baocaothuctap

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................2PHẦN A : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VỆ TINH VÀ ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH.................4

Chương I: VỆ TINH...................................................................................................................4

1.1. Khái niệm..............................................................................................................41.2. Các loại vệ tinh.....................................................................................................41.3. Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam.............................................................................6

Chương II: ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH..........................................................................................8

2.1. Tổng quan về ADCSS..........................................................................................82.2. Hệ thống đo........................................................................................................10

2.2.1. Cảm biến xác định tư thế………………………………………………….102.2.2. Cảm biển mặt trời…………………………………………………………11

2.3. Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh....................................................................122.3.1. Các vật nặng……………………………………………………………….132.3.2. Thanh trượt khối lượng …………………………………………………...13

2.4. Hệ thống điều khiển dùng bánh xe động lượng.................................................162.5. Hệ thống điều khiển dùng thanh từ lực..............................................................19

PHẦN B: THIẾT KẾ MẠCH TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH SỬ DỤNG GIAO THỨC TCP-IP...........................................................................................21

Chương III: THIẾT KẾ MẠCH TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯ THẾ VỆ TINH SỬ DỤNG GIAO THỨC TCP-IP..................................................................................21

3.1. Tổng quan chung................................................................................................213.1.1. Giao tiếp TCP-IP…………………………………………………………..213.1.2. AVR và lập trình vơi AVR………………………………………………..22

3.2 – Thiết kế mạch truyền thông trong điều khiển tư thế vệ tinh sử dụng giao thức TCP-IP.......................................................................................................................24

3.2.1. Mạch nguyên lý……………………………………………………………243.2.2. Hướng dẫn mạch nạp và code cho board điều khiển……………………...25

KẾT LUẬN.......................................................................................................................41

_____________________________________________________________________Nguyễn Thành Nam Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội

1


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc

nhất tới toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho

chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học

vừa qua.

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới

Ths.Nguyễn Thị Hồng Hanh, KS. Huỳnh Xuân Quang, người đã tận tình

hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm

hết sức quí báu trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới các thầy

cô, anh chị đang công tác tại Viện Công nghệ Vũ trụ-Viện khoa học Việt

Nam đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực

tập tại Viện.

Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những

tình cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn

thể bạn bè những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình học tập.


2


Tóm tắt nội dung đề tài :

Đề tài : Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh gồm 2 phần chính :

Phần A - Quá trình tìm hiểu và cơ sở lý thuyết . Nội dung :

Giới thiệu tổng quan về hệ mô phỏng Hardware In the Loop – HIL,ứng dụng hệ HIL trong hàng không – vũ trụ

Tìm hiểu tổng quan một số điều kiện không gian tác động lên vệ tinh .

Phần B - Xây dựng hệ thống phần cứng trong mô phỏng điều kiện nhiệt độ ngoài không gian tác động lên vệ tinh .Nội dung :

Vi điều khiển AVR và lập trình cho vi điều khiển : mạch nạp cho AVR ,chương trình biên dịch AVR,…

Thiết kế bộ phần cứng sử dụng ATMEGA32 .


3


PHẦN A : QUÁ TRÌNH TÌM HIỂU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT .

Chương I: HỆ MÔ PHỎNG HIL- HARDWARE IN THE LOOP,MỘT SỐ HỆ HIL .

1.1. Khái niệm chung.

- Hardware in the loop (HIL) là một dạng mô phỏng thời gian thực được sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả năng của phần mền điều khiển dưới điền kiện diến biến thời gian sát với thực tế. Điều này có ý nghĩa quan trong khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp nhiều phần tử.- Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên lý HIL nhằm :

Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển . Giảm chi phí trong quá trình thiết kế . Tránh được những sai sót không đáng có khi ứng dụng thực tế .

Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, hệ điều khiển vệ tinh được mô phỏng theo nguyên lý trên, bằng cách sử dụng một số cung cụ sau:

Phần mền: Matlab/simulink, labview,… Phần cứng: xPC target,Dspace,HIL National Instruments…

1.2. Mục đích sử dụng phương pháp hardware – in – the – loop.

Hệ thống kiểm tra sản phẩm là một trong những chi phí lớn trong việc phát

triển một sản phẩm phức tạp. Sự cẩn thiết để giảm thiểu thời gian để thị trường

đồng thời sản xuất một sản phẩm, kiểm tra kỹ lưỡng là những thửu thách to lớn.

Tăng mức độ phức tạp trong hệ thống phần cứng và phần mền đang làm cho vần

đề ngày nghiêm trọng hơn với mỗi thế hệ mới của sản phẩm. Ngoài ra, với bất kỳ

thay đổi quan trọng nào được thực hiện cho phần cứng của sản phẩm hiện hành

hoặc các phần mền phải được triệt để hồi quy được kiểm tra để xác nhận rằng

những thay đổi không tạo ra những hiệu ứng mong muốn.

