BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUỐC BẢO

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KIT PHÁT TRIỂN PHỤC
VỤ CHO ĐÀO TẠO NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUỐC BẢO

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO KIT PHÁT TRIỂN PHỤC
VỤ CHO ĐÀO TẠO NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Hà Nội – 2016

 

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Quốc Bảo
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo kit phát triển phục
vụ cho đào tạo ngành điện tử viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số SV: CB140231
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
22/4/2016 với các nội dung sau:
(Không có các nội dung cần sửa chữa, bổ sung).
Ngày
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Nguyễn Hoàng Dũng

Nguyễn Quốc Bảo

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. Nguyễn Tiến Dũng


 

tháng 5 năm 2016


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hoàng Dũng.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Nguyễn Quốc Bảo

i
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... iv 
DANH SÁCH BẢNG BIỂU...................................................................................... v 

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...................................................................................... vi 
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ......................................................... 4 
1.1. Giới thiệu chung về các kit phát triển trên thế giới và Việt Nam ..................... 4 
1.2. Lựa chọn đề xuất và giải pháp xây dựng kit phát triển .................................... 7 
1.3. Quy trình chế tạo kit phát triển ......................................................................... 8 
1.3.1. Yêu cầu thiết kế .......................................................................................... 8 
1.3.2. Thiết kế hệ thống ........................................................................................ 9 
1.3.3. Thiết kế chức năng ..................................................................................... 9 
1.3.4. Thiết kế nguyên lý và mô phỏng ................................................................ 9 
1.3.5. Thiết kế mạch in ....................................................................................... 10 
1.3.6. Chế tạo kit ................................................................................................ 10 
1.3.7. Đo đạc, kiểm tra và đánh giá .................................................................... 10 
1.4. Quy trình xây dựng các bài thực hành ............................................................ 11 
1.4.1. Xây dựng yêu cầu các bài thực hành ........................................................ 12 
1.4.2. Tổng hợp các mạch điện điển hình của các bài thực hành ....................... 12 
1.4.3. Xây dựng các bước thực hiện cho từng mạch điện .................................. 12 
1.4.4. Nạp tệp (file) cấu hình xuống kit ............................................................. 13 
1.4.5. Đánh giá, so sánh thực tế trên kit với lý thuyết ........................................ 13 
1.5. Tổng kết .......................................................................................................... 13 
CHƯƠNG 2: CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CỦA KIT PHÁT TRIỂN ................. 14 
2.1. Các khối chức năng của kit phát triển ............................................................ 14 
2.2. Khối hiển thị ................................................................................................... 15 
2.2.1. LED đơn ................................................................................................... 15 
2.2.2. LED 7 thanh ............................................................................................. 16 
2.2.3. LED Matrix .............................................................................................. 21 
2.2.4. Text LCD 20x4 ......................................................................................... 25 
ii
 



 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.3. Khối nhập dữ liệu ........................................................................................... 33 
2.3.1. Button, KeyPad và Switch ....................................................................... 33 
2.3.2. PS/2 .......................................................................................................... 37 
2.4. Truyền thông không đồng bộ UART .............................................................. 43 
2.4.1. Giao tiếp máy tính thông qua USB .......................................................... 45 
2.4.2. Giao tiếp Module SIM 900A .................................................................... 45 
2.5. Truyền thông đồng bộ I2C .............................................................................. 46 
2.5.1. Giao tiếp module thời gian thực RTC ...................................................... 48 
2.5.2. Giao tiếp EEPROM .................................................................................. 49 
2.5.3. Khối SD Card ........................................................................................... 50 
2.5.4. Khối giao tiếp mạng LAN ........................................................................ 50 
2.5.5. Khối VGA ................................................................................................ 51 
2.6. Tổng kết .......................................................................................................... 53 
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ THẢO LUẬN .................................. 54 
3.1. Thiết kế, chế tạo kit......................................................................................... 54 
3.1.1. Yêu cầu thiết kế ........................................................................................ 54 
3.1.2. Thiết kế hệ thống ...................................................................................... 54 
3.1.3. Thiết kế chức năng ................................................................................... 55 
3.1.4. Thiết kế nguyên lý và mô phỏng .............................................................. 55 
3.1.6. Chế tạo kit ................................................................................................ 70 
3.1.7. Đo đạc, kiểm tra và đánh giá .................................................................... 72 
3.2. Xây dựng các bài thực hành ........................................................................... 72 
3.2.1. Các bài thực hành cho chip FPGA EP2C5T144C8................................. 72 
3.2.2. Các bài thực hành cho chip AVR Atmega128 ........................................ 73 
3.3. Đánh giá kết quả ............................................................................................. 75 

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 76 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 77 

iii
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

PLA

Programmable Logic Array

PAL

Programable Array Logic

SRAM

Static Random Access Memory

CPLD

Complex Programble Logic Device

FPGA


Field Programable Gate Array

VHDL

VHSIC Hardware Description Language

EEPROM

Electrically Erasable Programmable ROM

HDL

Hardware Description Language

RTL

Register Transfer Level

SPLD

Simple Programmable Logic Device

iv
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Bảng so sánh giữa chế tạo thủ công và chế tạo chuyên nghiệp ...............10 
Bảng 2-2: Gán chân LED đơn ...................................................................................16 
Bảng 2-3: Gán chân LED 7 thanh 4 ..........................................................................18 
Bảng 2-4: Tín hiệu điều khiển hiển thị cho LED 7 thanh .........................................19 
Bảng 2-5: Giải mã LED 7 thanh Anode chung .........................................................20 
Bảng 2-6: Gán chân LED Matrix ..............................................................................22 
Bảng 2-7: Giải mã LED Matrix ................................................................................24 
Bảng 2-8: Gán chân LCD..........................................................................................26 
Bảng 2-9: Sơ đồ chức năng từng chân text LCD ......................................................27 
Bảng 2-10: Tập lệnh LCD .........................................................................................29 
Bảng 2-11: Function Set............................................................................................30 
Bảng 2-12: Display Control ......................................................................................31 
Bảng 2-13: Entry Mode Set.......................................................................................31 
Bảng 2-14: Write to CGRAM or DDRAM ...............................................................33 
Bảng 2-15: Gán chân KeyPad Switch .......................................................................34 
Bảng 2-16: Gán chân PS/2 ........................................................................................38 
Bảng 2-17: Keyboard scancode set 2 ........................................................................40 
Bảng 2-18: Trạng thái bus giao thức PS/2 ................................................................41 
Bảng 2-19: Baud rate ................................................................................................44 
Bảng 2-20: Gán chân USB ........................................................................................45 
Bảng 2-21: Gán chân Module Sim ............................................................................46 
Bảng 2-22: Gán chân RTC ........................................................................................49 
Bảng 2-23: Gán chân EEPROM ...............................................................................49 
Bảng 2-24: Gán chân SD Card ..................................................................................50 
Bảng 2-25: Gán chân LAN .......................................................................................51 
Bảng 2-26: Gán chân VGA .......................................................................................52 

v

 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Kit Xilinx Spartan-3 FPGA Starter Kit Board ...........................................5 
Hình 1-2: Kit Altera Cyclone III FPGA Starter Kit ....................................................5 
Hình 1-3: Altera DE1 - Development and Education Board ......................................6 
Hình 1-4: Altera DE2 - Development and Education Board ......................................6 
Hình 1-5: Kit phát triển và giáo dục DE-SG8V1 ........................................................7 
Hình 1-6: Quy trình chế tạo kit phát triển ...................................................................8 
Hình 1-7: Quy trình xây dựng các bài thực hành ......................................................11 
Hình 2-8: Sơ đồ khối kit phát triển ...........................................................................14 
Hình 2-9: Sơ đồ khối LED đơn .................................................................................15 
Hình 2-10: Sơ đồ khối LED 7 thanh 4 ......................................................................17 
Hình 2-11: Sơ đồ cấu tạo LED 7 thanh đơn ..............................................................18 
Hình 2-12: Sơ đồ cấu tạo LED 7 thanh 4 ..................................................................19 
Hình 2-13: Kết quả hiển thị LED 7 thanh 4 ..............................................................20 
Hình 2-14: Sơ đồ khối LED Matrix ..........................................................................21 
Hình 2-15: Sơ đồ cấu tạo LED Matrix 8x8 ...............................................................23 
Hình 2-16: Kết quả hiển thị thị LED Matrix 8x8 ......................................................24 
Hình 2-17: Sơ đồ khối LCD ......................................................................................25 
Hình 2-18: Hình ảnh LCD 20x4................................................................................26 
Hình 2-19: Sơ đồ trình tự giao tiếp Text LCD ..........................................................30 
Hình 2-20: Sơ đồ khối Button, Keypad và Switch....................................................33 
Hình 2-21: Sơ đồ cấu tạo bàn phím KEYPAD .........................................................34 
Hình 2-22: Sơ đồ khối PS/2 ......................................................................................38 

Hình 2-23: Sơ đồ cấu tạo PS/2 ..................................................................................38 
Hình 2-24: Khung truyền dữ liệu từ device đến host ................................................42 
Hình 2-25: Khung truyền dữ liệu từ host đến device ................................................43 
Hình 2-26: Định dạng khung truyền UART .............................................................44 
Hình 2-27: Sơ đồ khối USB ......................................................................................45 
Hình 2-28: Sơ đồ khối SIM 900A .............................................................................46 

vi
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 2-29: Start and Stop condition .........................................................................47 
Hình 2-30: Sơ đồ khối RTC ......................................................................................48 
Hình 2-31: Sơ đồ khối EEPROM..............................................................................49 
Hình 2-32: Sơ đồ khối SD Card ................................................................................50 
Hình 2-33: Sơ đồ khối giao tiếp mạng LAN .............................................................50 
Hình 2-34: Sơ đồ khối VGA .....................................................................................51 
Hình 2-35: Giản đồ thời gian chu kỳ quét dòng........................................................52 
Hình 2-36: Giản đồ thời gian chu kỳ quét mành.......................................................53 
Hình 3-37: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................54 
Hình 3-38: Sơ đồ nguyên lí hệ thống ........................................................................56 
Hình 3-39: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ...................................................................57 
Hình 3-40: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển rơ le ....................................................57 
Hình 3-41: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển loa báo ...............................................58 
Hình 3-42: Sơ đồ nguyên lý khối LED 7 thanh ........................................................58 
Hình 3-43: Sơ đồ nguyên lý khối LCD 20x4 ............................................................59 

