Luận văn NCKH đại học CAO ĐẲNG (12)

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Module Ethernet trên vi điều khiển PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều khiển Phần mềm trên MPLAB” đã sử dụng phần mềm MPLAB và thư viện TCP/IP

1

ĐỀ TÀI

“Module Ethernet trên vi điều khiển

PIC18F67J60 và ứng dụng trong đo lường, điều

khiển (Phần mềm trên MPLAB)”

Giáo viên hướng dẫn :

2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ETHERNET 6

1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet 6

1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet 7

1.3 Các loại khung Ethernet 7

1.3.1 Các khung unicast 7

1.3.2 Các khung broadcast 8

1.3.3 Các khung multicast 8

1.4 Truy nhập bus 8

1.5 Các loại mạng Ethernet 10

1.5.1 Các hệ thống Ethernet 10Mb/s 10

1.5.2 Các hệ thống Ethernet 100 Mb/s – Ethernet cao tốc ( Fast Ethernet ) 11

1.5.3 Các hệ thống Giga Ethernet 11

1.6 Chuẩn IEEE 802 11

CHƯƠNG 2 HỌ GIAO THỨC TCP/IP 13

2.1 Họ giao thức TCP/IP 13

2.1.1 Tầng Ứng Dụng (Application Layer) 13

2.1.2 Tầng Giao Vận (Transport Layer) 14

2.1.3 Tầng Internet (Internet Layer) 14

2.1.4 Lớp giao tiếp mạng 15

2.2 Cấu trúc gói tin IP,TCP,UDP 15

2.2.1 Cấu trúc địa chỉ IP 15

2.2.2 Cấu trúc gói tin IP 16

2.2.3 Cấu trúc gói tin TCP 18

2.2.4 Cấu trúc gói tin UDP 19

3

CHƯƠNG 3 PHẦN CỨNG 20

3.1 Vi điều khiển PIC 18F67J60 20

3.1.1 Các đặc trưng của PIC 18F67J60 20

3.1.2 Module A/D 10 bit 21

3.1.3 Module Ethernet 24

3.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 25

3.3 Mạch nguyên lý 26

3.3.1 Khối mạch nguồn 26

3.3.2 Khối mạch RJ45 27

3.3.3 Khối mạch LCD 28

3.3.4 Khối mạch vi điều khiển PIC18F67J60 29

3.4 Mạch in 30

3.5 Mạch thực tế 31

CHƯƠNG 4 TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB C18 VÀ WEB SERVER 32

4.1 MPLAB C18 32

4.1.1 Giới thiệu 32

4.1.2 Các đặc trưng của trình dịch MPLAB C18: 32

4.1.3 Quá trình tạo ra file HEX 32

4.2 Web động 33

4.3 CSS 34

4.3.1 Ưu điểm của CSS 35

4.3.2 Các đặc tính cơ bản của CSS 35

4.3.3 CSS có tính kế thừa và tính kết hợp 37

4.4 Kỹ thuật AJAX 38

4.4.1 Ưu điểm 40

4.4.2 Nhược điểm 40

4

CHƯƠNG 5 TCP/IP STACK 41

5.1 Cấu trúc của TCP/IP Stack 41

5.2 Hoạt động của TCP/IP Stack 42

5.2.1 Các file cần thiết 42

5.2.2 Cấu trúc APP_CONFIG 43

5.2.3 Main file 43

5.3 Các module của Stack và APIs 44

5.3.1 Announce 44

5.3.2 HTTP2 server 45

5.4 Cấu hình cho Stack 49

5.4.1 Cấu hình cho phần cứng 49

5.4.2 Địa chỉ 50

5.5 Demo module 51

5.5.1 Điều khiển led sáng tắt 52

5.5.2 Viết ra LCD 55

5.5.3 Đo nhiệt độ 61

KẾT LUẬN 64

5

MỞ ĐẦU

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, ứng dụng của nó có mặt ở rất nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp Khóa luận

tốt nghiệp với đề tài “Module Ethernet trên vi điều khiển PIC18F67J60 và ứng dụng

trong đo lường, điều khiển (Phần mềm trên MPLAB)” đã sử dụng phần mềm

MPLAB và thư viện TCP/IP Stack của hãng Microchip để lập trình điều khiển LED, LCD và đo lường thông qua mạng truyền thông Ethernet

Khóa luận bao gồm những nội dung chính cơ bản như sau:

Chương 1 Tổng quan về Ethernet trình bày về lý thuyết Ethernet gồm các vấn

đề về cấu trúc khung tin Ethernet, phương pháp truy nhập bus (CSMA/CD), các loại mạng Ethernet và chuẩn Ethernet IEEE 802.3

Chương 2 Họ giao thức TCP/IP trình bày kiến thức về họ giao thức TCP/IP bao

gồm 5 tầng: tầng ứng dụng (Application Layer), tầng giao vận (Transport Layer), tầng liên mạng (Internet Layer), tầng giao tiếp mạng (Network Interface Layer) Trình bày các kiến thức về gói tin IP, TCP, UDP

