Nghiên Ứu Sử Dụng Truyền Tin Usb Trong Á Thiết Bị Đo.pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.53 MB, 103 trang )
3.1 BÌA SỔ: khổ giấy 210 x 297 mm
NGUYỄN THỊ HUYỀN
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠO HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO CÁC
ĐẠI LƯỢNG TRUYỀN TIN THEO CHUẨN USB
NGUYỄN THỊ HUYỀN
2005-2007
Hà Nội
2007
HÀ NỘI 2007
Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131784111000000
1
“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
MỤC LỤC
ĐẶT VẤN ĐỀ
PHẦN I:
CƠ SỞ GIAO TIẾP USB................................................................. - 7 -
PHẦN II:
THIẾT KẾ BỘ THU THẬP DỮ LIỆU LÊN MÁY TÍNH THEO
CHUẨN USB....................................................................................................... - 59 -
PHẦN III:
THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ CỔNG USB TRÊN MÁY
TÍNH…………. ................................................................................................... - 65 -
KẾT LUẬN….. .................................................................................................. - 100 -
PHỤ LỤC…. ..................................................................................................... - 100 -
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. - 103 -
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
2
“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy giáo TS. Nguyễn Quốc
Cường, cảm ơn thầy đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, quan tâm đôn đốc và đưa ra
những lời khun, định hướng đúng đắn trong suốt q trình tơi thực hiện luận
văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn Đo lường và Tin Học
Công Nghiệp nói riêng, các thầy cơ trong trường đại học Bách Khoa Hà Nội nói
chung, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên cạnh
động viên và cho tôi những lời khuyên bổ ích.
Cuối cùng tơi muốn nói lời cảm ơn chân thành nhất tới bố mẹ tôi và chồng tôi,
những người đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần trong q trình
tơi làm đồ án.
Hà Nội, tháng 11 năm 2007
Học viên thực hiện
Nguyễn Thị Huyền
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
3
“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
ĐẶT VẤN ĐỀ
Thế giới ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì ngành cơng
nghệ máy tính được xem là phát triển rất mạnh. Các hãng sản xuất máy tính ln
làm mới thế hệ máy tính của mình, máy tính được nâng cấp chóng mặt về tốc độ,
khả năng xử lý thơng tin, khả năng ứng dụng. Với sự phát triển của máy tính ngày
càng cao thì người dùng ngày càng cảm thấy dễ chịu khi sử dụng chúng.
Hiện nay, trên các máy tính PC đều có sẵn các cổng kết nối (cổng máy in, RS232,
PCI, PCMCIA, IEEE1394, LAN, USB). Máy tính xách tay (rất cần cho việc đo lưu
động) hiện nay phần lớn khơng có cổng RS232, cổng máy in, đặc biệt khơng có
cổng PCI). Trước đây khi mà mới ra đời thì mỗi máy tính chỉ có 2 cổng USB, nhưng
giờ đây thì số lượng các cổng USB đã tăng lên đến 4 và thậm chí 6 cổng USB. Các
thiết bị ghép nối dần dần đều chuyển sang ghép nối USB: Máy in từ ghép nối bằng
cổng song song(LPT) chuyển sang sử dụng cổng USB, Chuột và bàn phím từ cổng
PS/2 chuyển sang USB. Máy ảnh kỹ thuật số, máy quay phim, điện thoại di động,
máy nghe nhạc, ổ cứng... cũng cắm qua cổng USB. Cổng nối tiếp RS232 trước kia
có 2 cổng giờ chỉ cịn một, thậm chí máy tính xách tay giờ khơng cịn cổng nào cả.
Cùng với sự phát triển của máy tính, chúng ta sẽ càng quan tâm hơn đến những ứng
dụng của nó, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông công nghiệp. Khả năng giao tiếp
của máy tính với các thiết bị ngoại vi là điều mà những người làm trong lĩnh vực
truyền thông công nghiệp cần phải chú tâm đến. Mỗi thiết bị ngoại vi được ghép nối
với máy tính thơng qua một cổng riêng biệt có các địa chỉ cổng riêng, các giao
thức truyền dữ liệu khác nhau, do đó việc thiết kế các cổng nối cũng sẽ khác nhau..
