Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

BKH & CN

Viện CNTT

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI KC.03.20

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho

đo lường và điều khiển”

Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân

5868

08/6/2006

Hà Nội, 12-2005

Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin

1

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI KC.03.20

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho

đo lường và điều khiển”

Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân

Hà Nội, 12-2005

Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin

2

Danh sách những người thực hiện chính

Chủ nhiệm đề tài

A

1

KS. Phan Minh Tân

Viện Công nghệ Thông tin

B

2

3

4

5

6

7

8

9

Cán bộ tham gia nghiên cứu

PGS. TSKH Phạm Thượng Cát

ThS. Trần Việt Phong

Viện Công nghệ Thông tin

Viện Công nghệ thông tin

ThS. Phạm Ngọc Minh

KS. Bùi Thị Thanh Quyên

KS. Phan Cao Hiệp

Viện Công nghệ Thông tin

Công ty Điện tử Bình Hoà

KS. Nguyễn Đức Thắng

TS. Nguyễn Ngọc Khoa

ThS. Vũ Sĩ Thắng

Viện Công nghệ Thông tin

Viện kỹ thuật Phòng không không quân

Viện Công nghệ Thông tin

Viện kỹ thuật Phòng không không quân

10 KS. Chu Ngọc Liêm

11 KS. Nguyễn Văn Hà

3

BÀI TÓM TẮT

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”

nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao

gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát

triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều

khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm

vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các

chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.

Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu

tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội

thảo, các báo cáo thống kê ...) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu

cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản

phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip

mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến

hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng

chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn

cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ

và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát

triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của

sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ

thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản

phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các

công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA,

mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề

tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu

chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất

lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả

nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội

nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực

tiễn qua các hợp đồng kinh tế.

Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm:

• Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc

gia

• Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm:

- Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1

- Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control)

dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1

- Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình

- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1

- Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1

4

- Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không

dây RFID

- Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID

và đầu cấp phát thẻ RFID

- Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái

cấu hình

- Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình

- Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển

thông minh sử dụng công nghệ PSoC

- Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip

PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp.

Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng

ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ

Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như

sau:

- Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón

đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào

Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996-

2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip

PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như:

. Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat

cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng.

Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được

nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế

tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai.

. Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là

module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng tái

cấu hình.

Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các

sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài.

- Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải

pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có

hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình.

- Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải

pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp

chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông

tin và công nghệ mới.

- Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng

hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm

mới khác của Việt nam.

5

MỤC LỤC

1

3

- Trang nhan đề

- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài

- Bài tóm tắt

4

6

- Mục lục

8

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

8

1. Lời mở đầu

12

17

19

20

2. Nội dung chính của báo cáo

2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

2.3. Những nội dung đã thực hiện

2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết

2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới

2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển

máy lạnh

a. Chip DKML-1

20

22

b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000

BTU

c. Phần mềm

24

36

42

d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại

2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử

dụng thẻ nhận dạng không dây RFID

a. Chip PROX-1

43

45

51

58

59

60

b. Bộ điều khiển AC-200-C dùng thẻ RFID

c. Chương trình Quản lý mã thẻ trên PC AC200_SW

d. Hệ thống chấm công sử dụng thẻ RFID

e. Hệ thống cấp phát thẻ RFID

2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả

năng tái cấu hình

6

a. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý thiết kế, chế tạo

b. Các cấu hình có thể lựa chọn

61

64

71

72

2.3.2.4. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình

a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu

hình

b. Các cấu hình có thể lựa chọn

75

82

2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều

khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC

2.4. Đánh giá kết quả thu được

94

95

96

3. Kết luận và kiến nghị

4. Lời cảm ơn

7

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

1. LỜI MỞ ĐẦU

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”

thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công

nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông

tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài

được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục

tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông

minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các

công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương

pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm

đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài

còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế

để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và

các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên

cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm:

• Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2

• Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation)

• Các công cụ tìm lỗi (Debugger)

• Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC

• Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties)

cho thiết kế các chip đo và điều khiển.

2. Thiết kế và chế tạo:

- Chip điều khiển máy lạnh

- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế

- Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh

- Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh

Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU,

18000BTU.

3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125

KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan

dùng thẻ tiếp cận gồm:

- 2 đầu đọc thẻ

- 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC

- 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC

4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ

cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC.

5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái

8

cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính

sau:

• Format theo chuẩn PC/104

• Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền

dữ liệu

• Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable)

• Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC

Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.20

TT TÊN SẢN PHẨM

SỐ

LƯỢN

G

CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ

THUẬT

GHI

CHÚ

1. Các công trình, bài

báo

6

Đưa ra được các phương pháp,

thuật toán xử lý, nguyên lý có

tính cải tiến, sáng tạo về mặt

học thuật. Các công trình được

nhận đăng tại các tạp chí, hội

nghị khoa học

2. Thư viện chương

trình mẫu cho thiết

kế các chip thông

minh theo công nghệ

PsoC

1

Bộ chương trình thư viện với

tài liệu hướng dẫn sử dụng

3. Chip DKML-1

20

- CPU 24 MHz, 8 bits, 16k

FLASH

- ADC

- FLASH

- DAC PWM

- Phối ghép IrDA

- Digital I/O

- Bộ lọc tần số thấp

- Chương trình điều khiển máy

lạnh và hội thoại với remote

ở các chế độ

4. Chip Remote RM-1

20

- CPU 24Mhz, 8K FLASH

- Bộ phối ghép LCD

- Bộ phối ghép IrDA

- Chương trình điều khiển cho

máy lạnh tương thích với chip

DKML-1

- Bộ phối ghép phím ấn

- Chế độ Wake-up

9

5. Bo điều khiển máy

lạnh sử dụng chip

DKML-1

2

Thay thế bo điều khiển máy

lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện

đang phải nhập ngoại trong dây

chuyền sản xuất của Công ty

Điện tử Bình hoà

Thay thế bộ điều khiển xa cho

máy lạnh VBH-12L/VBH-12N

đang phải nhập ngoại trong dây

chuyền sản xuất của Công ty

Điện tử Bình hoà

6. Bộ điều khiển từ xa

cho máy lạnh sử

dụng chip RM-1

7. Chip đọc thẻ PROX-

1 (Radio Frequency)

