GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 12 I.Định nghĩa về hệ thống định vị toàn cầu
Định nghĩa
Hệ thống định vị toàn cầu ( Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.
Các thành phần chính của GPS
Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người sử dụng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển
Hình 1.1 Các thành phần chính của GPS
1.Bộ phận người sử dụng
Bộ phận người sử dụng là người sử dụng và GPS ghi nhận GPS ghi nhận là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt Nó được thiết kế để nghe tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó GPS ghi nhận có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau
Tính chất và giá cả của GPS ghi nhận nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.
Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền thời gian và vị trí tới người sử dụng Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”.
Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát và điều khiển các vệ tinh Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quan trọng của hệ thống Bộ phận điều khiển NAVSTAR, được gọi là hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm các trạm giám sát, một trạm điều khiển chính (master control station (MCS)) và anten quay.
Các trạm giám thụ động không nhiều hơn GPS nhận mà đường bay của các vệ tinh được nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh Có 5 trạm giám sát thụ động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để xử lý.
Trạm MCS dược toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý Air Force's 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS) Trạm MCS nhận dữ liệu từ trạm giám sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết bi trục trặc Thông tin về tàu thuỷ di chuyển và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hai lần/ngày.
Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vô tuyến band S.
Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS duy trì 24 giờ hệ thống bản tin điện tử với tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng Công dân liên lạc cho vấn đề này với The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN).
Giới thiệu các hệ thống định vị toàn cầu
II.1.Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ
-Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
- Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994.
- Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
- Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng 7 m².
* Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
Hệ thống NAVSTAR gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay Các vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng 55 độ và với thời gian 12 giờ/quỹ đạo Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu 5 vệ tinh sẽ được người sử dụng nhìn thấy bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn
Mỗi vệ tinh truyền trên 2 band tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2 có tần số 1227.6 MHz Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định; tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng L1 mang mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 chỉ mang mã P (P code)
Thông tin dữ liệu hàng hải được thêm các mã này Thông tin dữ liệu hàng hải giống nhau được mang cả 2 band tần số Mã P thì thường được mã hoá vì thế chỉ mã C/A thì có sẵn đến người sử dụng bình thường; tuy nhiên, một vài thông tin có thể nhận được từ mã P Khi mã hoá, mã P được hiểu như mã Y Mỗi vệ tinh có 2 số nhận dạng Đầu tiên là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh đặc biệt. Thứ hai là số sv (the space vehicle (sv) number) Số này được ấn định để ra lệch phóng vệ tinh Thứ ba là số mã tiếng âm thanh (the pseudo-random noise-PRN). Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử dụng để mã tín hiệu từ các vệ tinh đó Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng đang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa. Độ phủ sóng của NAVSTAR
Hình 1.2 Độ phủ sóng của NAVSTAR
II.2.Hệ thống định vị toàn cầu của Nga
-Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1982
- Được đưa vào sử dụng vào năm 1993
Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ đạo bay gồm 3 quỹ đạo Các vệ tinh hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 độ và 11 giờ 15 phút/ quỹ đạo Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số
L (two L frequency groups) Nhóm L1 là tâm ở tần số 1609 MHz trong khi nhóm L2 được đăng ký ở tần số 1251MHz Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp tần số duy nhất Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) Mã P được mã hoá cho quân đội sử dụng trong khi đó mã C/A thì có sẵn cho công dân sử dụng. Độ phủ sóng của GLONASS
Hình 1.3 Độ phủ sóng của GLONASS
II.3.Hệ thống định vị toàn cầu của Châu Âu tương lai
Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu.
Hệ thống định vị Galileo được đặt theo tên của nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ những đóng góp của ông.
1.Thông số của hệ thống
- 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng)
- Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)
- Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ
- Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm
- Trọng lượng vệ tinh: 675 kg
- Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế)
Bốn dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bởi Galileo:
- Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng Người dùng có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là 15 m và 35 m, tương đương vớiGPS hiện thời
- Dịch vụ trả tiền (commercial service): giành cho các đối tượng cần có độ chính xác < 1 m với một khoản phí nhất định Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông qua tần số thứ 3 (E6)
- Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): giành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng
- Dịch vụ công cộng (public regulated service): giành riêng cho chính phủ và quân đội của các nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao.
2 Các giai đoạn của dự án
2.1.Lên kế hoạch và thử nghiệm
Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã chi khoảng 100 triệu euro cho việc lên kế hoạch, thành lập dự án Với tổng chi phí khoảng 1,5 tỉ euro từ EUvà ESA dành cho việc phóng và đưa vào hoạt động thử nghiệm hai vệ tinh cùng với trạm thu vào tháng 1, 2006.
- Kí hiệu: GIOVE-A (tiếng Ý: Jupiter, Galileo In-Orbit Validation Element), hay GSTB-V2A (Galileo System Test Bed)
- Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium
- Kí hiệu: GIOVE-B hay GSTB-V2B
- Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium và Hiđrô
2.2.Hoàn thành và đưa vào hoạt động Đến năm 2010 toàn bộ hệ thống sẽ được hoàn thành: 30 vệ tinh Galileo và các trung tâm điều khiển tại mặt đất, 2 trung tâm chính tạiOberpfaffenhofen (Đức) và Fucino (Ý), 1 dự bị tại Tây Ban Nha Chi phí cho giai đoạn này khoảng 3 tỉ euro.
Ngoài các nước thuộc khối Liên minh châu Âu (EU), còn có sự tham gia của các nước khác từ nhiều châu lục như Trung Quốc, Ấn Độ, Israel, Na Uy, Brasil, Chile, Úc,
Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu
Các nhà khoa học dựa vào tính năng chính xác của GPS để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện, đường dây tải điện, quản lý các tuyến xe… Các xe hơi hiện nay đều có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường (Navigation).
Qua đó, các thông tin về vị trí, tọa độ của xe sẽ được hiển thị ngay trên màn hình, người lái có thể chủ động tìm kiếm và thay đổi lộ trình phù hợp trong thời gian ngắn nhất Một ứng dụng nữa của GPS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GPS Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây.
Ví dụ như với TP Hồ Chí Minh, việc ứng dụng GPS trong việc quản lý các tuyến xe buýt hiện nay đang được triển khai Cơ sở hạ tầng đã được xây dựng hoàn chỉnh, các doanh nghiệp vận tải chỉ cần trang bị các đầu thu (giá khoảng 30 - 60 USD/đầu thu) cho mỗi xe để quản lý phương tiện của mình.
Tình trạng xe buýt bỏ trạm, chạy quá tốc độ, đi sai tuyến hay bất cứ thái độ nào của nhân viên cũng được phát hiện dễ dàng bằng cách nắm bắt tọa độ của từng xe, qua đó kiểm tra hộp đen lưu trữ thông tin (Black Box).
Chất lượng phục vụ trên xe buýt qua đó sẽ ngày càng hiệu quả hơn, thu hút người dân sử dụng phương tiện vận chuyển công cộng, giảm bớt tiền trợ giá hàng năm cho các phương tiện vận chuyển hành khách công cộng.
Chúng ta có thể liệt kê ra các loại vũ khí sử dụng hệ thống định vị:
- Tên lủa không đối đất
- Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT của Nga
- Và được sử dụng nhiều trong các tàu chiến tàu ngầm…
Module thu GPS GPM 1315
GPM 1315 nhận GPS là một modunle khởi đầu của Ginwave Kích thước của nó bé nên được sử dụng rộng rãi
Ví dụ: điện thoại di động PND , thiết bị PDA, vvv Điều này bằng cách sử dụng mô-đun thứ ba thế hệ chip SiRF thiết kế, hiệu suất tuyệt vời, ngay cả trong trường hợp xấu nhất, vẫn còn có khả năng rất thấp, điện năng tiêu thụ và một khoảng thời gian ngắn để sửa chữa Mô đun cung cấp tín hiệu đầy đủ xử lý từ anten đến dữ liệu tuần tự được gủi ra mọi NMEA thông báo hay trong biểu thức nhị phân SiRF
Mô đun yêu cầu hai sự cung cấp năng lượng khác VDD(3.0 ~3.3VDC) (Cho) những phần và vào/ra số, VDD_RTC(1.8 ~ 4.2 VDC)
Những giao diện mô đun tới ứng dụng (của) khách hàng qua hai tuần tự, hai cổng,hai tín hiệu điều khiển, tín hiệu đồng bộ PPS và GPIO tín hiệu lập trình được. Tất cả những cổng là CMOS thích hợp
Hình1.4 Sơ đồ mô-đun
IV.2 Thuộc tính kỹ thuật
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật
Tất cả dữ liệu đặt được trong điều kiện tìm kiếm
-Tính nhạy cảm thu nhận : -143dBm
-Tính nhạy cảm dẫn đường: -158dBm
-Theo dõi tính nhảy cảm: -158dBm
- Nhiệt độ hoạt động -30C đến 80
- Nhiệt độ cất giữ : -40 đến 85
IV.3 Giao diện phần cứng
1 Cấu hình các đầu nối
Mô đun hộ trợ anten tích cực nhưng cũng bị động Những anten tích cực thường được sử dụng trong những máy điện thoại di động và các nhà môi trường. Để tốt hơn khi sử dụng, những anten tích cực được khuyến cáo để được sử dụng
3 LNA (Mo đun có tiếng ồn thấp)
Tiếng ồn thấp : TYP NF = 0.8 dB @ 1575 MHz
Lợi ích cao : TYP GP = 20 dB @ 1575 MHz
Tiêu thụ hiện thời thấp : TYP ICC = 3.8 mA @ VCC = 2.85 V
Mô đun yêu cầu hai sự cung cấp năng lượng khác VDD(3.0 ~ 3.3VDCcho bộ phận kỹ thuật số và, VDD_RTC(1.8 ~ 4.2 VDC) cho bộ nhớ sao lưu khối
RF khối có quy định nội bộ 1,5 V và 2,85 V cung cấp VDD có thể được tắt khi chuyển hướng không phải là cần thiết, nhưng nếu có thể giữ lại hoạt động cung cấp VDD_RTC tất cả các hoạt động thời gian để giữ cho không bay hơi RTC & bộ nhớ RAM cho các hoạt động nhanh nhất có thể TTFF.
Việc thiết lập lại hoạt động đầu vào thấp Nó yêu cầu thời gian khởi động lại là 280ms
Năng lượng của môđun lên trên, tín hiệu này cần phải ở lại nhỏ cho đến khi năng lương ổn định Việc xử lý sau khi khởi động thấp đến cao, chuyển đổi phụ thuộc vào xử lý của các tín hiệu khởi động Việc thiết lập lại dữ liệu vào chứa một nội detector điện áp lực để thiết lập lại khi VDD là bên dưới 2,7 V trong khi điện năng lên.
-Pin được sử dụng để tải về chương trình.
-Pin cao khi các chương trình sẽ được tải về.
Nếu chọn khởi động cao, sau đó là các mô-đun sẽ khởi động từ cổng nối tiếp.
Và nếu việc khởi động lựa chọn là thấp sau đó các mô-đun sẽ bắt đầu thực hiện từ trên bảng đèn flash.
Những mô-đun hỗ trợ giao tiếp UART qua UART 0 và UART 1 Những cổng nối tiếp có CMOS tương thích Khi cần RS232 cấp, sử dụng một công cụ chuyển đổi cấp bên ngoài
8 VDD_ RTC Đây là nguồn ắc quy dự phòng được nhập vào những năng lượng SRAM và RTC khi năng lượng chính loại bỏ Nếu không có một nguồn pin sao lưu ngoài, TMP sẽ thực hiện một sự khởi động lạnh sau mỗi khi đóng nguồn điện Để đạt được khởi động lên nhanh hơn cần cung cấp bởi một nguồn pin dự phòng Để tối đa hóa tuổi thọ pin, pin điện áp, không nên vượt quá cung cấp điện áp và cần được giữa 1.8V và 4.2V.Khi hệ thống hỗ trợ tắt, pin chỉ tiêu thụ 10uA điển hình.
Các pin18 GPIO được sử dụng để dẫn đến một dirve cho biết các vị trí cố định gps
9 Kích thước và sự đánh số
Hình 1.7.Kích thước module GPS
Hình 1.8 Sơ đồ chân module GPS
Hình 1 9 Sơ đồ bố trí chân
IV.4.Phần mềm giao diện
Những mô-đun hỗ trợ NMEA (0183) và các giao thức SiRF nhị phân Ở đây mô tả một số thường được sử dụng đầu vào và đầu ra các tin nhắn.
Khách hàng có thể tùy chỉnh các NEMA số lượng tin nhắn và tốc độ Như chỉ cần RMC sản xuất Đối với mô tả chi tiết, xin vui lòng tham khảo các tài liệu được liệt kê trong bảng dưới đây.
IV.5.Mạch ứng dụng tiêu biểu
Bảng 1.2 Ăng ten Các khách hàng có thể sử dụng một ăng-ten GPS hoạt động bên ngoài cho các ví dụ như trong điện thoại di động hoặc sử dụng trong nhà.
Tham khảo các dữ liệu
TÌM HIỂU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN AVR
Giới thiệu chung về vi điều khiển AVR
AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc.Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi
+) Tính năng mới của họ AVR:
- Giao diện SPI đồng bộ
- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được
- Bộ biến đổi ADC 10 bit
- Các kênh băm xung PWM
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv
- Một bộ định thời Watchdog
Tìm hiểu về Atmega162
ATmega162 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega162 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).
Dưới đây là sơ đồ khối của Atmega162
Hình 2.1.Sơ đồ cấu trúc ATmega162 ATmega162 có các đặc điểm sau:
-16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi,
-512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM,
-32 thanh ghi chức năng chung,
-3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại,
-Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI
-Khối truyền nhận nối tiếp SPI
ATmega 162 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử nghiêm
II.2.Cấu trúc nhân AVR
CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt
Hình 2.2.Sơ đồ cấu trúc CPU của ATmega162
AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash.
ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung Các phép toán được thực hiện trong một chu kỳ xung clock Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số, logic và theo bit.
3.Thanh ghi trạng thái Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số học và logic.
Hình 2.3 Thanh ghi trạng thái SREG
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)
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 trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.)
4.Các thanh ghi chức năng chung
Hình 2.4 Thanh ghi chức năng chung
5.Con trỏ ngăn xếp (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
Hình 2.5 Thanh ghi con trỏ ngăn xếp
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 hoặc bằng 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi.
Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn xàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ:Khi bộ truyền nhận UART nhận được một byte nó sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC,hợc khi nó đã truyền được một byte thì cờ TX được thiết lập…
Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó trỏ tới vector phuc vụ ngắt và thức hiện chương trình phục vụ ngắt đó chơ tới khi gặp lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực hiện chương trình mà trước khi có ngăt nó đang thực hiện Trong trường hợp mà có nhiều ngắt yêu cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần lượt các ngắt theo mức ưu tiên Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ xảy ra hai trường hợp Trường hớp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được phục vụ Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua.
Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên Để truy nhập vào SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ :SPL :0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH:0x3E/0x5E
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 lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi
II.3.Cấu trúc bộ nhớ
AVR có 2 không gian bộ nhớ chính là bộ nhớ dữ liệu vào bộ nhớ chương trình. Ngoài ra ATmega16 còn có thêm bộ nhớ EEPROM để lưu trữ dữ liệu.
1 Bộ nhớ chương trình (Bộ nhớ Flash)
Bộ nhớ Flash 16KB của ATmega162dùng để lưu trữ chương trình Do các lệnh của AVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo kiểu 8KX16 Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành cho chương trình boot và phần dành cho chương trình ứng dụng.
Hình 2.6 Bản đồ bộ nhớ chương trình
2.Bộ nhớ dữ liệu SRAM
1120 ô nhớ của bộ nhớ dữ liệu định địa chỉ cho file thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ dữ liệu SRAM nội Trong đó 32 ô nhớ đầu tiên định địa chỉ cho file thanh ghi , 64 ô nhớ bộ nhớ I/O,160 ô nhớ mở rộng cho bộ nhớ I/O và 1024 ô nhớ tiếp theo định địa chỉ cho bộ nhớ SRAM nội.
Hình 2.7 Bản đồ bộ nhớ dữ liệu SRAM
3.Bộ nhớ dữ liệu EEPROM
ATmega162 chứa bộ nhớ dữ liệu EEPROM dung lượng 512 byte, và được sắp xếp theo từng byte, cho phép các thao tác đọc/ghi từng byte một.
II.4.Các cổng vào ra (I/O)
THIẾT KẾ MODULE THU GPS
Sơ đồ khối
Hình 3.1 Sơ đồ các khối Chức năng của các khối
-Module GPS thu tín hiệu từ vệ tinh qua ăng ten
-Atmega162 xử lý các tín hiệu nhận được từ module GPS để đưa kết quả ra LCD hoặc
-LCD để hiện thị tọa độ
-RS232 giao tiếp với máy tính để từ máy tính ta có thể lấy các thông tin về tọa độ từ con Atmega162
Các linh kiện sử dụng trong module
1.Hình dáng và kích thước
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình là loại LCD thông dụng
Hình 3.2 Hình dáng LCD Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên như hình sau
VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
Vee Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD.
RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (low-to-high transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7 + Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7 Chi tiết sử dụng 2 giao thức này được đề cập ở phần sau.
* Ghi chú : Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chân DBx
Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua các chân DBx
3.Sơ đồ khối của LCD HD44780 Để hiểu rõ hơn chức năng các chân và hoạt động của chúng, ta tìm hiểu sơ qua chíp HD44780 thông qua các khối cơ bản của nó
Hình 3.4 Sơ đồ khối của HD44780
Chíp HD44780 có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng : Thanh ghi lệnh IR (Instructor Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)
- Thanh ghi IR : Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus DB0-DB7 Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chíp HD44780 sẽ tra bảng mã lệnh tại địa chỉ mà
IR cung cấp và thực hiện lệnh đó
-Thanh ghi DR : Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gởi ra cho MPU (ở chế độ đọc) Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này vào DDRAM hoặc CGRAM Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ được chuyển ra DR để truyền cho MPU
-Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữ 2 thanh ghi này tỏng khi giao tiếp với MPU Bảng sau đây tóm tắt lại các thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp
0 0 Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD (VD: cần display clear,…)
0 1 Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở DB0-DB6
1 0 Ghi vào thanh ghi DR
1 1 Đọc dữ liệu từ DR
3.2 Cờ báo bận BF: (Busy Flag)
Khi thực hiện các hoạt động bên trong chíp, mạch nội bên trong cần một khoảng thời gian để hoàn tất Khi đang thực thi các hoạt động bên trong chip như thế, LCD bỏ qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF (thông qua chân DB7 khi có thiết lập RS=0, R/W=1) lên để báo cho MPU biết nó đang “bận” Dĩ nhiên, khi xong việc, nó sẽ đặt cờ BF lại mức 0
3.3 Bộ đếm địa chỉ AC : (Address Counter)
Như trong sơ đồ khối, thanh ghi IR không trực tiếp kết nối với vùng RAM (DDRAM và CGRAM) mà thông qua bộ đếm địa chỉ AC Bộ đếm này lại nối với 2 vùng RAM theo kiểu rẽ nhánh Khi một địa chỉ lệnh được nạp vào thanh ghi IR, thông tin được nối trực tiếp cho 2 vùng RAM nhưng việc chọn lựa vùng RAM tương tác đã được bao hàm trong mã lệnh
Sau khi ghi vào (đọc từ) RAM, bộ đếm AC tự động tăng lên (giảm đi) 1 đơn vị và nội dung của AC được xuất ra cho MPU thông qua DB0-DB6 khi có thiết lập RS=0 và R/W=1 (xem bảng tóm tắt RS - R/W)
Lưu ý: Thời gian cập nhật AC không được tính vào thời gian thực thi lệnh mà được cập nhật sau khi cờ BF lên mức cao (not busy), cho nên khi lập trình hiển thị, bạn phải delay một khoảng tADD khoảng 4uS- 5uS (ngay sau khi BF=1) trước khi nạp dữ liệu mới
3.4 Vùng RAM hiển thị DDRAM : (Display Data RAM) Đây là vùng RAM dùng để hiển thị, nghĩa là ứng với một địa chỉ của RAM là một ô kí tự trên màn hình và khi bạn ghi vào vùng RAM này một mã 8 bit, LCD sẽ hiển thị tại vị trí tương ứng trên màn hình một kí tự có mã 8 bit mà bạn đã cung cấp
Vùng RAM này có 80x8 bit nhớ, nghĩa là chứa được 80 kí tự mã 8 bit Những vùng RAM còn lại không dùng cho hiển thị có thể dùng như vùng RAM đa mục đích
Lưu ý là để truy cập vào DDRAM, ta phải cung cấp địa chỉ cho AC theo mã HEX
3.5.Vùng ROM chứa kí tự CGROM: Character Generator ROM
Thi công mạch
III.1.Sơ đồ nguyên lý và mạch in
Hình 3.11.Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.12.Sơ đồ mạch in
Hình 3.13.Măt sau của mạch
Hình 3.14.Mặt trước của mạch
