Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỘC LẬP _ TỰ DO _ HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH TUẤN
NGUYỄN LÂM VŨ
Lớp: 95KĐĐ
Khóa: 1995 – 2000
1. TÊN LUẬN VĂN:
THIẾT KẾ CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN
2. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU:
3. NỘI DUNG CÁC PHẦN LÝ THUYẾT & TÍNH TOÁN:
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
1
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
4. CÁC BẢN VẼ & ĐỒ THỊ:
5. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: LÊ VIẾT PHÚ
6. NGÀY NHẬN NHIỆM VỤ: 30 – 11 – 1999
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26 – 2 – 2000
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN THÔNG QUA BỘ MÔN
Ngày tháng năm 2000
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
2
: Lê Viết Phú
5
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay tin học đã thâm nhập vào tất cả mọi hoạt động trong xã hội và
máy vi tính đã trở thành một công cụ đắc lực trong việc hỗ trợ con người. Nó không
chỉ làm giảm nhẹ lao động (kể cả lao động trí tuệ) mà còn giúp cho con người có
những năng lực mới mà trước đây chúng ta khó hình dung được. Máy vi tính ngày
càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều cơ quan, trường học, trong các ngành kinh tế
và ngay cả trong gia đình.
Theo đà phát triển hiện nay của nước ta thì quá trình hiện đại hoá, công
nghiệp hoá là hai mục tiêu đứng đầu. Nói đến công nghiệp hoá, hiện đại hóa thì
không thể không nói đến quá trình tự động hóa, đó là một quá trình mà sự can thiệp
của con người là tối thiểu. Mà để có tự động hoá trong các khâu, các nghành thì nhất
thiết phải có sự hổ trợ của tin học mà cụ thể là các máy tính. Việc sử dụng máy vi
tính trong lónh vực đo lường và điều khiển ngày càng phổ biến đòi hỏi phải ghép nối
máy tính với các thiết bò bên ngoài trong đó tải hay các yếu tố chấp hành phải điều
khiển được, còn các phần tử nhập liệu và các đầu đo thì được liên tục kiểm tra để cập
nhật dữ liệu bằng một phần mềm được thiết kế riêng. Thông thường cách giải quyết
vấn đề này một cách tốt nhất là thiết kế một khối ghép nối với bên ngoài máy tính để
trao đổi thông tin với máy tính, khối đó chính là card giao tiếp.
Trong thực tiễn sản xuất, việc đo lường và xử lý các đại lượng của thế giới
thực như nhiệt độ, tốc độ, nguồn điện áp… là một yêu cầu cấp bách và thường xuyên.
Để phần nào đáp ứng được yêu cầu đó, nhóm em quyết đònh thực hiện đề tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BỘ NGUỒN
Từ những vấn đề đó, nhóm em đã được Thầy LÊ VIẾT PHÚ hướng dẫn thực
hiện đề tài theo hướng tự động hóa bằng máy tính cá nhân (Personal Computer) và
đơn giản phần cứng bằng kỹ thuật lập trình.
2. SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN KỸ THUẬT GIAO TIẾP
PHẦN C: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MODULE GIAO TIẾP
I. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MODULE GIAO TIẾP
II. THIẾT KẾ & THI CÔNG CÁC MODULE CON
1. MODULE GIẢI MÃ ĐỊA CHỈ VÀ ĐỆM DỮ LIỆU (MODULE 1)
2. MODULE NHẬN TÍN HIỆU ANALOG (MODULE 2)
3. MODULE XUẤT TÍN HIỆU ANALOG (MODULE 3)
4. MODULE NHẬN TÍN HIỆU DIGITAL (MODULE 4)
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
7
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
5. MODULE XUẤT TÍN HIỆU DIGITAL (MODULE 5)
PHẦN D: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ NGUỒN ỔN ÁP
PHẦN E: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
BỘ NGUỒN
KẾT LUẬN
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
8
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
PHẦN A: GIỚI THIỆU
I. Mục đích – Yêu cầu của đề tài:
1. Mục đích:
Nhằm đáp ứng được phần nào yêu cầu đo lường, khống chế và điều
khiển các thiết bò máy móc trong sản xuất cũng như phục vụ cho nhu cầu học
tập, thí nghiệm của sinh viên.
