đề tài khóa số điện tử

ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Mục Lục
Báo cáo đồ án II 1
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG (Embedded system).
I.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÚNG (Embedded system).
Hệ thống nhúng là một hệ tính toán nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của
hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống .
Nói một cách đơn giản khi một hệ tính toán (có thể là PC, IPC, PLC, vi xử lý, vi hệ
thống, DSP vv…) được nhúng vào trong một sản phẩm hay một hệ thống một cách hữu
cơ và thực hiện một số chức năng cụ thể của hệ thống thì ta gọi đó là một hệ thống
nhúng. Ví dụ quanh ta có rất nhiều sản phẩm nhúng như lò vi sóng, nồi cơm điện, điều
hoà, điện thoại di động, ô tô, máy bay, tàu thuỷ, các đầu đo cơ cấu chấp hành thông minh
vv. Ta có thể thấy hiện nay hệ thống nhúng có mặt ở mọi lúc mọi nơi trong cuộc sống của
chúng ta.
Hình ảnh minh họa
Các nhà thống kê trên thế giới đã thống kê được rằng số chip vi xử lý ở trong các máy PC
và các server, các mạng LAN, WAN, Internet chỉ chiếm không đầy 1% tổng số chip vi xử
lý có trên thế giới. Hơn 99% số vi xử lý còn lại nằm trong các hệ thống nhúng.
Báo cáo đồ án II 2
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Như vậy công nghệ thông tin không chỉ đơn thuần là PC, mạng LAN, WAN và Internet
như nhiều người thường nghĩ. Đó chỉ là bề nổi của một tảng băng chìm. Phần chìm của
công nghệ thông tin chính là các ứng dụng của các hệ nhúng có mặt trong mọi ngành
nghề của đời sống xã hội hiện nay.
Các hệ nhúng được tích hợp trong các thiết bị đo lường điều khiển và các sản phẩm cơ
điện tử tạo nên đầu não và linh hồn của sản phẩm. Trong các hệ nhúng, hệ thống điều
khiển nhúng đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ điều khiển nhúng là hệ thống mà
máy tính được nhúng vào vòng điều khiển của sản phẩm nhằm điều khiển một đối tượng,
điều khiển một qúa trình công nghệ đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Hệ thống điều khiển
nhúng lấy thông tin từ các cảm biến, xử lý tính toán các thuật điều khiển và phát tín hiệu

điều khiển cho các cơ cấu chấp hành.
Khác với các hệ thống điều khiển cổ điển theo nguyên lý thuỷ lực, khí nén, rơ le, mạch
tương tự, hệ điều khiển nhúng là hệ thống điều khiển số được hình thành từ những năm
1960 đến nay. Trước đây các hệ điều khiển số thường do các máy tính lớn đảm nhiệm,
ngày nay chức năng điều khiển số này do các chip vi xử lý, các hệ nhúng đã thay thế.
Phần mềm điều khiển ngày càng tinh sảo tạo nên độ thông minh của thiết bị và ngày càng
chiếm tỷ trọng lớn trong giá thành của thiết bị.
Như vậy không phải tất cả các sản phẩm đo lường và điều khiển đều là các hệ nhúng.
Hiện nay chúng ta còn gặp nhiều hệ thống điều khiển tự động hoạt động theo nguyên tắc
cơ khí, thuỷ lực, khí nén, rơ le, hoặc diện tử tương tự…
Ngược lại phần lớn các sản phẩm cơ điện tử hiện nay đều có nhúng trong nó các chip vi
xử lý hoặc một mạng nhúng. Ta biết rằng cơ điện tử là sự cộng năng của các công nghệ
cơ khí, điện tử, điều khiển và công nghệ thông tin. Sự phối hợp đa ngành này tạo nên sự
vượt trội của các sản phẩm cơ điện tử. Sản phẩm cơ điện tử ngày càng tinh sảo và ngày
càng thông minh mà phần hồn của nó do các phần mềm nhúng trong nó tạo nên. Các sản
phẩm cơ điện tử là các sản phẩm có ít nhất một quá trình cơ khí (thường là một quá trình
Báo cáo đồ án II 3
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
chuyển động), là đối tượng để điều khiển do vậy các sản phẩm cơ điện tử ngày nay
thường có các hệ nhúng trong nó nhưng ngược lại không phải hệ thống nhúng nào cũng
là một hệ cơ điện tử.
Điểm qua sự phát triển của máy tính ta thấy nó đã trải qua 3 giai đoạn. Giai đoạn năm
1960-1980 là giai đoạn phát triển của máy tính lớn và máy mini (main frame và mini
computer) với khoảng 1000 chip/máy và mỗi máy có khoảng 100 người dùng. Giai đoạn
từ 1980-2000 là giai đoạn phát triển của máy PC với số chip vi xử lý khoảng 10 chip/máy
và thông thường cho một người sử dụng. Thời đại hậu PC (Post-PC Era) là giai đoạn mà
mọi đồ dùng đều có chip, trung bình 1 chip/một máy và số máy dùng cho một người lên
đến >100 máy. Giai đoạn hậu PC được dự báo từ 2001-2010 khi các thiết bị xung quanh
ta đều được thông minh hoá và kết nối với nhau thành mạng tạo thành môi trường thông
minh phục vụ cho con người.

