đồ án tốt nghiệp nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

BKH & CN
Viện CNTT
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI KC.03.20
“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho
đo lường và điều khiển”
Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân
5868
08/6/2006
Hà Nội, 12-2005
Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin
1
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI KC.03.20
“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho
đo lường và điều khiển”
Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân
Hà Nội, 12-2005
Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin
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

2 PGS. TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin
3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin
4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin
5 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ Thông tin
6 KS. Phan Cao Hiệp Công ty Điện tử Bình Hoà
7 KS. Nguyễn Đức Thắng Viện Công nghệ Thông tin
8 TS. Nguyễn Ngọc Khoa Viện kỹ thuật Phòng không không quân
9 ThS. Vũ Sĩ Thắng
10 KS. Chu Ngọc Liêm
Viện Công nghệ Thông tin
Viện Công nghệ Thông tin
11 KS. Nguyễn Văn Hà Viện kỹ thuật Phòng không không quân
BÀI TÓM TẮT
Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”
nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao
gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát
triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều
khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm
vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các
chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.
Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu
tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội
thảo, các báo cáo thống kê ) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu
cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản
phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip
mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến
hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng
chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn
cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ

và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát
triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của
sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ
thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản
phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các
công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA,
mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề
tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu
chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất
lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả
nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội
nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực
tiễn qua các hợp đồng kinh tế.
Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm:
• Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc

gia
• Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm:
- Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1
- Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control)
dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1
- Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình
- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1
- Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1
- Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không
dây RFID
- Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID
và đầu cấp phát thẻ RFID
- Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái

cấu hình
- Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình
- Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển
thông minh sử dụng công nghệ PSoC
- Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip

PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp.
Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng
ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ
Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như
sau:
- Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón
đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào
Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996-
2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip
PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như:
. Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat
cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng.
Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được
nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế
tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai.
. Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là
module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng
tái

cấu hình.
Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các
sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài.
- Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải

pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có
hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình.
- Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải
pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp
chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông
tin và công nghệ mới.
- Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng
hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm
mới khác của Việt nam.
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

17
2.3. Nh ữ ng n ộ i dung đ ã th ự c hi ệ n

19
2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết

19
2.3.2. Nghiên c ứ u thi ế t k ế và ch ế t ạ o các s ả n ph ẩ m m ớ i

20
2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển

20
máy lạnh
a. Chip DKML-1

20
b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000

22
BTU
c. Ph ầ n m ề m

24
d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại

36
2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử

42

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

l ọ c α - β PC/104 có kh ả n ă ng tái c ấ u hình

71
a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu

72
hình
b. Các c ấ u hình có th ể l ự a ch ọ n

75
2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều

82
khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC
2.4. Đ ánh giá k ế t qu ả thu đượ c

94
3. K ế t lu ậ n và ki ế n ngh ị

95
4. Lời cảm ơn

96
PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
1. L Ờ I M Ở ĐẦ U

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”
thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công
nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông

tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài
được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục
tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông
minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các
công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương
pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm
đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài
còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế
để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và
các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên
cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm:
• Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2
• Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation)
• Các công cụ tìm lỗi (Debugger)
• Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC
• Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties)

cho thiết kế các chip đo và điều khiển.
2. Thiết kế và chế tạo:
- Chip điều khiển máy lạnh
- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế
- Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh
- Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh
Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU,

18000BTU.
3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125

KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan
dùng thẻ tiếp cận gồm:
- 2 đầu đọc thẻ
- 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC
- 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC
4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ

cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC.
5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái
cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính

sau:
• Format theo chuẩn PC/104
• Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền

dữ liệu
• Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable)
• Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC
Danh m ụ c các s ả n ph ẩ m khoa h ọ c công ngh ệ c ầ n đạ t c ủ a đề tài KC.03.20
TT TÊN SẢN PHẨM SỐ
LƯỢN
G
CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ
THUẬT
GHI
CHÚ
1. Các công trình, bài
báo
2. Thư viện chương
trình mẫu cho thiết

