Thiết kế và mô hình hoá khối giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ dùng trong vi điều khiển

Bài viết này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và mô hìnhhoá một khối điều khiển giao tiếp theo giao thức SPI để xây dựng một khối giao tiếp cho hệ vi điều khiển đang được thiết kế. Các kết quả mô phỏng hoạt động ở mức logic của khối giao tiếp này cũng được trình bày cụ thể trong bài viết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế và mô hình hoá khối giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ dùng trong vi điều khiểnTẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – Đại học HuếTập 4, Số 1 (2016)THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HOÁ KHỐI GIAO TIẾP TRUYỀN THÔNG NỐI TIẾPĐỒNG BỘ DÙNG TRONG VI ĐIỀU KHIỂNPhan Hải Phong*, Hoàng Lê Hà,Nguyễn Văn Ân, Hồ Đức Tâm LinhKhoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế*Email:phongph@husc.edu.vnTÓM TẮTCác dòng vi điều khiển thế hệ mới luôn yêu cầu phải có một giao thức truyền thông phùhợp, cho phép các vi điều khiển này có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi hoặc với cácnền tảng khác. Serial Peripheral Interface( SPI) là một giao thức truyền thông nối tiếpđồng bộ cho phép các thiết bị có thể kết nối với nhau dễ dàng mà không yêu cầu quá nhiềutài nguyên của hệ thống. Bài báo này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và mô hìnhhoá một khối điều khiển giao tiếp theo giao thức SPI để xây dựng một khối giao tiếp cho hệvi điều khiển đang được thiết kế. Các kết quả mô phỏng hoạt động ở mức logic của khốigiao tiếp này cũng được trình bày cụ thể trong bài báo.Từ khóa: SPI, vi điều khiển, vi xử lý.1. MỞ ĐẦUNgày nay, với sự phát triển của công nghệ bán dẫn thì việc nghiên cứu và phát triển cácthế hệ vi mạch tích hợp (Integrated Circuit - IC) mới là một sự phát triển tất yếu của ngành côngnghiệp điện tử hiện đại. Các vi mạch mới ra đời ngày càng có hiệu năng cao, chất lượng vượttrội và giá thành giảm. Với kích thước các transistor càng được thu nhỏ thì các vi mạch càngđược tích hợp thêm nhiều tính năng trên cùng một đế silic nhưng vẫn đảm bảo được tốc độ hoạtđộng cao và kích thước nhỏ gọn. Bên cạnh đó, sự phát triển của các hệ thống điện tử, tự độnghoá, các hệ thống nhúng đã đặt ra yêu cầu về việc cần phải có các thế hệ vi điều khiển(Microcontroller Unit – MCU) mới có tốc độ hoạt động cao và tích hợp thêm nhiều thiết bịngoại vi. Điều này đặt ra cho lĩnh vực thiết kế vi mạch điện tử một hướng nghiên cứu quantrọng, đó là phát triển các thế hệ vi điều khiển mới có tốc độ cao hơn, hoạt động ổn định hơn vàđặc biệt là phải tích hợp được thêm nhiều tính năng tiên tiến hơn.Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các thế hệ vi điều khiển mới luôn là một hướng nghiêncứu nhận được nhiều sự chú ý không chỉ của các nhà nghiên cứu mà còn có cả các công ty thiếtkế và sản xuất vi mạch. Các dòng vi điều khiển mới không chỉ được nâng cao về tốc độ, số bitxử lý song song như các dòng PIC16, PIC24, PIC32 của Microchip [1][2], mà còn phải đượctích hợp thêm nhiều khối chức năng đặc biệt khác như các dòng PSOC (Programmbale Systemon-Chip) của Cypress [3]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu mới không chỉ hướng tới việc tích hợpthêm nhiều tính năng đặc biệt cho vi điều khiển như: điều khiển fuzzy logic [4], tích hợp các bộ23Thiết kế, mô hình hoá và mô phỏng kiểm chứng khối giao tiếp truyền thông nối tiếp đồng bộ - SPIgiao tiếp không dây Radio-frequency identification (RFID) [5][6], mà những nghiên cứu nàycòn hướng đến việc thiết kế vi điều khiển với những công nghệ mới để giảm thiểu năng lượngtiêu thụ [7][8][9]...Các thế hệ MCU mới ra đời đồng thời cũng đặt ra yêu cầu cần phải có các phương thứcgiao tiếp tương ứng để hỗ trợ kết nối giữa MCU với những thiết bị ngoại vi khác. Để có thể xâydựng nên một lõi vi điều khiển có khả năng ứng dụng cao thì một khối giao tiếp truyền thôngnhư thế cần phải được tích hợp vào trong lõi vi xử lý (Central Processing Unit - CPU) nhằmgiúp lõi đó giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông dụng. Hiện nay, hai phương thức truyềnthông phổ biến hiện đang được áp dụng nhiều cho các dòng MCU đó chính là Inter-IntegratedCircuit (I2C) và Serial Peripheral Interface (SPI).Chuẩn giao tiếp I²C [10] được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1982 với mục đích làcung cấp một phương thức thuận tiện để cho phép kết nối giữa CPU với các vi mạch ngoại vicủa ti-vi. Trước đây, một phương pháp phổ biến để thực hiện việc kết nối này đó là sử dụng cácbus địa chỉ và dữ liệu song song. Nhưng cùng với sự phát triển của các thiết bị ngoại vi thì sốlượng các thiết bị cần kết nối tăng lên, điều này dẫn đến việc phải tăng thêm số lượng dây dẫnbus trên mạch in, cũng như cần thêm các tín hiệu điều khiển khác. Để tiết kiệm số lượng châncủa MCU, cũng như để đơn giản hoá việc thiết kế mạch in thì phòng thí nghiệm Philips(Eindhoven – Hà Lan) đã phát minh ra chuẩn giao tiếp I²C cho phép kết nối với các thiết bịngoại vi chỉ với hai đường tín hiệu và tốc độ truyền thông đạt từ 100Kbps cho đến 3.4 Mbps(đối với các ngoại vi yêu cầu tốc độ cao). SPI cũng là một chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộđược Motorola phát triển và lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1979 (tích hợp trên vi điềukhiển Motorola 68000) [11]. Khác với chuẩn I2C, chuẩn giao tiếp SPI không có một đặc tảchính xác mà chỉ là các đặc tả tham chiếu và việc phát triển ứng dụng là hoàn toàn phụ thuộcvào người thiết kế. Chính vì vậy mà người dùng hoàn toàn có thể thiết kế và tuỳ biến ...