Nghiên cứu hệ thống nhúng, thiết kế điều khiển LED MATRIX ứng dụng với EMBEDDED COMPUTER

- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG NHÚNG, THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN LED MATRIX ỨNG DỤNG VỚI EMBEDDED COMPUTER NGÀNH: XỬ LƯ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG MĂ SỐ : NGUYỄN Đ̀INH LUYỆN Người hướng dẫn khoa học :TS.ĐẶNG VĂN CHUYẾT HÀ NỘI 2005 MỤC LỤC MỞ ĐẦU TỔNG QUAN.
- 1 CHƯƠNG I: HỆ NHÚNG.
- 5 1.1 Khái niệm hệ thống nhúng.
- 5 1.2 Sự cần thiết của hệ nhúng.
- 5 1.3 Đặc điểm cơ bản của hệ nhúng.
- 6 1.4 Các công cụ phát triển hệ nhúng.
- 6 1.5 Phân loại bộ vi điều khiển và bộ vi xử lý đa năng.
- 7 1.6 Bộ vi điều khiển ở các hệ thống nhúng.
- 9 CHƯƠNG II : MÁY TÍNH NHÚNG.
- 12 2.1 Cấu trúc cơ bản hệ máy tính nhúng.
- 12 2.1.1 Máy tính nhúng.
- 12 2.1.2 Tổ chức các khối chức năng của máy tính.
- 14 2.1.4 Các hệ thống hỗ trợ cho hoạt động của máy tính.
- 18 2.3 Giới thiệu tập lệnh x86 ứng dụng trong máy tính nhúng.
- 20 2.4 Đánh giá việc chọn máy tính nhúng thiết kế ứng dụng.
- 24 2.5 Phân tích thiết kế hệ thống ứng dụng máy tính nhúngVortex86-6070.
- 26 2.5.1 Sơ đồ khối thiết kế tổng thể ứng dụng.
- PC/104 bus và phân tích thiết kế mạch 8253.
- Thiết kế mạch lập trình định thời 8253.
- 53 4.1.1 Sơ đồ khối thiết kế chung Mạch đệm, điều khiển.
- 56 4.2 Cấu trúc vi điều khiển.
- 68 4.4 Phân tích thiết kế mạch phân phối xuất thông tin ra Led Matrix.
- phân tích thiết kế tổng thể xây dựng một bảng thông tin điện tử 48x160 - 4 màu, có thể hiển thị Text, đồ hoạ, ảnh động online hoặc tuỳ biến .Ứng dụng với Embedded DM&P Vortex86.
- Giữa Computer Embedded và Mạch đệm sử dụng vi điều khiển 8952 ■Chương V : Kết luận, hướng phát triển luận văn.
- Để tạo được hệ thống hoàn hảo cả về cấu trúc thiết bị và chương trình cần thời gian và thử nghiệm nhiều lần.
- Với thời gian có hạn, nhiều vấn đề luận văn đã đề cập tới song để mức độ hoàn thiện, tối ưu của hệ thống chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót.
- 1 TỔNG QUAN Trên thế giới, sự phát triển của máy tính (PC) đã chuyển sang giai đoạn thứ 3 - giai đoạn của môi trường thông minh mà hệ thống nhúng là cốt lõi (còn gọi là giai đoạn hậu PC - Internet).
- Chính điều này cần đến vai trò của các hệ thống nhúng.Khái niệm hệ thống nhúng được hiểu là hệ tính toán nhúng vào một sản phẩm để thực hiện một số chức năng cụ thể.
- Các thiết bị này ngoài chức năng truyền thống (như lâu nay chúng ta vẫn biết) còn được tích hợp nhiều tính năng mới thông qua hệ điều khiển nhúng, chẳng hạn như lò vi sóng có khả năng điều khiển bằng giọng nói, điều khiển thông qua điện thoại di động.
- Lâu nay chúng ta mới nhìn thấy bề nổi của CNTT là PC và Internet, còn phần chìm của CNTT chiếm đến 99% bộ xử lý trên toàn cầu nằm trong các hệ thống nhúng thì ít được biết đến.
- Các ứng dụng này chạy trên PC, mạng WAN, LAN.
- Còn đối với hệ nhúng, chức năng xử lý, tính toán của Phần mềm ứng dụng cho các thiết bị vật lý như điện thoại di động, thiết bị gia dụng, các thiết bị điện tử cầm tay, thiết bị y tế, ô tô.
- Mỗi đồ chơi hình thù khác nhau, gắn chip điều khiển khác nhau trở nên vô cùng đa dạng, mở ra thị trường phong phú.
- Các hệ thống nhúng lớn thường là các hệ nối mạng.
- Ở máy bay, tàu vũ trụ thường có nhiều mạng nhúng kết nối để kiểm soát hoạt động và điều khiển.
- Sự phát triển của CNTT Năm là giai đoạn phát triển của máy tính lớn (mainframe).
- PC - Internet phát triển.
- dự đoán từ giai đoạn của môi trường thông minh với cốt lõi là hệ thống nhúng (gọi tắt là giai đoạn hậu PC - Internet).
- Hàn Quốc có những dự án lớn nhằm phát triển công nghệ phần mềm nhúng như các thiết bị gia dụng nối mạng Internet, hệ thống phần mềm nhúng phát triển thành phố thông minh.
- Bảng thông tin chứng khoán ...Nhưng hầu hết các thiết bị này cùng với phần mềm điều khiển đều nhập từ nước ngoài hoặc gia công lại trong nước, với giá thành rất đắt.
- Với mong muốn triển khai hệ nhúng và ứng dụng trong quá trình phát triển ở nước ta, định hướng luận văn “ Nghiên cứu hệ thống nhúng, thiết kế điều khiển LED Matrix ứng dụng với Embedded Computer “ được chọn nhằm mục đích nghiên cứu và triển khai cụ thê ứng dụng trong thực tế của đơn vị- Trường Đại Học Quy Nhơn, phục vụ việc quảng bá các thông tin liên quan đến với sinh viên và thông tin tuyển sinh trong các dịp đón tiếp thí sinh dự thi...Thông qua quá trình học tập và thực hiện luận văn tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS.Đặng Văn Chuyết- Bộ môn Mạng và truyền thông – Khoa Công Nghệ Thông Tin.
- 5 CHƯƠNG 1 HỆ NHÚNG 1.1 Khái niệm hệ thống nhúng : Hệ nhúng là các hệ thống thoả mãn đồng thời.
- Là một phần của một hệ thống lớn hơn có thể không phải là máy tính.
- Cung cấp dịch vụ dành riêng cho hệ thống đó.
- Phần cứng : Vi xử lý ;Vi điều khiển , ASIC , FPGA, Memory.
- 1.2 Sự cần thiết của hệ nhúng : Những năm gần đây, thiết kế mạch và ứng dụng các hệ thống số trong một vài lĩnh vực đã có sự phát triển đáng kể.
- Các hệ thống số được thiết kế chủ yếu cho hai lớp ứng dụng : Các hệ thống đa mục đích và hệ thống chuyên dụng.
- Các hệ thống đa mục đích không được thiết kế riêng cho một ứng dụng cụ thể mà có thể được lập trình để chạy trên các ứng dụng khác nhau.
- Ngược lại, các hệ thống chuyên dụng được thiết kế cho các ứng dụng riêng biệt.
- Ví dụ như các hệ thống trong các thiết bị y tế, điều khiển chương trình, điều khiển ô tô tự động, và các hệ thống mạng và liên lạc.
- Vì các hệ thống này nằm trong các hệ thống khác lớn hơn phục vụ cho các ứng dụng phi điện tử nên được gọi là các hệ thống nhúng.
- Sự phát triển của các hệ nhúng còn được thúc đẩy bởi sự phát triển của các bộ vi xử lý, một thành phần chủ yếu trong hệ thống.
- Cũng có thể nói đây là dịch vụ mà hệ nhúng cung cấp cho hệ thống chứa nó.
- Nói như vậy thì máy tính cá nhân không phải là một hệ nhúng.
- Tuy nhiên, nếu nó được kết nối cố định vào một hệ thống đồng nhất và được tùy biến sao cho chức năng của nó chỉ là điều khiển ( điều này cũng có thể đồng nghĩa với sự tách rời nó khỏi các thiết bị ngoại vi như màn hình, ổ cứng, bàn phím.
- Chẳng hạn bộ điều khiển của một hệ thống nào đó yêu cầu phải phản ứng đủ nhanh đối với các tín hiệu vào để đảm bảo hệ thống luôn trong phạm vi an toàn.
- 1.4 Các công cụ phát triển hệ nhúng Có nhiều câng cụ phát triển hệ nhúng, đó là các mạch có thể lập lại cấu hình, ASIC(Application – Speccitic Intergrated Circuit - Mạch tích hợp chuyên dụng).Các lọai mạch này cung cấp các chức năng khác nhau tùy theo phần mềm điều khiển được nạp vào.
- Do sự phát triển ngày càng cao của công nghệ 7 chế tạo mạch, việc thiết lập một hệ thống trên chip đã không còn quá khó.
- Với mức độ tích hợp phần mềm cao như vậy, những hệ thống như thế có thể được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực .
- Tuy nhiên, vào thời kỳ đó thì công nghệ FPGA chỉ được ứng dụng với các ứng dụng nhỏ, đòi hỏi tốc độ không cao.
- Còn các ứng dụng lớn và đòi hỏi tốc độ cao thì được chết ạo chủ yếu theo công nghệ ASIC.
- Lý do chủ yếu của việc này là công nghệ FPGA có giá thành quá cao và quá chậm cho các ứng dụng.
- 1.5 Phân loại bộ vi điều khiển và bộ vi xử lý đa năng Sự khác nhau giữa bộ vi điều khiển và bộ vi xử lý là gì? Bộ vi xử lý ở đây muốn nói đến các bộ vi xử lý đa năng như họ Intel x và Pentium) hoặc họ Motorola 680x v.v.
- Các bộ vi xử lý này không có RAM, ROM và không có các cổng vào ra trên chip.
- Với lý do đó mà chúng được gọi chung là các bộ vi 8 xử lý đa năng.
- Một nhà thiết kế hệ thống sử dụng bộ vi xử lý đa năng, chẳng hạn như Pentium hay 68040 cần bổ sung thêm RAM, ROM, cổng vào ra và bộ định thời ngoài thì hệ thống mới hoạt động được.
- Dĩ nhiên, bổ sung RAM, ROM và cổng vào ra bên ngoài sẽ làm cho hệ thống cồng kềnh và đắt hơn, song có -ưu điểm quan trọng là hết sức linh hoạt.
- Ví dụ, nhà thiết kế có thể tuỳ theo yêu cầu của từng ứng dụng mà quyết định số lượng RAM, ROM và các cổng vào ra phù hợp.
- Đối với các bộ vi điều khiển thì vấn đề này lại khác.
- Bộ vi điều khiển có trên chip bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ RAM, ROM, cổng vào ra và bộ định thời.
- Nói cách khác, bộ xử lý, RAM, ROM, cổng vào ra và bộ định thời, tất cả cùng được nhúng trên chip vi điều khiển.
- Do vậy, người thiết kế không cần bổ sung thêm bộ nhớ ngoài, cổng vào ra hoặc bộ định thời để cho hệ thống hoạt động.
- Bộ vi điều khiển với một dung lượng RAM, ROM trên chip và cổng vào - ra đã trở nên rất thích hợp trong nhiều ứng dụng yêu cầu giá thành hạ và không gian sử dụng hạn chế.
- Những ứng dụng, ví dụ như bộ điều khiển TV từ xa, thì không cần công suất tính toán lớn như của bộ vi xử lý 486, thậm chí không cần đến mức 8086.
- Từ những yêu cầu đa dạng đó, một số nhà sản xuất đã đi xa hơn là tích hợp vào trong bộ vi điều khiển cả bộ chuyển đổi ADC và một số thiết bị ngoại vi khác.
- Một số sản phẩm nhúng sử dụng bộ vi điều khiển Thiết bị gia đình Đồ điện trong nhà Máy đàm thoại Máy điện thoại Hệ thống an toàn Bộ mở cửa nhà xe Máy trả lời Máy Fax Máy tính gia đình Tivi Truyền hình cáp VCR Máy quay camera Điều khiển từ xa Trò chơi điện tử Nhạc cụ điện tử Máy khâu Điều khiển ánh sáng Máy nhắn tin Máy chơi Poolball Đồ chơi Dụng cụ tập thể hình Thiết bị văn phòng Điện thoại Máy tính Hệ thống an toàn Máy Fax Lò vi sóng Máy sao chụp Máy in lazer Máy in màu Máy nhắn tin Thiết bị tự động Máy tính hành trình Điều khiển động cơ Túi đệm khí Thiết bị ABS Đo lờng Hệ thống bảo mật Điều khiển truyền tin Giải trí Điều hoà nhiệt độ Điện thoại tổ ong Mở cửa không cần chìa khoá 1.6 Bộ vi điều khiển ở các hệ thống nhúng Ở các tài liệu về bộ vi xử lý, chúng ta thường gặp khái niệm hệ thống nhúng (Embeded system).
- Thực tế, bộ vi xử lý và vi điều khiển được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm nhúng.
- Sản phẩm nhúng dùng bộ vi xử lý (hoặc bộ vi điều khiển) để thực hiện một nhiệm vụ và chỉ một mà thôi.
- Đối với máy tính PC Pentium (hoặc PC tương thích IBM x86 bất kỳ) thì khác.
- Máy tính có thể chạy nhiều chương trình phần mềm khác nhau.
- Máy tính PC x86 thường có hoặc được nối tới các sản phẩm nhúng khác nhau, chẳng hạn như bàn phím, máy in, modem, bộ điều khiển đĩa, thẻ âm, bộ điều khiển CD-ROM, chuột v.v.
- Mỗi thiết bị 10 ngoại vi đều có một bộ vi điều khiển để thực hiện chỉ một công việc.
- Ví dụ, bên trong chuột có bộ vi điều khiển để thực thi công việc xác định vị trí chuột và gửi thông tin đến máy tính.
- Ứng dụng nhúng của PCx86 Thực tế, các bộ vi điều khiển là giải pháp thích hợp cho nhiều hệ thống nhúng.
- Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, bộ vi điều khiển không đủ khả năng đáp ứng nhiệm vụ đặt ra.
- Vì lý do đó mà những năm gần đây, nhiều nhà sản xuất bộ vi xử lý đa năng, chẳng hạn như Intel, Motorola, AMD (Advanced Micro Devices, Inc.
- và Cyrix (hiện nay là một bộ phận của National Seniconductor, Inc) đã hướng tới bộ vi xử lý cao cấp cho thị trường nhúng.
- Intel, AMD và Cyrix sản xuất các bộ xử lý đa năng cho cả thị trường nhúng và thị trường máy tính PC để bàn, còn Motorola vẫn duy trì họ vi xử lý 68000 chủ yếu cho các hệ thống nhúng cao cấp và Apple hiện không còn dùng 680x cho máy tính Macintosh nữa.
- Trong những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ XX, máy tính Apple bắt đầu sử dụng các bộ vi xử lý Power PC (như v.v.) thay cho 6800.
- Bộ vi xử lý Power PC là kết quả liên kết giữa IBM và Motorola, và nó được hướng cho thị trường nhúng cao cấp cũng như cho cả thị trường máy tính PC.
- Cần lưu ý rằng, khi một bộ vi xử lý đa năng được hướng cho thị trường nhúng thì bộ vi xử lý đó cần tối ưu hoá cho các ứng dụng hệ nhúng.
- Vì lý do đó mà các bộ vi xử lý này thường được gọi là các bộ xử lý nhúng cao cấp.
- Do vậy, thuật ngữ bộ xử lý nhúng và bộ vi điều khiển thường được dùng lẫn nhau .
- Thiết kế hệ thống PC hiện cũng đang theo xu hướng này.
- Thông thường, khi xây dựng bảng mạch chủ PC, ta cần có CPU, bộ chip-set chứa cổng vào/ra, bộ điều khiển cache, bộ nhớ Flash ROM có BIOS và cuối cùng là bộ nhớ cache thứ cấp.
- Hiện nay, MS-DOS và Windows đang là chuẩn cho nhiều hệ máy tính và cả các hệ nhúng PC x86 .
- Trong nhiều trường hợp, dùng máy tính PC x86 cho các ứng dụng nhúng cao cấp là không tiết kiệm, song lại cho phép rút ngắn đáng kể thời gian phát triển do có sẵn thư viện phần mềm phong phú viết trên nền DOS và Windows.
- Với các đặc điểm đã nêu như trên, thiết kế ứng dụng với “máy tính nhúng hoặc không nhúng ” đang được sử dụng rộng rãi.
- Đặc điểm tối ưu của hệ thống này là tính tiện dụng, giá thành chấp nhận được với chất lượng đảm bảo các tiêu chuẩn công nghiệp.
- Hệ thống này với cấu trúc tương ứng với các máy tính phổ thông, do vậy về mặt kỹ thuật các tính năng sử dụng cũng như phát triển hệ thống có thể xem như tương ứng nhau, từ đó khả năng sử dụng các ngôn ngữ cấp cao như C, C++ ,PasCal

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt