Đồ án tìm hiểu về chuẩn USB 2.0

Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu
Chương 0: Mở đầu
Trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin như hiện nay, tin học
đã,
đang và sẽ được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống
xã hội.
Không nằm ngoài tầm ảnh hưởng mạnh mẽ của tin học là những người
làm
công tác giảng dạy, đào tạo, nghiên cứu,... Khi nói đến họ thì ta có thể
thấy
ngay rằng công việc của họ sẽ thật khó suôn sẻ khi thiếu chiếc máy tính cá
nhân và các phần mềm đi kèm như bộ Microsoft office với Word, Excel,
PowerPoint và nhiều những ứng dụng khác. Bên cạnh Word và Excel đã tỏ
rõ
sức mạnh từ lâu thì thời gian gần đây, PowerPoint cùng với chiếc máy
chiếu
càng ngày càng cho thấy ưu điểm vượt trội của nó trong việc tăng hiệu
quả diễn
đạt cho một vấn đề bất kỳ. Như vậy đi kèm với các gói phần mềm thì để
sử
dụng chúng một cách hiệu quả còn có những thiết bị đầu cuối. Các thiết bị
đầu
cuối làm tăng đáng kể khả năng cho chiếc máy tính cá nhân. Trước đây
các
thiết bị đầu cuối được ghép nối với máy tính thông qua rất nhiều giao diện
như
cổng com, cổng máy in, PS/2. Hiện nay thì dường như đã dần quy về một
mối,
đó chính là ghép nối thiết bị đầu cuối với máy tính thông qua cổng USB.
Cổng

USB với đường truyền đa năng đúng như tên gọi của nó (Universal Serial
Bus),
có khả năng cung cấp nhiều phương thức truyền dẫn cũng như tốc độ
truyền
khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Chính vì vậy đồ án này sẽ tập
trung
tìm hiểu về chuẩn USB 2.0 và ứng dụng chuẩn USB để thiết kế điều khiển
từ
xa cho trình diễn PowerPoint.
Sản phẩm bao gồm: Một bộ phát là thiết bị cầm tay dùng pin, có 3
nút
bấm. Nút Up giúp người sử dụng trở lại slide ngay trước slide hiện hành,
nút
Down giúp đi tới slide ngay sau slide hiện hành còn nút light thì bật đèn
laser
tạo ra đốm sáng nhỏ giúp cho việc trình diễn đạt hiệu quả diễn đạt cao
hơn.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
1
Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu
Kh
ông
thể
thiế
u là
một
bộ
thu
ghé

p
nối
với
má
y
tính
thô
ng
qua
cổn
g
US
B.
Bộ
thu
này
nhậ
n
lện
h từ
bộ
phá
t và
truy
ền
đạt
lại
lện
h
đó

tới
má
y
tính
. Bộ thu dễ
sử dụng, không cần driver và lấy nguồn từ máy tính.
Hiện nay để thiết kế thành công sản phẩm trên thì có khá nhiều
phương
án như: Bộ phát có thể dùng sóng cao tần hoặc năng lượng hồng ngoại
để
truyền lệnh điều khiển tới bộ thu. Về phía bộ thu, để thực hiện chức năng
giao
tiếp USB với máy tính thì cần có một bộ điều khiển USB. Để thực hiện
bộ điều
khiển này thì có thể dùng các công nghệ như: ∝C; PSoC; SPLD; CPLD;
FPGA ...
Phương án thì có nhiều như vậy nên vấn đề ở đây là lựa chọn
phương án
nào cho hợp lý và khả thi nhất. Sau một thời gian tìm hiểu, phương án đã
được
lựa chọn cho đề tài là: bộ phát sử dụng sóng cao tần để truyền lệnh điều
khiển,
về phía bộ thu sẽ thực hiện bộ điều khiển USB bằng vi điều khiển có tích
hợp
một bộ điều khiển USB chưa được cấu hình.
Với những gì đã được giới thiệu ở trên thì có thể thấy rằng để
thực hiện
đề tài cần có kiến thức cơ bản về một số mảng chính sau: Chuẩn USB
2.0, họ vi
điều khiển PIC (vì vi điều khiển mà ta sử dụng trong đề tài là vi điều

khiển PIC
của hãng MicroChip), truyền tín hiệu điều khiển sử dụng sóng cao tần.
Chính
vì vậy mà trong khuôn khổ của đồ án này sẽ tập trung trình bày các nội
dung
sau:
Phần I: Sơ lược về chuẩn USB (gồm 6 chương):
• Chương 1: Giới thiệu chung về chuẩn USB
Chương này sẽ đưa ra cái nhìn khái quát, sơ lược về
USB
gồm khái niệm, ưu điểm của USB, mô tả hệ thống USB
và cáp
USB.
•
2: Mô
hình
luồng dữ
liệu USB
Chương này mô
tả cách thực hiện
một kết nối
USB, cách
mà theo đó
dữ liệu
được truyền
qua USB.
L
ê

N

g
ọ
c

D
u

-

L
ớ
p

Đ
T
7

-

K
4
6

-

Đ
HBKHN
2
Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu

•
3: Tầng
giao thức
USB
Chương này đem
lại một cái nhìn
từ dưới lên trên
của giao
thức USB,
bắt đầu với
các định
nghĩa
trường và
gói, sau đó
là
mô tả các
giao tác và
cuối cùng là
việc đồng
bộ và thử
lại.
•
4: Các lớp
thiết bị
được định
nghĩa
Chương này giới
thiệu các lớp
thiết bị được
định nghĩa,

giúp những
người thiết
kế thiết bị
đầu cuối
USB nhận
định xem
sản phẩm của mình có thuộc lớp thiết bị được định nghĩa
hay
không (nếu thuộc lớp thiết bị được định nghĩa thì có thể
bỏ qua
khâu viết driver cho sản phẩm).
• Chương 5: Lớp thiết bị giao diện người sử dụng
Chương này sẽ trình bày về lớp HID với mục đích
giúp
người đọc nhận định xem một thiết bị nào đó có phù hợp
để gán
vào lớp HID hay không. Chỉ ra các yêu cầu đối với vi
chương
trình (firmware) để định nghĩa một thiết bị thuộc lớp
HID và
cho phép nó trao đổi dữ liệu với máy tính chủ.
• Chương 6: Quá trình tìm hiểu của máy chủ đối với thiết
bị
Chương này mô tả những bước xử lý của máy chủ
để máy
chủ có thể tìm hiểu các thông tin về thiết bị như: Tốc độ
của
thiết bị, các bộ mô tả của thiết bị. Và việc gán một bộ
điều
khiển (driver) cho thiết bị.

Phần II: Thiết kế sản phẩm (gồm 2 chương):
• Chương 7: Thiết kế bộ phát
Chương này sẽ trình bày một số lưu ý khi thiết kế
điều
khiển từ xa sử dụng sóng cao tần (RF), sơ đồ khối hệ
thống cho
sản phẩm của đề tài và phần thiết kế bộ phát của sản
phẩm.
• Chương 8: Thiết kế bộ thu
Chương này sẽ giới thiệu sơ qua về họ vi điều khiển
PIC-
loại vi điều
khiển mà ta
sử dụng cho
sản phẩm
của đề tài
và
phần phân
tích thiết kế
bộ thu.
L
ê

N
g
ọ
c

D
u

-

L
ớ
p

Đ
T
7

-

K
4
6

-

Đ
H
B
K
H
N
3
Đồ án tốt nghiệp
Mở đầu
Tr
on

g
ph
ần
I
thì
các
kiế
n
thứ
c
về
ch
uẩ
n
US
B
mớ
i
chỉ
đư
ợc
trì
nh
bà
y
vắn
tắt
và
còn
thiế

u
một
số
kiế
n
thứ
c
đán
g
qua
n
tâm
của chuẩn USB. Do yêu
cầu về sự súc tích của nội dung đồ án cũng như lý do là các phần đó
không liên
quan trực tiếp đến việc thiết kế sản phẩm nên không trình bày ở đây.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
4
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
PHẦN
I: SƠ
LƯỢC
VỀ
CHUẨN
US
B
2.0
Lê Ngọc Du -
Lớp ĐT7 -

K46 -
ĐHBKHN
5
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
Chương
1: Giới
thiệu
chung về
USB
Chương này sẽ
đưa ra cái nhìn
khái quát, sơ
lược về USB
gồm khái
niệm, ưu điểm của
USB, mô tả hệ thống
USB và cáp USB.
1.1 Khái niệm về
USB
USB
(Universal
Serial Bus) là
bus nối tiếp đa
năng cho phép
các thiết bị
đầu cuối giao tiếp với
máy tính chủ (Host
Computer).
1.2 Các mục tiêu

hướng tới khi sử dụng USB
- Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của
PC.
- Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ
trợ truyền dẫn với tốc độ
lên đến 480Mb/s.
- Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như voice,
audio, video,...
- Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp:
isochronous data transfers
và asynchronous messaging.
- Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi.
- Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ
trợ do đó có thể không
cần driver mức thấp cho các thiết bị USB.
- Đa năng do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối
với PC thông qua chuẩn
USB.
- Độ tin cậy cao.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
6
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
1.3 Mô tả hệ
thống USB
Một hệ thống
USB được mô
tả bởi ba định
nghĩa:
-

-
-
Kết nối USB
Các thiết bị USB
USB host
•Kết nối USB
được hiểu là
kiểu kết nối
mà trong đó
các thiết bị
USB
được kết nối và giao
tiếp với máy tính chủ.
Kết nối USB bao gồm
các vấn đề
sau:
+ Kiến trúc
Bus: Mô hình
kết nối giữa
các thiết bị
USB và Host.
+ Những mối
quan hệ Inter-
layer : Dưới
dạng một tập
khả năng, các
tác
vụ USB được thực
hiện tại mỗi lớp trong hệ thống.
+ Các mô hình luồng dữ liệu: Là hình thức mà

trong đó dữ liệu di
chuyển trong hệ thống qua USB.
+ Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối
dùng chung. Việc truy
cập tới kết nối được lập trình theo thứ tự để hỗ trợ
truyền dữ liệu đẳng thời và
khử sự phân xử ban đầu.
1.3.1 Kiến trúc Bus
Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với
Host USB. Về mặt kết nối
vật lý USB đó là một kiến trúc tầng sao. Một Hub ở tại
trung tâm của mỗi sao.
mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa
Host và một Hub hoặc một
chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác
hoặc chức năng khác. Với 7
bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý
tối đa 127 thiết bị ngoại vi.
Hình 1.1 sẽ minh hoạ kiến trúc của USB.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
7
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
Hìn
h
1.1:
Kiến
trúc
Bus
[1]

1.3.1.1 Máy chủ
USB (USB Host)
Chỉ có duy
nhất một Host
trong một hệ
thống USB bất
kỳ. Giao diện
USB tới hệ thống máy
chủ được xem như bộ
điều khiển Host. Bộ
điều khiển
Host có thể được thực
hiện trong một kết
hợp gồm phần cứng,
vi chương trình
(firmware) hoặc phần
mềm. Một Hub gốc (root hub) được tích hợp chỉ trong
hệ
thống Host để cung cấp một hoặc nhiều điểm lắp
thêm.
1.3.1.2 Các thiết bị USB
Thiết bị USB có thể là một trong các thiết bị
sau:
-Hub: cung cấp điểm lắp thêm vào USB.
-Các chức năng: Cung cấp các khả năng cho hệ
thống như một kết nối
ISDN, digital joystick, hoặc speakers.
-Thiết bị hiểu được giao thức USB
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
8

Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
1.4 Cáp USB
USB truyền tín
hiệu và nguồn
qua một cáp 4
sợi hình 1.2
Có 3 tốc độ
truyền dữ liệu:
-USB tốc độ
cao (USB
high-speed):
480Mb/s.
-USB toàn tốc
(USB full-
speed):
12Mb/s.
-USB tốc độ
thấp (USB
low-speed):
1.2Mb/s.
Hìn
h
1.2:
USB
Cabl
e [1]
Cáp USB bao
gồm 4 dây, D+
và D- được

dùng để truyền
tín hiệu, Vbus
và GND để cấp nguồn
cho thiết bị ( Thường
thì Vbus =5V còn GND=0V tại
nguồn). USB cho phép chiều dài các đoạn cáp có thể
thay đổi lên tới vài mét.
Ở phía máy chủ Host thì D+ và D- được nối đất
qua các điện trở Rpd còn
về phía thiết bị ngoại vi, các đầu dây D+, D- được bảo
vệ bởi điện trở cuối (đó
chính là các điện trở Rpu. Thiết bị tốc độ cao hoặc toàn
tốc cần có điện trở nối
+3.3 V cho đầu D+, thiết bị tốc độ thấp cần có điện trở
nối lên 3.3 V cho đầu
D-. Những điện trở này tạo nên các mức điện thế khác
nhau giữa D+ và D-
giúp cho máy chủ phát hiện được việc cắm vào hay rút
ra của thiết bị cũng như
tốc độ truyền dữ liệu của thiết bị.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
9
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
Chương
2: Mô
hình
luồng dữ
liệu USB
Chương này

mô tả cách
thực hiện một
kết nối USB,
cách mà dữ
liệu
được truyền qua USB.
2.1 Các thành
phần trong việc
thực hiện kết nối
USB
Việc thực hiện
kết nối USB
gồm các thành
phần:
-
-
-
-
Thiết bị USB vật
lý: Một phần cứng
ở đầu cuối của cáp
USB thi
hành một vài chức
năng hữu dụng với
người sử dụng.
Client Software:
Phần mềm thi
hành trên máy
chủ, đáp ứng cho
thiết

bị USB. Phần mềm này có thể được cung cấp bởi hệ
điều hành hoặc
được cung cấp cùng với thiết bị USB.
USB System Software: Là phần mềm hỗ trợ USB
trong một hệ điều
hành cụ thể. Phần mềm hệ thống USB thường được
cung cấp kèm
với hệ điều hành, nó không hề phụ thuộc vào một thiết
bị USB cụ thể
nào cũng như phần mềm client cụ thể nào.
USB Host Cotroller: Bao gồm phần cứng và phần
mềm cho phép các
thiết bị USB kết nối tới Host.
Hình 2.1 sau sẽ chỉ ra sự tương tác giữa một số
lớp và thực thể trong
một kết nối đơn giản giữa host và thiết bị.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
10
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
Hình 2.1:
Các vùng
thực hiện
trong một
kết nối
USB [1]
-USB Bus
interface Layer
cung cấp kết
nối vật lý, gói

tin, báo hiệu
giữa
Host và một thiết bị.
-USB Decive
Layer cho thấy
hệ điều hành
hỗ trợ thiết bị
USB cần có
một phần mềm hệ
thống để thực hiện
việc quản lý thiết bị
USB logic.
-Function
Layer cung cấp
khả năng được thêm vào cho Host qua phần
mềm khách (client software). Chính client software sẽ
giúp thể hiện chức năng
của thiết bị USB trên Host.
2.2 Bus topology
Bus topology có 4 thành phần chính:
-
-
-
-
Host và các thiết bị: đây là các thành phần sơ cấp của
một hệ thống
USB.
Cấu trúc vật lý: cho thấy các thành phần USB được nối
với nhau như
thế nào.

Cấu trúc logic: cho thấy vai trò và trách nhiệm của các
thành phần
USB khác nhau và USB xuất hiện như thế nào từ hình
phối cảnh của
Host và một thiết bị.
Mối liên quan giữa chức năng và phần mềm khách
(client software).
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
11
Đồ án tốt nghiệp
Sơ lược về chuẩn USB 2.0
2.2.1 USB Host
Kết cấu logic
của Host được
chỉ ra trong
hình 2.2 gồm
có
-
-
-
Bộ điều khiển Host.
Phần mềm hệ thống USB đã
được gộp chung (thực chất nó
gồm:
USB Driver, Host Controller
Driver và Host software).
Phần mềm khách (client
software).
Hìn
h

2.2:
Kết
cấu
Hos
t
[1]
2.2.2 Các thiết bị
USB
Kết cấu logic
của một thiết
bị USB vật lý được chỉ ra trong hình 2.3
gồm :
- Giao diện bus USB.
- Thiết bị USB logic.
- Chức năng.
Lê Ngọc Du - Lớp ĐT7 - K46 - ĐHBKHN
12