Hình 3-44: Sơ đồ nguyên lý khối LED đơn ..............................................................59 
Hình 3-45: Sơ đồ nguyên lý khối LED ma trận 8x8 .................................................60 
Hình 3-46: Sơ đồ nguyên lý khối VGA ....................................................................60 
Hình 3-47: Sơ đồ nguyên lý khối PS/2 .....................................................................61 
Hình 3-48: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp I2C sử dụng EEPROM .........................61 
Hình 3-49: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp thẻ nhớ micro SD .................................61 
Hình 3-50: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp mạng LAN ............................................62 
Hình 3-51: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp GSM/GPRS ..........................................62 
Hình 3-52: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp USB – UART .......................................63 
Hình 3-53: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung vuông và ADC ......................................63 
Hình 3-54: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển động cơ DC........................................64 
Hình 3-55: Sơ đồ nguyên lý khối bàn phím ma trận và công tắc gạt........................64 
Hình 3-56: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp đồng hồ thời gian thực..........................65 
Hình 3-57: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển mạch nạp chương trình ...........................65 

vii
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3-58: Sơ đồ nguyên lý khối mạch nạp PIC – AVR ..........................................66 
Hình 3-59: Sơ đồ nguyên lý khối mạch nạp FPGA ..................................................66 
Hình 3-60: Sơ đồ nguyên lý khối mạch nạp ARM ...................................................67 
Hình 3-61: Sơ đồ nguyên lý khối mở rộng I/O .........................................................67 
Hình 3-62: Sơ đồ nguyên lý khối socket nhân chip ..................................................68 
Hình 3-63: Sơ đồ nguyên lý nhân chip AVR ............................................................68 
Hình 3-64: Sơ đồ nguyên lý nhân chip ARM ...........................................................69 

Hình 3-65: Sơ đồ nguyên lý nhân chip FPGA cyclone II .........................................69 
Hình 3-66: Sơ đồ layout toàn hệ thống .....................................................................70 
Hình 3-67: Sơ đồ chức năng các khối .......................................................................71 
Hình 3-68: Thành phẩm hoàn chỉnh .........................................................................71 
Hình 3-69: Vali đựng kit ...........................................................................................72 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

viii
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỞ ĐẦU
Ngày nay khái niệm SoC (System on Chip) đã trở nên quen thuộc trong các
ngành kỹ thuật điện tử. Trong thực tế có rất nhiều các dòng chip thuộc các hãng
khác nhau có thể dùng để lập trình điều khiển. Các hãng này đều xây dựng các kit
phát triển cho các dòng chip riêng biệt phục vụ cho việc nghiên cứu, đào tạo. Muốn
tìm hiểu và làm chủ các tính năng của các dòng, loại chip một các khoa học và hiệu

quả thì người nghiên cứu phải tiếp cận và làm quen với tất cả các loại, dòng kit đó.
Việc làm này gây khó khăn trong nghiên cứu, học tập và tốn kém về thời gian, tiền
bạc.
Hiện nay các kit phát triển FPGA/CPLD của các hãng Altera và Xilinx đang
được sử dụng làm các giáo vụ trực quan trong giảng dạy đồng thời cũng là các thiết
bị không thể thiếu trong việc thực hành các môn học như Lập trình vi mạch, Thiết
kế hệ thống số, Điện tử số, Thiết kế hệ thống nhúng... Tuy nhiên chi phí để sử dụng
một kit phát triển của hãng Altera hay hãng Xillinx bao gồm cả chi phí cho các thủ
tục vận chuyển về Việt Nam còn khá cao. Bài toán đầu tư xây dựng phòng thí
nghiệm với số lượng lớn kit phát triển sẽ gặp khó khăn và chiếm một khoản kinh
phí không hề nhỏ.
Công nghệ FPGA (Field Programable Gate Array) không những có thể rút
ngắn thời gian so với khi thực hiện bằng công nghệ ASIC (Application Specific
Integrated Circuit) mà còn giảm chi phí nghiên cứu tối đa do quá trình kiểm tra thiết
kế không những được thực hiện bằng các phần mềm mô phỏng mà giờ đây còn có
thể chạy trên các chip thực trong môi trường có thể nói là gần với môi trường ASIC
thực nhất. Bên cạnh đó, khả năng tái cấu hình cũng cho phép việc chỉnh sửa thiết kế
cho đến khi đạt yêu cầu mà không tốn quá nhiều kinh phí, nó còn giúp các chức
năng của thiết bị có thể được thay đổi nhanh chóng.
Đề tài luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo kit phát triển
phục vụ cho đào tạo có chức năng tương đương với các kit của các hãng sản xuất
chuyên nghiệp nhưng với giá thành thấp hơn mang thương hiệu Việt Nam. Bên
cạnh đó cũng thực hiện xây dựng các bài thí nghiệm và thực hành dựa trên kit phát
1
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


