Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo các đại lượng không điện sử dụng PSOC và truyền tin với máy tính thông qua USB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HỒNG THỊ TÚ UN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ FPAA
TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hà Nội, 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HỒNG THỊ TÚ UN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ FPAA
TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH ĐO LƯỜNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :
TS.PHẠM THỊ NGỌC YẾN

Hà Nội, 2006

-1Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên tôi xin đợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Quốc
Cờng, ngời đà tận tình chỉ bảo , hớng dẫn , giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận văn .
Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo ở Bộ môn Kỹ thuật Đo và Tin học Công
nghiệp nói riêng và các thầy cô giáo trong Khoa Điện nói chung đà truyền thụ
kiến thức cho tôi trong quá trình học tập dới mái trờng Đại học Bách khoa
Hà nội .
Và tôi cũng xin đợc bày tỏ sự biết ơn đến gia đình và bạn bè những
ngời đà giúp đỡ động viên tôi trong những lúc khó khăn nhất .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


-2Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Lời mở đầu

Trớc sự phát triển mạnh mẽ không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là
trong lĩnh vực bán dẫn chế tạo chip, điều này thật sự ®· gióp ng−êi sư dơng cã
®−ỵc nhiỊu sù lùa chän chip cho thiết kế của mình. Tuy nhiên việc lựa chọn
nh thế nào là phù hợp nhất cho một thiết kế lại là một vấn đề. Trong quá
trình thực hiện luận văn tốt nghiệp với nội dung Nghiên cứu, thiết kế thiết
bị đo các đại lợng không điện sử dụng Psoc và truyền tin USB cho thấy
sự tiện lợi của công nghệ chip tích hợp và chuẩn USB. Trớc đây tôi đà từng
thiết kế các mạch đo sử dụng các chip xử lý(chỉ đơn thuần là một chip xử lý)
và chuẩn truyền thông RS232. Bây giờ trong quá trình thực hiện luận văn tôi

đợc tiếp cận các công nghệ mới khiến tôi vô cùng hứng thú trong việc đi thiết
kế một mạch đo theo hớng hoàn toàn mới mặc dù có đôi lúc bỡ ngỡ. Những
bỡ ngỡ ban đầu thực sự qua rất nhanh một khi đà quen với công nghệ Psoc. Vì
vậy nội dung và công việc chính của luận văn là:
Nghiên cứu công nghệ Psoc qua đó thấy đợc một số u điểm của Psoc
so với các chíp cũ. Để làm rõ điều này trong quá trình thực hiện, tôi có thiết
kế một thiết bị đo nhiệt độ, ®é Èm sư dơng Psoc.
Nghiªn cøu trun tin USB, cơ thể là phơng pháp truyền dữ liệu trong
USB và thiết kế một mạch dùng để truyền số liệu giữa một chip(đợc tích hợp
USB) với máy tính. So sánh kết quả truyền để thấy đợc u điểm của USB.

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


-3Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Chơng 1 ........................................................................................................... 5
đặt vấn đề........................................................................................................ 5
1.1 Một số điểm khái quát về thiết bị đo hiện nay ....................................... 5
1.1.1 Các vấn đề thờng gặp khi thiết kế các thiết bị đo ............................ 5
1.1.2 Xu hớng hiện nay . ........................................................................... 7
1.1.3 Các tính năng của Psoc..................................................................... 10
1.2 Mục tiêu của đề tài . .......................................................................... 11
Chơng 2 ......................................................................................................... 12
Giới thiệu chip Psoc........................................................................................ 12
2.1 Sơ đồ cấu trúc Psoc ............................................................................... 12
2.1.1 Sơ đồ khối chức năng của Psoc ........................................................ 12
2.1.2 Chế độ hoạt động các cổng vào/ra của Psoc..................................... 13
2.1.3 Các khối trong analog block............................................................. 18
2.2 Tần số dao động của Psoc ...................................................................... 21

2.3 Sự tiêu thụ năng lợng của Chip............................................................. 24
Ch−¬ng 3 ......................................................................................................... 27
øng dơng Psoc trong viƯc thiÕt kÕ thiết bị đo ............................................... 27
nhiệtđộ và độ ẩm . ........................................................................................ 27
3.1 Giao tiếp Psoc với cảm biến nhiệt độ ..................................................... 28
3.2 Đo độ ẩm : .............................................................................................. 30
3.3 Kết quả thực hiện.................................................................................... 37
Chơng 4 ......................................................................................................... 41
Sơ lợc về usb................................................................................................. 41
4.1Giới thiệu vÒ chuÈn USB :....................................................................... 41
4.2 Host USB : .............................................................................................. 43
4.3 Quá trình truyền dữ liệu của USB.......................................................... 44
4.4 Mô hình lng d÷ liƯu USB.................................................................... 46
4.5 Bus Topology.......................................................................................... 47
4.5.1 USB host ........................................................................................... 47
4.5.2 Các thiết bị USB ............................................................................... 48
4.5.3 Kiến trúc bus vËt lý .......................................................................... 49
4.6 Lng trun th«ng USB........................................................................ 49
4.7 Các loại truyền dữ liệu Usb .................................................................... 50
4.7.1.Truyền điều khiển :........................................................................... 50
4.7.2. Truyền ngắt :.................................................................................... 51
4.7.3.Truyền đẳng thời .............................................................................. 51
4.7.4. Truyền khối : ................................................................................... 51
4.8 Các tầng giao thức của USB ................................................................... 52
4.8.1Tr−êng ®ång bé : ............................................................................... 52
4.8.2Tr−êng sè khung và trờng số liệu : .................................................. 53

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.