đọc các thẻ không

tiếp xúc

20

- Tần số mang vô tuyến

125kHz

- Biến điệu FSK

- Chuẩn ISO-PROX

- CPU

- FLASH

Mạch phối ghép nối tiếp UART

- Đầu đọc thẻ Proximity dùng

chip PROX - 1

- Bộ điều khiển đóng mở cửa

tự động và kết nối PC

- Chương trình quản lý kiểm

soát lưu trữ và báo cáo chạy

trên PC/Windows theo ngôn

ngữ Việt Nam

8. Hệ thống kiểm soát

xâm thực tự động

mở cổng sử dụng

chip đọc thẻ PROX-

1

9. Module DAS -

PC/104 Có khả năng

tái cấu hình

1

- Công nghệ FPGA và PSoC

- Cho phép lựa chọn

ADC 8-14 BITS

DAC 8-10 BITS

TIMER 8-24 BITS

COUNTER 8-24 BITS

DIO 8-16 KÊNH

Truyền thông UART, 12C,

SPI, RS232

- Có khả năng tái cấu hình

10

Kinh phí thực hiện đề tài

Tổng kinh phí ngân sách Nhà nước cấp cho đề tài là 1.600 triệu đồng

Trong đó:

1. Thuê khoán chuyên môn:

2. Nguyên vật liệu, năng lượng:

3. Thiết bị máy móc:

600 triệu đồng

389 triệu đồng

361 triệu đồng

15 triệu đồng

235 triệu đồng

4. Xây dựng, sửa chữa nhỏ:

5. Chi khác:

11

2. NỘI DUNG CHÍNH CỦA BÁO CÁO

2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

Ngoài nước:

Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip đã có bề dày hơn 15 năm

phát triển và hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội là ASIC

(Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate

Array) và CSoC (Configurable System on Chip). Các công nghệ này liên quan

mật thiết với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu điểm, khắc phục nhược

điểm của nhau. Sau đây là tóm tắt các tính chất nổi trội và hạn chế của từng

công nghệ.

I. Về công nghệ ASIC

Các chip được tạo ra từ công nghệ ASIC có thể có hàng triệu bóng bán dẫn

và chi phí cho thiết kế thử nghiệm chip mới rất đắt. Tuy nhiên khi sản xuất loạt

lớn thì giá thành mỗi chip thành phẩm có thể xuống thấp tới một vài đô la.

Trong một số ứng dụng số lượng lớn (như trò chơi điện tử) ASIC có thể là giải

pháp hiệu quả, tuy nhiên hiện tại công nghệ ASIC có những hạn chế sau:

- Phương pháp thiết kế mạch ASIC hiện nay dựa chủ yếu vào các ngôn

ngữ HDL (Hardware Description Languages) là các ngôn ngữ mô tả các

chức năng phần cứng của chip ở mức trừu tượng cao. Tiếp đến cần một

công cụ phần mềm dịch thiết kế định dạng HDL sang các phương trình

logic (Borlean logic equations) và ánh xạ các phương trình logic này

thành tổ hợp các cổng logic và bộ nhớ (Gate-level representation). Các

ngôn ngữ HDL là ngôn ngữ tốt cho mô tả chức năng phần cứng, tuy

nhiên chúng lại không hiệu quả cho mô tả các thuật toán. Do vậy người

thiết kế rất khó khăn trong việc đưa các thuật xử lý phức tạp, know-how

vào chip ASIC. Một khi chip ASIC đã được tạo dựng, các thuật xử lý đã

được cứng hoá thì việc thay đổi sửa chữa nhỏ cũng rất tốn kém thời gian

và chi phí. Thời gian cho hoàn thiện thiết kế một chip ASIC thường rất

lâu và nhiều khi không theo kịp với sự đòi hỏi nâng cấp chức năng sử

dụng của sản phẩm. Mặt khác do mỗi chức năng, thuật toán xử lý đều

phải được cứng hoá ở các chip ASIC dẫn đến đòi hỏi tiêu tốn số lượng

lớn transitor và năng lượng trong khi thực tế thông thường chúng chỉ cần

hoạt động trong một số thời điểm nhất định. Điều này dẫn đến sự lãng phí

các nguồn tài nguyên trong chip ASIC.

II. Về công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array)

FPGA là các chip thuộc họ lập trình logic để tạo ra các chip số (digital IC).

Với FPGA ta có thể tạo ra các chips có khả năng xử lý các chức năng logic tuỳ

ý. Hiện tại trong họ lập trình logic có các loại chính sau:

- SPLD (Simple Programmable Logic Devices)

- CPLD (Complex Programmable logic Devices)

- FPGA (Field Programmable Gate Array)

12

SPLD là các chip lập trình logic loại nhỏ có khả năng thay thế vài IC loại

TTL 74xx. Thông thường có 4 đến 22 macro cells (mỗi macrocell thông thường

gồm một vài chức năng tổ hợp logic với một bộ nhớ flip-flop). Một macrocell

có thể có nhiều input nhưng với chức năng logic hạn chế. Các loại SPLD quen

thuộc là PAL (Programmable Array Logic của hãng Vantis), GAL (Generic

Array Logic của hãng Lattice), PLA (Programmable Logic Array) và PLD

(Programmable logic Device).

CPLD có cấu trúc như SPLD nhưng có khả năng tích hợp lớn hơn.

Thông thường CPLD bao gồm từ 2 đến 64 mạch SPLD, có từ hàng chục đến

hàng trăm macrocells. Thông thường một nhóm từ 4 đến 16 macrocells được

kết nối tạo thành các khối chức năng trong CPLD. Các khối chức năng này

được kết nối với nhau qua một ma trận kết nối có khả năng lập trình. Các CPLD

quen thuộc bao gồm EPLD (Erable Programmable Logic Devices), EEPLD

(Electrically Erable Programmable Logic Device), MAX (Multiple Array

Matrix của Altera)

FPGA là các chips có khả năng tích hợp lớn nhất so với SPLD và CPLD.

Một chip FPGA gồm các khối logic (Logic blocks) được bao bọc bởi các khối

vào ra có khả năng lập trình (Programmable I/O blocks) và các đường kết nối

có khả năng lập trình (Programmable interconnect). Một chip FPGA có thể có

từ 64 đến hàng chục ngàn khối logic và số lượng bộ nhớ flip-flops còn lớn hơn.

Các FPGA được chia ra làm hai nhóm chính là loại hạt lớn (coarse-grained) và

loại hạt nhỏ (fine-grained). Loại FPGA hạt lớn gồm các khối logic lớn, kích cỡ

khối logic lớn này thường có nhiều bảng look-up và flip-flops. Loại FPGA hạt

nhỏ thường gồm một lượng lớn khối logic nhỏ. Kích cỡ của khối logic nhỏ

thường một vài cổng logic 2 đầu vào và một flip-flop.

Với các cấu trúc nêu trên các FPGA không có khả năng xử lý các tín hiệu

tương tự hoặc tín hiệu RF (Radio Frequency).

Phần lớn các FPGA được lập trình và đặt cấu hình trên RAM tĩnh. Cấu

hình này xác định chức năng hoạt động của các khối logic, khối vào ra và

đường kết nối giữa chúng tạo nên chip xử lý số chuyên dụng. Do vậy khi mất

nguồn nuôi các RAM cấu hình mất thông tin và khi có điện lại phải có chu trình

nạp lại cấu hình cho các RAM này. Để khắc phục nhược điểm này một số

FPGA sử dụng FLASH để thay thế RAM tĩnh, một số FPGA khác lại dùng

công nghệ antifuse như dùng PROM nạp một lần để chứa cấu hình.

Các chip FPGA thường dùng nhất là của hãng Xilinx (XC3000,

XC4000xx, Spartan, Virtex) và của hãng Altera (FLEX, APEX). Các hãng khác

như Lattice, Actel, Quick Logic cũng cung cấp các FPGA nhưng là các loại nhỏ

và chiếm thị phần không đáng kể.

Một hạn chế của FPGA là sử dụng các công cụ và các phương pháp thiết

kế như của công nghệ ASIC bao gồm các ngôn ngữ HDL là loại không thích

hợp cho lập trình xử lý thuật toán. Do vậy khi phải thực hiện các thuật toán xử

lý phức tạp người lập trình phải vất vả chuyển đổi sang ngôn ngữ HDL và cứng

hoá thuật toán vào các khối logic.

13

Các chip được tạo ra theo công nghệ FPGA thường không sử dụng một

cách có hiệu quả các tài nguyên sẵn có của chip trắng FPGA. Mặt khác FPGA

còn tiềm ẩn nhân tố nhiễu loạn (chaotic element) trong quá trình kết nối

(routing). Thống kê cho thấy một nửa số cổng logic trong chip trắng FPGA

thông thường không được sử dụng đến do hạn chế của khả năng kết nối hoặc

thuật toán kết nối.

Các chương trình thiết kế tự động cho các chip FPGA thường rất đắt tuỳ

thuộc vào chức năng và số lượng thư viện chương trình mẫu IP. Giá có thể từ

vài ngàn US$ đến hàng triệu US$. Các hãng nổi tiếng cung cấp các phần mềm

thiết kế cho công nghệ FPGA là Mentor Graphics, Cadence và Synopsis.

Tuy nhiên các hãng cung cấp chip trắng FPGA hàng đầu trên thế giới là

Xilinx và Altera có chiến lược cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí cho các

họ FPGA loại vừa và nhỏ.

Xilinx cung cấp phần mềm miễn phí ISE WebPack là một Version cơ

bản của chương trình thiết kế ISE5.

Altera cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí Quartus II Web Edition là

phiên bản tối thiểu của chương trình thiết kế QuartusII.

Công nghệ FPGA là một công nghệ mạnh cho thiết kế các chip có chức

năng xử lý logic cho các mạch số và truyền thông số. Các chip FPGA trắng

thường có giá thành đắt từ 30-70US$/chip. Với đơn đặt hàng lớn >10.000 chip

thì giá thành có rẻ hơn nhưng vẫn không dưới 10US$/chip.

Với đặc tính chuyên dụng cho xử lý logic và với giá thành còn cao, công

nghệ FPGA không phải là một công nghệ tối ưu cho các ứng dụng đo lường và

điều khiển ở Việt nam. Trên thế giới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển

công nghệ FPGA được ứng dụng trong các module I/O, các module thu thập dữ

liệu (Data Acquisition) cho PC có bus ISA, PCI hoặc PC/104, PC104+. Lúc này

FPGA được thiết kế như phần phối ghép các chip xử lý tín hiệu tương tự ADC,

DAC... với CPU của máy tính.

III. Công nghệ CSoC (Configurable System on Chip) tái cấu hình hệ thống

trong một chip

Khác với công nghệ ASIC và FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC riêng lẻ,

IC số ngoại vi thì công nghệ CSoC là công nghệ cho phép tạo nên cả một hệ

thống trong một chip bao gồm CPU, ROM, RAM các ngoại vi thời gian thực

(như ADC, DAC, Counter, Timer, Digital I/O, cổng truyền thông...) và cho

phép thay đổi cấu trúc phần cứng của chip trong quá trình hoạt động.

Như vậy công nghệ CSoC cho ta một độ linh hoạt lớn trong việc phát

triển thiết kế và chế tạo chip thông minh chuyên dụng vừa khít với yêu cầu ứng

dụng của sản phẩm.Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể

dễ dàng thay đổi trong qúa trình hoạt động hiện tại và phát triển mở rộng chức

năng sản phẩm trong tương lai.. Công nghệ CSoC sẽ là một bước tiến hoá của

công nghệ thông tin, thoát khỏi các ràng buộc của hệ máy tính cứng (Rigid

Computing Machine) sang thế hệ máy tính tự thích nghi (Adaptive Computing

Machine).

Hiện tại có khoảng 30 hãng trên thế giới có phát triển và chào bán công

14

nghệ CSoC của mình. Một số CSoC chính được liệt kê như sau:

• Hãng Altera kết hợp lõi CPU cứng ARM và lõi CPU mềm với một số

FPGA của mình tạo nên các chip Processor + FPGA (Cyclone,

Strafix) cho phép thiết kế các chip số tốc độ cao có processor và phần

xử lý logic thay đổi được.

• Hãng Atmel tích hợp lõi CPU AVR với FPGA hạt bé của mình tạo

nên chip CSoC.

• Hãng Cypress Micro System có công nghệ PSoC (Programmable

System on Chip) có lõi CPU M8, RAM, FLASH và các Block tương

tự và số cho phép tạo ra các chip hệ thống xử lý hỗn hợp (mixed

signal) với khả năng xử lý thuật toán mạnh.

• Hãng Equator có chip CSoC đặc thù cho xử lý âm thanh (Media

Processing).

• Hãng Motorola có chip CSoC cho xử lý tín hiệu truyền thông không

dây (Wireless chipset).

• Hãng QuickLogic tích hợp lõi CPU MIPS với FPGA cho tạo dựng các

hệ xử lý logic nhanh.

• Hãng Tricend tích hợp CPU 32 bit ARM với FPGA cho thiết kế các

hệ thống xử lý logic tốc độ cao.

• Hãng Xilinx tích hợp lõi CPU 8051 hoặc MIPS Power PC với một số

FPGA tạo nên tổ hợp Processor + FPGA (Vertex II Pro) cho phép tạo

ra các IC số có processor tốc độ cao.

Công nghệ CSoC thực sự là một công nghệ ưu việt hơn công nghệ ASIC

và FPGA trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vì nó tích hợp Processor và bộ

nhớ RAM, FLASH, cho phép ta lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ

dàng bằng ngôn ngữ C hoặc ASSEMBLER. So với các vi điều khiển thông

dụng như 8051, motorola 68HC908, Microchip PIC16#73 có cấu trúc CPU và

ngoại vi cố định (fixed digital and analog penpherals) thì các chip CSoC có khả

năng mềm dẻo thích ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là khả năng tái cấu hình

(reconfigurable) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip

ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng. Ví dụ với chip PSoC của

hãng Cypress Micro System, ta có thể thiết kế cho nó thành một chip điều khiển

máy bán hàng tự động ở ban ngày và đến 12 giờ đêm chip PSoC sẽ tự tái cấu

hình thành một modem và gửi các dữ liệu (số hàng tồn trong máy, số tiền thu

được...) của máy bán hàng về trung tâm.

Công nghệ tạo chip thông minh cho đo lường và điều khiển trên cơ sở

CSoC có tính hiệu quả kinh tế, nhất là đối với các chip PSoC của Cypress

Micro System vì có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho ta

khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng và phát triển các

chức năng mới sau này. Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn và hỗ trợ

cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối

mạng trên cùng một chip với giá thành thấp. Hệ thống phần mềm hỗ trợ thiết kế

chip PSoC Designer của Cypress Micro System có đầy đủ các chức năng thiết

kế, xắp xếp các khối chức năng, mô phỏng, lập trình C, tìm lỗi và nạp chip hiện

đại, có các module ứng dụng (user module) phong phú giúp ta không phải lập

15

trình trên ngôn ngữ HDL vừa khó bao quát, vừa không hiệu quả.

Ngoài ra giá thành của các chip PSoC trắng từ 2-5US$/chip rẻ hơn

nhiều lần so với các chip FPGA. Đây là một cơ hội cho các doanh nghiệp và

các nhóm say sưa sáng tạo có thể đạt đến thành công lớn với các sản phẩm độc

đáo có các chip thông minh chứa các ý tưởng sáng tạo, bí quyết của riêng mình.

Trong nước:

Đã có nhiều cơ sở nghiên cứu phát triển triển khai các hướng nghiên cứu

như sau:

• Những nghiên cứu ban đầu về công nghệ ASIC đã được Viện khoa học

tính toán và điều khiển tiến hành ở những năm 80 với sự hợp tác với các

nhóm Việt kiều ở Đức và Pháp đánh dấu bước khởi đầu cho các nghiên

cứu về thiết kế chip ASIC. Các nghiên cứu này đã không mang lại nhiều

kết quả do điều kiện cơ sở vật chất và thông tin trao đổi không thuận lợi

thời gian đó.

• Công nghệ FPGA được Viện Vi điện tử thuộc Viện Công nghệ quốc gia

là một trong những đơn vị đầu tiên tại nước ta tiến hành nghiên cứu từ

năm 1998. Với công nghệ FPGA của hãng Altera Viện Vi điện tử đã áp

dụng để thiết kế mạch Read out cho các thước đo vị trí của các máy

CNC và nhiều ứng dụng xử lý số khác.

• Viện kỹ thuật quân sự Phòng không không quân triển khai các nghiên

cứu thiết kế tạo chip cho xử lý số tín hiệu rađa, lọc số cho xử lý tín hiệu

tên lửa sử dụng các FPGA của Altera.

• Công ty liên doanh AMEC của Tổng Công ty Điện tử tin học có các

nghiên cứu áp dụng công nghệ FPGA của Xilinx cho thiết kế một số chip

xử lý số cho thiết bị y tế.

• Một số cơ sở nghiên cứu và đào tạo khác như Học Viện công nghệ Bưu

chính viễn thông, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện điện tử tin học và Tự

động hoá VIETLINA cũng đang khởi động các nghiên cứu áp dụng công

nghệ FPGA.

• Công ty Viettronic Tân Bình đang lập dự án xây dựng 2 trung tâm thiết

kế chip trên công nghệ FPGA và các phần mềm thiết kế của Mentor

Graphics và Cadence.

• Viện Công nghệ Thông tin cũng có những bước đi ban đầu cho việc

nghiên cứu phát triển các module PC/104 trên công nghệ FPGA của hãng

Altera từ năm 2002.

Các đơn vị nêu trên mới tập trung nghiên cứu tạo các chip số chưa có

processor và chưa xử lý được các tín hiệu tương tự, do vậy còn nhiều hạn chế

cho các ứng dụng đo lường và điều khiển thường phải đòi hỏi xử lý thuật toán

phức tạp và xử lý hỗn hợp tín hiệu tương tự và số. Nhận biết được hạn chế này

từ đầu năm 2002 Viện công nghệ thông tin đã tiếp cận đến công nghệ PSoC của

hãng Cypress Micro System để thiết kế ra chip chuyên dụng cho đầu đo mức

nước và thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương.

