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
Danh sách những người thực hiện chính
A Chủ nhiệm đề tài
1 KS. Phan Minh Tân Viện Công nghệ Thông tin
B Cán bộ tham gia nghiên cứu

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
- 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

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.
MỤC LỤC
- Trang nhan đề 1
- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 3
- Bài tóm tắt 4
- Mục lục

6
PH Ầ N CHÍNH BÁO CÁO

8
1. Lời mở đầu

8
2. N ộ i dung chính c ủ a báo cáo

12
2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

12
2.2. L ự a ch ọ n đố i t ượ ng nghiên c ứ u


dụng thẻ nhận dạng không dây RFID
a. Chip PROX-1

43
b. B ộ đ i ề u khi ể n

AC-200-C dùng th ẻ RFID

45
c. Ch ươ ng trình Qu ả n lý mã th ẻ trên PC AC200_SW

51
d. H ệ th ố ng ch ấ m công s ử d ụ ng th ẻ RFID

58
e. H ệ th ố ng c ấ p phát th ẻ RFID

59
2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả

60
năng tái cấu hình
a. C ơ s ở lý thuy ế t và nguyên lý thi ế t k ế , ch ế t ạ o

61
b. Các c ấ u hình có th ể l ự a ch ọ n

64
2.3.2.4. Module


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


kế các chip thông
minh theo công nghệ
PsoC
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
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

chuyền sản xuất của Công ty
Điện tử Bình hoà
2
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
20 - Tần số mang vô tuyến
125kHz
- Biến điệu FSK
- Chuẩn ISO-PROX
- CPU
- FLASH
Mạch phối ghép nối tiếp UART
1 - 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
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

- 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)
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

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.
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

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

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

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
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

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.
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

m ụ c

các

công

trình

khoa

h ọ c

đă ng

2 từ xa hồng ngoại

cho các thiết bị gia
dụng
Công nghệ chế tạo
3 chip chuyên dụng
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
PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát
KS. Phan Minh Tân
KS. Chu Ngọc Liêm
KS. Mai Thị Phương Thảo

Nguyễn Đức Thắng
PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát
6 VICA6
6 VICA6
PSoC và khả năng
ứng dụng
Thiết kế và chế tạo
KS. Phan Minh Tân
5 VICA6
PGS.TSKH Phạm Thượng Cát
hệ thống kiểm soát

ên
c
thi
k
thi
b
đ
khi
n
7 t
ừ

x
a

h
ồ
n
g

n
g
o
ạ
i

(
I
R
D

chuy
ên
8 d
ụ
n
g

t
r
ê
n

c
ô
n
g

n
g
h
ệ

P
S
o
C
c
h
o
h

cận
PGS.TSKH. Phạm
Thượng Cát

KS. Phan
Minh Tân
KS. Chu Ngọc Liêm
KS. Mai Thị Phương
Thảo
PGS.TSKH. Phạm
Thượng Cát

KS. Phan
Minh Tân
KS. Chu Ngọc Liêm
KS. Nguyễn Xuân
Hoàng

KS. Mai Thị
Phương Thảo
PGS.TSKH. Phạm
Thượng Cát

KS. Phan
Minh Tân
KS. Vũ Sỹ Thắng
Hội
nghị

cơ


thứ 2
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. Chi
p
DK
M
L-1
C
hip
DKML
-1 được
thiết kế
trên
nền
chip
trắng
CY8C2

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.