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

DKML-1
- Bộ phối ghép phím ấn
- Chế độ Wake-up
5. Bo điều khiển máy
lạnh sử dụng chip
DKML-1
6. Bộ điều khiển từ xa
cho máy lạnh sử
dụng chip RM-1
7. Chip đọc thẻ PROX-
1 (Radio Frequency)
đọc các thẻ không

tiếp xúc
8. Hệ thống kiểm soát

xâm thực tự động

mở cổng sử dụng

chip đọc thẻ PROX-
1
9. Module DAS -

PC/104 Có khả năng
tái cấu hình
2 Thay thế bo điều khiển máy
lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện
đang phải nhập ngoại trong dây

chuyền sản xuất của Công ty
Điện tử Bình hoà
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

DIO 8-16 KÊNH
Truyền thông UART, 12C,
SPI, RS232
- Có khả năng tái cấu hình
Kinh phí th ự c hi ệ n đề tài
Tổng kinh phí ngân sách Nhà nước cấp cho đề tài là 1.600 triệu đồng

Trong đó:
1. Thuê khoán chuyên môn: 600 triệu đồng
2. Nguyên vật liệu, năng lượng: 389 triệu đồng
3. Thiết bị máy móc: 361 triệu đồng
4. Xây dựng, sửa chữa nhỏ: 15 triệu đồng
5. Chi khác: 235 triệu đồng
2. N Ộ I DUNG CHÍNH C Ủ A BÁO CÁO

2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
Ngoài nước:
Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip đã có bề dày hơn 15 năm
phát triển và hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội là ASIC
(Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate
Array) và CSoC (Configurable System on Chip). Các công nghệ này liên quan
mật thiết với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu điểm, khắc phục nhược
điểm của nhau. Sau đây là tóm tắt các tính chất nổi trội và hạn chế của từng
công nghệ.
I. Về công nghệ ASIC
Các chip được tạo ra từ công nghệ ASIC có thể có hàng triệu bóng bán dẫn
và chi phí cho thiết kế thử nghiệm chip mới rất đắt. Tuy nhiên khi sản xuất loạt
lớn thì giá thành mỗi chip thành phẩm có thể xuống thấp tới một vài đô la.
Trong một số ứng dụng số lượng lớn (như trò chơi điện tử) ASIC có thể là giải
pháp hiệu quả, tuy nhiên hiện tại công nghệ ASIC có những hạn chế sau:

- Phương pháp thiết kế mạch ASIC hiện nay dựa chủ yếu vào các ngôn
ngữ HDL (Hardware Description Languages) là các ngôn ngữ mô tả các
chức năng phần cứng của chip ở mức trừu tượng cao. Tiếp đến cần một
công cụ phần mềm dịch thiết kế định dạng HDL sang các phương trình
logic (Borlean logic equations) và ánh xạ các phương trình logic này
thành tổ hợp các cổng logic và bộ nhớ (Gate-level representation). Các
ngôn ngữ HDL là ngôn ngữ tốt cho mô tả chức năng phần cứng, tuy
nhiên chúng lại không hiệu quả cho mô tả các thuật toán. Do vậy người
thiết kế rất khó khăn trong việc đưa các thuật xử lý phức tạp, know-how
vào chip ASIC. Một khi chip ASIC đã được tạo dựng, các thuật xử lý đã
được cứng hoá thì việc thay đổi sửa chữa nhỏ cũng rất tốn kém thời gian
và chi phí. Thời gian cho hoàn thiện thiết kế một chip ASIC thường rất
lâu và nhiều khi không theo kịp với sự đòi hỏi nâng cấp chức năng sử
dụng của sản phẩm. Mặt khác do mỗi chức năng, thuật toán xử lý đều
phải được cứng hoá ở các chip ASIC dẫn đến đòi hỏi tiêu tốn số lượng
lớn transitor và năng lượng trong khi thực tế thông thường chúng chỉ cần
hoạt động trong một số thời điểm nhất định. Điều này dẫn đến sự lãng phí
các nguồn tài nguyên trong chip ASIC.
II. Về công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array)
FPGA là các chip thuộc họ lập trình logic để tạo ra các chip số (digital IC).
Với FPGA ta có thể tạo ra các chips có khả năng xử lý các chức năng logic tuỳ
ý. Hiện tại trong họ lập trình logic có các loại chính sau:
- SPLD (Simple Programmable Logic Devices)
- CPLD (Complex Programmable logic Devices)
- FPGA (Field Programmable Gate Array)
SPLD là các chip lập trình logic loại nhỏ có khả năng thay thế vài IC loại
TTL 74xx. Thông thường có 4 đến 22 macro cells (mỗi macrocell thông thường
gồm một vài chức năng tổ hợp logic với một bộ nhớ flip-flop). Một macrocell
có thể có nhiều input nhưng với chức năng logic hạn chế. Các loại SPLD quen
thuộc là PAL (Programmable Array Logic của hãng Vantis), GAL (Generic