Các nhu cầu thực tế về đo, thu thập số liệu, truyền tin ngày càng đa dạng và phức
tạp. Điều này dẫn đến rất nhiều các trở ngại trong vấn đề thiết kế hệ thống cũng
như trong quá trình sử dụng của khách hàng. Nhu cầu đặt ra cho các kỹ sư thiết kế
thiết bị đo khơng ít thách thức. Một trong những giải pháp được đưa ra là việc cải
tiến việc truyền thông tin từ thiết bị đo, thiết bị ngoại vi nhằm đảm bảo phù hợp với
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
4
“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
nhiều điều kiện cụ thể đa dạng hơn. Một trong những yêu cầu mà thực tiễn đặt ra là
thiết bị ngoại vi phải được kết nối đơn giản với máy tính, có khả năng linh động
trong mọi hiện trường như các thiết bị đo xách tay, các bàn thí nghiệm điện…và
khơng nằm ngồi xu hướng phát triển của máy tính. Chuẩn truyền USB ra đời và
phát triển như một giải pháp đáp ứng được yêu cầu đó. Cổng USB là phổ biến nhất
và được hỗ trợ nhiều nhất. Công nghệ ghép nối USB với giao thức truyền tin kiểu
USB là một sự cải tiến vượt bậc và quy mô của bảy hãng sản xuất phần cứng lớn
trên thế giới. Với nhu câu thiết thực như vậy tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế
thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB” làm luận văn thạc sĩ. Tuy
nhiên do thời gian có hạn nên tôi không đi sâu vào các thiết bị đo mà tập trung chủ
yếu vào truyền tin theo chuẩn USB.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
-7“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
PHẦN I: CƠ SỞ GIAO TIẾP USB
I.1 Các cổng kết nối
Trong một máy tính thơng thường, CPU và bộ nhớ được gắn với bo mạch chính
cùng một vài linh kiện cần thiết khác nữa. Những thông tin chuyển qua lại giữa các
linh kiện thông qua một mạch lưới gọi là các Bus. Các bus này có thể có 8, 16 hay
32 đường dẫn và do đó gọi là các bus 8 bít, bus 16 bít hay bus 32 bít. Hiển nhiên
rằng xa lộ đa luồng làm tăng lưu lượng xe có thể chạy qua, ở đây cũng có thể các
bus chấp nhận số bít lớn thì càng có thể chuyển tải nhiều thơng tin cùng một lúc,
như vậy sẽ làm tăng đáng kể tốc độ hệ thống.
Có rất nhiều bus trong máy tính, chúng nối kết các phần tử linh kiện trong máy với
nhau. Một số bus nối với các khe - slot trên bo mạch. Người dùng có thể thiết lập
thêm các tính năng cho máy tính bằng cách cấm các bo mạch - cạc (card) có tính
năng riêng nào đó vào các khe này. Một số bus khác thì được nối với các cổng nằm
ngồi - chính xác là ló ra khỏi vỏ máy một chút. Các thiết bị ngoại vi có thể nối với
máy tính thơng qua các cổng có sẵn của máy, hay thông qua một card chuyên biệt
cắm vào các khe cắm trên bo mạch chính - điều này thật tiện lợi.
I.1.1 Cổng máy in
Giao diện cổng máy in trên PC tương thích là một trong những giao diện linh hoạt
nhất cho việc kết nối PC với các thiết bị ngoại vi. Giao diện này đầu tiên được phát
minh hoàn toàn cho máy in kết nối với máy tính nhưng sau đó nó lại được dùng cho
nhiều loại thiết bị khác nhau. Sự đơn giản của nó dựa vào việc dữ liệu đến hoặc đi
khỏi cổng là một dạng mẫu 8 bít nhị phân. Mẫu này có thể truy cập và đo một cách
trực tiếp trên các chân kết nối tương thích.
Khác với các cổng nối tiếp dựa trên chíp để chuyển đổi dữ liệu, dữ liệu song song
được quản lý hồn tồn bằng phần mềm. Điều này có nghĩa là, bạn có thể hồn
thành việc điều khiển hành động tắt/mở đường ra hoàn toàn bằng phần mềm. Việc
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
-8“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
này được hoàn thành bằng cách viết dữ liệu tới các khu vực đặc biệt của bộ nhớ I/O
của máy tính.
Cổng máy in có 3 thanh ghi: một cho dữ liệu ra, một cho các đường điều khiển đầu
ra, một cho các đường điều khiển đầu vào. Chuẩn PC bắt đầu các cổng I/O cho giao
diện song song đầu tiên tại 0x378, và thứ hai tại 0x278. Cổng đầu tiên là một thanh
ghi dữ liệu hai chiều, nó nối trực tiếp vào các chân 2 qua chân 9 trên giắc cắm vật
lý. Cổng thứ hai là một thanh ghi trạng thái chỉ dành cho việc đọc khi cổng song
song được sử dụng cho máy in, thanh ghi này ghi lại những trạng thái quan tâm của
máy in như là online, giấy ra, hay là bận. Cổng thứ ba là một thanh ghi điều khiển
chỉ dành cho đầu ra,
Có ba loại cổng máy in khác nhau có thể thấy trên máy tính:
• Cổng một chiều: Cổng này là cổng xuất hiện đầu tiên trong 3 loại cổng kể trên.
Cả bao loại cổng đều có thể chạy trong chế độ cổng một chiều
• Cổng hai chiều: Cổng này cho phép dữ liệu truyền theo cả hai chiều trên cùng
một đường dây
• Cổng song song nhanh: Cổng này khơng chỉ cho phép dữ liệu chuyển đổi theo
kiêu hai chiều mà còn chạy với một tốc độ cao hơn.
Cổng hai chiều cho phép dữ liệu truyền trên cùng một đường theo cả hai chiều, các
cổng loại hai và ba có thể chạy với bất cứ mức chuyển đổi dữ liệu nào trong ba mức
chuyển đổi dữ liệu.