Bên cạnh đó đề tài cũng để minh họa một trong nhiều ứng dụng của
- Ưu điểm của máy tính là khả năng lưu trữ và xử lý thông tin của nó rất
lớn và linh động (có thể lưu trên Memory, các loại ổ đóa mềm và cứng) do xử
lý số liệu bằng phần mềm.
- Các phương pháp khác không có khả năng lưu trữ thông tin, kém linh
động, chỉ có khả năng chỉ thò hoặc chỉ điều khiển mà không xử lý số liệu.
Về phương diện điều khiển:
- Thực hiện được các phương pháp điều khiển khác nhau nhờ phần mềm.
Về phương diện kinh tế:
- Giá thành thi công phải phù hợp, nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao.
Do đối tượng điều khiển trong đề tài này sử dụng dữ liệu số 8 bit nên ta
sẽ thiết kế một card giao tiếp với máy tính theo dạng một board cắm vào khe
slot theo chuẩn ISA 8 bit mà mọi máy vi tính PC IBM đều có để truy xuất dữ
liệu từ D0 đến D7 trên Data Bus của máy tính để điều khiển đối tượng mà cụ
thể trong đề tài này là bộ nguồn ổn áp có điện áp ra có thể thay đổi được trong
khoảng từ 0V đến 25,5V.
Ngoài ra, dựa trên các mục đích và yêu cầu đã nêu ở trên, hệ thống sẽ
được thiết kế theo dạng module có thể tháo lắp độc lập nhau. Các module sẽ
được gắn trên một đế cắm có nhiều slot cắm song song nhau và đế cắm này sẽ
kết nối với card giao tiếp gắn trong trong máy tính bằng cáp để trao đổi dữ
liệu.
III. Các bước thiết kế:
Để thuận tiện trong quá trình thiết kế cũng như phân bố đòa chỉ cho các
card kết nối theo dạng module nhóm chúng em thiết kế theo trình tự:
- Thiết kế card giao tiếp gắn bên trong máy tính trước, có nhiệm vụ
đệm dữ liệu và giải mã đòa chỉ.
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
10
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
" Có 14 thanh ghi, qua các thanh ghi này có thể truy nhập đến
1Mb bộ nhớ và 64 Kb các cổng vào/ra.
" Có 20 đường đòa chỉ, cho phép đòa chỉ hóa tới 20
20
đòa chỉ
" Data bus có 8 đường.
- CPU 80x86 (ngày nay có 80486 ,80586, 80686 ):
* Là bộ vi xử lý 16 bit.
* Có 24 đường đòa chỉ.
* Có 16 đường data bus, 80286 vẫn có khả năng dùng các bus 8
bit
Máy tính sử dụng ở đây là loại 586, nên có khả năng tương thích với các
đời máy từ 286 trở lên. Các máy này, ngoài CPU còn có các cấu trúc phần
cứng hỗ trợ tùy theo từng loại CPU mà sẽ dùng những IC khác nhau như:
- Bộ đồng xử lý toán học (8087/80287).
- Điều khiển ngắt Interrupt (8259A).
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
12
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
- Điều khiển DMA (Direct Memory Access: Truy xuất bộ nhớ trực tiếp)
(8237A).
- Bộ tạo nhòp (8284)
- Các cổng giao tiếp song song, nối tiếp (8255).
- Điều khiển CRT (6845)
Ngoài ra, còn sử dụng các logic đệm, chốt và giải mã đòa chỉ.
II. Bộ nhớ : (Memory)
CPU xử lý khối lượng lớn dữ liệu. Tuy nhiên vào từng thời điểm nó chỉ
ghi nhận một vài byte dữ liệu, do đó cần phải có bộ nhớ (main memory) bên
nhớ qui ước. Các CPU Intel 8088 hay 8086 không có các vùng nhớ này (vì nó
chỉ đònh vò 1 MB mà thôi).
