Đang tải... (xem toàn văn)
Mô đun Đo lường và điều khiển máy tính là một môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành kỹ thuật lắp ráp và sửa chữa máy tính. Mô đun đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp , và PLC) vào hệ thống điều khiển và đo lường. Xu hướng phát triển là dùng Điều khiển dựa vào máy tính (PCbased Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển và giá thành hợp lí. Để học tốt mô đun này sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển tự động và Vi xử lí. Giáo trình gồm 6 bài: Bài 1 Giao diện của máy tính trong đo lường và điều khiển Bài 2 Các mạch số Bài 3 Các mạch điều khiển với bộ biến đổi AD Bài 4 Các mạch điều khiển với bộ biến đổi DA Bài 5 Ghép nối bus ở các cổng nối tiếp RS232 Bài 6 Ghép nối với thiết bị đo lường Do trình độ có hạn, giáo trình đo lường và điều khiển máy tính không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc. Các ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp Khoa Điện Trường Cao đẳng nghề Việt Xô số 1.
LỜI GIỚI THIỆU Mô đun Đo lường và điều khiển máy tính là một môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành kỹ thuật lắp ráp và sửa chữa máy tính. Mô đun đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp , và PLC) vào hệ thống điều khiển và đo lường. Xu hướng phát triển là dùng Điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển và giá thành hợp lí. Để học tốt mô đun này sinh viên cần phải học qua môn Lý thuyết điều khiển tự động và Vi xử lí. Giáo trình gồm 6 bài: - Bài 1 Giao diện của máy tính trong đo lường và điều khiển - Bài 2 Các mạch số - Bài 3 Các mạch điều khiển với bộ biến đổi A/D - Bài 4 Các mạch điều khiển với bộ biến đổi D/A - Bài 5 Ghép nối bus ở các cổng nối tiếp RS232 - Bài 6 Ghép nối với thiết bị đo lường Do trình độ có hạn, giáo trình đo lường và điều khiển máy tính không tránh khỏi thiếu sót, xin hoan nghênh mọi sự góp ý của bạn đọc. Các ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả ở nhóm chuyên môn Điện Công Nghiệp - Khoa Điện - Trường Cao đẳng nghề Việt Xô số 1. Vĩnh phúc, ngày tháng năm 3 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời giới thiệu 3 Mục lục 4 Bài 1: Giao diện của máy tính trong đo lường và điều khiển 5 Bài 2: Các mạch số 7 Bài 3: Các mạch điều khiển với bộ biến đổi A/D 10 Bài 4: Các mạch điều khiển với bộ biến đổi D/A 14 Bài 5: Ghép nối bus ở các cổng nối tiếp RS232 19 Bài 6: Ghép nối với thiết bị đo lường 30 Tài liệu tham khảo 34 4 Bài 1 GIAO DIỆN CỦA MÁY TÍNH TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Mục tiêu : - Nhận biết các cổng ghép nối với máy in , các khe cắm trong máy PC - Nắm vững nguyên tắc trao đổi tín hiệu qua các cổng, các khe cắm - Nhận dạng được các chuẩn của các khe cắm Nội dung: 1.1.CÁC LOẠI CỔNG 1.1.1. Rãnh cắm 32 bit theo chuẩn PCI Rãnh cắm PCI (Peripheral Component Interconnect) có màu trắng trên mainboard cho phép giao tiếp ngoại vi 32 hay 64 bit vận tốc nhanh đến 132 Mbytes/s so với rãnh cắm ISA 16 bit có vận tốc 3 đến 5 Mbytes/s. Nhớ có vận tốc cao nên rãnh PCI thường dùng cho card mán hình sau đó nó được sử dụng cho các card khác như card mạng, modem nội, âm thanh dần dần mainboard đời mới không dành chỗ cho rãnh cắm ISA