I.1.2 Cổng nối tiếp.
Ðối với cổng nối tiếp, dữ liệu được truyền qua cổng dưới dạng nối tiếp từng bít
riêng rẽ, các cổng nối tiếp được gọi là cổng COM(Communication ).Trong máy vi
tính thường có hai cổng COM1 và COM2 và có các cổng dự trữ COM3,COM4.
Do dữ liệu được truyền từng bít một trong cổng nối tiếp nên tốc độ truyền chậm
nhưng lại đảm bảo tính chính xác và có thể truyền ở khoảng cách xa. Vì vậy nó là
phương pháp thuận tiện để ghép nối máy tính với thiết bị đầu cuối ở xa,đường
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
-9“Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
truyền có chiều dài lớn. Chuẩn RS232 của phương pháp này được ứng dụng để trao
đổi thông tin với các thiết bị ở khoảng cách xa.
Chuẩn RS232
Card điều khiển việc trao đổi thông tin không đồng bộ giữa máy vi tính với thiết bị
bên ngồi dựa trên phương pháp thông tin được ứng dụng rộng rãi gọi là RS232.
Chuẩn này qui định chức năng của 25 tín hiệu và tín hiệu hội thoại (handshake ) cho
quá trình truyền dữ liệu khơng đồng bộ. Nó đồng thời qui định mức điện áp, mức
trở kháng, sườn lên, sườn xuống, tốc độ và dung lượng truyền tối đa cho các đường
dây tín hiệu này. Trong máy vi tính, chuẩn RS232 được dùng trong giao tiếp giữa
máy và MODEM (Modulation - Demodulation ) để biến đổi các tín hiệu của máy vi
tính thành tín hiệu điện thoại qua MODEM được truyền theo mạng điện thoại tới
thiết bị đầu cuối bên kia và ngược lại, tín hiệu điện thoại gửi tới MODEM được
chuyển thành tín hiệu máy tính qua cổng RS232 truyền tới máy tính. Chuẩn này cịn
được áp dụng trong việc ghép nối máy tính và các máy in chất lượng cao.
I.1.3 PCMCIA
Trong cuộc tranh đua giữa các máy tính sổ tay loại nhỏ, PCMCIA là một trong
những cách để giảm kích thước. Trước đây, với các máy tính sổ tay (notebook) thì
điều đáng quan tâm trước tiên là bàn phím và bộ nguồn ni. Các máy này thiếu
mất khả năng cơ động và các khe cắm mở rộng. Nhưng giờ đây, người dùng sẽ
không phải than phiền về những vấn đề trên nữa bởi các nhà thiết kế đã tìm ra cách
giải quyết các bản mạch có kích thước thẻ tín dụng có thể cắm vào máy và cho phép
bổ sung các cổng giao tiếp, mở rộng bộ nhớ và lưu trữ các phần mềm.Với trọng
lượng chỉ vài gam và từ 3 đến 10,5 mm bề dày, các loại card PCMCIA -như chúng
được gọi, hy vọng sẽ trở thành tương đương như ISA (Industry Standard
Architecture) trong các máy để bàn.
Personal Computer Memory Card International Association là nhóm bao gồm 300
nhà sản xuất công nghiệp đang thực hiện việc chuẩn hố các đặc tính của PCMCIA
để người dùng có thể dễ dàng trao đổi card giữa các máy tính.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 10 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Thành quả đầu tiên của việc thiết lập chuẩn PCMCIA đạt được vào cuối năm 1990
cùng với việc đưa ra phiên bản 1.0 nhằm đáp ứng nhu cầu về bộ nhớ cho máy tính
di động. Phiên bản 2.0 được giới thiệu vào tháng 9-1991 và thiết lập các chuẩn cho
modem. LAN, băng tần radio cầm tay và các thiết bị ngoại vi I/O (Input/Output).
Phiên bản 2.0 tương thích với phiên bản trước đó, vì vậy các card dùng cho phiên
bản 2.0 cũng sẽ hoạt động với các khe cắm của phiên bản 1.0. Phiên bản 2.0 bao
gồm 3 kích thước card tương thích:
• Loại I: Loại card đầu tiên xuất hiện trên thị trường, dày 3 mm và thường được
dùng để mở rộng bộ nhớ.
• Loại II: Dày hơn 5 mm. Loại này được sử dụng cho các ứng dụng như Faxmodem, LAN...
• Loại III: Dày 10,5 mm, có chứa bộ phận lưu trữ quay và chủ yếu dùng trong liên
lạc viễn thông, kể cả liên lạc không dây.
Hiện tại, phiên bản 2.01 đã được đưa ra nhằm điều khiển quá trình đọc dữ liệu trên
card. Phiên bản này chứa phần hiệu chỉnh kiểu chữ và khơng thêm các đặc tính kỹ
thuật nào mới.
Mặc dù thấy rõ được những ưu việt của PCMCIA nhưng vẫn có những tồn tại với
cơng nghệ mới nổi lên này. Một trong những vấn đề chủ yếu là sự khác nhau về
kích thước các loại card và tính tương thích giữa các hệ thống.
