Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 1 -
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------
Lâm Hữu Thực
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN
ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11
Lâm Hữu Thực
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN
ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông
Cán bộ hướng dẫn:
PGS.TS:Hồ Văn Sung
Cán bộ đồng hướng dẫn:
luận.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những tình
cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn thể bạn bè
những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 4 -
Mục Lục
Lời mở đầu 1
Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 3
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor) 3
1.2. Cảm biến ánh sáng 4
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang 4
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng 4
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang. 4
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 5
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn 5
1.2.2.2. Photodiode 6
1.2.2.3. Phototransistor 8
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ 9
1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số 9
1.3.1. S
ơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số 10
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý 10
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến 10
Chương 3 HỆ VI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11
CỦA MOTOROLA 35
3.1. Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng 35
3.1.1. Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý phổ thông 35
3.1.2. Các bộ vi điều khiển cho các hệ thống nhúng 35
3.1.3. Lựa chọn một bộ vi điều khiển 38
3.2. Tổng quan về MC68HC11E 39
3.2.1. Đặc trưng của họ vi điều khiể
n MC68HC11E 39
3.2.2. Cấu trúc khối MC68HC11E 41
3.2.3. Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 41
3.2.3.1. VDD và VSS 44
3.2.3.2. RESET 45
3.2.3.4. Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)
46
3.2.3.5. STRA/AS và STRB/R/W 46
3.2.3.6. MODA, MODB chân điều khiển chọn mode 46
3.2.4. Bộ vi xử lý trung tâm 49
3.2.4.1. Các thanh ghi của CPU 50
3.2.4.2. Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 51
3.2.4.3. Mã lệnh và toán tử 51
3.2.4.4. Các mode địa chỉ 51
3.2.5 Kết luận 51
3.3. Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộ cảm biến 51
Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU
KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BI
ẾN ÁNH SÁNG/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ
động của cảm biến ánh sáng / tần số, cấu trúc và hoạt động củ
a chíp MC68HC11 và
cách thức xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Từ đó cung cấp cho ta tư duy để
xây dựng hệ thống cảm biến dùng trong hoạt động thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của
máy tính.
Phần thứ hai, chương còn lại báo cáo kết quả và quá trình xây dựng thực tế
một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến ánh sáng. Tổng đề tài khoảng 70 trang.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 7 -
Lời mở đầu
Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường
cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ
vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dự tính tới năm
2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị
trường cả
m biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tế thị
phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên
43% vào năm 2008. Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies),
cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng
hơn nữa và vượt qua cả thị ph
ần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần
máy tính cá nhân.
Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy
(nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiể
n thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể
lỏng) hoặc đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước). Do đề tài khá mới, nên người viết
chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một số bài
toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một
số chi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1, nghiên cứ
u nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ
đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm
biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số.
Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các
phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phươ
ng pháp tính toán trên tín
hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số.
Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi
điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu
trong cảm biến.
Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu.
Bảng mạch điệ
n tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng
Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không
tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 9 -
Chương 1
CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor)
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 10 -
1.2. Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là loại cảm biến chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện.
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng
Ánh sáng có tính chất sóng nhưng vừa có tính chất hạt. Tuỳ thuộc vào môi
trường, điều kiện đo mà nó thể hiện tính chất sóng hay tính chất hạt.
− Về tính chất sóng ta lưu ý ánh sáng là một loại sóng điện từ mang đầy đủ
tính chất của sóng đi
ện từ ( sóng ngang, truyền trong chân không với vận tốc 300000
km/s).
− Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất.
Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là
hạt lượng tử ánh sáng ( photon ).
− Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý.
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang.
− Năng lượng bức xạ (Q): là n
ăng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ
dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J).
− Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo
bằng oat (W).
φ = dQ/dt
− Cường độ ánh sáng (I) : là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho
trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oat/steradian.
I = dφ/dΩ.
− Độ chói năng lượng (L): là tỷ
số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một
tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang
dẫn.
Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là
điện trở tối của nó. Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt
độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối
rấ
t lớn (từ 10
4
Ω tới 10
9
Ω ở 25
0
C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối
nhỏ (từ 10Ω tới 10
3
Ω ở 25
0
C).
Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ
chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm.
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất
hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe...
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In...