nữa. Rãnh PCI 64 bit có hai hàng tiếp điểm, mỗi bên 94 tiếp điểm phía A là phía linh kiện còn phía B là phía hàm. Do tính chất phức tạp của tuyến và vận tốc tín hiệu lớn nên việc tự ráp card giao tiếp PCI khó thực hiện mà phải dùng card chính hãng. Sau đây là mô tả các tín hiệu của PCI: - CLK: xung nhịp 33 MHz, 66 Mhz - RST#: tín hiệu reset. - AD0÷AD31: là tuyến địa chỉ khi FRAME# ở mức thấp. - C/BEO÷3# BUS(Command Bytes Enables) : cho biết loại của truyền dữ liệu (đọc/viết bộ nhớ, ngoại vi ). - PAR: kiểm tra parity của AD0÷AD31 và C/BEO÷3. - IRDY# (initiator ready) - TRDY# (Target Ready): là hai dữ liệ bắt tay giữa bộ phát và bộ nhận dữ liệu trên tuyến PCI. - STOP#: là tín hiệu target báo cho initiator để chấm dứt giao dịch initiator là chủ của tuyến (bus master) còn target là bus slave. Việc truyền dữ liệu do initiator bắt đầu thông qua C/BE và IRDY còn target trả lời thông qua TRDY# và STOP#. - LOCK#: là tín hiệu initiator báo dành riêng một số địa chỉ của target. - IDSEL(Initialigation Device Select): là tín hiệu chọn chip. 1.1.2.VMEbus( IEEE 1014): - VME: Vesa Module Eurocard VEsa là tên gọi bus trước đây được thiết kế bởi Motorola và Eurocard là dạng board chuẩn . VME bus được thiết kế bởi một nhóm công ty chủ trì là Motorola, là 5 chuẩn IEEE 1014. VME bus có đặc điểm làm cho nó rất mạnh và linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp. Đặc điểm là : -Độ dài địa chỉ : 16/24/32 bit. -Độ dài từ dữ liệu :16/32 bit. -Tốc độ truyền dữ liệu: 75 Mbytes/sec (lí thuyết), 30-40 Mbyte/sec(thực tế). -7 tín hiệu ngắt. -Hỗ trợ hệ đa xử lí, 4 mức ưu tiên cho định vị bus. -Truyền khối dữ liệu , độ dài khối tối đa 256 từ. 1.1.3. S-100 (IEEE 696) Một số máy tính cá nhân đầu tiên vào cuối thập niên 1970 là dựa trên bus S- 100. Độ dài dữ liệu là 16 bit và tầm địa chỉ là 16 bit có thể mở rộng lean 24 bit (16 Mbytes). Truyền dữ liệu trên S-100 là bất đồng bộ. Có hỗ trợ cho tác vụ nhiều chủ: bus cho phép tới 16 board chủ được cài đặt; thủ tục duy nhất được kiểm soát bởi moat board hoạt động như là board chủ vĩnh viễn. Bus S-100 được chọn cho máy tính kinh doanh và giải trí hơn là trong công nghiệp. Việc chọn card S-100 là hạn chế. 1.1.4. STD (IEEE 961) Bus STD là bus đa năng đầu tiên dùng trong ứng dụng công nghiệp. Với độ dài từ 8 bit, bus được dùng cho vi xử lí 8 bit của thế hệ đầu như là Intel 8080 và Zilog Z80. Bus STD có 56 chân dẫn và hỗ trợ truyền dữ liệu đồng bộ với tầm địa chỉ 16 bit (64 Kbytes). Bus có 22 đường điều khiển cho điều khiển truyền dữ liệu, ngắt,vv… 1.2. CÁC CHUẨN KHE CẮM TRONG MÁY TÍNH PC 1.1.1. Hệ thống bus của máy IBMPC-AT : Card giao tiếp sẽ được gắn vào Slot trên mainboard của máy tính, nên các bus của card phải tuân theo kích thước chuẩn. Khi card được cắm vào máy, phải đảm bảo không được phá hủy các bus nội và các vi mạch trên mainboard của máy. Địa chỉ của card được chọn sao cho không bị trùng với địa chỉ của các ngoại vi khác để tránh hiện tượng tranh giành bus do giải mã địa chỉ gây ra. Sơ đồ Slot trên máy tính IBMPC - AT được cho ở hình vẽ 1. . SA0 - SA19 : là hai mươi ( 20 ) đường địa chỉ dùng để xác định địa chỉ bộ nhớ hay thiết bị vào / ra thuộc hệ thống . Các đường địa chỉ này cùng với các đường LA 17 - LA23 