Thiết kế thiết bị ngoại vi không dây chuẩn USB hỗ trợ điều khiển, cấu hình hệ thống

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu và thiết kế một thiết bị ngoại vi không dây chuẩn USB (Universal Serial Bus) được gọi là “Touch USB”, thông qua thiết bị này nhiều ngoại vi khác nhau có thể kết nối với máy tính qua cổng USB.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế thiết bị ngoại vi không dây chuẩn USB hỗ trợ điều khiển, cấu hình hệ thống Nghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÔNG DÂY CHUẨN USB HỖ TRỢ ĐIỀU KHIỂN, CẤU HÌNH HỆ THỐNG Nguyễn Trung Hiếu*, Hoàng Văn Hữu, Vũ Văn Thuận Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu và thiết kế một thiết bị ngoại vi không dây chuẩn USB (Universal Serial Bus) được gọi là “Touch USB”, thông qua thiết bị này nhiều ngoại vi khác nhau có thể kết nối với máy tính qua cổng USB. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thiết kế thiết bị phần cứng, phần mềm điều khiển, viết chương trình điều khiển giao tiếp ngoại vi của một số thiết bị khác nhau kết nối với máy tính thông qua Touch USB. Việc sử dụng thêm module nRF24L01 giúp thực hiện truyền dữ liệu không dây từ thiết bị ngoại vi đến máy tính qua đó có thể thực hiện cấu hình từ xa cho máy tính/bộ xử lý trung tâm một cách tiện lợi chỉ thông qua Touch USB. Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày việc thiết kế Touch USB và đề xuất các ứng dụng của nó trong thực tế. Từ khóa: USB; STM32F103; nRF24L01; Vi điều khiển, touchpad; Cảm ứng điện dung. 1. GIỚI THIỆU Trong thời đại bùng nổ công nghệ ngày nay, những thiết bị điện tử như Laptop, Tablet, Smart Phone, Smart TV,... gần như hiện diện ở mỗi gia đình, được trang bị cho mỗi cá nhân nhằm phục vụ công việc và nhu cầu cuộc sống, kèm theo đó là sự ra đời của các thiết bị ngoại vi phụ trợ giúp chúng ta sử dụng tối đa chức năng, kết nối và giúp cho các thiết bị điện tử thông minh hơn, có thể kể đến như Wireless mouse [1], presentation equipment [2],... Hơn nữa, để sử dụng nhiều thiết bị ngoại vi cùng lúc chúng ta cần đến USB hub [3]. Khi một chiếc máy tính xách tay (laptop) bị hỏng bàn phím (keyboard) hoặc chuột (mouse) hoặc cả hai, giải pháp đầu tiên chúng ta nghĩ đến là thay mới, nhưng khi thay mới chỉ để sử dụng một vài lần thì rất tốn kém, chưa kể đến một số loại rất hiếm linh kiện và cần nhiều thời gian để sửa chữa, thay thế. Trong tình huống như vậy, câu hỏi được đặt ra là không cần thay thế có thể dùng laptop khác để điều khiển chiếc laptop bị hỏng đó được không? Sự việc tưởng chừng đơn giản nhưng đến nay vẫn chưa có phương án đảm bảo thực hiện điều này một cách đơn giản và hiệu quả, chính điều đó đã thôi thúc chúng tôi tìm kiếm giải pháp xử lý trước hết vấn đề trên, ngoài ra tiến hành nghiên cứu, phát triển các ứng dụng có liên quan. Nội dung bài báo sẽ trình bày về quá trình nghiên cứu, thiết kế Touch USB giúp sử dụng nhiều thiết bị ngoại vi cùng một lúc mà không cần sử dụng USB hub. Sự tiện dụng được tăng lên khi có thể sử dụng các thiết bị ngoại vi để điều khiển 2 thiết bị mà chúng ta đang làm việc. Touch USB ngoài việc có thể tích hợp được các ngoại vi còn có sẵn một số phím cảm ứng và mọi điều khiển đều thực hiện bằng truyền dữ liệu không dây. Một điểm đặc biệt là Touch USB được thiết kế giúp cho chúng ta có thể cấu hình thiết bị trực tiếp hoặc từ xa thông qua file cấu hình đơn giản, phổ biến dưới định dạng “*.txt”. Bài báo được bố cục gồm 5 phần. Phần II tóm tắt cơ sở lý thuyết, trong khi phần III trình bày về thiết kế Touch USB gồm phần cứng và phần mềm điều khiển, phần IV tóm tắt tính năng, ứng dụng của Touch USB và cuối cùng là kết luận. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giao tiếp USB USB là một giao thức nối tiếp tốc độ cao, có thể cung cấp điện cho các thiết bị kết nối với nó [4]. Khoảng cách tối đa cho phép truyền dữ liệu từ một thiết bị đến máy chủ của nó là khoảng ba mươi mét, thực hiện bằng cách sử dụng 5 hub [5]. Vi điều khiển STM32F103 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 57, 10 - 2018 73  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử hỗ trợ giao tiếp USB với tốc độ Full Speed (12Mbps) có khả năng kết nối với một giao diện USB Host [6]. Khối giao diện này bao gồm Layer1 và Layer2 đảm nhận chức năng truyền vật lý và truyền dữ liệu logic. Ngoài ra, hỗ trợ đầy đủ chế độ Suspend và Resume nhằm tiết kiệm năng lượng. 2.2. Phương thức truyền dữ liệu không dây qua sóng RF Module nRF24L01 truyền nhận dữ liệu với khả năng kết nối point-to-point (2 node mạng), hoặc network (nhiều node mạng), sử dụng sóng radio 2.4GHz [7]. Module này được điều khiển theo giao thức SPI, là chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select). 2.3. Ngoại vi không dây Các thiết bị ngoại vi (ví dụ: keyboard, mouse, trackball, touch pad, joysticks, và game controllers) thực hiện truyền dữ điều khiển thông qua sóng RF. Dữ liệu từ các ngoại vi sẽ được vi điều khiển xử lý và truyền đi thông qua modul nRF24L01 phục vụ điều khiển các thiết bị nhận. Giao diện ngoại vi không dây [8] được sử dụng để ghép nối với thiết bị ngoại vi với máy tính chủ hoặc bộ điều khiển. 2.4. Cảm ứng điện dung Cảm ứng điện dung sử dụng các thuộc tính điện từ của thân thể con người để phát hiện tiếp xúc [9]. Với cảm ứng điện dung, các thao tác chạm dù là rất nhẹ cũng có thể được ghi nhận giúp cho việc cảm ứng trở nên dễ dàng hơn so với các công nghệ khác. Công nghệ này được sử dụng để thiết kế các phím cảm ứng cho Touch USB [10]. 3. THIẾT KẾ TOUCH USB 3.1. Sơ đồ khối hệ thống Với mục tiêu thiết kế bộ giao tiếp chuẩn USB mà qua đó các thiết bị ngoại vi có thể thực hiện/truyền các lệnh điều khiển tới trung tâm/máy tính, sơ đồ khối thiết kế Touch USB được trình bày trong hình 1. - Khối phát (TX): là một máy tính hoặc là Touch Keypad được kết nối với thiết bị phát. Nhiệm vụ của khối phát là thực hiện nhận dữ liệu từ máy tính cá nhân hoặc Touch Keypad, đóng gói dữ liệu và truyền sang bên thu. Trường hợp sử dụng máy tính thì dữ liệu được nhập ...