Điểm qua về chức năng xử lý tin ở PC và ở các thiết bị nhúng có những nét khác biệt.
Đối với PC và mạng Internet chức năng xử lý đang được phát triển mạnh ở các lĩnh vực
như thương mại điện tử, ngân hàng điện tử, chính phủ điện tử, thư viện điện tử, đào tạo từ
xa, báo điện tử….Các ứng dụng này thường sử dụng máy PC để bàn, mạng WAN, LAN
Báo cáo đồ án II 4
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
hoạt động trong thế giới ảo. Còn đối với các hệ nhúng thì chức năng xử lý tính toán được
ứng dụng cụ thể cho các thiết bị vật lý (thế giới thật) như mobile phone, quần áo thông
minh, các đồ điện tử cần tay, thiết bị y tế, xe ô tô, tàu tốc hành, phương tiện vận tải thông
minh, máy đo, đầu đo cơ cấu chấp hành thông minh, các hệ thống điều khiển, nhà thông
minh, thiết bị gia dụng thông minh vv
I.2 CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ XU THẾ
I.2.1 Cấu trúc và đặc tính của hệ thống nhúng
Các hệ nhúng là những hệ kết hợp phần cứng và phần mềm một cách tối ưu. Một số đặc
trưng cơ bản của hệ nhúng ngoài tính chuyên dụng nó còn bị ràng buộc về hoạt động
trong chế độ thời gian thực, hạn chế về bộ nhớ, năng lượng và giá thành mà lại đòi hỏi
hoạt động tin cậy và tiêu tốn ít năng lượng.
Các hệ nhúng rất đa dạng và có nhiều kích cỡ, khả năng tính toán khác nhau. Ví dụ đối
với một bộ điều khiển từ xa chỉ cần tới độ tính toán 100 KIPS và bộ nhớ vài KB, đối với
thiết bị điều khiển cần tốc độ 1MIPS, 1MB bộ nhớ và đối với các hệ nhúng quân sự tốc
độ xử lý có thể lên đến 1GIPS, tốc độ truyền 1GB/sec và 32 MB bộ nhớ.
Ngoài ra các hệ nhúng thường phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt có độ nóng
ẩm, rung xóc cao. Ví dụ các hệ điều khiển các máy diesel cho tàu biển, các thiết bị cảnh
báo cháy nổ trong hầm lò. Các hệ thống nhúng lớn thường là các hệ nối mạng. Ở máy
bay, tàu vũ trụ thường có nhiều mạng nhúng kết nối để kiểm soát hoạt động và điều
khiển. Trong ô tô hiện đại có đến trên 80 nút mạng kết nối các đầu đo cơ cấu chấp hành
để bảo đảm ô tô hoạt động an toàn và thoải mái cho người sử dụng.
I.2.2 Các phương pháp thiết kế và xu thế phát triển hệ thống nhúng
Báo cáo đồ án II 5
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

