LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày thiết bị đo lường có bước phát triến lớn nhờ việc sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý tiên tiến Từ tình hình thực tế em chọn đề tài “Ứng dụng công nghệ FPAA PSoC thiết kế thiết bị đo đa kênh” Mục đích nghiên cứu đề tài - Áp dụng công nghệ FPAA (Field Programmable Analog Array) để nâng cao chất lượng thiết bị đo (tăng độ xác, chống nhiễu cao, độ linh hoạt cao…) giảm kích thước thiết bị - Sử dụng vi xử lý PSoC cho phép thiết bị giao diện với thiết bị ngoại vi cách đơn giản, PSoC tích hợp sẵn khối chức bên Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu thiết bị đo đa kênh b) Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu số loại cảm biến khí - Nghiên cứu công nghệ FPAA vi điều khiển PSOC Phương pháp nghiên cứu - Thu thập liệu từ cảm biến khí, thiết kế thiết bị đo đa kênh cho cảm biến khí Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học đề tài Thiết bị đa kênh đo nhiều loại khí lúc, tổng hợp phân tích kết đo từ sensor để đánh giá chất lượng môi trường làm việc hay cung cấp thông tin cần thiết tình trạng hỏng hóc thiết bị, thuận tiện để đo môi trường có nhiều khí sinh lúc b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài - Thiết bị đo khí đa kênh ứng dụng trường hợp sau: + Cảnh báo trước nguy cháy, nổ, hỏng hóc thiết bị máy móc nhà máy + Cảnh báo nồng độ khí độc hại sinh môi trường làm việc nhiều ngành công nghiệp (khai thác khoáng sản, sản xuất hóa chất ) + Đo nồng độ khí gây ô nhiễm môi trường - Đề tài làm tài liệu tham khảo cho bạn sinh viên chuyên ngành MỤC LỤC Danh sách hình vẽ Hình 1.1: Sơ đồ khối thiết bị đo đa kênh Hình 1.2 Chip FPAA AN231E04 Hình 1.3: IC dồn kênh HEF4051B .9 Hình 1.4: Vi xử lý trung tâm PSoC CY8C27643 10 Hình 1.5: Thẻ nhớ dung lượng cao MMC (256MB) 10 Hình 1.6: LCD Graphic (128 × 64 pixel) 11 Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với thiết bị ngoại vi .13 Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với MMC, FPAA1 FPAA2 14 Hình 2.3: Sơ đồ ghép nối card MMC 16 Hình 2.4: Sơ đồ ghép nối FPAA1 17 Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối PSoC FPAA 17 Hình 2.6: Sơ đồ ghép nối GLCD 18 Hình 2.7 Sơ đồ khối phím ấn sử dụng ADC .19 Hình 2.8: Sơ đồ ghép nối phím với ADC 21 Hình 2.9: Sơ đồ ghép nối MAX – 232 22 Hình 2.10: Các module cấu hình PSoC 22 Hình 2.11: Cấu hình phần cứng bên PsoC 28 Hình 2.12: Tiến trình nạp cấu hình cho FPAA từ vi xử lý PSoC29 Hình 2.13: Cấu hình xây dựng cho FPAA1 .30 Hình 2.14: Cấu hình xây dựng cho FPAA2 .31 Hình 2.15: Ví dụ cách đặt thông số cho bảng tra LUT 33 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo đa kênh 35 Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH 1.1 Mô hình thiết bị đo đa kênh 1.1.1 Sơ đồ khối Màn hình LCD Cảm Biến FPAA Vi xử lý trung tâm PSoC Phân kênh Bộ nhớ MMC PC