thiết kế phần mềm thiết bị đo và hiển thị dạng sóng lên màn hình máy tính

Luận văn cao học 1
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OSCILLO VÀ PC OSCILLO 5
1.1 Giới thiệu chung 5
1.1.1 Oxilo tương tự 5
1.1.2 Oxilo điện tử số 10
1.2 Tổng quan về PC Oscillo 13
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ USB 17
2.1 Giới thiệu 17
2.2 Kiến trúc tổng quan của hệ thống USB 18
2.2.1 Host: 19
2.2.2 Thiết bị USB: 20
2.2.3 Mô hình Bus vật lý 21
2.2.4 Mô hình Bus logic 23
2.2.5 Mối quan hệ Client software và function 23
2.2.6 Luồng dữ liệu USB 24
2.3 Kiến trúc chi (ết 24
2.3.1 Dây cáp USB. 24
2.3.2 USB Connecter 25
2.3.3 Đặc tính điện 25
2.3.4 Định nghĩa tốc độ 26
2.3.5 Giao thức USB 27
2.3.6 Các phương thức trao đổi dữ liệu 30
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 2
CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM 38
3.1 Lý thuyết chung 38
3.1.1 Phương pháp xây dựng đường cong 38
3.1.2 Phân tích phổ tín hiệu 50
3.2 Phương Pháp khôi phục dạng 6n hiệu và phân 6ch phổ 57

3.2.1 Phương pháp khôi phục dạng tín hiệu 57
3.2.2 Thuật toán phân tích phổ ( FFT cơ số 2) 78
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 83
4.1 Độ chính xác 83
4.2 Hạn chế và kiến nghị 83
TÓM TẮT LUẬN VĂN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 3
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm vừa qua, ngành Điện tử - Viễn thông đã góp một phần
không nhỏ vào công cuộc xây dựng và kiến thiết đất nước. So với lịch sử phát
triển của ngành điện tử trên thế giới thì ngành điện tử của ta vẫn còn non trẻ
và chủ yếu là phân phối và gia công lắp ráp các sản.Tuy đã có các sản phẩm
thiết kế song vẫn còn nhỏ, lẻ. Để bắt kịp với sự phát triển của thế giới và đáp
ứng nhu cầu thực tế chúng ta cần từng bước tự cường về công nghệ và tự chủ
về quy trình sản suất, xây dựng những nền tảng cơ bản, phát huy hết nguồn
lực về con người.
Trong điều kiện đất nước còn khó khăn, các trang thiết bị còn thiếu vì
vậy việc thiết kế các công cụ phục vụ cho công tác nghiên cứu và đào tạo là
cần thiết. Việc trang bị lại các thiết bị phục vụ thí nghiệm sẽ giúp ích cho sinh
viên có cơ hội tiếp xúc với thực tế để tự tin hơn khi bước vào môi trường làm
việc. Một trong các công cụ về xử lí tín hiệu rất cần thiết cho ngành điện tử là
máy hiện sóng (Oscilloscope). Phần nhiều các máy này trong phòng thí
nghiệm hiện nay là các oscillo tương tự với màn hình hiện thị CRT. Một số
phòng thí nghiệm mới đã có Oscillo số nhưng số lượng còn hạn chế. Oscillo
số có những tính năng tốt hơn rất nhiều so với Oscillo tương tự như xử lí tín
hiệu, lưu trữ các tín hiệu đã đo từng thời điểm quan sát, phân tích phổ, xử lí và
gia công tín hiệu (FFT,FIR…) nhưng giá thành còn rất cao. Với mong muốn
có thể tạo ra một chiếc Oscillo số đa tính năng phục vụ một phần trong công

tác thực hành thí nghiệm trong trường và công tác nghiên cứu với chi phí nhỏ
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 4
hơn rất nhiều… Đề tài “Thiết kế phần mềm thiết bị đo và hiển thị dạng sóng
lên màn hình máy tính” được tôi chọn trong luận văn tốt nghiệp của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Phạm Văn Bình đã giúp tôi hoàn
thành luận văn này.
Hà Nội, 11-2008
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ OSCILLO VÀ PC
OSCILLO
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Oxilo tương tự.
1.1.1.1 Khái niệm.
Oxilo là máy đo tín hiệu đa năng. Oxilo là đọc tắt của:
+ Oscilloscope: Máy xem dạng sóng, hiện sóng.
+ Oscillograph: Máy vẽ sóng, dao động kí.
1.1.1.2 Phân loại.
Có nhiều loại Oxilo:
+ Oxilo cơ
+ Oxilo cơ điện.
+ Oxilo quang.
+ Oxilo nhiệt.
+ Oxilo quang điện.
+ Oxilo điện tử.
1.1.1.3 Ứng dụng.
Oxilo được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành khoa học kĩ thuật khác
nhau. Sở dĩ vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm:
Giúp cho người đo vừa quan sát định tính được hình dạng của tín hiệu vừa

