Đồ án Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Lời nói đầu Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã tạo lên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của mình mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hoá công việc.Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) và ngược lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng, hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng như những kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trưòng Trong suốt thời gian qua, với những kiến thức được học ở trường cùng với sự giúp đỡ của th.s.Hà Mạnh Đào và các thầy cô trong trung tâm, chúng em đi sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) và ngược lại (DAC). Tuy đề tài không phải là mới nhưng hiểu được nó và ứng dụng nó có ý nghĩa hết sức thiết thực. Nó chính là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hoá đơn giản, cũng như là những hệ thống phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống Do kiến thúc còn hạn chế, cộng với thời gian tích luỹ chưa nhiều nên bản đồ án này không tránh khỏi thiếu sót và còn nhiều vấn đề chưa đề cập đến hoặc có nhưng chưa đi sâu, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn trong chuyên ngành phần cứng nói riêng và trong toàn trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa nói chung Chúng em xin chân thành cám ơn th.s.Hà Mạnh Đào cùng các thầy cô trong trung tâm đào tạo công nghệ cao bách khoa đã tận tình hướng dẫn và tạo nhiều điều kiện tốt trong quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn thành bản đồ án này Phần mở đầu Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu qủa cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội.Tiếp nhận những thành tựu của khoa học- kỹ thuật đó, ngày nay việc gia công, truyền đạt và xử lý tín hiệu trong các thiết bị điện tử từ đơn giản đến hiện đại đều dựa trên cơ sở nguyên lý số , vì những thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý số có những ưu điểm hơn hẳn cá thiết bị làm việc trên cơ sở nguyên lý tương tự, đặc biệt là trong kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lường và điều khiển và đặc biệt hơn với sự giúp đỡ của máy tính được ứng dụng rộng rãi ngày nay.Với sự ra đời các hệ thống số đã cải thiện , tối ưu những nhược điểm mà kỹ thuật tương tự không đáp ứng được chẳng hạn như sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn hao .v.v... Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm các đại lượng vật lý, hoá học, sinh học... là các đại lượng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác nó là các đại lượng tương tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tương tự với nguồn xử lý số, nghĩa là để xử lý tín hiệu thông qua một hệ thống số ta phải có các mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau khi đã được chuyển đổi được xử lý qua một hệ thống xử lý tín hiệu số và được trả lại dạng tín hiệu ban đầu, đó là tín hiệu tương tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tương tự DAC (The Digital to Analog Convertor ). Ngày nay, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò hết sức to lớn và thâm nhập ngày càng sâu vào đời sống kinh tế, xã hội và đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển những ngành khoa học mới, đơn cử như những hệ thống tự động hoá đo lường và điều khiển bằng máy tính mà ta sẽ đè cập dưới đây. Để mở rộng tầm ứng dụng, cũng như khả năng can thiệp sâu của kỹ thuật máy tính vào các lĩnh vực khác nhau. Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ giữa chúng, nghĩa là khả năng kết nối máy tính cũng như việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu và nhiẹm vụ cụ thể cũng như vật tư thiết bị có trong tay mà việc thiết kế một hệ thống ghép nối máy tính khác nhau với nhiều mục đích khác nhau. Đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong đo lường và điều khiển tự động. Tuy nhiên, để có được điều đó cần phải có sự phối ghép giữa hai nguồn tín hiệu đó là nguồn tín hiệu tương tự và nguồn tín hiệu số. Việc này hết sức quan trọng và không thể thiếu được trong hệ thống xử lý số, không những thế việc nghiên cứu tìm hiểu nó cho ta biết được khả năng làm việc, đọ chính xác của hệ thống cũng như độ tin cậy của hệ thống Phần 1 Tổng quan về kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng trong đo lường và điều khiển bằng máy tính Chương 1 Chuyển đổi tương tự – số ADC (The Analog to Digital Convertor) 1 .Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tương tự – số (ADC basic principles) Tín hiệu tương tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian. Để chuỷên đổi tín hiệu tương tự sang dạng tín hiệu số đòi hỏi phải lượng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tục. Để có được điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những khoảng thời gian như nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số. Như vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là: - lấy mẫu - nhớ mẫu - lượng tử hoá - mã hoá 1.1. Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample) Việc lấy mâũ tín hiệu tương tự tại những khoảng thời gian sao cho tín hiệu số được mã hoá có thể khôi phục lại tín hiệu cũ một cách trung thực, ít ảnh hưởng của nhiễu và sai số do quá trình lấy mẫu. Theo định lý lấy mẫu của Kacchenikop hay định lý lấy mẫu của Sharnon thì để khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu thì tần số của tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu bằng hai lần tần số lớn nhất của phổ tín hiệu tương tự: (1). Với: là tần số max của dải phổ tín hiệu tương tự cần chuyển đổi là tần số lấy mẫu Nếu: thì ta gọi tần số lấy mẫu này là tàn số Nyguist. Chu kỳ Nyguist: (2). 