Chương 3 Phần cứng trình bày các kiến thức về vi điều khiển PIC18F67J60

bao gồm các đặc trưng chung và đặc trưng Ethernet của PIC18F67J60, bộ biến đổi A/D, module Ethernet Các kiến thức về sensor đo nhiệt độ LM35 cũng được trình bày trong chương này Tiếp theo là phần nguyên lý của mạch demo và phần mạch in Cuối cùng là hình ảnh mạch demo thực tế sử dụng trong khóa luận

Chương 4 Trình biên dịch MPLAB C18 và web server giới thiệu về trình biên

dịch MPLAB C18 và các nội dung liên quan đến việc thiết kế web giao diện như là DHTML, Javascript, CSS, kỹ thuật AJAX

Chương 5 TCP/IP Stack chương này trình bày về nhiệm vụ chính của khóa luận

đó là sử dụng thư viện TCP/IP Stack của Microchip trên phần mềm MPLAB C18 để lập trình cho mạch demo thực hiện đo lường và điều khiển thông qua mạng truyền thông Ethernet

Kết luận Trình bày các kết quả đã đạt được của khóa luận và đánh giá các kết

quả đó Đồng thời, định hướng một số hướng phát triển của đề tài

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ETHERNET

Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Hiện thời công nghệ Ethernet thường được sử dụng nhất là công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10Mbps

Ethernet đã được phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto vào

những năm 1970 bởi tiến sĩ Robert M Metcalfe Nó đã được thiết kế với mục đích phục vụ nghiên cứu trong “ hệ thống công sở trong tương lai”, bao gồm trạm cá nhân đầu tiên trên thế giới, trạm Xerox Alto Trạm Ethernet đầu tiên chạy với tốc độ xấp xỉ 3Mbps Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên được xuất bản năm 1980 bởi sự phối hợp phát triển của 3 hãng : DEC, Intel và Xerox Chuẩn này có tên DIX Ethernet ( lấy tên theo 3 chữ cái đầu của tên các hãng)

Uỷ ban 802.3 của IEEE đã lấy DIX Ethernet làm nền tảng để phát triển Năm

1985, chuẩn 802.3 đầu tiên đã ra đời với tên IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple

Access with Collition Detection (CSMA/CD) Mặc dù không sử dụng tên Ethernet

nhưng hầu hết mọi người đều hiểu đó là chuẩn của công nghệ Ethernet Ngày nay chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức của Ethernet IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại mạng Ethernet Đặc biệt, với phiên bản 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp Bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn và cáp quang, gần đây Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) cũng đang thu hút được sự quan tâm lớn

1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet

Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame) Cấu trúc khung Ethernet như sau:

Bảng 1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet

Mở đầu

555…5H

SFD (D5H)

Địa chỉ đích

Địa chỉ nguồn

Độ dài kiểu gói

7 byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte

7

- Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010 Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz

- SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung Nó luôn mang giá trị 10101011

- Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu

- LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo

- FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi

và bị loại bỏ

1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet

Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet) Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control Address ) Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số hexa ( hệ cơ

số 16 ) Ví dụ:00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F-86 Khuôn dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần:

- 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE

- 3 octet sau do nhà sản xuất ấn định

Kết hợp ta lẽ có một địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng Ethernet Địa chỉ MAC được sử dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong khung Ethernet

1.3 Các loại khung Ethernet

1.3.1 Các khung unicast

Giả sử trạm 1 cần truyền khung tới trạm 2

Khung Ethernet do trạm 1 tạo ra có địa chỉ:

- MAC nguồn: 00-60-08-93-DB-C1

- MAC đích: 00-60-08-93-AB-12

8

Hình 1: Mô hình truyền thông unicast

Đây là khung unicast Khung này được truyền tới một trạm xác định Tất cả các trạm trong phân đoạn mạng trên sẽ đều nhận được khung này nhưng:

- Chỉ có trạm 2 thấy địa chỉ MAC đích của khung trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nên tiếp tục xử lý các thông tin khác trong khung

- Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa

1.3.2 Các khung broadcast

Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF Khi nhận được các khung này, mặc dù không trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý

Giao thức ARP sử dụng các khung broadcast này để tìm địa chỉ MAC tương ứng với một địa chỉ IP cho trước Một số giao thức định tuyến cũng sử dụng các khung broadcast để các router trao đổi bảng định tuyến

1.3.3 Các khung multicast

Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này

1.4 Truy nhập bus

Một vấn đề lớn thường gây lo ngại trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường là

phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance ) và sự ảnh hưởng tới hiệu suất cũng như tính năng thời gian

9

thực của hệ thống Ở đây, một trong những yếu tố quyết định tới hiệu suất của hệ thống là thuật toán tính thời gian truy nhập lại cho các trạm trong trường hợp xảy ra xung đột

Hình 2: Minh họa phương pháp CSMA/CD

Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD:

Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

- Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không

có tín hiệu ) thì mới được phát

- Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không (collision detection)

- Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại

Một tình huống xảy ra xung đột tiêu biểu và cách khắc phục được minh họa trên hình Trạm A và C cùng nghe đường dẫn Đường dẫn rỗi nên A có thể gửi trước Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chưa kịp tới nên trạm C không hay biết và cũng