có thể cùng một lúc đo được nhiều thông số của tín hiệu vì vậy nên nó có thể
thay thế được nhiều thiết bị đo các thông số riêng rẽ của tín hiệu.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 6
+ Đo nhanh: Tiết kiệm được thời gian và tài chính.
1.1.1.4 Sơ đồ khối tối thiểu cần có.
Hinh 1.1 Sơ đồ tối thiểu của một oxilo tương tự
Kênh Z: Tạo ra màn hình, bút ghi, lực Fz (mục đích: làm cho màn hình phát
sáng).
Kênh Y: Là nơi đưa tín hiệu cần quan sát, đo đạc và dùng để điều khiển bút
ghi lên trên, xuống dưới nhờ lực Fy.
Kênh X: Tạo ra lực Fx kéo bút ghi chuyển động theo phương ngang. Yêu
cầu hàm Fx(t) phải là hàm tuyến tính theo thời gian nếu không sẽ gây ra hiện
tượng méo dao động đồ.
Nếu 3 kênh X, Y, Z được tạo ra bằng các mạch điện tử thì ta có oxilo điện
tử, còn nếu tạo ra từ năng lượng cơ thì ta có oxilo cơ. trong nội dung của bản báo
cáo này ta chỉ tập trung vào oxilo điện tử.
1.1.1.5 Sơ đồ khối tổng quát dạng của 1 oxilo tương tự 1 kênh.
Trong mục này chỉ giới thiệu khái quát về các phân hệ chính của 1 oxilo
tương tự 1 kênh. Gồm có 4 phân hệ:
- Phân hệ kênh Z.
- Phân hệ kênh Y.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 7
- Phân hệ kênh X và đồng bộ.
- Phân hệ nguồn cấp.
a, Phân hệ kênh Z.
Bao gồm:
+ ống tia.
+ Bộ tạo tín hiệu có Tch để đánh dấu thời gian (khối này không có ở oxilo

cấp thấp)
ống tia gồm có 3 bộ phận:
+ Bộ phận 1: Hệ thống súng điện tử bao gồm các điện cực sau: Sợi đốt,
cực lưới G, Anốt 1, Anốt 2, Anốt hậu.
+ Bộ phận 2: Màn huỳnh quang là lớp bột muối kim loại (thường là muối
của kim loại kẽm, magiê, hay nhôm) tồn tại dưới dạng keo ở phía trong điện cực
thủy tinh để mắt người quan sát.
Lưu ý: Điện áp cắt là điện áp một chiều đặt vào G và tại điện áp này không
có điện tử nào lọt qua lỗ của G để bắn lên màn hình.
+ Hệ thống lái tia điện tử bằng điện áp.
Bao gồm hai cặp tấm: Cặp tấm lái theo chiều ngang X1, X2 và cặp tấm lái
theo chiều dọc Y1, Y2.
Cặp tấm X1, X2 đặt song song nhau, cách nhau một khoảng dx và cùng
vuông góc với mặt phẳng ngang. Khi có điện áp từ đầu ra của khuếch đại đối
xứng X đặt vào, do có sự chênh lệch điện áp giữa X1, X2 sẽ kéo bút ghi theo
phương ngang.
Cặp tấm Y1, Y2 đặt song song nhau, cách nhau một khoảng dy và cùng
song song với mặt phẳng ngang. Khi có điện áp từ đầu ra của khuếch đại đối
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 8
xứng Y đặt vào (chính là điện áp của tín hiệu cần quan sát, đo đạc), do có sự
chênh lệch điện áp giữa Y1, Y2 sẽ hình thành lực Fy kéo bút ghi theo đường
sáng dọc.
Bộ tạo tín hiệu có Tch để đánh dấu thời gian: Khối này thường là khối tự
dao động đưa ra tín hiệu điều hoà hoặc xung vuông đều có chu kì chuẩn để đánh
dấu thời gian.
b, Phân hệ kênh Y.
Có nhiệm vụ đưa tín hiệu cần đo, cần quan sát vào nó để tạo ra lực Fy kéo
bút ghi lên trên hay xuống dưới tạo nên trục hàm số hay biên độ.
Các khối chức năng:

Hinh 1.2 Sơ đồ khối chức năng phân hệ kênh Y
Khối chuẩn biên độ có tác dụng chuẩn lại thang khắc độ của chuyển mạch
phân áp Y trước khi oxilo thực hiện phép đo biên độ điện áp của tín hiệu cần đo.
Khối cáp đo: Là 1 cấu kiện chuẩn, trên đó có bộ chia cáp theo 2 thang
1:10 và 1:1. nếu để thang 1:10 thì kết quả đọc ra trên oxilo phải x10.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 9
Khối chuyển mạch phân áp Y: Gồm 1 chuỗi mạch (R // C) tạo thành hệ số
chia áp Kpa = Uvào/Ura. Khi Uy vào càng lớn thì cần điều chỉnh sao cho Kpa
càng lớn. Khối này đưa ra mặt máy để điều chỉnh.
Khối mạch vào và tiền khuếch đại Y.
+ Mạch vào thường là 1 tầng khuếch đại có hồi tiếp âm lớn, thường hệ số
khuếch đại mạch vào 1 (để mạch vào có Zvào lớn, Zra nhỏ). Mạch vào đóng
vai trò tầng đệm, thực hiện phối hợp trở kháng giữa mạch cần đo và oxilo.
+ Tầng tiền khuếch đại Y đảm bảo hệ số khuếch đại đủ lớn đồng thời phải
đảm bảo dải thông của kênh Y.
Dây trễ: Là chuỗi các mạch LC mắc song song, liên tiếp nhau. Các LC này
có thể được tạo từ các phần tử thụ động hay tích cực.
Tầng khuếch đại Y đối xứng: Tạo ra 2 điện áp ngược pha nhau đưa vào 2
tấm lái tia Y1, Y2 làm cho độ nhạy của cặp tấm (hay của kênh Y) tăng lên gấp
đôi.
c, Phân hệ kênh X và đồng bộ.
Kênh X có 2 chế độ quét:
+ Quét X trong:
* Quét liên tục: Là tạo ra các xung răng cưa liên tục, hết xung này đến
xung khác, mục đích để vẽ dao dộng đồ của tín hiệu cần đo đưa đến đầu vào Y là
liên tục.
* Quét đợi: Là tín hiệu xung răng cưa chỉ được tạo ra khi trên kênh Y tồn
tại xung hay nói cách khác đầu vào Y là tín hiệu xung.

+ Quét X ngoài:
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 10
Khi đó để quét X cần phải từ ngoài oxilo đến đầu vào X, qua chuyển mạch
phân áp X, mạch vào và tiền khuếch đại X, khuếch đại đối xứng X, vào cặp lái
tia X1, X2.
Chế độ này được sử dụng khi oxilo thực hiện các phép đo các thông số bằng
cách so sánh tín hiệu đó với tín hiệu chuẩn thông qua dao động đồ litxagiu (là
một đường cong khép kín).
Đồng bộ: Có ba chế độ đồng bộ.
+ Đồng bộ ngoài: Tín hiệu đồng bộ đưa vào điều khiển đồng bộ được lấy
từ một nguồn ngoài oxilo, thường để đồng bộ tín hiệu xung, dao động đồ của tín
hiệu có độ rộng hẹp và có chu kỳ dài.
+
Đồng bộ trong: Tín hiệu đồng bộ đưa xuống được lấy từ Uy (lấy 1 phần
tín hiệu Uy cần quan sát, đo đạc). Được sử dụng để đồng bộ dao động đồ trên
màn hình khi tín hiệu vào Uy là tương tự hay là xung vuông đều.
+ Đồng bộ 50Hz: Tín hiệu đồng bộ được lấy từ một cuộn thứ cấp của biến
áp nguồn nuôi oxilo. Thường để đồng bộ các tín hiệu vào là điều hoà có tần số
thấp.
Ngoài ra còn có thể điều khiển đồng bộ bằng điện áp 1 chiều.
d, Phân hệ nguồn cấp
Oxilo được nuôi từ nguồn xoay chiều 50Hz, ác quy, pin.
1.1.2 Oxilo điện tử số.
1.1.2.1 Ưu điểm.
Duy trì hình ảnh dạng của tín hiệu trên màn hình với khoảng thời gian
không hạn chế.
Tốc độ có thể thay đổi trong giới hạn rộng.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 11

Các đoạn hình ảnh lưu giữ có thể xem lại được ở tốc độ thấp hơn nhiều, tốc
độ quét có thể lên tới 1cm/1h.
Tạo được hình ảnh dao động đồ tốt hơn, tương phản hơn loại oxilo tương
tự.
Đơn giản hơn trong sử dụng, vận hành.
Có thể truyền trực tiếp số liệu của tín hiệu cần quan sát dưới dạng số, ghép
trực tiếp với máy tính hay được xử lí trong oxilo.
1.1.2.2 Sơ đồ khối cấu tạo của oxilo số (dạng có nhớ).
H1.3 Cấu tạo oxilo số có nhớ
Chuyển mạch S là đồng chỉnh (cùng ở vị trí 1 hay 2)
+ Khi chuyển mạch S ở vị trí 1 thì oxilo làm việc như một oxilo đa năng
bình thường.
+ Khi chuyển mạch S ở vị trí 2 thì oxilo làm việc như là một oxilo có nhớ
số. Điện áp tín hiệu cần quan sát đưa vào đầu vào Y, tới bộ biến đổi tương tự -
Số ADC. Tại thời điểm đó (t
1
), khối điều khiển gửi một lệnh tới đầu vào để điều
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 12
khiển bộ ADC và khởi động quá trình biến đổi. Kết quả là điện áp tín hiệu được
số hóa, có nghĩa là bộ biến đổi ADC lấy mẫu dạng tín hiệu ở nhiều điểm và biến
đổi giá trị tức thời của biên độ tại mỗi thời điểm thành mã nhị phân tỉ lệ với biên
độ đó. Tại thời điểm kết thúc quá trình biến đổi, bộ ADC gửi tín hiệu kết thúc tới
bộ điều khiển.
Mỗi số nhị phân được chuyển tới bộ nhớ và được nhớ ở vị trí ô nhớ riêng
biệt. Bởi vì đây là bộ nhớ không linh hoạt (cố định) nên nó có thể lưu trữ lượng
thông tin lớn các số nhị phân với bất kì độ dài thời gian nào. Khi cần thiết, một
lệnh từ khối điều khiển có thể làm cho các số nhị phân này được sắp xếp theo
chuỗi theo thứ tự đã xác định và được đưa tới bộ chuyển đổi DAC. Bộ biến đổi
số - tương tự DAC sẽ biến đổi giá trị nhị phân thành điện áp tương tự, và điện áp

này được đưa qua bộ khuếch đại Y và tới cặp phiến làm lệch Y của ống tia điện
tử.
Do bộ nhớ được liên tiếp quét nhiều lần trong 1 giây nên màn hình được
phát sáng liên tục và hiển lên dạng sóng là hình vẽ các điểm sáng, biểu thị dạng
sóng cần quan sát.
Để đạt được một đường sáng liên tục còn có thêm 1 mạch nội suy (làm
mượt) giữa bộ DAC và bộ khuếch đại Y.
Một nhược điểm của oxilo có nhớ là dải tần bị hạn chế, do tốc độ biến đổi
của bộ ADC thấp (thông thường hiện nay, oxilo có nhớ số có dải tần 1-10 MHz).
Gần đây, các oxilo có nhớ số có dải tần rộng được phát triển nhờ có cài đặt
microprocessor, các bộ biến đổi ADC có tốc độ nhanh hơn, kĩ thuật số hoá mới
hơn, cách nội suy và phương pháp thể hiện tín hiệu.
Sơ đồ khối một oxilo có nhớ khác
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 13
Hinh 1.3 Sơ đồ khối oscillo khác
Sơ đồ này khác sơ đồ trên ở chỗ có bộ dao động quét thật sự là bộ biến đổi
DAC, kênh này được điều khiển từ số liệu của MP. Đầu ra của bộ DAC tạo ra
điện áp ra nhảy bậc, sao cho sự nhảy bậc thang không quá khác biệt so với điện
áp bậc thang được quét từ bộ dao động quét tương tự.
Với DAC loại 10 bit, số bước nhảy là 2
10
= 1024. Toàn bộ điện áp ra được
chia thành 1023 bước riêng biệt và sự lệch ngang của tia điện tử thực tế là tỉ lệ
theo thời gian. Tốc độ biến đổi DAC và bộ điều khiển quyết định tốc độ quét cực
đại. Tốc độ quét có thể được điều chỉnh bằng số đến đầu vào số của bộ DAC.
Còn tổ hợp các bộ phận phía trên gồm: ADC, bộ nhớ, DAC của kênh Y cho
phép khả năng thay đổi độ trễ của tín hiệu vào hệ thống làm lệch Y trong một
giới hạn rộng, đồng thời nó có thể kết hợp được với DAC của kênh X , như vậy
đảm bảo đồng bộ chính xác.

1.2 Tổng quan về PC Oscillo
Đây là một loại oscillo được thiết kế đặc biệt so với các cấu hình oscillo
thông thường. Nó sử dụng một mạch xử lí tín hiệu đầu vào và gửi các thông số
tín hiệu thô như (tần số, biên độ, ) lên trên PC thông qua một khối mạch giao
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 14
tiếp thường là RS232 hoặc USB. Các thông số tín hiệu sẽ được người sử dụng
tương tác và giao tiếp thông qua một software trên PC để quan sát. Nhờ vào đặc
tính đó mà loại hình oscillo này rất khả chuyển và có thể phát triển một cách linh
hoạt thành một thiết bị đa năng ứng dụng cho nhiều ngành liên quan đến phân
tích và xử lí tín hiệu.
Một chiếc PC oscillo có thể có chức năng của một chiếc máy phân tích phổ
(Spectrum Analyzer) hay logic Analyzer với số bit không hạn chế, Data recoder
với số đầu vào rất lớn giúp ích cho việc phân tích nhiều tín hiệu một lúc trên màn
hình quan sát. Đó là những tính năng ưu việt của PC oscillo so với các loại
Oscillo số thông thường. Có thể nói PC oscillo là một chiếc máy xử lí tín hiệu đa
năng trên một cấu hình thống nhất (All in One).
Sơ đồ khối của PC oscillo có nhiều kiểu khác nhau tuỳ theo các hãng sản
xuất. Nhưng quan trọng core hardware lựa chọn của các hãng. Do phải sử dụng
ADC tốc độ cao để xử lí tần số cao nên đòi hỏi Core phải đủ mạnh thường có hai
phương án để lựa chọn core : Sử dụng MCS 16-32bit hoặc CPLD tốc độ từ
40MIPS trở lên kết hợp với giao tiếp RAM ngoài lưu trữ số liệu xử lí. Sử dụng
FPGA (Altera hoặc Xilinx). Thành phần giao tiếp thường dùng kết hợp với các
MCU có thành phần giao tiếp USB full-speed hoặc RS232.
Phần chung của các hãng là thành phần xử lí tín hiệu vào khối Analog In và
ADC. Do đó ta có xác định sơ đồ khối của một PC oscillo như sau:
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 15
Hình 1.4 Sơ đồ khối PC oscillo
Ta có thể quan sát một sơ đồ khối, mạch và software của một sản phẩm