Phím điều khiển Hình 1.1: Sơ đồ khối thiết bị đo đa kênh Các sensor làm nhiệm vụ thu thập thông tin đo từ đối tượng, biến đại lượng cần đo thành đại lượng điện, tín hiệu sau cảm biến đưa vào chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH), CĐCH làm nhiệm vụ tạo tín hiệu chuẩn (thường điện áp từ đến V, dòng từ 4-20mA), đưa vào dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa tín hiệu vào vi xử lý trung tâm Bộ ADC tích hợp sẵn vi xử lý trung tâm biến thành tín hiệu số, kết đưa thị trực tiếp LCD, truyền lên PC, hay ghi vào nhớ (MMC) Trong mô hình thiết bị đo đa kênh có khối sau: khối chuẩn hóa tín hiệu, nhớ dung lượng cao, hình hiển thị LCD, phím chức năng, khối dồn kênh, khối vi xử lý trung tâm, sensor Sau chức khối Khối sensor Tùy thuộc vào mục đích mà ta sử dụng số sensor khác cho kênh Sai số loại sensor phụ thuộc chủ yếu vào nguyên lý cấu tạo sensor, yếu tố khách quan nhiệt độ, độ ẩm môi trường, chế độ làm việc sensor ảnh hưởng đáng kể đến độ xác thiết bị đo Vì vậy, để nâng cao độ xác thiết bị đo trước tiên phải nâng cao độ xác sensor, tức chọn sensor hãng có ưu điểm sau: • • • Khả sử dụng lại tốt • Mạch đo đơn giản • Đặc tính đáp ứng ổn định với thay đổi môi trường (khả trôi) • Kích thước nhỏ, gọn nhẹ, gắn lên thiết bị cầm tay Khối chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu Thiết bị đo sử dụng nhiều sensor, sensor có nguyên lý hoạt động riêng, tín hiệu từ sensor thường có dạng dòng, áp độ lớn nhỏ (cỡ µA, mV), nên tín hiệu từ sensor cần phải qua chuyển đổi chuẩn hóa tín hiệu (CĐCH) để chuẩn tín hiệu thành dạng thống (thường dạng điện áp) khuếch đại đạt độ lớn ÷ V trước đưa vào khối ADC Mỗi sensor có sơ đồ mạch chuyển đổi chuẩn hóa riêng Khi thi công mạch cứng, thường sử dụng phần tử tương tự (R, C, L…) tạo bảng mạch chuyển đổi chuẩn hóa Nhưng phương pháp truyền thống gặp phải vấn đề sau: - Thông số phần tử tương tự (như điện trở R) thay đổi môi trường xung quanh thay đổi (như nhiệt độ) Nếu công nghệ chế tạo linh kiện mạch cứng không tốt gây sai số cho kết đo - Bo mạch thiết bị phức tạp, khó khăn việc thay đổi mở rộng Hiện với phát triển nhanh chóng công nghệ vi điện tử tin học có nhiều công nghệ đời Trong đó, FPAA (Field Programmable Analog Array) công nghệ lĩnh vực điện tử tương tự, có khả lập trình để tạo mạch tương tự giống lập trình cho chíp vi xử lý, công nghệ FPAA có ưu điểm sau: - Sử dụng kĩ thuật chuyển mạch tụ điện, điện trở thay tụ điện, thông số điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ phụ thuộc vào điện dung tụ điện tần số chuyển mạch Ngoài ra, kỹ thuật chuyển mạch tụ điện góp phần làm giảm công suất tiêu tán làm cho vi mạch bị nóng lên hoạt động lâu dài - Công nghệ FPAA không công nghệ lĩnh vực thiết kế mạch điện tử tương tự, chip FPAA kết hợp với hệ vi xử lý để thu thập xử lí tín hiệu tương tự, tạo thiết bị đo lường