiển thị và lưu trữ thông tin bài bắn: để người dùng có thể

dễ dàng tùy biến giữa các chế độ bắn tiêu chuẩn và bắn cá nhân, tôi xây dựng chương trình điều khiển, giám sát với sáu phần tách biệt nhau về giao diện nhưng đồng bộ về mặt thông tin Trong đó, một phần dành cho chế độ bắn tiêu chuẩn, lúc này thông tin bài bắn của cả năm quân nhân sẽ được hiển thị và lưu trữ Còn với chế độ bắn cá nhân thì chỉ những thông tin của quân nhân đã chọn mới được hiển thị và lưu trữ Tuy độc lập nhau về chế độ hiển thị, nhưng toàn bộ thông tin của sáu phần giao diện này vẫn được đồng bộ với nhau, mục đích là để khi người dùng chuyển đổi từ chế độ bắn tiêu chuẩn sang bắn cá nhân và ngược lại, thì thông tin hiển thị vẫn đồng nhất với nhau

Trên đây là những tổng quan, cũng như những vấn đề đặt ra và những giải pháp

đề xuất để tiến hành thiết kế hệ thống Sau khi đã tìm hiểu, phân tích và đánh giá sơ bộ

về hệ thống, ta sẽ tiếp tục tìm hiểu những cơ sở lý thuyết liên quan để kiểm chứng, chỉnh sửa và cụ thể hóa các giải pháp đề ra trước khi tiến hành thiết kế hệ thống

17

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 MẠCH CHỐT FLIP – FLOP:

Flip Flop là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch

và xuất dữ liệu ra khi cần

Có nhiều loại Flip Flop khác nhau, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Các mạch Flip Flop thường được kí hiệu như sau:

Hình 2.1: Ký hiệu Flip Flop

Nếu các ngõ vào sẽ quyết định ngõ ra là gì thì ngõ đồng hồ (Ck) lại chỉ ra rằng khi nào mới có sự thay đổi đó Chân Ck có thể tác động mức thấp hay mức cao tuỳ vào cấu trúc bên trong của từng IC Flip Flop, do đó với một IC Flip Flop cố định thì chỉ có một kiểu tác động, ví dụ với IC 74112 chỉ có một cách tác động là xung Ck tác động theo cạnh xuống

Flip Flop SR:

Hình 2.2: Dạng sóng minh hoạ cho Flip Flop RS.

18

Flip Flop JK:

Flip Flop JK bổ sung trạng thái cho Flip Flop RS (tránh trạng thái cấm)

Hình 2.3: Dạng sóng minh hoạ cho Flip Flop JK.

Ta thấy đầu vào J, K điều khiển trạng thái ngõ ra theo đúng như cách mà SR đã làm trừ một điểm là khi J = K = 1 thì trạng thái cấm được chuyển thành trạng thái ngược lại ( với J = K = 0 ) Nó còn gọi là chế độ lật của hoạt động

Từ dạng sóng có thể thấy rằng ngõ ra FF không bị ảnh hưởng bởi sườn xuống của xung Ck, các đầu vào JK cũng không có tác động trừ khi xảy ra tác động lên của Ck.Flip Flop JK có thể tạo thành từ Flip Flop SR như hình sau:

Hình 2.4: Flip Flop JK tạo thành từ Flip Flop SR

Cấu tạo bên trong của Flip Flop JK kích bằng cạnh sườn sẽ như sau :

Hình 2.5: Cấu trúc mạch của Flip Flop JK

19

Flip Flop T:

Khi nối chung 2 ngõ vào JK như hình dưới thì sẽ được Flip Flop T

Ta chỉ có một ngõ vào T, ngõ ra sẽ bị lật lại trạng thái ban đầu khi ngõ T tác động

và mỗi khi có cạnh sườn lên hay xuống của xung Ck

Kí hiệu khối và bảng trạng thái của FF T như sau :

=>

Hình 2.6: Kí hiệu khối của Flip Flop T.

Hình 2.7: Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Flip Flop T.