thương mại Bitscope:
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 16
Hình 1.5 Sơ đồ khối mạch của một sản phẩm thương mại Bitscope
Hình 1.6 Phần mềm BitScope
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 17
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ USB
2.1 Giới thiệu.
USB (Universal Serial Bus – Bus truyền đa năng): Là 1 chuẩn kết nối ngoại
vi như chuột, bàn phím, camera, ổ đĩa đến PC Với những tính năng cực kì hữu
ích đã thay thế hầu hết các loại giao diện chuẩn thường sử dụng khác (COM,
LPT, IDE ). USB có các tính năng nổi bật sau:
Đầu tiên USB thay thế tất cả các loại đầu nối cổng song song và nối tiếp
khác với một đầu cắm chuẩn và kết hợp cổng.
Với PC kèm theo USB và ngoại vi bạn chỉ cần cắm chúng và bật chúng lên.
USB thực hiện mọi quá trình tự động.
USB là thiết bị thay nóng, không cần bật tắt máy khi cắm hay rút thiết bị
USB.
USB hỗ trợ cắm nhiều thiết bị trong cùng một lúc.
Một tiện ích khác của USB là cung cấp điện cho nhiều thiết bị ngoại vi.
USB khiến PC tự động phát hiện công suất yêu cầu và cung cấp cho thiết bị.
* USB có 3 phiên bản chuẩn:
USB 1.1 (1995) định nghĩa hai tốc độ 12Mbps (full speed) và 1.5Mbps (low
speed) và hai dạng đầu nối Series A và Series B.
USB 2.0 (5-2000) định nghĩa 3 tốc độ 480Mbps (high speed), 12Mbps (full
speed) và 1.5Mbps (low speed). Nó hoàn toàn tương thích ngược với USB 1.1.
USB 3.0 (2008) về mặt lý thuyết tốc độ có thể gấp 10 so với USB 2.0 vận
hành trong chế độ high speed, có nghĩa là tốc độ định nghĩa là 4800Mbps (Super
speed). Tuy nhiên trong thực tế thì tốc độ của USB 3.0 chỉ đạt được 2400Mbps

Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 18
2.2 Kiến trúc tổng quan của hệ thống USB.
USB là loại bus hỗ trợ kết nối để trao đổi dữ liệu giữa máy chủ và các thiết
bị ngoại vi. Các thiết bị ngoại vi cùng chia sẻ một băng thông USB thông qua
việc phân định công việc của host và giao thức thẻ bài. Loại bus này cho phép
thiết bị ngoại vi kết nối vào, đặt cấu hình, sử dụng và đóng kết nối trong khi host
và thiết bị ngoại vi vẫn hoạt động.
Hệ thống USB gồm 3 thành phần sau:
USB interconnect: Tập hợp các giao thức cho phép thiết bị USB kết nối và
giao tiếp với host.
Thiết bị USB: Thiết bị có giao diện USB (cổng USB).
Host: PC có cổng USB.
Hình2.1 Mô hình truyền dữ liệu trong hệ thống USB
Trên hình vẽ ta thấy việc truyền dữ liệu giữa host và một thiết bị USB được
thực hiện trên 3 lớp và thực thể. Lớp Giao tiếp USB Bus (USB Bus Interface
Layer) cung cấp một đường kết nối vật lý/tín hiệu/gói tin giữa host và thiết bị.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 19
Lớp Thiết bị USB (USB Device Layer) gồm có Phần mềm hệ thống USB (USB
System SW) có chức năng thực hiện những thao tác USB tổng quát (như các yêu
cầu, kiểu truyền) với thiết bị. Lớp Function (Function Layer) cung cấp thêm
những khả năng cho host giao tiếp với thiết bị qua một lớp Phần mềm client
(Client SW) tương ứng.Hai lớp Thiết bị và Function giao tiếp với phần thiết bị
vật lý tương ứng qua các kết nối logic và sử dụng lớp Giao tiếp Bus USB để thực
hiện việc truyền dữ liệu.
2.2.1 Host:
Bao gồm các thành phần sau:
Client SW: Xử lý dữ liệu nhận được từ Function hoặc gửi dữ liệu đến các
Function thông qua các gói tin yêu cầu IRP (I/O Request Packet) với giao diện

USB Driver.
USB System SW (bao gồm: USB driver, Host Controller Driver and Host
software).
USB driver: Chuyển đổi dữ liệu trong các gói IRP nhận được từ lớp trên rồi
truyển xuống Host Controller Driver thích hợp.
Host Controller Driver: chuyển đổi dữ liệu nhận được từ USB Driver và tổ
chức chúng để USB Host Controller truyền đi.
USB host controller: Truyền dữ liệu nhận được từ lớp trên lên Bus.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 20

Hình 2.2 Các thành phần của Host
2.2.2 Thiết bị USB:
Bao gồm các thành phần sau:
USB Bus Interface: Giao diện USB Bus (nhận luồng dữ liệu thực tế từ
USB Host Controller gửi sang).
USB Logical Device: Là một thiết bị USB logic cung cấp một Function.
Function: Chức năng của một thiết bị USB.
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 21