vừa nhỏ gọn vừa nhiều chức mà công việc thiết kế chế tạo trở nên đơn giản nhiều Với ưu điểm trên, chip FPAA hoàn toán thích hợp với vai trò thu thập chuẩn hóa tín hiệu từ cảm biến cho thiết bị đo đa kênh Giúp thiết bị thu thập giá trị đo xác hơn, linh hoạt thay đổi cấu hình mạch cứng Trong đồ án sử dụng hai chíp AN231E04 hãng Anadigm Hình 1.2 Chip FPAA AN231E04 Khối dồn kênh Khối dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa tín hiệu vào vi xử lý trung tâm Chíp HEF4051B – dồn kênh tương tự Hình 1.3: IC dồn kênh HEF4051B Khối xử lý trung tâm thiết bị đo đa kênh Từ chức thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có chuẩn truyền thông để ghép nối với thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, phím điều khiển…) IC PSoC (Programmable System on Chip) có khả tích hợp chức ghép nối nên có tính mở, tính linh hoạt, khả kết nối với thiết bị ngoại vi Sử dụng IC PSoC tạo thiết bị đo nhỏ gọn, đầy đủ chức cần thiết, thuận tiện cho người sử dụng Do IC PSoC hoàn toàn thích hợp làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị đo đa kênh Trong đồ án sử dụng PSoC CY8C27643 hãng Cypress Hình 1.4: Vi xử lý trung tâm PSoC CY8C27643 Bộ nhớ Ngoài việc truyền trực tiếp hiển thị LCD lưu trữ PC, thiết bị đo cần có nhớ có dung lượng đủ lớn để lưu trữ liệu thời gian dài Các thiết bị đo lường điều khiển tự động trước thường sử dụng nhớ thông dụng EEPROM (64 Kb) Nhưng thiết bị đo thời gian thực có nhu cầu lưu trữ số liệu thời gian dài dung lượng nhỏ Nên cần có giải pháp thay cho EEPROM, thẻ nhớ MMC (MultiMediaCard) có dung lượng lớn Các thẻ nhớ MMC có dung lượng từ đến 4MB, lớn gấp nhiều lần EEPROM Thẻ nhớ MMC (256MB), thỏa mãn yêu cầu lưu trữ kết đo thời gian dài Hình 1.5: Thẻ nhớ dung lượng cao MMC (256MB) Khối hiển thị kết Yêu cầu thiết bị đo đa kênh có hình LCD hiển thị bốn dòng Màn hình GLCD (Graphic LCD) hình hiển thị thông dụng So với hình hiển thị dạng LED hay LCD theo chuẩn Hitachi (2x16) có ưu điểm bật đo độ phân giải lớn (128 × 64 pixel) Thuận tiện cho 10 Vi xử lý PSoC ghép nối với máy tính PC, thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 Dạng liệu tương thích với RS232 truyền nhận không đồng UART - truyền nhận không đồng nối tiếp UART xây dựng hai khối số TX (truyền) RX (nhận), với thư viện hỗ trợ, người sử dụng sử dụng riêng biệt modules TX RX Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Thông số Lựa chọn Clock Row_1_Broadcast RX Input Row_1_Input_1 TX Output Row_1_Output_3 RxBufferSize 16 Bytes Module PWM8 Vi xử lý muốn truyền nhận xác data từ máy tính theo chuẩn truyền thông RS-232, cần phải đồng tốc độ Baud vi xử lý máy tính Trong chíp PSoC, tốc độ baud phụ thuộc vào tần số xung CLOCK cấp cho module UART Xung CLOCK cấp vào module UART lần tốc độ baud Vì ta hoàn toàn xác định tốc độ baud, việc điều chế nguồn xung CLOCK cấp cho module