a. Thiết kế các hệ nhúng
Thiết kế các hệ thống nhúng là thiết kế phần cứng và phần mềm phối hợp bao gồm
những bước sau:
• Mô hình hoá hệ thống: Mô tả các khối chức năng với các đặc tính và thuật toán xử
lý.
• Chi tiết hoá các khối chức năng
• Phân bố chức năng cho phần cứng và mềm (HW-SW)
• Đồng bộ hoạt động của hệ thống
• Cài đặt các chức năng thiết kế vào phần cứng (hardware) và phần mềm (software)
hoặc phần nhão (firm-ware).
Hình 1. Vi điều khiển Intel
8742
Cách thiết kế cổ điển là các
chức năng phần mềm (SW)
và phần cứng (HW) được
xác định trước rồi sau đó các
bước thiết kế chi tiết được tiến
hành một cách độc lập ở hai
khối. Hiện nay đa số các hệ
thống tự động hoá thiết kế (CAD) thường dành cho thiết kế phần cứng. Các hệ thống
nhúng sử dụng đồng thời nhiều công nghệ như vi xử lý, DSP, mạng và các chuẩn phối
ghép, protocol, do vậy xu thế thiết kế các hệ nhúng hiện nay đòi hỏi có khả năng thay đổi
mềm dẻo hơn trong quá trình thiết kế 2 phần HW và SW. Để có được thiết kế cuối cùng
tối ưu quá trình thiết kế SW và HW phải phối hợp với nhau chặt chẽ và có thể thay đổi
sau mỗi lần thử chức năng hoạt động tổng hợp.
Báo cáo đồ án II 6
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Thiết kế các hệ nhúng đòi hỏi kiến thức đa ngành về điện tử, xử lý tín hiệu, vi xử lý, thuật
điều khiển và lập trình thời gian thực.
b. Xu thế phát triển hệ thống nhúng.

Sau máy tính lớn (mainframe), PC và Internet thì hệ thống nhúng đang là làn sóng đổi
mới thứ 3 trong công nghệ thông tin và truyền thông.
Xu hướng phát triển của các hệ thống nhúng hiện nay là:
- Phần mềm ngày càng chiếm tỷ trọng cao và đã trở thành một thành phần cấu tạo
nên thiết bị bình đẳng như các phần cơ khí, linh kiện điện tử, linh kiện quang
học….
- Các hệ nhúng ngày càng phức tạp hơn đáp ứng các yêu cầu khắt khe về thời gian
thực, tiêu ít năng lượng và hoạt động tin cậy ổn định hơn.
- Các hệ nhúng ngày càng có độ mềm dẻo cao đáp ứng các yêu cầu nhanh chóng
đưa sản phẩm ra thương trường, có khả năng bảo trì từ xa, có tính cá nhân cao.
- Các hệ nhúng ngày càng có khả năng hội thoại cao, có khả năng kết nối mạng và
hội thoại được với các đầu đo cơ cấu chấp hành và với người sử dụng,.
- Các hệ nhúng ngày càng có tính thích nghi, tự tổ chức cao có khả năng tái cấu
hình như một thực thể, một tác nhân.
- Các hệ nhúng ngày càng có khả năng tiếp nhận năng lượng từ nhiều nguồn khác
nhau (ánh sáng, rung động, điện từ trường, sinh học….) để tạo nên các hệ thống tự
tiếp nhận năng lượng trong quá trình hoạt động.
Báo cáo đồ án II 7
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
II. VI ĐIỀU KHIỂN MSP430
II.1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ HỘ VI ĐIỀU KHIỂN MSP430
MPS430 là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU 16 bit, những khối ngoại vi và hệ
thống xung linh hoạt. MSP430 đẫ đưa ra những giải pháp tốt nhất cho nhu cầu ứng dụng
với nhiều phiên bản khác nhau. MSP430 có một số phiên bản như: MSP430x1xx,
MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx.
Hình 2. Một số phiên bản họ vi điều khiển MSP430
Dưới đây là những đặc điểm tổng quát của họ vi điều khiển MSP430:
 Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của pin
Báo cáo đồ án II 8
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

• 1µA duy trì RAM
• 0.8µA chế độ xung thời gian thực
• 250 µA/MIPS tích cực
 Xử lí tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao:
• 12-bit hoặc 10-bit ADC – 200Ksps, cảm biến nhiệt, V(Ref).
• 12-bit kép DAC
 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần kích thước
code lập trình.
• Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc.
• Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành.
• Tối ưu hóa cho chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++.
• Có 7 chế độ ghi địa chỉ.
• Khả năng ngắt theo vecto lớn.
 Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt,
phạm vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại được nhật kí của dự liệu.
Hình 3. Cấu trúc vi điều khiển MSP430
Báo cáo đồ án II 9
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
II.2 KHÔNG GIAN ĐỊA CHỈ
Cấu trúc vi điều khiển MSP430 có một địa chỉ không gian nhớ được chia sẻ với
các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs), các bộ ngoại vi, RAM, và các bộ nhớ
Flash/ROM được biểu diễn trên hình vẽ. Việc truy cập như những byte hay những từ.
Không gian địa chỉ có thể mở rộng hơn nữa cho những kế hoạch khác.
Hình 4. Sơ đồ bộ nhớ.
• Flash/ROM
Địa chỉ bắt đầu của Flash/ROM phụ thuộc vào số lượng Flash/ROM hiện có và thay
đổi tùy theo loại chip. Địa chỉ kết thúc cho Flash/Rom là 0FFFh. Flash có thể được sử
Báo cáo đồ án II 10
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
dụng cho cả mã và chương trình. Những băng từ hay byte có thể được cất và sử dụng

trong Flash/ROM mà không cần băng sao chép với RAM trước khi sử dụng chúng.
• RAM
RAM có địa chỉ bắt đầu tại 0200h. Địa chỉ kết thúc của RAM phụ thuộc vào số lượng
RAM có và thay đổi tùy thuộc vào từng dòng vi điều khiển. RAM có thể được sử
dụng cho cả mã và dữ liệu.
II.3 NHỮNG KHỐI NGOẠI VI
Những module giao tiếp ngoại vi được sắp xếp vào không gian địa chỉ. Không
gian địa chỉ 0100h tới 01FFh được dành riêng cho module ngoại vi 16bit. Những
module này có thể được truy cập với những từ chỉ dẫn.
Không gian địa chỉ từ 010h tới 0FFh được dành riêng cho module ngoại vi 8 bit.
II.3.1 Những thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)
Một vài chức năng ngoại vi được cấu hình trong thanh ghi chức năng đặc biệt. Những
thanh ghi chức năng đặc biệt được nằm trong 16 byte thấp của không gian địa chỉ.
Những SFR phải được truy cập bằng việc sử dụng câu lệnh byte.
II.3.2 Truy cập bộ nhớ
Những byte được nằm tại những địa chỉ chẵn hay lẻ. Những từ chỉ nằm tại địa chỉ
chẵn. Khi sử dụng từ chỉ dẫn, chỉ những địa chỉ chẵn có thể được sử dụng. Nhũng
byte thấp của một từ luôn luôn là một địa chỉ chẵn. Byte cao ở tại chỉ lẻ tiếp theo. Ví
dụ, nếu một từ dữ liệu nằm tại địa chỉ xxx4h, kết thúc byte thấp của từ dữ liệu nằm tại
địa chỉ xxx4h, và byte cao của từ đó nằm tại địa chỉ xxx5h.
Báo cáo đồ án II 11
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Hình 5. Địa chỉ ô nhớ trong thanh ghi
II.4 PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH
Nội dung chính trong phần này là các khái niệm cơ bản khi lập trình cho vi điều
khiển. Vi điều khiển được sử dụng trong phần này làMsp430G2553 do TI sản xuất.
II.4.1 Các chân của VĐK Msp430G2553
Hình 6. Sơ đồ chân MSP430G2553
Báo cáo đồ án II 12
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ

Mô tả các chân:
• VCC (chân 1), VSS (chân 20): dùng để cấp nguồn 3,3V cho chip. Nguồn có thể
dao động trong khoảng 1,8V – 3,6V.
• P1.0 – P1.7, P2.0,P2.7 là 2 cổng nhập xuất số. mỗi cổng 8 chân (8 bit), gọi tắt là
P1 và P2.
• Các khối chức năng cũng sử dụng chân này khi cần nhờ cấu hình thanh ghi chọn
khối P1SEL và P2SEL
II.4.2 Các khối chức năng của vi điều khiển
Hình 7. Sơ đồ khối chức năng VĐK MSP430G2553
Báo cáo đồ án II 13
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Mô tả các khối chức năng
• Các khối cơ bản: CPU, xung nhịp, Flash, RAM, Port, BUS.
• Các khối bổ xung:
 Khối nạp chương trình: JTAG: 4 dây và 2 dây
 Khối biến đổi tương tự - số ADC.
 Khối bảo vệ sụt áp (Brownout protection)
 Khối so sánh áp (Compare A+)
 Khối Đồng hồ canh gác (WDT)
 2 khối định thời loại A ( Timer0_A3 và Timer_A3)
 2 khối giao tiếp tuần tự (USCI A0 và USCI B0)
II.4.3 Bộ nhớ
Bộ nhớ là các thanh ghi 8 bit, tổ chức thành các ô nhớ. Địa chỉ ô nhớ 16 bit từ 0x0000 tới
0xFFFF.
Hình 8. Bus địa chỉ và ô nhớ
Thứ tự ô nhớ được sắp xếp theo kiểu Little-endian ordering (khi dữ liệu có trên 1 byte thì
byte giá trị thấp nằm ơt vị trí dưới, byte giá trị cao nằm ở bên trong bộ nhớ)
Báo cáo đồ án II 14
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
II.4.4 General-purpose input/output (GPIO)

General-purpose input/output (GPIO) là chân chung trên một IC mà chức năng (bao
gồm cả chân đầu vào hay chân đầu ra) của chân đó có thể được kiểm soát (được lập trình)
bởi người dùng vào thời gian chạy. Các chân GPIO không có mục đích đặc biệt được xác
định trước, và được đặt mặc định là không sử dụng. Lý do tồn tại các GPIO này là đôi khi
các nhà tích hợp hệ thống xây dựng một hệ thống đầy đủ mà sử dụng chip có thể bổ xung
thêm một vài dòng điều khiển kỹ thuật số, và có sẵn trên các chip giúp tránh rắc rối của
việc phải bố trí mạch bổ sung để cung cấp cho chúng.Ví dụ, chip Realtek ALC260 (audio
codec) có 8 chân GPIO, được đặt mặc định là không sử dụng. Một số bộ tích hợp hệ
thống (như các máy tính xách tay Acer) sử dụng các ALC260 dùng GPIO đầu tiên
(GPIO0) để bật các bộ khuếch đại cho loa trong của máy tính xách tay và giắc cắm tai
nghe bên ngoài.
GPIO được sử dụng trong:
• Các thiết bị với số lượng chân giới hạn: Các mạch tích hợp như chip SOC, phần
cứng nhúng và tùy biến, các thiết bị logic có khả năng lập trình (ví dụ, FPGA)
• Chip đa chức năng: quản lý năng lượng, codec âm thanh, và card video
• Các ứng dụng nhúng (ví dụ, Arduino, BeagleBone, và Raspberry Pi) sử dụng rất
nhiều GPIO để đọc từ các cảm biến môi trường khác nhau (IR, video, nhiệt độ,
định hướng 3 trục, và gia tốc), và để viết đầu ra đến động cơ DC (thông qua
PWM), âm thanh, màn hình LCD, hay trạng thái cho các đèn LED.
Khả năng GPIO bao gồm:
• Các chân GPIO có thể được cấu hình để được đầu vào hoặc đầu ra
• Các chân GPIO có thể được bật / tắt
• Giá trị đầu vào có thể đọc được (thường là cao = 1, thấp = 0)
• Giá trị đầu ra có thể ghi / đọc
• Giá trị đầu vào thường có thể được sử dụng như IRQs (thường là cho việc đánh
thức (wakeup event))
Báo cáo đồ án II 15
ĐỀ TÀI: KHÓA SỐ ĐIỆN TỬ
Một số GPIOcó thể chịu được điện áp đầu vào lên đến 5 V: ngay cả khi nóđã có một
nguồn cung cấp điện áp thấp (chẳng hạn như 2 V), thiết bị có thể chấp nhận được điện áp

5 V mà không bị hư hại.
Báo cáo đồ án II 16