Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Chương Mở Đầu: Tổng quan đề tài
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, các ứng dụng của lĩnh vực đo lường và điều khiển được áp dụng
trong sản xuất công nghiệp và đời sống rất đa dạng. Một trong những ứng dụng thể
hiện qua việc thu thập số liệu của các thông số ứng suất biến dạng của vật liệu mà ta
có thể xác định được những thông số vật lý, cơ học khác nhau: lực tác dụng,
moment… hay để thu thập các số liệu về các hiện tượng vật lý nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất, lưu lượng… để giám sát và điều khiển các hoạt động sản xuất được tốt nhất.
Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối máy tính cho phép
thực hiện các giải pháp thu thập dữ liệu và điều khiển chính xác và hiệu suất cao.
Các hệ thống thu thập dữ liệu đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự bền
chặt, toàn vẹn trong các hệ thống tự động điều khiển trong công nghiệp và sự đảm
bảo chất lượng cho các thiết bị điện tử công nghiệp.
Để có một hệ thống đồng bộ thông qua với máy tính, ngoài các cảm biến đo,
hệ thống điều khiển ghép nối,chúng ta cần có những công cụ phần mềm chuyên
dụng để xử lý và làm việc với các giá trị thu được thông qua hệ thống đo và kết nối
máy tính.
2. NỘI DUNG
Hệ thống thu thập dữ liệu quá trình tập hợp thông tin hay phân tích hiện
tượng nào đó. Nhằm hỗ trợ con người trong quá trình giám sát và điều khiển của
một hay nhiều đối tượng. Mục đích của hệ thống thu thập dữ liệu nói chung là phân
tích dữ liệu thu thập vào, xử lý, lưu trữ dữ liệu và thực hiện mục đích muốn đo. Hệ
thống thu thập dữ liệu thường là dựa trên cơ sở điện tử học, nó được làm từ phần
cứng và phần mềm. Phần cứng thì được làm từ cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu,
linh kiện điện tử (ở giữa với bộ nhớ dùng để tồn trữ thông tin). Phần mềm được làm
bằng phần mềm phân tích (vài tiện ích khác có thể sử dụng để di chuyển dữ liệu từ
bộ nhớ dữ liệu thu thập được đến một laptop hoặc tới một máy tính lớn ).
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
1
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
trình tái tạo hay xử lý lại tín hiệu sau đó.
Lấy mẫu là quá trình biến một tín hiệu tương tự thành một tín hiệu rời rạc
theo thời gian.
Định lý lấy mẫu( định lý Shanon): Tín hiệu x(t) có phổ tín hiệu giới hạn trong
khoảng (-ω
max
, ω
max
) được xác định hoàn toàn từ tín hiệu lấy mẫu chỉ trong điều kiện
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
3
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
nếu tần số lấy mẫu lớn hơn 2ω
max
. Chỉ trong trường hợp này mới khôi phục được tín
hiệu sau khi đã rời rạc hóa ω
s
>2ω
max
, với ω
s
là tần số của các mạch lọc (cao, thấp)
Ví dụ : tín hiệu audio chất lượng cao có tần số cao nhất cỡ 20KHz, tín hiệu
này cần lấy mẫu ít nhất 40000 lần trong 1 s
Hình1.2: vẽ biểu diễn một tín hiệu được lấy mẫu sau mỗi Ts giây
2.1 Mạch lấy mẫu và giữ
Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến
đổi mọi giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số giá trị cụ thể bằng
cách lấy mẫu tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung.
Ngoài ra, mạch biến đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó
3.1 Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:
Thang Kelvin: đơn vị là
0
K. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt
độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước-nuớc đá- hơi một giá trị số bằng 273.15
0
K.
Thang Celcius: đơn vị là
0
C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celcius và Kelvin được
xác định bởi công thức: T(
0
C)=T(
0
K)-273.15
Thang Fahrenhiet: đơn vị là
0
F
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
5
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
9
5
}32)({)(
00
−= FTCT
;
32)(
9
5
C – 150
o
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục
với những thay đổi nhiệt độ ở ngõ vào.
3.3.1.Hình dạng và cách kết nối LM35
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
6
Hình1.5 Hình dạng LM35
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
3.3.2.Thông số kỹ thuật:
+ LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1
o
C.
+ Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25
o
C nó có sai
số không quá 1%.Với tầm đo từ -55
o
C – 150
o
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục
với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
+ Thông số kỹ thuật:
Ngõ ra điện áp
Độ nhạy là 10 mV/
0
C
Phạm vi hoạt động: -55
0
C 150
o
C thì điện áp ngõ ra V
out
= 1 (V).
3.4 cảm biến PT100 (E52MY-PT10C)
3.4.1 Hình dạng PT100
Hình1.6: hình dạng của PT100(E52MY)
3.4.2 Thông số kỹ thuật
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
7
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
• Cảm biến nhiệt độ E52MY-PT10C
• Dải đo: 0 - 400 độ C.
• Loại can: DIN PT 100W.
• Chiều dài can: 10 cm
• Cấp chính xác: B.
• Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic.
• Vật liệu đầu bao dây: Khuôn nhôm đúc màu xanh.
• Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc.
• Nhiệt độ môi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C
• Loại dây dẫn: hệ thống 3 dây dẫn
• Tiếp xúc nhiệt: loại không nối đất.
3.4.3 Cách đo PT100
Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại platinum dựa trên nguyên tắc thay
đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ(phương trình Callendar –van dusen) như sau:
Với: R
T
: điện trở ở nhiệt độ T
R
0
Hình1.7: bảng thông số giá trị điện trở và nhiệt độ của Pt100
Ta có ba cách đo Pt100 như sau:
Sơ đồ mạch hai dây:
Sơ đồ mạch 2 dây kết nối theo kiểu cầu Wheatstone.
Ở 0
o
C thì thì giá trị điện trở của PT100 là RT=100 Ω, nên để cầu Wheatstone
cân bằng thì các điện trở R1, R2, R3 ta chọn là 100 Ω. L là điện trở dây nối. Es là
điện áp nguồn cung cấp, Eo là điện áp ngõ ra.
Ta tính được :
2 2
( )
3 2 2 1
Rg L R
Eo Es
Rg R L R R
+
= −
+ + +
Trong trường hợp dây nối dài thì ta dùng sơ đồ 3 dây hay 4 dây để bù trừ điện trở
dây nối.
Sơ đồ mạch ba dây:
Sơ đồ 3 dây có độ chính xác cao hơn sơ đồ 2 dây.
Ta tính được :
2
( )
3 2 2 1
Rg L R
Eo Es
Rg R L R R
cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra một sức điện động khác nhau: E,
J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến
không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó
( offset trên bộ điều khiển ).
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
10
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu
để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.
Hình1.8: cặp nhiệt điện
4. CHUYỂN ĐỔI A/D VÀ D/A
Tín hiệu tương tự từ thực nghiệm đưa vào bộ lọc thông thấp, được lấy mẫu
qua bộ trích và giữ mẫu S&H (sample and hold) thành tín hiệu rời rạc. Sau đó được
đưa qua bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog – digital-converter) để thành tín hiệu
số và đưa vào máy tính PC để xử lý. Tín hiệu số sau khi đã xử lý được biến đổi trở
lại thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi số tương tự DAC (Digital-analog-
converter) rồi lại đưa qua bộ lọc thông thấp để thành tín hiệu lối ra. Tuy nhiên tín
hiệu số khi đưa vào máy tính xử lý không nhất thiết phải lấy ra từ ADC mà có thể
được lấy trực tiếp từ các quá trình số khác. Cũng như vậy, tín hiệu số sau khi xử lý
không bắt buộc phải qua bộ biến đổi DAC để chuyển đổi lại thành tín hiệu tương tự
mà có thể được lấy ra ngay để điều khiển các quá trình số khác.
4.1 CHUYỂN ĐỔI A/D
4.1.1 Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC
Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, chuyển một tín hiệu ngõ vào
tương tự (dòng điện hay điện áp) thành dạng mã số nhị phân có giá trị tương ứng.
Chuyển đổi ADC có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên, mỗi phương pháp điều có
những thông số cơ bản khác nhau:
• Độ chính xác của chuyển đổi AD.
• Tốc độ chuyển đổi .
< V
a
thì ngõ ra của
bộ so sánh vẫn giữ mức cao. Khi V’
a
> V
a
ngõ ra của bộ so sánh xuống mức thấp và
quá trình thay đổi số của thanh ghi ngưng. Lúc này V’
a
gần bằng V
a
, những số trong
thanh ghi là những số cần chuyển đổi .