UART Trong đồ án sử dụng module PWM8 tích hợp sẵn vi xử lý PSoC để điều chế xung cấp cho module UART Các thông số module PWM8 Thông số Lựa chọn Clock VC2 Period 38 PulseWidth 19 24 Output PWM8 24V1 = 24 / 16→ 1.5 MHz 24V2 = 1.5 / 16 → 93.75 kHz 24V2 / 39→ 93.75kHz / 39→ 2403.8 Hz Xung clock cấp cho UART Vậy Baud Rate = 2403.8 Hz / 8→ 300 bps Module SAR6 Ta có phím, số lượng phím không nhiều nên cần chọn ADC bit (Module SAR6) Sử dụng khối tương tự PSoC Thông số Lựa chọn SignalSource ACB03 Module PGA Có chức làm khuếch đại đệm cho Module SAR6, đầu vào đơn sai Sử dụng khối tương tự PSoC Thông số Lựa chọn Gain Input AnalogColumn_InputMUX_3 Module ADC Sử dụng biến đổi A/D 12 bít để thu thập tín hiệu từ sensor Trong PSoC có tích hợp ADCINC12, sử dụng khối số khối tương tự PSoC 25 Thông số Lựa chọn TMR Clock VC2 CNT VC2 Input ASD11 ClockPhase Swap Module INSA: Là khuếch đại với đầu vào vi sai, tích hợp bên PSoC, sử dụng ba khối tương tự PSoC, có chức đệm cho Module ADC 12 bit, đầu vào vi sai Thông số Lựa chọn AnalogBus Disable CommonModeO No Connect ut DifferentialGain ConversionGain Bảng 2.4: C ác thông số chân PSoC Name Port SS_MMC P0[0] Select StdCPU drive PullDow Interrupt DisableInt n MISO_SPI P0[1] GlobalInEven2 HighZ DisableInt MOSI_SPI P0[2] Global0utEven2 Strong DisableInt SCK_SPI P0[3] Global0utEven4 Strong DisableInt 26 V- P0[4] StdCPU High Z Analog DisableInt INPUT_KE P0[5] StdCPU High Z Analog DisableInt V+ P0[7] StdCPU High Z Analog DisableInt RX_PSoC P1[2] StdCPU High Z DisableInt SS_FPAA2 P1[3] StdCPU PullDown DisableInt TX_PSoC P1[4] StdCPU Strong DisableInt D4_LCD P2[1] GlobalInEven2 Strong DisableInt D2_LCD P2[3] GlobalInEven2 Strong DisableInt D0_LCD P2[5] GlobalInEven2 Strong DisableInt D1_LCD P3[3] GlobalInEven2 Strong DisableInt D3_LCD P3[5] GlobalInEven2 Strong DisableInt D5_LCD P3[7] GlobalInEven2 Strong DisableInt D7_LCD P4[1] GlobalInEven2 Strong DisableInt D6_LCD P4[7] GlobalInEven2 Strong DisableInt SS_FPAA1 P5[1] GlobalInEven2 PullDown DisableInt Y 27 Hình 2.11: Cấu hình phần cứng bên PsoC 2.2.2 Sử dụng vi xử lý PSoc để nạp cấu hình cho FPAA Người thiết kế cho FPAA sử dụng phần mềm AnadigmDesigner2 để tạo mạch tượng tự máy tính Sau thiết kế xong, phần mền tạo ta file cấu hình Nạp nội dung file cấu hình cho nhớ SRAM (trong FPAA), FPAA hoạt động mạch tương tự 28 Chương trình nạp cấu hình cho FPAA Khởi tạo khối SPI (Start SPI) - Khi FPAA cấp nguồn trước hết thực trình Power-On Reset, trạng thái sẵn sàng nhận data cấu hình từ vi xử lý PSoC - Tiếp theo kiểm tra trạng thái chân Cs2b Lựa chọn FPAA (SS_FPAA=0) Truyền data cấu hình tới FPAA Truyền xong data (Stop SPI) Kết thúc trình nhân data cấu hình, thiết bị tự động kích hoạt chức mạch analog chip hoạt động mạch tương tự thiết kế từ trước Reti Hình 2.12: Tiến trình nạp cấu hình cho FPAA từ vi xử lý PSoC 2.2.3 Đặt