Array Logic của hãng Lattice), PLA (Programmable Logic Array) và PLD
(Programmable logic Device).
CPLD

có cấu trúc như SPLD nhưng có khả năng tích hợp lớn hơn.
Thông thường CPLD bao gồm từ 2 đến 64 mạch SPLD, có từ hàng chục đến
hàng trăm macrocells. Thông thường một nhóm từ 4 đến 16 macrocells được
kết nối tạo thành các khối chức năng trong CPLD. Các khối chức năng này
được kết nối với nhau qua một ma trận kết nối có khả năng lập trình. Các CPLD
quen thuộc bao gồm EPLD (Erable Programmable Logic Devices), EEPLD
(Electrically Erable Programmable Logic Device), MAX (Multiple Array
Matrix của Altera)
FPGA là các chips có khả năng tích hợp lớn nhất so với SPLD và CPLD.
Một chip FPGA gồm các khối logic (Logic blocks) được bao bọc bởi các khối
vào ra có khả năng lập trình (Programmable I/O blocks) và các đường kết nối
có khả năng lập trình (Programmable interconnect). Một chip FPGA có thể có
từ 64 đến hàng chục ngàn khối logic và số lượng bộ nhớ flip-flops còn lớn hơn.
Các FPGA được chia ra làm hai nhóm chính là loại hạt lớn (coarse-grained) và
loại hạt nhỏ (fine-grained). Loại FPGA hạt lớn gồm các khối logic lớn, kích cỡ
khối logic lớn này thường có nhiều bảng look-up và flip-flops. Loại FPGA hạt
nhỏ thường gồm một lượng lớn khối logic nhỏ. Kích cỡ của khối logic nhỏ
thường một vài cổng logic 2 đầu vào và một flip-flop.
Với các cấu trúc nêu trên các FPGA không có khả năng xử lý các tín hiệu
tương tự hoặc tín hiệu RF (Radio Frequency).
Phần lớn các FPGA được lập trình và đặt cấu hình trên RAM tĩnh. Cấu
hình này xác định chức năng hoạt động của các khối logic, khối vào ra và
đường kết nối giữa chúng tạo nên chip xử lý số chuyên dụng. Do vậy khi mất
nguồn nuôi các RAM cấu hình mất thông tin và khi có điện lại phải có chu trình
nạp lại cấu hình cho các RAM này. Để khắc phục nhược điểm này một số
FPGA sử dụng FLASH để thay thế RAM tĩnh, một số FPGA khác lại dùng

