Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................1
PHẦN A : QUÁ TRÌNH TÌM HIỂU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................3
Chương I: HỆ MÔ PHỎNG HIL- HARDWARE IN THE LOOP,MỘT SỐ HỆ HIL .................................3

1.1.Khái niệm chung....................................................................................................3
- Hardware in the loop (HIL) là một dạng mô phỏng thời gian thực được sử dụng
phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho
phép ta đánh giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả năng của phần
mền điều khiển dưới điền kiện diến biến thời gian sát với thực tế. Điều này có ý
nghĩa quan trong khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp nhiều phần tử...................4
Chương II: MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH PICO ....................................12

PHẦN B : THIẾT KẾ BỘ PHẦN CỨNG TRONG HỆ MÔ PHỎNG HIL MÔ PHỎNG
ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH ...................................................16
Chương III: AVR VÀ LẬP TRÌNH VỚI AVR .GIAO THỨC TCP-IP ....................................................16
Chương IV: THIẾP KẾ BỘ PHẦN CỨNG ......................................................................................36

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
nhất tới toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho
chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học
vừa qua.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới
Ths.Nguyễn Thị Hồng Hanh, KS. Huỳnh Xuân Quang, người đã tận tình
____________________________________________________________________
1
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm
hết sức quí báu trong quá trình thực hiện đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới các thầy
cô, anh chị đang công tác tại Viện Công nghệ Vũ trụ-Viện khoa học Việt
Nam đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực
tập tại Viện.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những
tình cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn
thể bạn bè những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình học tập.

Tóm tắt nội dung đề tài :
Đề tài : Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô
phỏng điều khiển vệ tinh gồm 2 phần chính :
Phần A - Quá trình tìm hiểu và cơ sở lý thuyết .
Nội dung :
 Giới thiệu tổng quan về hệ mô phỏng Hardware In the Loop – HIL,ứng
dụng hệ HIL trong hàng không – vũ trụ
 Tìm hiểu tổng quan một số điều kiện không gian tác động lên vệ tinh .
____________________________________________________________________
2
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Phần B - Xây dựng hệ thống phần cứng trong mô phỏng điều kiện nhiệt độ ngoài
không gian tác động lên vệ tinh .
Nội dung :
 Vi điều khiển AVR và lập trình cho vi điều khiển : mạch nạp cho
AVR ,chương trình biên dịch AVR,…
 Thiết kế bộ phần cứng sử dụng ATMEGA32 .

PHẦN A : QUÁ TRÌNH TÌM HIỂU VÀ CƠ SỞ LÝ
THUYẾT .
Chương I: HỆ MÔ PHỎNG HIL- HARDWARE IN THE LOOP,MỘT
SỐ HỆ HIL .
1.1. Khái niệm chung.

____________________________________________________________________
3
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

-

-

Hardware in the loop (HIL) là một dạng mô phỏng thời gian thực được sử
dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển. Mô phỏng thời gian thực
không chỉ cho phép ta đánh giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh
giá khả năng của phần mền điều khiển dưới điền kiện diến biến thời gian

sát với thực tế. Điều này có ý nghĩa quan trong khi ta phải kiểm tra các thiết
bị hỗn hợp nhiều phần tử.
Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên lý HIL nhằm :
• Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển .
• Giảm chi phí trong quá trình thiết kế .
• Tránh được những sai sót không đáng có khi ứng dụng thực tế .

Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, hệ điều khiển vệ tinh được mô
phỏng theo nguyên lý trên, bằng cách sử dụng một số cung cụ sau:
• Phần mền: Matlab/simulink, labview,…
• Phần cứng: xPC target,Dspace,HIL National Instruments…