triển đã chế tạo cho một số môn học như Điện tử số, Kiến trúc máy tính, Kỹ thuật vi
xử lý, Lập trình vi mạch, thiết kế hệ thống nhúng, ghép nối mạng máy tính và thông
tin di động phù hợp với sinh viên bậc đại học, học viên bậc cao học. Kết quả nghiên
cứu sẽ mang lại cho Viện Điện tử - Viễn thông nói riêng, Đại học Bách khoa Hà
Nội nói chung những lợi ích quan trọng như: (1) ứng dụng công nghệ hiện đại để
chủ động xây dựng trang thiết bị phục vụ giảng dạy với chi phí thấp, (2) tạo điều
kiện cho học viên/sinh viên có nhiều cơ hội được thực hành và tiếp xúc các công
nghệ tiên tiến, do đó sẽ nâng cao được chất lượng cho các bài giảng và từ đó nâng
cao chất lượng đào tạo, (3) nâng cao hơn nữa vị thế của Đại học Bách khoa Hà Nội
trong lĩnh vực Điện tử Viễn thông và (4) phù hợp với định hướng phát triển của nhà
trường trong việc nội địa hóa các sản phẩm thí nghiệm thực hành.
Chính vì những lý do trên, luận văn thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế kit
phát triển đa năng có tính di động cho các phòng thí nghiệm và xây dựng các bài
thực hành cho các môn học Điện tử số, Kỹ thuật vi xử lý, thiết kế hệ thống nhúng,
thiết kế tổng hợp hệ thống số và IC số.
Luận văn được thực hiện dưới sự định hướng và hướng dẫn của TS. Nguyễn
Hoàng Dũng, cùng phối hợp với nhóm gồm các bạn Nguyễn Thế Trường, Trần Văn
Đức và Lương Cẩm Khang - sinh viên Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách
khoa Hà Nội thực hiện.
Xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô thuộc Viện Điện tử - Viễn thông đã
giúp đỡ em hoàn thành luận văn.
Nội dung luận văn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo kit phát triển phục vụ cho
đào tạo ngành điện tử viễn thông” bao gồm:
Chương 1: Nghiên cứu tổng quan.
Chương này giới thiệu tổng quan về các kit phát triển trên thế giới và Việt
Nam. Lựa chọn đề xuất và giải pháp xây dựng kit phát triển cũng như quy trình thiết
kế chế tạo kit phát triển và quy trình xây dựng các bài thực hành.
Chương 2: Các khối chức năng của kit phát triển


2
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chương 2 cung cấp cho người đọc chi tiết các khối chức năng cũng như nhiệm
vụ của từng khối, đưa ra các thông số của linh kiện và sơ đồ kết nối chân các linh
kiện phục vụ cho quá trình chế tạo kit.
Chương 3: Kết quả, đánh giá và thảo luận.
Từ quy trình chế tạo ở chương 1 và chi tiết các khối chức năng ở chương 2,
nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công 01 kit phát triển đa năng. Chương này trình
bày cụ thể các kết quả đã đạt được, đồng thời cũng đưa ra những đánh giá về kết
quả của quá trình thiết kế chế tạo kit phát triển.

3
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Chương 1 giới thiệu về các dòng kit phát triển của các hãng lớn như Altera,
Xilinx, Lab-Volt… đang được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm của ngành
điện tử viễn thông của các trường đại học trong khối kỹ thuật đồng thời đánh giá về
ưu nhược điểm của các dòng kit này và đưa ra giải pháp thiết kế một kit phát triển

đa năng để khai thác các tính năng của các dòng vi điều khiển phổ biến hiện nay.
Ngoài ra, chương này cũng nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo kit phát triển và
xây dựng các bài thực hành.
1.1. Giới thiệu chung về các kit phát triển trên thế giới và Việt Nam
Thuật ngữ CPLD (Complex Programable Logic Device) và FPGA (Field
Programable Gate Array) không còn xa lạ với những người làm kỹ thuật trong lĩnh
vực Điện tử - Viễn thông tại Việt Nam. Các kit phát triển dựa trên nền tảng các
công nghệ trên được sử dụng rộng rãi khắp mọi nơi với nhiều ứng dụng khác nhau,
bao gồm cả các trường đại học có đào tạo về chuyên ngành Điện tử - Viễn thông.
Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt nam sử dụng chủ yếu các kit phát triển
của hãng Altera, Xilinx, Lab-Volt... Có thể kể ra các kit phát triển của các hãng hiện
nay như sau:
- Các kit phát triển của hãng Xilinx [8]: Spartan family, Artix family, Kintex
family…
- Các kit phát triển của hãng Altera [7]: MAX II micro kit, DE0, DE1, DE2,
DE3, DE4...
Các dòng kit của các hãng được chia thành nhiều chủng loại, từ những loại
đơn giản với ít chức năng cho đến những loại rất mạnh với nhiều chức năng khác
nhau phù hợp với từng yêu cầu cụ thể.
Hình 1-1 và 1-2 là các Starter Kit của Xilinx và Altera. Trên hình 1-3 và 1-4 là
các kit giáo dục rất mạnh của Altera (DE1, DE2) đã được dùng phổ biến ở nhiều
trường đại học trên thế giới.

4
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật


 
Hình 1-1: Kit Xilinx Spartan-3 FPGA Starter Kit Board

 
Hình 1-2: Kit Altera Cyclone III FPGA Starter Kit
Đặc điểm chung của kit phát triển do các hãng nổi tiếng như Altera hay Xilinx
sản xuất là sự thuận tiện trong sử dụng, hiện đại về mặt công nghệ nhưng trở ngại
chính là chi phí khá cao nếu chỉ đáp ứng riêng cho nhu cầu học tập của sinh viên
(bao gồm cả chi phí mua và chi phí vận chuyển về Việt Nam). Bên cạnh đó, do việc
tích hợp nhiều tài nguyên phần cứng vào bên trong hệ thống nên các kit thường

5
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

được dùng nhiều cho các yêu cầu kỹ thuật ứng dụng cụ thể. Ở Việt Nam, rất nhiều
trường đại học hoặc cơ sở nghiên cứu sử dụng các kit phát triển của hai hãng này
cho các mục tiêu về đào tạo hoặc nghiên cứu khoa học.

 
Hình 1-3: Altera DE1 - Development and Education Board

 
Hình 1-4: Altera DE2 - Development and Education Board
6

 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ở Việt Nam, hiện nay cũng có rất nhiều đơn vị đang thực hiện nghiên cứu,
thiết kế, chế tạo kit phát triển phục vụ nhu cầu thực hành cho sinh viên ngành điện
tử viễn thông. Một trong số đó là kit phát triển và giáo dục DE-SG8V1 của Trung
tâm nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí
Minh (ICDREC). Kit phát triển này sử dụng Chip SG8V1 do Việt Nam nghiên cứu
và phát triển.

Hình 1-5: Kit phát triển và giáo dục DE-SG8V1
Ưu điểm lớn nhất của các kit phát triển chính là việc sử dụng chúng làm các
giáo vụ trực quan trong giảng dạy cũng như là các thiết bị không thể thiếu trong
việc thực hành các môn học như Lập trình vi mạch, Thiết kế hệ thống số, Điện tử
số, Thiết kế hệ thống nhúng... Tuy nhiên, bên cạnh đó chi phí để mua một kit phát
triển của hãng Altera hay hãng Xilinx kèm với chi phí cho các thủ tục vận chuyển
về Việt Nam còn khá cao. Bài toán đầu tư xây dựng phòng thí nghiệm với số lượng
lớn kit phát triển sẽ gặp khó khăn và chiếm một khoản kinh phí không hề nhỏ.
1.2. Lựa chọn đề xuất và giải pháp xây dựng kit phát triển
Để khắc phục và khai thác một cách hiệu quả các loại dòng chip này, nhóm
nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng thực hiện đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo kit phát
triển đa năng có thể đáp ứng được phần lớn các dòng, loại chip có trên thị trường

7
 



 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

hiện nay như AVR/PIC, ARM, CPLD/FPGA... bằng cách thay đổi các nhân khác
nhau.
Bên cạnh đó nhóm nghiên cứu còn thiết kế các khối chức năng của kit phù hợp
cho các môn học như Điện tử số, Kỹ thuật vi xử lý, Thiết kế tổng hợp hệ thống số...
Hơn thế nữa, nhóm còn xây dựng các tài liệu hướng dẫn sử dụng và tài liệu thí
nghiệm bài bản chuyên nghiệp cho từng dòng, loại chip trên kit phát triển đa năng
đó (ARM, AVR, PIC, CPLD, FPGA...). Việc làm này giúp cho người sử dụng có
thể nắm bắt được nhanh chóng các tính năng của từng loại chip thao tác trên kit.
1.3. Quy trình chế tạo kit phát triển
Quy trình xây dựng kit phát triển phục vụ cho mục đích ứng dụng vào thực
hành di động được thể hiện như sau:

 
Hình 1-6: Quy trình chế tạo kit phát triển
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn mong muốn xây dựng được một quy trình chế
tạo chuẩn để có thể ứng dụng vào các mục đích khác nhau nên nhóm nghiên cứu đã
đề xuất một quy trình chế tạo bao gồm có bẩy bước cơ bản như sau: (1) yêu cầu
thiết kế, (2) thiết kế hệ thống, (3) thiết kế chức năng, (4) thiết kế nguyên lý và mô
phỏng, (5) thiết kế mạch in, (6) chế tạo kit và (7) đo đạc kiểm tra đánh giá. Các
bước cơ bản này được xây dựng theo một trình tự xác định và có liên quan chặt chẽ
với nhau. Nội dung cụ thể của từng bước sẽ được đề cập chi tiết trong các phần tiếp
theo.
1.3.1. Yêu cầu thiết kế
Bước đầu tiên của quy trình chế tạo đó là yêu cầu thiết kế. Ngay ở bước đầu
tiên này người thiết kế phải hiểu rõ và nắm chắc các nhiệm vụ của thiết kế để từ đó

8
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

có thể phân tích đánh giá mức độ cụ thể của yêu cầu cũng như lấy đó làm tiền đề để
xây dựng sơ đồ khối ở bước tiếp theo.
1.3.2. Thiết kế hệ thống
Thiết kế hệ thống là bước thứ hai của quy trình chế tạo. Sau khi đã phân tích
rõ các yêu cầu cấp thiết, người thiết kế phải xây dựng được sơ đồ khối của hệ thống.
Thông qua sơ đồ khối này, toàn bộ bức tranh tổng thể của thiết kế phải được khái
quát đầy đủ. Các khối được xây dựng dựa trên các tiêu chí như: (1) phải hoàn toàn
phù hợp với yêu cầu thiết kế, (2) phân chia theo các chức năng thiết kế hoặc (3) đơn
giản chỉ là phân chia nhỏ các yêu cầu phức tạp thành các yêu cầu đơn giản hơn, phù
hợp hơn và dễ thiết kế hơn. Theo quan điểm của nhóm nghiên cứu thì sự thành công
của quy trình thiết kế chính là dựa vào bước xây dựng thiết kế hệ thống này.
1.3.3. Thiết kế chức năng
Trong bước này, các khối đã được xây dựng từ bước thiết kế hệ thống sẽ được
đi sâu phân tích cụ thể. Mỗi khối đã xây dựng đều có những chức năng riêng biệt.
Việc phân tích chức năng chính là phân tích các thông số cụ thể của khối đó cũng
như nhiệm vụ mà khối đó đảm nhận. Ngoài ra sự kết nối trao đổi thông tin của khối
đó với các khối khác lân cận trong hệ thống cũng được đề cập chi tiết trong bước
này.
1.3.4. Thiết kế nguyên lý và mô phỏng
Bước tiếp theo của quy trình thiết kế đó là bước thiết kế nguyên lý và mô
phỏng. Ở bước này sơ đồ mạch nguyên lý của các khối cũng như sơ đồ ghép nối
toàn mạch sẽ được trình bày thông qua các công cụ vẽ mạch cụ thể như Orcad,

Altium... Sau khi xây dựng xong và đánh giá tính chính xác của sơ đồ nguyên lý
toàn mạch, người thiết kế sẽ tiến hành sử dụng các công cụ mô phỏng để kiểm tra
tính đúng đắn của việc xây dựng thiết kế hệ thống và chức năng nhiệm vụ của các
khối. Nếu người thiết kế thu nhận được các kết quả tốt từ quá trình mô phỏng thì có
thể yên tâm chuyển sang bước tiếp theo, ngược lại người thiết kế sẽ phải quay về
bước hai để kiểm tra chỉnh sửa và thiết kế lại hệ thống cho hợp lý và logic hơn. Do

9
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

đó nếu người thiết kế không cẩn thận ngay từ những bước đầu khi thiết kế hệ thống
sẽ gây ra mất thời gian, công sức cũng như chi phí sẽ bị tăng lên nhiều.
1.3.5. Thiết kế mạch in
Sau khi vượt qua bước thiết kế nguyên lý và mô phỏng, người thiết kế có thể
yên tâm chuyển sang bước thiết kế mạch in. Ở bước này toàn bộ sơ đồ mạch nguyên
lý sẽ được chuyển sang sơ đồ mạch in với việc bố trí các linh kiện và đi dây kết nối
hợp lý để mạch trở nên nhỏ gọn, có thẩm mĩ và đặc biệt là tiết kiệm chi phí khi sản
xuất. Ở bước này người thiết kế cũng rất cần sự cẩn thận, tỉ mỉ để tránh dẫn đến các
sai sót không mong muốn có thể kéo theo hệ quả của bước tiếp theo.
1.3.6. Chế tạo kit
Bước 6 trong quy trình thiết kế là bước chế tạo kit. Ở bước này người thiết kế
có thể tự chế tạo kit dưới dạng thủ công để tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên khi đó chất
lượng của mạch thấp, tính thẩm mĩ không cao, dễ dẫn đến các sai sót gây lỗi. Với
những kinh nghiệm đã có, nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đề cao tính chuyên
nghiệp trong việc chế tạo kit. Mặc dù khi gửi ra các công ty chế tạo mạch, lắp đặt

linh kiện sẽ có chi phí cao nhưng bù lại thì chất lượng và thẩm mĩ của mạch đều đạt
được sự hài lòng và không cần phải chỉnh sửa hay phát sinh những lỗi không mong
muốn. Bảng 1 so sánh giữa việc thiết kế thủ công và thiết kế chuyên nghiệp.
Nội dung