16

2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đề tài đã tiến hành các nghiên cứu phát

triển các chip thông minh cho các đối tượng sau:

a) Chip điều khiển máy lạnh và chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy:

Hiện nay nhiều cơ sở sản xuất các thiết bị gia dụng (điều hoà, máy giặt,

tủ lạnh, nồi cơm điện...) đang phải nhập khẩu các bộ điều khiển về lắp ráp cho

các sản phẩm của mình. Nhu cầu tăng tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm gia dụng

công nghệ cao này đang là vấn đề bức xúc của các doanh nghiệp sản xuất do

sức ép cạnh tranh của tiến trình hội nhập AFFA, WTO. Chính vì vậy việc

nghiên cứu thiết kế các chip thông minh mang thương hiệu Việt nam cho các

dây chuyền sản xuất thiết bị gia dụng trong nước là một lựa chọn đúng và nó

đáp ứng nhu cầu thực tiễn và tăng được sức cạnh tranh cho các sản phẩm của

Việt nam. Số lượng các chip cần cho các bo điều khiển máy lạnh và các thiết

bị gia dụng ngày càng tăng do đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện,

nhu cầu sử dụng các thiết bị gia dụng hiện đại ngày càng cao.

Việc nghiên cứu tạo chip cho máy lạnh Việt nam là tiền đề cho việc

nghiên cứu phát triển các chip thông minh cho các sản phẩm gia dung cao cấp

khác cần có tỷ lệ nội địa hoá cao như máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, nồi cơm

điện..v..v.

Ở trong nước chưa có cơ sở nào tiến hành nghiên cứu các bo điều khiển

cho máy lạnh để tăng tỷ lệ nội địa hoá. Các bo điều khiển nhập ngoại có giá

thành cao và thường sử dụng các chip vi điều khiển có cấu trúc cứng (fixed

micro controller). Ở giải pháp của đề tài sử dụng công nghệ PSoC có khả

năng tái cấu hình phong phú với nhiều ngoại vi mạnh cho phép việc tăng độ

thông minh của thiết bị lạnh một cách dễ dàng.

b) Chip thông minh cho đọc và nhận dạng thẻ RFID (Radio Frequency

Identification)

Thẻ RFID đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong đời sống

như sau:

- Các hệ thống kiểm soát xâm thực (access control) như kiểm soát

người ra vào cơ quan, bảo vệ việc sử dụng trái phép máy tính,

chương trình máy tính,..

- Các hệ thống chấm công dùng thẻ không tiếp xúc,

- Các hệ thống tự động dùng thẻ RFID (đóng mở cổng, xuất nhập vật

tư, ..v..v..)

Thẻ RFID ngày càng thay thế thẻ từ và mã vạch. Thẻ từ dễ bị xước

trong quá trình sử dụng còn thẻ tiếp cận RFID có tuổi thọ rất cao do được chế

tạo đúc trong thẻ nhựa và không dùng pin. Thẻ hoạt động được bằng việc lấy

năng lượng từ trường được phát ra từ các đầu đọc. Các hệ thống tự động dùng

thẻ tiếp cận nêu trên hiện đang được nhập vào Việt nam với giá thành đắt và

với phần mềm quản lý của nước ngoài không phù hợp với Việt nam. Việc

thay đổi chương trình thường gặp khó khăn vì các hãng sản xuất không cung

17

cấp các thủ tục giao diện với các thiết bị đọc thẻ.

Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang phát triển này đề tài phát triển

các chip thông minh cho việc đọc và nhận dạng các thẻ tiếp cận RFID làm cơ

sở cho việc phát triển các hệ thống tự động sử dụng thẻ mang thương hiệu

Việt nam.

c) Trên cơ sở các chip được thiết kế và chế tạo đề tài sẽ áp dụng các chip

này để phát triển các sản phẩm mới như sau:

• Máy lạnh 12000 BTU 2 cục sử dụng bo điều khiển máy lạnh và bộ

điều khiển từ xa hồng ngoại cho máy lạnh được thiết kế từ các chip của

đề tài.

• Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả năng tái cấu hình

• Hệ thống tự động đóng mở cửa và quản lý nhân sự ra vào cơ quan sử

dụng thẻ RFID bao gồm:

+ Hai đầu đọc thẻ tiếp cận (1 vào và 1 ra)

+ Một bộ điều khiển quản lý hai đầu đọc, điều khiển đóng mở cổng

và kết nối PC

+ Chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cơ quan chạy

trên PC.

d) Nghiªn cøu kÕt hîp c«ng nghÖ FPGA víi c«ng nghÖ PSoC cho thiÕt kÕ

c¸c Module ®o vµ ®iÒu khiÓn theo chuÈn PC/104

Công nghệ FPGA đã được một số Viện nghiên cứu áp dụng. Tuy nhiên

do đặc thù FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC số nên các cơ sở này buộc phải

dùng thêm các IC tương tự rời cho các ứng dụng đo và điều khiển. Các IC

tương tự rời có chức năng cố định và có nhiều hạn chế trong quá trình thay

đổi, hiệu chỉnh thiết kế. Việc kết hợp FPGA với PSoC cho ta khả năng tạo ra

các module đặc chủng mạnh, mềm dẻo, xử lý hỗn hợp tín hiệu analog, digital

và dễ dàng phối ghép với máy vi tính PC.

Đối tượng nghiên cứu cho vấn đề này nhằm tạo ra một card thu thập và

xử lý số liệu theo chuẩn PC/104 có khả năng đặt cấu hình phong phú. Hiện tại

các module PC/104 được sản xuất với các chức năng cố định như Card digital

I/O, Timer-Counter, Analog Inputs, Analog Outputs hoặc phối hợp thành card

thu thập dữ liệu DAC (Data Acquisition System).

Do phối hợp thế mạnh của 2 công nghệ FPGA và PSoC card thu thập

dữ liệu PC/104 của đề tài cho phép người sử dụng định nghĩa các ngoại vi

ADC, DAC, DI, DO, Timer, Counter theo tuỳ thích của mình. Điều này dẫn

đến người sử dụng chỉ cần mua một loại card có khả năng thay thế cho nhiều

loại card PC/104 của các hãng khác nhau.

Các sản phẩm này đều mang thương hiệu Việt Nam và được kiểm

chuẩn và áp dụng thử nghiệm ở hiện trường.

18

2.3. Những nội dung đã thực hiện

2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết và công bố các kết quả khoa học và công nghệ

Đề tài KC.03.20 là đề tài tạo ra các chip và các sản phẩm đo điều khiển

mới mang thương hiệu Việt Nam. Tuy nhiên mỗi một thiết bị đều có nguyên

lý hoạt động, nền tảng lý luận và công nghệ chế tạo của nó. Đặc biệt các

phương pháp xử lý, phần mềm nhúng tạo nên độ thông minh của sản phẩm.

Đề tài đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản và phát triển chip làm cơ sở cho

thiết kế và chế tạo các sản phẩm. Các kết quả nghiên cứu lý luận này đã được

thảo luận ở nhiều seminar và công bố ở các tạp chí, hội nghị khoa học. Tổng

số có 9 công trình đã công bố được liệt kê trong danh sách kèm theo.

Danh mục các công trình khoa học đăng trong các hội nghị khoa học

trong và ngoài nước 2003-2004

Trong

tuyển

tập

Số

trang

STT

Tên bài báo

Tác giả

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

KS. Phan Minh Tân

KS. Chu Ngọc Liêm

KS. Nguyễn Xuân Hoàng

KS. Mai Thị Phương Thảo

Nguyễn Đức Thắng

Nghiên cứu phát

triển bo mạch điều

khiển máy điều hòa

nhiệt độ sử dụng

công nghệ PSoC

1

6

VICA6

Nghiên cứu và phát PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

triển bộ điều khiển KS. Phan Minh Tân

2

từ xa hồng ngoại

KS. Chu Ngọc Liêm

6

cho các thiết bị gia KS. Mai Thị Phương Thảo

dụng

Nguyễn Đức Thắng

Công nghệ chế tạo

chip chuyên dụng

PSoC và khả năng

ứng dụng

Thiết kế và chế tạo PGS.TSKH Phạm Thượng Cát

hệ thống kiểm soát KS. Phan Minh Tân

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

KS. Phan Minh Tân

3

4

5

6

VICA6

xâm thực sử dụng

thẻ tiếp cận

KS.Bùi Thị Thanh Quyên

ThS. Trần Việt Phong

Bộ đo và truyền tín

hiệu nhiệt độ PT100

transductor sử dụng

công nghệ tạo chip

PSoC

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

KS. Chu Ngọc Liêm

5

6

VICA6

19

Tạp chí

tin học

và điều

khiển

Hệ thống nhúng và

thời đại hậu PC

6

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

10

học số

1/2005

Hội nghị

cơ điện

tử toàn

quốc lần

thứ 2

Hội nghị

cơ điện

tử toàn

quốc lần

thứ 2

Hội nghị

cơ điện

tử toàn

quốc lần

thứ 2

Nghiên cứu thiết kế

thiết bị điều khiển

từ xa hồng ngoại

(IRDA) cho các hệ

cơ điện tử

Nghiên cứu phát

triển chip chuyên

dụng trên công nghệ KS. Chu Ngọc Liêm

PSoC cho hệ thống KS. Nguyễn Xuân Hoàng

điều khiển máy lạnh KS. Mai Thị Phương Thảo

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

KS. Phan Minh Tân

KS. Chu Ngọc Liêm

7

8

9

5

8

7

KS. Mai Thị Phương Thảo

PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

KS. Phan Minh Tân

Công nghệ PSoC và PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát

chế tạo đọc thẻ tiếp KS. Phan Minh Tân

cận

KS. Vũ Sỹ Thắng

2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới

2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển máy lạnh

a. Chip DKML-1

Chip DKML-1 được thiết kế trên nền chip trắng CY8C27443 của công

nghệ PSoC. Chip là thành phần điều khiển chính cả phần cứng và mềm của bo

điều khiển máy lạnh.

20

• Các thông số hệ thống của Chip DKML-1 :

+ Áp sử dụng: 5V

+ Dao động trong.

+ Tần số dồng hồ CPU 12 MHz.

+ Tần số đồng hồ hệ thống SysClk 24 Mhz

+ Tần số ngắt Sleep_Timer 1 Hz

+ Có sử dụng WatchDog

- WatchDog được dùng đề phòng trường hơp hệ thống bị rơi vào trạng

thái treo máy do bất kì lí do gì. Máy sẽ được khởi động lại. Sleep_Timer được

dùng để phục vụ WatchDog.

21

• Các khối chức năng của Chip DKML-1:

+ ADC dùng kiểm soát nhiệt độ phòng và kiểm soát nhiệt độ mặt giàn

lạnh.

+ Bộ phân kênh dùng cho mục đích một ADC kiểm soát nhiều điểm đo

khác nhau.

+ Khuyếch đại đệm dùng ổn định đầu vào cho ADC. Khuyếch đại 1:1.

+ Timer_1 và các ngắt GPIO dùng cho các đầu vào điều khiển nút bấm

và điều khiển hồng ngoại.

+ Timer_2 dùng cho mục đích Real Time Clock. Tạo ra bộ đếm xung

đồng hồ dựa trên nguồn xung đồng hồ hệ thống.

Đây là các khối chức năng được xử lí bằng phần cứng, ngoài ra các module

còn lại dùng để điều khiển các đầu ra của hệ như:

+ Module hiển thị, trực tiếp điều khiển các led chỉ thị qua các Port của

chip.

22

+ Module Buzzer, trực tiếp điều khiển loa tín hiệu bằng tần số âm thích

hợp qua Port của chip, có hỗ trợ của mạch đệm công suất.

+ Module Quạt gió và máy nén, điều khiển các relay dóng cắt động cơ

quạt gió và động cơ nén giàn nóng.

+ Module Louver điều khiển động cơ bước dùng cho cánh đảo gió. Áp

dụng theo phương pháp điều khiển Half Stepping là phương pháp cho độ mịn

bước và độ ổn định cao.

* Dưới đây là sơ đồ chân vào ra của chip DKML-1

Chip DKML-1 được thiết kế trên

nền chip trắng CY8C27443 của công nghệ PSoC

* Mô tả chi tiết các chân của chip DKML-1

23

24

b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000 BTU

Từ chip DKML-1 đề tài đã thiết kế và chế tạo bo điều khiển cho máy

lạnh 2 cục 9-12000 và 18000 BTU. Sơ đồ nguyên lý của bo điều khiển máy

lạnh (hình trên) bao gồm các khối sau:

+ Khối nguồn cấp.

+ Khối giao tiếp hồng ngoại, nút bấm, khối đo nhiệt độ (hai kênh) và

khối chỉ thị. Tất cả đều giao tiếp trực tiếp với Chip DKML-1.

+ Khối đầu ra điều khiển máy nén, quạt gió, đảo cánh gió và loa tín

hiệu thì có tầng đệm công suất trong giao tiếp với Chip DKML-1.

25

Sơ đồ mạch của bo điều khiển được mô tả trong hình sau:

26

c. Phần mềm

Phần mềm nhúng trong máy điều hoà nhiệt độ giải quyết các nhiệm vụ

chính sau:

+ Giao tiếp với các đầu vào, nhận lệnh và xử lí các lệnh đó.

+ Đo các thông số nhiệt độ hiện tại và so sánh với các thông số đặt

trước để đưa ra quyết định điều khiển.

+ Đo đếm đồng hồ thời gian thực dùng cho các lệnh và quyết định điều

khiển theo thời gian.

+ Các thuật điều khiển theo các chế độ đặt trước của người dùng.

Bốn vấn để chính trên chính là cốt lõi của phần mềm điều khiển ngoài

ra còn có các module giao tiếp đầu vào và đầu ra, phục vụ cho các đầu thu

thập số liệu vào và các đầu điều khiển ra. Các đầu vào và ra sẽ được sử lí theo

các nguyên lí đo và điều khiển.

Trong cả bốn vấn đề cốt lõi cần giải quyết của phần mềm điều khiển thì

ta thấy tất cả các module đó đều có thể can thiệp vào trạng thái hoạt động của

máy. Chính vì vậy vấn đề được đặt ra là tất cả các module đó phải can thiệp

được vào vấn đề điều khiển các đầu ra của hệ thống, nhưng không được chồng

chéo làm vô hiệu hoá nhau cũng như không làm rối loạn điều khiển. Bên cạnh

đó để đảm bảo sự kịp thời trong vấn để điều khiển, phải được phân chia các

quá trình cũng như xen kẽ để thực hiện một cách kịp thời các quá trình đó.

Với vấn đề đặt ra như vậy, ý tưởng được xây dựng là các trạng thái hoạt

động, điều khiển được xây dựng qua hệ thống các thanh ghi xác lập trạng thái

hoạt động. Cùng một loạt các thanh ghi hỗ trợ dùng trong các trường hợp lưu

giữ tạm thời trong các trạng thái điều khiển.

Ngoài ra còn có các thanh ghi phụ trợ dùng để backup trạng thái của

một số trạng thái điều khiển khác nhau trong các lệnh tạm thời. và nhiều các

biến trạng thái khác được sử dụng kết hợp cho xử lí các giải thuật của chương

trình.

Các thanh ghi này sẽ xác lập trạng thái hoạt động của máy để xác lập

các đầu ra thông qua các module điều khiển đầu ra. Các lệnh đầu vào cũng

can thiệp trực tiếp lên các thanh ghi này, và các module thực hiện các giải

thuật điều khiển cũng tác động lên nó.

Phương pháp đo nhiệt độ

Trên board điều khiển có hai kênh nhiệt độ, một kênh xác định nhiệt độ

phòng, kênh còn lại xác định nhiệt độ mặt giàn lạnh đề phòng hệ thống phân

phối nhiệt trục trạc, gây đóng băng trên bề mặt máy. Nhiệt độ được đo qua hai

cảm biến nhiệt điện trở. Nên khi xác định được giá trị điện trở của nhiệt điện

trở thì ta cũng xác định được nhiệt độ bao quanh nhiệt điện trở đó. Một ADC

được dùng phối hợp với một bộ phân kênh sẽ giúp giải quyết vấn đề này.

Nguyên lí: Hai cổng P0.3 và P 0.5 là hai chân cấp áp tham chiếu, khi

đặt lên hai nhánh của mạch một hiệu điện thế thì sẽ có một dòng chạy qua và

27

tạo áp rơi trên thermistor. Với điện trở tham chiếu có giá trị biết trước, ta xác

định được dòng chạy qua nhánh mạch, đồng thời ta có được áp rơi trên các

thermistor đo được trên port P 0.1 và P0.7 thì tương ứng sẽ xác đinh được

điện trở hiện thời của thermistor. Như vậy hoàn toàn xác định được nhiệt độ

tại các điểm đo của các thermistor.

Sơ đồ nguyên lí:

Thermistor dùng loại 10k chuẩn tại 25⁰C

Thông qua bộ phân kênh ta sẽ lần lượt đo được các giá trị V₀, V₁, V₂,

V₃có:

⎛

⎜

⎞

⎟

⎠

−

_⎜V₁V₂

=

R_thermistor1R_{Re f 1}

−

_⎝V₀V₁

⎛

⎜

⎞

⎟

⎠

−

_⎜V₃V₂

=

R_thermistor2R_{Re f 2}

−

_⎝V₀V₃

Qua công thức này cho thấy, độ chính xác và ổn định của điện trở tham

chiếu rất ảnh hưởng tới kết quả của thermistor đo được.

Sau khi có được R_thermistorta sẽ tính được nhiệt độ của điểm đo dựa trên

đặc tính của sensor.

Loại thermistor được dùng ở dây là loại NTC Thermistor EC95, độ

0

nhạy là -4%/⁰C, độ chính xác có thể đạt được là ±0.1 C, giải đo là -80⁰C →

+150⁰C. Để tính toán được nhiệt độ cần thiết có thể sử dụng hai phương pháp

tra bảng hoặc tính toán theo công thức SteinHart Hart.

Với phương pháp tra bảng thì sẽ tốn bộ nhớ hơn tuy nhiên tốc độ cho ra

kết quả nhanh hơn. Với phương pháp SteinHart Hart thì tiết kiệm bộ nhớ hơn

tuy nhiên tính toán phức tạp hơn, chậm hơn.

Dựa trên yêu cầu thì phương pháp tinh toán SteinHart Hart được lựa

chọn ở đây. Và được tính toán như sau:

3

1

⎛

⎞

⎟

⎛

⎜

⎞²⎛

⎞

⎟

R_t

_{= a + b ln}R_t

+ c

+ d

⎠ ⎝

⎜

ln

⎟ ⎜

T

R₂₅

⎝

⎠

R₂₅

⎝

⎠

28

Trong đó T là nhiệt độ thực tế cần tính toán. Rt là điện trở đã đo và tính

được, R₂₅là điện trở chính xác.

Các hệ số a, b, c, d được tra theo bảng sau:

Rt/R₂₅

a

b

c

d

68.600 to3.274

3.274 to 0.36036

3.3538646E-3 2.5654090E-4 1.9243889E-6 1.0969244E-7

3.3540154E-3 2.5627725E-4 1.9621987E-6 7.3003206E-8

0.36036 to 0.06831 3.3539264E-3 2.5609446E-4 2.0829210E-6 4.6045930E-8

0.06831 to 0.01872 3.3368620E-3 2.4057263E-4 -2.6687093E-6 -4.0719355E-7

Áp dụng công thức trên và bộ hệ số đã cho thì kết quả thu được sẽ

chính là nhiệt độ cần đo.

Hội thọai với Bộ điều khiển xa hồng ngọai

Cả nút bấm và phần nhận lệnh từ bộ điều khiển xa hồng ngọai đều có

trạng thái thường cao. Vì vậy cả hai đều có thể sử dụng ngắt GPIO dạng

falling edge để nhận dạng.Với nút bấm thì khi có ngắt falling edge của đầu

vào nút bấm thì nó sẽ xử lí lệnh Botton_Power. Can thiệp thanh ghi lệnh dựng

cờ báo Botton_Power. Cũng như vậy, đầu thu hồng ngoại cũng được giao diện

qua ngắt GPI. Tuy nhiên, ngắt GPIO mới là bắt đầu của quá trinh nhận dạng

lệnh từ remote control.

Nguyên lí của lệnh từ điều khiển từ xa:

Nguyên lí trên có đặc điểm là: Nếu ta sử dụng một bộ đếm để đếm được

khoảng hạ thấp của các bit và qui đổi theo thời gian thì có thể xác định được

bit start, bit 0, bit 1,… hơn nữa số bit số liệu sẽ chủ động được chứ không giới

hạn ở 8 bit. Phụ thuộc theo giới hạn của tập lệnh điều khiển. Do yêu cầu của

tập lệnh điều khiển trong ứng dụng này, độ dài lệnh là 8 bit được lựa chọn, 8

bit đủ đáp ứng cho độ của tập lệnh.

Tuy nhiên nếu sử lí trực tiếp lệnh trong ngắt sẽ làm cho ngắt quá dài và

có thể làm chương trình trở nên không ổn định. Chính vì vậy có thể dựng cờ

báo lệnh để chương trình sử lí ngoài vòng ngắt. Nhưng nếu hết một vòng quét

chương trinh mới xử lí cờ lệnh thì lại quá lâu, có thể là các lệnh chưa kịp xử lí

29

đã bị lệnh khác chèn vào. Để khắc phục, module kiểm tra cờ lệnh và xử lí lệnh

sẽ được cài vào rải rac trong các quá trình khác để xử lí đan xen trong chương

trình. Tăng tính kịp thời của vấn đề xử lí lệnh lên bằng cách tăng số lần kiểm

soát trong một chu kì quét của chương trình.

Trong quá trinh xử lí ngắt cho Infrared tất cả các ngắt khác: GPIO Int,

Real Time Int, Sleep Timer Int sẽ bị khoá và chỉ được mở lại khi đã thực hiện

xong ngắt này để tránh tranh chấp ngắt gây sai lệch số liệu thu được. Giá trị

mã lệnh thu được sẽ được xử lí trong module ngoài ngắt remote_control() để

tránh làm ngắt quá dài.

Đồng hồ thời gian thực và watchdog.

Đồng hồ thời gian thực dùng đếm thời gian hệ thống. Nguyên lí thực

hiện là dùng một counter đếm và dùng ngắt counter để tăng giá trị thời gian

sau mỗi lần ngắt. Giá trị thời gian đếm được sẽ được xử lí trong các module

chính giải quyết về giải thuật xử lí thời gian.

Ngắt Sleep Timer có tính chất chu kì tương tự khi chọn nó ở tần số 1

Hz, tuy nhiên không thể sử dụng ngắt này cho đồng hồ thời gian thực với độ

chính xác cao, vì ngắt này có mức độ ưu tiên thấp nhất, dễ bị làm sai lệch bởi

các ngắt khác. Tuy nhiên đây là ngắt cần thiết dùng cho WatchDog.

WatchDog sẽ tự động reset hệ thống khi vì một lí do nào đó mà hệ bị treo

(chương trinh lỗi, nhiễu loạn…). Khi hệ thống bị time_out khoảng 3 chu kì

sleep timer mà không Clear WatchDog thì hệ thống sẽ auto reset. Đây là một

tính chất cần có để hệ thống có thể chạy ổn định mà tránh phiền phức nhất cho

người sử dụng.

CÁC MODULE ĐIỀU KHIỂN

Đèn chỉ thị, quạt gió và máy nén

Các đèn chỉ thị có công suất nhỏ nên được điều khiển trực tiếp mà

không cần sử dụng tới tầng đệm công suất. Tuy nhiên, đèn được treo ở mức

thường cao cho nên để bật đèn ta cần đưa chân điều khiển về mức thấp. Điều

khiển theo mức logíc ngược. Ưu điểm của phương thiết kế mạch điều khiển

thường cao là giảm tải cho các chân điều khiển của µC. Đầu ra chỉ tiêu công

suất khi chân điều khiển hạ xuống mức thấp, chính vì vậy giảm tải cho µC,

nếu trong trường hợp công suất tiêu hao khi mức điều khiển cao thì có thể

xảy ra trường hợp mức áp duy trì không đủ, non áp khi đầu ra cần một công

suất tương đối. Tuy nhiên, điêu đó chỉ có ý nghĩa khi cần giao tiêp ngoài với

mức logic cần ổn định, và với các µC có công suất tải trên các chân không

được tốt. Đối với PSoC cũng như trong trường hợp điều khiển LED chỉ thị

thì điều này không có nhiều ý nghĩa vì công suất tải của PSoC rất tốt cũng

như mức logic đối với LED là không quan trọng.

Các đầu ra điều khiển relay đóng cắt động cơ quạt gió và động cơ nén

đòi hỏi công suất điều khiển lớn hơn, chính vì vậy cần có tầng đệm công

suất.

30