cấu hình cho FPAA Sử dụng công cụ AnadigmDesigner2 để thiết kế mạch analog máy tính Kết hợp với thư viện CAM, người thiết kế tạo hệ thống mạch điện tử tương tự hoàn chỉnh cách nhanh chóng Để thiết kế người dùng cần gọi từ thư viện CAM khâu chức analog lập trình sẵn (các mạch lọc, mạch khuếch đại, mạch chỉnh lưu…) Người thiết kế không cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu lí thuyết mạch điện tử Ở người thiết kế cần gọi CAM đặt thông số cho chúng 29 Cũng mô hoạt động mạch cách sử dụng khối phát tín hiệu đầu đo Osscilloscope để mô kiểm tra hoạt động mạch Qua phân tích phần trên, thiết bị sử dụng hai chíp FPAA để thay mạch chuẩn hóa tín hiệu từ sensor Trong mục tiến hành thiết kế mạch tương tự bên phần mềm AnadigmDesigner2 Tiến hành theo bước sau : Thiết lập cấu hình cho FPAA1 CAM tích phân(1) CAM khuếch đại (2)sử dụng để thay sở đồ mạch chẩn hóa tín hiệu sensor CO (1) (2) CAM khuếch đại ( 3)sử dụng để thay sở đồ mạch chẩn hóa tín hiệu sensor CH4 (3) Hình 2.13: Cấu hình xây dựng cho FPAA1 Thiết lập thông số cho CAM CAM tích phân (1) Thông số Lựa chọn Polarity Inverting Integration 15 Const Clock 4000kHz CAM khuếch đại đảo (2) 30 Thông số Lựa chọn Gain 100 Clock 4000kHz CAM khuếch đại đảo (3) Thông số Lựa chọn Gain 30 Clock 4000kHz Thiêt lập cấu hình cho FPAA2 CAM khuếch đại ( 4)sử dụng để thay sở đồ mạch chẩn hóa tín hiệu sensor C2H2 (4) (5) CAM khuếch đại ( 5)sử dụng để thay sở đồ mạch chẩn hóa tín hiệu sensor H2 Hình 2.14: Cấu hình xây dựng cho FPAA2 Thiết lập thông số cho CAM CAM khuếch đại đảo (4) Thông số Lựa chọn Gain 20 Clock 4000kHz CAM khuếch đại đảo (5) 31 Thông số Lựa chọn Gain 50 Clock 4000kHz Điều chỉnh đặc tính phi tuyến cảm biến Sử dụng CAM TransferFunction để hiệu chỉnh tính phi tuyến cảm biến thiết bị đo TransferFunction hàm truyền đạt điện áp với hệ số quy định bảng tra LUT (256 byte), nên ứng dụng để hiệu chỉnh tính phi tuyến 256 đoạn Thông số Lựa chọn Clock A 250kHz Clock B 4000kHz 32 Hình 2.15: Ví dụ cách đặt thông số cho bảng tra LUT 33 Chương THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 3.1 Kết thi công phần cứng Thiết kế chế tạo thiết bị đo đa kênh sử dụng công nghệ FPAA thu thập chuẩn hóa tín hiệu, vi xử lý PSoC thiết kế thiết bị có nhiều giao diện với ngoại vi, sử dụng cảm biến khí Thiết bị có chức sau: • Có thẻ nhớ MMC (256MB) để lưu trữ kết đo thời gian dài • Màn hình hiển thị GLCD (Graphic LCD) có độ phân giải lớn (128 × 64 pixel) Thuận tiện cho ứng dụng cần hiển thị phức tạp (như đồ thị, bảng…) • Có bốn phím để lựa chọn chế độ làm việc cho thiết bị đo, sử dụng phương pháp xác định phím ADC • Kết nối với máy tính theo chuẩn RS-232 Quá trình thiết kế mạch cứng cho thiết bị theo trình tự sau: • Thiết kế sơ đồ nguyên lý thiết bị đo • Thiết kế giao diện bên thiết bị • Đặt phần tử vào bo mạch • Đi dây cho mạch in 34 3.3V CO C W R