Đa số
các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại.
Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông
lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc
xung ánh sáng. Ứng dụng cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp:
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
sẽ xuất hiện dòng điện rò ( trôi ) qua tiếp giáp P_N dưới tác động của điện trường trên.
Khi thế ngược Vn đặt vào đủ lớn, dòng điện trôi lớn hơn đáng kể so với dòng khuyếch
tán nên có thể bỏ qua dòng khuyếch tán. Dòng điện trôi có một đặc điểm quan tr
ọng là
nó không phụ thuộc nhiều vào điện áp ngược đặt vào, mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải
không cơ bản sinh ra trong tiếp giáp trong đơn vị thời gian( tất nhiên là thế Vn không
đạt tới giá trị thế đánh thủng ). Dĩ nhiên mật độ hạt tải không cơ bản phụ thuộc vào độ
D1
DIODE
+V
V1
5V
RLY1
12VSPDT
Quang
trở
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 13 -
pha tạp của bán dẫn, điều kiện kích thích sinh ra hạt tải không cơ bản. Do đó có thể nói
rằng dòng trôi phụ thuộc vào bản chất bán dẫn và yếu tố kích thích chủ yếu.
Ta biết rằng, với mỗi loại bán dẫn có một bước sóng ngưỡng λ
s
, khi bước sóng
ánh sáng chiếu vào bán dẫn nhỏ hơn giá trị này sẽ sinh ra cặp điên tử lỗ trống mới. Do
đó làm mật độ hạt tải không cơ bản tăng. Nếu toàn bộ hạt tải không cơ bản (lỗ trống
trong bán dẫn loại n và điện tử trong bán dẫn loại p) sinh ra trong tiếp giáp P –N nhanh
chóng bị tách ra ngăn cho chúng không tái hợp và đi về hai cực dưới tác dụng của điện
tr
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 14 -
Hình 2
. Diode hoạt động ở chế độ quang dẫn.Hình 3
. Chế độ quang thế của diode.
1.2.2.3. Phototransistor
Phototranzito là loại tranzito NPN mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng,
không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C
phân cực ngược. ( Hình 4a ).
Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực
ngược) Trong khi đó sự chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (Vbe
= 0.6 -0.7V)
Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó sẽ hoạt động gi
ống photodiode ở chế
độ quang dẫn với dòng ngược
Ir = Io + Ip
Trong đó Io là dòng điện trong tối, Ip là dòng quang điện dưới tác dụng của
ánh sáng chiếu vào
Dòng bazơ Ir đóng vai trò như dòng bazơ, nó sẽ gây nên dòng colector Ic:
Ic = (β + 1)*Ir
a)Sơ đồ nguyên lý của diode
trong chế độ quang dẫn.
Một mạch đo dòng ngược
trong chế độ quang dẫn.
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 15 -
β là hệ số khuyếch đại dòng của tranzito khi mắc Emitor chung.
Như vậy có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiode và một
tranzito (hình 4b). Photodiode cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho
hiệu ứng khuyếch đại β. Các điện tử và lỗ trống sinh ra trong vùng bazơ sẽ bị phân
chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C.
Hình 4.
PhotoNPN và sơ đồ tương đương.
Phototranzito có thể dùng làm chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính. Ở
chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiode là cho phép điều khiển trực tiếp
dòng chảy qua tương đối lớn. Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dầu nó có ưu điểm
là cho độ khuyếch đại, nhưng người ta vẫn thích dùng photodiode hơn bởi vì
photodiode có độ tuyến tính tốt hơ
n.
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ
Trong loại cảm biến này , sự biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện thực
hiện được nhờ hiện tượng quang phát xạ điện tử (e
-
) ra khỏi vật liệu photocatot (bia
chắn bức xạ ánh sáng). Số lượng các điện tử phát xạ tỉ lệ với số photon chiếu vào
photocatot. Các điện tử tạo thành dòng catot, sau đó có thể:
− Thu gom trực tiếp bằng anot (tế bào quang điện chân không).
− Ion hoá chất khí ( đèn ion khí ).
− Phát xạ thứ cấp kèm theo sự khuyếch đại dòng thứ cấp (nhân quang).
