Đồ án Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm mã hóa và giải mã dữ liệu

LỜI CẢM ƠN Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử trường ĐHSPKT Hưng Yên, đã tận tình truyền đạt cho chúng em những kiến thức, những thành tựu khoa học của xã hội và của ngành tự động hóa công nghiệp để chúng em có thể thực hiện đề tài này. Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Thành Long và cô Bùi Thị Kim Thoa- người đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ chúng em thực hiện đề tài này. Cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn cho việc thực hiện đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên ngày…tháng…năm 2009 Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Dũng Nguyễn Thị Tâm Bùi Quyết Thắng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... Hưng Yên ngày…tháng…năm 2009 Chữ kí của giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. Hưng Yên ngày…tháng…năm 2009 Chữ kí của giáo viên phản biện LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật truyền số liệu là mảng kiến thức không thể thiếu đối với các sinh viên chuyên ngành điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin. Có thể nói đây là nền tảng ứng dụng và nguồn đối tượng cho nghiên cứu chuyên sâu trong các chuyên ngành này. Mặc dù mang đậm giải pháp cho dịch vụ số liệu nhưng kỹ thuật truyền số liệu ngày nay lại là xuất phát điểm cho đa dịch vụ, một xu thế tất yếu trong mạng viễn thông hiện tại. Tiếp cận và lĩnh hội kỹ thuật truyền số liệu bằng cách nào cho hiệu quả đã và đang là mối quan tâm của nhiều người, đặc biệt là các sinh viên chuyên ngành liên quan. Để đáp ứng nhu cầu tìm hiểu các hệ thống viễn thông một cách thực tế, được sự chỉ dẫn của thầy Nguyễn Thành Long và cô Bùi Thị Kim Thoa, chúng em đã được giao đề tài “Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm mã hóa và giải mã dữ liệu”. Nội dung bản thuyết minh gồm 3 phần: Phần I: Lý luận chung Phần II: Thiết kế và thi công phần cứng Phần III: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Được sự chỉ dẫn tận tình của thầy Nguyễn Thành Long và cô Bùi Thị Kim Thoa cùng các thầy cô trong bộ môn Điện- Điện tử, chúng em đã hoàn thành đồ án được giao. Trong khi thực hiện, mặc dù rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong nhận được các ý kiến xây dựng tích cực của các thầy cô giáo và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ BẲNG BIỂU Hình 1.2.1: a. Tín hiệu analog ; b. Tín hiệu digital Hình 1.2.2: Dạng tín hiệu Hình 1.2.3: Phổ tín hiệu Hình 1.2.4: Băng thông của kênh truyền Hình 1.2.5: Băng tần Hình 1.2.6: Phổ của thoại Hình 1.2.7: Tốc độ bit Hình 1.2.8: Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu Hình 1.2.9: Chế độ truyền bất đồng bộ Hình 1.2.10: Quá trình phát hiện lỗi Hình 1.2.11: Sơ đồ tạo CRC theo phương pháp mạch logic Hình 1.2.12: Mạch tạo CRC Hình1.2.13: Dạng frame HDLC Hình 1.3.1: Kiến trúc PIC Hình 1.3.2: Mạch nạp PIC (ICSP) Hình 1.3.3: Sơ đồ chân PIC Hình 1.3.4: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC Hình 1.3.5: Bộ nhớ chương trình Hình 1.3.6: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A Hình 1.3.7: Các cách lưu kết quả chuyển đổi AD. Hình 1.3.8: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC. Hình 1.3.9: Sơ đồ khối MSSP (I2C slave mode) Hình 1.3.10: Sơ đồ khối DAC0808 Hình 1.3.11: Sơ đồ chân DAC0808 Hình 1.3.12: Cấu tạo bàn phím 3x4 Hình 1.3.13: Hình dáng LCD Hình 1.3.14: Số thứ tự chân LCD Bảng 1: Chức năng các chân của LCD 16x2 Hình 1.3.15: Sơ đồ chân và kiểu vỏ LF351 Hình 2.1.1: Sơ đồ khối tổng quát Hình 2.2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch pre_amplifier Hình 2.2.3: Sơ đồ nguyên lý bên phát Hình 2.2.4: Sơ đồ nguyên lý bên thu Hình 2.2.5: Sơ đồ nguyên lý khối DAC Hình 2.2.6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 2.3.1: Lưu đồ thuật toán của master Hình 2.3.2: Lưu đồ thuật toán của slave Hình 2.3.3: Lưu đồ thuật toán của keypad Hình 2.3.4: Lưu đồ thuật toán chương trình con gửi gói dữ liệu Hình 2.4.1: Mô hình mặt hiển thị của mạch mã hóa và tạo mã CRC Hình 2.4.2: Mô hình mặt hiển thị của mạch giải mã và phát hiện lỗi CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STP Shield Twisted Pair UTP UnShield Twisted Pair FCS Sequence Frame Check dB Decibel Bps Bits per second DTE Data Terminal Equipment DCE Data Circuit Terminating Equipment PIC Programable Intelligent Computer CRC Call Supervision Message CISC Complex Instruction Set Computer RISC Reduced Instruction Set Computer RAM Random Access Memory EEPROM Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory ICSP In Circuit Serial Programming SSP Synchronous Serial Port PSP Parallel Slave Port ADC Analog to Digital Converter DAC Digital to Analog Converter LSB Least Significant Bit LAN Local Area Network CPU Cyclic Redundancy Check BER Bit Error Rate 7 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ BẲNG BIỂU DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC ....................................................................................................................... 7 PHẦN I: LÝ LUẬN CHUNG ..................................................................................... 14 CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 14 1.1 Yêu cầu của đề tài ................................................................................................... 14 1.2 Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 14 1.3 Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 14 1.4 Chọn phương án thiết kế ......................................................................................... 14 1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .................................................................... 14 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ............................................................... 16 2.1 Môi trường truyền dữ liệu ....................................................................................... 16 2.1.1 Các khái niệm cơ bản .................................................................................. 16 2.1.2 Sự suy giảm và biến dạng tín hiệu .............................................................. 16 2.1.3 Môi trường truyền dẫn hữu tuyến ............................................................... 17 2.2 Các chế độ thông tin ................................................................................................ 24 2.3 Chế độ truyền .......................................................................................................... 24 8 2.3.1 Chế độ truyền bất đồng bộ .......................................................................... 25 2.3.2 Chế độ truyền đồng bộ ................................................................................ 26 2.4 Xử lý số liệu truyền ................................................................................................. 27 2.4.1 Phương pháp kiểm tra bit chẵn lẻ ................................................................ 28 2.4.2 Phương pháp kiểm tra tổng BSC ................................................................. 29 2.4.3 Phương pháp kiểm tra CRC ........................................................................ 34 2.5 Điều khiển luồng ..................................................................................................... 31 2.6 Giao thức điều khiển liên kết dữ liệu thiên hướng bit ............................................ 32 CHƯƠNG III: LINH KIỆN ỨNG DỤNG ................................................................ 37 3.1 Bộ vi điều khiển 8 bits PIC16F877A ...................................................................... 37 3.1.1 Giới thiệu bộ vi điều khiển 8 bits ................................................................ 37 3.1.2 Kiến trúc PIC ................................................................................................ 38 3.1.3 RISC và CISC ............................................................................................. 38 3.1.4 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC ..................................... 38 3.1.5 Ngôn ngữ lập trình cho PIC ........................................................................ 39 3.1.6 Mạch nạp PIC .............................................................................................. 39 3.1.7 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC ....................................................................... 40 3.1.8 Một vài thông số vi điều khiển PIC 16f877A ............................................. 41 3.1.9 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC ...................................................................... 42 3.1.10 Tổ chức bộ nhớ .......................................................................................... 43 3.1.11 Bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC ....................................................... 44 9 3.1.12 Giao tiếp nối tiếp I2C ................................................................................ 46 3.2 IC chuyển đổi số sang tương tự DAC0808 ............................................................. 