0 t U,i 0 t U,i Hình 1. Tín hiệu tương tự và tín hiệu sau khi lượng tử và rời rạc hoá Như vậy, một tín hiệu tương tự có hàm tin x(t) nào đó xác định trong khoảng () hoàn toàn có thể khôi phục từ các mẫu rời rạc của nó x(k.) theo công thức: X (t) = .x(k.). (3). Với : tần số cao nhất trong phổ x(t) : bước rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: (4). (tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao nhất của x(t) ) Như vậy số mẫu cần lấy là: (5). Gỉa sử coi như bề rộng phổ của âm thanh chất lượng cao có tần số là : .Như vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý trên : 2. Lượng tử hoá và mã hoá tín hiệu (signal Coding and Quantization). Sau khi tính toán xác định tần số lấy mẫu của tín hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta được dãy các giá trị rời rạc.Thực hiện việc lượng tử hoá biên độ của tín hiệu tương tự, là biến dãy các giá trị rời rạc bất kỳ đó thành dãy các giá trị nguyên x(k) bằng cách hết sức đơn giản là quy trò các giá trị đó. Tuy nhiên, phải xác định được mức quy tròn (giá trị này gọi là mức lượng tử hoá), điều này sẽ gây ra sai số lượng tử hoá , tất nhiên ta có thể hạn chế sai số này một cách tối thiểu là tăng tần số lấy mẫu. Số mẫu càng lớn thì sai số càng nhỏ, điều này thể hiện qua số bit đầu ra củ bộ chuyển đổi, người ta dựa vào tham số này để đánh giá chất lưọng chuyển đổi cũng như độ trung thực của tín hiệu khôi phục. Công thức lượng tử hoá: (5). Với: E là phần nguyên. VD: Ta có các giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu tín hiệu như sau: Giá trị rời rạc sau khi lấy mẫu X(k.t) Giá trị sau khi quy tròn 11.7 12 10.3 10 13.8 14 18.2 18 22.6 23 24.9 25 14.1 14 Bảng 1. Gía trị rời rạc sau khi lấy mẫu và sau khi quy tròn Sau khi thực hiện xong việc lượng tử hoá từ các tín hiệu rời rạc, ta thực hiện việc mã hoá tín hiệu số. Trước hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân thì cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu là bao nhiêu, để có dược điều này thì phải dựa vào giá trị lớn nhất của mẫu. Với con số thập phân, nếu sử dụng 4 con số hập phân để viết 1 con số thập phân thì phải thoả mãn điều kiện: < số thập phân < Tương tự với số nhị phân: (6). Như vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá là n bit. Chẳng hạn: Số bit trong mỗi từ mã là 5 bit. Vậy ta có công thức để xác định số bit là: suy ra: . (7). Ngoài ra, nếu con số biểu diễn là các con số đại số thì còn có cả số âmvà số dương cho nên trong từ mã còn có thêm một bit nữa là bit dấu để phân biệt số âm và số dương . Trên cơ sở đó ta thực hiện mã hoá các giá trị trên : x(0.t) = (12)= 01100 x(1.t) = (10) = 01010 x(2.t) = (14) = 01110 x(3.t) = (18) = 10010 x(4.t) = (23) = 10111 x(5.t) = (25) = 11001 x(6.t) = (14) = 01110 Để đánh giá chất lượng chuyển đổi nghĩa là độ trung thực của tín hiệu khôi phục người ta xác định sai số lượng tử cực đại: Sai số lượng tử cực đại: Sai sốlượng tử càng nhỏthì độ trung thực của tín hiệu sau khi khôi phục càng cao Như vậy, sau khi tín hiệu tương tự được lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) và mã hoá (lượng tử hoá về biên độ) nó chuyển thành tín hiệu số này là các giá trị rời rạc đó. Cách biểu diễn theo hệ thập phân thường dùng để chỉ thị số đo, còn trường hợp mạch biến đổi AD là các thiết bị số thì thường dùng hệ cơ số 2 (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số. Gỉa sử gọi tín hiệu tương tự là , tín hiệu số là , được biểu diễn dưới dạng mã nhị phân như sau:(8). Trong đó, các hệ số hoặc bằng 1 (với k=0 đến k=n-1) và được gọi là bit (binary digit). Trong đó, bit có trọng lượng lớn nhất ở bên trái và bit có trọng lượng nhỏ nhất ở bên phải.ở đây là bit có trọng lượng nhỏ nhất. Như vậy, với một mạch biến đổi có N bit nghĩa là có N số hạng trong dãy mã nhị phân thì mỗi nấc trên hình chiếm một giá trị: (9). Trong đó: - là giá trị cực đại cho phép của diện áp tương tự đầu vào ADC - là mức điện tử 2.các tham số cơ bản đặc trưng cho chuyển đổi tương tự số + Dải biến đổi của điện áp tương tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi AD có thể thực hiện chuyển đổi được. Khoảng điện áp đó có thể lấy các giá trị số từ 0 đến một số dương hoặc âm nào đó. Số các số hạng của mã số của đầu ra (số bit trong mã nhị phân) tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ: Một ADC có số bit ở đầu ra N=12, nghĩa là một từ mã có 12 con số nhị phân thì ADC có thể phân biệt đuợc =4096 mức điện áp trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Độ phân biệt của một ADC được ký hiệu là Q (được xác định theo công thức (4) ở trên). Như vạy, ta có thể ngầm hiểu số bit N để đặc trưng cho độ chính xác. Tuy nhiên, ngoài số bit đặc trưng cho độ chính xác của bộ chuyển đổi trong thực tế liên quan đến độ chính xác của ADC còn có những tham số khác như: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại Lý tưởng Thực Méo phi tuyến Sai số khuếch đại Sai số đơn điệu Sai số lệch không 000 001 010 011 100 101 110 111 Hình 2. đặc tyuến lý tưởng và thực của bộ chuyển đổi ADC Như vậy, so sánh hai đường đặt tuyến truyền đạt lý tưởng của ADC là một đường bậc thang đều và có độ dốc trung bình bằng 1. Đường đặc tuyến thực có sai số lệch không và là một hình bậc thang không đều do ảnh hưởng của sai số khuyếch đại, của méo phi tuyến và sai số đơn điệu. Trong đó, sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bình của đường đặc tuyến thực với độ dốc trung bình của đường đặc tuyến lý tưởng. Sai số phi tuyến được đặc trưng bởi sự thay đổi đọ dốc đường trung bình của đạc tuyến thực trong dải biến đổi của điện áp vào. Sai số này làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang không đều. Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất cũng do tính phi tuyến của đường đặc tính biến đổi gây ra. 3.Cấu tạo, sơ đồ khối và nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition) Mạch lấy Mẫu ADC Lượng tử hoá Mã hoá UM UA UA UA UA hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc của ADC Như vậy, một bộ chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch lượng tử hoá tín hiệu và mạch mã hoá tín hiệu. 3.2. Nguyên tắc làm việc của ADC (ADC Working Principle) Trước hết, mạch láy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa tới mạch lượng tử hoá để thực hiện làm tròn với biên độ chính xác: . Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu ra của bộ chuyển đổi. 4. phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC . Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tương tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này có 4 phương pháp biến đổi AD như sau: a.Phương pháp chuyển đổi song song: Trong phương pháp nàytín hiệu được so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn. Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. b.Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. c. Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần, do đó các bit được xác định lần lượt từng bit có nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất. d. Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phương pháp này mỗi bước so sánhcó thể được xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. Như vậy, có rất nhiều phương pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thưc tế làm việc theo nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theo những phương pháp trên. Trong quá trình thiết kế một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lường số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống như tốc độ,độ chính xác vật tư hiện có mà lựa chọn phương pháp chuyển đổi khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau, chính vì vậy việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phương pháp cũng như từng mạch cụ thể là nhiệm vụ của người thiết kế. Sau đây ta tìm hiểu từng phương pháp chuyển đổi: 4.1. Bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp tích phân một sườn dốc (the Ramp type ADC). 4.1.1. Sơ đồ khối : Bộ tạo U tuyến tính Bộ so sánh 2 Bộ tạo cửa thời gian Bộ đếm xung Bộ tạo xung đệm Bộ điều khiển Bộ so sánh 1 U0 + Ux U0 2n 21 20 Hình 4. Sơ đồ khối phương pháp tích phân một sườn dốc u U0 + Ux U0 t USS1 t USS2 t Uxung cửa DT Uxung chuẩn Uxung điểm t t t Hình 5 : Giản đồ thời gian  4.1.2.Nguyên lý làm việc Bộ điều khỉên tạo xung điều khiển(Xung Clock), xung này có nhiệm vụ xoá “0” bộ đếm và tạo điện áp răng cưa.Nó chính làbộ tạo điện áp mẫu có độ méo nhỏ Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp cần đo với điện áp chuẩn. Một đầu ra Bộ so sánh 2 đầu vào hình 6. bộ so sánh Khi đặt 2 điện áp đầu vào bằng nhau thì có xung ra tại thời điển .Xung ra này kích bộ tạo cửa thời gian là Triger ó hai trạng thái ổn định và làm cho bộ cửa thời gian từ trạng thái “0” chuyển sang trạng thái “1”. Sau khi có điện áp vào bộ so sánh 2 thì nó sẽ so sánh giá trị và đưa ra xung đếm tại thời điểm . Xung đếm này làm cho bộ tạo xung chuyển trạng thái từ trạng thái “1” sang trạng thái “0” , đồng thời mở cửa để bộ tạo xung đếm lọt qua, các xung này sẽ được lưu trữ tại các thanh ghi của bộ đếm xung. Trong thực tế, thường sử dụng các vi mạch khuyếch đại thuật toán làm bộ so sánh. Ta thấy rằng ở sơ đồ nguyên lý ngoài điện áp cần cho điện áp .Điện áp là điện áp được tạon ra nhằm mục đích đo chính xác giá trị của điện áp vì khi bắt đầu quá trình chuyển đổi nó chưa ổn định do tính không đường thẳng. Ta có: (10) Với: (11) Suy ra: (12). Vì = const = Giả sử i = 0 = n. 4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục. Để thực hiện đo lường và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép nối chuyển đổi tương tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của nó, ta còn phải biết tính năng đo lường cũng như độ chính xác của từng bộ chuyển đổi. Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp trên phụ thuộc vào các yếu tố gì ? * Để trả lời cho câu hỏi trên ta phải xem xet từng yếu tố tuỳ thuộc: Các điện áp chuẩn + Diện áp răng cưa khong tuyến tính + Tần số không ổn định có sai số tương đối lớn lớn Do nhiễu xung can thiệp vao mạch biến đổi Do sự không đồng bộ giữa xung mở cửa và chuỗi xung chuẩn dẫn đến sai số phương pháp đo * cách khắc phục: Trước hết phải tạo điện áp chuẩn thật chuẩn g% nhỏ, sai số doTần số nhỏ nhỏ Giảm sai số phương pháp, tăng tần số xung chuẩn, tuy nhiên cũng phải phụ thuộc vào độ phân giải của bộ đếm xung. 4.2. Bộ chuyển đổi AD theo phương pháp tích phân hai sườn rốc. (The dual-slope integerating type A/D converter) 4.2.1. Sơ đồ khối cấu tạo. Bộ đệm Mạch Logic Đếm Z0 Tạo xung nhịp R c Uc Uch Ua Mạch tích phân A1 Bộ so sánh A2 Mạch ADN U0 Hình 7. sơ đồ khối cấu tạo bộ chuyển đổi theo phương pháp hai sườn dốc UC UA t t1 t2 t’2 0 U’c1 U’c2 Hình 8. giản đồ thời gian 4.2.2. Nguyên lý hoạt động. Mạch logic điều khiển, điều khiển cho khoá K ở vị trí 1 thì điện áp tương tự cần chuyển đổi nạp điện cho tụ C thông qua điện trở R tại thời điểm . Khi đó ở đầu ra của mạch tích phân Có điện áp được tính theo công thức sau: (13). R C Uchuẩn Uc Hình 9. mạch tích phân Như vậy, tỷ lệ với. Tuỳ theo lớn hay bé mà đặc tuyến của có độ dốc khác nhau. Trong thời gian , bộ đếm cũng đếm các xung nhịp. Sau khi nạp điện áp cần đo cho tụ điện C, mạch logic điều khiển sẽ chuyển khoá K sang vị trí 2 đồng thời tín hiệu từ mạch logic cũng được đưa đến mạch AND ( mạch “Và”) và làm chomạch AND thông khi có xung nhịp tác động. Tại thời điểm này, mạch đếm ở đầu ra bắt đầu thực hiện đếm và mạch đếm được mạch logic điều khiển về vị trí nghỉ. Khi K ở vị trí 2, điện áp chuẩn bắt đầu nạp điện cho tụ C theo chiều ngược lại, phường trình nạp là: (14). Gỉa thiết sau thời gian thì , nghĩa là điện áp trên tụ C bằng “0” vì hai điện áp được nạp vào tụ có nhiều cách khác nhau. Như vậy ta có: (15) Số xung đưa đến mạch đếm trong thời gian là: (16). Trong đó là tần số của dãy xung nhịp từ đó suy ra . Thay vào (15) ta được: (17). Do đó xung nhịp đếm được nhờ mạch đếm ở đầu ra trong khoảng thời gian là: (18). Sau thời gian mạch đếm ra bị ngắt vì điện áp trên tụ = 0 và mạch logic đóng cổng AND .Qúa trình lặp lại tương tự trong quá trìng chuyển đổi tiếp theo. Như vậy, theo công thức ta thấy số xung đếm được ở đầu ra tỷ lệ với điện áp tương tự cần chuyển đổi. ở đây, kết quả đếm không phụ thuộc vào các thông số RC của mạch và cũng không phụ thuộc vào tần số fn . chính vì lẽ đó kết qủa chuyển đổi cũng khá chính xác, tuy nhiên yêu cầu cần thiết là tần số nhịp phải có độ ổn định cao nghĩa là giá trị tần số xung nhịp phải như nhau trong khoảng thới gian t1 ,t2 Tóm lại, trong phương pháp này.ta dã làm cho điện áp cần chuyển đổi UA Tỷ lệ với thời gian (t1,t2 ) rồi đếm số xung nhịp xuất hiện trong khoảng thời gian đó. Phương pháp này cho ta chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số có độ chính xác cao. 4.3 Phương pháp chuyển đổi song song hay phương pháp so sánh trực tiếp. (Comparaison directe). 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý. UA Uch 7V/8 3V/8 5V/8 V/2 3V/8 V/4 V/8 V/2 R R R R R R R R Mã Hoá Lối vào Lối ra 1111111 000 0111111 001 0011111 010 0001111 011 0000111 100 0000011 101 0000001 110 0000000 111 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Hình 10. sơ đồ nguyên lý phương pháp chuyển đổi song song 4.3.2.Nguyên lý hoạt động Trong phương pháp chuyển đổi này, tín hiệu tương tự cần chuyển đổi UA cần chuyển đổi được đưa đồng thời tới đầu vào cá bộ so sánh. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào còn lại của các bộ so sánh qua thanh điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp vào lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thanh điện trở có mức logic “1”, ngược lại các đầu ra của các bộ so sánh co điện áp vào nhỏ hơn điện áp chuẩn có mức logic “0. Tất cả các đầu ra của các bộ so sánh được nối vào mạch AND có một đầu được nối vào một mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp được đưa đến tác động vào đầu mạch AND thì các xung ra của các bộ so sánh mới được nạp vào bộ nhớ là các Flip-Flop.Các xung sau khi được nhớ vào mạch nhớ nó được ma hoá thành dạng nhị phân. Như vậy, cúu sau một khoảng thời gian bằng một chu kỳ xung nhịp thì lại có một tín hiệu được chuyển đổi. Như vậy, bộ chuỷên đổi tương tự-số làm việc theo phương pháp chuyển đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh vì quá trình so sánh được thực hiện song song cùng một khoảng thời gian. Tuy nhiên, kết cấu mạch phức tạp với số linh kiện quá lớn. Với bộ chuỷên đổi N bit, để phân biệt được 2n mức lượng tử hoá thì phải dùng tới (2N - 1) bộ so sánh. Chính vì lẽ đó bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp chuyển đổi này chỉ đựoc sử dụng trong hệ thống chuyên dụng có yêuc cầu số bit N nhỏ và tốc độ chuyển đổi cao. Ngày nay, người ta đã chế tạo đượ card ADC7 bit tần số fC = 15MHZ. 4.4.Bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp (The Successive-approximation type ADC) 4.4.1. sơ đồ khối cấu tạo. Phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp là phương pháp phổ biến cho các kiểu ADC do tính năng tốc độ, độ chín xác và tính dễ thiết kế của nó. Nó hoạt động nhờ việc so sánh thế được sinh ra với thế nối vào. Một mạch dãy và một mạch chuyển đổi số-tương tự ADC, một đồng hồ xung nhịp và một thanh ghi xấp xỉ liên tiếp SAR . Mạch dãy liên tục tạo ra các mức điện áp so sánh DAC N-Bit Xung nhịp điều khiển khởi động qua trình chuyển đổi Bit 1 Bit N Hình 11. Sơ đồ khối phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp 4.4.2. Nguyên lý hoạt động. Nguyên tắc làm việc chủ yếu là dựa trên cơ sở “đúng” và “sai”. Tín hiệu lối vào được xấp xỉ liên tiếp bằng một nửa độ lớn của bước trước đó. Ban đầu nó kiểm tra xem nếu điện thế lối vào Vin lớn hơn một nửa khoảng điện thế (VRanger ) của ADC. Gỉa sử rằng lối ra “là đúng” thì phép xấp xỉ tiếp theo sẽ kiểm tra xem nếu Vin lớn hơn (1/2 + ẳ) giải điện áp VRanger .Qúa trình này sẽ lặp lại cho đến khi thế vào xấp xỉ đủ chính xác . Các điện áp mẫu được tạo ra bằng bộ chia mẫu điện áp. Số lượng điện áp mẫu tương ứng với số bậc của bộ biến đổi hay là só bit của từ mã nhị phân ở đầu ra bộ chuyển đổi t t 1 0 0 1 0 1 0 V max V xấp xỉ 1/2V ranger Hình 12. Giản đồ thời gian Bộ khuyếch đại thật toán ở đây sử dụng để so sánh hai giá trị điện thế ở cùng độ lớn (Biên độ của tín hiệu tương tự), nếu không sử dụng ở chế độ phản hồi. Lối ra của bộ khuyếch đại lý tưởng là +0.5 volt, nếu V+ > V- và bằng –15 volt nếu V+ < V- Những mạch như vậy được gọi là bộ so sánh(comparator) .Trong trường hợp này, Vout là giới hạn về không tương ứng với 5 volt đẻ lối ra có thể tương thích mức TTL . Ngoài bộ so sánh được sử dụng trong bộ chuyển đổi này còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số nhị phân thành thế tương tự tương ứng với độ lớn (Biên độ của tín hiệu tương tự) với giá trị số đó . Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể làm việc trong thời gian rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao. Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là bộ DAC và bộ so sánh. Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai số cả các thiết bị so sánh. Chương 2. Chuyển đổi số - tương tự DAC (The Digital to Analog Convertor) Chuyển đổi số –tương tự (DAC) là một khâu không kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính. Để điều khiển một hệ thống như điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò nhiệt dùng trong công nghiệp haynhư điều khiển động cơ điện ... thì máy tính cần phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này là tín hiệu số vì thế trong hâù hết các hệ thống tự động hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tương tự (dòng điện và điện áp biến thiên liên tục).Mạch điện thực hiện chức năng này là mạch chuyển đổi số- tương tự(DAC). Như vậy, mạch chuyển đổi tương tự-số sẽ thực hiện chuyển đổi từ n bit(Binary Digit) thành 2n giá trị điện áp khác nhau, các điện áp này đựơc lấy ra từ một diện áp so sánh xác định. Nguồn điện áp so sánh có thể tìm thấy ở chính bên trong bộ chuỷên đổi DA hoặc từ một nguồn điện áp từ bên ngoài. Độ phân giải được chỉ ra như là độ rộng của giá trị số được biến đổi.Vì thế, một bộ biến đổi D/A n bit có thể tạo ra 2n giá trị lối ra khác nhau. Khi ta chọn dải điều chỉnh có độ rộng 10v như thường thấy trong công nghiệp, thì sẽ có những bước nhảy điện áp nhỏ nhất như sau: N Độ phân giải Điện áp nhỏ nhất 8 1/256 39.1 mV 10 1/1024 0.97 mV 12 1/4096 0.24 mV 16 1/65536 0.015 mV Bảng 2. Độ phân dải của DAC tương ứng với số bit 1.Sơ đồ khối-nguyên tắc làm việc. Chuyển đổi số-tương tự (DAC) là quá trình làm lại tín hiệu tương tự từ N số hạng hay nói cách khác từ N bit đã biết của tín hiệu so với độ chính xác là một mức lượng tử là LBS . DAC LTD UD UM UA Hình 13. sơ đồ khối quá trình khôi phục tín hiệu tương tự Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu nàyđược đưa qua một bộ lọc thông thấp lý tưởng.Trên đầu ra của bộ lọc có tín hiệu UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um . ở đây bộ loc thông thấp đóng vai trò như một bộ nội suy UM t 0 Hình 14. Giản đồ thời gian 2.các phương pháp chuyển đổi số- tương tự 2.1.Chuyển đổi số-tương tự bằng phương pháp đấu điện trở R-2R Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất ở các bộ chuyển đổi DA. Sự sắp xếp khá đặc biệt của các điện trở đã mang lại nhưỡng ưu điểm nổi bật so với các phương pháp khác .Phần chính của mạng các điện trở có thể xem như là một bộ chia điện áp. Bộ chia này có đặc tính là mỗi điểm nút được đấu tải bằng một điện trở R.Nhờ vậy mà mỗi điểm nút dòng điện di qua được chia theo tỷ lệ 1:1 và đối vói bit cao nhất đi qua điện trở được tính bằng công thức: I = Uref / 2R (15) Còn dòngqua điện trở tiếp theo sẽ là: I = Uref / 2R.0.5(16). Ngoài ra một bộ phận chuyển mạch qua lại sẽ xác định liệu dòng điện sẽ đi xuống mass hay là đi qua điểm lấy tổng của mạch. Mức High đặt ở chuyển mạch sao cho dòng điện đi qua điểm lấy tổng và do vậy đóg góp vào dòng điện tổng cộng. Dòng điẹn tổng cộng ở lối ra OUT1 sau đó được tính theo công thức : I =Uref.n/256.R n ở đây là giá trị byte dữ liệu (kề sát lối ra). Khi chân ra OUT1 với lối vào không đảo của một bộ khuyếch đại thuật toán có điện trở R được đáu như điện trở phản hồi thì điện áp được tính như sau: Ua =-IR = -Uref .n/256 K Uch R 2N 21 2N-1 RN UM Tín hiệu điều khiển số Hình 15. Sơ đồ nguyên lý ADC thang điện trở 2.2.2. Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi AD theo phương pháp thang điẹn trở. ở đầu vào của bbộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở mà trị số của chúng phân bố theo mã nhị phân, các điện trở lân cận nhau có trị số hơn kém nhau 2 lần.Tín hiệu điều khiển chính là tín hiệu số cần chuyển đổi. Bit có trọng số nhỏ nhất (LBS) được đưa đến điều khiển khoá nối với điện trở lớn nhất (R), bit có trọng số lớn hơn, tiếp đó đưa đến điều khiển khoá nối với điện trở nhỏ hơn (R/2)... và MSB nối với điện trở nhỏ nhất (R/2N-1). Nừu 1 bit có giá trị “0” thì khoá tương ứng Nối với đất và nếu một bit có giá tri “1” thì khoá tương ứng nối với nguồn điện áp chuẩn Uch để tạo nên dòng điện tỷ lệ nghịch với trị số điện trởcủa nhánh đó, nghĩa là I0 có trị số nhỏ nhất và IN-1có trị số lớn nhất. Dòng điện sinh ra trong các nhánh điện trở được đưa đến đầu vào bộ khuyếch đại thuật toán, ở đầu ra bộ khuyếch đại thuật toán có điện ra được tính bằng công thức: UM = -RN. (19). Để thực hiện chuyển mạch K trong sơ đồ trên ta có thể sử dụng sơ đồ sau: Uch T2 Tín hiệu điều khiển số T1 Hình 16. sơ đồ nguyên lý chuyển mạch K 2.3.chuyển đổi số-tương tự bằng phương pháp Shannon-Rack. 2.3.1. sơ đồ nguyên lý. K2 K1 C R I Hình17.sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi D-A theo phương pháp mã hoá Shannon-Rack. 2.3.2.Nguyên lý hoạt động. Đây là một quá trìng chuyển đổi nối tiếp từng bit một. Tín hiệu điều khiển số được đưa lần lượt từ LBS đến MSB đến điều khiển K1.Giả sử _gọi thời gian chuyển đổi 1 bit là T thì trong khoảng đầu T/2, K2mở, K1đóng, nếu tín hiệu điều khiển là “1” và mở khi tín hiệu điều khiển là “0”. Khi K đóng thì tụ được nạp. Sang nửa sau của T/2, K1mở, K2đóng, C phóng điệnqua R và UC giảm rần. Quá trình đó lặp lại khi lần lượt đưa ra các bit đến điều khiển K1. Nếu cần chuyển đổi N bit thì thời gian cần chuyển đổi là NT. Sau khoảng thời gian NT điện áp còn lại trên tụ điện chính là điện áp tương tự cần tìm. Tuy nhiên, để có điện áp UC sau mỗi bit (sau khoảng thời gian T) tỉ lệ với bit tương ứng, phải chộn thời gian phóng của tụ điện qua điện trở R theo điều kiện T/2 = 0.7RC sao cho nếu điện áp trên tụ là U0thì sau khi phóng, điện áp còn lại là UC= U0 e- 0.7 = 0.496 U0 phần 2 ứng dụng của máy tính trong đo lường và điều khiển Máy tính (computer) có cấu trúc do Phonnerman đề xuất bao gồm có khối xử lý trung tâm CPU (Center Processing Unit) có chức năng thực hiện các chuỗi lệnh của chương trình đã được ghi vào trong bộ nhớ, bộ nhớ M (Memory) lưu trữ dữ liệu và các chương trình. Ngoài ra còn các cửa vào ra I/O (In/Out Port) đóng vai trò là các khối ghép nối giữa máy tính và các thiết bị ngoài , làm nhiệm vụ rao đổi tin giữa máy tính và môi trường bên ngoài. Ngoài ra còn có các cửa vào ra I/O (In/Out Port) đóng vai trò là các khối ghép nối giữa máy tính và các thiết bị ngoài, làm nhiệm vụ trao đổi tin giữa máy tính và môi trường bên ngoài. Như vậy, ngoài chế độ tự trị (of-line) không nối với các thiết bị ngoài thông dụng như: bàn phím, màn hình, chuột, đĩa từ (đĩa cứng, đĩa mềm, đĩa quang), máy đọc, máy in...Máy tính còn hoạt dộng ở chế độ nối mạch (on-line) hay thời gian thực (real time). ở chế độ này, máy tính nhận các thông số về thông số đo vật lý(nhiệt độ, áp suất,điện áp, dòng điện...) và đưa ra tín hiệu điều khiển cần thiết để điều chỉnh nhằm có một thông số ổn điịnh hoặc tối ưu.Người máy(robot) là một ví dụ đặc trưng của việc ứng dụng kỹ thuật máy tính trong đo lường và điều khiển tự động trong công nghiệp. Muốn thiết kế, bảo quản tốt hệ đo-điều khiểncông nghiệp ứng dụng kỹ thuật ghép nối điều quan trọng thiết yếu là phải nắm vững kỹ thuật máy tính, kỹ thuật viết chương trình điều khiển. Ngoài ra còn phải nắm vững các kỹ thuật ghép nối theo các chế độ song song, nối tiếp, trực tiếp khối nhớ(DMA). Dể thực hiện việc ghép nối máy tính ta có các khả năng lựa chọn: Ghép nối qua cổng song song (cổng máy in hay LPT) Ghép nối qua cổng nối tiếp (cổng COM) Qua rãnh cắm mở rộng Chương 1 Ghép nối qua cổng song song (lpt) 1 cấu tạo cổng song song: Cổng song song có mặt ở hầu hết trên các máy tính PC .cấu trúc của cổng song song rất đơn giản với 8 đường dẫn dữ liệu, 4 đường dẫn điều khiển để chuyển các tín hiệu diều khiển, 5 đường dẫn trạng thái để truyền các thông tin trạng thái từ thiết bị ghép nối trở lại máy tính, một đường dẫn mass chung. Giao diện song song sử dụng các mức TLL, chính vì vậy việc sử dụng cổng song song cho mục đích đo lường đièu khiển rất thuận lợi và đơn giản. tuy nhiên, khoảng cách cực đại giữa cổng song song maý tính PC và thiết bị ngoại vi bị hạn chế vì điện dung ký sinh và hiện tượng cảm ứng giữa các đường dẫn có thể làm biến dạng tín hiệu. Khoảng cách ghép nối trên 3m nên xoắn các đường dẫn tín hiệu với đường nối đất theo kiểu cặp dây xôắn hoặc dùng loại dây cáp dẹp nhiều sợi trong đó mỗi đường dẫn dữ liệu đều nằm giữa hai đường dây nối mass Máy tính 1 Máy in Hình 17.các đường dẫn tín hiệu giữa máy tính và máy in Cổng song song có 8 dường dẫn song song đều được dùng để truyền dữ liệu từ máy tính sang máy in. Trong những trường hợp này, khi chuyển sang các úng dụng để thực hiện nhiệm vụ đo lường ta phải chuyển dữ liệu từ mạch ngoại vi vào máy tính để thu thập và xử ý. Vì vậy, ta phải tận dụng một trong 5 đường dẫn theo hướng ngược lại nghĩa là từ bên ngoài về máy tính để chuyển số liệu đo lường . Tên của tín hiệu Chân số (ô cắm 25 chân) Chân số (ô cắm 36 chân) Truy cập Hướng dữ liệu strobe 1 1 ĐCCS (Bit0) Lối ra D0 2 2 ĐCCS (Bit1) Lối ra D1 3 3 Lối ra D2 4 4 Lối ra D3 5 5 Lối ra D4 6 6 Lối ra D5 7 7 Lối ra D6 8 8 Lối ra D7 9 9 ĐCCS (Bit7) Lối ra Achowledge 10 10 ĐCCS+1(Bit6) Lối vào Busy (báo bận) 11 11 ĐCCS+1(Bit7) Lối vào đảo Paperempty (hết giấy) 12 12 ĐCCS+1(Bit5) Lối vào Select (lựa chọn) 13 13 ĐCCS+1(Bit4) Lối vào Auto linfeed (tự động nạp dòng) 14 14 ĐCCS+2(Bit1) Lối vào/ra đảo Error (mắc lỗi) 15 32 ĐCCS+1(Bit3) Lối vào Reset (thiết lập lại) 16 31 ĐCCS+1(Bit2) Lối vào/ra Select Input (lựa chọn lối vào) 17 36 ĐCCS+2(Bit3) Lối vào/ra đảo Ground (nối đất của tín hiệu) 18-25 19-30,33 Chassis-Ground (nối đất vỏ máy) 17 +5 V 18 Không sử dụng 34,35 Bảng 3.sự sắp xếp các chân trên 2 loại ổ cắm Chức năng của từng chân được mô tả sau dây: Strobe: với một chức năng logic thấp (Low) ở chân này, máy tính thông báo cho máy in biết có một byte sẵn sàng trên đường dẫn tín hiệu để được truyền. D0-D7: các đường dẫn dữ liệu. Achowledge: Với một mức logic thấp (Low) ở chân này, máy in thông báo cho máy tính biết đã nhận được ký tự vừa gửi và có thể tiếp tục nhận Busy: máy in gửi một mức logic cao (High) trong khi đang đón nhận hoặc in ra dữ liệu để thông báo là các bộ đệm của máy in đã bị đầy (Máy in đang ở trạng thái bận) khi đó mý in đặt ở trạng thái Off-Line Paper Empty: Chân này ở mức cao (High) có nghĩa là máy in thông báo giấy đã được dùng hết Select: chân này ở mức cao (High) có nghĩa là máy in đang ở trạng thái kích hoạt (On-line). Auto Linefeed: bằng mộtmức thấp (Low) ở chân này, máy in thông báo cho máy tính biết đã có một lỗi, chẳng hạn bị kẹ giấy hoặc máy in đang ở trạng thái Off-Line Reset: bằng một mức thấp (Low) ở chân này, máy in được đặt trở lại trạng thái được xác định lúc ban đầu Select Input: bằn mộ mức thấp (Low) ở chân này, máy in được lựa chon bởi máy tính Như vậy, thông qua chức năng của các chân này ta thấy được nguyêntắc điều khiển của máy in. Ngoài ra với 8 đường dẫn dữ liệu song song để truyền dữ liệu từ máy tính sang máy in. Trong trường hợp khi chuyển sang các ứng dụng đo lường và điều khiển ta phải chuyển dữ liệu từ máy tính trở lại máy in để thu thập và xử lý, vì thế ta phải tận dụng một trong năm đường dẫn theo hướg ngược lại đẻ máy tính thu thập và xử lý. Tuy nhiên , khi tiến hành ghép nối với cổng song song cần hết sức thận trọng. Khác với cổng nối tiếp , ta có thẻ làm hỏng cổng song song do nhầm lẫ bởi vì các lối ra cổng song song đều là các đường dẫn tương thích TTL không được bảo vệ chống qua tải chính vì lẽ đó khi tiến hànhghép nối với cổng song song cần phải tuân thủ theo các quy tắc sau: + Thiết bị chỉ đựoc ghép nối với cổng song song khi máy tính ở trạng thái ngắt diện + các lối vào chỉ được phép tiếp nhận điện áp giữa 0v-5v + các lối ra không được phép ngắn mạch hoặc đấu nối với các lối ra khác và các lối ra không được phép nối với các nguồn tín hiệu điện áp mà không biết rõ thông số Để có thể ghép nối máy tính với các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều khiển với cổng song song ta phải tìm hiểu cách trao đổi cách trao đổi với các thanh ghi thông qua sự sắp xếp và địa chỉ của các thanh ghi đó. Các đưòng dẫn của cổng song song được nối với 3 thanh ghi 8 bit khác nhau: + Thanh ghi dữ liệu: có địa chỉ cơ sở là 0x387 đối với cổng LPT1 và 0x278 đối với cổng LPT2 +Thang ghi điều khiển: có địa chỉ cơ sở +1 + Thanh ghi trạng thái: có địa chỉ cơ sở +2 Như vậy, có 8 đường dẫn dữ liệu dẫn tới thanh ghi dữ liệu, còn 4 đường dẫn điều khiển (Strobe, auto Linefeed, Reset, Select Input) dẫn đến thanh ghi điều khiển, cuối cùng là 5 đường dẫn trạng thái (Acknowledge, Busy, Paper Emty, Select, Error) dẫn đến thanh ghi trạng thái . Trong đó các đường dẫn phụ trợ dùng cho máy in có 5 lối vào của các thanh ghi trạng thái (Error, Select, Paper Empty, Ackowledge, Busy), từ các lối vào này có một trạng thái được đọc và lấy đảo (Busy) .Các đường dẫn này đều tương thích TTL, nghĩa là cac slối vào hở mạch được xem là đặt lên mức High, do đó chuyển mạch có thể được thực hiệnmột cách đơn giản là nối với mass. Còn địa chỉ cổng (ĐCCS+2) cho phép truy cập lên thanh ghi điều khiển với 4 đường phụ trợ (Strobe, Auto linefeed, Rết, Select Input) qua đó các thông tin điều khiển được xuất từ máy tính sang máy in nhưng đồng thời 4 đường dẫn này cũng có thể được sử dụng để đọc. Dữ liệu được xuất ra qua các lối ra cực góp hở. Các điện trở có trị giá khoảng 3.3KW nối các lối ra lên nguồn +5v. Khi xuất ra các trạng thái High, các đường dẫn có điện trở tương đối cao và có thể chuyển sang trạng thái Low bằng mạch điện bên ngoài. Mỗi trạng thái điều được đọc trở lại qua các lối vào TTL, do đó 4 đường dẫn này có thể sử dụng theo hai hướng dữ liệu. Khi đó ta cần phải chú ý là 3 trong số các đường dẫn (Strobe, Auto Linefeed, Select Input ) đựoc lấy đảo và chỉ có một đường dẫn còn lại (Reset) được giữ nguuyên. 3.Ghép nối máy tính qua cổng song song. Giao diện song song có khả năng xuất ra 8 bit dữ liệu cùng một lúc, thông thường qua giao diện máy in có thể điều khiển, chẳng hạn các mạch logic hoặc các bộ đệm công suất (chịu dòng lớn). Trái ngược với việc xuất ra nối tiếp, việc xuất ra cổng song song với một lệnh cổng đơn giản nhưng cực nhanh, chính vì đăc tính này mà nó được ứng dụng để tạo ra các tín hiệu Analog tần số thấp nhưng với chất lượng cực cao. Bên cạnh đó nó còn được sử dụng để điều khiển những máy móc đơn giản. Để có thể ghép nối máy tính qua cổng song song, ngoài phải biết chính xác địa chỉ của tổng đài, ta còn phải quan tâm đến cổng là loại một hướng hay hai hướng. Sở dĩ ta quan tâm đến điều này bởi vì trong các máy tính đời mới cổng song song có khác hơn so với cổng song song tiêu chuẩn ở trên. Cụ thể là thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển (trong những điêu kiện nhất định) chỉ là một hướng, nghĩa là dữ liệu chỉ có thể trao đổi( đọc hoặc ghi) theo một chiều. Chính vì điều này đã gây không mấy hấp dẫn đối với những ứng dụng đo lường, điều khiển. Trước hết để có thể kể đến sự hạn chế đáng kể khi sử dụng cổng song song vào mục đích đo lường bởi vì ta phải đọc các gái trị số đã được biến đổi từ các giá trị ânlog. Tuy nhiên, ta có thể giải quyết được bằng một vài thủ thuật trong phần cứng và phần mềm, cho dù có thể có những hạn chế. Hình 18. Giao diện song song dùng cho một qua trình điều khiển Hình 19. Giao diện song song dùng cho một qua trình điều chỉnh Do các máy tính đời mới có cổng song song cho phép trao đổi dữ liệu theo kiểu hai hướng, có nghĩa là có hai thanh ghi một hướng và hai hướng nên có thể tận dụng máy tính cho các ứng dụng đo lường và điều khiển. Tuy vậy, trước khi tiến hành ghép nối ta phải kiểm tra xem cổng song song này có hỗ trợ trao đổi dữ liệu hai hướng hay không. Công việc này chủ yếu xem tài liệu nói về phần cứng. Sau đây ta sẽ lần lượt tìm hiểu về giao diện song song một hướng và hai hướng. 