Hình 2.3 Các thành phần của thiết bị USB
Các thiết bị USB cung cấp các chức năng cho host. Các chức năng này rất
đa dạng nhưng chúng đều có chung một giao diện cơ bản với host. Điều này cho
phép host quản lý tất cả các thiết bị USB với cùng một cách.
Để giúp host trong việc xác nhận và cấu hình thiết bị USB, mỗi một thiết bị
mang các thông tin mô tả về cấu hình. Một số thông tin chung cho tất cả các thiết
bị, còn các thông tin khác được cung cấp riêng bởi thiết bị.
2.2.3 Mô hình Bus vật lý.
Các thiết bị USB đều được kết nối với host qua mô hình mạng xếp tầng

ngôi sao (tiered star topology) để thực hiện thực hiện kết nối giữa các hub và các
function. Mỗi hub đặt tại trung tâm của mỗi ngôi sao, mỗi đoạn dây sẽ nối điểm-
đến-điểm giữa hub và hub khác hoặc nối xuống function đặt ở tầng tiếp theo.
Do có mối quan hệ về thời gian (timing constraints), mô hình chỉ giới hạn ở
7 tầng. Host nằm một mình ở tầng 1 (lưu ý: chỉ có một host trong một hệ thống
USB). Các tầng từ 2 - 6 có thể có cả hub hoặc function. Một thiết bị phức hợp
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 22
(Compound Device) là thiết bị có cả hub và function chiếm hai tầng vì vậy nó
không thể đặt ở tầng 7 do chỉ cho phép function ở tầng 7.
Hình2.4 Mô hình Bus vật lý
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 23
2.2.4 Mô hình Bus logic.
Khi một thiết bị vật lý được cắm vào USB trong mạng xếp tầng ngôi sao,
host sẽ giao tiếp với mỗi thiết bị như là chính thiết bị được kết nối trực tiếp đến
root hub. Mô hình logic:
Hình 2.5 Mô hình Bus logic
2.2.5 Mối quan hệ Client software và function.
Theo mô hình logical và vật lý của USB, các thiết bị USB cùng chia sẻ
chung bus, tuy nhiên client software chỉ liên hệ với một USB function duy nhất.
Client software phải sử dụng giao diện chương trình phần mềm USB để liên hệ
với các function. Trong suốt quá trình vận hành, client software độc lập đối với
các thiết bị khác có thể được cắm vào USB. Điều này cho phép người thiết kế
thiết bị và client software tập trung vào thiết kế chi tiết phần cứng và phần mềm
cho Function.

Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 24
Hình 2.6 Mối quan hệ giữa ClientSW – Function

2.2.6 Luồng dữ liệu USB.
USB cung cấp một dịch vụ giao tiếp giữa phần mềm của host và USB
function. Mỗi một luồng giao tiếp được kết thúc tại một endpoint trên thiết bị.
Endpoint dùng để xác định đích đến của luồng dữ liệu từ ClienSW.
Hình 2.7 Luồng dữ liệu USB
2.3 Kiến trúc chi tiết.
2.3.1 Dây cáp USB.
USB sử dụng dây cáp 4 sợi: 5V nguồn và đất, hai dây tín hiệu (D
+
và D
-
)

Hình 2.8 Cấu trúc cáp USB
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope
Luận văn cao học 25

2.3.2 USB Connecter.
USB định nghĩa 4 loại connector:
Series A: đầu cắm hình chữ nhật (15.7mm x 7.5 mm) và luôn luôn hướng
đến host (upstream).
Series B: đầu cắm gần hình vuông có vạc góc (11.5 mm x 10.5mm) và luôn
luôn hướng đến thiết bị (downstream).
Series mini-B: đầu cắm gần hình chữ nhật nhỏ (6.8 mm x 10.5mm) và luôn
luôn hướng đến thiết bị.
Captive cable assembly: là bất kì đầu cắm phi chuẩn nào nối đến thiết bị nó
phải sử dụng một phía đầu nối Series A cắm vào host hoặc hub.
Hình 2.9 USB connectors
2.3.3 Đặc tính điện.
USB sử dụng một đôi dây truyền dẫn với mức điện áp chênh lệch để truyền

dữ liệu:
+ Bên truyền dữ liệu (với thiết bị low-speed và full-speed): Mức logic ‘1’
được truyền bằng cách kéo D
+
lên 2.8V với một điện trở 1.5K nối đất và kéo D
-
xuống dưới 0.3V với một điện trở 1.5K nối với nguồn 3.3V (hình vẽ). Mức logic
Nguyễn Trường Thọ USB-Oscilloscope