công nghệ antifuse như dùng PROM nạp một lần để chứa cấu hình.
Các chip FPGA thường dùng nhất là của hãng Xilinx (XC3000,
XC4000xx, Spartan, Virtex) và của hãng Altera (FLEX, APEX). Các hãng khác
như Lattice, Actel, Quick Logic cũng cung cấp các FPGA nhưng là các loại nhỏ
và chiếm thị phần không đáng kể.
Một hạn chế của FPGA là sử dụng các công cụ và các phương pháp thiết
kế như của công nghệ ASIC bao gồm các ngôn ngữ HDL là loại không thích
hợp cho lập trình xử lý thuật toán. Do vậy khi phải thực hiện các thuật toán xử
lý phức tạp người lập trình phải vất vả chuyển đổi sang ngôn ngữ HDL và cứng
hoá thuật toán vào các khối logic.
Các chip được tạo ra theo công nghệ FPGA thường không sử dụng một
cách có hiệu quả các tài nguyên sẵn có của chip trắng FPGA. Mặt khác FPGA
còn tiềm ẩn nhân tố nhiễu loạn (chaotic element) trong quá trình kết nối
(routing). Thống kê cho thấy một nửa số cổng logic trong chip trắng FPGA
thông thường không được sử dụng đến do hạn chế của khả năng kết nối hoặc
thuật toán kết nối.
Các chương trình thiết kế tự động cho các chip FPGA thường rất đắt tuỳ
thuộc vào chức năng và số lượng thư viện chương trình mẫu IP. Giá có thể từ
vài ngàn US$ đến hàng triệu US$. Các hãng nổi tiếng cung cấp các phần mềm
thiết kế cho công nghệ FPGA là Mentor Graphics, Cadence và Synopsis.
Tuy nhiên các hãng cung cấp chip trắng FPGA hàng đầu trên thế giới là
Xilinx và Altera có chiến lược cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí cho các
họ FPGA loại vừa và nhỏ.
Xilinx cung cấp phần mềm miễn phí ISE WebPack là một Version cơ
bản của chương trình thiết kế ISE5.
Altera cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí Quartus II Web Edition là
phiên bản tối thiểu của chương trình thiết kế QuartusII.
Công nghệ FPGA là một công nghệ mạnh cho thiết kế các chip có chức
năng xử lý logic cho các mạch số và truyền thông số. Các chip FPGA trắng
thường có giá thành đắt từ 30-70US$/chip. Với đơn đặt hàng lớn >10.000 chip

thì giá thành có rẻ hơn nhưng vẫn không dưới 10US$/chip.
Với đặc tính chuyên dụng cho xử lý logic và với giá thành còn cao, công
nghệ FPGA không phải là một công nghệ tối ưu cho các ứng dụng đo lường và
điều khiển ở Việt nam. Trên thế giới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển
công nghệ FPGA được ứng dụng trong các module I/O, các module thu thập dữ
liệu (Data Acquisition) cho PC có bus ISA, PCI hoặc PC/104, PC104+. Lúc này
FPGA được thiết kế như phần phối ghép các chip xử lý tín hiệu tương tự ADC,
DAC với CPU của máy tính.
III. Công nghệ CSoC (Configurable System on Chip) tái cấu hình hệ thống
trong một chip
Khác với công nghệ ASIC và FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC riêng lẻ,
IC số ngoại vi thì công nghệ CSoC là công nghệ cho phép tạo nên cả một hệ
thống trong một chip bao gồm CPU, ROM, RAM các ngoại vi thời gian thực
(như ADC, DAC, Counter, Timer, Digital I/O, cổng truyền thông ) và cho
phép thay đổi cấu trúc phần cứng của chip trong quá trình hoạt động.
Như vậy công nghệ CSoC cho ta một độ linh hoạt lớn trong việc phát
triển thiết kế và chế tạo chip thông minh chuyên dụng vừa khít với yêu cầu ứng
dụng của sản phẩm.Cả tài nguyên phần cứng và phần mềm của chip đều có thể
dễ dàng thay đổi trong qúa trình hoạt động hiện tại và phát triển mở rộng chức
năng sản phẩm trong tương lai Công nghệ CSoC sẽ là một bước tiến hoá của
công nghệ thông tin, thoát khỏi các ràng buộc của hệ máy tính cứng (Rigid
Computing Machine) sang thế hệ máy tính tự thích nghi (Adaptive Computing
Machine).
Hiện tại có khoảng 30 hãng trên thế giới có phát triển và chào bán công
nghệ CSoC của mình. Một số CSoC chính được liệt kê như sau:
• Hãng Altera kết hợp lõi CPU cứng ARM và lõi CPU mềm với một số