Flip Flop T được sử dụng chính để tạo mạch đếm chia 2 Khi T nối lên mức cao

thái mỗi lần ck xuống hay lên Tần số xung ngõ ra Q chỉ còn bằng một nửa tần số ngõ vào Ck nếu đưa Q này tới các tầng Flip Flop sau nữa thì lần lượt tần số sẽ lại được chia đôi

Hình 2.8: Flip Flop T dùng làm mạch chia tần

20

Flip Flop D:

Khi nối ngõ vào của Flip Flop RS hay JK như hình thì sẽ được Flip Flop D

=>

Hình 2.9: Kí hiệu khối của Flip Flop D

Ta chỉ có một ngõ vào gọi là ngõ vào dữ liệu hay trì hoãn Hoạt động của Flip Flop D rất đơn giản, ngõ ra sẽ theo ngõ vào mỗi khi xung Ck tác động cạnh lên hay xuống

Hình 2.10: Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Flip Flop D.

Flip Flop D thường là nơi để chuyển dữ liệu từ ngõ vào D đến ngõ ra Q cung cấp cho mạch sau như mạch cộng, ghi dịch … hơn nữa do ngõ vào D phải chờ một khoảng thời gian khi xung Ck kích thì mới đưa ra ngõ ra Q, do đó Flip Flop D còn được xem như mạch trì hoãn (delay)

Hình 2.11: Kí hiệu Flip Flop SR có thêm ngõ Pr và Cl

21

Ta thấy các Flip Flop đã xét ở các mục trên khi cấp điện sẽ có thể xác định ngay trạng thái của ngõ ra vì nó còn tuỳ thuộc vào cấu trúc của mạch và các yếu tố ngẫu nhiên khác Vì lí do này, hai ngõ vào mới được thêm vào để xác định chính xác trạng thái logic ngõ ra lúc cấp điện hay bất cứ lúc nào khác, nó hoàn toàn độc lập với trạng thái logic ở các ngõ vào đồng bộ J, K, R, S, D, T và kể cả xung đồng hồ Ck, tức là chúng giành quyền ưu tiên quyết định ngõ ra Chúng được gọi là ngõ vào trực tiếp (ngõ vào không đồng bộ) và đặt tên là Preset (Pr) có nghĩa là đặt trước và Clear (Cl) có nghĩa là xoá

Cần phải lưu ý rằng không được phép đặt chân Pr = Cl = 0 vì khi đó Q = Q' = 1 đây là trạng thái cấm

2.2 MẠCH TRIGGER SCHMITT:

Trigger Schmitt là mạch tích hợp để tạo ra mạch so sánh có trễ

Hình 2.12: Ký hiệu hai loại Trigger Schmitt

Hình 2.13 là sơ đồ nguyên lý mạch Trigger Schmitt được tạo thành từ mạch khuếch đại thuật toán

Hình 2.13: Trigger Schmitt được thiết lập bằng mạch so sánh

Hoạt động của mạch Trigger Schmitt cũng tương đối đơn giản, khi điện áp đầu vào lớn hơn ngưỡng trên thì ngõ ra là cao (nếu không đảo) hoặc thấp (nếu đảo) Ngõ ra

sẽ giữ nguyên mức nếu điện áp nằm giữa ngưỡng trên và ngưỡng dưới khi điện áp vào thấp hơn ngưỡng dưới thì ngõ ra sẽ thay đổi

22

Hình 2.14: Dạng sóng minh hoạ cho hoạt động của Trigger Schmitt

Hiện tại, mạch Trigger Schmitt được ứng dụng rất nhiều, nó có mặt gần như trong tất cả các ngõ vào tiếp nhận tín hiệu logic Nó loại trừ các nhiễu xâm nhập vào đường truyền Độ rộng dải ngưỡng so sánh được chọn tùy theo yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể và phụ thuộc vào nhịp làm việc (tức tần số cao nhất) và mức chống nhiễu Các phím bấm, công tắc, khi có tác động cơ học để chuyển trạng thái đóng cắt, thì thường xảy ra hiện tượng "nẩy" (bounce), gây nhiễu nối mạch, nhất là phần tử đã qua thời gian dài sử dụng Trigger Schmitt với dải ngưỡng đủ rộng sẽ loại trừ nhiễu nẩy, cho ra một chuyển đổi logic ứng với mỗi lần đóng cắt

2.3 GIAO THỨC RS232:

2.3.1 Giới thiệu chung

Chuẩn RS-232 ban đầu được xây dựng chủ yếu phục vụ trong việc ghép nối điểm

- điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính, giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment), ví dụ giữa máy tính và Modem

Chuẩn RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất và được phổ biến rộng rãi nhất Trên máy tính cá nhân, người ta gọi cổng RS-232 là cổng COM và được

sử dụng một cách thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị ngoại vi Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp Nghĩa là các bit dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn

23

2.3.2 Đặc tính điện học

RS-232 sử dựng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện

áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -25V tới 25V Khoảng từ 3V đến 25V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -25V đến -3V ứng với giá trị logic 1:

Hình 2.15: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232

Chính vì từ -3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua khoảng quá độ

đó trong một thời gian ngắn hợp lý Ví dụ, tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 qui định độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tùy theo giá trị nào nhỏ hơn Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600bps, 19200 bps,

38400 bps và 115200 bps

Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ Một số thông số điện học quan trọng của RS-232

Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa

24

Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232

2.3.3 Đặc tính cơ học

Chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB9, DB25 và

ALT-A, trong đó hai loại DB9, DB25 được sử dụng rộng rãi hơn Loại DB9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574

Hình 2.16 là sơ đồ giắc cắm loại DB9 cũng như chiều các tín hiệu ghép nối giữa một DTE và một DCE

Hình 2.16: Sơ đồ giắc cắm và chiều tín hiệu RS-232 loại DB-9

Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả như sau:

 RxD (Receive Data): Đường nhận dữ liệu

 TxD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu

 DTR (Data Terminal Ready): Chân DTR thường ở trạng thái ON khi thiết bị

đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ “tự trả lời” chấp nhận lời gọi không yêu cầu Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ)

25

 DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai modem chuyển mạch DSR sang

ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên

 DCD (Data Carrier Detect): Chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy

nhập đường truyền Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm soát đường truyền nếu cần thiết Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền

 RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu Khi

một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới modem xa

 CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo

rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa

 RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển

ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-

up

2.3.4 Chế độ làm việc

Chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn phần (full duplex), tức là

hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn – trong đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu

thu phát của hai trạm và một dây đất, như Hình 2.18a minh họa Với cấu hình tối thiểu

này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phần mềm

Hình 2.17: Một số ví dụ ghép nối với RS-232

26

Hình 2.18b minh họa một ví dụ ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế

độ bắt tay (Handsnake mode) không thông qua modem Qua việc sử dụng các dây dẫn

DTR và DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo Trong trường hợp này, các chân RTS và CTS được nối ngắn

2.3.5 Truyền thông giữa hai nút:

Các sơ đồ kết nối khi dùng cổng nối tiếp:

Hình 2.18: Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp

Khi thực hiện kết nối như trên, quá trình truyền dữ liệu phải đảm bảo 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 2.19: Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay

Khi DTE1 cần truyền dữ liệu thì cho DTR tích cực, dẫn đến tác động lên DSR của DTE2 cho biết sẵn sàng nhận dữ liệu và cho biết đã nhận được sóng mang của 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 này có

27 thể thực hiện bằng phần mềm hay phần cứng 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

2.4 GIAO THỨC I2C:

2.4.1 Giới thiệu về chuẩn giao tiếp I2C:

I2C là viết tắc của từ Inter Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lập và xây dựng thành chuẩn năm 1990 Phiên bản mới nhất của I2C là V3.0 phát hành năm 2007 Chuẩn giao tiếp I2C thường được dùng ở các chip nhớ, bộ chuyển đổi ADC, DCA, đồng hồ thời gian thực

I2C là một chuẩn truyền thông nối tiếp đa chip chủ (tạm dịch của cụm từ master serial computer bus) Khái niệm “multi-master” được hiểu là trong trên cùng một bus có thể có nhiều hơn một thiết bị làm master, đồng thời một slave có thể trở thành một master nếu nó có khả năng Ví dụ trong một mạng I2C của nhiều chip xử lý kết nối với nhau, bất kỳ một chip xử lý nào đều có thể trở thành master ở một thời điểm nào đó Tuy nhiên nếu một mạng dùng một chip xử lý điều khiển các chip nhớ, các cảm biến, chip thời gian thực,… thì khái niệm “multi-master” không tồn tại vì các chip nhớ, các cảm biến, chip thời gian thực,… được thiết kế sẵn là slave, không có khả năng trở thành master

multi-2.4.2 Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp I2C:

I2C được thực hiện trên 2 đường SDA (Serial DATA) và SCL (Serial Clock)

trong đó:

+ SDA là đường truyền/nhận dữ liệu

+ SCL là đường xung nhịp

Căn cứ theo chuẩn I2C, các đường SDA và SCL trên các thiết bị có cấu hình

“cực góp mở” (open-drain hoặc open-collector), nghĩa là cần có các “điện trở kéo lên” (pull-up resistor) cho các đường này Ở trạng thái nghỉ (Idle), 2 chân SDA và SCL ở mức cao Hình dưới mô tả một mô hình mạng TWI (I2C) cơ bản

28

Hình 2.20: Mạng TWI (I2C) cơ bản

Các khái niệm cơ bản của giao thức I2C được mô tả như sau:

 Master: là chip khởi động quá trình truyền nhận, phát đi địa chỉ của thiết bị

cần giao tiếp và tạo xung giữ nhịp trên đường SCL

 Slave: là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi master và phục vụ yêu cầu

từ master

 SDA- Serial Data: là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ

hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một Chú ý là trong chuẩn I2C, bit có trọng số lớn nhất (MSB) được truyền trước nhất, đặc điểm này ngược lại với chuẩn RS232

 SCL –Serial Clock: là đường giữ nhịp nối tiếp TWI (I2C) là chuần truyền

thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample) Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức cao (trừ START và STOP condition) Chân SDA có thể được đổi trạng thái khi SCL ở mức thấp

2.4.3 Các quy định giao tiếp trong chuẩn I2C:

 START Condition (Điều kiện bắt đầu):

Từ trạng thái nghỉ, khi cả SDA và SCL ở mức cao nếu Master muốn thực hiện một “cuộc gọi”, master sẽ kéo chân SDA xuống thấp trong khi SCL vẫn cao Trạng thái này gọi là START Condition (chúng ta gọi tắt là S)

29

 STOP Condition (Điều kiện kết thúc):

Sau khi thực hiện truyền/nhận dữ liệu, nếu master muốn kết thúc quá trình nó sẽ tạo ra một STOP condition STOP condition được master thực hiện bằng cách kéo chân SDA lên cao khi đường SCL đang ở mức cao STOP condition chỉ được tạo ra sau khi địa chỉ hoặc dữ liệu đã được truyền/nhận

 REPEAT START (Bắt đầu lặp lại):

Khoảng giữa START và STOP condition là khoảng bận của đường truyền, các master khác không tác động được vào đường truyền trong khoảng này Trường hợp sau khi kết thúc truyền/nhận mà master không gởi STOP condition lại gởi thêm một START condition gọi là REPEAT START Khả năng này thường được dùng khi master muốn lấy dữ liệu liên tiếp từ các slaves

 Address Packet Format (Định dạng gói địa chỉ):

Trên mạng I2C, tất cả các thiết bị (chip) đều có thể là master hay slave Mỗi thiết

bị có một địa chỉ cố định gọi là Device address Khi một master muốn giao tiếp với một slave nào đó, nó trước hết tạo ra một START condition và tiếp theo là gởi địa chỉ Device address của Slave cần giao tiếp trên đường truyền, vì thế xuất hiện khái niệm

“gói địa chỉ” (Address Packet) Gói địa chỉ trong I2C có định dạng 9 bits trong đó 7 bit đầu (gọi là SLA, được gởi liền sau START condition) chứa địa chỉ Slave, một bit READ/WRITE và một bit ACK-Ackknowledge (xác nhận) Do bit địa chỉ có độ dài 7 bits nên về mặt lý thuyết, trên 1 mạng I2C có thể tồn tại tối đa 2^7=128 thiết bị có địa chỉ riêng biệt Tuy nhiên, có một số địa chỉ không được sử dụng như các địa chỉ có định dạng 1111xxx (tức các địa chỉ lớn hơn hoặc bằng 120 không được dùng) Riêng địa chỉ 0 được dùng cho “cuộc gọi chung” (General call) Bit READ/WRITE (R/W) được truyền tiếp sau 7 bit địa chỉ là bit báo cho slave biết master muốn “đọc” hay

“ghi” vào slave Nếu bit này bằng 0 (gọi là W) thì quá trình “Ghi” dữ liệu từ master đến slave được yêu cầu, nếu bit này bằng 1 (gọi là R) thì master muốn “đọc” dữ liệu từ slave về Tám bits trên (SLA+R/W) được master phát ra sau khi phát START condition, nếu một slave trên mạng nhận ra rằng địa chỉ mà master yêu cầu trùng khớp với Device address của chính mình, nó sẽ “đáp trả” lại master bằng cách phát ra 1 tín hiệu “xác nhận” ACK bằng cách kéo chân SDA xuống thấp trong xung thứ 9 Ngược lại, nếu không có slave đáp ứng lại, chân SDA vẫn ở mức cao trong xung giữ nhịp thứ