MMC 1 3 SCK MISO 200 D- 3K VCC RD_LCD D0_LCD D2_LCD D4_LCD D6_LCD CS_LCD RES_LCD RC2 D+ SS_MMC MOSI RC1 VR2 Sensor CO (1) CH4 D+ 2V 2V VCC P2 C2H2 11 13 15 17 19 10 12 14 16 18 20 VCC VCC T_HY T5 C828 T LED_HY LCD_Graphic VCC VCC VCC VCC VCC 5V A0_LCD WR_LCD D1_LCD D3_LCD D5_LCD D7_LCD T5 C828 T5 C828 CO LED_T H2 T5 C828 LED_CO C2H4 T5 C828 LED_H2 T5 C828 CH4 LED_C2H4 LOA T6 D468 Loa LED_CH4 R1 200 10 RC1 VR2 Sensor C2H2 (4) 200 D- 3K MMC Port (7) LCD graphic (10) LED (12) RC2 LOA (16) 200 CY8C27643 Sensor CH4 (2) AN231-E04_1 3.3V 3.3V 10K H2 R555 40 41 42 43 44 R 10K R622 REFPAA1 D1+ 2V RC456 3.3V W VR1 200 D1- 3K RC222 200 10 11 12 13 14 C 15 16 Sensor H2 (3) 18 39 CO- PB0 (T0) PB1 (T1) PB2 (AIN0) PB3 (AIN1) PB4 (SS) PB5 (MOSI) PB6 (MISO) PB7 (SCK) PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INT0) PD3 (INT1) PD4 (OC1B) PD5 (OC1A) PD6 (ICP) PD7 (OC2) RESET AN231-E04_2 PA0 (ADC0) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADC5) PA6 (ADC6) PA7 (ADC7) PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 (TOSC1) PC7 (TOSC2) VCC VCC VCC AVCC AREF XTAL2 XTAL1 GND GND GND AGND 3.3V 37 3.3V 36 R899 35 34 ACLK 10K 33 SCK 32 31 SS_FPAA 30 19 20 21 22 23 24 25 26 3.3V 10K CH4+ CH4- R55 40 41 42 43 44 R1 10K R62 REFPAA2 3.3V W1 10 11 12 13 14 C1 15 16 DD+ 3.3V 17 CO+ 38 MOSI 27 29 28 18 39 NH3- FPAA1 (5) LM317 C141 1uF 3.3V R171 100 R181 140 C161 1uF R3 10K 5V R2 4.7K R11 2.2K 2.0V C14 1uF RESET XTAL2 XTAL1 GND GND GND PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 (TOSC1) PC7 (TOSC2) VCC VCC VCC AVCC AREF AGND R17 100 R18 140 37 3.3V 36 R89 35 34 ACLK 10K 33 SCK 32 31 SS_FPAA 30 CO+ NH3+ C2H2+ CH4+ 19 20 21 22 23 24 25 26 A01 A11 A21 C2H2+ C2H2DD+ R0 8.2K INPUTKEY C166 1uF F4 F3 F2 F1 TX_PSoC A02 A12 A22 28 REFPAA11 REFPAA2 13 14 15 NetLabel22 16 SCL 17 V+ 11 10 RX_PSoC 12 MOSI SCK 35 34 LOA 20 23 24 D0 D1 D2 D3 D4 D5 Y D6 WN D7 GN A B C RES_LCD2 RX_PSoC TX_PSoC AO_LCD WR_LCD D7_LCD D5_LCD D3_LCD 10 12 SDA 19 21 D0_LCD 25 V- C1+ C1C2+ C2- VDD VCC 16 INT0 INT1 R1OUT R1IN R2OUT R2IN VEE PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 VCC AVCC RESET XTAL2 XTAL1 NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC AGND GND NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC NC 47 46 45 44 39 38 33 SS_FPAA2 V+ A01 A11 A12 A22 SS_MMC 22 18 11 D1_LCD 31 CS_LCD 48 43 42 41 40 37 36 32 30 29 28 27 26 SS_FPAA1 A21 3.3V VA02 NetLabel11 MOSI RD_LCD RES_LCD XRES D6_LCD D4_LCD D2_LCD Micro Contronller (17) program COM1 3.3V 1uF C5 1uF T1IN T1OUT T2IN T2OUT GND ADIN0 ADIN1 ADIN2 ADIN3 ADIN4 ADIN5 C3 RS232 1uF 15 Keypad (9) D0 D1 D2 D3 D4 D5 Y D6 WN D7 GN A B C AMUX (13) MAX232ACPE Power supply (6) AMUX1 AMUX2 CONH3C2H2CH4- 3.3V 17 NH3+ 38 MOSI 27 29 C1 3.3V LM317 5V PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INT0) PD3 (INT1) PD4 (OC1B) PD5 (OC1A) PD6 (ICP) PD7 (OC2) PA0 (ADC0) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADC5) PA6 (ADC6) PA7 (ADC7) FPAA2 (8) Nguon 2V Nguon 3.3V PB0 (T0) PB1 (T1) PB2 (AIN0) PB3 (AIN1) PB4 (SS) PB5 (MOSI) PB6 (MISO) PB7 (SCK) RX_PC TX_PC Header 14 RX_PC 13 TX_PC XRES SCL SDA COM (14) 2V Programming (18) 2V C4 1uF Communication (11) D+ D- Rac (15) D+ D- Rac (19) Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo đa kênh 35 3.2 Thiết kế phần mềm 36 KẾT LUẬN Đề tài “Ứng dụng công nghệ FPAA PSoC thiết kế thiết bị đo đa kênh” hoàn thành với nội dung sau: - Thiết kế mô hình cho thiết bị đo đa kênh lựa chọn linh kiện - Phân tích thiết kế chi tiết phần thiết bị đo dựa sơ đồ khối xây dựng, nội dung bao gồm: - Đặt cấu hình cho IC PSoC FPAA - Kết nối PSoC với MMC, FPAA - Màn hình hiển thị GLCD - Các phím điều khiển - Ghép nối với máy tính - Thiết bị chế tạo được: có khả hiển thị kết LCD; lưu trữ số liệu thẻ nhớ MMC (256Mb); kết nối với máy tính giao diện viết phần mềm VB Hướng phát triển đề tài - Hoàn thiện thiết bị để ứng dụng hệ thống kiểm soát lúc nhiều thông số khí - Đánh giá sai số thiết bị đo kiểm chuẩn 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Thượng Hàn, “Kĩ thuật đo lường đại lượng vật lí”, NXB Giáo Dục, Hà Nội [2] Lê Hải Sâm (2005), “Điện tử tương tự với công nghệ FPAA”, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, Hà Nội Tiếng Anh [1] http://www.cypress.com/ [2] www.psocdeverloper.com [3] www.nemoto.com 38 [...]... 33 Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 3.1 Kết quả thi công phần cứng Thiết kế và chế tạo thiết bị đo đa kênh sử dụng công nghệ FPAA trong thu thập và chuẩn hóa tín hiệu, vi xử lý PSoC trong thiết kế các thiết bị có nhiều giao diện với ngoại vi, sử dụng các cảm biến khí Thiết bị có các chức năng chính sau: • Có thẻ nhớ MMC (256MB) để lưu trữ kết quả đo trong thời gian dài • Màn hình hiển thị GLCD (Graphic... pixel) Thuận tiện cho các ứng dụng cần hiển thị phức tạp (như đồ thị, bảng…) • Có bốn phím để lựa chọn chế độ làm việc cho thiết bị đo, sử dụng phương pháp xác định phím ADC • Kết nối với máy tính theo chuẩn RS-232 Quá trình thiết kế mạch cứng cho thiết bị theo trình tự sau: • Thiết kế sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo • Thiết kế giao diện bên ngoài của thiết bị • Đặt các phần tử vào bo mạch • Đi dây cho... tâm PSoC PC Data (direct wire) Data_đk MMC AMUX - 8 channel Keypad Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với các thiết bị ngoại vi Trong mô hình trên khối xử lý trung tâm PSoC có sáu kết nối với các ngoại vi: FPAA, card nhớ MMC, màn hình LCD, các phím chức năng, giao tiếp với máy tính, bộ dồn kênh Sau đây đi sâu phân tích và thiết kế từng kết nối cụ thể 2.1.1 Kết nối PSoC với MMC, FPAA Vi xử lý PSoC kết... trên vi xử lý PSoC Sử dùng bộ chuyển đổi đệm phổ biến MAX-232, biến đổi giữa mức tín hiệu