Máy tính nhúng ngày càng trở lên phổ biến trong các hệ thống an toàn, cần

được thử nghiệm kỹ lưỡng hơn. Rõ ràng, có một sự cấp bách cần phải đẩy nhanh

và tự động hóa hệ thống cấp thửu nghiệm càng nhiều càng tốt trong những hạn chế

của hệ thống kiểm tra chi phí và phát triển.


4


Phương pháp mô phỏng Hardware – in – the – loop là một kỹ thuật để thử

nghiệm hệ thống cấp thực hiện của các hệ thống nhúng một cách toàn diện, hiệu

quả, và lặp lại. Mô phỏng hardware – in – the – loop thường được dùng trong việc

phát triển và thử nghiệm các hệ thống nhúng, khi các hệ thống không thể thử

nghiệm một dễ dàng, triệt để, và có thể được diễn ra trong môi trường hoạt động

này.

Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop đỏi hỏi sự phát triển

của mô phỏng thời gian thực, các mô hình của một số phần trong hệ thống nhúng

thử nghiệm và tất cả các tương tác có ý nghĩa trong môi trường hoạt động. Mô

phỏng có thể theo dõi hệ thống thử nghiệm của đầu ra tín hiệu và tạo ra đầu vào tín

hiệu của hệ thống thử nghiệm ở một số thời điểm thích hợp. Đầu ra của hệ thống

thử nghiệm là tín hiệu từ các thiết bị truyền hình động thường bao gồm các lệnh và

điều hành hiển thị thông tin. Đầu vào để hệ thống thử nghiệm bao gồm các tín hiệu

của cảm biến và các lệnh từ điều hành. Các kết quả đầu ra từ hệ thống nhúng phục

vự như là đầu vào của mô phỏng và mô phỏng tao ra kết quả và trở thành đầu vào

của hệ thống nhúng.

Trong hình hệ thống thử nghiệm có giao diện với cảm biến và cơ cấu chấp

hành, hiển thị thông tin chấp nhận lệnh đầu vào. Trong ví dụ này thì các lệnh được

tảo bởi các mô phỏng kích thích hệ thống trong thử nghiệm. Việc sử dụng tổng


5


hợp tao ra lệnh điều khiển cho phép tự động các trình tự kiểm tra và cho phép lặp

lại chính xác cảu các mẫu đó.

Bạn có thể áp dụng các mô phỏng hardware – in – the – loop thử nghiệm ý

tưởng cho đến một loạt các hệ thống, từ các thiết bị tương đối đơn giản chẳng hạn

như một bộ điều khiển nhiệt độ phòng đến các hệ thống phức tạp như hệ thống

điều khiển máy bay. Mô phỏng hardware – in – the – loop còn được sử dụng trong

việc phát triển và thử nghiệm phức tạp trong các hệ thống quân sự, tên lửa, điều

khiển vệ tinh…

Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop có thể giúp bạn phát

triển sản phẩm nhanh hơn và chi phí hiệu quả hơn với các thử nghiệm được cải

thiện triệt để. Một lợi ích của mô phỏng hardware – in – the – loop là làm giảm

khả năng của các vấn đề nghiêm trọng trong sản phẩm một cách đáng kể. Trong

gian đoạn phát triển sản phẩm, mô phỏng hardware – in – the – loop là một công

cụ có giá trị tối ưu hóa thiết kế thực hiện và sửa lỗi cả phần cứng lẫn phần mền.

Tuy nhiên với một mô phỏng hardware – in – the – loop (hoặc bất kỳ mô

phỏng nào) để sản xuất ra đáng tin cậy, nó rất quan trọng để chứng minh rằng môi

trường mô phỏng là một việc rất quan trọng trong thực tế. Đây là nơi mà các khái

niệm của mô phỏng và kiểm tra được xác nhận.

1.3. Điều kiện và kết quả cho việc mô phỏng.

Trước khi có thể mô phỏng hardware – in – the – loop được sử dụng để

kiểm tra, thì việc phải kiểm tra xem thiết bị mô phỏng và môi trường mô phỏng

của nó có trong mô phỏng hardware – in – the – loop có đầy đủ không. Điều kiện

là quá trình chứng minh các mô phỏng hardware – in – the – loop thực hiện chính

xác các mô hình toán học về khái niện của hệ thống thử nghiệm và môi trường của

nó. Kết quả là được thực hiện bằng cách so sánh kết quả mô phỏng hardware – in

– the – loop với kết quả phân tích tính toán hoặc từ kết quả độc lập với hệ thống

thử nghiệm.

Nếu kết quả thử nghiệm không chính xác phù hợp với kết quả mô phỏng

hardware – in – the – loop. Những sai sót trong mô phỏng giao diện phần mền

hoặc phần cứng cũng trở lên rõ ràng hơn trong mô phỏng khi tiến hành kiểm tra

kết quả.


6


Sau khi mà các độ lệch giữa hiệu suất của hệ thống nhúng trong môi trường

hoạt động và trong mô phỏng hardware – in – the – loop đã được giảm đến một

mức độ chấp nhận được và đúng tài liệu thì các mô phỏng hardware – in – the –

loop là đúng. Mô phỏng thử nghiệm hardware – in – the – loop sau đó có thể sử

dụng để thay thế hoặc làm tăng thêm thử nghiệm vận hành của hệ thống miễn là

môi trường được mô phỏng nằm trong phạm vi điều kiện của mô phỏng đó. Khi

làm việc với điều kiện của mô phỏng cần phải hiểu được phạm vị của điều kiện đó

trong môi trường đã được thử nghiệm. Khi thực hiện sửa đổi điều kiện mô phỏng

thì phải kiểm soát được cấu hình của phần mền và thực hiện sao cho hiệu suất mô

phỏng khôg bị ảnh hưởng khi thay đổi.

1.4. Phần cứng và phần mền của mô phỏng hardware – in – the – loop .

Để phát triển một mô phỏng hardware – in – the – loop, cần phải tính toán

phù hợp và phần cứng I/O cũng như phần mền để thực hiện các mô hình mô phỏng

thời gian thực và I/O hoạt động.

Mô phỏng phần cứng máy tính.

Ngoài các hệ thống thử nghiệm, phần cứng được sử dụng trong một mô phỏng

hardware – in – the – loop phải bao gồm:

+ Một hệ thống máy tính có khả năng đáp ứng việc thực hiện thời gian thực

yêu cầu của mô phỏng.

+ thiết bị mô phỏng trên máy tính cho phép kiểm soát điều khiển của mô

phỏng cũng như mô phỏng thu thập dữ liệu, lưu trữ, phân tích và hiển thị.

+ Một tập hợp các I/O giao diện giữa mô phỏng máy tính và các hệ thống

thực nghiệm.

1.5. Yêu cầu thời gian thực .

Yêu cầu đối với các máy tính mô phỏng phụ thuộc vào đặc điểm của hệ

thống nhúng để thử nghiệm và của môi trường hoạt động như:

+ các hệ thống thử nghiệm của I/O và tốc độ truyền dữ liệu của I/O.

+ sự phức tạp của yếu tố hệ thống thử nghiệm và môi trường hoạt động

được mô phỏng trong phần mền mô phỏng.

Thiết bị I/O


7


Có nhiều loại thiết bị I/O khác nhau được sử dụng trong hệ thống nhúng. Trong

mô phỏng hardware – in – the – loop, một thiết bị I/O được cài đặt trong mô

phỏng máy tính kết nối với hệ thống mô phỏng cổng I/O. Giao diện I/O có sẵn từ

nhiều phía được hỗ trợ các tín hiệu như:

+ Analog (DACs và ADCs).

+ tín hiệu số không liên tục.

+ Serial (RS-232 hoặc RS-422).

+ Dữ liệu thời gian thực.

+ Network (ethernet).

+ thiết bị mô phỏng.

Một bảng tóm tắt cho một hiệu suất cao thời gian thực hệ thống máy tính bao gồm:

+ CPU hiệu năng cao.

+ Hỗ trợ cho các hoạt động thời gian thực.

+ Tỉ lệ truyền dữ liệu cao.

+ hỗ trợ cho một loạt các thiết bị I/O.

1.6. Phần mền mô phỏng cơ cấu chấp hành .

Các phần mền mô phỏng có chứa các đoạn mã đó thực hiện nhiệm vụ cần

thiết trong thời gian thực mô phỏng.

Các phần mền mô phỏng hardware – in – the – loop có thể được tách thành

ba phần cơ bản sau:

+ Khởi động của phần mền mô phỏng và phần cứng bên ngoài.

+ vòng động năng bao gồm I/O, mô hình mô phỏng đánh giá và trạng thái

biến đổi.

+ Dừng của phần mền mô phỏng và phần cứng bên ngoài.


8



9

Khởi tạo mô phỏng và phần cứng

Từ thiết bị đầu vào

Đánh giá các mô hình mô phỏng

Viết thiết bị đầu ra

And or run ?

Tích hợp các biến trạng thái

Sự chậm trễ của thời gian cho đến khi cơ cầu bắt đầu

Tắt máy mô phỏng và phàn cứng

yes

no


1.7. Hệ thống mô phỏng HIL ứng dụng trong hàng không vũ trụ :

Hệ thống mô phỏng HIL trong hàng không vũ trụ đóng vai trò đặc biệt quan trọng,ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng động cơ động lực,điều khiển động cơ động lực,mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh,vệ tinh Pico,…

Những hệ HIL tiên phong trong hàng không vũ trụ có thể kể đến : xPC Target,Dspace,National Instrucments-NI,… có rất nhiều ứng dụng trong việc nghiên cứu mô phỏng động cơ phản lực,các vệ tinh và quỹ đạo của chúng,môi trường ngoài không gian,…Ở Việt Nam,hệ mô phỏng HIL cũng được ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo vệ tinh Pico,hệ mô phỏng điều khiển vệ tinh ADCSs - Attitude Determination and Control System simulator :

Hình 1.7.1 – Hệ mô phỏng xPC Target .