Nói chung nhược điểm của loại cảm biế
n này là công suất tiêu thụ lớn, hiệu
C2
33pF
R2
10k 47%
+V5V
out
+V
V4
5V
R8
5k 40%
C1
0.01uF
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
U3
555
+
U4
OPAMP5
+V
V3
-12V
+V
V2
Vctr và phóng từ mức Vctr xuống mức 1.66V.
T1 = ln (Vctr/1.66)*(R7+R8+R9)*C
1
T2 = ln (Vctr/1.66)*R7*C
1
Vctr dao động từ 2.26V tới 5V, do đó tần số máy phát từ 5.29kHz tới
31.19kHz.
Chuyển đổi ánh sáng
thành tín hiệu điện áp
hay dòng điện.
Chuyển đổi và xử
lý tín hiệu điện áp
thành dao động
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 17 -
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến
Cụm từ “thu thập dữ liệu (data acquision)” được định nghĩa: là quá trình tập
hợp, đo lường các tín hiệu điện từ các bộ chuyển đổi, cảm biến và đưa vào máy tính để
xử lý. Như vậy xử lý và biểu diễn thông tin từ đối tượng là nhiệm vụ chính của hệ
thống thu thập dữ liệu dựa trên sự trợ giúp của máy tính. Hệ thống thu thập dữ liệ
u cần
đưa được thông tin xác thực vào máy tính. Máy tính có nhiệm vụ liên kết các tham số
để thống kê, tính toán và biễu diễn thông tin dưới dạng thân thiện với người dùng. Như
vậy để đảm bảo hoạt động của hệ thống, trước khi thiết kế hệ thống phải đảm bảo giao
tiếp giữa khối cảm biến và máy tính. Có nghĩa là ta phải thiết kế thêm khối giao diện
bus giữa chúng. Do máy tính chỉ làm việ
Thành phần
cảm biến
Phần xử lý và
tương thích tín
hiệu
Chuyển
đổi A/D
Giao
diện
bus
Máy
tính
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 18 -
nhân là rất lớn. Giải pháp tối ưu cho trường hợp này là tổ chức bus và một giao thức
giao tiếp bus kết nối giữa hệ cảm biến và máy tính. Dữ liệu được mã hoá trước khi
truyền.
1.5. Cảm biến thông minh
Nhờ có các hệ thống cảm biến tích hợp, công việc thu thập dữ liệu đã có mức
độ tin cậy khá cao. Tuy nhiên công việc xử lý hoàn toàn thực hiện bằng phần cứng,
không thực sự mềm dẻo, tính thích nghi không lớn. Khối lượng công việc xử lý của
máy tính khá nhiều. Để giảm thiểu những nhược điểm đó ta dùng một cấu trúc cảm
biến gọi là cảm biến thông minh. Cấu trúc mộ
t cảm biến thông minh được chỉ ra trong
hình vẽ (hình 8 ).
tín hiệu.
Vi điều
khiển
Máy
tính.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 19 -
lý đạt được với độ chính xác cao, tốc độ và công suất tiêu thụ ít, nên đôi khi người ta
gọi cảm biến thông minh là bộ chuyển đổi thông minh.
Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ thiết kế vi mạch cỡ lớn, người ta có
thể tích hợp cả phần cảm biến và vi điều khiển trên cùng một vi mạch. Nhờ đó giá
thành, kích thước của một cảm biến giảm đi rấ
t nhiều. Một ví dụ cho cảm biến thông
minh tích hợp là cảm biến ánh sáng TSL230/235/250 của Texas Instruments. Nó là
loại cảm biến ánh sáng, thông minh có khả năng lập trình được được tích hợp trong
một khối duy nhất như là bộ phận chuyển đổi ánh sáng sang tần số. Tín hiệu lối ra là
xung vuông [tần số 1-1MHz] tỉ lệ với độ chói của ánh sáng khả kiến và vùng hồng
ngoại ngắn. Nhằm cung cấp cho cảm biến có khả nă
ng lập trình thay đổi độ nhạy cảm
lối vào và độ lớn lối ra. Giải pháp công nghệ hữu hiệu và đơn giản nhất là chuyển đổi
các lối vào trong ma trận 100 con photodiode khác nhau. Để giảm giá thành sản phẩm,
một bộ vi điều khiển giá rẻ với tần số giới hạn, có chức năng chuyển đổi tần số sang
mã nhằm cung cấp khả năng thay đổi tỷ lệ
xích lối ra. Tuỳ chọn này chia các xung có
độ rộng cố định, hay các xung vuông cho 2, 10, 100 lần. Nhờ đó ánh sáng với cường
độ từ 0.001 tới 100000 µW/am
2
có thể được đo trực tiếp mà không cần thông qua bất
sang năng lượng điện. Tín hiệu thu được từ các cảm biến có công suất rất nhỏ. Trước
khi tín hiệu được truyền đi, người ta phải đem khuyêch đại cho đủ công suất phát. Sự
sai sót trong quá trình này là không thể bù đắp bằng các mạch hay giải thuật xử lý tín
hiệu. Điều này dược khắc phục tối đa nhờ các cảm biến trong miền tần số. Với các loại
cảm biến này, công suất tín hiệu ra là phụ thuộc vào công suất của các máy phát dao
động. Với máy phát dao động có công suất cao, công suất tín hiệu cũng cao.