cho phép truy nhập đến 16 MB bộ nhớ. . SD 0 - SD 15 : các đường dữ liệu, dùng để di chuyển dữ liệu qua lại giữa các vùng của bộ nhớ hoặc các thiết bị ngoại vi .Với tác vụ truyền dữ liệu 8 bit, thì chỉ cần dùng D 0 - D 7. . AEN : Đường này được sử dụng để phân cách vi xử lý và các thiết bị khác khỏi kênh vào / ra để thực hiện truyền dữ liệu DMA . Khi đường này tích cực mức cao, bộ điều khiển DMA sẽ chiếm quyền điều khiển bus : các đường địa chỉ ( A0 - A 19 ) , các đường dữ liệu ( D 0 - D15 ) và các đường điều khiển đọc, ghi bộ nhớ và IO 6 ( RD, WR, IOR, IOW ). Khi xây dựng cơ chế hoạt động của card AD cần chú y tới đường tín hiệu này để tránh hiện tượng tranh giành bus. . BALE : Đường này thông báo cho các thiết bị thuộc hệ thống biết quá trình gởi tín hiệu địa chỉ đang thực hiện. . CLK : Đây là xung đồng hồ hệ thống tần số 6 MHz, 50% mức cao, 50% mức thấp. . Reset DrV : Đường này được sử dụng để reset các mức logic của các thiết bị trong hệ thống khi khởi động máy. Đường này tích cực mức cao . . IOR : chỉ thị đọc IO. Tín hiệu này ra lệnh cho thiết bị IO đưa dữ liệu của nó lên tuyến dữ liệu. IOR được tạo ra bởi bộ vi xử lý hoặc bộ điều khiển DMA. Đường này tích cực ở mức thấp. . IOW : chỉ thị ghi ra IO . Tín hiệu này báo hiệu cho các thiết bị IO rằng CPU đang xuất dữ liệu ra ngoại vi. Tín hiệu IOW tích cực ở mức thấp. 1.1.7. Rãnh cắm 32 bit theo chuẩn EISA: EISA (Extended Industry Standard Architecture) Kích thước thông thường của một card EISA là : * Chiều cao: 127 mm(5 inhxơ) *Chiều dài : 333,5 mm(13,13 inhxơ) * Chiều dày, bao gồm vả linh kiện : 12,7 mm(0,5 inhxơ). Từ kích thước này, rõ ràng một card ISA có thể cắm vừa rãnh cắm EISA. Rãnh này vừa có thể chấp nhận card ISA 8 bit và 16 bit vừa có thể duy trì chế độ hoạt động 32 bit của các card ghép nối tuân theo đúng chuẩn EISA. Rãnh cắm EISA được dùng cho bộ xử lí 80386 DX và các thế hệ kế tiếp. 1.1.8. Rãnh cắm 32 bit và 64 bit theo chuẩn VESA VLB VESA VLB (VESA Local Bus Standard) Việc tạo ra các “local bus” nằm trong ý đồ nhằm đạt được mối liên hệ trực tiếp với bộ xử lí để làm tăng tốc độ truyền dữ liệu, đặc biệt là khi bộ vi xử lí 80486 ra đời. Còn chữ VESA bắt nguồn từ tên gọi của Video Electronics Standard Association, tổ chức này đã dành nhiêù thời gian để tìm kiếm những giải pháp phần cứng để tận dụng tốc độ xử lí của các bộ vi xử lí thế hệ mới. Rãnh cắm VLB (VESA local bus) bao gồm một rãnh cắm ISA 16 bit và một rãnh mở rộng nằm thẳng hàng vơí rãnh ISA. Rãnh VLB có đến 116 chân được sắp xếp. 7 Bài 2 CÁC MẠCH SỐ Mục tiêu : - Biết Ghép nối kiểu rơle - Nhận biết các bộ điều khiển mini, các giao diện vào và ra trên rãnh cắm PC, các bộ đếm vạn năng Nội dung: 2.1. Quản lý theo bit a.Bộ đệm truyền dữ liệu : bộ đệm 8 bit, 2 chiều , 3 trạng thái dùng để giao tiếp 8255 với CPU. Dữ kiện được phát hay nhận bởi bộ đệm khi thực hiện lệnh IN, OUT bởi CPU. Các từ điều khiển cũng truyền qua dữ kiện b.Phần kiểm soát đọc/ghi : chức năng của khối này là kiểm soát tất cả các sự truyền đạt bên trong và ngoài của từ điều khiển và dữ kiện. Nó nhận ngõ vào từ tuyến địa chỉ và điều khiển của CPU, phát ra các lệnh cần thiết cho cả 2 nhóm điều khiển A và B. CS : ngõ vào =0 cho phép truyền tin giữa 8255 và CPU RD: =0 cho phép 8255 gởi dữ kiện đến CPU trên tuyến dữ kiện chủ yếu là cho phép CPU đọc dữ kiện từ 8255 WR : =0 CPU xuất từ điều khiển hay dữ liệu ra 8255 A0 và A1 : để chọn cổng A,B,C A1 A0 chọn cửa 0 0 port a 0 1 port b 1 0 port c 1 1 từ điều khiển RESET : =1 xóa tất cả các thanh ghi bên trong gồm thanh ghi điều khiển và các cổng A,B,C ở mode nhận. c.