10


Hình 1.7.2- Hệ mô phỏng HIL National Instrucment Hình 1.7.3 – Hệ mô phỏng Dspace .

Hình 1.7.4- Hệ mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh ADCS


11


Chương II: MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH PICO .

2.1. Yêu cầu đặt ra cho hệ điều khiển nhiệt độ.

Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng kỹ thuật điều khiển thụ động và chủ

động để giữ nhiệt độ của vệ tinh nằm trong giới hạn cho phép.

Hệ thống này bị ngắt trong suốt quá trình vệ tinh ở dưới mặt đất, lúc phóng

và khi vệ tinh được phóng lên. Hệ thống phụ trợ được điều khiển theo phương

thức thụ động khi ở trên quỹ đạo, và điều khiển chủ động kích hoạt nếu cần.

2.2. Môi trường nhiệt độ của vệ tinh Pico.

Vệ tinh Pico sẽ được tiếp xúc với các điều kiện vật chất và các điều kiện khác

so với ở trên Trái đất. Bức xạ của mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất của tất cả

các điều kiện trên các con tàu vũ trụ vệ tinh. Các bức xạ phát ra từ mặt trời thường

là không thay đổi trong vòng một phần nhỏ của 1% ở tất cả các lần. Tuy nhiên, do

quỹ đạo hình elip của Trái Đất, cường độ bức xạ của mặt trời đạt ở quỹ đạo thấp

thay đổi theo khoảng tùy thuộc vào khoảng cách của Trái Đất tới Mặt Trời.

Trong mùa hè (phía bắc bán cầu) cường độ ở mức tối thiểu và khi ở

đông chí tối đa đạt được là . Giá trị của các năng lượng Mặt Trời liên

tục thay đổi, thay đổi do khoảng cách trung bình của Trái Đất và Mặt Trời. Độ

lệch tâm này thể hiện đến mức độ nào của Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời

khác từ một vòng tròn, quỹ đạo elip được phần nào và một độ lệch tâm cao hơn

tương ứng một quỹ đạo hình elip hơn.

Các bức xạ của mặt trời là phản chiếu của một hành tinh hay không khí của

nó được biết đến như là suất phản chiếu. Suất phản chiếu của Trái Đất được tính

theo tỷ lệ phần trăm của ánh sáng Mặt Trời đó là sự phản xạ trở lại vào không gian

và biến đổi cao và giá trị được giả định là 34%. Tuy nhiên phản xạ ở các khu vực

là khác nhau và thường thì tăng theo giảm góc độ cao và mây che phủ ngày càng

tăng.

Trái Đất không chỉ phản xạ ánh sáng bức xạ của mặt trời, mà còn phát ra

bức xạ dài của sóng hồng ngoại do nhiệt độ của nó. Trái Đất, cũng như vệ tinh, đạt

được cân bằng nhiệt độ bằng cách cân bằng nhiệt độ nhận được (hấp thụ) từ Mặt

Trời với năng lượng tái phát ra bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài vào không


12


gian. Cân bằng này là chính nhận được trên cơ sở trung bình trên toàn cầu hàng

năm. Có giá trị vào khoảng phát ra từ bề mặt của Trái Đất.

Ở độ cao của vệ tinh trên nền không gian này là màu đen. Bức xạ (tia

gamma, tia X, tia cực tím, tia nhìn thấy được, tian hồng ngoại và vô tuyến) từ

không gian sâu thẳm đại diện cho một số lượng rất nhỏ các năng lượng. Các nền

nhiệt độ cho vệ tinh trong không gian khoảng 3K và áp suất xung quanh là rất gần

vối tổng số chân không. Điều này sẽ gây ra các biến về môi trường nhiệt độ bức xạ

tiêu cực ở bề ngoài của vệ tinh. Vì vậy, các lớp bên ngoài của vệ tinh có tấm cách

nhiệt có thể đạt đến nhiệt độ của khi chuyển hướng tới mặt trời và đến

khi ở bóng tối của Trái Đất của vệ tinh.

Hình3.1 : môi trường nhiệt độ của vệ tinh trên quỹ đạo

Vệ tinh pico vào không gian tương tác với môi trường của mình bằng bức

xạ. Trao đổi năng lượng có nghĩ là: bức xạ Mặt Trời, suất phản chiếu (albedo), bức

xạ hồng ngoại từ Trái Đất và bức xạ từ tàu vũ trụ vệ tinh vào không gian sâu. Mục

đích của vệ thiết kế nhiệt là để duy trì nhiệt độ của tất cả các thành phần của tàu vũ


13


trụ vệ tinh trong giới hạn nhiệt độ mong muốn bằng cách sử dụng cơ bản cân bằng

năng lượng yêu cầu:

2.3. Bức xạ của Mặt Trời

Năng lượng từ cường độ Mặt Trời khác nhau như và phụ thuộc vào hàm

của bước sóng. Sự phân bổ năng lượng là khoảng 7% tia cực tím, 46% là tia nhìn

thấy và 47% là tia hồng ngoại với toàn bộ năng lượng bằng đến

.

Hình3.4: Phân phối của bức xạ mặt trời trong LEO

2.4. Từ không gian Trái Đất

Bức xạ phát ra từ Trái Đất có giá trị vào khoảng . Bức xạ

này tác động lên quỹ đạo của vệ tinh ở trong quá trình di chuyển xung quanh Trái

Đất của vệ tinh. Nhưng giá trị của tia hồng ngoại lại phụ thuộc vào khoảng cách từ

vệ tinh đến Trái Đất, nó giảm theo năng lượng của .

ở đây :


14


Với : góc bán kính của Trái Đất.

Hình3.5 : mối quan hệ giữa vệ tinh và trung tâm Trái Đất


15


PHẦN B : THIẾT KẾ BỘ PHẦN CỨNG TRONG HỆ MÔ PHỎNG HIL MÔ PHỎNG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH .

Chương III: AVR VÀ LẬP TRÌNH VỚI AVR .GIAO THỨC TCP-IP .

3.1 – AVR và lập trình với AVR .3.1.1.Cấu trúc bộ nhớ:

Cũng như mọi vi điều khiển khác AVR có cấu trúc Harvard tức là có bộ nhớ và đường bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.

Sơ đồ bộ nhớ:


16


Ta thấy không gian bộ nhớ của bộ nhớ chương trình gồm 4Kx8 và có địa chỉ từ 0000H tới FFFH.

Bộ nhớ dữ liệu gồm hai phần: bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM trong đó không gian bộ nhớ RAM lại chia làm 3 phần: Các thanh ghi chức năng chung, các thanh ghi vào ra và cuối cùng là 512 byte bộ nhớ SRAM. Bộ nhớ EEPROM mặc dù cùng là một phần của bộ nhớ dữ liệu nhưng lại hoàn toàn đứng độc lập như một bộ nhớ độc lập và cũng được đánh địa chỉ riêng.

a - Bộ nhớ dữ liệuAVR có 32 thanh ghi chức năng chung và chúng được liên kết trực tiếp với

ALU đây là điểm khác biệt của AVR và tạo cho nó một tốc độ xử lý cực cao. Các thanh ghi được đặt tên từ R0 tới R31. Và đặc biệt cặp 6 thanh ghi cuối (từ R6 tới R31) từng đôi một tao thành các thanh ghi 16 bit sử dụng làm con trỏ trỏ tới bộ nhớ chương trình và dữ liệu. Chúng lần lượt có tên là X, Y, Z.


17


Không gian các thanh ghi cổng vào ra bao gồm cá thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển cho cổng vào ra.(Phần này sẽ được nói tới trong phần lập trình cho các thiết bị ngoại vi).

Cuối cùng là bộ nhớ SRAM.

b - Bộ nhớ chương trình:

Bộ nhớ chương trình có địa chỉ từ 0000H tới 0010H được dành cho bảng véc tơ ngắt.


18


3.1.2.Các chế độ truy nhập địa chỉ của AVRa - Địa chỉ thanh ghi đơn trực tiếp

Ở chế dộ này địa chỉ của thanh ghi được lấy trực tiếp từ vùng các thanh ghi (từ 0 tới 31).

b - Địa chỉ hai thanh ghi trực tiếpĐây là chế độ mà trong một lênh ALU truy nhập trực tiếp vào hai thanh ghi.

Chế độ này hoàn toàn tương tự như chế độ trên.

c - Địa chỉ trực tiếp cổng vào ra


19


Trong đó địa chỉ của toán hạng được chứa trong 6 bit của một từ lệnh .n là địa chỉ của thanh ghi nguồn hoặc đích.

d - Trực tiếp dữ liệuĐịa chỉ của dữ liệu trong RAM được đưa trực tiếp vào lệnh.

e - Địa chỉ dữ liệu gián tiếp cùng với dịch chuyển

f - Địa chỉ gián tiếp dữ liệu:

Đây là cách mà CPU truy nhập tới dữ liệu trong RAM thông qua thanh ghi X,Y,Z địa chỉ của dữ liệu được lưu trong thanh ghi này.


20


g- Địa chỉ dữ liệu gián tiếp cùng với tăng hoặc giảm con trỏ

h - Địa chỉ của hằng số trong bộ nhớ chương trình.

Cách này chỉ sử dụng cho lệnh LPMĐịa chỉ của hằng số được lưu trong thanh ghi Z

i - Địa chỉ bộ nhớ chương trình gián tiếp:


21


Địa chỉ đoạn mã được trỏ bởi thanh ghi Z sử dụng trong các lệnh IJMP và ICALL.

k -. Địa chỉ tương dối của bộ nhớ chương trình

Cách định địa chỉ này dùng cho các lệnh RJMPvà RCALL khi đó CPU sẽ có giá trị PC+k+1.

3.1.3.Các thanh ghi chức năng đặc biệtBao gồm các thanh ghi dữ liệu và các thanh ghi điều khiển các cổng vào ra.

Chúng có thể truy nhập được bằng 2 cách: Bằng địa chỉ trực tiếp

Ví dụ: STR $3F,R11hoặc: STR SREG.R11

Hoặc có thể truy nhập gián tiếp chúng thông qua thanh ghi X, Y, Z.Ví dụ :

LDI R28,0x00LDI R27,0x5FSTD X,R11

Hai ví dụ này hoàn toàn tương đương, đều ghi dữ liệu vào thanh ghi SREG.


22


a - Status Register (SREG)

Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số học và logic.

C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập)Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0)N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm) V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù

2)V, For signed tests (S=N XOR V)S: N H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau)T: Transfer bit used by BLD and BST instructions(Được sử dụng làm nơi

chung gian trong các lệnh BLD,BST).I: Global Interrupt Enable/Disable Flag (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt.Nếu

bit này ở trang thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.)Registers and Operands (kí hiệu các thanh ghi và các toán hạng)Rd: Thanh ghi đích (một trong 32 các thanh ghi chức năng chung)Rr: Thanh ghi nguồn (Một trong 32 thanh ghi chức năng chung)R: Kết quả sau khi lệnh chạy.K: Hằng số dữ liệuk: Hằng số địa chỉ (Có thể là một nhãn hoặc một địa chỉ cụ thể)b: Bit trong thanh ghi chức năng chung hoặc trong thanh ghi chức năng đặc

biệt (0-7).s: Bit trong thanh ghi trạng thái (0-7).X,Y,Z: Thanh ghi địa chỉ (Để trỏ tới địa chỉ trong RAM,hoặc Z có thể trỏ tới

địa chỉ trong ROM). (X=R27:R26, Y=R29:R28 and Z=R31:R30)A: I/O location addressq:Chỉ số cho các địa chỉ trực tiếp (0-63).

b - SP Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức

năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (Trong bộ nhớ RAM là $5E). Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp.


23


Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lơn hơn hợc bằng 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi.

Tại sao lại sử dụng AVR ?

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến). AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí.

Tại sao lại sử dụng AVR: so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử

dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các

khối thạch anh).

Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp

chỉ cần vài điện trở là có thể làm được. một số AVR còn hỗ trợ lập trình on –

chip bằng bootloader không cần mạch nạp…


24


Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích .

Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên

internet.

Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau:

Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên

đến 8 MHz (sai số 3%)

Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng

lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được

EEPROM.

Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional).

8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.

Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.

Chức năng Analog comparator.

Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232).

Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và

Slaver.

Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

…

3.2– Mạch nạp cho AVR .

Có rất nhiều mạch nạp cho AVR,tuy nhiên mạch nạp đơn giản,thông dụng và tiện lợi hơn cả có thể chọn AVR -910.

AVR910 USB Programmer mà một mạch nạp ISP sử dụng để lập

trình cho tất cả các dòng Vi điều khiển AVR. Một mạch nạp cực kì nhỏ


25


gọn, tiện lợi và có giá thành hấp dẫn. AVR910 có thể sử dụng cùng với phần

mềm AVRProg 1.4 đi kèm trong bộ AVR Studio của chính hãng Atmel, hoặc

sử dụng với CodeVisionAVR, một trình biên dịch C nổi tiếng được sử dụng

cực kì rộng rãi. Sau đây là hướng dẫn chi tiết cách cài đặt mạch nạp AVR910

trên máy tính và cách thức cấu hình để có thể sử dụng trơn tru với 2 phần

mềm đã đề cập ở trên.

Cài đặt driver :

AVR910 sử dụng cổng COM ảo (Virtual COM Port) để kết nối với

phần mềm trên máy tính, vì vậy khi cắm mạch nạp vào cổng USB của máy

tính, Hệ điều hành sẽ thông báo cần cài đặt Diver cho thiết bị mới :


26


Hình 3.2.1

Tại hộp thoại Found New Hardware Wizard chọn No, not this time

và nhấn Next để tránh việc Windows tự động tìm kiếm Driver trên Internet.

Hình 3.2.2

Tiếp theo chọn Install From a list or specific location (Advanced)

và bấm Next, ta sẽ chỉ định Diver cần dùng cho thiết bị.