3) Dải động lớn
Bởi vì tín hiệu trong miền tần số, dải làm việ
c của nó không bị giới nguồn
nuôi và nhiễu. Do đó dải làm việc đạt hơn 100Db thực hiện được một cách dễ dàng.
4) Tần số chuẩn có độ chính xác cao
Để làm ổn định một tần số chuẩn, ví dụ với một bộ dao động thạch anh thực
hiện dễ dàng hơn tạo một thế chuẩn. Điều này có thể giải thích rằng do tín hiệu tần số
ít
ảnh hưởng hơn bởi các tín hiệu ký sinh, tín hiệu ồn nhiệt…
5) Giao diện truyền thông đơn giản
Các yêu tố, sức điện động ký sinh, trở kháng tức thời, nhiễu xuyên kênh trong
hợp kênh cảm biến tương tự làm nảy sinh nhu cầu bù lỗi. Tuy nhiên với các cảm biến
tần số , tín hiệu tần số không nhạy cảm với các yếu tố trên. Do đó các bộ hợp kênh tần
số được
đơn giản hoá rất nhiều nhưng vẫn cho được kết quả đáng tôn trọng.
6) Dễ dàng lấy tích phân và mã hoá
Việc lấy tích phân tín hiệu tần số trong miền thời gian khá là đơn giản và dễ
dàng thực hiện. Người ta chỉ cần thêm một bộ đếm xung thì có thể thực hiên được tích
phân vô hạn trong miền thời gian. Do đó tín hiệu tần số có thể xử lý bằng các bộ vi
điều khiển mà không cầ
n thêm mạch giao diện nào.
Tất cả những lý do nêu trên làm cho các thiết kế cảm biến làm việc trong miền
tần số có được hiệu suất cao. Trên thực tế nó được sử dụng rất rộng rãi.
thế. Vì vậy cần thiết phải có bộ chuyển đổi những tín hiệu này sang thông tin d
ưới
dạng tần số khi cần sử dụng tham biến tần số như một lối vào. Một bộ chuyển đổi như
vậy cần phải đáp ứng những yêu cầu sau.
− Có hàm truyền đạt tuyến tính và ổn định, chính xác.
− Phạm vi dải tần đủ rộng, chế tạo dễ dàng và đơn giản.
Trong các bộ tạo dao động phụ thuộc tham số nào đó, thì b
ộ dao động điều
khiển bởi điện thế là dễ dàng thực hiện nhất và cũng có cấu tạo đơn giản nhất. Các
thông số khác như cường độ dòng điện, hay trở kháng .v.v. cũng dễ dàng được chuyển
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 22 -
sang thông số điện áp. Vì vậy các bộ chuyển đổi từ điện áp sang tần số chiếm số lượng
cực lớn trong loại thiết bị chuyển đổi các thông số khác sang tần số. Về nguyên lý và
thiết kế mạch chuyển đổi điện áp sang tần số được giới thiệu nhiều trong các giáo trình
kỹ thuật mạch điện tử và kỹ thuật số.
Ở đây người viết không có tham vọng trình bày
vấn đề đó trong luận văn này.
