Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp KIT INTEL GALILEO

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o----

Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Phạm Quang Minh
Hồ Văn Trọng
CNKT Điện tử - Truyền thông
Đại học chính quy
2014

MSSV:
14141195
MSSV:
14141338
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
14141DT1

I. TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ GIAO TIẾP KIT
INTEL GALILEO
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

-

Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng
cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao
hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ.
Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút
nhấn, switch, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC.

2. Nội dung thực hiện:
-

Tìm hiểu về kit Intel Galileo, phần mềm Arduino, các mạch giao tiếp ngoại vi
với vi điều khiển.
Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm (thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, thi công).
Xây dựng các bài thực hành cơ bản, viết chương trình thực thi và kiểm tra kết
quả trên bộ thí nghiệm.
Thu thập kết quả. Kiểm tra tính ổn định của hệ thống. Viết báo cáo luận văn.
Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
01/10/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

ThS. Ngô Bá Việt
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 05 tháng 10 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Phạm Quang Minh
Lớp:
14141DT1A
MSSV: 14141195
Họ tên sinh viên 2: Hồ Văn Trọng
Lớp:
14141DT1A
MSSV: 14141338
Tên đề tài:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ THÍ NGHIỆM VI XỬ LÝ SỬ DỤNG KIT
INTEL GALILEO
Tuần/ngày

Nội dung
-

1
(01-06/10) -

Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn
đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc.
Duyệt đề tài.

-

Viết đề cương cho đề tài.

-

Tìm hiểu tổng quan về kit Intel Galileo.

2
(08-13/10)

Tìm hiểu về cách thức lập trình và biên dịch trên

3
(15-20/10) -

Thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối

4
(22-27/10)
5
(29/1003/11)

-

Xác nhận
GVHD

kit Intel Galileo.
Tính toán lựa chọn linh kiện cho từng khối
Thiết kế sơ đồ nguyên lý và giải thích hoạt động
của mạch.

-

Thiết kế và thi công từng khối nhỏ trong mạch.

-

Lập trình trên phần mềm Arduino.

6
(05-10/11)
7
(12-17/11)

Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi
công.
Lập trình trên phần mềm Arduino.
Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi
công.
ii

8
(19-24/11)
9
(26/1101/12)

Lập trình trên phần mềm Arduino.
Mô phỏng, chạy chương trình từng khối đã thi
công.

-

Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối.

-

Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối.

10
(03-08/12) -

Thiết kế và thi công mô hình tổng hợp các khối.

11
(10-15/12)

Kiểm tra, hoàn thiện mô hình, chạy thử và sửa lỗi.

12

(17-22/12)

Viết báo cáo.

13
(24-29/12)

Viết báo cáo.

14
(31/1205/01)

-

15
(06-18/01)

Mô phỏng, chạy chương trình tổng hợp các khối.

Hoàn thiện, chỉnh sửa báo cáo gửi cho GVHD để
xem xét góp ý lần cuối trước khi in báo cáo.
Nộp quyển báo cáo và làm Slide báo cáo.
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không

sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Phạm Quang Minh
Hồ Văn Trọng

iv


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên cho phép chúng tôi được gửi
lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử nói riêng, những
người đã tận tình dạy dỗ, trang bị cho chúng tôi những kiến thức nền tảng và kiến
thức chuyên ngành quan trọng, giúp nhóm chúng tôi có được cơ sở lý thuyết vững
vàng và đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất cho chúng tôi trong quá trình học tập
và nghiên cứu.
Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Ngô Bá Việt đã tận tình giúp
đỡ, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số vấn đề
để chúng tôi có thể thực hiện tốt đề tài.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế
của chúng tôi còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, chúng tôi
rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2019
Sinh viên thực hiện
Phạm Quang Minh
Hồ Văn Trọng

v

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...............................................................................i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. iv
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... v
MỤC LỤC .......................................................................................................................... vi
LIỆT KÊ HÌNH ẢNH................................................................................................... viii
LIỆT KÊ BẢNG ...............................................................................................................xi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... xii
TÓM TẮT ....................................................................................................................... xiii
Chương 1.

TỔNG QUAN ...........................................................................................1

1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .........................................................................................................1

1.2

MỤC TIÊU ...............................................................................................................1

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................2

1.4

GIỚI HẠN ................................................................................................................2

1.5

BỐ CỤC....................................................................................................................2

Chương 2.
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................4

KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN ..............................................4
2.1.1

Vi xử lý và vi điều khiển ..........................................................................4

2.1.2

Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC) ........................................................5

2.2

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN I2C .......................................................................5

2.3

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN SPI........................................................................8

2.4

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN 1-WIRE ...............................................................9

2.5

PHẦN MỀM ARDUINO .................................................................................... 10

2.6

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................... 11
2.6.1

Bộ xử lý trung tâm - Intel Galileo Gen 2 ............................................. 11

2.6.2

Thiết bị đầu vào ...................................................................................... 14

2.6.3

Thiết bị đầu ra ......................................................................................... 16

2.6.4

Thiết bị thời gian thực DS1307 ............................................................ 26

Chương 3.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................ 28

3.1

GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 28

3.2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................... 28
vi


3.3

3.2.1

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................................. 28

3.2.2

Tính toán và thiết kế mạch .................................................................... 29

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH .............................................................. 38

Chương 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 39

4.1

GIỚI THIỆU ......................................................................................................... 39

4.2

THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 39

4.3

4.4

4.5

4.2.1

Thi công bo mạch hệ thống ................................................................... 39

4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra................................................................................. 42

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .......................................................... 44
4.3.1

Đóng gói, thiết kế mô hình .................................................................... 44

4.3.2

Thi công mô hình.................................................................................... 44

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 46
4.4.1

Lưu đồ giải thuật..................................................................................... 46

4.4.2

Phần mềm lập trình cho Intel Galileo Gen 2 ....................................... 48

VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................ 51

Chương 5.
5.1

5.2

KẾT QUẢ.............................................................................................................. 55
5.1.1

Kết quả nghiên cứu................................................................................. 55

5.1.2

Kết quả thi công ...................................................................................... 55

NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ................................................................................. 56

Chương 6.
6.1

6.2

KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ................................................ 55

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................... 57

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57
6.1.1

Ưu điểm ................................................................................................... 57

6.1.2

Khuyết điểm ............................................................................................ 57

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................... 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 59
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 60

vii


LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn I2C ...................................................................6
Hình 2.2: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ ............................................6
Hình 2.3: Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ ...........................................7
Hình 2.4: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn SPI ...................................................................8
Hình 2.5: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn 1-Wire .............................................................9
Hình 2.6: Dạng sóng quá trình truyền nhận dữ liệu chuẩn 1-Wire ............................ 10

Hình 2.7: Biểu tượng phần mềm Arduino ..................................................................... 10
Hình 2.8: Giao diện phần mềm Arduino ....................................................................... 11
Hình 2.9: Mặt trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................................................... 12
Hình 2.10: Mặt dưới kit Intel Galileo Gen 2 ................................................................. 12
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý chip xử lý trung tâm trên kit ........................................... 13
Hình 2.12: Sơ đồ bố trí chân I/O trên kit Intel Galileo Gen 2 .................................... 13
Hình 2.13: Ma trận phím 4x4 ngoài thực tế .................................................................. 14
Hình 2.14: Cảm biến LM35 ngoài thực tế ..................................................................... 15
Hình 2.15: Led 7 đoạn đôi ngoài thực tế ....................................................................... 16
Hình 2.16: LCD 16x2 ngoài thực tế ............................................................................... 16
Hình 2.17: Sơ đồ chân LCD 16x2 .................................................................................. 17
Hình 2.18: Led ma trận 8x8 ngoài thực tế ..................................................................... 18
Hình 2.19: Sơ đồ chân led ma trận 8x8 ......................................................................... 19
Hình 2.20: IC 74HC595 ngoài thực tế ........................................................................... 19
Hình 2.21: Sơ đồ chân IC 74HC595 .............................................................................. 20
Hình 2.22: Cấu trúc bên trong IC 74HC595 ................................................................. 21
Hình 2.23: IC 74HC138 ngoài thực tế ........................................................................... 22
Hình 2.24: Sơ đồ chân IC 74HC138 .............................................................................. 22
Hình 2.25: IC L298 ngoài thực tế ................................................................................... 25
Hình 2.26: Sơ đồ chân IC L298 ...................................................................................... 25
Hình 2.27: IC DS1307 ngoài thực tế .............................................................................. 26
Hình 2.28: Sơ đồ chân IC DS1307 ................................................................................. 26
Hình 2.29: Địa chỉ các thanh ghi IC DS1307 ............................................................... 27
viii


Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................. 28
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm ................................................... 29
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn đơn .............................................................. 31
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối ma trận phím 4x4 ...................................................... 32

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối led đơn ........................................................................ 33
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối led 7 đoạn ................................................................... 33
Hình 3.7: Transistor A1015 ngoài thực tế ..................................................................... 34
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 16x2 .................................................................. 35
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối led ma trận 8x8 .......................................................... 35
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến nhiệt độ .................................................... 36
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực........................................................... 36
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý khối động cơ ..................................................................... 36
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ........................................................................ 37
Hình 3.14: Adapter 12V – 2A ......................................................................................... 37
Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý khối switch giao tiếp ....................................................... 38
Hình 4.1: Mạch in PCB lớp dưới .................................................................................... 39
Hình 4.2: Mạch in PCB lớp trên ..................................................................................... 40
Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện ...................................................................................... 40
Hình 4.4: Board thí nghiệm mặt dưới ............................................................................ 43
Hình 4.5: Board thí nghiệm mặt trên ............................................................................. 43
Hình 4.6: Mô hình tổng thể ............................................................................................. 44
Hình 4.7: Mô hình nhìn từ trên xuống ........................................................................... 45
Hình 4.8: Mặt trước mô hình .......................................................................................... 45
Hình 4.9: Mặt hông mô hình ........................................................................................... 45
Hình 4.10: Lưu đồ hoạt động toàn bộ hệ thống ............................................................ 46
Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển bằng nút nhấn, ma trận phím ...................................... 47
Hình 4.12: Lưu đồ hiển thị .............................................................................................. 47
Hình 4.13: Trang chủ Arduino ........................................................................................ 49
Hình 4.14: Biểu tượng phần mềm Arduino ................................................................... 49
Hình 4.15: Giao diện phần mềm Arduino ..................................................................... 49
ix


Hình 4.16: Giao diện các chức năng trong mục Tools ................................................ 50

Hình 4.17: Hộp thoại Boards Manager .......................................................................... 50
Hình 4.18: Giao diện phần mềm khi tiến hành chọn kit Intel Galileo Gen 2 ........... 51
Hình 4.19: Bộ xử lý trung tâm và board thí nghiệm đã kết nối .................................. 51
Hình 4.20: Vị trí nút BTN_NGUON trên board thí nghiệm ....................................... 52
Hình 4.21: Kết nối cáp Micro USB giữa bộ xử lý trung tâm với máy tính............... 52
Hình 4.22: Giao diện phầm mềm khi tiến hành chọn kit giao tiếp............................. 53
Hình 4.23: Giao diện phần mềm khi chọn cổng COM giao tiếp ................................ 53
Hình 4.24: Báo hiệu giao tiếp thành công với kit ở góc dưới bên phải ..................... 53
Hình 4.25: Biểu tượng công cụ biên dịch chương trình .............................................. 53
Hình 4.26: Báo hiệu biên dịch chương trình hoàn tất và không có lỗi ...................... 54
Hình 4.27: Biểu tượng công cụ nạp chương trình ........................................................ 54
Hình 4.28: Báo hiệu nạp chương trình thành công ...................................................... 54
Hình 4.29: Board thí nghiệm sau khi nạp chương trình .............................................. 54
Hình 5.1: Mô hình bộ thí nghiệm ................................................................................... 55
Hình 5.2: Bộ xử lý trung tâm .......................................................................................... 56

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Các kí hiệu và ý nghĩa chân của LCD.......................................................... 17
Bảng 2.2: Các kí hiệu và ý nghĩa chân IC 74HC595 ................................................... 20
Bảng 2.3: Bảng trạng thái IC 74HC595......................................................................... 21
Bảng 2.4: Các kí hiệu và ý nghĩa chân của 74HC138 ................................................. 23
Bảng 2.5: Bảng trạng thái IC 74HC138......................................................................... 24
Bảng 2.6: Các kí hiệu và ý nghĩa chân IC DS1307 ...................................................... 26

Bảng 3.1: Các chân của kit Intel Galileo Gen 2 sử dụng trong đề tài ........................ 30
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện sử dụng .................................................................. 41
Bảng 4.2: Các công cụ trên giao diện phần mềm Arduino.......................................... 48

xi


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết tắt

Nghĩa đầy đủ

1

SoC

System-on-a-chip

2

I2C

Inter-Integrated Circuit

3

SPI

Serial Peripheral Bus

4

LAN

Local Area Network

5

WAN

Wide area network

6

VGA

Video Graphics Adaptor

7

ADC

Analog-to-digital Converter

8

DAC

Digital-to-analog Converter

9

PWM

Pulse Width Modulation

12

USB

Universal Serial Bus

13

MISO

Master Input Slave Output

14

MOSI

Master Output Slave Input

15

SCK

Serial Clock

16

SS

Slave Select

17

CPU

Central Processing Unit

18

SCL

Serial Clock

19

SDA

Serial Data

20

EEPROM

21

GSM

Global System for Mobile

22

TFT

Thin Film Transistor

Electrically Erasable Programmable Read-Only
Memory

xii


TÓM TẮT
Hiện nay, vi điều khiển và vi xử lý là xu hướng tuy không mới nhưng rất thịnh
hành. Vì thế trong những năm gần đây, các nhà sản xuất chip điện tử đã cho ra đời
những dòng vi điều khiển mới với những tính năng vượt bậc đáp ứng nhu cầu phát
triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật. Một trong những dòng vi điều khiển mới
phải kể đến là Intel Galileo.
Với mục đích muốn tiếp cận gần hơn với dòng vi điều khiển mới này nên nhóm
chúng tôi thực hiện đồ án “Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp kit
Intel Galileo”. Hệ thống của chúng tôi bao gồm những chức năng sau:
 Bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức năng cơ bản như: bàn phím,
led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng cao hơn: giao tiếp máy tính,
điều khiển động cơ.

 Các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn, nút nhấn,
bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC…

xiii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và dân dụng với

nhiều ưu điểm hơn hẳn so với IC số như: thiết kế board mạch đơn giản, điều khiển dễ
dàng, linh hoạt hơn… từ đó mang lại cho người sử dụng nhiều tiện ích. Trong những
năm gần đây, các nhà sản xuất chip điện tử đã cho ra đời những dòng vi điều khiển
với những tính năng mới đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ
thuật: giao tiếp cổng USB, truyển dữ liệu UART, điều chế độ rộng xung, tăng bộ nhớ
nội… [1].
Nhận thấy tầm quan trọng trên nên việc khảo sát, tìm hiểu vi điều khiển ở nhiều
cấp độ khác nhau từ đơn giản đến phức tạp là hết sức cần thiết. Vì thế đã có rất nhiều
đề tài, đồ án tốt nghiệp, bộ thí nghiệm liên quan đến vi điều khiển để phục vụ việc
học tập, thực hành, nghiên cứu đối với học sinh, sinh viên ví dụ như: “Thiết kế bộ thí
nghiệm PIC 18F2455/2550/5555/4550” [2], “Thiết kế nhà thông minh dùng vi điều
khiển PIC 16F887” [3], “Hệ thống điểm danh bằng vân tay ứng dụng vi điều khiển
ARM” [4], “Ứng dụng kit Raspberry nhận dạng mặt người” [5]…
Từ thực tế hiện nay, ta thấy các đề tài thường sử dụng vi điều khiển họ PIC,
ARM… là chủ yếu. Bên cạnh đó chúng tôi nhận thấy dòng vi điều khiển Intel nói
chung và kit Intel Galileo nói riêng còn khá mới mẻ và chưa được phổ biến rộng rãi

nên hầu hết các bộ thí nghiệm, board thực tập hiện nay cho dòng vi điều khiển này
gần như là chưa có. Chính vì vậy, đây là lý do mà chúng tôi quyết định chọn đề tài:
“Thiết kế và thi công bộ thí nghiệm vi xử lý giao tiếp kit Intel Galileo” với mục
đích tiếp cận gần hơn với dòng vi điều khiển Intel này và hơn hết có thể phục vụ nhu
cầu học tập của các bạn sinh viên trong tương lai.

1.2

MỤC TIÊU
 Thiết kế và thi công được bộ thí nghiệm vi xử lý hoàn chỉnh với những chức
năng cơ bản như: bàn phím, led đơn, led 7 đoạn, LCD… hoặc những ứng dụng
cao hơn: giao tiếp máy tính, điều khiển động cơ.
 Xây dựng các bài tập thí nghiệm giao tiếp đơn giản với led đơn, led 7 đoạn,
nút nhấn, bàn phím ma trận, LCD, chuyển đổi ADC…

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong báo cáo này chúng tôi đã cố gắng trình bày một cách thật logic để người

đọc có thể dễ dàng nắm rõ được kiến thức, phương thức cũng như cách thức hoạt
động của hệ thống.
Nội dung nghiên cứu được chúng tôi chia làm 5 nội dung chính như sau:

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về kit Intel Galileo, phần mềm Arduino, các mạch giao
tiếp ngoại vi với vi điều khiển.
 NỘI DUNG 2: Thiết kế phần cứng bộ thí nghiệm (thiết kế mạch nguyên lý,
mạch in, thi công).
 NỘI DUNG 3: Xây dựng các bài thực hành cơ bản, viết chương trình thực thi
và kiểm tra kết quả trên bộ thí nghiệm.
 NỘI DUNG 4: Thu thập kết quả, viết báo cáo luận văn.
 NỘI DUNG 5: Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4

GIỚI HẠN

 Sử dụng kit Intel Galilleo làm mạch điều khiển, sử dụng các họ IC giao tiếp,
hiển thị, giải mã, mở rộng port để thiết kế các module ngoại vi kết nối với mạch
điều khiển.
 Các bài tập thí nghiệm viết trên chương trình Arduino.
 Số lượng module dự kiến điều khiển: 6 module.

1.5

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan
Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới
hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung vào những lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm cơ sở
lý thuyết về Intel Galileo, các chuẩn giao tiếp sử dụng trong đề tài cũng như cơ sở lý
thuyết về các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình bộ thí nghiệm.

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài, thiết kế và tính toán
những phần nào như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
toán thiết kế mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in, lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra
mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương
trình cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.
 Chương 5: Kết Quả Nhận Xét Đánh Giá
Chương này trình bày về những kết quả đã đạt được so với mục tiêu đề ra sau
quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình nghiên
cứu hoàn thành bao nhiêu phần trăm so với mục tiêu ban đầu.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ
đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn
thiện hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

KHÁI QUÁT VỀ VI XỬ LÝ – VI ĐIỀU KHIỂN

2.1.1 Vi xử lý và vi điều khiển
Vi xử lý là thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng các công
nghệ vi điện tử, công nghệ tích hợp và khả năng xử lý theo chương trình vào các lĩnh
vực khác nhau.
Vào những giai đoạn đầu trong quá trình phát triển của công nghệ vi xử lý, các
chip (hay các vi xử lý) được chế tạo chỉ tích hợp những phần cứng thiết yếu như CPU
cùng các mạch giao tiếp giữa CPU và các phần cứng khác. Trong giai đoạn này, các
phần cứng khác (kể cả bộ nhớ) thường không được tích hợp trên chip mà phải ghép
nối thêm bên ngoài. Các phần cứng này được gọi là các ngoại vi. Về sau, nhờ sự phát
triển vượt bậc của công nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng được tích hợp vào bên trong
IC và người ta gọi các vi xử lý đã được tích hợp thêm các ngoại vi là các “vi điều
khiển”. Việc tích hợp thêm các ngoại vi vào trong cùng một IC với CPU tạo ra nhiều
lợi ích như làm giảm thiểu các ghép nối bên ngoài, giảm thiểu số lượng linh kiện điện
tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống, đơn giản hóa việc thiết kế, nâng cao hiệu
suất và tính linh hoạt. Ranh giới giữa hai khái niệm “vi xử lý” và “vi điều khiển” thực
sự không cần phải phân biệt rõ ràng. Thuật ngữ “vi xử lý” được sử dụng khi đề cập
đến các khái niệm cơ bản của kỹ thuật vi xử lý nói chung và sẽ dùng thuật ngữ “vi
điều khiển” khi đi sâu nghiên cứu một họ chip cụ thể.
Về cơ bản kiến trúc của một vi xử lý gồm những phần cứng sau:
- Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit).
- Các bộ nhớ (Memories).
- Các cổng vào/ra song song (Parallel I/O Ports).
- Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports).
- Các bộ đếm/bộ định thời (Timers).

Ngoài ra với mỗi loại vi điều khiển cụ thể còn có thể có thêm một số phần cứng
khác như bộ biến đổi tương tự-số ADC, bộ biến đổi số-tương tự DAC, các mạch điều
chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM…
Bộ não của mỗi vi xử lý chính là CPU, các phần cứng khác chỉ là các cơ quan
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
chấp hành dưới quyền của CPU. Mỗi cơ quan này đều có một cơ chế hoạt động nhất
định mà CPU phải tuân theo khi giao tiếp với chúng. Để có thể giao tiếp và điều các
ngoại vi, CPU sử dụng 03 loại tín hiệu cơ bản là tín hiệu địa chỉ (Address), tín hiệu
dữ liệu (Data) và tín hiệu điều khiển (Control). Về mặt vật lý thì các tín hiệu này là
các đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến các ngoại vi hoặc thậm chí là giữa các ngoại
vi với nhau. Tập hợp các đường tín hiệu có cùng chức năng gọi là các bus. Như vậy
ta có các bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển [9].

2.1.2 Hệ thống điều khiển tích hợp (SoC)
Khái niệm SoC ngày nay đã trở nên phổ biến. SoC được hiểu là toàn bộ "một
hệ thống" được đóng gói hoàn chỉnh trong một chip (vi mạch điện tử). Một hệ thống
thông thường là một hệ thống hoàn chỉnh thực hiện một hoặc nhiều chức năng nào
đó, ví dụ như một máy tính cá nhân gồm một bo mạch chủ để kết nối các thành phần
như CPU, USB, VGA, RS232…
Cấu trúc phần cứng của một SoC bao gồm:
- Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit).
- BUS hệ thống (System BUS).
- Bộ nhớ (Memory).
- Thành phần điều khiển nội (Internal block).
- Ngoại vi (Peripheral).

Các chip vi hệ thống (SoC) trong tương lai sẽ có tới 1000 bộ xử lý và 100 MB
memory, đồng thời được tích hợp rất nhiều khối như: ADC, I2C, PWM, DAC,
Wireless, SPI, USB, Ethernet… Các chip SoC này sẽ là nền tảng của các sản phẩm
có khả năng kết nối mạng WAN-LAN không dây cho các dịch vụ thông tin, giải trí,
truyền thông, định vị [6].

2.2

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN I2C
I2C là giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ phổ biến hiện nay, được sử dụng

rộng rãi trong việc kết nối nhiều IC với nhau, hay kết nối giữa IC và các ngoại vi với
tốc độ thấp. Các thiết bị ngày nay như: NVRAM, LCD, keypad, led matrix, ADC,
DAC… gần như tất cả đều hướng tới dùng chuẩn này. Tốc độ I2C ngày càng cao và
có thể lên đến Mbit/s.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn I2C
Đặc điểm: I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:
- Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở
100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz).
- Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng.
Quá trình truyền dữ liệu chuẩn I2C:
Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ:

Hình 2.2: Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ
Bước 1: Thiết bị chủ tạo trạng thái START để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu,
các thiết bị tớ sẽ ở trạng thái sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ.
Bước 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ cần giao tiếp - khi đó tất cả các
thiết bị tớ đều nhận địa chỉ và so sánh với địa chỉ của mình, các thiết bị tớ sau khi
phát hiện không phải địa chỉ của mình thì chờ cho đến khi nào nhận trạng thái START
mới. Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): thì bit
này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo.
Bước 3: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ. Thiết bị tớ nào đúng
địa chỉ thì phát 1 tín hiệu trả lời cho chủ biết.
Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gởi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần ghi dữ liệu, bit
R/W ở trạng thái ghi.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ.
Bước 6: Thiết bị chủ tiến hành gởi dữ liệu để ghi vào thiết bị tớ, mỗi lần ghi 1
byte, sau khi gửi xong thì tiến hành chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ, quá trình
thực hiện cho đến byte cuối cùng xong rồi thì thiết bị chủ chuyển sang trạng thái
STOP để chấm dứt quá trình giao tiếp với thiết bị tớ.
Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ:

Hình 2.3: Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu vào thiết bị tớ
Bước 1: Thiết bị chủ tạo trạng thái START để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu,
các thiết bị tớ sẽ ở trạng thái sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ.
Bước 2: Thiết bị chủ gởi địa chỉ của thiết bị tớ cần giao tiế, khi đó tất cả các

thiết bị tớ đều nhận địa chỉ và so sánh với địa chỉ của mình, các thiết bị tớ sau khi
phát hiện không phải địa chỉ của mình thì chờ cho đến khi nào nhận trạng thái START
mới. Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): thì bit
này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo.
Bước 3: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ. Thiết bị tớ nào đúng
địa chỉ thì phát 1 tín hiệu trả lời cho chủ biết.
Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gởi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần đọc dữ liệu,
bit R/W ở trạng thái đọc.
Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ.
Bước 6: Thiết bị chủ chuyển sang trạng thái STOP, bắt đầu lại trạng thái
START, tiến hành gởi địa chỉ của thiết bị và bit R/W bằng 1 để yêu cầu tớ gởi dữ liệu
nội dung ô nhớ của địa chỉ đã nhận.
Bước 7: Thiết bị chủ sau khi nhận sẽ báo tín hiệu trả lời, quá trình này thực hiện
cho đến khi nhận hết dữ liệu mong muốn thì thiết bị chủ tạo tín hiệu STOP để chấm
dứt [7].

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN SPI
SPI là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn

phần full-duplex (hai chiều, hai phía). Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn dây.

Hình 2.4: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn SPI
Đặc điểm: Giao tiếp SPI được thực hiện thông qua BUS 4 dây MISO, MOSI,
SCK, SS
- MISO: thường được kí hiệu là SDO, dùng để truyền dữ liệu ra khỏi module
SPI khi đặt cấu hình là thiết bị tớ và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là thiết bị chủ.
- MOSI: thường được kí hiệu là SDI, dùng để truyền dữ liệu ra khỏi module SPI
khi đặt cấu hình là thiết bị chủ và nhận dữ liệu khi đặt cấu hình là thiết bị tớ.
- SCK: cấp xung đồng bộ để truyền nhận dữ liệu với một thiết bị tớ nào đó.
- SS: cấp tín hiệu chọn ở ngõ ra của module SPI đến một ngoại vi khác nếu cấu
hình là thiết bị chủ và là ngõ vào nhận tín hiệu chọn nếu cấu hình là thiết bị tớ.
Quá trình hoạt động của chuẩn SPI:
Thiết bị chủ tạo tín hiệu đồng hồ SCK và cung cấp cho ngõ vào xung SCK của
thiết bị tớ. Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền
đồng bộ nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến
hoặc đi. Sự tồn tại của xung SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền
của SPI có thể đạt rất cao.
Slave Select (SS) được sử dụng để chọn một thiết bị tớ cụ thể bởi thiết bị
chủ. Nếu thiết bị chủ kéo đường SS của một thiết bị tớ nào đó xuống mức thấp thì
việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa thiết bị chủ và thiết bị tớ đó.
Vì tín hiệu SCK được tạo ra bởi thiết bị chủ, luồng dữ liệu được điều khiển bởi
thiết bị chủ. Với mỗi chu kỳ xung SCK, một bit dữ liệu được truyền từ thiết bị chủ
đến thiết bị tớ và một bit dữ liệu được truyền từ thiết bị tớ đến thiết bị chủ.
Quá trình này xảy ra đồng thời và sau 8 chu kỳ xung SCK, một byte dữ liệu
được truyền theo cả hai hướng [10].
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.4

TRUYỀN DỮ LIỆU CHUẨN 1-WIRE
Là chuẩn giao tiếp không đồng bộ và bán song công (half-duplex). Giao tiếp

này tuân theo mối liên hệ chủ tớ một cách chặt chẽ. Trên một bus có thể gắn 1 hoặc
nhiều thiết bị tớ nhưng chỉ có một thiết bị chủ có thể kết nối đến bus này.

Hình 2.5: Mô hình truyền dữ liệu chuẩn 1-Wire
Đặc điểm: chuẩn giao tiếp này chỉ cần 1 dây để truyền tín hiệu và làm nguồn
nuôi (nếu không tính dây mass).
Quá trình truyền nhận dữ liệu chuẩn 1-wire:
Bốn bước truyền nhận dữ liệu cơ bản của bus 1-wire là reset/presence, gửi bit
1, gửi bit 0, và đọc bit . Thao tác byte như gửi byte và đọc byte dựa trên thao tác từng
bit.
Bước 1: Gửi bit 1 (“Write 1” signal)
Thiết bị chủ kéo bus xuống mức thấp trong khoảng 1 đến 15µs. Sau đó nhả bus
ra cho đến hết phần còn lại của khe thời gian
Bước 2: Gửi bit 0 (“Write 0” signal)
Kéo bus xuống mức thấp trong ít nhất 60µs, và tối đa là 120 µs.
Lưu ý: giữa các lần gửi bit (0 hoặc 1), phải có khoảng thời gian phục hồi bus tối
thiểu 1 µs.
Bước 3: Đọc bit
Thiết bị chủ kéo bus xuống mức thấp từ 0 -15µs. Khi đó thiết bị tớ sẽ giữ bus ở
mức thấp nếu muốn gửi bit 0, nếu muốn gửi bit 1 đơn giản là nhả bus. Bus nên lấy
mẫu 15 µs sau khi bus kéo xuống mức thấp.
Bước 4: Reset/Presence
Thiết bị chủ kéo bus xuống thấp ít nhất 8 khe thời gian (tức là 480 µs) và sau
đó nhả bus. Khoảng thời gian bus ở mức thấp đó gọi là tín hiệu reset. Nếu có thiết bị

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
tớ gắn trên bus nó sẻ trả lời bằng tín hiệu Presence tức là thiết bị tớ sẽ kéo bus xuống
mức thấp trong khoảng thời gian 60µs. Nếu không có tín hiệu Presence, thiết bị chủ
sẽ hiểu rằng không có thiết bị tớ nào trên bus, và các giao tiếp tiếp theo sẽ không thể
diễn ra [11].

Hình 2.6: Dạng sóng quá trình truyền nhận dữ liệu chuẩn 1 -Wire

2.5

PHẦN MỀM ARDUINO

Hình 2.7: Biểu tượng phần mềm Arduino
Phần mềm Arduino cung cấp môi trường lập trình tích hợp mã nguồn mở hỗ trợ
người dùng viết code và tải nó lên bo mạch Arduino. Đây là môi trường đa nền tảng,
hỗ trợ một loạt các bo mạch Arduino cùng rất nhiều tính năng độc đáo. Ứng dụng lập
trình này có giao diện được sắp xếp hợp lý, phù hợp với cả những người dùng chuyên
nghiệp lẫn không chuyên.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Arduino có các chức năng hữu ích như làm nổi bật cú pháp, thụt đầu dòng tự

động... trên giao diện đồ họa được sắp xếp hợp lý. Phần mềm này còn tích hợp các
bộ sưu tập ví dụ mẫu trợ giúp cho những người lần đầu tiên sử dụng cùng với một
mảng thư viện phong phú như EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT, WiFi...
Truy cập vào trang chủ Arduino để tải phần mềm và cài đặt.
Phần mềm được hỗ trợ miễn phí cho người dùng, với bản cập nhật mới nhất là
Arduino 1.8.8. Ở phiên bản mới nhất này thì đã tích hợp cho dòng kit Intel Galileo.

Hình 2.8: Giao diện phần mềm Arduino

2.6

GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.6.1 Bộ xử lý trung tâm - Intel Galileo Gen 2
Việc lựa chọn một dòng vi điều khiển, dòng chip, hay một board mạch nào đó
để làm khối xử lý trung tâm thông thường có rất nhiều lựa chọn, có thể kể ra một số
tên như: Raspberry Pi, các dòng Arduino, Intel Edison, các dòng ARM, các dòng
PIC… Nhưng chúng tôi quyết định chọn kit Intel Galileo Gen 2 vì những nguyên
nhân sau đây:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.9: Mặt trên kit Intel Galileo Gen 2

Hình 2.10: Mặt dưới kit Intel Galileo Gen 2
Intel Galileo Gen 2 là sản phẩm được phổ biến rộng rãi trong giới học sinh, sinh

viên Việt Nam hiện nay. Cải tiến lớn nhất của Gen 2 là việc Intel đã thiết kế lại một
phần board mạch để nâng tốc độ làm việc của các chân giao tiếp lên. Intel Galileo
Gen 2 được trang bị bộ xử lý trung tâm Intel Quark X1000 - SoC với khả năng tiết
kiệm năng lượng vượt trội, đồng thời kit cũng tương thích với chuẩn phần mềm
Arduino là hai ưu điểm lớn nhất giúp người sử dụng có thể làm vô số các ứng dụng
khác nhau: robot, IoT, hệ thống điều khiển tự động,...
Với kích thước nhỏ gọn nhưng bo mạch có Ethernet tích hợp với hỗ trợ Power
Over Ethernet ( PoE ), cổng USB 2.0, khe cắm micrso-SD, khe cắm thẻ mini PCI
Express, 20 ngõ vào/ra kỹ thuật số (trong đó có thể sử dụng 6 ngõ như PWM xuất ra
với độ phân giải 8/12 bit và 6 ngõ vào tương tự với độ phân giải 12 bit), kết nối micro
USB, cổng ICSP, cổng JTAG và 2 nút reset.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

12