47 3.2.1 Cấu tạo ......................................................................................................... 47 3.2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ kết nối .......................................................................... 47 3.2.3 Đặc điểm ...................................................................................................... 49 3.2.4 Nguyên tắc chuyển đổi và các tham số ....................................................... 49 3.3 Keypad 3x4 ............................................................................................................. 51 3.4 Màn hình tinh thể lỏng LCD ................................................................................... 54 3.5. IC khuếch đại thuật toán LF351 ............................................................................. 57 PHẦN II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ....................................................................... 59 CHƯƠNG I: SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT .............................................................. 59 1.1 Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................................... 59 1.2 Hoạt động của các khối ........................................................................................... 60 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CHI TIẾT ....................................................................... 61 2.1 Khối Pre_Amplifier ................................................................................................. 61 2.2 Khối xử lý bên phát ................................................................................................. 58 2.3 Khối xử lý bên thu ................................................................................................... 60 2.4 Khối DAC ............................................................................................................... 61 2.5 Khối nguồn .............................................................................................................. 66 CHƯƠNG III: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ................................................................. 67 3.1 Master ....................................................................................................................... 67 3.2 Slave ........................................................................................................................ 68 3.3 Keypad .................................................................................................................... 69 3.4 Send packet ............................................................................................................. 70 10 CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH SẢN PHẨM VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ................ 69 4.1.MODUL mã hóa dữ liệu và tạo CRC...................................................................... 69 4.1.1Mô hình ........................................................................................................ 69 4.1.2. Hướng dẫn sử dụng .................................................................................... 69 4.2.MODUL giải mã dữ liệu và phát hiện lỗi ............................................................... 70 4.2.1.Mô hình ....................................................................................................... 70 4.2.2.Hướng dẫn sử dụng ..................................................................................... 71 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..................... 74 3.1 Kết luận ................................................................................................................... 74 3.1.1 Ưu nhược điểm ............................................................................................ 74 3.1.2 Mở rộng ....................................................................................................... 75 3.2 Các đề xuất và kiến nghị ........................................................................................ 75 PHỤ LỤC CÁC BÀI THÍ NGHIỆM ......................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ......................................................................................... 83 11 PHẦN I: LÝ LUẬN CHUNG CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 Yêu cầu của đề tài - Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm mã hóa, giải mã dữ liệu, tạo mã CRC. - Nêu được các vấn đề liên quan. - Các bài thí nghiệm minh họa. 1.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: bộ thí nghiệm được thiết kế nhằm phục vụ cho việc thực hành các bài thí nghiệm của các sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông và Tin học. Trong tương lai không xa mong muốn đề tài được mở rộng nhằm phục vụ cho các môn học khác như: Điện tử căn bản, Lý thuyết mạch, Vi xử lý… 1.3 Lý do chọn đề tài Nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển khoa Điện tử- Viễn thông trong trường mà các thiết bị phục vụ cho việc thí nghiệm còn hạn chế do vậy được sự chỉ dẫn của thầy Nguyễn Thành Long và cô Bùi Thị Kim Thoa, chúng em đã thực hiện đề tài này “Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm mã hóa, giải mã dữ liệu”. 1.4 Chọn phương án thiết kế Có nhiều phương án thiết kế cho đề tài này như sử dụng DSP kết hợp chip vi điều khiển, sử dụng mạch tương tự kết hợp với chip. Sử dụng DSP kết hợp với vi xử lý sẽ cho kết quả tốt nhưng do ở thị trường Việt Nam chưa có nhiều diễn đàn nghiên cứu về IC này cũng như các phần mềm, trình dịch, linh kiện còn ít nên việc nghiên cứu rất hạn chế. 12 1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Đề tài nghiên cứu những vấn đề cơ bản của chuyên ngành Điện tử- Viễn thông từ đó có thể phát triển tạo tiền đề cho những ý tưởng, sáng kiến mới hơn có thể ứng dụng trong thực tiễn. Ngoài ra đây là một sản phẩm có ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn vì nó là một sản phẩm thí nghiệm. Người sử dụng sẽ được kiểm chứng lý thuyết đã được học trong nhà trường qua các bài thí nghiệm với sản phẩm này. 2. 2. Dữ th Ti th qu Tí tru -T đổ -T nh 1 Môi trư 1.1 Các kh liệu: bao ức thích hợ n tức: Ý n ể biểu thị b a nó con n n hiệu: là yền thông ín hiệu tư i liên tục t ín hiệu số ị phân 0 v CHƯ ờng truy ái niệm cơ gồm các p cho việc ghĩa mà co ởi tiếng n gười hiểu tin tức, d . Có 2 loại ơng tự (an heo thời gi (digital): à 1. Hình ƠNG II ền dữ liệu bản sự kiện, k thông tin, n người q ói, hình ản nhau… ữ liệu đã đ tín hiệu: alog): có an. Một tín có dạng só 1.2.1: a. T 1 : LÝ TH hái niệm h thông dịch ui định cho h, các văn ược chuy dạng sóng hiệu tươn ng như hìn ín hiệu an 3 UYẾT L ay các ch hay xử lý dữ liệu th bản, tập hợ ển đổi, xử như hình g tự có thể h (b), là tí alog ; b. T http IÊN QU ỉ thị được bởi con n eo các qui p các con lý cho ph (a), là các số hóa để n hiệu mà ín hiệu dig ://www.eb AN diễn tả dư gười hay m ước cụ thể số, các ký ù hợp với tín hiệu có trở thành biên độ ch ital ook.edu.v ới một hìn áy móc. . Tin tức c hiệu, thôn môi trườn giá trị biế tín hiệu số ỉ có 2 giá t n h ó g g n . rị Tí Ph Bă cá đư nh n hiệu: ổ của tín ng thông Bởi vì m c sóng hìn ơng với v au, chúng hiệu: của kênh ột tín hiệ h sin, nên iệc truyền có thể đến Hì H truyền (B u bất kỳ c ta có thể tải các só nơi với đ 14 nh 1.2.2: D ình 1.2.3: P andwidth): ó thể được xem rằng ng hình sin ộ suy giảm ạng tín hiệ hổ tín hiệ xem như , sự truyề thành ph là khác http u u là một sự n tải một ần. Vì tần nhau, một ://www.eb kết hợp củ tín hiệu b số của ch trong số c ook.edu.v a một chuỗ ất kỳ tươn úng là khá húng có th n i g c ể kh cá có bê th nế bă cà cá Ví th Bă ha dụ ca ông còn n c tín hiệu tần số lớn n nghe là c ông của m Nói mộ u như tần ng thông c ng có nhiề c kênh truy dụ :độ rộ anh có thể ng tần: Được g y 1 tín hiệ ng để thu n nhiễu củ hận ra đượ hình sin có hơn f2 cũ ác tín hiệu ột kênh tru t các khác số của các ủa kênh t u tín hiệu đ ền có băn ng băng th nghe được iới hạn bở u nào cả , phát tín hi a các hệ th c. Nếu ta đ tần số nh ng được x có tần số yền. , với một tí sóng hình ruyền. Chú ược truyề g thông rộn ông của k nằm ở kh Hình 1.2. i tần số Fm nó đơn thu ệu ( việc q ống với nh 1 ịnh nghĩa ỏ hơn f1 đ em là bị m nằm giữa f n hiệu phứ sin thành ng ta cũn n đến nơi. g. ênh truyền oảng tần số 4: Băng th ax và Fmi ần là 1 dải uy định q au). 5 một ngưỡn ược xem n ất. Nhữn 1 và f2. K c tạp bất k phần của g nhận thấ Chính vì th điện thoạ từ 300 Hz ông của kê n nhưng b tần số mà uản lý dải http g còn “ngh hư bị mất. g tín hiện hoản tần số ỳ, tín hiệu nó có tần y rằng, bă ế chúng ta i là 3400 đến 3400 nh truyền ăng tần ko cho phép tần là rất q ://www.eb e” được A Tương tự có thể nhậ này được này sẽ truy số nằm tr ng thông c thường q Hz vì các Hz. gắn với 1 các hệ thố uan trọng ook.edu.v 0, thì tất c các tín hiệ n ra được gọi là băn ền tải đượ ong khoản àng lớn th uan tâm đế tín hiệu âm kênh truyề ng có thể s để tránh s n ả u ở g c g ì n n ử ự Ph Tố ch cầ tố ổ âm của t c độ bit: Trong h ất lượng d n đề cập đ c độ bit củ hoại: ệ thống v ịch vụ cao ến tầ