FPGA của mình tạo nên các chip Processor + FPGA (Cyclone,
Strafix) cho phép thiết kế các chip số tốc độ cao có processor và phần

xử lý logic thay đổi được.
• Hãng Atmel tích hợp lõi CPU AVR với FPGA hạt bé của mình tạo
nên chip CSoC.
• Hãng Cypress Micro System có công nghệ PSoC (Programmable

System on Chip) có lõi CPU M8, RAM, FLASH và các Block tương
tự và số cho phép tạo ra các chip hệ thống xử lý hỗn hợp (mixed

signal) với khả năng xử lý thuật toán mạnh.
• Hãng Equator có chip CSoC đặc thù cho xử lý âm thanh (Media
Processing).
• Hãng Motorola có chip CSoC cho xử lý tín hiệu truyền thông không

dây (Wireless chipset).
• Hãng QuickLogic tích hợp lõi CPU MIPS với FPGA cho tạo dựng các
hệ xử lý logic nhanh.
• Hãng Tricend tích hợp CPU 32 bit ARM với FPGA cho thiết kế các
hệ thống xử lý logic tốc độ cao.
• Hãng Xilinx tích hợp lõi CPU 8051 hoặc MIPS Power PC với một số

FPGA tạo nên tổ hợp Processor + FPGA (Vertex II Pro) cho phép tạo
ra các IC số có processor tốc độ cao.
Công nghệ CSoC thực sự là một công nghệ ưu việt hơn công nghệ ASIC
và FPGA trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vì nó tích hợp Processor và bộ
nhớ RAM, FLASH, cho phép ta lập trình các thuật xử lý phức tạp một cách dễ
dàng bằng ngôn ngữ C hoặc ASSEMBLER. So với các vi điều khiển thông
dụng như 8051, motorola 68HC908, Microchip PIC16#73 có cấu trúc CPU và
ngoại vi cố định (fixed digital and analog penpherals) thì các chip CSoC có khả
năng mềm dẻo thích ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là khả năng tái cấu hình
(reconfigurable) tạo thành nhiều loại chip có chức năng khác nhau trên một chip

ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng. Ví dụ với chip PSoC của
hãng Cypress Micro System, ta có thể thiết kế cho nó thành một chip điều khiển
máy bán hàng tự động ở ban ngày và đến 12 giờ đêm chip PSoC sẽ tự tái cấu
hình thành một modem và gửi các dữ liệu (số hàng tồn trong máy, số tiền thu
được ) của máy bán hàng về trung tâm.
Công nghệ tạo chip thông minh cho đo lường và điều khiển trên cơ sở
CSoC có tính hiệu quả kinh tế, nhất là đối với các chip PSoC của Cypress
Micro System vì có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho ta
khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng và phát triển các
chức năng mới sau này. Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn và hỗ trợ
cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối
mạng trên cùng một chip với giá thành thấp. Hệ thống phần mềm hỗ trợ thiết kế
chip PSoC Designer của Cypress Micro System có đầy đủ các chức năng thiết
kế, xắp xếp các khối chức năng, mô phỏng, lập trình C, tìm lỗi và nạp chip hiện
đại, có các module ứng dụng (user module) phong phú giúp ta không phải lập
trình trên ngôn ngữ HDL vừa khó bao quát, vừa không hiệu quả.
Ngoài ra giá thành của các chip PSoC trắng từ 2-5US$/chip rẻ hơn
nhiều lần so với các chip FPGA. Đây là một cơ hội cho các doanh nghiệp và
các nhóm say sưa sáng tạo có thể đạt đến thành công lớn với các sản phẩm
độc

đáo có các chip thông minh chứa các ý tưởng sáng tạo, bí quyết của riêng
mình.
Trong nước:
Đã có nhiều cơ sở nghiên cứu phát triển triển khai các hướng nghiên cứu