Hiệp hội đang buộc các nhà sản xuất duy trì các loại card nhỏ hơn Type III nhưng
vẫn u cầu về tính năng cơng nghệ cao.
Tuy vậy, một số nhà sản xuất vẫn đưa ra loại thứ tư. Mới đây Toshiba đã cho ra
máy sổ tay T4600 với khe cắm PCMCIA Type IV 16 mm.
Trong khi đó, mặc dù có những yêu cầu từ các nhà sản xuất, kích thước các khe cắm
PCMCIA và tính tương thích giữa các hệ thống và máy tính vẫn tiếp tục khác biệt.
Người ta dự tính chuẩn chung cho các máy Notebook và Laptop phải đến giữa năm
sau mới được áp dụng.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 11 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Tính linh hoạt của PCMCIA có vẻ như là một ưu điểm lớn, tuy vậy khơng phải tất
cả các loại card đều có thể rút ra khỏi khe cắm được trong khi máy đang làm việc vì
có thể mất dữ liệu.
I.1.4 IEEE1394
Đây là một thiết kế cho bus tốc độ cao và mới để lấp đầy những mong muốn cho sự
liên lạc số tốc độ cao giữa các thiết bị điện. Chuẩn này định nghĩa cả lớp vật lý và
cáp được kết nối tới bus ảo. Giao diện chuẩn định nghĩa phương thức truyền dẫn,
một trường và giao thức. Ứng dụng đầu tiên của thế hệ cáp này là sự kết nối với
panel sau của máy tính cá nhân hay trực tiếp giữa những thiết bị tiêu thụ giá rẻ, tốc
độ cao. Chuẩn IEEE1394 cũng cung cấp các dịch vụ mới như là: Thực hiện kết
nối/tháo gỡ cho các thiết bị ngoài như là ổ đĩa, máy in, và các thiết bị cầm tay (máy
quay phim, máy quét).
IEEE 1394 là một bus nối tiếp tốc độ cao chuyên dùng cho việc lưu giữ hình ảnh số
như máy lưu giữ hình ảnh trong một máy quay số. Trong nhiều trường hợp, IEEE
1394 giống như một bản USB tốc độ cao.Tuy nhiên, không giống USB, IEEE1394
là một giao diện liên lạc đồng cấp (peer – to – peer) không cần PC phải can thiệp để
nối kết giữa các thiết bị ngoại vi khác nhau. Điều này có nghĩa là các thiết bị ngoại
vi có thể nối kết trực tiếp với nhau và với các thiết bị khác, như các máy quay phim
số.
I.1.5 Bus mở rộng ISA
Trên bo mạch chính của các kiểu máy tính cũ tương thích IBM PC/XT (Bộ vi xử lý
8088 hay 8086) người ta dùng bus mở rộng có khe cấm 62 chân gồm 3 đường dây
đốt, 5 dây nguồn nuôi, 20 đường địa chỉ và 16 đường tín hiệu điều khiển. Bus mở
rộng XT bị giới hạn nhiều mặt, bus dữ liệu 8 bít, dịch vụ hệ thống khơng đủ dùng
(các ngắt DMA). Thế nên các nhà sản xuất đưa ra bus ISA mở rộng cho máy AT
dùng vi xử lý 80286 - tức là máy 286 với bus dữ liệu 16bít. Bus này gồm hai đoạn
khe cấm rời nhau, một đoạn 62 chân như kiểu dùng cho XT, một đoạn bổ sung 36
chân - bổ sung 5 dịch vụ ngắt, 8 đường dữ liệu, 4 đường địa chỉ và một số đường
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 12 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
chức năng điều khiển. Loại này vẫn tương thích với 8 bít. Tốc độ truyền loại này đạt
khoản 8Mb mỗi giây, (ISA - Industry Standard Architecture).
I.1.6 Bus MCA (Micro Chanel Architecture)
Năm 1987, bus này được đưa ra riêng cho loại máy PS/2 của IBM, nó là kiểu thiết
kế bus 32bít. Nó gồm 32 bít dữ liệu, 32 đường địa chỉ (có khả năng địa chỉ hoá 4Gb
bộ nhớ), một kênh âm thanh, khả năng VGA cài sẵn. Tốc độ của nó đạt 20Mb mỗi
giây nên có thể đáp ứng cho các CPU đến 199Mhz. Tuy nhiên, do loại này khơng
tương thích với bus AT và máy PC nên nếu muốn dùng, người dùng phải thay tồn
bộ các thiết bị tương thích MCA nên khơng được hưởng ứng. Do đó nó khơng được
phát triển và cuối cùng IBM phải tự huỷ bỏ.
I.1.7 Bus EISA (Enhanced ISA)
Là loại bus mở rộng AT được nâng cao do liên minh 9 công ty lớn?(AST,Compad,
Epson, Hewlett Packard, NEC, Olivetti, Tandy, Wyse, Zenith Data System) cùng
hợp tác phát triển. Nó được thiết kế để cạnh tranh với các MCA và đã thành cơng
trong thời gian dài. Nó hồn tồn tương thích với ISA - 16bít và ISA - 8bít của XT.
Bus EISA có tốc độ 33Mb mỗi giây hoạt động với 8,33Mhz. EISA cịn có một
phiên bản mới nâng cấp tốc độ lên 132Mb mỗi giây, loại này vẫn còn dùng trong
một số server và mạng.
I.1.8
Local bus
Là loại bus mở rộng kéo dài trực tiếp bus dữ liệu trong bộ vi xử lý ra ngoài. Năm
1992 VESA Local Bus ra đời (VESA - Video Electronics Standard Association).
Nếu bo mạch chính 33Mhz thì tốc độ bus có thể đạt 107Mb mỗi giây, tuy nhiên hầu
hết các bo mạch cùng có VESA Local Bus và ISA.
I.1.9 Bus mở rộng PCI
Loại này có 32 bít hay 64 bít dựa vào thiết kế do Intel xây dựng năm 1992. PCIPeripheral Component Interface bus, là kiểu trung gian giữa bus dữ liệu ngoài của vi
xử lý và bus vào ra chung của máy tính, nó là loại bus mở rộng hồn chỉnh nên nó
cho phép các nhà sản xuất hồn tồn có thể loại bỏ hẳn loại bus ISA.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 13 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Thiết bị ngoại vi là các thiết bị giúp máy tính liên thơng được với thế giới bên
ngồi. Bàn phím nối liên kết người dùng và máy tính để nhập liệu, màn hình-máy in
sẽ thể hiện kết quả xử lý của máy tính sau các tác vụ gửi cho người dùng, ngồi ra
cịn vơ số các thiết bị khác như máy quét ảnh, máy ảnh số… mà chúng ta đã làm
quen ở các phần trên. Ðối với một số hệ máy, cịn có một chuẩn cho máy được gọi
là chuẩn PCM-CIA. Chuẩn này cho phép một khe cắm có thể đáp ứng nhiều khả
năng khác nhau với từng loại card khác nhau được cắm vào. Khe cắm này cho các
máy tính cá nhân xách tay, khe PCM-CIA có thể chấp nhận card (có thể từ 8Mb lên
đến vài chục Mb bổ sung cho RAM), card Fax-Modem, card điều khiển CD nằm
ngoài… và một số thiết bị ngoại vi khác. Chuẩn này vẫn đang được tiếp tục phát
triển.
Hình1.
Các khe cắm (slot) và cổng giao tiếp (port) cho phép CPU có thể
giao tiếp với thế giới bên ngồi thơng qua các thiết bị ngoại vi. Trong hình
này, người dùng đăng cắm thêm một bảng mạch giao tiếp vào máy tính.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 14 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Hình2.
Khe cắm PCM-CIA của máy tính xách tay có thể làm việc với nhiều
loại card giao tiếp của nhiều thiết bị ngoại vi khác nhau. Bên phải là một
card giao tiếp.
I.2 Tổng quan về USB
I.2.1 Nguồn gốc lịch sử
Cùng với sự phát triển của Internet, các loại điện thoại nhỏ, cũng như liên lạc nói
chung, sự kết nối thơng tin tăng một cách chóng mặt và khơng ai có thể tưởng tượng
nổi hình ảnh của nó 5 năm về sau. Chuẩn RS-232D là một tiêu chuẩn liên lạc có dây
được sử dụng trong một số năm. Nhìn chung, chuẩn này giới hạn tốc độ trao đổi
khoảng 115,000 bps, nó khơng đầy đủ đối với công nghệ hiện đại ngày nay. Hơn
nữa, RS-232 không cho phép xâu chuỗi nhiều thiết bị có thể gắn tới một thiết bị
chính, trừ phi một thiết kế đặc biệt được thực hiện cho mục đích này.
Đã có rất nhiều chuẩn truyền tin nối tiếp được đưa ra để giải quyết vấn đề này, trong
đó thì Universal Serial Bus (USB) được xem như là có ảnh hưởng sâu rộng nhất. Sở
dĩ vậy là do USB có các đặc tính vượt trội hơn so với các tiêu chuẩn truyền tin nối
tiếp khác như sau:
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 15 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
• Cho phép một số lượng lớn thiết bị có thể kết nối vào máy chủ, có thể cắm được
tối đa 127 thiết bị trên một cổng USB đơn. Các thiết bị ngoại vi có thể kết nối
trực tiếp một cách đơn giản. USB hỗ trợ khả năng cắm là chạy khơng địi hỏi
phải cài đặt driver. Khi một thiết bị được nối kết vào bus USB thì ngay lập tức
nó sẽ được phát hiện, điểm danh, và chỉ định một địa chỉ riêng.
• Mỗi máy chủ sẽ biết dạng thiết bị được cắm vào, nó sẽ tìm hiểu chặt chẽ thiết bị
để hiểu được cách liên lạc với nó. Trong khi một bộ điều khiển thiết bị cần thiết
sẽ được tải về máy chủ, nhiều hệ điều hành có sẵn những bộ điều khiển này và
nó sẽ làm việc cho một vài thiết bị USB phổ biến như là bàn phím chẳng hạn.
Một số phiên bản khác nhau của chuẩn USB được giới thiệu sau đây:
- Phiên bản đầu tiên USB 1.0 được đưa ra vào tháng một năm 1996. Nó hỗ trợ tốc
độ chuyển đổi dữ liệu low (1.5 Mb/s) và high (12Mb/s). Đây là megabít/s chứ
khơng phải là megabyte/s như chúng ta hay nhầm lẫn.
- USB 1.1 được đưa ra vào tháng 9 năm 1998. Phiên bản này đã sửa chữa rất nhiều
khiếm khuyết của phiên bản 1.0 trước đó.
- Bản USB 2.0 được đưa ra vào năm 2000 và tốc độ của nó có thể đạt tới 480Mb/s.
USB 2.0 tương thích với các phiên bản trước đó như USB 1.0 và USB 1.1. Mặc dù
USB 2.0 được đưa ra nhưng các chương trình hoạt động cho máy các nhân khơng
được hỗ trợ đến tận năm 2001. Một vài thiết bị ngoại vi mới được hỗ trợ chuẩn USB
2.0 đã đưa ra trước đó.
Window 95 (và các phiên bản trước đó của Window) không hỗ trợ USB. Một phiên
bản sau của Window 95 (OEM Service Release 2) được các nhà sản xuất mày tính
sử dụng có thể đưa vào nó một vài tính năng hạn chế của giao thức USB.
Windows 98 đã cho phép ghép ghép và sửa chữa một vài hạn chế trong bản
Window 95 (OEM Service Release 2). Window 98 được đưa ra vào đầu năm 1999
đã hỗ trợ nhiều tính năng của chuẩn USB.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 16 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Cả Window 2000 và Windows Me được đưa ra vào đầu năm 2000 đều cho phép các
thơng số USB. OS 9.0.4 của máy tính Apple được đưa ra vào cuối mùa hè năm 2000
có thể sử dụng rất nhiều tính năng của giao thức USB. Nhiều vấn đề sẽ được giải
quyết nếu bạn sử dụng phiên bản mới nhất của hệ điều hành tương thích.
Hình3.
Cổng ghép nối USB trên máy tính
I.2.2 Ưu nhược điểm của USB
I.2.2.1 Ưu điểm:
- Dễ dàng cho việc sử dụng, khơng cần phải có một cấu hình hay là một sự cài đặt
quá rõ ràng.
- Tốc độ nhanh nên các thiết bị ngoại vi không bao giờ mắc phải lỗi “ thắt cổ chai”
về thông tin trong khi truyền tin.
- Độ tin cậy. Các lỗi hiếm khi xảy ra, USB sẽ tự động cố gắng để gửi tin khi có một
lỗi xảy ra.
- Sự linh hoạt. Nhiều thiết bị ngoại vi có thể dùng chung một giao diện.
- Khơng đắt: Nhiều nhà sản xuất và người sử dụng không bị ngăn trở bởi giá cả của
các thiết bị USB
- Bảo tồn nguồn năng lượng: Tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ của pin trong
các máy tính xách tay và các thiết bị.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 17 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
- USB được hỗ trợ bởi Windows và các hệ điều hành khác nên những người phát
triển không cần phải quan tâm đến việc phải viết các Driver ở mức thấp để giao lưu
với các thiết bị ngoại vi.
- USB là một giải pháp cho phép ta liên kết với các thiết bị ngoại vi vào bất cứ thời
gian nào. Các thiết bị ngoại vị có thể được đóng gói để sản xuất hàng loạt, dạng tiêu
chuẩn của USB là các thiết kế có bộ đĩa nhỏ. Để đạt được thành cơng thì một giao
diện chia làm hai nhóm:
+ Nhóm người sử dụng.
+ Nhóm người phát triển .
a, Lợi ích cho người sử dụng
Từ quan điểm của người sử dụng, thì những lợi ích của USB là dễ dàng trong việc
sử dụng, nhanh, và có thể tin cậy trong việc chuyển đổi dữ liệu, linh hoạt, giá rẻ, và
bảo tồn nguồn năng lượng.
Sử dụng dễ dàng
Đây là mục đích chính của các thiết bị USB, và kết quả là một giao diện. Thoải mái
trong việc sử dụng với những khả năng sau:
Một giao diện cho nhiều thiết bị
USB có khả năng linh hoạt trong việc sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau. Thay vì
phải làm nhiều điểm kết nối khác nhau và lại phải hỗ trợ phần cứng cho mỗi thiết bị
ngoại vi.
Cấu hình tự động
Khi người sử dụng kết nối một thiết bị ngoại vi USB tới một PC. Windows sẽ phát
hiện ra thiết bị ngoại vi đó và tải phần mềm điều khiển tương thích về. Trong lần kết
nối ngoại vi đầu tiên thì Windows có thể sẽ gợi ý cho người sử dụng chèn một đĩa
với phần mềm điều khiển vào ổ, nhưng ở những lần tiếp sau thì nó sẽ làm việc này
một cách tự động và sẽ không có câu hỏi nào được đặt ra cả. Một điều quan trọng là
ta không phải Restart lại máy trong khi ta cắm một thiết bị ngoại vi vào
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 18 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Sử dụng cáp một cách dễ dàng
Cáp USB được định khoá cố định theo một chiều nên bạn không thể cắm sai chúng
được. Một mảnh cáp có thể dài 5m, và nếu muốn kéo dài thì ta có thể sử dụng các
Hub. Ví dụ muốn có một khoảng cách dài 30m đến PC thì ta sử dụng 5 đoạn cáp và
cắm chúng vào các Hub sau đó nối vào các thiết bị ngoại vi. Mối nối của USB là
nhỏ và cô đọng trái ngược với cấu trúc điển hình của RS- 232 và các cổng song
song. Để đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động, cấu trúc USB bao gồm các yêu cầu cụ
thể mà tất cả các cáp phải tuân theo.
Khả năng kết nối nhanh
Bạn có thể kết nối hay là dỡ bỏ một thiết bị ngoại vi USB nếu bạn muốn. Nếu có
hay khơng một thiết bị ngoại vi được cấp năng lượng (Powered), không gây ảnh
hưởng đến PC hay các thiết bị khác. Một hệ điều hành sẽ phát hiện ra thiết bị ngoại
vi khi nó được cắm vào và sẵn sàng sử dụng nó.
Người sử dụng khơng được phép thiết lập
Các thiết bị USB khơng có phần setting cho người sử dụng có thể lựa chọn các cấu
hình như là địa chỉ cổng và các đường yêu cầu ngắt. Vậy nên khơng có bộ Jumper
để thiết lập cấu hình nào cả.
Các nguồn tài nguyên phần cứng free cho các thiết bị khác nhau
Việc sử dụng USB cho nhiều thiết bị ngoại vi cũng như là khả năng rảnh rỗi của các
Interrupt- Request line (IRQ) với các thiết bị ngoại vi mà yêu cầu chúng. PC chỉ ra
một chuỗi các địa chỉ cổng và một đường IRQ tới bộ điều khiển Host USB, nhưng
các thiết bị ngoại vi riêng lẻ không yêu cầu cộng tài nguyên vào hay là bất cứ một
việc lập trình PC nào làm vướng mắc tới địa chỉ cổng hay là phát hiện các ngắt phần
cứng. Trái lại các thiết bị ngoại vi của các giao diện khác có thể yêu cầu địa chỉ
cổng chuyên dụng, một đường IRQ vào khe cắm mở rộng.
Không yêu cầu thiết kế nguồn cấp
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 19 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Giao diện của USB bao gồm nguồn cấp và các đường đất (ground lines) cái này
cung cấp một nguồn điện áp là 5V từ nguồn cấp của máy tính hay là từ nguồn cấp
của các Hub. Một thiết bị ngoại vi cái mà yêu cầu lên đến 500 mA có thể kéo tất cả
các nguồn năng lượng của nó từ Bus thay vì phải cung cấp một bộ cấp nguồn
(Power Supply). Trái lại, các thiết bị ngoại vi sử dụng giao diện khác có thể phải
chọn giữa việc bao gồm một nguồn cấp bên trong thiết bị hay là sử dụng một nguồn
cấp bên ngoài rất bất tiện và to đùng to đoàng ra.
Tốc độ
USB cung cấp 3 tốc độ Bus là: High speed là 480 Mbít/s, full speed là 12 Mbít/s và
low speed là 1,5 Mbít/s. Bộ điều khiển USB Host (USB Host Controller) ở các PC
mới ra đời gần đây đều hỗ trợ cả 3 tốc độ nói trên. Tốc độ Bus mơ tả mức its tin
chuyển đi trên Bus. Nói rộng its về dữ liệu, Bus phải mang theo các tín hiệu về
trạng thái, tín hiệu điều khiển và tín hiệu kiểm tra lỗi.
Tuy nhiên thì tốc độ truyền dữ liệu trên Bus luôn được hy vọng là sẽ nhỏ hơn tốc độ
của Bus. Tốc độ tối đa của việc truyền dữ liệu đơn là khoảng 53 Mbít/s với highspeed, và 1,2 Mbít/s với full- speed cuối cùng là 800 bytes/s với low- speed. USB
1.0 định nghĩa low và full- speed bao gồm 2 lý do. Cáp chuột yêu cầu phải linh
động để có thể di chuyển nó. Cáp low- speed không yêu cầu phải là cáp xoắn và
nhiều màn chắn do vậy nó có thể linh hoạt hơn so với cáp loại full và high- speed.
Do đó các thiết bị low- speed thường có giá rẻ hơn. Full- speed được dự định là its
đẻ thay thế hết các thiết bị ngoại vi mà đã sử dụng RS-232 (Serial) và các cổng song
song. Tốc độ chuyển đổi dữ liệu tại high-speed của USB là đã tốt hơn so với các
giao diện trước đó rồi.
