Cấu trúc, lập trình, ghép nối và ứng dụng vi điều khiển tập 1

Tác giả	TS Nguyễn Mạnh Giang
Số trang	258
Tải về	Mega

Vi xử lý (Microprocessor), bộ phận xử lý trung tâm để xử lý lệnh, đã ra đời lần đầu tiên (1971) với 4 bít dữ liệu, lần lượt đã được cải tiến thành 8 bit (8080, 8085, 8088 năm 1974), 16 bit (8086, 80286 năm 1978), 32 bit (80386, 80486, năm 1983) và 64 bit (80586, năm 1991).
Trên cơ sở các vi xử lý, thêm các khối nhớ chương trình chỉ đọc (PROM), khối nhớ đọc/ghi RAM, các cổng vào ra song song và nối tiếp, người ta đã chế tạo được cá máy vi tính cá nhân PC (Personal Computer) như PC/XT (1985 với 8088, 8085), PC/AT (1987 với 80286), PC/AT cải tiến (1989 với 80386, 80486) và Pentium (1991 với 80586). Riêng Pentium, có Pentium I, Pentium II, Pentium III, Pentium MTX đa phương tiện, Pentium Pro hay IV (tốc độ 1.4GHz, 1995) và hiện này là Pentium V (với tốc độ tới tren 3.4GHz).
Vi điều khiển (Microcontroller) là một vi mạch tích hợp cỡ lớn, kích thước nhỏ (rộng cỡ 2 cm, dài từ 3 - 8 cm, với số chân từ 18, 28, 40, 48, 64), bao gồm các bộ phận của một máy vi tính (bộ xử lý trung tâm CPU, nhớ chương trình PROM, nhớ đọc/ghi RAM, các cổng song song, cổng nối tiếp, bộ định thời/đếm (Timer/Counter) và điều khiển ngắt chương trình.
Vi điều khiển có khả năng như một máy vi tính, nhưng có ưu điểm đặc biệt về kích thước rất nhỏ, nên đã xâm nhập sâu hơn nữa vào các thiết bị đo lường, điều khiển tự động hóa và đặc biệt vào các thiết bị của đời sống hàng ngày như đồng hồ thời gian, đồng hồ báo giờ, đầu máy ghi và phát âm hay phát hình (video, VCD, DVD, v.v...). Đỉnh cao của việc dùng VĐK là dùng trong người máy (ROBOT) và thiết bị PLC để điều khiển logic chương trình hóa dây chuyền sản xuất tự động.
Vi điều khiển có bốn dòng họ lớn là Vi điều khiển 68HCxx của hãn Motorola, MCS-51 của hãng Intel, AVR của hãng ATmel và PIC ủa hãng Microchip.
Ngoài các bộ phận giống nhau về cấu trúc, các vi điều khiển trên đều có:
- Các nhóm lệnh: Rẽ nhánh chương trình (điều khiển chương trình thay đổi thứ tự lệnh), dịch chuyển dữ liệu (giữa các thanh ghi trong bộ nhớ RAM), xử lý số học (cộng trừ, nhân, chia), xử lý logic (và, hoặc, loại trừ, v.v...) và xử lý theo bit (xác lập, xóa, đảo v.v...).
- Các hành động cơ bản: Trao đổi tin song song, trao đổi tin nối tiếp, định thời gian, đếm xung ngoài, điều khiển ngắt chương trình (đo xung ngoài, do đếm tràn về 0, do trao đổi tin nối tiếp).
Hiện nay, có nhiều hãng điện tử tham gia chế tạo các VĐK khác nhau nhưng theo cấu trúc và tính năng tương tự trên. Có các loại sau:
- VĐK dùng trong công nghiệp: Cấu tạo đơn giản, ít cổng vào/ra song song, có 18 chân nhưng 2051 của hãng Intel, PIC của Microchip.
- VĐK thông dụng: 8051, 8052 thuộc họ MCS-51 của hãng Intel, AT89C51, AT89C52, AT90C52, AT89C535 của hãng ATmel.
- VĐK tiên tiến: Có các tính năng mở rộng như có nhiều mức ngắt, có nhiều bộ định thời và cả Watch dog (chó canh cửa), đếm kiểu ma trận, ghép nối với thiết bị ngoài nối tiếp SPI v.v...
- VĐK có DAC, ADC bên trong vi mạch: ADU812 (DAC, ADC có 12 bit), ADU816 (DAC, ADC có 16 bit), ADU824 (DAC, ADC có 24 bit) của hãn Analog hay các hãng khác.
- VĐK dùng trong truyền thông trên mạng: 87C51GB và xử lý số DSP51000.
Tài liệu này được biên soạn với các tiêu chí sau:
- Kết hợp phần cứng và phần mềm: mô tả về cấu tạo kết hợp hoạt động và lập trình bằng hợp ngữ.
- Kết hợp lý thuyết với thực hành: Mỗi chương đều có thực hành về ghép nối thiết bị với lập trình trên chương trình mô phỏng trên máy tính PC và cho chạy trên kit (giá) thực nghiệm.
- Cấu trúc tài liệu từ cơ bản tới hiện đại, từ dễ tới khó: Để phù hợp với chương trình đào tạo liên thông từ học nghề lên cao đẳng, đại học và trên đại học.
- Tạo điều kiện cho người tự học: Với chương trình mô phỏng Pinnacle có trong máy tính, người tự học có thể quan sát được các bộ phận và hoạt động của chúng, của VĐK. Các ví dụ về các chương trình của tài liệu là các chương trình mẫu, các ứng dụng cơ bản, người học chỉ cần sao chép lại vào chương trình mô phỏng Pinnacle trên máy tính là có thể hợp dịch và chạy được (tường bước và cả chương trình). Nếu có kit thực tập, người dùng có thể nạp chương trình vào bộ nhớ PROM bên trong hay bộ nhớ ROM bên ngoài VĐK hoặc tải sang bộ nhớ RAM bên ngoài và cho chạy chương trình sau khi nhấn nút RESET. Với các bài thực hành, người dùng có thể tự học theo chỉ dẫn chi tiết.
- Tạo điều kiện cho người nghiên cứu, thiết kế và chế tạo: Các ví dụ hay các chương trình mẫu chính là các vấn đề người nghiên cứu có thể dựa vào đó để thiết kế, chế tạo hệ dùng VĐK riêng của mình và phát triển chương trình của mình.
- Lập trình dạng lệnh gộp (macro lênh): Để tiện dùng, vì lệnh gộp đặt trong thư viện chương trình, khi dùng, gọi và thay tham số bằng hướng dẫn biên dịch $INCLUDE MYLIB.ASM.
Tài liệu "Cấu trúc, lập trình, ghép nối và ứng dụng vi điều khiển" này sẽ ra mắt 2 tập như sau:
Tập một: Cấu trúc và lập trình VĐK 8051/8052 với 10 chương về VĐK 8051/8052 và cũng là các vấn đề cơ bản của các VĐK khác. Phần này trình bày về cấu trúc và hoạt động của vi xử lý, nhớ chương trình PROM bên trong, nhớ dữ liệu RAM bên trong, các cổng song song, cổng nối tiếp, bộ định thời/đếm (Timer/Counter) và điều khiển ngắt. Về phần mềm, trình bày cách lập trình (soạn thảo, dịch, kết nối và chạy thử trên chương trình mô phỏng Pinnacle), cách nạp chương trình vào PROM bên trong hay vào RAM để chạy chương trình trên kit VĐK (giá thực hành có VĐK, đèn hiển thị, cổng song song, bộ nhớ ROM, RAM mở rộng bên ngoài). Song song với mô tả cấu trúc và hoạt động của các bộ phận, các nhóm lệnh cũng được trình bày với các ví dụ điển hình.
Tập hai: Ghép nối cơ bản và ứng dụng VĐK với 8 chương, trình bày cách ghép nối và chương trình phục vụ cho các đèn hiển thị (LED đơn, LED 7 đoạn, ma trận Đi-ốt, màn hình tinh thể lỏng LCD), bàn phím, bộ nhớ ngoài (ROM, RAM) mở rộng, cổng song song mở rộng, cổng nối tiếp mở rộng (USB), hệ VĐJK với chương trình giám sát (monitor).
Người dùng tài liệu này có thể tự học hay hướng dẫn người khác học các kiến thức cơ bản và nâng cao về cấu trúc, hoạt động, lập trình và ứng dụng cho VĐK với kit thực hành VĐK và chương trình mô phỏng Pinnacle, Proteus trong máy vi tính.
Tài liệu này được biên soạn cho ai muốn học về VĐK, với mọi trình độ (học nghề, cao đẳng, đại học và sau đại học) với các ngành chuyên môn liên quan tới VĐK (điện, điện tử, tin học, cơ tin, vật lý kỹ thuật, tự động hóa, v.v...).
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Ban lãnh đạo và các đồng sự ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định, Viện Kỹ thuật Hạt Nhân Hà Nội, nơi tác giả đã công tác và cộng tác về sự giúp đỡ và tạo điều kiện hoàn thành tài liệu này.
Tác giả mong được các độc giả đóng góp ý kiến cho tài liệu được hoàn thiện hơn. Thư góp ý xin gửi về Công ty Cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội. Điện thoại 048264874.