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

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

nhóm Việt kiều ở Đức và Pháp đánh dấu bước khởi đầu cho các nghiên
cứu về thiết kế chip ASIC. Các nghiên cứu này đã không mang lại nhiều
kết quả do điều kiện cơ sở vật chất và thông tin trao đổi không thuận lợi
thời gian đó.
• Công nghệ FPGA được Viện Vi điện tử thuộc Viện Công nghệ quốc gia

là một trong những đơn vị đầu tiên tại nước ta tiến hành nghiên cứu từ
năm 1998. Với công nghệ FPGA của hãng Altera Viện Vi điện tử đã áp
dụng để thiết kế mạch Read out cho các thước đo vị trí của các máy
CNC và nhiều ứng dụng xử lý số khác.
• Viện kỹ thuật quân sự Phòng không không quân triển khai các nghiên
cứu thiết kế tạo chip cho xử lý số tín hiệu rađa, lọc số cho xử lý tín hiệu
tên lửa sử dụng các FPGA của Altera.
• Công ty liên doanh AMEC của Tổng Công ty Điện tử tin học có các
nghiên cứu áp dụng công nghệ FPGA của Xilinx cho thiết kế một số chip
xử lý số cho thiết bị y tế.
• Một số cơ sở nghiên cứu và đào tạo khác như Học Viện công nghệ Bưu
chính viễn thông, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện điện tử tin học và Tự
động hoá VIETLINA cũng đang khởi động các nghiên cứu áp dụng công
nghệ FPGA.
• Công ty Viettronic Tân Bình đang lập dự án xây dựng 2 trung tâm thiết

kế chip trên công nghệ FPGA và các phần mềm thiết kế của Mentor
Graphics và Cadence.
• Viện Công nghệ Thông tin cũng có những bước đi ban đầu cho việc

nghiên cứu phát triển các module PC/104 trên công nghệ FPGA của hãng
Altera từ năm 2002.
Các đơn vị nêu trên mới tập trung nghiên cứu tạo các chip số chưa có
processor và chưa xử lý được các tín hiệu tương tự, do vậy còn nhiều hạn chế

cho các ứng dụng đo lường và điều khiển thường phải đòi hỏi xử lý thuật toán
phức tạp và xử lý hỗn hợp tín hiệu tương tự và số. Nhận biết được hạn chế này
từ đầu năm 2002 Viện công nghệ thông tin đã tiếp cận đến công nghệ PSoC của
hãng Cypress Micro System để thiết kế ra chip chuyên dụng cho đầu đo mức
nước và thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương.
2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đề tài đã tiến hành các nghiên cứu phát
triển các chip thông minh cho các đối tượng sau:
a) Chip điều khiển máy lạnh và chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại
máy:
Hiện nay nhiều cơ sở sản xuất các thiết bị gia dụng (điều hoà, máy giặt,
tủ lạnh, nồi cơm điện ) đang phải nhập khẩu các bộ điều khiển về lắp ráp cho
các sản phẩm của mình. Nhu cầu tăng tỷ lệ nội địa hoá các sản phẩm gia dụng
công nghệ cao này đang là vấn đề bức xúc của các doanh nghiệp sản xuất do
sức ép cạnh tranh của tiến trình hội nhập AFFA, WTO. Chính vì vậy việc
nghiên cứu thiết kế các chip thông minh mang thương hiệu Việt nam cho các
dây chuyền sản xuất thiết bị gia dụng trong nước là một lựa chọn đúng và nó
đáp ứng nhu cầu thực tiễn và tăng được sức cạnh tranh cho các sản phẩm của
Việt nam. Số lượng các chip cần cho các bo điều khiển máy lạnh và các thiết
bị gia dụng ngày càng tăng do đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện,
nhu cầu sử dụng các thiết bị gia dụng hiện đại ngày càng cao.
Việc nghiên cứu tạo chip cho máy lạnh Việt nam là tiền đề cho việc
nghiên cứu phát triển các chip thông minh cho các sản phẩm gia dung cao cấp
khác cần có tỷ lệ nội địa hoá cao như máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, nồi cơm
điện v v.
Ở trong nước chưa có cơ sở nào tiến hành nghiên cứu các bo điều khiển
cho máy lạnh để tăng tỷ lệ nội địa hoá. Các bo điều khiển nhập ngoại có giá
thành cao và thường sử dụng các chip vi điều khiển có cấu trúc cứng (fixed
micro controller). Ở giải pháp của đề tài sử dụng công nghệ PSoC có khả
năng tái cấu hình phong phú với nhiều ngoại vi mạnh cho phép việc tăng độ