27


Hình 3.2.3

Trong hộp thoại tiếp theo, chọn Search for the best driver in these

locations, đánh dấu ô Include this location in the search, sau đó nhấn nút

Browse để trỏ đến thư mục chứa Driver cho thiết bị, cuối cùng nhấn Next.

(Driver này có sẵn trên website hoặc trên CD khi mua kèm sản phẩm, ở đây

minh họa quá trình cài đặt Driver trênWinXP, đối với Windows Vista các bạn

cần giải nén file Zip chứa Driver trước khi sử dụng).


28


Hình 3.2.4

Hình 3.2.5


29


Hệ thống sẽ tiến hành cái đặt Driver cho mạch nạp, quá trình này có

thể nhanh hoặc chậm tùy thuộc vào từng máy tính, cuối cùng sẽ hiện lên

thông báo của Windows như hình bên phải. Chọn Continue Anyway để cài

cho phép cài đặt Driver không được chứng nhận bởi Microsoft.

Hình 3.2.6

Sau khi cài đặt, ta có thể theo dõi thiết bị bằng cách sử dụng Device Manager của Windows.

Vào Control Panel—System—Advanced—Device Manager, ta có hộp thoại Device Manager hiện lên.


30


Hình 3.2.7

Mở nhánh Ports (COM & LPT), ta sẽ thấy có thông báo mạch nạp

AVR910 đang được kết nối với máy tính, cổng COM gán cho mạch là

COM18. Ở đây có một số điểm cần lưu ý:

- Cần kết nối mạch nạp với máy tính thì trong phần Ports (COM&LPT) mới hiện lên thông báo về thiết bị.

- Với các máy tính xách tay không có các cổng COM và LPT thực. Phần Ports (COM & LPT) sẽ không hiện lên nếu không có thiết bịnào được gắn vào.

- Tên cổng COM gán cho thiết bị phụ thuộc vào từng máy tính,

không phải đều giống nhau, tuy nhiên cần lưu ý rằng AVR Prog chỉ hoạt

động với các cổng COM từ 1-4 và CodeVisionAVR chỉ hoạt động với các

cổng COM từ 1-6. Do đó nếu cổng COM được gán tự động ra ngoài khoảng

này, ta cần tiến hành gán lại cổng COM bằng tay cho phù hợp.

Gán lại tên cổng COM cho thiết bị:

Kích đúp chuột lên nhánh PNLab AVR910 USB Programmer để mở hộp


31


thoại Properties của thiết bị:

Hình 3.2.8

Chọn Tab Port Settings, nhấn nút Advanced… ta sẽ có hộp thoại Advanced Settings.


32


Hình 3.2.9

Trong danh sách COM Port Number, ta chọn một trong các cổng

COM 1-4 (để có thể sử dụng với cả 2 phần mềm), tốt nhất là chọn một cổng

COM không bị đánh dấu in use (đã được sử dụng bởi một phần mềm khác),

trong trường hợp tất cả đã bị đánh dấu, ta vẫn có thể lựa chọn cổng in use, ở

đây minh họa với cổng COM1, chọn COM1 và nhấn OK.

HÌnh 3.2.10


33


Ngay lập tức Windows đưa ra thông báo, nhấn Yes để chấp nhận dùng

chung cổng với thiết bị khác, sau đó nhấn OK trên hộp thoại Properties. (lưu

ý rằng trong đa số các trường hợp, việc dùng chung cổng này không ảnh

hưởng gì đến hoạt động của thiết bị, tuy nhiên cần lưu ý vì nếu cả 2 thiết bị

dùng chung cổng cùng được kết nối thì sẽ xảy ra tranh chấp và cả 2 thiết bị sẽ

không hoạt động – trường hợp này có thể xảy ra với các thiết bị Bluetooth

hoặc một mạch nạp khác sử dụng COM ảo.)Rút mạch nạp khỏi cổng USB và cắm lại, theo dõi trong Device

Manager sẽ thấy cổng COM mới đã được gán:

Hình 3.2.11


34


3.3 – Giao thức TCP-IP .

Giao thức TCP/IP được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùng như giao thức mạng và vận chuyển trên mạng Internet. TCP (Transmission Control Protocol) là giao thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thức thuộc tầng mạng của mô hình OSI. Họ giao thức TCP/IP hiện nay là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất để liên kết các máy tính và các mạng.

Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao thức TCP/IP để liên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với kỹ thuật khác nhau. Giao thức TCP/IP thực chất là một họ giao thức cho phép các hệ thống mạng cùng làm việc với nhau thông qua việc cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng.

a. IP

Nhiệm vụ chính của giao thức IP là cung cấp khả năng kết nối các mạng con thành liên kết mạng để truyền dữ liệu, vai trò của IP là vai trò của giao thức tầng mạng trong mô hình OSI. Giao thức IP là một giao thức kiểu không liên kết (connectionlees) có nghĩa là không cần có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền dữ liệu.