Thiết kế thủ công

Thiết kế chuyên nghiệp

Chi phí giá thành

Thấp

Cao

Chất lượng mạch

Thấp

Cao

Tính thẩm mĩ

Không có

Cao

Tiết kiệm thời gian chỉnh sửa

Có thể không


Có

Bảng 1-1: Bảng so sánh giữa chế tạo thủ công và chế tạo chuyên nghiệp
1.3.7. Đo đạc, kiểm tra và đánh giá
Bước cuối cùng của quy trình thiết kế là đo đạc, kiểm tra và đánh giá. Đây
cũng là một trong những bước rất quan trọng của quy trình thiết kế. Toàn bộ chức

10
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

năng nhiệm vụ của các khối sẽ được kiểm tra, thực hiện trên kit trong bước này.
Người thiết kế có thể sử dụng các thiết bị đo lường, các thiết bị nạp chương trình để
thực hiện bước này. Trong trường hợp khi phát hiện ra các khối của hệ thống không
làm việc đúng chức năng đã được thiết kế thì lập tức người thiết kế lại phải quay trở
về bước 3 để thiết kế lại. Việc làm này cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới chi phí và thời
gian thiết kế.
Như vậy, phần này đã trình bày toàn bộ nội dung quy trình thiết kế bao gồm 7
bước cơ bản. Các bước thiết kế đều có tầm quan trọng nhất định. Tuy nhiên để tránh
việc phải thiết kế lại thì người thiết kế cần phải thật cẩn thận, tỉ mỉ, phân tích rõ
ràng các yêu cầu để việc thực hiện từng bước sẽ an toàn và chính xác.
1.4. Quy trình xây dựng các bài thực hành
Sau khi xây dựng xong quy trình thiết kế kit phát triển đa năng cho nhiều môn
học liên quan, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu và đưa ra quy trình xây dựng các bài
thực hành.


 
Hình 1-7: Quy trình xây dựng các bài thực hành
Hình 1-7 chỉ ra quy trình xây dựng các bài thực hành. Quy trình này được chia
ra thành các bước bao gồm: (1) xây dựng yêu cầu các bài thực hành, (2) tổng hợp
các mạch điện điển hình của các bài, (3) xây dựng các bước thực hiện cho từng
mạch, (4) nạp tệp (file) cấu hình xuống kit và (5) đánh giá so sánh thực tế trên kit và
trên lý thuyết.

11
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.4.1. Xây dựng yêu cầu các bài thực hành
Để xây dựng được các yêu cầu cho các bài thực hành cần dựa trên đề cương và
tài liệu tham khảo của từng môn học cụ thể. Tùy vào mỗi môn học sẽ đưa ra các yêu
cầu phù hợp, bám sát theo nội dung chương trình môn học lý thuyết. Ngoài ra các
bài thực hành được xây dựng theo một cấu trúc chặt chẽ từ dễ đến khó, từ cơ bản
đến nâng cao. Do đó học viên/sinh viên có thể tiếp cận các bài thực hành một cách
dễ dàng, hứng thú và quan trọng nhất là hiểu sâu được lý thuyết thông qua các bài
thực hành này.
1.4.2. Tổng hợp các mạch điện điển hình của các bài thực hành
Sau khi phân tích đề cương và tài liệu tham khảo môn học để đưa ra được các
yêu cầu sẽ chuyển sang bước tiếp theo. Ở bước này toàn bộ các yêu cầu sẽ được
chuyển sang thành các mạch điện điển hình để tổng hợp. Trước khi hiện thực ở trên
kit phát triển thì học viên/sinh viên phải hiểu rõ cấu trúc, sơ đồ nguyên lý mạch điện

của bài thí nghiệm cần thực hiện. Bước tổng hợp này chính là bản lề cho cho việc
chuyển sang xây dựng, thực hiện các mạch điện bằng các ngôn ngữ lập trình tương
ứng.
1.4.3. Xây dựng các bước thực hiện cho từng mạch điện
Bước ba trong quy trình xây dựng các bài thực hành chính là xây dựng các
bước thực hiện cho từng mạch điện. Ở bước này học viên/sinh viên phải cân nhắc
chia mạch điện ra thành các module chính hoặc phụ. Sau đó học viên/sinh viên phải
thiết kế lựa chọn chương trình thực hiện. Tùy thuộc vào bài thí nghiệm của môn học
cụ thể mà người thực hiện sẽ biết phải sử dụng chương trình, công cụ nào việc lập
trình. Ví dụ như thực hành cho các môn học Điện tử số, lập trình vi mạch thì học
viên/sinh viên sẽ sử dụng ngôn ngữ Verilog, VHDL thông qua công cụ ISE của
hãng Xilinx hay Quartus II của hãng Altera. Nếu thực hành cho các môn học kỹ
thuật vi xử lý, cấu trúc máy tính, hệ thống nhúng thì học viên/sinh viên sẽ sử dụng
ngôn ngữ lập trình C, Assembly thông qua công cụ Code Vision, Keil C...

