Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp kit Intel Galileo

i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Quang Minh MSSV: 14141195 Hồ Văn Trọng MSSV: 14141338 Chuyên ngành: CNKT Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ GIAO TIẾP KIT INTEL GALILEO II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ. - Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn, switch, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu về kit Intel Galileo, phần mềm Arduino, các mạch giao tiếp ngoại vi với vi điều khiển. - Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm (thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, thi công) . - Xây dựng các bài thực hành cơ bản, viết chương trình thực thi và kiểm tra kết quả trên bộ thí nghiệm. - Thu thập kết quả. Kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Viết báo cáo luận văn. - Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Ngô Bá Việt CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phạm Quang Minh Lớp: 14141DT1A MSSV: 14141195 Họ tên sinh viên 2: Hồ Văn Trọng Lớp: 14141DT1A MSSV: 14141338 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ SỬ DỤNG KIT INTEL GALILEO Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 (01-06/10) - Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc. - Duyệt đề tài. - Viết đề cương cho đề tài. 2 (08-13/10) - Tìm hiểu tổng quan về kit Intel Galileo. - Tìm hiểu về cách thức lập trình và biên dịch trên kit Intel Galileo. 3 (15-20/10) - Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối - Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối 4 (22-27/10) - Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích hoạt động của mạch. 5 (29/10- 03/11) - Thiết kế và thi công từng khối nhỏ trong mạch. 6 (05-10/11) - Lập trình trên phần mềm Arduino. - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi công. 7 (12-17/11) - Lập trình trên phần mềm Arduino. - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi công. iii 8 (19-24/11) - Lập trình trên phần mềm Arduino. - Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi công. 9 (26/11- 01/12) - Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối. - Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối. 10 (03-08/12) - Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối. - Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối. 11 (10-15/12) - Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi. 12 (17-22/12) - Viết báo cáo. 13 (24-29/12) - Viết báo cáo. 14 (31/12- 05/01) - Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo. 15 (06-18/01) - Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Phạm Quang Minh Hồ Văn Trọng v LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên cho phép chúng tôi được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử nói riêng, những người đã tận tình dạy dỗ, trang bị cho chúng tôi những kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành quan trọng, giúp nhóm chúng tôi có được cơ sở lý thuyết vững vàng và đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất cho chúng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Ngô Bá Việt đã tận tình giúp đỡ, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số vấn đề để chúng tôi có thể thực hiện tốt đề tài. Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của chúng tôi còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo. Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019 Sinh viên thực hiện Phạm Quang Minh Hồ Văn Trọng vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................................................i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... ii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... v MỤC LỤC .......................................................................................................................... vi LIỆT KÊ HÌNH ẢNH................................................................................................... viii LIỆT KÊ BẢNG ...............................................................................................................xi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xii TÓM TẮT ....................................................................................................................... xiii Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .........................................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU ...............................................................................................................1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................2 1.4 GIỚI HẠN ................................................................................................................2 1.5 BỐ CỤC....................................................................................................................2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................4 2.1 KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN ..............................................4 2.1.1 Vi xử lý và vi điều khiển ..........................................................................4 2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC) ........................................................5 2.2 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN I2C .......................................................................5 2.3 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN SPI........................................................................8 2.4 TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN 1-WIRE ...............................................................9 2.5 PHẦN MỀM ARDUINO .................................................................................... 10 2.6 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................... 11 2.6.1 Bộ xử lý trung tâm - Intel Galileo Gen 2 ............................................. 11 2.6.2 Thiết bị đầu vào ...................................................................................... 14 2.6.3 Thiết bị đầu ra ......................................................................................... 16 2.6.4 Thiết bị thời gian thực DS1307 ............................................................ 26 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................ 28 3.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 28 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................... 28 vii 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................. 28 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 29 3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH .............................................................. 38 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 39 4.1 GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 39 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 39 4.2.1 Thi công bo mạch hệ thống ................................................................... 39 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra................................................................................. 42 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .......................................................... 44 4.3.1 Đóng gói, thiết kế mô hình .................................................................... 44 4.3.2 Thi công mô hình.................................................................................... 44 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 46 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ..................................................................................... 46 4.4.2 Phần mềm lập trình cho Intel Galileo Gen 2 ....................................... 48 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................ 51 Chương 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ................................................ 55 5.1 KẾT QUẢ.............................................................................................................. 55 5.1.1 Kết quả nghiên cứu................................................................................. 55 5.1.2 Kết quả thi công ...................................................................................... 55 5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ................................................................................. 56 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 57 6.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57 6.1.1 Ưu điểm ................................................................................................... 57 6.1.2 Khuyết điểm ............................................................................................ 57 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................... 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 59 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 60 viii LIỆT KÊ HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn I2C ...................................................................6 Hình 2.2: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ ............................................6 Hình 2.3: Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ ...........................................7 Hình 2.4: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn SPI ...................................................................8 Hình 2.5: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn 1-Wire .............................................................9 Hình 2.6: Dạng sóng quá trình truyền nhận dữ liệu chuẩn 1-Wire ............................ 10 Hình 2.7: Biểu tượng phần mềm Arduino ..................................................................... 10 Hình 2.8: Giao diện phần mềm Arduino ....................................................................... 11 Hình 2.9: Mặt trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................................................... 12 Hình 2.10: Mặt dưới kit Intel Galileo Gen 2 ................................................................. 12 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý chip xử lý trung tâm trên kit ........................................... 13 Hình 2.12: Sơ đồ bố trí chân I/O trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................... 13 Hình 2.13: Ma trận phím 4x4 ngoài thực tế .................................................................. 14 Hình 2.14: Cảm biến LM35 ngoài thực tế ..................................................................... 15 Hình 2.15: Led 7 đoạn đôi ngoài thực tế ....................................................................... 16 Hình 2.16: LCD 16x2 ngoài thực tế ............................................................................... 16 Hình 2.17: Sơ đồ chân LCD 16x2 .................................................................................. 17 Hình 2.18: Led ma trận 8x8 ngoài thực tế ..................................................................... 18 Hình 2.19: Sơ đồ chân led ma trận 8x8 ......................................................................... 19 Hình 2.20: IC 74HC595 ngoài thực tế ........................................................................... 19 Hình 2.21: Sơ đồ chân IC 74HC595 .............................................................................. 20 Hình 2.22: Cấu trúc bên trong IC 74HC595 ................................................................. 21 Hình 2.23: IC 74HC138 ngoài thực tế ........................................................................... 22 Hình 2.24: Sơ đồ chân IC 74HC138 .............................................................................. 22 Hình 2.25: IC L298 ngoài thực tế ................................................................................... 25 Hình 2.26: Sơ đồ chân IC L298 ...................................................................................... 25 Hình 2.27: IC DS1307 ngoài thực tế .............................................................................. 26 Hình 2.28: Sơ đồ chân IC DS1307 ................................................................................. 26 Hình 2.29: Địa chỉ các thanh ghi IC DS1307 ............................................................... 27 ix Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................. 28 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm ................................................... 29 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn đơn .............................................................. 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối ma trận phím 4x4 ...................................................... 32 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối led đơn ........................................................................ 33 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối led 7 đoạn ................................................................... 33 Hình 3.7: Transistor A1015 ngoài thực tế ..................................................................... 34 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 16x2 .................................................................. 35 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối led ma trận 8x8 .......................................................... 35 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ .................................................... 36 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ........................................................... 36 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khối động cơ ..................................................................... 36 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ........................................................................ 37 Hình 3.14: Adapter 12V – 2A ......................................................................................... 37 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối switch giao tiếp ....................................................... 38 Hình 4.1: Mạch in PCB lớp dưới .................................................................................... 39 Hình 4.2: Mạch in PCB lớp trên ..................................................................................... 40 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện ...................................................................................... 40 Hình 4.4: Board thí nghiệm mặt dưới ............................................................................ 43 Hình 4.5: Board thí nghiệm mặt trên ............................................................................. 43 Hình 4.6: Mô hình tổng thể ............................................................................................. 44 Hình 4.7: Mô hình nhìn từ trên xuống ........................................................................... 45 Hình 4.8: Mặt trước mô hình .......................................................................................... 45 Hình 4.9: Mặt hông mô hình ........................................................................................... 45 Hình 4.10: Lưu đồ hoạt động toàn bộ hệ thống ............................................................ 46 Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển bằng nút nhấn, ma trận phím ...................................... 47 Hình 4.12: Lưu đồ hiển thị .............................................................................................. 47 Hình 4.13: Trang chủ Arduino ........................................................................................ 49 Hình 4.14: Biểu tượng phần mềm Arduino ................................................................... 49 Hình 4.15: Giao diện phần mềm Arduino ..................................................................... 49 x Hình 4.16: Giao diện các chức năng trong mục Tools ................................................ 50 Hình 4.17: Hộp thoại Boards Manager .......................................................................... 50 Hình 4.18: Giao diện phần mềm khi tiến hành chọn kit Intel Galileo Gen 2 ........... 51 Hình 4.19: Bộ xử lý trung tâm và board thí nghiệm đã kết nối .................................. 51 Hình 4.20: Vị trí nút BTN_NGUON trên board thí nghiệm ....................................... 52 Hình 4.21: Kết nối cáp Micro USB giữa bộ xử lý trung tâm với máy tính............... 52 Hình 4.22: Giao diện phầm mềm khi tiến hành chọn kit giao tiếp ............................. 53 Hình 4.23: Giao diện phần mềm khi chọn cổng COM giao tiếp ................................ 53 Hình 4.24: Báo hiệu giao tiếp thành công với kit ở góc dưới bên phải ..................... 53 Hình 4.25: Biểu tượng công cụ biên dịch chương trình .............................................. 53 Hình 4.26: Báo hiệu biên dịch chương trình hoàn tất và không có lỗi ...................... 54 Hình 4.27: Biểu tượng công cụ nạp chương trình ........................................................ 54 Hình 4.28: Báo hiệu nạp chương trình thành công ...................................................... 54 Hình 4.29: Board thí nghiệm sau khi nạp chương trình .............................................. 54 Hình 5.1: Mô hình bộ thí nghiệm ................................................................................... 55 Hình 5.2: Bộ xử lý trung tâm .......................................................................................... 56 xi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các kí hiệu và ý nghĩa chân của LCD ..........................................