2.2. Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh
Một hệ thống cảm biến dùng trong đo lường, điều khiển hiện đại có thể được
xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Một hệ thống máy tính trung tâm được kết nối
tới một số lối vào (cảm biến) và một số thiết bị lối ra (bộ thực thi - actuator). Trong
các hệ thống như vậy, cảm biến tần số được sử dụng để nhậ
n thông tin và xử lý các
quan hệ đo lường.
Có hai phương pháp thu thập dữ liệu truyền thống dùng nhiều trong các hệ
thống đo lường và điều khiển tự động hiện đại, đó là:
− Phương pháp sử dụng kênh phân chia theo thời gian, dựa trên hợp kênh
hoặc nT
x
. Trong các hệ thống thu thập dữ
liệu hiên đại, tần số lối ra cảm biến có thể thực hiện chuyển đổi trực tiếp sang mã mà
không cần thêm bất cứ cấu hình phần cứng nào.
Ngay sau khi qua bộ chuyển đổi tần số thành mã, mã nhị phân đưa vào vi điều
khiển dưới dạng một dãy dữ liệu. Nếu cần, các tín hiệu có thể được xử lý bằng vi điều
khiển hay các bộ DSP (ví dụ như: tuyến tính hoá, đồng nhất hoá, thay đổi hệ số
khuyếch đại .v.v.).Dữ liệu được đưa vào máy tính (qua hệ thống Bus, cổng vào ra hay
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội
Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 23 -
bộ nhớ truy cập trực tiếp) để xử lý ở một mức cao hơn. Kết quả sau khi xử lý bằng
máy tính có thể được hiển thị hay sử dụng để điều khiển hệ thống.
Hình 9.
Hệ thống thu thập dữ liệu phân kênh theo thời gian.
Chu kỳ truy cập cảm biến được đồng bộ bởi phần mềm của vi điều khiển. Chu
kỳ đó tuỳ thuộc vào nhiệm vụ riêng biệt của từng cảm biến. Trong các hệ thống thu
thập dữ liệu theo tần số, chu kỳ truy cập vào bộ chuyển đổi có thể tính theo phương
trình:
τ
delay2
, đặt trước chu kỳ thời gian truy cập một bộ chuyền đổi chỉ có
thể thay đổi khi thay đổi n.
2.2.2. Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian
Hệ thống thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian có cấu hình chung như
hình vẽ.
x
1
x
2
x
n
MX
µK
Cảm biến 1
Cảm biến 2
Cảm biến n
…
…
f
i
N
i
Bus hay
cổng
máy tính
DAQ board
F/#
f
định những thông số
này cũng không là đơn giản. Do đó các phương pháp chuyển đổi
tần số sang mã không ngừng được quan tâm và phát triển. Có rất nhiều phương pháp
chuyển đổi tần số sang mã, tuy nhiên các phương pháp thông dụng nhât là:
− Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp, đếm số xung f
x
trung bình trong chu kỳ
thời gian T
0
= 1/f
0
của xung chuẩn. Phương pháp này thích hợp cho tín hiệu tần số cao.
Cảm biến1
Cảm biến2
Cảm biến
F/#
MP
F/#
F/#
x
1
x
2
x
n
N
1
N
2
N
phổ biến trong kỹ nghệ nhằm chuyển đổi lối ra của bộ cảm biến thành một đại lượng
số. Mạch yêu cầu phải reset bộ đếm trước khi sử dụng. Thao tác reset được thực hiện
trước mỗi chu kỳ đo, cung cấp bởi thiêt b
ị ngoài và không đươc biểu diễn vào sơ đồ.
Hình11.
Sơ đồ khối đơn giản của phương pháp đếm chuẩn trực tiếp.
Phương pháp này đếm số chu kỳ T
x
xuất hiện trong thời gian của xung cửa T
0.
Xung cửa tạo nên từ bộ tạo dao động chuẩn T
o
và có mức lôgic cao. Khi không có xung
To, mạch ngừng hoạt động, đó là khoảng thời gian dành cho reset. Từ đó ta có:
N
x
= T
o
/T
x
= T
0
. f
x
Từ đây ta thấy nếu T
o
= 1s thì N
= T
o
+ ∆t
1
- ∆t
2
(2.1)
Vì vậy
f
x
Bộ đếm
Bộ tạo tần
số chuẩn
T
o
N
x
Copyright: Tài liệu đại học ©