Sơ đồ địa chỉ hóa để định danh các trạm (host) trong liên mạng được gọi là địa chỉ IP 32 bits (32 bit IP address). Mỗi giao diện trong 1 máy có hỗ trợ giao thức IP đều phải được gán 1 địa chỉ IP (một máy tính có thể gắn với nhiều mạng do vậy có thể có nhiều địa chỉ IP). Địa chỉ IP gồm 2 phần: địa chỉ mạng (netid) và địa chỉ máy (hostid). Mỗi địa chỉ IP có độ dài 32 bits được tách thành 4 vùng (mỗi vùng 1 byte), có thể biểu thị dưới dạng thập phân, bát phân, thập lục phân hay nhị phân. Cách viết phổ biến nhất là dùng ký pháp thập phân có dấu chấm (dotted decimal notation) để tách các vùng. Mục đích của địa chỉ IP là để định danh duy nhất cho một máy tính bất kỳ trên liên mạng.

b. TCP

TCP là một giao thức "có liên kết" (connection - oriented), nghĩa là cần phải thiết lập liên kết giữa hai thực thể TCP trước khi chúng trao đổi dữ liệu với nhau. Một tiến trình ứng dụng trong một máy tính truy nhập vào các dịch vụ của giao thức TCP thông qua một cổng (port) của TCP. Số hiệu cổng TCP được thể hiện bởi 2 bytes.

Một cổng TCP kết hợp với địa chỉ IP tạo thành một đầu nối TCP/IP (socket) duy nhất trong liên mạng. Dịch vụ TCP được cung cấp nhờ một liên kết logic giữa một cặp đầu nối TCP/IP. Một đầu nối TCP/IP có thể tham gia nhiều liên kết với các đầu nối TCP/IP ở xa khác nhau. Trước khi truyền dữ liệu giữa 2 trạm cần phải thiết lập một liên kết TCP giữa chúng và khi không còn nhu cầu truyền dữ liệu thì liên kết đó sẽ được giải phóng.


35


Chương IV: THIẾP KẾ BỘ PHẦN CỨNG .

Hệ mô phỏng HIL trên thực tế cần một số lượng phần cứng rất lớn và mỗi hãng sản xuất lại yêu cầu những phần cứng chuẩn nhất định. Việc kết nối với các phần mềm mô phỏng như Matlab/Simulink, Labview,…cũng không hề dễ dàng.Vì vậy trong giới hạn của đề tài này,em xin thiết kế một bộ phần cứng đọc một cảm biến nhiệt độ thay vì kết nối với Matlab/Simulink truyền đến máy tính thông qua giao thức TCP-IP và RS232 .

Bộ phần cứng bao gồm 4 khối chức năng chính :1. Khối nguồn .2. Khối điều khiển .3. Khối giao tiếp .4. Khối cơ cấu chấp hành .

4.1- Khối nguồn .

Bộ phần cứng hoạt động ở mức điện áp 3.3V,do đó khối khuồn phải đảm bảo nguồn ra Vout = 3.3V .Sử dụng KA7085,ASM1117 3.3V, Nguồn cung cấp : Vin

~ 7-20V DC mắc theo sơ đồ :

4.1.1- KA 7805 :


36


Hình 4.1.1 – KA 7805 pin .Transistor KA7805 cho điện thế ra Vout = 5.0V,nhiệt độ hoạt động :

0°C đến 125°C,...Một số đặc tính quan trọng của dòng KA7805 :


37


4.1.2 – ASM1117 3.3V

Hình 4.1.2 – ASM1117 3.3 Pin .

ASM1117 3.3 cho ta điện thế cần Vout = 3.3V,Vin=5V được lấy từ dòng ra qua KA7805, nhiệt độ hoạt động -40°C đến 125°C ,…

4.2 – Khối điều khiển

Khối điều khiển sử dụng ATMega32 của Atmel, tần số thạch anh 16Mhz,tổng cộng có 40 chân, Các OI không sử dụng của ATMega32 được đưa ra ngoài, sẵn sàng kết nối với thiết bị ngoại vi khác. ngoài ra còn cung cấp sẵn ngõ ISP để nạp chương trình .

Hình 4.2.1 – Khối điều khiển dùng ATMEGA32 .


38


Khối điều khiển là trung tâm của bộ phần cứng,kết nối với tất cả các khối chức năng khác để thực hiện nhiệm vụ của từng khối.Bộ phần cứng được tích hợp sẵn các cổng giao tiếp SPI cho phép nạp chương trình ngay trên mạch :

Hình 4.2.2 – Giao tiếp SPI nạp chương trình.

Các OI không sử dụng của ATMega32 được đưa ra ngoài, sẵn sàng kết nối với thiết bị ngoại vi khác:

Hình 4.2.3- Các cổng kết nối ngoài .

4.3- Khối giao tiếp .4.3.1- Giao tiếp RS232.


39

baocaothuctap

Documents