Nội Dung Chính
(Trang 127)
CHƯƠNG IX. VI ĐIỀU KHIỂN
• Khái quát về vi điều khiển
• Bo mạch lập trình vi điều khiển
• Thực hành: Thiết kế, lắp ráp, kiểm tra mạch tự động điều chỉnh cường độ sáng của LED theo môi trường xung quanh
(Trang 128)
BÀI 24. KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN
Sau khi học xong bài này, em sẽ:
• Trình bày được khái niệm, phân loại và ứng dụng của vi điều khiển.
• Vẽ và giải thích được sơ đồ chức năng của vi điều khiển.
Hình 24.1
Bên trong khóa cửa thông minh (Hình 24.1) có một vi điều khiển. Theo em, vi điều khiển đóng vai trò gì trong khóa thông minh này?
I. GIỚI THIỆU
1. Khái niệm về vi điều khiển
Khám phá
Vi điều khiển được coi là một máy tính thu nhỏ trong một mạch tích hợp. Quan sát Hình 24.2 và cho biết những thành phần nào của máy tính cá nhân được thu nhỏ vào vi điều khiển? Những thành phần nào không được thu nhỏ vào vi điều khiển?
Vi điều khiển: Bộ nhớ ROM; Bộ nhớ RAM; Bộ xử lí trung tâm (CPU); Bộ điều khiển vào/ra
a) Các thành phần cơ bản của vi điều khiển
(Trang 129)
Vi điều khiển là một mạch tích hợp (IC) có thể lập trình để thực hiện các chức năng tính toán và điều khiển cho một mục đích sử dụng cụ thể.
Loa; Màn hình; Bàn phím; Con chuột; Thùng máy: Bộ nhớ ROM; Bộ xử lí trung tâm (CPU); Bộ nhớ RAM; Bộ điều khiển vào/ra; Bộ giao tiếp mạng; Ổ cứng
b) Các thành phần cơ bản của máy tính cá nhân
Hình 24.2. Cấu tạo của vi điều khiển và máy tính cá nhân
Vi điều khiển là một mạch tích hợp (IC) có thể lập trình để thực hiện các chức năng tính toán và điều khiển các thiết bị cho mục đích sử dụng cụ thể.
So với các IC thông thường, vi điều khiển cho phép triển khai các giải pháp linh hoạt hơn thông qua lập trình. Ví dụ, để thay đổi chu kì đếm của đèn LED điều khiển giao thông trên Hình 24.3, ta sẽ phải thay IC mới nếu sử dụng IC đếm ngược thông thường, trong khi vẫn có thể tái sử dụng vi điều khiển cũ, chỉ cần viết và nạp lại chương trình.
Hình 24.3. Đèn LED đếm ngược điều khiển giao thông
Khác với máy tính truyền thống có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau như soạn thảo văn bản, truy cập internet, nghe nhạc, hay xem phim,... vi điều khiển được thiết kế tối giản cho một mục đích sử dụng cụ thể, chủ yếu là đảm nhiệm chức năng đo lường và điều khiển trong một hệ thống.
i+ Thông tin bổ sung
Vi điều khiển thường được tích hợp vào bên trong thiết bị chủ, khi đó chúng còn được gọi là các máy tính nhúng. Bên trong một thiết bị có thể tích hợp nhiều vi điều khiển khác nhau, ví dụ một chiếc ô tô hiện đại có thể sử dụng các vi điều khiển riêng để kiểm soát quá trình phun xăng vào động cơ, chống bó cứng phanh (ABS), điều hòa nhiệt độ,...
2. Ứng dụng của vi điều khiển
Vi điều khiển có mặt trong hầu hết máy móc, thiết bị hiện đại quanh ta, trong các lĩnh vực giao thông vận tải, y tế, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thông tin liên lạc,... Cụ thể, vi điều khiển được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông (thiết bị phun xăng điện tử, thiết bị giám sát hành trình), thiết bị y tế (nhiệt kế điện tử, máy đo huyết áp điện
(Trang 130)
tử, máy siêu âm, máy chụp X-quang, máy chụp cộng hưởng từ), máy công nghiệp (máy CNC, tay máy robot, dây chuyền sản xuất tự động), công cụ nông nghiệp (nhà màng, nhà kính, lò ấp trứng), thiết bị viễn thông (điện thoại di động, bộ thu phát wifi, trung tâm dữ liệu).
Luyện tập
Hãy chỉ ra một ứng dụng của vi điều khiển trong thiết bị điện gia dụng.
3. Phân loại vi điều khiển
Có rất nhiều cách để phân loại vi điều khiển, thông thường người ta sử dụng hai cách phân loại chính sau đây:
- Theo độ rộng dữ liệu mà vi điều khiển có thể xử lí tính theo đơn vị bit, ví dụ: vi điều khiển 8 bit, vi điều khiển 16 bit, vi điều khiển 32 bit,...
- Theo họ vi điều khiển, ví dụ vi điều khiển họ 8051, vi điều khiển họ PIC, vi điều khiển họ AVR,...
Kết nối năng lực
Một bo mạch Arduino Uno R3 sử dụng vi đều khiển ATmega328P. Hãy tìm hiểu xem vi điều khiển này thuộc loại nào theo hai cách phân loại phổ biến phía trên.
II. SƠ ĐỒ CHỨC NĂNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN
1. Sơ đồ chức năng
Khám phá
Hình 24.4 minh hoạ quá trình hoạt động của một khoá thông minh. Theo em, vi điều khiển cần có những khối chức năng nào để thực hiện hoạt động này?
Cảm biến vân tay → Tiếp nhận dữ liệu → Xử lí dữ liệu → Tín hiệu ra → Cơ cấu chấp hành
↓
Dữ liệu vân tay đã lưu
Hình 24.4. Hoạt động của một khoá thông minh
Một vi điều khiển thường có cấu tạo gồm bốn khối chức năng cơ bản: khối đầu vào, khối đầu ra, bộ xử lí trung tâm và bộ nhớ. Tín hiệu mang dữ liệu và thông tin trao đổi giữa các khối được truyền trên các đường bus theo sơ đồ Hình 24.5.
(Trang 131)
Tín hiệu đầu vào ⇒ Đầu vào ⇒ Dữ liệu ⇒ Bộ xử lí trung tâm ⇒ Dữ liệu ⇒ Đầu ra ⇒ Tín hiệu đầu ra
Dữ liệu⇓
Bộ nhớ
Hình 24.5. Sơ đồ chức năng của vi điều khiển
2. Vai trò của các khối chức năng
a) Bộ xử lí trung tâm
Mọi thao tác tính toán và điều khiển của vi điều khiển đều được thực hiện tại bộ xử lí trung tâm (Central Processing Unit - CPU), vì thế vai trò của CPU trong vi điều khiển, tương tự như não bộ đối với cơ thể người.
Về cơ bản, các tính toán mà CPU đảm nhiệm gồm có các phép tính số học (cộng, trừ, nhân, chia,...) và logic (AND, OR, XOR, NOT,...); cũng như đọc dữ liệu bên ngoài vào CPU và chuyển dữ liệu từ CPU ra ngoài. Tất cả các hoạt động này phải được đồng bộ chính xác theo xung nhịp của một đồng hồ. Tần số xung càng cao thì tốc độ xử lí của CPU nhanh.
b) Bộ nhớ
Bộ nhớ dùng để lưu trữ mọi dữ liệu của vi điều khiển, bao gồm câu lệnh và số liệu. Dữ liệu trên bộ nhớ được tổ chức thành các đơn vị cơ bản (thường theo byte), mỗi đơn vị có địa chỉ cố định.
Vi điều khiển thường được trang bị hai loại bộ nhớ:
- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM): là loại bộ nhớ mà dữ liệu không bị mất khi vi điều khiển bị ngắt khỏi nguồn điện, do đó thường dùng để lưu câu lệnh. Đa số các vi điều khiển hiện nay sử dụng loại ROM cho phép xóa và ghi lại dữ liệu bằng tín hiệu điện gọi là EEPROM.
- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM): là loại bộ nhớ mà dữ liệu sẽ bị mất khi i điều khiển bị tắt nguồn nuôi và thường được dùng để lưu các dữ liệu tạm thời. So với bộ nhớ ROM, tốc độ bộ nhớ RAM nhanh hơn đáng kể.
Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ bao gồm hai hoạt động cơ bản là đọc dữ liệu và ghi dữ liệu như minh họa trên Hình 24.6.
CPU; d; Địa chỉ (6; 4; 2; 0); Bộ nhớ (d; c; b; a)
a) Đọc: Dữ liệu "d" được truyền từ địa chỉ 6 trong bộ nhớ vào CPU
CPU; e; Địa chỉ (6; 4; 2; 0); Bộ nhớ (d; c; e; a)
b) Ghi: Dữ liệu "e" từ CPU được ghi vào địa chỉ 2 trong bộ nhớ
Hình 24.6. Trao đổi dữ liệu giữa CPU và bộ nhớ
(Trang 132)
c) Khối đầu vào và khối đầu ra
Hai khối chức năng đầu vào và đầu ra thường được gộp chung thành khối vào ra (I/O), đảm nhận nhiệm vụ ghép nối vi điều khiển với các thiết bị ngoại vi thông qua các cổng vào ra.
Giống như bộ nhớ, mỗi cổng vào/ra cũng được gắn với một địa chỉ cố định. Thông thường, các cổng tại mỗi khối vào/ra lại được chia thành hai loại là cổng số và cổng tương tự để ghép nối các thiết bị ngoại vi tương ứng.
| Vi điều khiển |
|
| Cổng vào ← Cổng ra → | Thiết bị ngoại vi |
Hình 24.7. Đọc và ghi dữ liệu giữa CPU và thiết bị ngoại vi
Luyện tập
Một vi điều khiển được dùng để điều khiển một LED nhấp nháy theo chu kì thay đổi. Hãy cho biết LED cần được kết nối với cổng vào hay cổng ra của vi điều khiển.
i+ Thông tin bổ sung
Các khối chức năng được kết nối với nhau qua các đường bus, được chia thành ba loại sau:
- Bus dữ liệu: truyền tín hiệu mang dữ liệu và thông tin giữa các khối.
- Bus địa chỉ: truyền tín hiệu mang địa chỉ mà CPU cần truy cập đến bộ nhớ hay I/O.
- Bus điều khiển: truyền các tín hiệu mà CPU dùng để điều khiển bộ nhớ hay I/O, ví dụ tín hiệu cho các khối liên quan biết CPU muốn đọc hay ghi dữ liệu.
Về mặt vật lí, bus là một tập hợp của nhiều dây dẫn, mỗi dây có khả năng truyền 1 bit dữ liệu. Vì vậy, số lượng dây dẫn trong bus dữ liệu chính là độ rộng dữ liệu mà CPU có thể xử lí, còn số lượng dây dẫn trong bus địa chỉ cho biết dung lượng bộ nhớ tối đa mà vi điều khiển có thể quản lí.
Vận dụng
Một vi điều khiển có CPU hoạt động ở tần số 1MHz.
1. Một xung nhịp của CPU có chu kì bao nhiêu giây?
2. Biết vi điều khiển cần 100 xung nhịp để hoàn thành một câu lệnh, tính thời gian cần thiết để thực hiện câu lệnh.
3. Biết vi điều khiển được lập trình để điều khiển bật và tắt LED thông qua hai câu lệnh khác nhau, tính tần số nhấp nháy tối đa của LED.
Các Bài Học Khác
Bình Luận
Để Lại Bình Luận Của Bạn