thông minh của thiết bị lạnh một cách dễ dàng.
b) Chip thông minh cho đọc và nhận dạng thẻ RFID (Radio Frequency

Identification)
Thẻ RFID đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong đời sống
như sau:
- Các hệ thống kiểm soát xâm thực (access control) như kiểm soát

người ra vào cơ quan, bảo vệ việc sử dụng trái phép máy tính,
chương trình máy tính,
- Các hệ thống chấm công dùng thẻ không tiếp xúc,
- Các hệ thống tự động dùng thẻ RFID (đóng mở cổng, xuất nhập vật

tư, v v )
Thẻ RFID ngày càng thay thế thẻ từ và mã vạch. Thẻ từ dễ bị xước
trong quá trình sử dụng còn thẻ tiếp cận RFID có tuổi thọ rất cao do được chế
tạo đúc trong thẻ nhựa và không dùng pin. Thẻ hoạt động được bằng việc lấy
năng lượng từ trường được phát ra từ các đầu đọc. Các hệ thống tự động dùng
thẻ tiếp cận nêu trên hiện đang được nhập vào Việt nam với giá thành đắt và
với phần mềm quản lý của nước ngoài không phù hợp với Việt nam. Việc
thay đổi chương trình thường gặp khó khăn vì các hãng sản xuất không cung
cấp các thủ tục giao diện với các thiết bị đọc thẻ.
Xuất phát từ thị trường tiềm năng đang phát triển này đề tài phát triển
các chip thông minh cho việc đọc và nhận dạng các thẻ tiếp cận RFID làm cơ
sở cho việc phát triển các hệ thống tự động sử dụng thẻ mang thương hiệu
Việt nam.
c) Trên cơ sở các chip được thiết kế và chế tạo đề tài sẽ áp dụng các chip

này để phát triển các sản phẩm mới như sau:
• Máy lạnh 12000 BTU 2 cục sử dụng bo điều khiển máy lạnh và bộ

điều khiển từ xa hồng ngoại cho máy lạnh được thiết kế từ các chip của
đề tài.
• Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả năng tái cấu hình
• Hệ thống tự động đóng mở cửa và quản lý nhân sự ra vào cơ quan sử

dụng thẻ RFID bao gồm:
+ Hai đầu đọc thẻ tiếp cận (1 vào và 1 ra)
+ Một bộ điều khiển quản lý hai đầu đọc, điều khiển đóng mở cổng

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

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

c¸c Module ®o vµ ®iÒu khiÓn theo chuÈn PC/104
Công nghệ FPGA đã được một số Viện nghiên cứu áp dụng. Tuy nhiên
do đặc thù FPGA chỉ cho phép tạo ra các IC số nên các cơ sở này buộc phải
dùng thêm các IC tương tự rời cho các ứng dụng đo và điều khiển. Các IC
tương tự rời có chức năng cố định và có nhiều hạn chế trong quá trình thay
đổi, hiệu chỉnh thiết kế. Việc kết hợp FPGA với PSoC cho ta khả năng tạo ra
các module đặc chủng mạnh, mềm dẻo, xử lý hỗn hợp tín hiệu analog, digital
và dễ dàng phối ghép với máy vi tính PC.
Đối tượng nghiên cứu cho vấn đề này nhằm tạo ra một card thu thập và
xử lý số liệu theo chuẩn PC/104 có khả năng đặt cấu hình phong phú. Hiện tại
các module PC/104 được sản xuất với các chức năng cố định như Card digital
I/O, Timer-Counter, Analog Inputs, Analog Outputs hoặc phối hợp thành card
thu thập dữ liệu DAC (Data Acquisition System).
Do phối hợp thế mạnh của 2 công nghệ FPGA và PSoC card thu thập
dữ liệu PC/104 của đề tài cho phép người sử dụng định nghĩa các ngoại vi

ADC, DAC, DI, DO, Timer, Counter theo tuỳ thích của mình. Điều này dẫn
đến người sử dụng chỉ cần mua một loại card có khả năng thay thế cho nhiều
loại card PC/104 của các hãng khác nhau.
Các sản phẩm này đều mang thương hiệu Việt Nam và được kiểm
chuẩn và áp dụng thử nghiệm ở hiện trường.
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

trong

các

h ộ i

ngh ị

khoa

h ọ c

trong và ngoài n ướ c 2003-2004
STT Tên bài báo Tác giả
Số

trang
Trong
tuyển
tập
Nghiên cứu phát

triển bo mạch điều
1 khiển máy điều hòa
nhiệt độ sử dụng

công nghệ PSoC
Nghiên cứu và phát
triển bộ điều khiển

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

4
xâm thực sử dụng
thẻ tiếp cận
Bộ đo và truyền tín

hiệu nhiệt độ PT100
KS. Phan Minh Tân

KS.Bùi Thị Thanh Quyên
ThS. Trần Việt Phong
PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát
6 VICA6
5 transductor sử dụng
công nghệ tạo chip
PSoC
KS. Chu Ngọc Liêm
6 VICA6
Hệ thống nhúng và
thời đại hậu PC
PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát
10
Tạp chí
tin học

và điều
khiển

học số
1/2005
Nghi

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

A
)

c
h
o

c
á
c

h
ệ

c
ơ

đ
i
ệ
n

t
ử
Ngh
iên
c
phát
tri
chip

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

ệ
th
ố
n
g

đi
ề
u
k
hi
ể
n
m
á
y
lạ
n
h
Công
nghệ
PSoC
và
9 chế
tạ
o
đ
6
ọc thẻ tiếp

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

điện
5 tử
toàn

quốc
lần

thứ 2
Hội
nghị

cơ
điện
8 tử
toàn

quốc
lần

thứ 2
Hội
nghị

cơ
điện
7 tử
toàn

quốc
lần

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

7443
của
công
nghệ
PSoC.
Chip là
thành
phần
điều khiển chính cả phần cứng và mềm của bo

điều khiển máy
lạnh.
• Các thông số hệ thống của Chip DKML-1 :
+ Áp sử dụng: 5V
+ Dao động trong.
+ Tần số dồng hồ CPU 12 MHz.
+ Tần số đồng hồ hệ thống SysClk 24 Mhz
+ Tần số ngắt Sleep_Timer 1 Hz
+ Có sử dụng WatchDog
- WatchDog được dùng đề phòng trường hơp hệ thống bị rơi vào trạng
thái treo máy do bất kì lí do gì. Máy sẽ được khởi động lại. Sleep_Timer được
dùng để phục vụ WatchDog.
• Các khối chức năng của Chip DKML-1:
lạnh.
+ ADC dùng kiểm soát nhiệt độ phòng và kiểm soát nhiệt độ mặt giàn
+ Bộ phân kênh dùng cho mục đích một ADC kiểm soát nhiều điểm đo
khác nhau.
+ Khuyếch đại đệm dùng ổn định đầu vào cho ADC. Khuyếch đại 1:1.
+ Timer_1 và các ngắt GPIO dùng cho các đầu vào điều khiển nút bấm

và điều khiển hồng ngoại.
+ Timer_2 dùng cho mục đích Real Time Clock. Tạo ra bộ đếm xung
đồng hồ dựa trên nguồn xung đồng hồ hệ thống.
Đây là các khối chức năng được xử lí bằng phần cứng, ngoài ra các module

còn lại dùng để điều khiển các đầu ra của hệ như:
+ Module hiển thị, trực tiếp điều khiển các led chỉ thị qua các Port của
chip.