Độ tin cậy
Độ tin cậy của USB là bao gồm cả độ tin cậy trong phần cứng và độ tin cậy trong
các giao thức chuyển đổi dữ liệu. Cấu trúc phần cứng của các bộ điều khiển USB
(USB Driver), các bộ nhận (receiver) và cáp. Đảm bảo một giao diện yên tĩnh, tránh
hầu hết nhiễu mà đó nguyên nhân chính gây ra các lỗi về dữ liệu.
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 20 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
Giao thức USB cho phép việc phát hiện lỗi trong dữ liệu nhận được và báo cáo cho
người gửi, và do vậy nó có thể thực hiện việc gửi lại dữ liệu. Việc phát hiện, báo
cáo và truyền lại được thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng và không yêu cầu bất cứ
một sự lập trình hay là bất cứ sự can thiệp nào của người sử dụng.
Giá thành
Mặc dù USB là phức tạp so với các giao thức khác xuất hiện trước đó, nhưng các
thành phần cấu tạo cáp lại không đắt. Một thiết bị sử dụng giao diện USB có thể có
giá ngang bằng hay thậm chí là rẻ hơn so với một thiết bị tương tự sử dụng các giao
diện đã ra đời trước đó như là IEEE- 1394.
Tiêu thụ ít năng lượng
Các mạch lưu giữ năng lượng và mã có thể tự động giảm năng lượng cho các thiết
bị USB ngoại vi, khi chúng chưa được sử dụng đến khi nó sẵn bits để đáp ứng khi
được cần đến. Việc tiêu tơn ít năng lượng làm cho tiết kiệm tiền bạc, kéo dài tuổi
thọ của các bộ pin và làm môi trường trong sạch.
Sau đây là bảng so sánh các giao diện truyền tin do chúng em tìm hiểu
Số lượng
Khoảng
thiết bị lớn cách lớn
nhất
nhất (feet)
Tốc độ lớn
nhất
(bits/s)
Dạng sử dụng
(5)
(6)
Giao diện
Dạng
(1)
(2)
(3)
USB
Nối tiếp
đồng bộ
127
Ethernet
Nối tiếp
1024
1600
10G
Liên lạc mạng tổng
IEEE-1394b
Nối tiếp
64
300
3.2G
Video, bộ nhớ
IEEE-488
(GPIB)
Song song
15
60
8M
Thiết bị đo đạc
2
6
16M
Máy in, máy tính cầm tay
IrDA
(4)
16 (lên đến
Chuột, bàn phím, máy in, hay
1.5M,
96 với 5
các loại thiết bị ngoại vi chuẩn
12M,480M
hub)
khác.
I 2C
Nối tiếp
đồng bộ
40
18
3.4M
Liên lạc trong vi điều khiển
Microwire
Nối tiếp
đồng bộ
8
10
2M
Liên lạc trong vi điều khiển
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
- 21 “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo các đại lượng truyền tin theo chuẩn USB”
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
MIDI
Nối tiếp
xoay vòng
50
50
31.5K
Âm nhạc, điều khiển trình
diễn
Cổng máy in
Song song
2
10 - 30
8M
Máy in, máy quét, ổ đĩa
RS-232
(EIA/TIA-232)
Nối tiếp
đồng bộ
2
50 - 100
RS-485
(TIA/EIA-485)
Nối tiếp
đồng bộ
32 tải 256
4000
10M
Hệ thống thu thập và điều
khiển dữ liệu
SPI
Nối tiếp
đồng bộ
8
10
2.1M
Liên lạc trong vi điều khiển
Bảng1.
20K (115K
vơi một vài Modem, chuột, các thiết bị đo
phấn cứng)
Các giao diện truyền thông
b, Lợi ích cho người phát triển
Với nhiều sự thuận lợi cho người sử dụng nói trên thì USB cũng có nhiều điều dễ
dàng cho những người phát triển nó: Ví dụ các tiêu chuẩn về cáp của USB là tự
động kiểm tra lỗi. Điều này có nghĩa là những người phát triển không cần phải lo
lắng về việc phân định đặc tính của cáp hay xung cấp các phần mềm kiểm tra lỗi
cho USB.
USB có nhiều thuận lợi đem lại nhiều lợi ích cho người phát triển. Những người
phát triển bao gồm những người thiết kế phần cứng, những người lựa chọn thành
phần cấu thành và thiết kế nên các mạch trong thiết bị, lập trình viên những người
viết các phần mềm nhúng trực tiếp vào thiết bị (firmware) và những người viết phần
mềm trên PC để liên lạc với các thiết bị ngoại vi.
Những lợi ích tới người phát triển có được từ khả năng xây dựng linh hoạt trong
giao thức USB, sự hỗ trợ trong các chíp điều khiển (Controller chíp) và các hệ điều
hành cũng như sự hỗ trợ sẵn có từ các diễn đàn dành cho những người thực hiện
USB (USB Implementer Forum).
Nguyễn Thị Huyền – Đo lường & các hệ thống điều khiển – CH2005_2007