9 thì gọi là tín hiệu “không xác nhận” – NOT ACK, lúc này master cần có những ứng

xử phù hợp tùy theo mỗi trường hợp cụ thể, ví dụ master có thể gởi STOP condition và sau đó phát lại địa chỉ slave khác…Như vậy, trong 9 bit của gói địa chỉ thì chỉ có 8 bit được gởi bởi master, bit còn lại là do slave Ví dụ master muốn yêu cầu “đọc” dữ liệu

từ slave có địa chỉ 43, nó cần phát đi một byte như sau trên đường truyền: (43<<1)+1,

30 trong đó (43<<1) là dịch số 43 về bên trái 1 vị trí vì 7 bit địa chỉ nằm ở các vị trí cao trong gói địa chỉ, sau đó cộng giá trị này với “1” tức là quá trình “đọc” được yêu cầu

 General call (Cuộc gọi chung):

Khi master phát đi gói địa chỉ có dạng 0 (thực chất là 0+W) tức nó muốn thực hiện một cuộc gọi chung đến tất cả các slave Tất nhiên, cho phép hay không cho phép cuộc gọi chung là do slave quyết định Nếu các slave được cài đặt cho phép cuộc gọi chung, chúng sẽ đáp lại master bằng ACK Cuộc gọi chung thường xảy ra khi master muốn gởi dữ liệu chung đến các slaves Chú ý là cuộc gọi chung có dạng 0+R là vô nghĩa vì không thể có chuyện master nhận dữ liệu từ tất cả các slave cùng thời điểm

 Data Packet Format (Định dạng gói dữ liệu):

Sau khi địa chỉ đã được phát đi, slave đã đáp lại master bằng ACK thì quá trình truyền/nhận dữ liệu sẽ diễn ra giữa cặp master/slave này Tùy vào bit R/W trong gói địa chỉ, dữ liệu có thể được truyền theo hướng từ master đến slave hay từ slave đến master Dù di chuyển theo hướng nào, gói dữ liệu luôn bao gồm 9 bits trong đó 8 bits đầu là dữ liệu và 1 bit cuối là bit ACK Tám bits dữ liệu do thiết bị phát gởi và bit ACK do thiết bị nhận tạo ra Ví dụ khi master thực hiện quá trình gởi dữ liệu đến slave, nó sẽ phát ra 8 bits dữ liệu, slave nhận và phát lại ACK (kéo SDA xuống 0 ở xung thứ 9), sau đó master sẽ quyết định gợi tiếp byte dữ liệu khác hay không Nếu slave phát tín hiệu NOT ACK (không tác động SDA ở xung thứ 9) sau khi nhận dữ liệu thì master sẽ kết thúc quá trình gởi bằng cách phát đi STOP condition

 Phối hợp gói địa chỉ và dữ liệu:

Một quá trình truyền/nhận I2C thường được bắt đầu từ master, master phát đi một START condition sau đó gởi gói địa chỉ SLA+R/W trên đường truyền Tiếp theo nếu có một slave đáp ứng lại, dữ liệu có thể truyền/nhận liên tiếp trên đường truyền (một hoặc nhiều byte liên tiếp)

 Multi-Master Bus (Đường truyền đa chip chủ):

Như đã trình bày ở trên, I2C là chuẩn truyền thông đa chip chủ, nghĩa là tại một thời điểm có thể có nhiều hơn một chip làm master nếu các chip này phát ra START condition cùng lúc Nếu các master có cùng yêu cầu và thao tác đối với slave thì chúng

có thể “cùng tồn tại” và quá trình truyền/nhận có thể thành công Tuy nhiên, trong đa

số trường hợp sẽ có một số master bị “thất lạc” (lost) Một master bị lost khi nó truyền/nhận mức cao trên SDA trong khi các master khác truyền/nhận mức thấp

2.4.4 Hoạt động của giao thức I2C:

Thông thường, một sự kiện bất kỳ trong quá trình truyền/nhận I2C trên chip xử lý cũng có thể gây ra một ngắt I2C trên chip xử lý vì thế hoạt động tương đối độc lập với chip Tuy nhiên, cần khai thác ngắt trên chip xử lý một cách hơp lý Ví dụ, đối với