10

gửi, gây ra xung đột tại một điểm gần C A và C sẽ lần lượt nhận được tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi đi và phát hiện xung đột Cả hai trạm sẽ cùng phải hủy bỏ bức điện đã gửi đi bằng cách không phát tiếp, các trạm muốn nhận sẽ không nhận được cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi như bức điện không hợp lệ A và C cũng có thể gửi đi một tín hiệu “ jam” đặc biệt để báo cho các trạm cần nhận biết Sau đó mỗi trạm sẽ chờ một thời gian chờ ngẫu nhiên, trước khi thử phát lại Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải được tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời gian chờ ngắn một cách hợp lí và không giống nhau giữa các trạm cùng chờ Thông thường

thời gian chờ này là bội số của hai lần thời gian lan truyền tín hiệu Ts

Ưu điểm của CSMA/CD là tính chất đơn giản, linh hoạt Khác với các phương pháp tiền định, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng gì tới hoạt động của hệ thống Chính vì vậy, phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

Nhược điểm của CSMA/CD là tính chất bất định của thời gian phản ứng Các trạm đều bình đẳng như nhau nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được tương đối chính xác thời gian Hiệu suất sử dụng đường truyền vì thế cũng thấp Rõ ràng, nếu như không kết hợp thêm với các kỹ thuật khác thì phương pháp này không thích hợp với các cấp thấp, đòi hỏi trao đổi dữ liệu định kỳ, thời gian thực

1.5 Các loại mạng Ethernet

IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại mạng Ethernet Mỗi loại mạng được mô tả dựa theo ba yếu tố: tốc độ, phương thức tín hiệu sử dụng và đặc tính đường truyền vật lý

1.5.1 Các hệ thống Ethernet 10Mb/s

- 10Base5 Đây là tiêu chuẩn Ethernet đầu tiên, dựa trên cáp đồng trục loại dày Tốc độ đạt được 10 Mb/s, sử dụng băng tần cơ sở, chiều dài cáp tối đa cho 1 phân đoạn mạng là 500m

- 10Base2 Có tên khác là “thin Ethernet” , dựa trên hệ thống cáp đồng trục mỏng với tốc độ 10 Mb/s, chiều dài cáp tối đa của phân đoạn là 185 m (IEEE làm tròn thành 200m)

- 10BaseT Chữ T là viết tắt của “twisted”: cáp xoắn cặp 10BaseT hoạt động tốc

độ 10 Mb/s dựa trên hệ thống cáp xoắn cặp Cat 3 trở lên

11

- 10BaseF F là viết tắt của Fiber Optic ( sợi quang) Đây là chuẩn Ethernet dùng cho sợi quang hoạt động ở tốc độ 10 Mb/s , ra đời năm 1993

1.5.2 Các hệ thống Ethernet 100 Mb/s – Ethernet cao tốc ( Fast Ethernet )

- 100BaseT Chuẩn Ethernet hoạt động với tốc độ 100 Mb/s trên cả cắp xoắn cặp lẫn cáp sợi quang

- 100BaseX Chữ X nói lên đặc tính mã hóa đường truyền của hệ thống này (sử dụng phương pháp mã hoá 4B/5B của chuẩn FDDI) Bao gồm 2 chuẩn 100BaseFX và 100BaseTX:

 100BaseFX Tốc độ 100Mb/s, sử dụng cáp sợi quang đa mode

 100BaseTX Tốc độ 100Mb/s, sử dụng cắp xoắn cặp

 100BaseT2 và 100BaseT4 Các chuẩn này sử dụng 2 cặp và 4 cặp cáp xoắn cặp Cat 3 trở lên tuy nhiên hiện nay hai chuẩn này ít được sử dụng

1.5.3 Các hệ thống Giga Ethernet

- 1000BaseX Chữ X nói lên đặc tính mã hoá đường truyền ( chuẩn này dựa trên kiểu mã hoá 8B/10B dùng trong hệ thống kết nối tốc độ cao Fibre Channel được phát triển bởi ANSI) Chuẩn 1000BaseX gồm 3 loại:

 1000Base-SX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng ngắn

 1000Base-LX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng dài

 1000Base-CX: tốc độ 1000 Mb/s, sử dụng cáp đồng

- 1000BaseT Hoạt động ở tốc độ Giga bit, băng tần cơ sở trên cáp xoắn cặp Cat

5 trở lên Sử dụng kiểu mã hoá đường truyền riêng để đạt được tốc độ cao trên loại cáp này

1.6 Chuẩn IEEE 802

IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN

(metropolitan area network) Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các

mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng (Khác với các mạng này, dữ liệu trong các mạng cell-based được truyền theo các đơn vị nhỏ có cùng kích thước được gọi là cell Các mạng Isochronous, nơi dữ liệu được truyền theo một dòng liên tục các octet, hoặc nhóm các octet, tại các khoảng thời gian đều đặn, cũng nằm ngoài phạm vi của chuẩn này)