4.1.2 Các phương pháp chuyển đổi A/D
4.1.2.1 Phương pháp tích phân
Phương pháp tích phân cũng giống như phương pháp chuyển đổi ADC dùng tín
hiệu dốc đôi (Dual-Slope-ADC). Cấu trúc mạch điện đơn giản hơn nhưng tốc độ
chuyển đổi chậm.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
12
Mạch so sánh
Mạch tích phân
R
Ngõ ra số
• •
•
•
Start
mạch đếm. Sau khoảng thời gian t
1
mạch đếm tràn mạch logic điều khiển khóa K ở
vị trí 0, khi đó điện áp âm V
ref
được đưa vào ngõ vào của mạch tích phân, tụ điện C
xả điện với tốc độ không đổi, sau khoảng thời gian t
2
tín hiệu ngõ ra của mạch tích
phân tăng dần, do đó ngõ ra của mạch so sánh xuống, mức thấp làm cho mạch logic
điều khiển đống cổng và báo kết thúc chuyển đổi. Trong suốt khoảng thời gian xả
điện t
2
mạch đếm vẫn tiếp tục đếm kết quả của mạch đếm cũng chính là tín hiệu số
cần chuyển đổi tương ứng với điện áp tương tự ngõ vào V
in
.
Mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào V
in
và điện áp chuẩn V
ref
với t
1
,t
2
t
1
=2
n
/f
Đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên,
mạch điện có phức tạp nhưng thời gian chuyển đổi ngắn hơn. Phương pháp chuyển
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
13
t
2
=t
1
.v
in
/v
ref
Clock
Start
EOC
V
A
V’
A
+
_
DAC
Thanh ghi điều khiển
Logic điều khiển
MSB LSB
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
đổi ADC xấp xỉ liên tiếp có thời gian chuyển đổi cố định không phụ thuộc vào điện
áp ngõ vào.
Hình 1.23: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp.
Khi tác động cạnh xuống của xung start thì ADC bắt đầu chuyển đổi .
tự vào biến đổi cực nhanh .
4.2 Chuyển đổi D/A
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
14
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Chuyển đổi số sang tương tự là tiến trình lấy một giá trị được biểu diễn dưới
dạng mã số (digital code ) và chuyển đổi nó thành mức điện thế hoặc dòng điện tỉ lệ
với giá trị số
Hình1.24: Sơ đồ khối một DAC
4.2.1 Độ Phân giải DAC
Độ phân giải (resolution) của bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi
nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra tương tự bởi kết quả của một thay đổi ở đầu vào số.
Độ phân giải của DAC phụ thuộc vào số bit, do đó các nhà chế tạo thường ấn
định độ phân giải của DAC ở dạng số bit. DAC 10 bit có độ phân giải tinh hơn DAC
8 bit. DAC có càng nhiều bit thì độ phân giải càng tinh hơn.
Độ phân giải luôn bằng trọng số của LSB. Còn gọi là kích thước bậc thang
(step size), vì đó là khoảng thay đổi của Vout khi giá trị của đầu vào số thay đổi từ
bước này sang bước khác.
Hình 1.25: dạng song bậc
thang của DAC
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
15
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của
DAC. Đầu ra tương tự = K x đầu vào số
Với K là mức điện thế (hoặc cường độ dòng điện) ở mỗi bậc.
Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau:
Với A
fs
là đầu ra cực đại ( đầy thang )
= 1k). Đầu vào C có R = 2k, suy giảm đi 1/2, tương tự đầu vào B suy giảm 1/4
và đầu vào A giảm 1/8. Do đó đầu ra bộ khuếch đại được tính bởi biểu thức:
Dấu âm (-) biểu thị bộ khuếch đại cộng ở đây là khuếch đại cộng đảo.
.
Hình1.27: Đầu ra ứng với điều kiện các
đầu vào thích hợp ở 0V hoặc 5V
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
17
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
4.2.4.2. DAC R/2R ladder
Hình bên dưới ta thấy được cách sắp xếp các điện trở chỉ có hai giá trị được
sử dụng là R và 2R. Dòng I
OUT
phụ thuộc vào vị trí của 4 chuyển mạch, đầu vào nhị
phân B
0
B
1
B
2
B
3
chi phối trạng thái của các chuyển mạch này. Dòng ra I
OUT
được
phép chạy qua bộ biến đổi dòng thành điện (Op-Amp) để biến dòng thành điện thế
ra V
OUT
. Điện thế ngõ ra V
OUT
phải chạy qua R
F
và tạo điện áp
ngõ ra V
OUT
và được tính theo công thức:
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
19
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Do đó V
OUT
sẽ là mức điện thế tương tự, tỷ lệ với đầu vào nhị phân của DAC.
