Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

1

BKH & CN

Viện CNTT

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI KC.03.20

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho

đo lường và điều khiển”

Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân

5868

08/6/2006

Hà Nội, 12-2005

Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin

2

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI KC.03.20

“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho

đo lường và điều khiển”

Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân

Hà Nội, 12-2005

Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin

3

Danh sách những người thực hiện chính

A

1

Chủ nhiệm đề tài

KS. Phan Minh Tân Viện Công nghệ Thông tin

B Cán bộ tham gia nghiên cứu

2 PGS. TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin

3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin

4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin

5 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ Thông tin

6 KS. Phan Cao Hiệp Công ty Điện tử Bình Hoà

7 KS. Nguyễn Đức Thắng Viện Công nghệ Thông tin

8 TS. Nguyễn Ngọc Khoa Viện kỹ thuật Phòng không không quân

9

10

ThS. Vũ Sĩ Thắng

KS. Chu Ngọc Liêm

Viện Công nghệ Thông tin

Viện Công nghệ Thông tin

11 KS. Nguyễn Văn Hà Viện kỹ thuật Phòng không không quân

4

BÀI TÓM TẮT

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”

nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao

gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát

triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều

khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm

vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các

chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.

Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu

tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội

thảo, các báo cáo thống kê ...) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu

cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản

phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip

mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến

hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng

chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn

cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ

và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát

triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của

sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ

thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản

phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các

công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA,

mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề

tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu

chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất

lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả

nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội

nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực

tiễn qua các hợp đồng kinh tế.

Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm:

• Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc

gia

• Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm:

- Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1

- Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control)

dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1

- Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình

- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1

- Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1

5

- Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không

dây RFID

- Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID

và đầu cấp phát thẻ RFID

- Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái

cấu hình

- Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình

- Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển

thông minh sử dụng công nghệ PSoC

- Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip

PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp.

Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng

ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ

Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như

sau:

- Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón

đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào

Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996-

2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip

PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như:

. Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat

cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng.

Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được

nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế

tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai.

. Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là

module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng tái

cấu hình.

Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các

sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài.

- Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải

pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có

hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình.

- Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải

pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp

chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông

tin và công nghệ mới.

- Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng

hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm

mới khác của Việt nam.

6

MỤC LỤC

- Trang nhan đề 1

- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 3

- Bài tóm tắt 4

- Mục lục

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

6

8

1. Lời mở đầu 8

2. Nội dung chính của báo cáo 12

2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 12

2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 17

2.3. Những nội dung đã thực hiện 19

2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết 19

2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 20

2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển

máy lạnh

20

a. Chip DKML-1 20

b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000

BTU

22

c. Phần mềm 24

d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại 36

2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử

dụng thẻ nhận dạng không dây RFID

42

a. Chip PROX-1 43

b. Bộ điều khiển AC-200-C dùng thẻ RFID 45

c. Chương trình Quản lý mã thẻ trên PC AC200_SW

d. Hệ thống chấm công sử dụng thẻ RFID

e. Hệ thống cấp phát thẻ RFID

51

58

59

2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả

năng tái cấu hình

60

7

a. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý thiết kế, chế tạo 61

b. Các cấu hình có thể lựa chọn 64

2.3.2.4. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình 71

a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu

hình

72

b. Các cấu hình có thể lựa chọn 75

2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều

khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC

82

2.4. Đánh giá kết quả thu được 94

3. Kết luận và kiến nghị 95

4. Lời cảm ơn 96

8

PHẦN CHÍNH BÁO CÁO

1. LỜI MỞ ĐẦU

Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự

động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”

thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công

nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông

tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài

được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục

tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông

minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các

công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương

pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm

đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài

còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế

để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và

các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên

cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm:

• Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2

• Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation)

• Các công cụ tìm lỗi (Debugger)

• Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC

• Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties)

cho thiết kế các chip đo và điều khiển.

2. Thiết kế và chế tạo:

- Chip điều khiển máy lạnh

- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế

- Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh

- Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh

Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU,

18000BTU.

3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125

KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan

dùng thẻ tiếp cận gồm:

- 2 đầu đọc thẻ

- 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC

- 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC

4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ

cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC.

5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái

9

cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính

sau:

• Format theo chuẩn PC/104

• Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền

dữ liệu

• Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable)

• Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC

Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.20

TT TÊN SẢN PHẨM SỐ

LƯỢN

G

CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ

THUẬT

GHI

CHÚ

1. Các công trình, bài

báo

6 Đưa ra được các phương pháp,

thuật toán xử lý, nguyên lý có

tính cải tiến, sáng tạo về mặt

học thuật. Các công trình được

nhận đăng tại các tạp chí, hội

nghị khoa học

2. Thư viện chương

trình mẫu cho thiết

kế các chip thông

minh theo công nghệ

PsoC

1 Bộ chương trình thư viện với

tài liệu hướng dẫn sử dụng

3. Chip DKML-1 20 - CPU 24 MHz, 8 bits, 16k

FLASH

- ADC

- FLASH

- DAC PWM

- Phối ghép IrDA

- Digital I/O

- Bộ lọc tần số thấp

- Chương trình điều khiển máy

lạnh và hội thoại với remote

ở các chế độ

4. Chip Remote RM-1 20 - CPU 24Mhz, 8K FLASH

- Bộ phối ghép LCD

- Bộ phối ghép IrDA

- Chương trình điều khiển cho

máy lạnh tương thích với chip

DKML-1

- Bộ phối ghép phím ấn

- Chế độ Wake-up

10

5. Bo điều khiển máy

lạnh sử dụng chip

DKML-1

2 Thay thế bo điều khiển máy

lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện

đang phải nhập ngoại trong dây

chuyền sản xuất của Công ty

Điện tử Bình hoà

6. Bộ điều khiển từ xa

cho máy lạnh sử

dụng chip RM-1

2 Thay thế bộ điều khiển xa cho

máy lạnh VBH-12L/VBH-12N

đang phải nhập ngoại trong dây

chuyền sản xuất của Công ty

Điện tử Bình hoà

7. Chip đọc thẻ PROX￾1 (Radio Frequency)

đọc các thẻ không

tiếp xúc

20 - Tần số mang vô tuyến

125kHz

- Biến điệu FSK

- Chuẩn ISO-PROX

- CPU

- FLASH

Mạch phối ghép nối tiếp UART

8. Hệ thống kiểm soát

xâm thực tự động

mở cổng sử dụng

chip đọc thẻ PROX￾1

1 - Đầu đọc thẻ Proximity dùng

chip PROX - 1

- Bộ điều khiển đóng mở cửa

tự động và kết nối PC

- Chương trình quản lý kiểm

soát lưu trữ và báo cáo chạy

trên PC/Windows theo ngôn

ngữ Việt Nam

9. Module DAS -

PC/104 Có khả năng

tái cấu hình

1 - Công nghệ FPGA và PSoC

- Cho phép lựa chọn

ADC 8-14 BITS

DAC 8-10 BITS

TIMER 8-24 BITS

COUNTER 8-24 BITS

DIO 8-16 KÊNH

Truyền thông UART, 12C,

SPI, RS232

- Có khả năng tái cấu hình