RS-232 và TTL 9 Khối nguồn cung cấp Đây là một khối rất quan trọng, có nhiệm vụ cung cấp nguồn đảm bảo hoạt động cho toàn bộ hệ thống Chuyển đổi điện áp lưới 220V thành nguồn áp một chiều 3.3V 11 12 Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo đa kênh LCD Data FPAA1 FPAA2 RS -... đây người thiết kế chỉ cần gọi các CAM và đặt thông số cho chúng 29 Cũng có thể mô phỏng hoạt động của mạch bằng cách sử dụng khối phát tín hiệu và các đầu đo Osscilloscope để mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch Qua những phân tích ở những phần trên, thiết bị sử dụng hai chíp FPAA để thay thế các mạch chuẩn hóa tín hiệu từ sensor Trong mục này sẽ tiến hành thiết kế các mạch tương tự bên trong bằng... Strong DisableInt D1_LCD P3[3] GlobalInEven2 Strong DisableInt D3_LCD P3[5] GlobalInEven2 Strong DisableInt D5_LCD P3[7] GlobalInEven2 Strong DisableInt D7_LCD P4[1] GlobalInEven2 Strong DisableInt D6_LCD P4[7] GlobalInEven2 Strong DisableInt SS _FPAA1 P5[1] GlobalInEven2 PullDown DisableInt Y 27 Hình 2.11: Cấu hình phần cứng bên trong PsoC 2.2.2 Sử dụng vi xử lý PSoc để nạp cấu hình cho FPAA Người thiết. .. lý PSoC - Tiếp theo kiểm tra trạng thái các chân Cs2b Lựa chọn FPAA (SS _FPAA= 0) Truyền data cấu hình tới FPAA Truyền xong data (Stop SPI) Kết thúc quá trình nhân data cấu hình, thiết bị sẽ tự động kích hoạt chức năng của các mạch analog và con chip này sẽ hoạt động như một mạch tương tự đã thiết kế từ trước Reti Hình 2.12: Tiến trình nạp cấu hình cho FPAA từ vi xử lý PSoC 2.2.3 Đặt cấu hình cho FPAA. .. R899 35 34 ACLK 10K 33 SCK 32 31 SS _FPAA 30 19 20 21 22 23 24 25 26 CH4+ CH4DD+ 3.3V 5 17 CO+ 38 MOSI 27 29 28 FPAA1 Hình 2.4: Sơ đồ ghép nối của FPAA1 Vcc FPAA PSoC 10K SI MOSI SCLK Cs 2b SS Cs 1b < 16MHz ERRb MODE ACLK Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối giữa PSoC và FPAA 2.1.3 Màn hình LCD Graphic Màn hình LCD Graphic là thiết bị hiển thị đầu ra cơ bản nhất của thiết bị đo Màn hình LCD Graphic có ưu điểm nổi... Sử dụng CAM TransferFunction để hiệu chỉnh tính phi tuyến của cảm biến trong thiết bị đo TransferFunction là một hàm truyền đạt điện áp với hệ số được quy định bởi bảng tra LUT (256 byte), nên có thể ứng dụng để hiệu chỉnh tính phi tuyến 256 đo n Thông số Lựa chọn Clock A 250kHz Clock B 4000kHz 32 Hình 2.15: Ví dụ về cách đặt các thông số cho bảng tra LUT 33 Chương 3 THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 3.1 Kết... với MMC, FPAA Vi xử lý PSoC kết nối với thẻ nhớ MMC và hai chip FPAA theo chuẩn truyền thông SPI (Serial Peripheral Interface) 13 MOSI MISO PSoC SCLK Ss3 Master Ss2 Ss1 FPAA1 FPAA2 MMC Slave Slave Slave Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với MMC, FPAA1 và FPAA2 1 Thẻ nhớ MMC (MultiMediaCard) MMC là loại thẻ nhớ thông dụng, tốc độ truy nhập cao, ứng dụng để lưu trữ dữ liệu có dung lượng lớn Các thẻ