Đồ án Tìm hiểu về chuẩn USB 20 và Ứng dụng chuẩn USB để thiết kế điều khiển từ xa

Đồ án tốt nghiệp  Mở đầu Chương 0: Mở đầu Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin như hiện nay, tin học đã, đang và sẽ được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Không nằm ngoài tầm ảnh hưởng mạnh mẽ của tin học là những người làm công tác giảng dạy, đào tạo, nghiên cứu,... Khi nói đến họ thì ta có thể thấy ngay rằng công việc của họ sẽ thật khó suôn sẻ khi thiếu chiếc máy tính cá nhân và các phần mềm đi kèm như bộ Microsoft office với Word, Excel, PowerPoint và nhiều những ứng dụng khác. Bên cạnh Word và Excel đã tỏ rõ sức mạnh từ lâu thì thời gian gần đây, PowerPoint cùng với chiếc máy chiếu càng ngày càng cho thấy ưu điểm vượt trội của nó trong việc tăng hiệu quả diễn đạt cho một vấn đề bất kỳ. Như vậy đi kèm với các gói phần mềm thì để sử dụng chúng một cách hiệu quả còn có những thiết bị đầu cuối. Các thiết bị đầu cuối làm tăng đáng kể khả năng cho chiếc máy tính cá nhân. Trước đây các thiết bị đầu cuối được ghép nối với máy tính thông qua rất nhiều giao diện như cổng com, cổng máy in, PS/2. Hiện nay thì dường như đã dần quy về một mối, đó chính là ghép nối thiết bị đầu cuối với máy tính thông qua cổng USB. Cổng USB với đường truyền đa năng đúng như tên gọi của nó (Universal Serial Bus), có khả năng cung cấp nhiều phương thức truyền dẫn cũng như tốc độ truyền khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Chính vì vậy đồ án này sẽ tập trung tìm hiểu về chuẩn USB 2.0 và ứng dụng chuẩn USB để thiết kế điều khiển từ xa cho trình diễn PowerPoint. Sản phẩm bao gồm: Một bộ phát là thiết bị cầm tay dùng pin, có 3 nút bấm. Nút Up giúp người sử dụng trở lại slide ngay trước slide hiện hành, nút Down giúp đi tới slide ngay sau slide hiện hành còn nút light thì bật đèn laser tạo ra đốm sáng nhỏ giúp cho việc trình diễn đạt hiệu quả diễn đạt cao hơn. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  1 Đồ án tốt nghiệp  Mở đầu Không thể thiếu là một bộ thu ghép nối với máy tính thông qua cổng USB. Bộ thu này nhận lệnh từ bộ phát và truyền đạt lại lệnh đó tới máy tính. Bộ thu dễ sử dụng, không cần driver và lấy nguồn từ máy tính. Hiện nay để thiết kế thành công sản phẩm trên thì có khá nhiều phương án như: Bộ phát có thể dùng sóng cao tần hoặc năng lượng hồng ngoại để truyền lệnh điều khiển tới bộ thu. Về phía bộ thu, để thực hiện chức năng giao tiếp USB với máy tính thì cần có một bộ điều khiển USB. Để thực hiện bộ điều khiển này thì có thể dùng các công nghệ như:C; PSoC; SPLD; CPLD; FPGA ... Phương án thì có nhiều như vậy nên vấn đề ở đây là lựa chọn phương án nào cho hợp lý và khả thi nhất. Sau một thời gian tìm hiểu, phương án đã được lựa chọn cho đề tài là: bộ phát sử dụng sóng cao tần để truyền lệnh điều khiển, về phía bộ thu sẽ thực hiện bộ điều khiển USB bằng vi điều khiển có tích hợp một bộ điều khiển USB chưa được cấu hình. Với những gì đã được giới thiệu ở trên thì có thể thấy rằng để thực hiện đề tài cần có kiến thức cơ bản về một số mảng chính sau: Chuẩn USB 2.0, họ vi điều khiển PIC (vì vi điều khiển mà ta sử dụng trong đề tài là vi điều khiển PIC của hãng MicroChip), truyền tín hiệu điều khiển sử dụng sóng cao tần. Chính vì vậy mà trong khuôn khổ của đồ án này sẽ tập trung trình bày các nội dung sau: Phần I: Sơ lược về chuẩn USB (gồm 6 chương):  Chương 1: Giới thiệu chung về chuẩn USB Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát, sơ lược về USB gồm khái niệm, ưu điểm của USB, mô tả hệ thống USB và cáp USB.  Chương 2: Mô hình luồng dữ liệu USB Chương này mô tả cách thực hiện một kết nối USB, cách mà theo đó dữ liệu được truyền qua USB. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  2 Đồ án tốt nghiệp  Mở đầu  Chương 3: Tầng giao thức USB Chương này đem lại một cái nhìn từ dưới lên trên của giao thức USB, bắt đầu với các định nghĩa trường và gói, sau đó là mô tả các giao tác và cuối cùng là việc đồng bộ và thử lại.  Chương 4: Các lớp thiết bị được định nghĩa Chương này giới thiệu các lớp thiết bị được định nghĩa, giúp những người thiết kế thiết bị đầu cuối USB nhận định xem sản phẩm của mình có thuộc lớp thiết bị được định nghĩa hay không (nếu thuộc lớp thiết bị được định nghĩa thì có thể bỏ qua khâu viết driver cho sản phẩm).  Chương 5: Lớp thiết bị giao diện người sử dụng Chương này sẽ trình bày về lớp HID với mục đích giúp người đọc nhận định xem một thiết bị nào đó có phù hợp để gán vào lớp HID hay không. Chỉ ra các yêu cầu đối với vi chương trình (firmware) để định nghĩa một thiết bị thuộc lớp HID và cho phép nó trao đổi dữ liệu với máy tính chủ.  Chương 6: Quá trình tìm hiểu của máy chủ đối với thiết bị Chương này mô tả những bước xử lý của máy chủ để máy chủ có thể tìm hiểu các thông tin về thiết bị như: Tốc độ của thiết bị, các bộ mô tả của thiết bị. Và việc gán một bộ điều khiển (driver) cho thiết bị. Phần II: Thiết kế sản phẩm (gồm 2 chương):  Chương 7: Thiết kế bộ phát Chương này sẽ trình bày một số lưu ý khi thiết kế điều khiển từ xa sử dụng sóng cao tần (RF), sơ đồ khối hệ thống cho sản phẩm của đề tài và phần thiết kế bộ phát của sản phẩm.  Chương 8: Thiết kế bộ thu Chương này sẽ giới thiệu sơ qua về họ vi điều khiển PIC- loại vi điều khiển mà ta sử dụng cho sản phẩm của đề tài và phần phân tích thiết kế bộ thu. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  3 Đồ án tốt nghiệp  Mở đầu Trong phần I thì các kiến thức về chuẩn USB mới chỉ được trình bày vắn tắt và còn thiếu một số kiến thức đáng quan tâm của chuẩn USB. Do yêu cầu về sự súc tích của nội dung đồ án cũng như lý do là các phần đó không liên quan trực tiếp đến việc thiết kế sản phẩm nên không trình bày ở đây. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  4 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 PHẦN I: SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN USB 2.0 Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  5 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Chương 1: Giới thiệu chung về USB Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát, sơ lược về USB gồm khái niệm, ưu điểm của USB, mô tả hệ thống USB và cáp USB. 1.1 Khái niệm về USB USB (Universal Serial Bus) là bus nối tiếp đa năng cho phép các thiết bị đầu cuối giao tiếp với máy tính chủ (Host Computer). 1.2 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB - Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của PC. - Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn với tốc độ lên đến 480Mb/s. - Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như voice, audio, video,... - Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp: isochronous data transfers và asynchronous messaging. - Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi. - Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ trợ do đó có thể không cần driver mức thấp cho các thiết bị USB. - Đa năng do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối với PC thông qua chuẩn USB. - Độ tin cậy cao. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  6 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 1.3 Mô tả hệ thống USB Một hệ thống USB được mô tả bởi ba định nghĩa: - - - Kết nối USB Các thiết bị USB USB host Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ. Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau: + Kiến trúc Bus: Mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host. + Những mối quan hệ Inter-layer : Dưới dạng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống. + Các mô hình luồng dữ liệu: Là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống qua USB. + Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung. Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời và khử sự phân xử ban đầu. 1.3.1 Kiến trúc Bus Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với Host USB. Về mặt kết nối vật lý USB đó là một kiến trúc tầng sao. Một Hub ở tại trung tâm của mỗi sao. mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa Host và một Hub hoặc một chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác hoặc chức năng khác. Với 7 bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi. Hình 1.1 sẽ minh hoạ kiến trúc của USB. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  7 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 1.1: Kiến trúc Bus [1] 1.3.1.1 Máy chủ USB (USB Host) Chỉ có duy nhất một Host trong một hệ thống USB bất kỳ. Giao diện USB tới hệ thống máy chủ được xem như bộ điều khiển Host. Bộ điều khiển Host có thể được thực hiện trong một kết hợp gồm phần cứng, vi chương trình (firmware) hoặc phần mềm. Một Hub gốc (root hub) được tích hợp chỉ trong hệ thống Host để cung cấp một hoặc nhiều điểm lắp thêm. 1.3.1.2 Các thiết bị USB Thiết bị USB có thể là một trong các thiết bị sau: -Hub: cung cấp điểm lắp thêm vào USB. -Các chức năng: Cung cấp các khả năng cho hệ thống như một kết nối ISDN, digital joystick, hoặc speakers. -Thiết bị hiểu được giao thức USB Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  8 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 1.4 Cáp USB USB truyền tín hiệu và nguồn qua một cáp 4 sợi hình 1.2 Có 3 tốc độ truyền dữ liệu: -USB tốc độ cao (USB high-speed): 480Mb/s. -USB toàn tốc (USB full-speed): 12Mb/s. -USB tốc độ thấp (USB low-speed): 1.2Mb/s. Hình 1.2: USB Cable [1] Cáp USB bao gồm 4 dây, D+ và D- được dùng để truyền tín hiệu, Vbus và GND để cấp nguồn cho thiết bị ( Thường thì Vbus =5V còn GND=0V tại nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể thay đổi lên tới vài mét. Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất qua các điện trở Rpd còn về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo vệ bởi điện trở cuối (đó chính là các điện trở Rpu. Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn tốc cần có điện trở nối +3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở nối lên 3.3 V cho đầu D-. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác nhau giữa D+ và D- giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút ra của thiết bị cũng như tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  9 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Chương 2: Mô hình luồng dữ liệu USB Chương này mô tả cách thực hiện một kết nối USB, cách mà dữ liệu được truyền qua USB. 2.1 Các thành phần trong việc thực hiện kết nối USB Việc thực hiện kết nối USB gồm các thành phần: - - - - Thiết bị USB vật lý: Một phần cứng ở đầu cuối của cáp USB thi hành một vài chức năng hữu dụng với người sử dụng. Client Software: Phần mềm thi hành trên máy chủ, đáp ứng cho thiết bị USB. Phần mềm này có thể được cung cấp bởi hệ điều hành hoặc được cung cấp cùng với thiết bị USB. USB System Software: Là phần mềm hỗ trợ USB trong một hệ điều hành cụ thể. Phần mềm hệ thống USB thường được cung cấp kèm với hệ điều hành, nó không hề phụ thuộc vào một thiết bị USB cụ thể nào cũng như phần mềm client cụ thể nào. USB Host Cotroller: Bao gồm phần cứng và phần mềm cho phép các thiết bị USB kết nối tới Host. Hình 2.1 sau sẽ chỉ ra sự tương tác giữa một số lớp và thực thể trong một kết nối đơn giản giữa host và thiết bị. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  10 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 2.1: Các vùng thực hiện trong một kết nối USB [1] -USB Bus interface Layer cung cấp kết nối vật lý, gói tin, báo hiệu giữa Host và một thiết bị. -USB Decive Layer cho thấy hệ điều hành hỗ trợ thiết bị USB cần có một phần mềm hệ thống để thực hiện việc quản lý thiết bị USB logic. -Function Layer cung cấp khả năng được thêm vào cho Host qua phần mềm khách (client software). Chính client software sẽ giúp thể hiện chức năng của thiết bị USB trên Host. 2.2 Bus topology Bus topology có 4 thành phần chính: - - - - Host và các thiết bị: đây là các thành phần sơ cấp của một hệ thống USB. Cấu trúc vật lý: cho thấy các thành phần USB được nối với nhau như thế nào. Cấu trúc logic: cho thấy vai trò và trách nhiệm của các thành phần USB khác nhau và USB xuất hiện như thế nào từ hình phối cảnh của Host và một thiết bị. Mối liên quan giữa chức năng và phần mềm khách (client software). Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  11 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 2.2.1 USB Host Kết cấu logic của Host được chỉ ra trong hình 2.2 gồm có - - - Bộ điều khiển Host. Phần mềm hệ thống USB đã được gộp chung (thực chất nó gồm: USB Driver, Host Controller Driver và Host software). Phần mềm khách (client software). Hình 2.2: Kết cấu Host [1] 2.2.2 Các thiết bị USB Kết cấu logic của một thiết bị USB vật lý được chỉ ra trong hình 2.3 gồm : - Giao diện bus USB. - Thiết bị USB logic. - Chức năng. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  12 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 2.3: Kết cấu thiết bị vật lý [1] Các thiết bị USB vật lý cung cấp các chức năng bổ sung cho Host. Các thiết bị USB khác nhau thì cung cấp các chức năng khác nhau. Mặc dù vậy thì các thiết bị USB logíc có nối ghép tới Host cơ bản giống nhau. 2.2.3 Kiến trúc bus vật lý (Physical Bus Topology) Kết nối vật lý của các thiết bị USB thông qua kiến trúc tầng sao (tiered star topology) như ở hình 2.4. Các điểm nối USB được thông qua bởi một lớp thiết bị USB đặc biệt được hiểu là Hub. Các điểm nối bổ sung được kết nối thông qua Hub được gọi là các cổng. Host bao gồm cả một Hub được nối với nó gọi là Hub gốc (root hub). Các kết nối được thực hiện tại các cổng của Hub gốc. Các thiết bị cung cấp các chức năng bổ sung cho Host được hiểu là các chức năng (function). Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  13 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 Hình 2.4: Kiến trúc bus vật lý USB [1] 2.2.4 Kiến trúc bus logic Trong khi các thiết bị vật lý được kết nối tới Host theo kiến trúc tầng sao thì quá trình truyền thông giữa Host với mỗi thiết bị logic được xem như là kết nối trực tiếp tới cổng gốc (root port). Trong trường hợp này thì bản thân các hub cũng là các thiết bị logic, nhưng hình 2.5 dưới đây không vẽ ra để cho hình vẽ đơn giản dễ hiểu. Hình 2.5: Kiến trúc bus logic USB [1] 2.2.5 Mối quan hệ giữa chức năng và phần mềm khách Trong quá trình hoạt động, phần mềm khách nên độc lập với các thiết bị khác có thể được gắn tới USB. Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  14 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 2.3 Luồng truyền thông USB USB cung cấp một dịch vụ truyền thông giữa phần mềm trên Host và chức năng USB của nó. Các chức năng có thể có yêu cầu luồng truyền thông khác nhau cho các tương tác client-to-function khác nhau. USB cung cấp sự sử dụng bus toàn diện hơn bằng cách tách các luồng truyền thông khác nhau tới một chức năng USB. Mỗi luồng truyền thông được kết thúc tại một điểm cuối trên trên một thiết bị. Điểm cuối của thiết bị được sử dụng để xác định hướng của mỗi luồng truyền thông. Hình 2.6 thuyết minh cách các luồng thông tin được truyền qua các ống dẫn (đường truyền) giữa các điểm cuối và các bộ nhớ đệm phía Host. Phần mềm trên Host giao tiếp với một thiết bị logic qua một tập các luồng truyền thông. Tập các luồng truyền thông được chọn bởi các nhà thiết kế phần cứng/phần mềm để đáp ứng một cách có hiệu quả các nhu cầu của thiết bị tới đặc tính truyền tải được cung cấp bởi USB. Hình 2.6: Luồng truyền thông USB [1] 2.4 Các loại truyền dữ liệu USB USB truyền dữ liệu qua một ống dẫn (đường truyền) giữa một bên là bộ nhớ đệm được liên kết với một phần mềm khách trên máy chủ với một bên là một điểm cuối trên thiết bị USB. USB cung cấp các dạng truyền tải khác nhau đã được tối ưu hoá để đáp ứng một cách thích hợp nhất các nhu cầu của phần Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  15 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 mềm khách và chức năng. USB cung cấp 4 loại truyền dữ liệu: truyền điều khiển (control transfer); truyền ngắt (interrupt transfer); truyền đẳng thời (isochronous transfer) và truyền khối (bulk transfer). 2.4.1 Truyền điều khiển Truyền điều khiển là truyền theo kiểu hai chiều. Loại truyền này thường được sử dụng để cài đặt thiết bị ngoại vi. Giao thức truyền điều khiển được bắt đầu bằng một giai đoạn thông báo (token stage), tiếp theo là giai đoạn dữ liệu (data stage) và kết thúc là giai đoạn bắt tay (handshake stage). Mọi thiết bị ngoại vi USB đều phải xử lý được loại truyền này. 2.4.2 Truyền ngắt Truyền ngắt là kiểu truyền một chiều. Loại truyền này được dùng cho các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, joystick . Vì Host không thể ngắt nên các ngắt từ thiết bị ngoại vi được xử lý trong vòng đợi. Người lập trình hệ thống có nhiệm vụ xử lý vòng đợi này. Giao thức truyền ngắt khởi động khi máy chủ (Host) bắt đầu bằng một thông báo IN (IN Token). Thiết bị ngoại vi trả lời bằng một gói NAK nếu không có ngắt. Trong trường hợp có ngắt thì thiết bị ngoại vi trả lời bằng một gói dữ liệu. Khi nhận hết dữ liệu máy chủ sẽ trả lời bằng một gói ACK nếu dữ liệu không có lỗi hoặc không trả lời gì nếu có lỗi. Nếu bị nghẽn ở điểm cuối của thiết bị ngoại vi, nó sẽ gửi đến máy chủ gói STALL và đợi phần mềm hệ thống trên máy chủ xử lý. 2.4.3 Truyền đẳng thời Truyền đẳng thời là phương pháp truyền một chiều, hướng cuộc truyền có thể từ thiết bị ngoại vi về máy chủ hoặc ngược lại. Vì thế cuộc truyền cần hai điểm cuối ở thiết bị ngoại vi hoặc hai đường ống dẫn phần mềm ở phía máy chủ nếu thiết bị cần dùng kiểu truyền này để thông tin 2 chiều. Giao thức truyền đẳng thời bắt đầu bằng gói IN hoặc OUT từ máy chủ tuỳ thuộc vào hướng truyền và loại điểm cuối. Ví dụ trong trường hợp gói IN, thiết bị truyền Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN  16 Đồ án tốt nghiệp  Sơ lược về chuẩn USB 2.0 dữ liệu về máy chủ. Trong trường hợp OUT, máy chủ tiếp tục bằng cách truyền dữ liệu. Truyền đẳng thời không dùng gói bắt tay để thông báo kết quả truyền nên thông tin có thể bị thất lạc. Loại truyền này thường được dùng cho điện thoại hay loa. 2.4.4 Truyền khối Truyền khối là phương pháp truyền một chiều. Hướng truyền có thể từ điểm cuối về máy chủ hay ngược lại. Như vậy một thiết bị ngoại vi cần cả hai chiều dữ liệu sẽ cần có hai điểm cuối. Giao thức truyền khối gồm có 3 giai