12
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.4.4. Nạp tệp (file) cấu hình xuống kit
Sau khi đã thực hiện bước ba chuyển đổi mạch điện cần thực hiện bằng các
ngôn ngữ lập trình tương ứng thì học viên/sinh viên sẽ chuyển sang bước thứ tư nạp tệp (file) cấu hình xuống kit. Để thành công ở bước này thì toàn bộ phần code
(chương trình) được viết phải đảm bảo chính xác cả về cú pháp lẫn tính logic của
yêu cầu. Sau đó sẽ sử dụng trình biên dịch có ngay trong các công cụ để biên dịch
phần code đã viết ra thành các tệp (file) hexa để nạp xuống các kit thông qua các
cáp kết nối giữa máy tinh và kit theo các chuẩn định sẵn.

1.4.5. Đánh giá, so sánh thực tế trên kit với lý thuyết
Sau khi đã nạp tệp (file) hexa xuống kit thì việc còn lại của các học viên/sinh
viên là đánh giá và so sánh kết quả thực tế trên kit với các yêu cầu lý thuyết. Trong
trường hợp kết quả không phù hợp, tương thích thì người thực hiện phải quay trở lại
bước ba để kiểm tra xem phần thực hiện code (chương trình) đã chính xác chưa, nếu
sai thì phải viết và đánh giá so sánh lại. Quá trình lặp đi lặp lại cho đến khi đạt kết
quả chính xác cuối cùng.
1.5. Tổng kết
Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về kit phát triển trên thế giới và ở Việt Nam,
đồng thời chỉ ra được các mặt hạn chế cũng như ưu điểm của các kit. Từ đó đã đưa
ra được giải pháp để thiết kế ra một bộ kit phát triển đa năng có thể thay thế được
các nhân chip là các dòng vi điều khiển phổ biến hiện nay và xây dựng các bộ tài
liệu hướng dẫn sử dụng cũng như tài liệu hướng dẫn thực hành. Đồng thời chương
này cũng đã trình bày về quy trình chế tạo ra một bộ kit phát triển gồm những bước
chi tiết và cụ thể cũng như xây dựng các bài thực hành cho các môn học đi kèm
theo kit phù hợp với mục tiêu đã đề ra. Từ những quy trình này, bước tiếp theo sẽ
thực hiện thiết kế chi tiết các khối chức năng, các kết nối giữa các thành phần để từ
đó hoàn thiện quá trình chế tạo kit.

13
 


 

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG 2: CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CỦA KIT PHÁT TRIỂN
Chương này đưa ra sơ đồ các khối chức năng của kit phát triển đồng thời phân
tích chức năng cũng như nguyên lý hoạt động, điều khiển của từng khối.

2.1. Các khối chức năng của kit phát triển
Sơ đồ khối của kit phát triển được thể hiện trên hình 2-8. "Bộ não" của kit phát
triển chính là khối xử lý trung tâm FPGA/CPLD, ARM CORTEX M3. Tùy vào
từng ứng dụng hay bài thực hành cụ thể mà người thiết kế có thể lựa chọn giữa
FPGA/CPLD hay ARM CORTEX M3 để thực hiện. Việc lựa chọn thay đổi này
được thực hiện một cách nhanh gọn do khi thiết kế chế tạo nhóm nghiên cứu đã xây
dựng các mạch chuyển đổi chân tín hiệu giữa các IC điều khiển để có thể gắn vào
kit phát triển dễ dàng thông qua các socket chân cắm.

 
Hình 2-8: Sơ đồ khối kit phát triển
Được bố trí xung quanh khối xử lý trung tâm là các khối giao tiếp ngoại vi.
Các khối này có nhiệm vụ chính là nhập/xuất dữ liệu cho khối xử lý trung tâm để xử
lý và được chia thành hai loại chính là các khối ngoại vi có chức năng cơ bản và các
khối ngoại vi có chức năng nâng cao. Ngoài các khối ngoại vi chính, kit phát triển
còn tích hợp khối điều khiển động cơ DC, encoder, PWM và rơ le giúp cho học
viên/sinh viên thực hành các bài tập về lập trình điều khiển các thiết bị dân dụng
hàng ngày. Tất cả các khối trong kit phát triển đều được cung cấp điện áp và dòng
điện với các giá trị cụ thể thông qua khối nguồn.

14