5. HỆ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH
5.1 Thu thập dữ liệu
Mục đích của thu thập dữ liệu là thu thập thông tin của các hiện tượng hay
các đại lượng vật lý như là điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất hoặc âm thanh. Sự
thu thập dữ liệu trên PC sử dụng một sự kết hơp giữa mô đun phần cứng, phần mềm
ứng dụng và một máy tính để thực hiện việc thu thập. Trong khi mỗi hệ thống thu
thập dữ liệu được định nghĩa bởi yêu cầu ứng dụng của nó. Mỗi hệ thống chia sẽ
một mục đích chung thu được, phân tích và nhận thông tin hiện có. Những hệ thống
thu thập dữ liệu hợp nhất những tín hiệu, các cảm biến, những cơ cấu chấp hành,
những trạng thái tín hiệu, những thiết bị thu thập dữ liệu và phần mềm ứng dụng.
Hình1.31 : sơ đồ hệ
thống thu thập dữ liệu
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
20
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.32 : Tổng quan về vào ra của máy tính
5.2 Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh
Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh là hệ thống có thể thực hiện việc thu
tín hiệu
Ngõ vào máy tính
Lọc
tương
tự
Đa
hợp
ADC
Máy tính
Kiểm tra
tín hiệu
Lọc số
Xử lý
Kiểm tra
ngõ ra
Ngõ ra máy tính
DACLọc
Gia
công
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Hình1.33 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu 1 kênh
S/H:lấy mẫu và giữ, ADC chuyển đổi tương tự sang số, DAC chuyển đổi số
sang tương tự
Chúng ta có thể thiết kế một card thu thập dữ liệu 8 bit hoặc12 bit giao tiếp
với máy tính hoặc sử dụng card thu thập dữ liệu và điều khiển của hãng sản xuất
như là card PLC 818L, PCI 1711/1718 HDU của hãng Advantech.
Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh
Hình 1.34 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh
S/H:lấy mẫu và giữ
ADC chuyển đổi tương tự sang số,
xer
Khuếch
đại
Khuếch
đại
Chấp
hành
Chấp
hành
.
.
.
.
.
.
.
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
Siemens, Advanced Micro Devices, Fujitsu, Philips, Atmel… Vi mạch tổng quát của
họ MSC – 51 là chip 8051
Chip 8051 có một số đặt trưng cơ bản sau:
+Bộ nhớ chương trình bên trong: 4KB (ROM)
+Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)
+Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64KB (ROM)
+ Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64KB (RAM)
+ 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit
+ 2 bộ định thời 16 bit.
+ Mạch giao tiếp nối tiếp.
+ Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)
+ 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit.
+ Nhân / chia trong 4µs
0KB
8KB PROM
8KB UV – EPROM
8KB FLASH ROM
256 byte
256 byte
256 byte
256 byte
3
3
3
3
6.1.2. Vi điều khiển 89V51RB2/RC2/RD2
6.1.2.1 Khái quát chung
Các tính năng:
+ CPU 80C51
+Hoạt động ở 5VDC trong tầm tần số dao động đến 40MHz.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
23
Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Nhiều Kênh Luận Văn Tốt Nghiệp
+16/32/64 kB bộ nhớ chương trình trên chip với tính năng ISP (In-System
Programming) và IAP (In-Application Programming)
+ Sử dụng chế độ 12 chu kì xung nhịp (mặc định) hoặc 6 chu kỳ xung nhịp được
chọn bằng phần mềm hoặc ISP
+ SPI (Serial Peripheral Interface) và tăng cường UART
+ 5 PCA (Programmable Counter Array) với chức năng PWM / capture/
compare 16bits.
+ 4 Port I/O (xuất nhập) 8 bit. 3 Port có dòng lớn (16mA trên mỗi chân)
+ 3 Timers/Couters 16 bit
+ Watchdog Timer có thể lập trình được
P1.6 (Chân xuất / nhập):
+ MISO: Ngõ vào chính, ngõ ra phụ cho SPI.
GVHD: Ths Huỳnh Minh Ngọc SVTH:Võ Hoàng Minh
25
Copyright: Tài liệu đại học ©