* Vùng nhớ bành trướng: (Expanded memory). Được gọi tắt là EMS,
đây là những vùng nhớ nằm ngoài biên giới 1 MB được đưa về trong không
gian 1 MB với thông số là trang. EMS chỉ có khi trước đó được chạy một
chương trình đặc biệt: EMM386.EXE.
III. Các thiết bò xuất nhập ngoại vi : (I/O DEVICES)
Thiết bò ngoại vi là những thiết bò thực hiện chức năng nhập xuất dữ liệu.
Các thiết bò ngoại vi thông dụng được gắn với máy tính gồm bàn phím, màn
hình, các ổ đóa, máy in … Chúng được gắn vào máy tính nhờ các Card giao tiếp
và thông qua các Slot gắn trên Mainboard của máy tính (trên Mainboard của
máy tính bao gồm CPU, ROM, RAM, Slot và các bộ phận hổ trợ khác).
Trong máy vi tính thường 6 Slot dùng để cắm các Card (tùy theo loại
main board), các Slot này hoàn toàn bình đẳng với nhau, nghóa là các Slot song
song nhau nên khả năng xuất đòa chỉ là hoàn toàn giống nhau. Vì vậy 1 Card
cắm ở Slot nào cũng xuất cùng một dạng đòa chỉ và dữ liệu như nhau, điều này
rất thuận tiện cho người sử dụng.
Một điểm nữa, là trên máy tính cài đặt các chương trình phục vụ xuất
nhập cơ bản (BIOS). Mục đích là giao tiếp có điều khiển với hệ thống và giải
phóng người lập trình khỏi quan tâm đến các đặc tính phần cứng. Việc truy
xuất này sẽ thông qua các Vector interrupt. (Vector ngắt).
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
14
ROM BIOS
ROMBASISFIXED DISK
ROMCGA
VIDEOMONOCHROME
VIDEOEGA VIDEO
điều khiển đều được chế tạo để đặt vào rãnh cắm theo chuẩn ISA, cho nên
dưới đây sẽ được giới thiệu chi tiết hơn. Trong các trường hợp cần tìm hiểu chi
tiết về các rãnh cắm khác có thể xem thêm phần phụ lục.
Sự sắp xếp chân trong khe cắm theo chuẩn ISA:
Thông thường rãnh cắm có 62 đường tín hiệu dùng có mục đích thông tin
với một card cắm vào. Về cơ bản các đường tín hiệu này được chia ra thành các
đường dẫn tín hiệu, đường dẫn đòa chỉ và đường dẫn điều khiển. Bởi vì ngay từ
các máy tính PC/XT đã sẵn có các rãnh cắm 62 chân này, trên đó có 8 đường
dẫn dữ liệu, nên đôi khi người ta cũng gọi luôn rãnh cắm 62 chân này là rãnh
cắm 8 bit. Chỉ những card 8 bit mới được cắm vào rãnh này. Bảng dưới đây chỉ
ra sự sắp xếp chân ra của rãnh cắm mở rộng 8 bit.
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
15
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
Về sau máy tính PC/AT ra đời chúng có thêm một rãnh thứ hai nằm
thẳng hàng với rãnh 8 bit kể trên và có 36 chân.
Trên rãnh này có chứa các tín hiệu 16 bit. Nên khi có thêm rãnh cắm này
thì người ta gọi chung cả hai rãnh là rãnh cắm 16 bit. Các rãnh cắm từ 32 bit trở
lên dùng để ghép vào những card có chất lượng rất cao, và vì vậy trong phạm
vi nội dung của tập luận án này chưa được quan tâm. Rãnh cắm 16 bit bao gồm
rãnh cắm 8 bit và có thêm một rãnh cắm thứ hai. Sau đây là sơ đồ bố trí chân
của một khe cắm theo chuẩn ISA 8 bit trong máy tính PC.
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
16
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
Phía mạch in Phía linh kiện
GND B31 A31 A0
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
17
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
Kích thước lớn nhất của card ISA 8 bit là:
Chiều cao 106,7 mm (hay 4,2 inch).
Chiều dài 333,5 mm (hay 13,13 inch).
Chiều dày – kể cả linh kiện – 12,7 mm (hay 0,5 inch).
Còn kích thước lớn nhất của các card ISA 16 bit là:
Chiều cao 121,92 mm (hay 4,8 inch).
Chiều dài 333,5 mm (hay 13,3 inch).
Chiều dày – kể cả linh kiện – 12,7 mm (hay 0,5 inch).
Sự khác nhau giữa hai kích thước này chỉ ở chiều cao mà nguyên nhân là
do vỏ của máy tính AT được thiết kế cao hơn loại XT đôi chút.
Từ cách sắp xếp chân ra, rõ ràng là 62 đường tín hiệu nằm cả ở mặt hàn
thiếc cũng như mặt sắp đặt linh kiện. Do đó các bản mạch (card) cắm thêm vào
bao giờ cũng là những card mạch in hai mặt. Bên cạnh 8 đường dẫn dữ liệu
trên card còn có 20 đường dẫn đòa chỉ từ A0 đến A19. Trong cuốn luận án này
các đường dẫn điều khiển còn lại cũng ít được quan tâm đến. Và không phải tất
cả các tín hiệu điều khiển dùng để tạo nên một card mở rộng đều được sử
dụng, nên thường thì ta cũng chỉ cần quan tâm đến các tín hiệu sau :
Tín hiệu Hướng Mô tả
Reset Lối ra Sau khi bật máy tính hoặc sau khi ngắt điện, đường
dẫn Reset sẽ kích hoạt trong thời gian ngắn để đưa
card đã được cắm vào đến một trạng thái ban đầu
xác đònh.
/IOW Lối ra Input / Output / Write
Tín hiệu này sẽ kích hoạt khi truy nhập ghi lên một
020 – 03F Bộ điều khiển ngắt (8259)
040 – 04H Bộ phát thời gian (8254)
060 – 06F Bộ kiểm tra bàn phím (8242)
070 – 07F Đồng hồ thời gian thực (MC 146818)
080 – 09F Thanh ghi trang DMA (LS 670)
0A0 – 0AF Bộ điều khiển ngắt 2 (8259)
0CH – 0CF Bộ điều khiển DMA 2 (8237)
0E0 – 0EF Dự trữ cho mảng mạch chính
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
19
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
0F8 – 0FF Bộ đồng xử lý 80x87
1F0 – 1F8 Bộ điều khiển đóa cứng
200 – 20F Cổng dùng cho trò chơi (Game)
278 – 27F Cổng song song 2 (LPT 2)
2B0 – 2DF Card EGA 2
2E8 – 2EF Cổng nối tiếp 4 (COM 4)
2F8 – 2FF Cổng nối tiếp 2 (COM 2)
300 – 31F Dùng cho card mở rộng
320 – 32F Bộ điều khiển đóa cứng
360 – 36F
378 – 37F
Cổng nối mạng (LAN)
Cổng song song 1 (LPT1)
380 – 38F Cổng nối tiếp đồng bộ 2
3A0 – 3AF Cổng nối tiếp đồng bộ 1
3B0 – 3B7 Màn hình đơn sắc
3C0 – 3CF Card EGA
phần phụ lục, mục “Sơ đồ chân của Slot” được trích từ sách PC/AT – Technical
Reference.
Trong đề tài thiết kế này chúng em chỉ sử dụng các chân Address, các
chân Data, chân điều khiển (IOR, IOW, RESET, AEN) và chân Mass. Cho nên
chúng em chỉ trình bày chức năng của các chân này mà thôi, các chân còn lại
xin xem thêm ở phần Phụ Lục.
- A0 ÷ A19 :
20 chân đòa chỉ sử dụng cho bộ nhớ và I/O, các tuyến
này được điều khiển bởi bộ vi xử lý hay tác dụng của
DMA. Chúng được tác động ở mức thấp.
- D0 ÷ D7 :
8 chân của Bus dữ liệu 2 chiều. Khi CPU ở chu kỳ viết
ra bus (Xuất) thì CPU phải cung cấp Data cho Bus
trước khi xung IOW hay MEMW lên cao để tuần tự
đưa Data ra Port hay Memory xuất.
- IOW, MEMW, IOR, MEMR : Là các tín hiệu tích cực thấp
(Low/Active) điều khiển các hoạt động đọc và viết như đã trình bày ở trên.
Chúng được phát ra từ CPU hay từ bộ điều khiển DMA.
- ALE (Address latch enable) : Tín hiệu ALE cho biết bắt đầu chu kỳ hoạt
động.
- AEN (Address enable) : Tín hiệu này được phát từ bộ điều khiển DMA
để báo quá trình DMA đang hoạt động. Nó thường được dùng để vô hiệu hóa
giải mã Logic cho I/O port (Khóa Port I/O) trong suốt chu kỳ DMA.
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
21
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
Vì thế, đòa chỉ bộ nhớ DMA không được dùng tham dự như một đòa chỉ
I/O Port. Trạng thái này xảy ra từ khi tín hiệu IOR hay IOW được tích cực trong
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Luận Văn Tốt Nghiệp
V. So sánh và lựa chọn các kỹ thuật giao tiếp:
1. Kỹ thuật giao tiếp:
Ở phần trên, nhóm em đã trình bày sơ lược về các I/O và chọn vùng đòa
chỉ cho Card giao tiếp. Tuy nhiên, khi giao tiếp giữa các Card I/O với máy vi
tính thì có rất nhiều phương pháp khác nhau nhưng có thể chia làm 3 nhóm
chính như sau:
- Vào / Ra điều khiển bằng chương trình (Program – Controlled I/O).
- Vào / Ra điều khiển bằng ngắt (Interrupt service – Routine controlled
I/O)
- Vào / Ra thâm nhập trực tiếp (Hardwave – Controlled I/O : DMA).
Các phương pháp trao đổi thông tin:
a. Vào / Ra điều khiển bằng chương trình : (Program–Controlled I/O)
Có dạng điều khiển theo chương trình là :
* Có điều kiện.
* Không có điều kiện.
Giao nhận Data không điều kiện là không để ý xem Port có sẵn sàng
nhận hay giao số liệu chưa, phương pháp này được sử dụng với thông tin tónh.
Số liệu giao nhận có thể sai nếu chương trình viết không tính đúng. Nếu bộ vi
xử lý truyền Data nhanh hơn ngoại vi thì sẽ bò mất Data.
Tuy nhiên, ta có phương pháp khác để khắc phục tình trạng trên là các
I/O port thường được thiết kế với chế độ có điều kiện, đó là giao nhận Data có
tín hiệu “Bắt tay” (Hand Shaking). Trạng thái của I/O Port được giữ trong các
cờ (flag), phần mềm phải kiểm tra các cờ này trước khi giao nhận Data, do đó
tốn thời gian. Nhất là khi có nhiều I/O port thì ta phải kiểm tra lần lượt các
trạng thái cờ. Quá trình kiểm tra vòng trạng thái cờ gọi là kỹ thuật thăm dò
(polling).
+ Ưu điểm: Linh động, dể điều khiển, dễ mở rộng và dễ thay đổi.
+ Nhược điểm: Mất nhiều thời gian vì kỹ thuật thăm dò nên đáp ứng
chậm.
2.So sánh và chọn kỹ thuật giao tiếp :
Qua khảo sát ở trên nhóm em nhận thấy rằng với hệ thống của chúng ta,
yêu cầu linh động lớn, có khả năng mở rộng, không yêu cầu xử lý Data với tốc
độ cao. Mặc khác giá thành phải rẻ, phù hợp với khả năng của nhiều người. Do
đó chúng em mạnh dạn chọn phương pháp điều khiển bằng chương trình có
điều kiện (Program – Controlled I/O) theo phương pháp truyền số liệu song
song. Nội dung cụ thể xin xem phần kế tiếp.
SVTH : Nguyễn Minh Tuấn – Nguyễn Lâm Vũ GVHD
: Lê Viết Phú
25
Copyright: Tài liệu đại học ©