ĐIỆN TỬ CHIA SẺ

LỜI MỞ ĐẦUVới sự ra đời của các chip Vi Điều Khiển đã làm cho công việc thiết kế các ứng dụng số trở nên nhỏ gọn và mềm dẻo hơn. Chúng có thể được ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau.
Trong đề tài thiết kế Đồng hồ thời gian thực em đã ứng dụng các tính năng sẵn có của Vi Điều Khiển cụ thể là 89S52 vào công việc thiết kế phần mềm và phần cứng để giao tiếp với IC thời gian thực DS1307. Nhằm mục đích là thiết kế một đồng hồ chỉ thị thời gian hiện tại với độ chính xác cao.
Bài báo cáo này trình bày các vấn đề: Giới thiệu sơ lược giao tiếp I2C IC thời gian thực RTC DS1307 AT89S52: Sơ đồ khối và sơ đồ chân Thuật toán giao tiếp I2C giữa DS1307 và 89S52 Sơ đồ khối tổng quát Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm Kết Quả 

1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC GIAO TIẾP I2C
Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductor và được gọi là bus I2C. Vì nguồn gốc nó được thiết kế là để điều khiển liên thông IC (Inter-Intergrated Circuit) nên nó được đặt tên là I2C.
Tất cả các chip có tích hợp và tương thích với I2C đều có thêm một giao diện tích hợp trên Chip để truyền thông trực tiếp với các thiết bị tương thích I2C khác. Việc truyền dữ liệu nối tiếp theo hai hướng 8 bit được thực thi theo 3 chế độ sau: Chuẩn (Standard)—100 Kbits/sec Nhanh (Fast)—400 Kbits/sec Tốc độ cao (High speed)—3.4 Mbits/sec Đường bus thực hiện truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường là đường truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL.
Vì cơ chế hoạt động là đồng bộ nên nó cần có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ.

Các thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong đó một số bit địa chỉ là thấp có thể cấu hình. Đơn vị hoặc thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông là đơn vị Chủ và cũng là đơn vị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền. Nếu đơn vị Chủ muốn truyền thông với đơn vị khác nó sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của đơn vị mà nó muốn truyền trong dữ liệu truyền. Đơn vị Tớ đều được gán và đánh địa chỉ thông qua đó đơn vị Chủ có thể thiết lập truyền thông và trao đổi dữ liệu. Bus dữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều đơn vị Chủ và Tớ ở trên cùng Bus. Quá trình truyền thông I2C được bắt đầu bằng tín hiệu start tạo ra bởi đơn vị Chủ. Sau đó đơn vị Chủ sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của đơn vị Tớ mà nó muốn truyền thông, theo thứ tự là các bit có trọng số lớn nhất MSB sẽ được truyền trước. Bit thứ tám tiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định đơn vị Tớ sẽ thực hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) dữ liệu. Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi đơn vị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không. Đơn vị truyền (gửi) sẽ truyền đi 1 byte dữ liệu bắt đầu bởi MSB.
Tại điểm cuối của byte truyền, đơn vị nhận sẽ tạo ra một bit xác nhận ACK mới. Khuôn mẫu 9 bit này (gồm 8 bit dữ liệu và 1 bit xác nhận) sẽ được lặp lại nếu cần truyền tiếp byte nữa. Khi đơn vị Chủ đã trao đổi xong dữ liệu cần nó sẽ quan sát bit xác nhận ACK cuối cùng rồi sau đó sẽ tạo ra một tín hiệu dừng STOP để kết thúc quá trình truyền thông. I2C là một giao diện truyền thông đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng truyền thông giữa các đơn vị trên cùng một bo mạch với khoảng cách ngắn và tốc độ thấp. Ví dụ như truyền thông giữa CPU với các khối chức năng trên cùng một bo mạch như EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực... Hầu hết các thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động ở tốc độ 400Kbps, một số cho phép hoạt động ở tốc độ cao vài Mbps. I2C khá đơn giản để thực thi kết nối nhiều đơn vị vì nó hỗ trợ cơ chế xác định địa chỉ.
2. IC THỜI GIAN THỰC RTC (REAL TIME CLOCK) DS1307DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ… DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM. DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân như trong hình 1.

Hình 1. Hai gói cấu tạo chip DS1307

Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
• X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip. • VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.
• GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
• Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển. Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).
• SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình. Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
• SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.
• Có thể kết nối DS1307 bằng một mạch điện đơn giản như trong hình 2.

Hình 2. Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307.
Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao diện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM). Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này. Vì thế có 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất các thanh ghi này thông qua giao diện I2C. Như đã trình bày, bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 00H đến 3FH theo hệ HexaDecimal).

Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trống có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn. Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY), ngày (DATE), tháng (MONTH) và năm (YEAR). Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC. Việc đọc giá trị từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra. Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54. Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6). Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8.
Tổ chức bộ nhớ của DS1307 được trình bày trong hình 3. Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307, chúng ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết. Trước hết hãy quan sát tổ chức theo từng bit của các thanh ghi này như trong hình 4.

Hình 3. Tổ chức bộ nhớ của DS1307

Hình 4. Tổ chức các thanh ghi thời gian Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00.
Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4-bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây. Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS 6:4) là có thể mã hóa được (số 5 =101, 3 bit). Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động. Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu. Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 01H, chứa giá trị phút của đồng hồ.
Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0. Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307. Thanh ghi này có địa chỉ 02H. Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ. Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 (hình 4) xác lập hệ thống giờ. Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ. Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa.
Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5 (màu orange trong hình 4) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM. Bit 7 luôn bằng 0. Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chỉ 03H. Thanh ghi DAY chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần. Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa.
Các thanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) vàYEAR chứa năm (00 đến 99). Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx). Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register). Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập.

Hình 6. Cấu trúc DS1307
3. AT89S52: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ SƠ ĐỒ CHÂN
3.1. Giới thiệu sơ lược
Vi điều khiển 8051 được Intel cho ra đời vào năm 1980 thuộc vi điều khiển đầu tiên của họ MCS-51. Hiện tại rất nhiều nhà sản xuất như Siemens, Advanced Micro Devices, Fusisu và Philips tập trung phát triển các sản phẩm trên cơ sở 8051.Atmel là hãng đã cho ra đời các chip 89C51, 52, 55 và sau đó cải tiến thêm, hãng cho ra đời 89S51, 89S52, 89S8252…
Cấu hình 89S52:
+ 8KB bộ nhớ chương trình.
+ Dao động bên ngoài với thạch anh <24MHz. Thông thường, VĐK 89S52 chạy với thạch anh 12MHz.
+ 256 Byte Ram nội.
+ 4 Port xuất nhập.
+ 3 Timer/ Counter 16 bit Timer 0,1,2. Timer 2 có các chức năng Capture/Compare.
+ 8 nguồn ngắt.
+ Nạp chương trình song song hoặc nạp nối tiếp qua đường SPI.

Hình 11: Điều kiện START và STOP.
• Ban đầu khi chưa thực hiện quá trình giao tiếp, cả hai đường SDA và SCL đều ở mức cao (SDA = SCL = HIGH). Lúc này bus I2C được coi là “rỗi” (“bus free”), sẵn sàng cho một giao tiếp. Hai điều kiện START và STOP là không thể thiếu trong việc giao tiếp giữa các thiết bị I2C, tất nhiên là trong giao tiếp này cũng không ngoại lệ.
• Điều kiện START: một sự chuyển đổi trạng thái từ cao xuống thấp trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao (cao = 1; thấp = 0) báo hiệu một điều kiện START
• Điều kiện STOP: Một sự chuyển đổi trạng thái từ mức thấp lên cao trên đường SDA trong khi đường SCL đang ở mức cao.
• Cả hai điều kiện START và STOPđều được tạo ra bởi thiết bị chủ. Sau tín hiệu START, bus I2C coi như đang trong trạng thái làm việc (busy). Bus I2C sẽ rỗi, sẵn sàng cho một giao tiếp mới sau tín hiệu STOP từ phía thiết bị chủ.
• Sau khi có một điều kiện START, trong qua trình giao tiếp, khi có một tín hiệu START được lặp lại thay vì một tín hiệu STOP thì bus I2C vẫn tiếp tục trong trạng thái bận. Tín hiệu START và lặp lại START đều có chức năng giống nhau là khởi tạo một giao tiếp.
4.2. Chế độ hoạt động

Hình 12: Chế độ hoạt động của I2C DS1307 có thể hoạt động ở 2 chế độ sau:
• Ở chế độ slave nhận (chế độ DS1307 ghi ): chuỗi dữ liệu và chuỗi xung clock sẽ được nhận thông qua SDA và SCL. Sau mỗi byte được nhận thì 1 bit ACKnowledge sẽ được truyền. Các điều kiện START và STOP sẽ được nhận dạng khi bắt đầu và kết thúc 1 truyền 1 chuỗi, nhận dạng địa chỉ được thực hiện bởi phần cứng sau khi chấp nhận địa chỉ của slave và bit một chiều. • Chế độ slave phát ( chế độ DS1307 đọc ): byte đầu tiên slave nhận được tương tự như chế độ slave ghi. Tuy nhiên trong chế độ này thì bit chiều lại chỉ chiều chuyền ngược lại. Chuỗi dữ liệu được phat đi trên SDA bởi DS1307 trong khi chuỗi xung clock vào chân SCL.
4.2.1. Để làm việc với DS1307, ta thực hiện các bước như sau:
• START I2C
• Ghi: 0DxH (Đây là địa chỉ của DS1307 do nhà sản xuất quy định trong giao tiếp I2C) với: x=0: Ghi dữ liệu vào DS1307 x=1: Đọc dữ liệu vào DS1307
• Ghi tham số x này vào, có nghĩa là việc tiếp theo là chúng tag hi hay đọc dữ liệu từ con DS1307 tùy vào giá trị x=0 (ghi dữ liệu) hay x=1 (đọc dữ liệu)
. • Ghi vào địa chỉ thanh ghi cần ghi hoặc cần đọc (bảng đồ thanh ghi của DS1307 này đã được giớ thiệu ở hình 3 & hình 4).
• Ghi hoặc đọc dữ liệu.
• STOP I2C
4.2.2. Một ví dụ minh họa cho việc đọc ghi
• Thanh ghi có địa chỉ 01H chứa Data về “phút”, muốn set phút vào DS1307 chúng ta làm theo quy trình: START→Ghi: 0D0H→Ghi tiếp: 01H→Ghi tiếp: →Ghi tiếp hoặc STOP nếu chỉ muốn cài đặt thời gian cho phút.

Hình 13: Chế độ Ghi của DS1307
• Nếu muốn Ghi vào địa chỉ 01H rồi kế tiếp Ghi vào địa chỉ 04H chẳng hạn thì chúng ta phải START lại từ đầu→Ghi vào 0D0H (để xác định sẽ Ghi vào DS1307 _ hướng giao tiếp là Ghi vào) →Ghi tiếp 04H→Ghi dữ liệu của thanh ghi cần cài đặt→STOP I2C.
• Tương tự, nếu chúng ta muốn đọc thì trước hết chúng ta phải ghi vào địa chỉ cần đọc: tức là vẫn tiếp tục tiến hành 3 thủ tục START→Ghi 0D0H→Ghi vào địa chỉ (địa chỉ của thanh ghi mà ta muốn đọc dữ liệu). Sau đó, mới START lại rồi ghi lại 0D1H (lúc này mới thông báo là ta sẽ đọc từ DS1307), tiếp theo cứ đọc bình thường (thanh ghi đọc được sẽ là thanh ghi có địa chỉ ta mới vừa ghi vào), tiếp tục đọc thì địa chỉ cần đọc sẽ tự động tăng lên cho đến khi STOP I2C.

Hình 14: Chế độ Đọc của DS1307
5. SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA MẠCH ĐỒNG HỒ

Hình 15: Sơ đồ khối của mạch giao tiếp I2C giữa DS1307 & 89S52
Dựa vào sơ đồ khối của giao tiếp trên, điều cơ bản là chúng ta phải viết một phần mềm khởi tạo DS1307, thực ra là chương trình giao tiếp I2C, đọc giá trị trong Ram của con DS1307 lưu tạm thời vào trong Ram của 89S52. Sau đó, viết thêm một phần mềm để đọc nội dung trong Ram này đưa ra hiển thị bằng phương pháp quét. Để đơn giản, việc đọc dữ liệu từ DS1307 lưu vào trong Ram của 89S52 và hiển thị giờ_phút_giây, được chia ra làm 2 chương trình con nhỏ, nếu có phím nhấn thì sẽ nhảy đến chương trình con xử lý phím nhấn riêng.
6. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Dựa vào sơ đồ khối tổng quát trên, chúng ta co phần cứng như sau: Xem hình 16

Hình 16: Sơ đồ phần cứng
7. THIẾT KẾ PHẦN MỀM Như đã trình bày trong phần thuật toán gaio tiếp và sơ đồ khối tổng quát, thì chương trình MAIN của chúng ta sẽ gồm 3 mục chính được mô tả cụ thể trong lưu đồ của chương trình MAIN ỏ hình 16:

Hình 17: Lưu đồ chính của chương trình MAIN
Giải thích lưu đồ chính này: Bắt đầu, chương trình sẽ gọi chương trình con đọc dữ liệu từ con DS1307 với chuẩn giao tiếp I2C bằng phương pháp đã được trình bày cụ thể ở mục 4 (thuật toán giao tiếp), sau đó, sẽ gọi chương trình con để quét Led 7 đoạn hiện thị 6 số: 2 số hiển thị giá trị của Giờ, 2 số hiển thị giá trị của Phút, 2 số hiển thị giá trị của Giây. Nếu phím MODE (chọn chế độ cài đặt) không được nhấn thì vòng lặp của chương trình này sẽ chạy vô tận.
Nếu phím MODE được nhấn, nó sẽ nhảy tới chương trình con cài đặt giờ hay phút còn tùy thuộc vào số lần nhấn phím MODE. Sau đây ta đi vào chi tiết của tùng khối nhỏ:
7.1. ĐỌC DỮ LIỆU TỪ DS1307 LƯU VÀO TRONG RAM CỦA 89S52Xem lưu đồ chương trình như hình 18. Ở đây, các chương trình con nhỏ hơn, chẳng hạn như: CTC SEND_START, SEND_STOP, SEND_BYTE, v.v. đã được đề cập đến trong mục 4 (thuật toán giao tiếp đã được đề cập ở trên).

Hình 18: Lưu đồ của CTC đọc dữ liệu của DS1307 lưu vào trong Ram của 89S52 Các ô nhớ SEC, MIN, HOUR đã được giới thiệu qua trong mục 5 (Sơ đồ khối tổng quát của chương trình).
7.2. HIỂN THỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT LED 7 ĐOẠN

Giải thuật của việc hiển thị phút và giây cũng tương tự như thuật toán hiển thị giờ.
7.3. CÀI ĐẶT THỜI GIANTrong lưu đồ giải thuật trên hình 17, cho chúng ta thấy, vòng lặp của chương trình sẽ chạy vô tận cho đến khi có phím MODE được ấn xuống. Khi đó, nó nhảy đến CTC để giải quyết việc cài đặt thời gian. Lưu đồ giải thuật của CTC xử lý cài đặt phím được thể hiện ở hình 21 bên dưới đây.

Hình 21: Lưu đồ CTC cài đặt giờ CTC cài đặt phút cũng có nguyên tắc tương tự như cài đặt giờ nên không được nói ra ở đây. Nhìn vào lưu đồ chúng ta thấy, ThanhGhi=02H, là địa chỉ của thanh ghi Giở trong con DS1307, như vậy, mục đích của việc định nghĩa ô nhớ ThanhGhi là để xác định địa chỉ thay đổi giá trị trong ô nhớ RAM của con DS1307.
CTC cài đặt giờ sẽ lặp vô tận và CTC hiển thi giờ sẽ chỉ cho hiển thị 2 Led 7 đoạn, chỉ hiển thị giờ trong khi cài đặt, tất cả các đèn Led còn lại đều tắt hết. Trong khi CTC cài đặt đang chạy vô tận, nếu có phím INC hoặc DEC được nhấn thì nó sẽ nhảy đến CTC tăng hoặc giảm tùy vào phím được nhấn. CTC tăng giờ được chỉ ra ở hinh 22 bên dưới đây, nguyên tắc của CTC giảm giờ cũng như vậy.

Hình 22: Lưu đồ CTC tăng giờ Nếu nhấn phím tăng quá 23, thì chương trình sẽ đặt thời gian lại giá trị là 00h.
8. KẾT QUẢ
Đồng hồ chạy tốt, sau khi chỉnh lại thời gian thì đồng hồ đã chạy đúng thời gian hiện tại. Ý kiến mở rộng đề tài: Hiển thị thời gian và ngày, tháng, năm lên bảng Led để làm đồng hồ vạn niên. Thiết kế phần mềm cài đặt thời gian, và báo giờ.