1.2. Mục đích sử dụng phương pháp hardware – in – the – loop.
Hệ thống kiểm tra sản phẩm là một trong những chi phí lớn trong việc phát
triển một sản phẩm phức tạp. Sự cẩn thiết để giảm thiểu thời gian để thị trường
đồng thời sản xuất một sản phẩm, kiểm tra kỹ lưỡng là những thửu thách to lớn.
Tăng mức độ phức tạp trong hệ thống phần cứng và phần mền đang làm cho vần
đề ngày nghiêm trọng hơn với mỗi thế hệ mới của sản phẩm. Ngoài ra, với bất kỳ
thay đổi quan trọng nào được thực hiện cho phần cứng của sản phẩm hiện hành
hoặc các phần mền phải được triệt để hồi quy được kiểm tra để xác nhận rằng
những thay đổi không tạo ra những hiệu ứng mong muốn.
Máy tính nhúng ngày càng trở lên phổ biến trong các hệ thống an toàn, cần
được thử nghiệm kỹ lưỡng hơn. Rõ ràng, có một sự cấp bách cần phải đẩy nhanh
và tự động hóa hệ thống cấp thửu nghiệm càng nhiều càng tốt trong những hạn chế
của hệ thống kiểm tra chi phí và phát triển.
Phương pháp mô phỏng Hardware – in – the – loop là một kỹ thuật để thử
nghiệm hệ thống cấp thực hiện của các hệ thống nhúng một cách toàn diện, hiệu
quả, và lặp lại. Mô phỏng hardware – in – the – loop thường được dùng trong việc
phát triển và thử nghiệm các hệ thống nhúng, khi các hệ thống không thể thử
nghiệm một dễ dàng, triệt để, và có thể được diễn ra trong môi trường hoạt động

này.
____________________________________________________________________
4
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop đỏi hỏi sự phát triển
của mô phỏng thời gian thực, các mô hình của một số phần trong hệ thống nhúng
thử nghiệm và tất cả các tương tác có ý nghĩa trong môi trường hoạt động. Mô
phỏng có thể theo dõi hệ thống thử nghiệm của đầu ra tín hiệu và tạo ra đầu vào
tín hiệu của hệ thống thử nghiệm ở một số thời điểm thích hợp. Đầu ra của hệ
thống thử nghiệm là tín hiệu từ các thiết bị truyền hình động thường bao gồm các
lệnh và điều hành hiển thị thông tin. Đầu vào để hệ thống thử nghiệm bao gồm các
tín hiệu của cảm biến và các lệnh từ điều hành. Các kết quả đầu ra từ hệ thống
nhúng phục vự như là đầu vào của mô phỏng và mô phỏng tao ra kết quả và trở
thành đầu vào của hệ thống nhúng.

Trong hình hệ thống thử nghiệm có giao diện với cảm biến và cơ cấu chấp
hành, hiển thị thông tin chấp nhận lệnh đầu vào. Trong ví dụ này thì các lệnh được
tảo bởi các mô phỏng kích thích hệ thống trong thử nghiệm. Việc sử dụng tổng
hợp tao ra lệnh điều khiển cho phép tự động các trình tự kiểm tra và cho phép lặp
lại chính xác cảu các mẫu đó.
Bạn có thể áp dụng các mô phỏng hardware – in – the – loop thử nghiệm ý
tưởng cho đến một loạt các hệ thống, từ các thiết bị tương đối đơn giản chẳng hạn
như một bộ điều khiển nhiệt độ phòng đến các hệ thống phức tạp như hệ thống
____________________________________________________________________
5

_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

điều khiển máy bay. Mô phỏng hardware – in – the – loop còn được sử dụng trong
việc phát triển và thử nghiệm phức tạp trong các hệ thống quân sự, tên lửa, điều
khiển vệ tinh…
Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop có thể giúp bạn phát
triển sản phẩm nhanh hơn và chi phí hiệu quả hơn với các thử nghiệm được cải
thiện triệt để. Một lợi ích của mô phỏng hardware – in – the – loop là làm giảm
khả năng của các vấn đề nghiêm trọng trong sản phẩm một cách đáng kể. Trong
gian đoạn phát triển sản phẩm, mô phỏng hardware – in – the – loop là một công
cụ có giá trị tối ưu hóa thiết kế thực hiện và sửa lỗi cả phần cứng lẫn phần mền.
Tuy nhiên với một mô phỏng hardware – in – the – loop (hoặc bất kỳ mô
phỏng nào) để sản xuất ra đáng tin cậy, nó rất quan trọng để chứng minh rằng môi
trường mô phỏng là một việc rất quan trọng trong thực tế. Đây là nơi mà các khái
niệm của mô phỏng và kiểm tra được xác nhận.

1.3. Điều kiện và kết quả cho việc mô phỏng.
Trước khi có thể mô phỏng hardware – in – the – loop được sử dụng để
kiểm tra, thì việc phải kiểm tra xem thiết bị mô phỏng và môi trường mô phỏng
của nó có trong mô phỏng hardware – in – the – loop có đầy đủ không. Điều kiện
là quá trình chứng minh các mô phỏng hardware – in – the – loop thực hiện chính
xác các mô hình toán học về khái niện của hệ thống thử nghiệm và môi trường của
nó. Kết quả là được thực hiện bằng cách so sánh kết quả mô phỏng hardware – in
– the – loop với kết quả phân tích tính toán hoặc từ kết quả độc lập với hệ thống
thử nghiệm.
Nếu kết quả thử nghiệm không chính xác phù hợp với kết quả mô phỏng

hardware – in – the – loop. Những sai sót trong mô phỏng giao diện phần mền
hoặc phần cứng cũng trở lên rõ ràng hơn trong mô phỏng khi tiến hành kiểm tra
kết quả.
Sau khi mà các độ lệch giữa hiệu suất của hệ thống nhúng trong môi trường
hoạt động và trong mô phỏng hardware – in – the – loop đã được giảm đến một
mức độ chấp nhận được và đúng tài liệu thì các mô phỏng hardware – in – the –
loop là đúng. Mô phỏng thử nghiệm hardware – in – the – loop sau đó có thể sử
dụng để thay thế hoặc làm tăng thêm thử nghiệm vận hành của hệ thống miễn là
____________________________________________________________________
6
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

môi trường được mô phỏng nằm trong phạm vi điều kiện của mô phỏng đó. Khi
làm việc với điều kiện của mô phỏng cần phải hiểu được phạm vị của điều kiện đó
trong môi trường đã được thử nghiệm. Khi thực hiện sửa đổi điều kiện mô phỏng
thì phải kiểm soát được cấu hình của phần mền và thực hiện sao cho hiệu suất mô
phỏng khôg bị ảnh hưởng khi thay đổi.

1.4. Phần cứng và phần mền của mô phỏng hardware – in – the – loop .
Để phát triển một mô phỏng hardware – in – the – loop, cần phải tính toán
phù hợp và phần cứng I/O cũng như phần mền để thực hiện các mô hình mô
phỏng thời gian thực và I/O hoạt động.
Mô phỏng phần cứng máy tính.
Ngoài các hệ thống thử nghiệm, phần cứng được sử dụng trong một mô phỏng
hardware – in – the – loop phải bao gồm:
+ Một hệ thống máy tính có khả năng đáp ứng việc thực hiện thời gian thực

yêu cầu của mô phỏng.
+ thiết bị mô phỏng trên máy tính cho phép kiểm soát điều khiển của mô
phỏng cũng như mô phỏng thu thập dữ liệu, lưu trữ, phân tích và hiển thị.
+ Một tập hợp các I/O giao diện giữa mô phỏng máy tính và các hệ thống
thực nghiệm.

1.5. Yêu cầu thời gian thực .
Yêu cầu đối với các máy tính mô phỏng phụ thuộc vào đặc điểm của hệ
thống nhúng để thử nghiệm và của môi trường hoạt động như:
+ các hệ thống thử nghiệm của I/O và tốc độ truyền dữ liệu của I/O.
+ sự phức tạp của yếu tố hệ thống thử nghiệm và môi trường hoạt động
được mô phỏng trong phần mền mô phỏng.
Thiết bị I/O
Có nhiều loại thiết bị I/O khác nhau được sử dụng trong hệ thống nhúng. Trong
mô phỏng hardware – in – the – loop, một thiết bị I/O được cài đặt trong mô
phỏng máy tính kết nối với hệ thống mô phỏng cổng I/O. Giao diện I/O có sẵn từ
nhiều phía được hỗ trợ các tín hiệu như:
+ Analog (DACs và ADCs).
____________________________________________________________________
7
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

+ tín hiệu số không liên tục.
+ Serial (RS-232 hoặc RS-422).
+ Dữ liệu thời gian thực.
+ Network (ethernet).

+ thiết bị mô phỏng.
Một bảng tóm tắt cho một hiệu suất cao thời gian thực hệ thống máy tính bao gồm:
+ CPU hiệu năng cao.
+ Hỗ trợ cho các hoạt động thời gian thực.
+ Tỉ lệ truyền dữ liệu cao.
+ hỗ trợ cho một loạt các thiết bị I/O.

1.6. Phần mền mô phỏng cơ cấu chấp hành .
Các phần mền mô phỏng có chứa các đoạn mã đó thực hiện nhiệm vụ cần
thiết trong thời gian thực mô phỏng.
Các phần mền mô phỏng hardware – in – the – loop có thể được tách thành
ba phần cơ bản sau:
+ Khởi động của phần mền mô phỏng và phần cứng bên ngoài.
Khởi tạo mô phỏng và phần cứng
+ vòng động năng bao
gồm I/O, mô hình mô phỏng đánh giá và trạng thái
biến đổi.
+ Dừng của phần mền
và phần cứng bên ngoài.
Từ mô
thiết phỏng
bị đầu vào

Đánh giá các mô hình mô phỏng

Viết thiết bị đầu ra

And or run ?

yes

no
Tích hợp các biến trạng thái

Sự chậm trễ của thời gian cho đến
khi cơ cầu bắt đầu

____________________________________________________________________
8
_
Tắt máy mô phỏng và phàn cứng
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

1.7. Hệ thống mô phỏng HIL ứng dụng trong hàng không vũ trụ :

____________________________________________________________________
9
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Hệ thống mô phỏng HIL trong hàng không vũ trụ đóng vai trò đặc biệt
quan trọng,ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng động cơ động lực,điều khiển động
cơ động lực,mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh,vệ tinh Pico,…
Những hệ HIL tiên phong trong hàng không vũ trụ có thể kể đến : xPC

Target,Dspace,National Instrucments-NI,… có rất nhiều ứng dụng trong việc
nghiên cứu mô phỏng động cơ phản lực,các vệ tinh và quỹ đạo của chúng,môi
trường ngoài không gian,…Ở Việt Nam,hệ mô phỏng HIL cũng được ứng dụng
trong nghiên cứu chế tạo vệ tinh Pico,hệ mô phỏng điều khiển vệ tinh ADCSs Attitude Determination and Control System simulator :

Hình 1.7.1 – Hệ mô phỏng xPC Target .

____________________________________________________________________
10
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Hình 1.7.2- Hệ mô phỏng HIL
National Instrucment

Hình 1.7.3 – Hệ mô phỏng Dspace .

Hình 1.7.4- Hệ mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh ADCS

____________________________________________________________________
11
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Chương II: MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN TÁC ĐỘNG LÊN VỆ
TINH PICO .
2.1. Yêu cầu đặt ra cho hệ điều khiển nhiệt độ.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng kỹ thuật điều khiển thụ động và chủ
động để giữ nhiệt độ của vệ tinh nằm trong giới hạn cho phép.
Hệ thống này bị ngắt trong suốt quá trình vệ tinh ở dưới mặt đất, lúc phóng
và khi vệ tinh được phóng lên. Hệ thống phụ trợ được điều khiển theo phương
thức thụ động khi ở trên quỹ đạo, và điều khiển chủ động kích hoạt nếu cần.
2.2. Môi trường nhiệt độ của vệ tinh Pico.
Vệ tinh Pico sẽ được tiếp xúc với các điều kiện vật chất và các điều kiện khác
so với ở trên Trái đất. Bức xạ của mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất của tất cả
các điều kiện trên các con tàu vũ trụ vệ tinh. Các bức xạ phát ra từ mặt trời thường
là không thay đổi trong vòng một phần nhỏ của 1% ở tất cả các lần. Tuy nhiên, do
quỹ đạo hình elip của Trái Đất, cường độ bức xạ của mặt trời đạt ở quỹ đạo thấp
thay đổi theo khoảng ± 3,5% tùy thuộc vào khoảng cách của Trái Đất tới Mặt Trời.
Trong mùa hè (phía bắc bán cầu) cường độ ở mức tối thiểu 1372(W / m 2 ) và khi ở
đông chí tối đa đạt được là 1417(W / m 2 ) . Giá trị của các năng lượng Mặt Trời liên
tục thay đổi, thay đổi do khoảng cách trung bình của Trái Đất và Mặt Trời. Độ
lệch tâm này thể hiện đến mức độ nào của Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời
khác từ một vòng tròn, quỹ đạo elip được phần nào và một độ lệch tâm cao hơn
tương ứng một quỹ đạo hình elip hơn.
Các bức xạ của mặt trời là phản chiếu của một hành tinh hay không khí của
nó được biết đến như là suất phản chiếu. Suất phản chiếu của Trái Đất được tính
theo tỷ lệ phần trăm của ánh sáng Mặt Trời đó là sự phản xạ trở lại vào không gian
và biến đổi cao và giá trị được giả định là 34%. Tuy nhiên phản xạ ở các khu vực
là khác nhau và thường thì tăng theo giảm góc độ cao và mây che phủ ngày càng
tăng.
Trái Đất không chỉ phản xạ ánh sáng bức xạ của mặt trời, mà còn phát ra
bức xạ dài của sóng hồng ngoại do nhiệt độ của nó. Trái Đất, cũng như vệ tinh, đạt
được cân bằng nhiệt độ bằng cách cân bằng nhiệt độ nhận được (hấp thụ) từ Mặt

Trời với năng lượng tái phát ra bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài vào không
____________________________________________________________________
12
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

gian. Cân bằng này là chính nhận được trên cơ sở trung bình trên toàn cầu hàng
năm. Có giá trị vào khoảng 237 ± 21(W / m 2 ) phát ra từ bề mặt của Trái Đất.
Ở độ cao của vệ tinh trên nền không gian này là màu đen. Bức xạ (tia
gamma, tia X, tia cực tím, tia nhìn thấy được, tian hồng ngoại và vô tuyến) từ
không gian sâu thẳm đại diện cho một số lượng rất nhỏ các năng lượng. Các nền
nhiệt độ cho vệ tinh trong không gian khoảng 3K và áp suất xung quanh là rất gần
vối tổng số chân không. Điều này sẽ gây ra các biến về môi trường nhiệt độ bức xạ
tiêu cực ở bề ngoài của vệ tinh. Vì vậy, các lớp bên ngoài của vệ tinh có tấm cách
nhiệt có thể đạt đến nhiệt độ của 100 0 C khi chuyển hướng tới mặt trời và đến
− 100 0 C khi ở bóng tối của Trái Đất của vệ tinh.

Hình3.1 : môi trường nhiệt độ của vệ tinh trên quỹ đạo
Vệ tinh pico vào không gian tương tác với môi trường của mình bằng bức
xạ. Trao đổi năng lượng có nghĩ là: bức xạ Mặt Trời, suất phản chiếu (albedo), bức
xạ hồng ngoại từ Trái Đất và bức xạ từ tàu vũ trụ vệ tinh vào không gian sâu. Mục
đích của vệ thiết kế nhiệt là để duy trì nhiệt độ của tất cả các thành phần của tàu vũ
____________________________________________________________________
13
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

trụ vệ tinh trong giới hạn nhiệt độ mong muốn bằng cách sử dụng cơ bản cân bằng
năng lượng yêu cầu:
.
.
dT
m.c w .
= Q in − Q out
dt

2.3. Bức xạ của Mặt Trời
Năng lượng từ cường độ Mặt Trời khác nhau như và phụ thuộc vào hàm
của bước sóng. Sự phân bổ năng lượng là khoảng 7% tia cực tím, 46% là tia nhìn
thấy và 47% là tia hồng ngoại với toàn bộ năng lượng bằng 1327W / m 2 đến
1417W / m 2 .

Hình3.4: Phân phối của bức xạ mặt trời trong LEO
2.4. Từ không gian Trái Đất
Bức xạ phát ra từ Trái Đất có giá trị vào khoảng 273 ± 21(W / m 2 ) . Bức xạ
này tác động lên quỹ đạo của vệ tinh ở trong quá trình di chuyển xung quanh Trái
Đất của vệ tinh. Nhưng giá trị của tia hồng ngoại lại phụ thuộc vào khoảng cách từ
.

vệ tinh đến Trái Đất, nó giảm theo năng lượng của Q IR .

____________________________________________________________________
14
_

Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh
.

Q IR = I E . AE = I E ( R ) . AR
ở đây :

R = RE + H
AE = 4πR E2
AR = 4πR 2
I E (R)

RE2
= I E .(
) = I E sin 2 ρ '
2
( H + R)

'
Với ρ =

RE
: góc bán kính của Trái Đất.
RE + H

Hình3.5 : mối quan hệ giữa vệ tinh và trung tâm Trái Đất

____________________________________________________________________

15
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

PHẦN B : THIẾT KẾ BỘ PHẦN CỨNG TRONG HỆ
MÔ PHỎNG HIL MÔ PHỎNG ĐIỀU KIỆN NHIỆT
ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH .
Chương III: AVR VÀ LẬP TRÌNH VỚI AVR .GIAO THỨC TCP-IP .
3.1 – AVR và lập trình với AVR .
3.1.1.Cấu trúc bộ nhớ:
Cũng như mọi vi điều khiển khác AVR có cấu trúc Harvard tức là có bộ nhớ và
đường bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.
Sơ đồ bộ nhớ:

____________________________________________________________________
16
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Ta thấy không gian bộ nhớ của bộ nhớ chương trình gồm 4Kx8 và có địa chỉ
từ 0000H tới FFFH.
Bộ nhớ dữ liệu gồm hai phần: bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM trong đó
không gian bộ nhớ RAM lại chia làm 3 phần: Các thanh ghi chức năng chung, các
thanh ghi vào ra và cuối cùng là 512 byte bộ nhớ SRAM. Bộ nhớ EEPROM mặc

dù cùng là một phần của bộ nhớ dữ liệu nhưng lại hoàn toàn đứng độc lập như một
bộ nhớ độc lập và cũng được đánh địa chỉ riêng.
a - Bộ nhớ dữ liệu
AVR có 32 thanh ghi chức năng chung và chúng được liên kết trực tiếp với
ALU đây là điểm khác biệt của AVR và tạo cho nó một tốc độ xử lý cực cao. Các
thanh ghi được đặt tên từ R0 tới R31. Và đặc biệt cặp 6 thanh ghi cuối (từ R6 tới
R31) từng đôi một tao thành các thanh ghi 16 bit sử dụng làm con trỏ trỏ tới bộ
nhớ chương trình và dữ liệu. Chúng lần lượt có tên là X, Y, Z.

____________________________________________________________________
17
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Không gian các thanh ghi cổng vào ra bao gồm cá thanh ghi dữ liệu và thanh
ghi điều khiển cho cổng vào ra.(Phần này sẽ được nói tới trong phần lập trình cho
các thiết bị ngoại vi).
Cuối cùng là bộ nhớ SRAM.
b - Bộ nhớ chương trình:
Bộ nhớ chương trình có địa chỉ từ 0000H tới 0010H được dành cho bảng véc
tơ ngắt.

____________________________________________________________________
18
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

3.1.2.Các chế độ truy nhập địa chỉ của AVR
a - Địa chỉ thanh ghi đơn trực tiếp
Ở chế dộ này địa chỉ của thanh ghi được lấy trực tiếp từ vùng các thanh ghi (từ
0 tới 31).

b - Địa chỉ hai thanh ghi trực tiếp
Đây là chế độ mà trong một lênh ALU truy nhập trực tiếp vào hai thanh ghi.
Chế độ này hoàn toàn tương tự như chế độ trên.

c - Địa chỉ trực tiếp cổng vào ra

____________________________________________________________________
19
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Trong đó địa chỉ của toán hạng được chứa trong 6 bit của một từ lệnh .n là địa
chỉ của thanh ghi nguồn hoặc đích.

d - Trực tiếp dữ liệu
Địa chỉ của dữ liệu trong RAM được đưa trực tiếp vào lệnh.

e - Địa chỉ dữ liệu gián tiếp cùng với dịch chuyển

f - Địa chỉ gián tiếp dữ liệu:
Đây là cách mà CPU truy nhập tới dữ liệu trong RAM thông qua thanh ghi
X,Y,Z địa chỉ của dữ liệu được lưu trong thanh ghi này.
____________________________________________________________________
20
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

g- Địa chỉ dữ liệu gián tiếp cùng với tăng hoặc giảm con trỏ

h - Địa chỉ của hằng số trong bộ nhớ chương trình.
Cách này chỉ sử dụng cho lệnh LPM
Địa chỉ của hằng số được lưu trong thanh ghi Z

i - Địa chỉ bộ nhớ chương trình gián tiếp:
____________________________________________________________________
21
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Địa chỉ đoạn mã được trỏ bởi thanh ghi Z sử dụng trong các lệnh IJMP và
ICALL.

k -. Địa chỉ tương dối của bộ nhớ chương trình

Cách định địa chỉ này dùng cho các lệnh RJMPvà RCALL khi đó CPU sẽ có
giá trị PC+k+1.

3.1.3.Các thanh ghi chức năng đặc biệt
Bao gồm các thanh ghi dữ liệu và các thanh ghi điều khiển các cổng vào ra.
Chúng có thể truy nhập được bằng 2 cách:
 Bằng địa chỉ trực tiếp
Ví dụ:
STR $3F,R11
hoặc: STR SREG.R11
 Hoặc có thể truy nhập gián tiếp chúng thông qua thanh ghi X, Y, Z.
Ví dụ :
LDI R28,0x00
LDI R27,0x5F
STD X,R11
____________________________________________________________________
22
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Hai ví dụ này hoàn toàn tương đương, đều ghi dữ liệu vào thanh ghi SREG.
a - Status Register (SREG)
Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép
tính số học và logic.

C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập)
Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0)

N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm)
V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù
2)
V, For signed tests (S=N XOR V) S: N
H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau)
T: Transfer bit used by BLD and BST instructions(Được sử dụng làm nơi
chung gian trong các lệnh BLD,BST).
I: Global Interrupt Enable/Disable Flag (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt.Nếu
bit này ở trang thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.)
Registers and Operands (kí hiệu các thanh ghi và các toán hạng)
Rd: Thanh ghi đích (một trong 32 các thanh ghi chức năng chung)
Rr: Thanh ghi nguồn (Một trong 32 thanh ghi chức năng chung)
R: Kết quả sau khi lệnh chạy.
K: Hằng số dữ liệu
k: Hằng số địa chỉ (Có thể là một nhãn hoặc một địa chỉ cụ thể)
b: Bit trong thanh ghi chức năng chung hoặc trong thanh ghi chức năng đặc
biệt (0-7).
s: Bit trong thanh ghi trạng thái (0-7).
X,Y,Z: Thanh ghi địa chỉ (Để trỏ tới địa chỉ trong RAM,hoặc Z có thể trỏ tới
địa chỉ trong ROM). (X=R27:R26, Y=R29:R28 and Z=R31:R30)
A: I/O location address
q:Chỉ số cho các địa chỉ trực tiếp (0-63).
b - SP
Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức
năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E
(Trong bộ nhớ RAM là $5E). Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn
xếp.

____________________________________________________________________
23

_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu
vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ
giảm 1 khi thực hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn
xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2.
Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn
xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục
vụ. Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lơn hơn hợc bằng 60H (0x60) vì 5FH trỏ
lại là vùng các thanh ghi.

Tại sao lại sử dụng AVR ?
AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà
sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến). AVR là chip
vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction
Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí.
Tại sao lại sử dụng AVR: so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có
nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về
chức năng:
•

Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử
dụng AVR, thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các
khối thạch anh).

•

Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp
chỉ cần vài điện trở là có thể làm được. một số AVR còn hỗ trợ lập trình on –
chip bằng bootloader không cần mạch nạp…
____________________________________________________________________
24
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội


Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

•

Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích .

•

Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên
internet.
Hầu hết các chip AVR có những tính năng (features) sau:

•



Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội
lên đến 8 MHz (sai số 3%)



Bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và dung lượng
lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ lập trình được
EEPROM.



Nhiều ngõ vào ra (I/O PORT) 2 hướng (bi-directional).



8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM.



Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.



Chức năng Analog comparator.



Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232).



Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master và
Slaver.



Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)



…

3.2– Mạch nạp cho AVR .
Có rất nhiều mạch nạp cho AVR,tuy nhiên mạch nạp đơn giản,thông dụng
và tiện lợi hơn cả có thể chọn AVR -910.
AVR910 USB Programmer mà một mạch nạp ISP sử dụng để lập
trình cho tất cả các dòng Vi điều khiển AVR. Một mạch nạp cực kì nhỏ
____________________________________________________________________
25
_
Đại học Công nghệ - ĐH QG Hà Nội