Điều khiển nhóm A và B Cấu hình hoạt động của mỗi nhóm được lập trình bởi phần mềm, chủ yếu là, CPU xuất từ điều khiển đến 8255. Từ điều khiển gồm các thông tin như chế độ (mode), bit set, bit reset, vv… sẽ khởi động cấu hình hoạt động của 8255. Thanh ghi từ điều khiển chỉ có thể viết vào mà không thể đọc ra. 2.2. Bộ điều khiển mini a. PCL-818L Card PCL-818L là card đa năng 12 bit cắm trên rãnh cắm ISA của máy tính PC. Card được thiết kế dùng cho khách hàng cần chi phí vừa phải nhưng card vẫn đảm bảo các tính năng của họ PCL-818, ngọai trừ tần số lấy mẫu 40 Khz và chỉ chấp nhận ngõ vào lưỡng cực. Card tương thích hòan tòan về phần mềm và kết nối với họ 8 PCL-818HD và PCL-818HG. Điều này cho phép bạn nâng cấp các ứng dụng của bạn với các card hiệu suất cao mà không phải thay đổi phần mềm và phần cứng. PCL- 818LS gồm có card PCL-818L , board đầu cuối nối dây PCLD-8115, và cáp nối DB37. PCLD-8115 chứa trên board các thành phần gia công tín hiệu thụ động (điện trở và tụ điện) cho phép bạn dễ dàng thực hiện các mạch lọc thông thấp, truyền động điện áp hay bộ chuyển đổi điện áp 4~20 mA. b. PCI-1718HDU Card PCI-1718HDU của hãng Advantech là card thu thập dữ liệu và điều khiển đa chức năng cắm trên rãnh cắm PCI của máy tính PC. Đặc điểm : -16 ngõ vào đơn hay 8 ngõ vào analog vi sai. -Bộ chuyển đổi A/D 12 bit với tần số lấy mẫu lên đến 100 Khz. -Độ lợi có thể lập trình được. -Quét kênh/độ lợi tự động. -Bộ nhớ FIFO trên board (1024 mẫu). -Một kênh ngõ ra analog 12 bit . -16 ngõ vào số và 16 ngõ ra số. - Bus PCI đa năng (hỗ trợ tín hiệu bus PCI 3,3V hay 5 V). -Chuyển mạch BoardID. 2.3. Giao diện vào ra trên rãnh cắm PC 9 Card giao tiếp sẽ được gắn vào Slot trên mainboard của máy tính, nên các bus của card phải tuân theo kích thước chuẩn. Khi card được cắm vào máy, phải đảm bảo không được phá hủy các bus nội và các vi mạch trên mainboard của máy. Địa chỉ của card được chọn sao cho không bị trùng với địa chỉ của các ngoại vi khác để tránh hiện tượng tranh giành bus do giải mã địa chỉ gây ra. Tín hiệu NMI của vi xử lý 80286 và hai bộ điều khiển ngắt 8259A ( chính , phụ ) cung cấp 16 mức ngắt hệ thống. Bảng dưới ( Bảng 3.3 ) trình bày việc gán 16 mức ngắt theo mức độ ưu tiên giảm dần. Chú ý rằng các ngắt đều bị che ( gồm cả NMI của vi xử lý). Bài 3 10 CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN VỚI BỘ A/D Mục tiêu : - Lắp ghép bộ biến đổi A/D vào các cổng. - Đo các thông số trên bộ biến đổi A/D Nội dung: 3.1. Lắp ghép bộ biến đổi A/D vào cổng nối tiếp Biến đổi AD là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông tin và các chức năng điều khiển sử dụng phương pháp số. Tín hiệu thực ở dạng analog. Một hệ thống thu thập dữ liệu phải có các bộ phận giao tiếp AD. Nó sẽ đổi dữ liệu từ một hay nhiều đầu tiếp nhận ( hay cảm biên ) thành dữ liệu số đưa vào bộ xử lý số. Thường một hệ thống