3.1 Giao diện song song một hướng Để xét xem giao diện song song một hướng co những khả năng ứng dụng nào trong đo lường và điều khiển: Hình20.Mô tảgiao diện song song một hướng cho một quá trình điềukhiển Trong cách lắp đặt như hình trên dùng đến 12 đường dẫn lối ra và 5 đường dẫn lối vào. Vì vậy mà có thể hình thành một qua trình điều khiển theo kiểu tỷ lệ qua một bộ biến đổi số/tương tự 8 bit hoăch 12 bit với 5 đường dẫn thông báo trở lại. Ngoài ra có thể sử dụng 4 đường dẫn lối ra là 4 đường dẫn lấy từ thanh ghi điều khiển. Đay thực chát là thủ thuật mang tính kỹ thuật mà ta đã nói ở trên- một bộ chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp nhờ một bộ chuyển đổi DA trong đó ta cần thêm một đường dẫn thông báo trở lại. Nhờ vậy mà ta mô phỏng việc nhập dữ liệu từng phần 8 bit hoặc 12 bit. 3.2Giao diện song song hai hướng ô 25 chân ô 9 chân Tên Viết tắt Chức năng 1 Frame Ground FG Chân này được nối với vỏ bọc kim của dây cáp, với vỏ máy hoặc tiếp đất 2 3 Transmit Data TxD Dữ liệu được gửi từ DCE( máy tính hay thiết bị đầu cuối) tới DTE qua đường dẫn TD 3 2 Recive to data RxG Dữ liệu được gửi từ DCE tới DTE qua RD 4 7 Request to Send RTS DTE đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu 5 8 Clear to Send CTS DCE đặt đường này lên mức hoạt động để thông báo cho DTE biết là nó sẵn sàng nhận dữ liệu 6 6 Data set Ready DSR Tính hoạt động giống với CTS nhưng được kích hoạt bởi DTE khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu 7 5 Signal ground SG Tất cả các tín hiệu được so sánh với đất tín hiệu(GND) 8 1 Data Carrier detect DCD Phát tín hiệu mang dữ liệu 20 4 Data Terminal Ready DTR Tính hoạt động rống với RTS nhưng được kích hoạt bởi DCE khi muốn truyền dữ liệu 22 9 Ring Indicate rI Chỉ báo cho DCE đang nhận tín hiệu rung chuông Bảng 4. Bảng các chân và chức năng trên đầu nối 25 chân và 9 chân Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn. Qua chân cắm ra TxD (transmit data), máy tính gửi các dữ kiệu đi, trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được lại được đưa đến chân RxD (Receive Data), còn các đóng vai trò như những tín hiêụ hỗ trợ khi trao đổi thông tin mà thôi. Việc truyền tín hiệu trên chân ra RxD tuỳ thuộc vào đường dẫn TxD. Thông thường, mức tín hiệu nằm trong khoảng giữa từ –12 đến +12v. Các bit dữ liệu được gửi đảo lại. Mức điện áp ra đối mức cao (high) nằm giữa –3v và -12v, múc thấp(low) nằm giữa –3v và +12v Start Bit +12v -12v Hình 22. dòng dữ liệu trên cổng nối tiếp RS 232 ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp -12v. một bit khởi động (Startbit) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bit dữ liệi riêng lẻ sẽ được truyền, trong đó các giá trị dữ liệu thấp nhất sẽ được gửi trước tiên. ở cuối dòng dữ liệu có 1 bit dừng (StopBit) đẻ dặt trở lại trạng thái lối ra(-12v). Tốc độ truỳên dữ liệu được đánh giá bằng tốc độ baud tương ứng với số bit được truyền trong 1 giây. chẳng hạn, tốc độ baud bằng 9600 có nghĩa là có 9600 bit được truyền trong một giây, trong đó có cả bit dữ liệu, bit khởi đầu và bit kết thúc. Chuẩn Rs-232 cho phép truyền tín hiệu trực tiếp trong vòng phạm vi 25m với tốc độ lên tới 19200 baud. Một điều cần lưu ý về khuôn mẫu dạng dữ liệu cần phải được thiết lập như nhau cả bên gửi và bên nhận. Các thông số truyền có thể được thiết lập trong nền hệ điều hành Dó hoặc window. Điều khiển cổng COM Để tạo điều kiện dể dàng cho việc phối ghép điều khiển đường truyền và truyền dữ liểuten cổng COM với hệ VXL 8086, người ta đã chế tạo vi mạch tổ hợp cỡ lớn có khả năng lập trình được. Đó là vi mạch thu phát không đồng bộ vạn năng (UART-Universal Asyncleronous Receiver/Transmitter) IN8250/16550 và vi mạch thu phát đồng bộ- không đồng bộ vạn năng (usart) 8251A. DLA A2 A1 A0 Thanh ghi 0 0 0 0 RBR, THR 0 0 0 1 IE 1 0 0 0 LSB 1 0 0 1 MSB X 0 1 0 iI X 0 1 1 LCR X 1 0 0 MCR X 1 0 1 LSR X 1 1 0 MSR X 1 1 1 Thanh ghi nháp Bảng 5. Địa chỉ các thanh ghi bên trong vi mạch 8250A Chúng ta có thể truy cập và điều khiển cổng COM bằng phần mềm thông qua các thanh ghi đệm dữ liệu thu (RBR), thanh ghi đệm dữ liệu phát (THR), thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IE), thanh ghi cho số chia phần cao (MSB), thanh ghi điều khiển đường dây (LCR), thanh ghi trạng thái đường truyền(LSR), thanh ghi điều khiển Modem (MCR), thanh ghi trạng thái Modem(MSR) bên trong vi mạch 8250A thông qua địa chỉ cổng. Địa chỉ cổng của thanh ghi cụ thể bằng địa chỉ cổng cơ bản + địa chỉ tương đối trên vi mạch. Cổng Địa chỉ cơ bản COM1 Cổng nối tiếp 1 3F8 COM2 Cổng nối tiếp 2 2F8 Bảng 6. Địa chỉ cơ bản của cổng COM1 và COM2 Nội dung của các thanh ghi: Thanh ghi điều khiển đường truyền(LCR): Thanh ghi đệm dữ liệu phát: Ký tự cần phat phải được ghi vào thanh ghi này khi DLAB = 0 Thanh ghi đệm dữ liệu thu (RBR): Dữ liệu qua đường truyền đọc đựoc khi DLAP = 0 Thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IER): Thanh ghi nhận dạng nguồn yêu cầu ngắt(IR): Các mức yêu tiêngán cho các nguồn gây ngắt được ghi trên hai bit ID2, ID1. thứ tự ưu tiên đựơc mô tả trên bảng sau: ID2 ID1 Mức Tên loại ngắt Nguồn gốc ID bị xoá khi 1 1 Trạng thái đường thu Lỗi khung,thu đè, lỗi Parity, giãn đoạn đường truyền lúc thu Đọc LSB 1 0 Đêm thu đầy Đệm thu đầy Đọc RBR 0 1 Đệm giữ phát rỗng Đêm phát giữ rỗng Đọc IIR ghi THR 0 0 Trạng thái Mordem DCTR, DDSR, DRI, DRLST Đoc MSR Bảng 7. các mức ưu tiên gán cho các nguồn gây ngắt trong 8250A Thanh ghi điều khiển Mordem(MCR): Thanh ghi trạng thái Mordem (MSD): Thanh ghi trạng thái đường dây(LSR): ý nghĩa của các bit trong thanh ghi LSR: + RxDR =1: Đã nhận được một ký tự và để nó trong thanh ghi đệm thu (RBR) > Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi RBR. + OE = 1: Có lỗi Parity. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR. + FE = 1: Có lỗi khung. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR. + BI = 1: Khi có tín hiệu ở đầu vào chân thu ở mức thấp lâu hơn thời gian bình thường. Bit này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR + THRE = 1: Khi ký tự được chuyển từ THR đến TSR. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi THR. + TERE + 1: Khi một ký tự đã được phát đi. Bít này bị xoá khi có một ký tự được chuyển từ THR đến TSR Trong các ứng dụng ghép nối đóng vai trò đăc biệt quan trọng là thanh ghi điều khiển Mordem và thanh ghi trạng thái Mordem vì qua các đường dẫn đó các đường dẫn phụ trợ giao diện được tiếp cận trực tếp. Máy tính truy nhập lên các thanh ghi thông qua địa chỉ của giao diện.Cổng nối tiếp thứ nhất (COM1) sử dụng địa chỉ cơ sở 3F8, như vậy các thanh ghi xếp theo vùng từ 3F8 đến 3FF. Khoảng cách từ một thanh ghi tới địa chỉ cơ sở được gọi là offset. Như vậy, việc xuất ra trực tiếp qua DTR và RST được tiến hành qua địa chỉ 3F8+4 Địa chỉ Bit Chân 3F8+4 0 DTS 1 RTS Bảng 8. chân DTS, DRS tương ứng với các mức Như vậy, đường dẫn RTS cần được đặt lên mức điện áp (enable). Bit 1 được trao đổi qua giá trị bằng số 21=2. Do đó chỉ cần xuất số 2 qua địa chỉ cổng bằng lệnh outprt của thư viện PORT.DLL, còn giá trị 20=1 sẽ được đặt mứctương ứng với đường dẫn DTR và giá trị 3 với cả hai đường dẫn. Tuy nhiên bằng lệnh. outprt của thư viện PORT.DLL chỉ được thực hiện khi giao diện không thuộcểư lý của window có nghĩa là để thực hiện việc truy cập trực tiếp thì phải loại giao diện ra khỏi hệ thống thông qua Divicce Manager. Phương pháp này chỉ có ý nghĩa khi muốn độc quỳên sử dụng giao diện còn thừa mà hệ thống không sử dụng đến cho các ứng dụngghép nối đơn giản. Còn giải pháp tốt hơn cả cho việc truy cập lên gíao diện nối tiếp mà vẫn chịu sự quản lý của Win dow đó là sử dụng hàm openCom của thư viện DLL, nếu Window cho phép mở giao diện thì nó sẽ thông báo, ngược lại thì nó sẽ thông báo là giao diện đang bận cho phương trình khác. ví dụ: sử dụng cổng COM để phát một xung vuông có tần số 500Hz qua đường dẫn RTS của giao diện : Mã lệnh của chương trình phát xung vuông: Option expicit Private Declare Function outport Lib “port.dll” (By val PortAddress As Integer, By Val portData As Integer) As Integer Private Declare Function Inport Lib “port.dll” (By val PortAddress As Integer) As Integer Dim PortAdd, n As Integer Private Sub Form_Load() PortAdd = 3F8 If OPENCOM (“COM2.9600,N,8,1”) = 0 then Msgbox(“COM2 đang bận”) End Sub Private Sub Form_ Unloand (Cacel as integer) CLOSE COM End Sub Private Sub Command1_Click() Dim n as integer For n=1 to 100 OutPort(portAdd+4,2) Delay T(1) OutPort (PortAdd+4,0) Delay T(1) Next n End Sub Pulic Sub DelayT(dd As Long) J = 0 For i = 1 To dd J = j +1 Next i EndSub Chương 3. Ghép nối qua rãnh cắm mở rộng. Khi nghiên cứu về cấu trúc máy tính ta thường đề cập đến các cấu trúc Bus, các đường dẫn Bus như: Bus dữ liệu, Bus điều khiển. .v.v. Các rãnh cắm mở rộng là một dạng thể hiện bằng phần cứng của bus trên bảng mạch chính, trên đó có thể cắm thêm các card mở rộng để thay đổi hoặc nâng cấp cấu hình của máy tính. Chính vì vậy việc nghin cứu, tìm hiểu các dạng bus cũng như các tính năng kỹ thuật của từng loại bus có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng cấp cấu hình máy tính như cắm thêm các card mở rộng chứa bộ điều khiển dùng cho truy cập bộ nhớ, card màn hình, đĩa cứng và đĩa mềm, xuất dữ liệu ra máy in, các cổng modem,vào/ra nối tiếp .v .v. Ngoài ra trong nhiều ứng dụng công nghiệp việc sử dụng máy tính như một hệ thống đo lường, điều khiển số việc tìm hiểu bú máy tính cho các card chuyên dụng chẳng hạn như card chuyển đổi AD?DA ứng dụng trong đo lường, điều khiển công nghiệp. Thông thường, có đến 8 rãnh cắm mở rộng được lắp ráp sẵn trên bản mạch chính tương ứng với 8 kiểu bus mở rộng được sử dụng cho máy tính các nhân. Việc phân loại bú mở rộng thường dựa trên số các bit dữ liệu mà chúng sử lý đồng thời. Đó là các bus: Bus PC ( còn gọi là ISA 8 bit) Bus EISA (32 bit) Bus VESA Local (32 bit) Bus SCSI (16/32 bit ) Bus ISA (16 bit) Bus MCA(32 bit) Bus PCI (32/64 bit) Bus PC/MCIA (16 bit) Các loại lớp này ra đời kế tiếp nhau, loại sau luôn được chứng minh là có ưu điểm và phủ định loại trước, đặc biệt là có sự khác nhau về tốc độ truyền. Cụ thể với các bus PC, bus IAS và bus EISA tốc độ truyền dữ liệu được cố định ở tần số 8,33MHz, trong khi bus PCI và bú VESA Local sử dụng đồng hồ đo hệ thống (thông thường là 33Hz hoặc 50Hz). đối với nhiều ứng dụng, bus ISA là phương tiện tốt nhất và tương đối phổ dụng bởi lẻ nó được sử dụng trong một thời gian dài và cho phép truyền một lưu lượng dữ liệu lớn với giá thành tương đối rẻ, độ tin cậy cao. Trong hầu hết các máy tính PC đều có 3 rãnh cắm ISA trên bản mạch chính (Main board), có thể cắm được các card sound, card video... Đặc biệt là các card ghép nối khác nhau dùng cho những mục đích chuyên dụng trong công nghiệp đo lường và điều khiển bằng máy như : card chuyển đổi tương tự-số (A/D), card chuyển đổi số-tương tự ( D/A), card ghép nối mạng, card để tạo ra các cổng ghép nối khác (GPIB, RS-485 v.v..). Chính vì lẽ đó trong bản đồ án này,chúng ta sẽ chỉ đi sâu sâu tìm hiểu cấu tạo,tính năng kỹ thuật cũng như những ứng dụng ghép nối với bus ISA. Bus ISA 8 bit (bus PC). Bus ISA 8 bit hay còn được gọi là bus PC là loại bus xuất hiện trên máy tính PC/XT đầu tiên. Loại bus này tận dụng kiế trúc của bộ vi xử lý intel 8088, nên có một bus dữ liệu 8 bit và bus địa chỉ 20 bit. Rãng cắm nối với bus PC có 62 chân cho phép cắm một card mở rộng làm từ tấm mạch in 2 mặt cũng có 62 tiếp điểm. Vì trên bus này có 8 bit dữ liệu nên được gọi là bus IAS 8 bit hay bus PC để phân biệt với bus ISA 16 bit. Vì nó sử dụng một bus địa chỉ 20 bit nên nó có thể định địa chỉ đến một vùng nhớ cực đại đến 1Mbyte tốc độ truyền được cố định ở 4,772727 MHz, như vậy có nhiều nhất là 4.772.727 byte có thể được truyền trong mỗi dây. hướng của tín hiệu được chọn là đi vào nếu tín hiệu đến từ bộ điều khiển Bus PC và đi ra nếu như nó đến từ thiết bị bên ngoài bus, cụ thể là từ card ghép nối mở rộng. Một tín hiệu được xác định là đi vào/đi ra khi tín hiệu đó có thể khi tín hiệu đó có thể bắt nguồn hoặc từ bộ điều khiển bus PC hoặc từ card mở rộng. Như vậy, muốn ghép nối vơis máy tính qua rãnh cắm mở rộng điều quan trọng thiết yếu là phải có trong tay một card mở rộng phục vụ cho mục đích ghép nối Sau đây là một phần mềm cài đặt để chính thức “đăng ký” card mở rộngnày vào trong hệ thống máy tính và như vậy công việc ghép nối coi như được hoàn thành. Với những card chuyên dụng như card âm thanh, card màn hình,card modem thì việc lựa chọngiải pháp mua là tiện lợi nhất vì giá thành rẻ và chất lượng cũng đảm bảo. Tuy nhiên, với những mục đích chuyên dụng chẳng hạn như trong đo lường và điều khiển bằng máy tính trên thực tế ta cần. 2.Bus IAS 16 bit. Đây là loại bus được cấu trúc theo tiêu chuẩn công nghiệp (Industry Standard archtecture). Đặc điểm rõ nét của bus này là có thể cho phép cùng một lúc xử lý hoặc trao đổi với 16 bit dữ liẹu. Việc mở rộng thêm một rãnh cắm bổ xung cho phép có được tính tương thích với bus PC, rãng cắm thứ 2thẳng hàng với rãnh cắm PC 8bit, trên đó 8 bit dữ liệu và 4 đưòng dẫn địa chỉ. Như vậy, bus IAS có 16 bit dữ liệu và 24 bit địa chỉ vì thế cho phép nhiều nhất 16 Mbyte bộ nhớ có thể định địa chỉ đựơc, cũng giống như bus PC (bus IAS 8 bit) nó sử dụng tốc độ đồng hồ 8 MHz, như vậy tốc độ truyền dữ liệu cực đại là 2byte trong mỗi chu kỳ giữ nhịp. Các card ISA rát phổ biến với tính năng ưu việt đối với hầu hết các ứng dụng ghép nối. Các ling kiện trên card đều rất rẻ, cho nên thực tế việc ghép nối bằng các card mở rộng rất thuận lợi và đáng tin cậy. Phần II Thực nghiệm Card AT-MIO-16XE-10 Đây là card đa năng, bao gồm: 16 kênh AI, 2 kênh AO, 8 kênh DIO và các mạch đếm, các mạch phát xung. Sơ đồ khối của card thể hiện như hình vẽ 7 Hình 7. Sơ đồ khối card AT-MIO-16XE-10