-4Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

4.9 HID ......................................................................................................... 53
4.10 Sơ lợc về hoạt động truyền tin trong USB : ..................................... 61
Chơng 5 ......................................................................................................... 62
Nghiên cứu truyền dữ liệu USB với máy tính............................................... 62
5.1 Một số vấn đề cần chú ý ........................................................................ 62
5.2 Thiết kế mạch giao tiếp USB và máy tính. ............................................. 63
Chơng 6 ......................................................................................................... 66
Chơng trình................................................................................................. 66
6.1 MÃ lệnh chơng trình chính ................................................................... 66
6.2 Các chơng trình hỗ trợ .......................................................................... 68
Kết luận và hớng phát triển ........................................................................... 72

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


-5Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Chơng 1
đặt vấn đề

1.1

Một số điểm khái quát về thiết bị đo hiện nay .
1.1.1 Các vấn đề thờng gặp khi thiết kế các thiết bị đo .
Hiện tại vấn đề đối với các nhà nghiên cứu và các kỹ s thiết kế các

thiết bị đo là các tín hiệu đo và việc xử lý các tín hiệu này ra làm sao để đạt
đợc yêu cầu cao nhất mà chi phí lại rẻ nhất. Do đó vấn đề thờng gặp khi

thiết kế mạch đo là vấn đề xử lý các tín hiệu đo và vấn đề tích hợp. Hiện nay
do sự phát triển của nền công nghiệp bán dẫn đà làm giá của các bộ vi xử lý
giảm xuống tạo cơ hội cho ngời sử dụng có cơ hội lựa chọn một cấu hình
chip hợp lý nhất. Từ trớc đến nay khi thiết kế một mạch đo ta luôn nghĩ ngay
đến một bộ chuyển đổi tơng tự số với số bit phù hợp yêu cầu bài toán để
biến ®ỉi tÝn hiƯu cÇn ®o sang tÝn hiƯu sè, nh− vậy mạch đo ngoài phần xử lý
trung tâm cần thêm một bộ ADC hay một bộ khuyếch đại nữa. Đó cũng là thói
quen khi mà công nghệ bán dẫn cha phát triển nh hiện nay làm cho ngời
thiết kế gặp rất nhiều khó khăn, do các khối cơ bản nh ADC, khuyếch đại và
xử lý luôn tách rời nhau vì. Tuy nhiên đó mới chỉ là một vấn đề hay gặp trong
quá trình thiết kế mạch đo.
Nh vậy ta có thể hình dung ra một mạch đo (là một phần của thiết bị
đo ) gồm có các khối cơ bản nh− sau :

Ngun §øc HiƯp – Cao häc §o l−êng và hệ thống điều khiển.


-6Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

`

Điều khiển

CB

CĐ

CB

CĐ

MUX

ADC

VXL

Điều khiển

Hình 1.1
Mô tả hình 1.1 khối VXL ( vi xử lý ) có nhiệm vụ, chức năng xư lý c¸c tÝn
hiƯu tõ khèi ADC ( sau khi đà đợc biến đổi ) . Ngoài chức năng xử lý sè liƯu
tõ khèi ADC , khèi xư lý trung tâm này còn phải đảm nhận một số nhiệm vụ
khác nh giao tiếp với máy tính, truyền tin , điều khiển các khối khác ( nh
khối dồn kênh ) . Điều này cho ta thấy trong một mạch đo thuộc loại đơn giản
nhất thì cũng phải cần đến ít nhất lµ hai khèi : ADC vµ khèi xư lý trung tâm (
không kể các linh kiện cơ bản khác nh ®iƯn trë , tơ ®iƯn ... ) ngoµi ra ®Ĩ đảm
bảo cho ADC có thể hoạt động , do đó khi thiết kế một mạch đo ngời thiết kế
không chỉ phải chọn các loại linh kiện cho phù hợp mà còn phải quan tâm đến
khâu thiết kế vẽ mạch in sao cho mạch nhỏ gọn nhất .
Xu hớng hiện đại trong khi phát triển các hệ thống nhúng (Embeđed
system ) hay các sản phẩm tơng đối phức tạp , thờng có các khối ngoại vi
nh các bộ khuyếch đai thuật toán (OPAM) bộ lọc (Filter) , các khối biến đổi
số tơng tự và tơng tự số . Khi đó sẽ xuất hiện một số vấn đề nảy sinh nh :
ã Càng nhiều các thành phần thì càng chiếm không gian diện tích do
đó không nhỏ gọn .
ã Tiêu hao công st do ph¶i cung cÊp cho nhiỊu linh kiƯn .

Ngun §øc HiƯp – Cao häc §o l−êng vµ hƯ thèng ®iỊu khiĨn.

-7Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

ã Các vấn đề khi thiết kế mạch in ( độ phức tạp cao hơn , khó kiểm
tra theo dõi và bảo trì )
ã Tốn kinh phí cho các thiết bị ngoại vi .
ã Sai số cho mạch đo do các thiết bị ngoại vi gây nên , dễ bÞ nhiƠu .
…
1.1.2 Xu h−íng hiƯn nay .
Tõ tr−íc tíi nay các nhà thiết kế luôn gặp phải các vấn đề nêu trên
trong quá trình thiết kế mạch đo .
Với sự phát triển không ngừng của Khoa học kỹ thuật tại sao chúng ta
không nghĩ đến một loại chíp đợc tích hợp tất cả các khối ngoại vi nh
ADC, DAC,các bộ khuyếch đại thuật toán Có thể hình dung đó là một
loại chip tiện nghi ngời dùng thích linh kiện gì có thể lấy ra để sử dụng
cho công việc của mình mà không phải lắp thêm một bộ ADC hay một
bộ đếm nào đó .
Nếu có một loại chip có những tính năng nh vậy thì một sơ đồ khối
mạch đo nh hình 1.1 chỉ gói gọn trong một con chip nh hình mô tả 1.2
, nh vậy khi đó ngời sử dụng chỉ cần chip này và các đầu đo ( cảm biến
). Điều này giúp ngời dùng hạn chế đợc những nhợc điểm nêu trên.
Một phần cịng do xu cÇu hiƯn nay cÇn cã mét linh kiện kết hợp tất cả
các thành phần trên lại với nhau . Rất nhiều xu hớng thiết kế gần đây
đang chuyển sang thực hiện Soc(System on chip). Sáng tạo ra Soc với
những đặc điểm kỹ thuật của chúng cho phép ngời thiết kế cuối cùng
tính mềm dẻo để phù hợp víi thiÕt kÕ cđa hä .

Ngun §øc HiƯp – Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.

-8Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Hình 1.2
Do đó trên thị truờng bây giờ có một loại chip giúp ngời thiết kế khắc
phục đợc phần nào các lý do nêu trên . Đó chính là Psoc .Một kiểu mới
của linh kiện lập trình đà đợc phát triển để kết hợp tốt nhất các thành
phần là vi xử lý, khối logic và khối tơng tự. Nó cung cấp sự giải quyết
cân bằng cho nhiều ứng dụng trong thế giới thực.
Vậy chip Psoc là gì ?
Với công nghệ Csoc đợc tích hợp cả Proceesor và bộ nhớ Ram , Flash
cho phép ta lập trình các thuật toán xử lý phức tạp bằng ngôn ngữ C hay Asb .
So với các vi điều khiển nh họ 8051 của Atmel, Pic của Microchip là các
họ có cấu trúc CPU ngoại vi cố định ( fixed digital and analog peripheral) thì
chíp Csoc có khả năng mềm dẻo thích ứng với đa dạng ứng dụng và nhất là
khả năng định dạng cấu hình tạo thành nhiều loại chip khác nhau trên một
chip ở những thời điểm khác nhau trong một ứng dụng

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thèng ®iỊu khiĨn.


-9Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Công nghệ chế tạo chip thông minh trong đo lờng và điều khiển trên
công nghệ Csoc có tính hiệu quả kinh tế nhất là đối với chip Psoc của Cypress
Micro System vì có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tơng tự và số .
Trớc hết ta sẽ tìm hiểu thuật ngữ Psoc : là chữ viết tắt Programble
system on chip là một khái niệm tơng đối mới trong thế giới vi điều khiển .
Bản thân Psoc cũng là một dạng vi điều khiển 8 bit nhng nó có những nét đặc
trng riêng mà các họ vi điều khiển khác không có đợc . Đó là bên trong
Psoc có các khối tơng tự số khả trình . Với các khối này Psoc cho phép ngời

sử dụng thiết lập các thiết bị ngoại vi ngay trong lòng của Psoc . C¸c khèi sè (
digital block ) bao gåm nhiỊu khối lập trình đợc nhỏ hơn cho phép cấu hình
theo yêu cầu ngời sử dụng . Các khối tơng tự dùng để phát triển các phần tử
nh : các bộ lọc , các bộ biến đổi ADC , DAC .
Linh kiện Psoc bao gồm các khối mạch logic và tong tự có thể lập
trình đợc và một lõi vi xử lý. Chúng là những linh kiện có thể lập trình đợc,
ngời thiết kế có thể tuỳ biến cấu hình linh kiện bằng công cụ phát triển trên
máy tính của họ. Những khả năng của chúng đặc biệt thuận lợi trong thị
trờng công nghệ nhúng, khi mà ngời thiết kế thờng phải thiết kế các sản
phẩm kết hợp tất cả các thành phần của hệ thống.
HÃng Cypress đa ra cách lập trình cho Psoc hoàn toàn mới
Hơn nữa phần mềm thiết kế đợc xây dụng trên cơ sở hớng đối tợng
với cấu trúc modun hoá . Mỗi một khối chức năng là một modun mềm . Việc
lập trình cho chip nh thế nào là tuỳ thuộc vào ngời lập trình thông qua th−
viƯn chn . Trªn giao diƯn thiÕt kÕ cã c¸c modun nh− Timer , counter , PWM
, ADC… ng−êi lập trình thiết lập cấu hình đơn giản trên chip chỉ đơn giản
muốn chip có chức năng gì chỉ cần dùng chuột kéo chức năng đó thả vào khối
tài nguyên số hoặc tơng tự Và việc thiết lập ngắt trên chân nào , loại ngắt
nào , các chân có chế độ hoạt động ra sao đều phụ thuộc vào viƯc thiÕt lËp cđa
ng−êi lËp tr×nh khi thiÕt kÕ ( hay định dạng cấu hình cho Psoc ).

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 10 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Với những khả năng cấu hình mạnh mẽ nh trên , một thiết bị đo luờng
có thể đợc gói gọn trong một chip duy nhất . Và đây cũng là lý do mà hÃng
Cypress đà không goi sản phẩm của mình là vi điều khiển nh thông thờng
mà gọi là Psoc device hay thiết bị Psoc và nhà sản xuất hy vọng ngời sử dụng

sẽ có đợc những thiết bị điều khiển , đo lờng giá rẻ , kích thớc nhỏ gọn
có thể thay thế đợc các họ vi điều khiển đà có trớc đây .
Vậy chip Psoc có đủ tốt cho một đề án hay kế hoạch của ngời sử dụng
?
Có lẽ cách tốt nhất để nhận ra giá trị đích thực của Psoc là thông qua việc so
sánh các chức năng :
1.1.3 Các tính năng của Psoc
Ngoài các tính năng giống các họ vi điều khiển khác thì hầu hết các u
điểm của Psoc đợc liệt kê ở dới đây :
1. Bên trong Psoc đợc tích hợp các bộ khuyếch đại đảo và không đảo
điều này rất hiếm gặp trong các họ vi điều khiển hiện nay do việc tích
hợp khá phức tạp(đa phần thờng dùng các bộ khuyếch đại thuật toán
bên ngoài) .
2. MAC ( Mulyply_accumulate ) là một phần thiết yếu của nh÷ng bé xư lý
tÝn hiƯu sè ( bé phËn cho phép thực hiện một cách đầy đủ các thuật toán
xử lý tín hiệu số ) . Điều này thật sự giá trị khi mà hiện nay ( cha
dịch đợc ).
3. Các mà lệnh(code) liên quan đến các khối nh ADC, Counter, Khuyếch
đại đều có sẵn khi đó ngời sử dụng chỉ việc lấy ra điền tiếp một vài
thông số để các khối này có thể hoạt động. Có thể nói một phơng pháp
lập trình rất mới và hay .
4. Các khối nh Timer, Counter, PWM thì linh động và mềm dẻo hơn đa
số các thành phần thực thi .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiÓn.


- 11 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

5. Chức năng điện áp cung cấp thấp (xấp xỉ 1V) là một cải tiến hết sức to

lớn trong hệ thống hoạt động các pin .
6. Đặc biệt trong trờng hợp ứng dụng mà ngời sử dụng cần một dẫy các
thành phần lớn hơn ,Psoc hỗ trợ chức năng chuyển đổi động , cho phép
ngời sử dụng thay đổi trong thời gian chạy mà không cần dừng lại
1.2

Mục tiêu của đề tài .

Rất có thể Psoc cha đáp ứng đợc hết những yêu cầu của ngời thiết kế, tuy
nhiên đà tạo cho ngời dùng một xu hớng mới khi thiết kế một mạch đo. Khi
đó ngời thiết kế không phải chú trọng quá nhiều đến quá trình làm mạch in,
bởi vi các chip tích hợp khi đó đà bao gồm trong nó hầu hết các thành phần
cần thiết cho một mạch đo. Do đó việc vận dụng linh hoạt các tài nguyên có
sắn trong Psoc là điều cần thiết.
Xu hớng ngày nay các thiết bị có khả năng giao tiếp với PC với tốc độ
rất cao (do tốc độ của chíp xử lý đợc nâng lên) vì vậy các phơng pháp
truyền thông nh chuẩn nối tiếp RS232, cổng máy in đà đợc thay thế dần
dần bằng các phơng pháp mới nh USB, Bluetooth. Trong đó phơng pháp
USB đang chiếm u thế trên hầu hết các thiết bị công nghệ cao do đáp ứng
đợc các yêu cầu về tốc độ , sự tiện lợi, khả năng tích hợp trên hầu hết các
thiết bị và đợc hỗ trợ bởi các hệ điều hành.
Trong nội dung của bản luận văn tốt nghiệp sẽ tập trung vào 2 vấn đề
chính :
Nghiên cứu các khả năng tích hợp của Psoc và áp dụng Psoc trong việc
đo các đại lợng không điện. Trong nội dung của luận văn sẽ thực hiện hai
phép đo nhiệt độ và độ ẩm trên cùng 1 chip.
Nghiên cứu chuẩn truyền thông USB và ứng dụng chuẩn truyền thông
này trong việc kết nối thiết bị đo với PC để tận dụng khả năng truyền với tốc
độ cao.

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 12 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Chơng 2
Giới thiệu chip Psoc
2.1 Sơ đồ cấu trúc Psoc
2.1.1 Sơ đồ khối chức năng của Psoc .
Vi điều khiển Psoc đợc thiết kế dựa trên kiến tróc 8 bit CISC . CÊu tróc
chung cđa Psoc víi các khối cơ bản đợc thể hiện ở sơ đồ sau :

Hình 2.1
Khối CPU là phần chính của Psoc có mục đích là thực hiện các lệnh của
chơng trình và điều khiển kiểu workflow các khối khác .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 13 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Khối các tần số ( frequency generator ) dễ dàng tạo ra các tín hiệu cần
thiết cho sự hoạt động của CPU cũng nh là một dẫy các tần số mà đợc sử
dụng bởi các khối khả trình . Những tín hiệu này có thể đợc dựa trên các
nguồn dao động bên trong Psoc hay từ bên ngoài .
Reset controller có khả năng làm cho vi điều khiển bắt đầu các hoạt
động và mang vi điều khiển đến một trạng thái hợp lệ trong trờng hợp có một
vào sự kiện bất thờng xảy ra .
Watchdog timer có tác dụng để phát hiện các lỗi phần mềm ( ở một
câu lệnh nào đó bị lặp đi lặp lại nhiều lần không thoát ra đợc gọi là

dead_loop )
Sleep timer có tác dụng đánh thức timer một cách đều đặn từ chế độ
tiết kiệm năng lợng . Và nó có thể đợc sử dụng nh nh một timer bình
thờng khác .
Các chân vào và ra có khả năng giao tiếp giữa các khối CPU , các khối
khả trình số và tơng tự và các thiết bị bên ngoài .
Khối điện áp chuẩn rất cần thiết cho sự làm việc của các thành phần
tơng tự có ngay bên trong các khối tơng tự khả trình .
2.1.2 Chế độ hoạt động các cổng vào/ra của Psoc.
Một trong các khả năng nổi bật của Psoc đó là các chế độ hoạt động của
các cỉng vµo/ra cđa Psoc. Mét cỉng vµo ra t thc vào yêu cầu của bài toán
có thể thực hiện chức năng này nhng khi sang một ứng dụng khác nó lại có
những chức năng hoàn toàn khác điều này thực sự đem lại điều bất ngờ cho
ngời sử dụng đặc biệt là những ngời có khả năng kết hợp khéo léo các chức
năng này.
Các chân của chip Psoc có khả năng thay đổi chế độ hoạt động tuỳ theo
yêu cầu của ngời sử dụng , các chân của chip Psoc có các chế độ hoạt động
sau :
1. Đầu ra logic có thể cung cấp dòng đến 25mA với các điện trở
Pull up hay Pull down bên trong .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 14 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

2. Thay đổi đợc ngắt trên từng chân ( không quy định cứng
chân nào là ngắt nh họ 89 của Atmel ). Tức là có thể chọn
chân này là ngắt lúc này và lúc khác nó chỉ là các chân vào ra
thông thờng.

3. Các cổng ra tơng tự có thể cung cấp dòng lên đến 40mA.
4. Các chân có chế độ vào ra ba trạng thái (Trigger Schmitt).
5. Có nhiều cổng vào ra đa chức năng trên chip .
C¸c chip Psoc cã cÊu tróc CPU 8 bit dựa trên cấu trúc Harvard ( là cấu
trúc phổ biến hiện nay mà trong đó bus dữ liệu bus địa chỉ và tín hiệu điều
khiển độc lập với nhau )
Các cổng vào ra đa chức năng trong Psoc :
Thế nào là các cổng vào ra đa chức năng : các cổng vào ra đa chức
năng cung cấp cho CPU một giao diện với bên ngoài bao gồm cả tơng tự lẫn
số .
ã Các cổng vào ra đa chức năng có độ rộng là 8 bit / một cổng và mỗi một
cổng này lại bao gồm 8 khối GPIO giống hệt nhau . Mỗi một khối
GPIO đợc sử dụng cho các kiĨu vµo ra nh− sau :
1. Vµo ra sè ( các kiểu vào ra số đợc điều khiển bằng phần
mềm )
2. Vào ra toàn cục
3. Vào ra tơng tự ( cho các khối tơng tự )

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 15 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Hình 2.2
Sơ đồ khối chính của một khối GPIO đợc mô tả nh hình 3.2 . Tuy nhiên
một vài chân không có dủ những chức năng nh trong hình vẽ điều này phụ
thuộc vào kết nối ở bên trong .
Lu ý một số chế độ (trạng thái) chân mà Psoc có ( điều này là rất cần
thiết khi thiÕt kÕ ®Ĩ chän chÕ ®é cho ®óng ) đợc định nghĩa trong các bit
DM2, DM1.DM0.

1. Strong : đợc sư dơng khi ng−êi sư dơng ph¶i nèi trùc tiÕp các
trạng thái trong thanh ghi PRTxDR tới các chân . Sự kết nối này
đợc cung cấp khi các chân đợc sử dụng nh đầu vào .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 16 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Hình 2.3
2. Analog Hi_z : Chế độ này đợc sử dụng ta cần kết nối với các tÝn
hiƯu analog ( nh− bé biÕn ®ỉi AD ) . Trong chế độ này tất cả các
kết nối bên trong giữa thanh ghi PRTxDR và các chân sẽ không
còn đợc duy trì ( không còn đợc kết nối nữa ) vì vậy nó sẽ
không can thiệp vào các giá trị điện áp mang nữa(tức là không có
sự kết nối với đầu vào ra số nữa) .

Hình 2.4
3. Chế độ Pull_up và Pull_down ( các điện trở treo ) : đợc sử dụng
khi ta kết nối các nút bấm hoặc các thiết bị khác mà có yêu cầu
giống nh vậy

những . Các điện trở này dùng để hạn chế các

trạng thái của đầu vào khi các phím bấm không đợc sử dụng .
4. Open drain : Chế độ này đợc sử dụng khi ta cần kết nối một vài
thiết bị trên cùng một đờng , khi đó nó cần phải thêm vào một
điện trở treo lên hay treo xuống . Chế độ này rất thuận tiện khi
đầu ra công suất ở mức thấp còn ở mức cao thì là cực máng bỏ
ngỏ

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thèng ®iỊu khiĨn.


- 17 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Hình 2.5
ã Vào ra toàn cục :
Các cổng vào ra đa chức năng đợc nối liền với các khối số thông qua
các vào ra toàn cục , tuy nhiên tính năng vào ra toàn cục của mỗi cổng đợc
mặc định ở trạng thái tắt . Muôn sử dụng ta cần phải thực hiện một số thao tác
sau :
1. Để cấu hình cho một chân GPIO nh một cổng vào ra toàn cục
thì bit lựa chọn toàn cục phải đợc set để yêu cầu GPIO sử dụng
thanh ghi PRTxGS .
2. Đặt chế độ hoạt động của GPIO về trạng thái cao trở
Khi muốn cấu hình cho GPIO hoạt động nh một đầu ra toàn cục thì bit
lựa chọn toàn cục cần phải set lên lần nữa và khi đó chế độ hoạt động là bất kỳ
ngoại trừ chế độ cao trở .
ã Vào ra tơng tự :
Tín hiệu tơng tự có thể đợc truyền dẫn giữa CPU và chân của
chip thông qua chân Aout của khối . Chân này đợc nối với khối thông qua
một điện trở ( khoảng 300Ohm) . Chân vào ra đa chức năng cần phải đa
vào chế độ cao trở trong trờng hợp này .
LÊy mét vÝ dơ cơ thĨ vỊ chip Psoc CY8C27443 (họ Psoc này
đợc sử dụng trong luận văn) để ta dễ hình dùng về cách bố trí các chân vào ra
tơng tự : Các chân của Port 0 đều là các chân vào hoặc ra tơng tự( hoặc là

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiÓn.

- 18 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

cả hai chế độ vào và ra trên cùng một chân ) cũng nh 4 chân thấp của Port 2
là các đầu vào tơng tự . Tuy nhiên lại có sự khác biệt giữa hai Port này nh
sau : các đầu vào của Port 0 đợc nối đến các khối tơng tự trong Psoc thông
qua các bộ dồn kênh tơng tự , trong khi đó các chân của Port 2 lại đợc nối
trực tiếp khả trình SC . Trong Psoc các đầu ra ( output) có thể đợc nối 4 bộ
đệm ra .
2.1.3 Các khối trong analog block
Các khối analog khả trình đợc tập hợp thành những cột của 3 khối khả
trình . Số lợng các cột nµy phơ thc vµo hä cđa Psoc cã thĨ lµ 1 , 2 hoặc cột
. Từng cột lại có các đầu vào của bộ dồn kênh
Cấu trúc bên trong Psoc : Để có thể hiểu rõ hơn về Psoc ta xét đến cấu trúc
bên trong của Psoc , để tìm hiểu vấn đề này không có gì khó khăn vì phÇn
mỊm Psoc designer cã giao diƯn gióp ng−êi sư dơng có thể nhìn thấy các khối
chức năng bên trong Psoc. Điều này có thể hiểu nh sau các khối tơng tự và
các khối số đợc nằm tách biệt với nhau thành 2 phần tách biệt nhau, mỗi
phần lại đợc nối với nhau tơng tự nh một mạch điện. Giả dụ nếu ngời sử
dụng muốn sử dụng chức năng Counter thì chỉ việc hối chung vào bus của hệ
thống đồng thời cung cấp xung clock Còn trong trờng hợp không muốn sử
dụng ta chỉ cần ngắt bỏ sự nối kết của khối chức năng đấy với hệ thống bus
của chip .

bên trong Psoc đợc hỗ trợ bằng đồ hoạ rất tiện cho việc ghép nối

các khối . Phạm vi ngời sử dụng chỉ cần biết đến cách hoạt động của các
khối và việc ghép nối thế nào cho đúng , đây cũng chính là tính mềm dẻo của
Psoc so với các họ vi điều khiển khác. Còn việc lập trình cho Psoc cũng không
khác các chip

Trớc hết là các khối số khả trình :
Chú ý một điểm : Các bộ phận của khối số nh timer , counter đợc cấy
bên trong các khối khả trình thì không đợc nối trực tiếp tới các chân input và

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 19 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

output . Theo sơ đồ mô tả (hình 2.6 ) nhóm của 4 khối số khả trình cho thấy :
sự kết nối các chân đợc thiết lập bằng cách sử dụng các dây kết nối toàn cục ,
các bộ dồn kênh và các dây của khối khả trính số ( hình vẽ chỉ minh hoạ một
nhóm gồm 4 khối số )

Hình 2.6
Nhận thấy trên sơ đồ có các cột đánh số từ 0 đến 7 là GIO và GIE ở bên trái sơ
đồ , đây chính là các dây nối toàn cục giành cho đầu vào , các dây này thiết
lập sự kết nối giữa các chân và các bộ dồn kênh . Các dây này đợc chia làm
hai nhóm là GIO và GIE , các dây GIO chỉ đợc phép kết nối vào các Port lẻ ,
vÝ dơ nh− GIO_0 chØ cã thĨ nèi tíi ch©n số 0 của các Port lẻ nh P1[0] , P3[0]
và các GIE (giành cho Port chẵn )thì ngợc lại

Hình 2.7

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thèng ®iỊu khiĨn.


- 20 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Và ở phía trên của hình 2.8 ta thấy một loạt các dây khối đầu vào ( Input

Block lines ) , việc kết nối giữa các GIO hay GIE với dây này thông qua một
bộ dồn kênh Mux đợc thể hiện trên hình 3.9 . Bộ dồn kênh này chọn một
trong các dây toàn cục và nối nó với dây mang tín hiệu để dẫn nó tới các khối
số cần đợc nối .

Hình 2.10
Bên trong các khối số khả trình ngới sử dụng có thể thể định cấu hình
cho các thành phần nh : timer , counter , PWM , và các thiết bị cho SPI ,
cổng hồng ngoại và UART . Quá trình thiết đặt và kết nối rất đơn giản để hiểu
nhng trớc hết ngời sử dụng cần phải hiểu hết các chức năng và cách hoạt
động của các thàn phần này . Hâu hết các thành phần nh bộ đếm , PRS và các
bộ phát CRC có thể đợc cất phần trong bất kỳ các khối nào . Mặt khác , các
thành phần truyền thông nh Rx , Tx , và SPI có thể đợc đặt mặt phải của các
khối khả trình .
Số lợng cần thiết các khối mà đợc sử dụng cho các thành phần khi cấu hình
nh sau :
Bảng 2.1 Số bit của các bộ Counter , Timer và PWM
Số lợng các khối Các thành phần
1

Counter 8bit , timer 8 bit , PWM 8

2

Counter 16 , timer 16 , PWM 16 , UART

3

Counter 24 , timer 24 , PWMDB 24

4

Counter 32 , timer 32

Ngun §øc HiƯp – Cao häc §o l−êng và hệ thống điều khiển.


- 21 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

2.2 Tần số dao động của Psoc
Tín hiệu tần số này đợc cần đến cho sự làm việc của các thành phần số . Phụ
thuộc vào tốc độ mong muốn nên có một vài khoảng giành cho sự lựa chọn
này nh sau :
ã Các tín hiệu tần sè néi bé nh− VC1 , VC2 , VC3 , SYSCLKx2 ,
CPU_32.
ã Và tận dụng luôn đầu ra của các khối gần kề làm tần số hoạt động .
ã Các đờng dây quảng bá (Broadcast line) đợc dùng cho các khối muốn
có cùng tốc độ .
ã Input (RI) hay ouput (RO) của các block line .
Các tín hiệu thông dụng la VC1 , VC2 và VC3 bởi vì nó có các giá trị khác
nhau để ngời sử dụng lựa chọn cho thiết kế của mình . Nếu các tần số VC1 ,
VC2 , VC3 không thể cung cấp tần số danh định ( do các khoảng để lựa chọn
tần số là có giới hạn do vậy không thể tần số nào cũng dùng VC1 ,VC2 và
VC3 đợc ) khi đó ta có thể tận dụng các đầu ra của counter , timer hoặc
PWM nh là các tần số thêm vào đợc đặt trớc . Hình vẽ phía dới sẽ chỉ cho
chóng ta biÕt c¸ch nèi mét c¸ch trùc tiÕp tõ một đầu ra của một khối tạo dao
động nh Counter hay PWM tíi mét khèi liỊn kỊ víi nã . Thuận tiện hơn nữa
là nếu tín hiệu này đợc nối ngang qua một vài khối khác , thì việc kết nối sẽ
đựoc thực hiện dây BC .

Hình 2.11

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 22 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

ở hình vẽ trên đầu ra của PWM đợc nối tới dây BC và các khối khác có thể
sử dụng tần số bằng cách nối trục tiếp tới dây BC này .
Tần số phát :
Các tần số này rất cần thiết cho các chức năng của khối CPU , nh là
các khối khả trình . Mỗi tành phần khả trình đơng nhiên luôn có những yêu
cầu về tèc ®é . Do vËy chip Psoc cã mét hƯ thống phát ra các tín hiệu tần số
khác nhau và việc này đợc thực hiện bằng cách chọn cáckhối đồ hoạ với
thông số thích hợp . So đồ dới sẽ chØ cho ta thÊy hai hƯ thèng ®éc lËp víi
nhau cho việc phát ra những tín hiệu nh SYSCLK và SYSCLK 32k .
ã Trong đó SYSCLK là tín hiệu xung nhịp chính bên trong chip Psoc với
tốc độ là 24Mhz . Nó đợc sử dụng để làm chuẩn cho các hầu hết các
tín hiệu khác .
ã SYSSCLKx2 là tín hiệu xung nhịp có gái trị gấp đôi tín hiệu SYSCLK .
ã 24V1 là tín hiệu nhận đợc bằng cách chia tần số SYSCLK với thông số
cho trớc là N1 ( có giá trị từ 1 ữ 16 ) . Nh vậy 24V1 = SYSCLK/N1
và có giá trị nhỏ nhất là 1.5Mhz (víi N1 = 16 ) vµ lín nhÊt 24Mhz (với
N1 = 1) .
ã 24V2 lại là tín hiệu có đợc bằng cách chia tần số 24Mhz với các giá trị
là N1*N2 ( N1 , N2 đều trong khoảng 1 ữ 16) . Nh vậy 24V2 =
SYSCLK/N1N2 và có giá trị trong khoảng từ 93.75khz đến 24Mhz( N1
= N2 =1).
ã 24V3 là tín hiệu có đợc bằng cách chia các tÝn hiƯu tÇn sè sau : 24V1 ,
24V2 , SYSCLK , SYSCLKx2 víi sè bÞ chia N (N ∈ [1…256] )

ã CPU_CLK đợc sử dụng nh một khối tần số CPU và có ảnh hởng
trực tiếp tới tốc độ thực hiện các câu lệnh . CPU_CLK có 8 tần số bất
kỳ trong khoảng 93.75Khz đến 24Mhz .

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.


- 23 Luận văn Thạc sỹ ngành Đo Lờng và hệ thống điều khiển

Sự lựa chọn tần số 24V1 , 24V2 , 24V3 và CPU_CLK đợc thực hiện
rất là dễ dàng bằng cách đặt các thông số thích hợp trong quá trình
Device Editor ( đặt cấu hình hoạt động cho chip ) hoặc trong suốt quá
trình chạy bằn việc lựa chän 3 bit thÊp cđa thanh ghi OSCCR0 .
• CLK32K là một tín hiệu chậm với tần số là 32K , nó có thể đợc sử
dụng nh các programmble component input . Tần số này cũng đợc sử
dụng trong chế độ sleep timer khi đó các tần số SYSCLK khác sẽ không
hoạt động .

Hình 2.12 Mô tả các tín hiệu bên trong Psoc.
Các nguồn tín hiệu dùng cho quá trình hoạt động của Psoc đợc mô tả trên
hình 2.12.
Tín hiệu SYSCLK có thể đạt đợc bằng cách sử dụng bộ dao động chính bên
trong chip ( Internal Main Oscillator _IMO) . Và tín hiệu CLK32k có thể đạt

Nguyễn Đức Hiệp Cao học Đo lờng và hệ thống điều khiển.