thu nhập dữ liệu gồm các phần : cảm biên, khuếch đại, lọc , mạch lấy mẫu và giữ, bộ phân kênh và các bộ AD. Biến đổi AD có tính chất tỉ lệ. Tín hiệu vào tương tự Vi được biến đổi thành một phân số x bằng cách so sánh Vi với tín hiệu tham chiếu Vref . Đầu ra của bộ ADC là mã của phân số này. Bất kỳ một sai số Vref nào cũng dẫn tới sai số mức ra, vì vậy người ta cố gắng giữ cho Vref càng ổn định càng tốt. Nếu mã ngõ ra bộ AD là n bit thì số mức rời rạc là 2n . Đối với tương ứng một - một, tầm vào lượng tử hóa đúng theo mức này. Mỗi mức ( lượng tử ) như vậy là một giá trị tương tự được phân biệt với hai mã kế tiếp nhau. Nó chính là kích thước của bit có trọng số nhỏ nhất ( LSB : Least Significant bit ). 11 Tùy theo công nghệ chế tạo mà bộ ADC có đầu vào đơn cực hay lưỡng cực, đa số nằm trong khoảng 0 ¸ 5v hoặc 0 ¸ 10v đối với ADC đơn cực và - 5v ¸ + 5 v ; - 10v ¸ + 10 v đối với ADC lưỡng cực. Tín hiệu vào cần phải phù hợp với tầm vào xác định cho từng bộ ADC. Nếu đầu vào không hết thang sẽ tạo mã vô dụng ở đầu ra. Vấn đề này được giải quyết bằng cách chọn tầm đầu vào bộ ADC sau đó chỉnh độ lợi thích hợp cho đầu vào của nguồn analog. Khi sử dụng bộ ADC đơn cực mà có tín hiệu vào là lưỡng cực trong khoảng ± Vpp thì ta phải cộng điện áp vào Vi với một điện áp nền bằng + Vpp, khi đó ta sẽ có Vi nằm trong khoảng 0 + 2 Vpp. Tín hiệu này sẽ được đưa tới đầu vào bộ ADC . Nếu sử dụng ADC lưỡng cực thì không cần cộng tín hiệu và đầu ra ta sẽ nhận được mã lưỡng cực. Đa số ADC có đầu ra 8 bit, 12 bit, 16 bit , dù vậy cũng có loại 3 (1/2 ) digit, mã BCD, 10 bit, 14 bit. Đầu ra các bộ ADC thường là mã nhị phân tự nhiên, hoặc có dấu. ADC dùng cho máy đo chỉ thị số đa dụng thường là mã BCD. 3.2. Các modul biến đổi A/D Mọi bộ ADC đều phải có xung clock và tín hiệu điều khiển để hoạt động. Thiết bị ngoài giao tiếp với ADC sẽ khởi động quá trình chuyển đổi AD bằng cách phát một xung dương vào đầu vào Start của ADC. Bộ ADC sẽ nhận biết cạnh lên của xung Start và ngay sau đó nó sẽ kéo đường BUSY hay EOC ( EOC : end of conversion : kết thúc chuyển đổi ) xuống thấp ( không tích cực ). Điều này báo hiệu với thiết bị ngoài rằng chuyển đổi đang tiến hành và rằng dữ liệu ngõ ra cũng chưa xuất hiện hay chưa có một chuyển đổi mới nào. Lúc này ADC đang thực hiện quá trình chuyển đổi. Tương ứng với mỗi xung clock đưa vào, ADC sẽ thực hiện một bước chuyển đổi. Sau một số bước nhất định ( tùy theo bộ ADC ) thì quá trình biến đổi hoàn thành. Ở cuối chuyển đổi hiện hành, ADC kéo đường EOC lên mức cao trở lại. Việc chuyển từ thấp lên cao của đường EOC thường dùng tạo ra một ngắt cứng ở vi xử lý hay để 12 . biến đổi D/A - Bài 5 Ghép nối bus ở các cổng nối tiếp RS232 - Bài 6 Ghép nối với thiết bị đo lường Do trình độ có hạn, giáo trình đo lường và điều khiển máy tính không tránh khỏi thiếu sót, xin. bit có hai hàng tiếp điểm, mỗi bên 94 tiếp điểm phía A là phía linh kiện còn phía B là phía hàm. Do tính chất phức tạp của tuyến và vận tốc tín hiệu lớn nên việc tự ráp card giao tiếp PCI khó. giao dịch initiator là chủ của tuyến (bus master) còn target là bus slave. Việc truyền dữ liệu do initiator bắt đầu thông qua C/BE và IRDY còn target trả lời thông qua TRDY# và STOP#. - LOCK#: