Nối tiếp phần 1, Bài giảng Thiết bị ngoại vi và kĩ thuật ghép nối: Phần 2 tiếp tục trình bày những nội dung về ghép nối qua cổng nối tiếp; giới thiệu chung về trao đổi dữ liệu nối tiếp; lập trình cho cổng RS-232; ghép nối số - tương tự, tương tự - số; bộ biến đổi số-tương tự (DAC); ghép nối bộ biến đổi D/A với máy tính; lập trình cho DAC; ghép nối các bộ biến đổi A/D với máy tính;... Mời các bạn cùng tham khảo!
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TRẦN THỊ THÚY HÀ BÀI GIẢNG THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI Hà nội, 2014 HÀ NỘI – 2014 CHƯƠNG GHÉP NỐI QUA CỔNG NỐI TIẾP 3.1 Giới thiệu chung trao đổi liệu nối tiếp Ngày nay, ghép nối qua cổng nối tiếp kỹ thuật sử dụng rộng rãi số lượng chủng loại thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng đứng hàng đầu khả ghép nối với máy tính Qua cổng nối tiếp ghép nối modem, chuột, biến đổi A/D, D/A, thiết bị đo lường … Ghép nối qua cổng nối tiếp liệu truyền qua cổng kiểu nối tiếp nghĩa thời điểm có bit truyền dọc theo đường dẫn Đăc điểm cho phép tạo khác biệt so với cách ghép nối nối khác chẳng hạn cách truyền thơng theo kiểu song song nhiều bit gửi đồng thời Ưu điểm kỹ thuật sử dụng đường truyền đường nhận việc điều khiển trở nên đơn giản Cổng có tên RS232 V.24 RS232 tên tiêu chuẩn quy định đặc tính cho cổng nối tiếp, V.24 tên cổng áp dụng nước Tây Âu So với khả ghép nối khác tốc độ truyền qua cổng nối tiếp chậm, tốc độ thường sử dụng 19600 bit/s/20m Tốc độ truyền modem đời đạt 56,6Kbit/s Về sau có số tiêu chuẩn nối tiếp khác đời RS422, RS485 cho phép truyền với tốc độ cao khoảng cách dài hơn: ví dụ RS422 10Mbit/s/hàng ngàn km Một số chuẩn khác cho phép sử dụng mạng máy tính 3.1.1 Nguồn gốc Ngày nay, ghép nối qua cổng nối tiếp kỹ thuật sử dụng rộng rãi số lượng chủng loại thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng đứng hàng đầu khả ghép nối với máy tính Qua cổng nối tiếp ghép nối modem, chuột, biến đổi A/D, D/A, thiết bị đo lường … Ghép nối qua cổng nối tiếp liệu truyền qua cổng kiểu nối tiếp nghĩa thời điểm có bit truyền dọc theo đường dẫn Đăc điểm cho phép tạo khác biệt so với cách ghép nối nối khác chẳng hạn cách truyền thông theo kiểu song song nhiều bit gửi đồng thời Ưu điểm kỹ thuật sử dụng đường truyền đường nhận việc điều khiển trở nên đơn giản 47 Cổng có tên RS232 V.24 RS232 tên tiêu chuẩn quy định đặc tính cho cổng nối tiếp, V.24 tên cổng áp dụng nước Tây Âu Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 kỹ thuật sử dụng rộng rãi để ghép nối thiết bị ngoại vi với máy tính Nó chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều thiết bị, chiều dài kết nối lớn cho phép để đảm bảo liệu 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s tốc độ 115kbit/s với số thiết bị đặc biệt Có hai phiên RS232 lưu hành thời gian tương đối dài RS232B RS232C Nhưng phiên RS232B cũ dùng RS232C dùng tồn thường gọi chuẩn RS232 Các máy tính thường có cổng nối chuẩn RS232C gọi cổng Com Chúng dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại chân lại 25 chân tùy vào đời máy main máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 tương đối dễ dàng, đặc biệt chọn chế độ hoạt động không đồng tốc độ truyền liệu thấp 3.1.2 Ưu, nhược điểm giao diện nối tiếp RS232 Ưu điểm giao tiếp nối tiếp RS232: - Khả chống nhiễu cổng nối tiếp cao - Thiết bị ngoại vi tháo lắp máy tính cấp điện - Các mạch điện đơn giản nhận điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp + Nhược điểm giao tiếp nối tiếp RS232: - Tốc độ truyền liệu bị hạn chế Ví dụ với tốc độ 9600 baud cho phép truyền nhiều 960 byte giây Khuôn dạng liệu (Frame) - cần phải thiết lập hai bên gởi nhận Chiều dài đường truyền hạn chế 3.1.3 Đặc điểm chuẩn RS232 - Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn (logic 1) +-12V Hiện cố định trở kháng tải phạm vi từ 3000 7000 - Mức logic có điện áp nằm khoảng -3V đến -12V, mức logic từ - +-3V đến 12V Tốc độ truyền nhận liệu cực đại 100kbps ( ngày lớn hơn) Các lối vào phải có điện dung nhỏ 2500pF 48 - Trở kháng tải phải lớn 3000 phải nhỏ 7000 - Độ dài cáp nối máy tính thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m không sử model Các giá trị tốc độ truyền liệu chuẩn : 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, - 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400 56600, 115200 bps 3.1.4 Thủ tục trao đổi liệu + Quá trình truyền liệu Truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 thực không đồng Do nên thời điểm có bit truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi bit bắt đầu (bit start) để thơng báo cho nhận biết kí tự gửi đến lần truyền bit tiếp the Bit bắt đầu mức Tiếp theo bit liệu (bits data) gửi dạng mã ASCII( 5,6,7 hay bit liệu) Sau Parity bit (kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) cuối bit dừng - bit stop 1; 1,5 hay bit dừng + Tốc độ Baud Đây tham số đặc trưng RS232 Tham số đặc trưng cho q trình truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 tốc độ truyền nhận liệu hay gọi tốc độ bit Tốc độ bit định nghĩa số bit truyền thời gian giây hay số bit truyền thời gian giây Tốc độ bit phải thiết lập bên phát bên nhận phải có tốc độ (Tốc độ vi điều khiển máy tính phải chung tốc độ truyền bit) Ngồi tốc độ bit cịn tham số để mô tả tốc độ truyền tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa liệu sử dụng để diễn tả bit truyền cịn tơc độ bit phản ánh tốc độ thực tế mà bit truyền.Vì phần tử báo hiệu mã hóa bit nên hai tốc độ bit tốc độ baud phải đồng Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ 19200 Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 yêu cầu sử dụng chuẩn thời gian chuyển mức logic không vượt 4% thời gian truyền bit Do vậy, tốc độ bit cao thời gian truyền bit nhỏ thời gian chuyển mức logic phải nhỏ Điều làm giới hạn tốc Baud khoảng cách truyền + Bit chẵn lẻ hay Parity bit 49 Đây bit kiểm tra lỗi đường truyền Thực chất trình kiểm tra lỗi truyền liệu bổ sung thêm liệu truyền để tìm sửa số lỗi q trình truyền Do chuẩn RS232 sử dụng kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ Một bit chẵn lẻ bổ sung vào liệu truyền thấy số lượng bit "1" gửi khung truyền chẵn hay lẻ Một Parity bit tìm số lẻ lỗi 1,3,,5,7,9 Nếu bit chẵn mắc lỗi Parity bit trùng giá trị với trường hợp khơng mắc lỗi khơng phát lỗi Do kỹ thuật mã hóa lỗi khơng sử dụng trường hợp có khả vài bit bị mắc lỗi 3.2 Một số chuẩn ghép nối RS232 số nhược điểm: Khoảng cách truyền hạn chế (15 m), tốc độ truyền chưa cao (100 Kbps) Vì có số tiêu chuẩn đời nhằm khắc phục nhược điểm chuẩn RS232 để lại Các tiêu chuẩn RS422, RS423A, RS485, tất chuẩn bắt đầu RS 3.2.1 RS422 Là tiêu chuẩn cải tiến từ tiêu chuẩn RS232C đặc điểm khoảng cách tốc độ truyền cải tiến cụ thể: RS422 cho phép tăng tốc độ cỡ vài Mbit/s Các vi mạch thông thường sử dụng cho chuẩn RS232C như: MAX232 (Maxim), LT232 (Linear Technology) sử dụng cho chuẩn Ngoài khoảng cách truyền cải thiện từ 15m -> 1200m, tất nhiên phải chấp nhận tốc độ truyền vừa phải cỡ 90 Kbps Cải tiến: Về mặt chất truyền liệu theo kiểu nối tiếp cách truyền thay đổi Cụ thể mức logic tín hiệu khơng tính theo đường Mas (0v) mà tính theo điện áp vi sai (chênh lệch điện áp đường dẫn) đệm đường dẫn RS422 tạo điện áp vi sai ~ 5v truyền sợi dây soắn, sau bên nhận có phối hợp mức để đo vi sai điện áp để phân biệt mức HIGH mức LOW RS422 quy định cặp tín hiệu sử dụng để truyền khơng phải tín hiệu RS232, cặp bao gồm: Tín hiệu khơng đảo kí hiệu (A) tín hiệu đảo (B) Chênh lệch điện áp tín hiệu A B khoảng 2->6V xảy trường hợp: UA âm so với UB -> A có mức logic 1(mức dấu) UA dương so với UB -> A có mức logic 0(mứctrống) 50 Các giá trị điện áp kết hợp với thông số quy định trở kháng đường cáp đặt giới hạn thực tế cho độ dài đường truyền cực đại Tính tốn cho thấy khoảng cách đạt đến 1200m khoảng cách lí tưởng nhiều ứng dụng Trong trường hợp sử dụng đường truyền ngắn nâng tốc độ truyền lên 10 Mbps Nguyên nhân xâu xa việc cải thiện khoảng cách truyền tín hiệu nhiễu ảnh hưởng đến đường tín hiệu đồng thời gây ảnh hưởng đến đường tín hiệu so sánh với bị bù trừ Vì để thoả mãn điều kiện hai đường tín hiệu phải nằm sát Trên thực tế người ta giải cách soắn hai sợi dây lại với Khi khơng độ bền học cáp tăng lên mà ảnh hưởng nhiễu bù trừ thỏa đáng 3.2.2 Chuẩn RS423A Đặc điểm chuẩn người ta sử dụng điện áp không cân bằng(khơng đối xứng) Nó sử dụng đường dẫn để truyền giống RS232 thông số điện cải tiến để có tốc độ cao đường truyền dài hơn, cụ thể giảm điện áp xuống cịn 0->6v 0v~HIGH(1) 6v~LOW(0) Các tín hiệu chuẩn RS232C thường sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển cáp truyền tín hiệu RS423A sử dụng cho liệu cho việc phân chia khoảng thời gian 3.2.3 Chuẩn RS485 Đây kết trực tiếp việc cải tiến RS422 theo hướng cho nhiều thành viên tham gia vào truyền Ta biết chuẩn vừa trình bày cho phép hai thành viên tham gia truyền liệu với nhau, trường hợp muốn đưa thêm thành viên thứ ba vào giải pháp phần cứng phức tạp nhiều ứng dụng thực tế cần có khả truyền liệu số thành viên với Có thể nói việc đưa chuẩn thực chất cho phép hình thành bus liệu có nhiều hai thành viên tham gia, số đạt đến 32 Về mặt giải pháp kĩ thuật việc đưa chuẩn nối tiếp trở thành bus địi hỏi phải có hỗ trợ vi mạch trạng thái (HIGH, LOW, điện trở cao) Mức logic ấn định tương tự RS422 cụ thể từ -1,5->-6V, mức logic nằm khoảng 1,5->6V Bộ đệm đường dẫn chuẩn tạo điện áp vi sai 5V hai đường dẫn /truyền liệu mức điện áp tính theo phương pháp vi sai Chính nhờ cải tiến mà việc ghép nối nhiều thiết bị đo lường (máy tính) với trở nên đơn giản Ứng dụng RS485 51 Một thí dụ sử dụng RS485 theo dõi lượng hàng xuất nhập kho xăng dầu Các bể chứa nhiều loại xăng khác nhau, tổng cộng đến 32 bể chứa quản lí đồng thời Người ta quản lí cách bể đưa vào đầu đo gắn cho đầu đo địa mà thực chất mã số Các thông tin đầu đo chuyển qua RS485 vào máy tính Tại xử lí máy tính đọc số liệu với mã số kèm theo Trên sở biết số lượng đo lường gửi từ bể về, số liệu đem kết hợp với kích thước hình học, nhiệt độ bể, nhiệt độ mơi trường từ hình thành sở liệu cho phép quản lí lượng xăng dầu bảo quản kho, lượng xuất nhập ngày, tuần, tháng 3.2.4 So sánh chuẩn ghép nối Giao diện nối tiếp RS232C(V.24) giao diện điện áp tuý mức logic HIGH LOW mức điện áp nằm khoảng 3->12V 3->-12V mức logic đọc tính so với đường mas (GND) chung Ưu điểm đặc biệt việc xử lý đơn giản theo nghĩa tìm lỗi viết phần mềm điều khiển nhanh Chính việc ghép nối qua cổng áp dụng phổ biến khả giao tiếp lớn theo nghĩa nhiều loại thiết bị ngoại vi nhiều hãng khác với nhiều mẫu mã khác ghép nối với cổng Nhược điểm giao diện trước hết khoảng cách truyền hạn chế tốc độ truyền liệu chưa cao Các giao diện RS422 RS485 giao diện vi sai điện áp đối xứng Trong trường hợp việc truyền liệu tién hành đường dẫn vi sai điện áp hai đường dẫn xoắn với thành cặp khác hẳn với trường hợp RS232 mức điện áp đường truyền đường nhận tính so với đường mas chung Vì vậy, thơng tin nhận từ điện áp vi sai hai đường truyền hai dây dẫn không phaỉ từ giá trị điện áp tuyệt đối tính so với điện đường mas chung Do cách truyền mà nhiễu điện từ nói chung khơng ảnh hưởng đến q trình truyền liệu Kết tăng tốc độ truyền lên tới 10 Mbps Bảng 3.1 Bảng so sánh chuẩn ghép nối V24/RS232C RS422 RS 485 Bản chất liên kết Điểm-điểm Điểm-điểm bus Loại giao diện Điện áp ko đối Điện áp đối xứng Vi phân điện áp đối xứng với khả 52 V24/RS232C RS422 RS 485 xứng trạng thái Khả chống nhiễu Thấp Cao Cao Số đệm cực đại 1 32 Số nhận cực đại 1 32 Độ dài cực đại đường truyền 15 m 1200 m 1200m Tốc độ truyền cực đại 100 kbaud 10 MBaud 10 MBaud Điện áp lối đệm: - Khơng tải - Có tải 15V 5V 5V 2V 5V 1.5V Điện trở lối đệm 3k7k 100 54k60k Điện trở lối vào đệm 3k7k >4k >12k Độ nhậy nhận 3V 200mV 200mV Nhận xét: Giữa RS422 RS 485 có khác là: Chuẩn RS422 thực chức liên kết điểm-điểm, đệm giao diện RS485 chuyển mạch trạng thái điện trở cao, cho phép hình thành liên kết bus Trong số trường hợp người ta phải hạn chế ảnh hưởng thành viên khối ghép nối đặc biệt trường hợp đường truyền dài, người ta phải thực cách li điện hai thành viên cách đưa vào ghép nối quang Trong ghép nối quang bao gồm hai linh kiện: Diot phát quang LED (Light Emitting Diode) Transistor quang Khi có dịng điện chạy qua theo hướng thuận diot phát ánh sáng dọi vào cực gốc transtor quang làm cho chuyến sang trạng thái dẫn (có dịng điện chạy qua) Như vậy, việc có dịng điện chạy qua diot 53 kéo theo dòng điện qua transtor, nhờ mà người ta dùng ghép nối quang vào mục đích truyền liệu Ưu điểm bên truyền bên nhận cách li điện, có cố sảy bên khơng kéo theo cố bên 3.3 Lập trình cho cổng RS-232 Dữ liệu gửi dọc theo đường truyền TxD (Transmit Data) nhận đường truyền RxD (Receive Data) với đường trở đất chung Các đường dẫn khác sử dụng để bắt tay (handshaking) chia thành loại vào ra: Các đường dẫn bắt tay lối vào: RI (Ring Indicate): Báo chuông DSR (Data Set Ready): Dữ liệu sẵn sàng CTS (Clear to Send): Xóa để truyền Các đường dẫn bắt tay lối ra: RTS (Request to Send): Yêu cầu truyền DTR (Data Terminal Ready): Đầu cuối liệu sẵn sàng Đóng vai trị chủ đạo q trình truyền thơng nối tiếp IC 8250 3.3.1 Bộ truyền nhận không đồng vạn 8250 UART 8250 (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) đảm nhiệm chức chính: - Chuyển đổi tín hiệu song song từ CPU thành tín hiệu nối tiếp để truyền khỏi máy tính chuyển đổi tín hiệu nối tiếp từ ngoại vi thành song song để chuyển tới CPU - Bổ sung bit: Start, chẵn/lẻ Stop vào ký tự để hình thành khung truyền, đồng thời tách bit từ khung truyền nhận - Duy trì trạng thái bit riêng biệt phát với tốc độ truyền liệu thích hợp, tính tốn bit chẵn/lẻ ký tự nhận truyền đồng thời thông báo cho hệ thống biết sai sót phát - Thiết lập tín hiệu bắt tay phần cứng thích hợp thơng báo trạng thái mạch UART 8250 chip bản, chip thông dụng UART 16450, 16550A, 16750 Cấu trúc chức chúng dựa tảng 8250 Lập trình cho 8250 thực cách đọc viết ghi Các ghi là: 54 Base Address Mode Name +0 (DLAB=0) Write Transmitter Holding Buffer THR +0 (DLAB=0) Read Receiver Buffer RBR +0 (DLAB=1) Rd/Wr Divisor Latch Low Byte DLL +1 (DLAB=0) Rd/Wr +1 (DLAB=1) Rd/Wr +2 Read Interrupt Enable Register IER Divisor Latch High Byte DLM Interrupt Idendification Register IIR +2 +3 Write Rd/Wr FIFO Control Register Line Control Register FCR LCR +4 +5 Rd/Wr Read Modem Control Register Line Status Register MCR LSR +6 Read Modem MSR Status Register +7 Rd/Wr Scratch Register SCR PC có cổng nối tiếp COM1 - COM4 phân biệt qua vị trí địa vùng vào/ PC số ngắt tương ứng Địa UART (của ghi đệm truyền / nhận) gọi địa sở Thông thường địa sở IRQ quy định nhờ cầu nối (jumper) card vào/ra mạch Name Port address IRQ COM 3F8h IRQ4 COM 2F8h IRQ3 COM 3E8h IRQ4 COM 2E8h IRQ3 Ta thấy COM 1, COM 2, dùng chung kênh ngắt, thời điểm sử dụng phần mềm cho ngắt cổng sử dụng nhiều cổng nối tiếp chương trình khơng sử dụng ngắt 10 ghi UART 8250 chia làm loại: Thanh ghi điều khiển (Control Register): dùng để nhận thực lệnh từ CPU Thanh ghi trạng thái (Status Register): dùng để thông báo cho CPU biết trạng thái UART hay UART làm gì? Thanh ghi đệm (Buffer Register): dùng để giữ ký tự lúc truyền xử lý 55 Nối lối máy phát xung nhịp MHz tới lối vào CLK2 đếm chip PIT 8253; nối lối vào GATE2 lên + 5V để ln cho phép đếm Viết chương trình để phát xung tỷ lệ lặp lại có độ rỗng xung thỏa mãn điều kiện sau: mức thấp 40µs mức cao 200µs (Cho địa C0 = 304) 10 Nối đầu công tắc tạo xung đơn vào lối vào CLK1 đếm vi mạch PIT-8254 Viết chương trình liên tục hiển thị số xung đếm Nhấn công tắc để tạo xung (Cho địa C0 = 304) 11 Nối đầu công tắc tạo xung đơn vào lối vào CLK0 đếm vi mạch PIT-8254 Viết chương trình liên tục hiển thị số xung đếm Nhấn công tắc để tạo xung Giá trị đếm ban đầu 1111 1111 1111 1111 = FFFFh (Cho địa C0 = 304) 12 Thực đo thời gian xác kiện (thí dụ kiện nhấn nhả công tắc chống rung K) sơ đồ hình sau Các xung đếm chuẩn có độ rộng 1ms tạo từ nguồn xung nhịp 1MHz (có sai số tương đối tần số thấp 10-5 đến 10-6) lối OUT0 đếm đưa tới lối vào CLK1 đếm Bộ đếm đếm số xung khoảng thời gian lần nhấn công tắc K tức giá trị GATE1 (Cho địa C0 = 304) nhấn K nhả GATE Lối công tắc chống rung CLK1 +5V Xung nhịp MHz Bộ đếm 1msec GATE Bộ đếm OUT0 CLK0 13 Sơ đồ tạo đo tần số xung tuần hồn xác dùng vi mạch PIT8253/54 hình sau Viết chương trình cho sơ đồ (Cho địa C0 = 304) 85 CLK1 Máy phát sóng cần đo GATE 1sec +5V +5V Xung nhịp MHz GATE CLK0 GATE Bộ đếm OUT0 CLK2 Đo tần số 86 Bộ đếm OUT2 Bộ đếm CHƯƠNG GHÉP NỐI SỐ - TƯƠNG TỰ, TƯƠNG TỰ SỐ 4.1 Tổng quan Máy vi tính thiết bị số, nhiều thiết bị ngoại vi dùng điều khiển đo lường thiết bị thu/phát tín hiệu tương tự nhiệt độ, áp suất … Do đó, biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (DAC) tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) phần tử trung gian máy tính thiết bị ngoại vi Hình 4.1 minh họa hệ thống điều khiển máy tính với thiết bị ngoại vi HỆ THỐNG THỰC ĐIỀU KHIỂN DAC KHUẾCH ĐẠI Cơ cấu chấp hành ADC KHUẾCH ĐẠI Cảm biến MÁY TÍNH Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động Các cảm biến dùng để biến đổi giá trị vật lý nhiệt độ, áp suất…sang điện áp hay dòng điện tương tự Sau cảm biến thường khuếch đại lọc Các tín hiệu đầu khuếch đại tín hiệu tương tự nên chúng đưa qua biến đổi tương tự sang số (ADC- Analog to Digital Converter) để chuyển sang tín hiệu số Máy tính tiếp nhận tín hiệu để xử lý, lưu trữ hay so sánh đưa lệnh điều khiển tới hệ thống cấu chấp hành thông qua biến đổi số sang tương tự (DAC- Digital to Analog Converter) khuếch đại 4.2 Bộ biến đổi số-tương tự (DAC) Các biến đổi D/A thường dựa nguyên lý hình 4.2 Trong sơ đồ nguyên lý bao gồm mạch cộng analog để cộng tất điện analog tỷ lệ với bit nhị phân Các trigơ D mạch chốt m bit nhị phân tín hiệu đầu vào Mỗi bit thứ i điều khiển công tắc tương ứng nhằm cho qua điện Vi tỷ lệ với trọng số thứ i tới cộng giá trị đạt mức Do vậy, đầu cộng có giá trị là: V = Bm-1.Vm-1 + Bm-2.Vm-2 +…+ B0.V0 Trong Bi giá trị nhị phân (0 1) bit thứ i 87 V0 D Các tín hiệu vào số Q C D V1 Tín hiệu analog Bộ cộng analog Q C Vm-1 D Q C Chốt Hình 4.2 Bộ biến đổi D/A Hiện nay, loại DAC thông dụng loại dùng thang điện trở R-2R để cấp dòng cho cộng analog, sơ đồ minh họa hình 4.3 Điện áp đầu tỷ lệ với giá trị bit đầu vào là: B B B V0 Vref 11 22 NN 2 2 R R R _ R + 2R 2R BN 2R B4 2R B3 2R B2 2R RL RL > 2R B1 V0 + Vref _ Hình 4.3 Mạch biến đổi D/A kiểu R-2R 4.3 Các tham số biến đổi D/A Độ phân giải Độ phân giải tỉ số giá trị cực tiểu giá trị cực đại điện áp đầu ra, trị số tỉ số tương ứng với tỉ số giá trị cực tiểu giá trị cực đại tín hiệu số đầu vào Thí dụ DAC 10 bit, có độ phân giải là: 0000000001 1 10 0,001 1111111111 1023 Độ phân giải DAC biểu thị số bit tín hiệu số đầu vào Điện áp toàn thang 88 Điện áp toàn thang điện áp cực đại ứng với trường hợp tất bit lối vào Giá trị điện áp cực đại biến đổi ln nhỏ giá trị danh định bit có trọng số nhỏ Ví dụ, biến đổi D/A 10 bit, điện áp tồn thang 10V giá trị bit LSB 10V/1024 9.77 mV Điện áp lớn biến đổi điều chỉnh 10V - 0,00977 9.9902V Độ tuyến tính Độ tuyến tính độ lệc đầu so với đường thẳng nối điểm chuyển đổi từ trạng thái toàn (các cơng tắc tắt) đến trạng thái tồn (các cơng tắc đóng) Trong trường hợp lý tưởng, độ lệch đầu không vượt giá trị 1/2 bit LSB nhằm trì độ xác tồn cục Trên thực tế có nhiều biến đổi D/A có sai số tuyến tính lớn giá trị mà cho kết Độ xác Độ xác biến đổi D/A sai lệch giá trị lối thực tế giá trị lối mong muốn Nó thường xác định theo số phần trăm điện áp dịng điện tồn thang Trong trường hợp lý tưởng, sai số lớn không vượt giá trị 1/2 bit LSB Thời gian xác lập dòng điện, điện áp đầu Thời gian xác lập, thời gian từ tín hiệu số đưa vào đến dịng điện điện áp đầu ổn định Điều có nghĩa thời gian để biến đổi đạt khoảng 1/2 bit LSB so với giá trị xác lập cuối Ngồi tham số cịn số tham số khác như: mức lôgic cao, thấp, điện trở điện dung đầu vào Dải động, điện trở điện dung đầu v.v 4.4 Ghép nối biến đổi D/A với máy tính Bộ biến đổi D/A tương thích với hầu hết vi xử lý Đối với biến đổi D/A bit việc ghép nối đơn giản vi xử lý có BUS liệu bội Đối với biến đổi D/A 12 hay 16 bit cần phải sử dụng đệm trung gian Thông thường biến đổi D/A loại có dịng tỷ lệ với mã đầu vào nên người ta sử dụng mạch khuếch đại thuật tốn để làm biến đổi dịng điện thành điện áp Do điện áp đầu biến đổi theo mức lượng tử nên phải dùng lọc tần thấp để trơn tín hiệu Có thể sử dụng cổng vào/ra vi mạch PPI-8255 làm cổng bit Nếu số bit vào D/A có 12 hay 16 bit phải sử dụng cổng 8255, dùng thêm mạch chốt liệu 74244… Khi lập trình xuất cổng số hàm biến đổi theo thời gian, từ tạo sóng sin, cưa, vng hay tỷ lệ… Đồng thời độ ổn định tín hiệu phụ thuộc vào nguồn điện áp chuẩn Vref cấp cho DAC 89 Cổng chốt bit PC _ DAC Bộ lọc tần thấp + Điện áp Vref Hình 4.4 Điều khiển DAC máy tính Để ghép nối ta nối lối vào bội biến đổi với cổng (port) Trong trường hợp số bit biến đổi D/A (ví dụ 12 bit) lớn số bit cổng (ví dụ bit) cần phải thiết kế mạch phần cứng phần mềm hợp lý Ví dụ, nối bit thấp 12 bit đầu vào biến đổi với cổng bit cao cịn lại với cổng khác Hình 4.5 minh họa cách ghép nối vi xử lý với biến đổi D/A 16 bit Hình 4.5 Ghép nối vi xử lý với DAC 16 bit 4.5 Lập trình cho DAC Lập trình xuất liệu cho DAC bit Port[addr_port]:=data; Trong địa cổng addr_port qua mạch giải mã địa để tạo xung kích mở mạch đệm đưa liệu số vào đầu vào DAC Số liệu cần chuyển đổi đặt data Đối với DAC 16 bit cần lệnh xuất: Port[addr_port1]:=data1; Port[addr_port2]:=data2; Trong địa cổng addr_port1 qua mạch giải mã địa để tạo xung kích mở mạch chốt đệm 74273 (hình 4.5) thứ nhất, lưu giữ bit thấp liệu, số liệu cần chuyển đổi đặt data1 Lệnh xuất liệu thứ theo địa cổng addr_port2 tạo xung kích mở mạch chốt đệm 74273 (hình 4.5) thứ hai, lưu giữ bit 90 cao liệu, số liệu cần chuyển đổi đặt data2 Đồng thời xung kích thứ hai mở chốt đệm 74273 thứ ba Do DAC đồng thời nhận 16 bit liệu 4.6 Bộ biến đổi tương tự - số (ADC) Các biến đổi A/D có nhiệm vụ biến đổi điện dòng điện thành dạng mã dạng số tương ứng đầu Nếu số bit đầu N tương ứng với độ phân giải N bit Các tham số biến đổi A/D tương tự biến đổi D/A Có nhiều cách để thực biến đổi A/D Phần sau giới thiệu số phương pháp biến đổi A/D thông dụng 4.6.1 Tham số đặc trưng ADC Dải biến đổi điện áp tương tự đầu vào Là khoảng điện áp mà chuyển đổi AD thực chuyển đổi Khoảng điện áp lấy trị số từ đến trị số dương âm điện áp có hai cực tính từ UAm đến +UAm Độ phân giải Độ phân giải ADC biểu thị số bit tín hiệu đầu Số bit nhiều sai số lượng tử nhỏ, độ xác cao Ví dụ: Một ADC có số bit đầu N = 12 phân biệt 212 = 4069 mức dải biến đổi điện áp vào Độ phân biệt ADC ký hiệu Q xác định biểu thức sau: Q U Am 2N 1 Q giá trị mức lượng tử hố cịn gọi LSB Thơng thường ADC có số bit từ đến 12 Ngồi cịn có số ADC đạt độ xác có số bit từ 14 đến 16 bit Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng ADC đường bậc thang có độ dốc trung bình Đặc tuyến thực có sai số lệch khơng, nghĩa khơng xuất phát giá trị ứng với ½ LSB Nó hình bậc thang không ảnh hưởng sai số khuếch đại, méo phi tuyến Tốc độ chuyển đổi Tốc độ chuyển đổi số chuyển đổi giây gọi tần số chuyển đổi f C Cũng dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi TC thời gian cần thiết cho lần chuyển đổi Chú ý fC 1/TC Thường fC < 1/TC lần chuyển đổi cịn có khoảng thời gian cần thiết cho ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu 91 4.6.2 Bộ biến đổi A/D kiểu so sánh song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu tương tự UA đồng thời đưa tới so sánh S1 Sn Điện áp chuẩn đưa tới đầu vào thứ hai so sánh, thơng qua thang điện trở R Do điện áp chuẩn đặt vào so sánh lân cận khác lượng không đổi giảm dần từ so sánh S1 đến từ so sánh Sn Đầu so sánh có điện áp vào lớn điện áp chuẩn lấy thang điện trở có mức lơgic “1” đầu cịn lại có mức logic “0” Tất đầu nối với mạch AND (và), đầu mạch AND nối với mạch tạo xung nhịp có xung nhịp đưa đến đầu vào mạch AND xung đầu mạch so sánh đưa tới mạch nhớ FF (Flip - Flop) Như sau khoảng thời gian chu kỳ xung nhịp lại có tín hiệu biến đổi đưa tới đầu Xung nhịp đảm bảo cho trình so sánh kết thúc đưa tới tín hiệu vào nhớ Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh, trình so sánh thực song song, mạch phức tạp với số linh kiện lớn Với chuyển đổi N bit để phân biệt 2N mức lượng tử hóa phải dùng (2N -1) so sánh Vì phương pháp dùng ADC yêu cầu số bit N nhỏ tốc độ chuyển đổi cao Hình 4.6 Bộ biến đổi A/D song song 4.6.3 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm Hình 4.7 trình bày sơ đồ nguyên tắc ADC làm việc theo phương pháp đếm đơn giản Mạch bao gồm so sánh, trigơ RS, cổng AND dùng để đóng mở xung nhịp, đếm n bit DAC n bit Các phần tử mắc thành mạch hồi tiếp 92 Lúc đầu mạch trigơ mạch đếm Reset, lối Q trigơ có giá trị 0, đếm bị xóa trạng thái 0, vậy, điện áp UDAC biến đổi D/A có giá trị 0V Cổng AND mở xung nhịp vào mạch đếm Lúc điện áp vào Ua lớn hớn UADC nên USS giá trị thấp UDAC tăng dần theo hình bậc thang mạch đếm liên tục đổi trạng thái từ thấp lên cao, UDAC đủ lớn Ua USS chuyển lên cao làm cho lối Q trigơ chuyển lên mức logic làm cổng AND đóng lại Lúc nội dung đếm tín hiệu số n bit tương ứng với tín hiệu tương tự Ua cần chuyển đổi Thời gian chuyển đổi ADC theo phương pháp đếm phụ thuộc vào độ lớn tín hiệu tương tự Ua tần số xung nhịp Nếu Ua lớn thời gian chuyển đổi dài, xung nhịp cao thời gian chuyển đổi ngắn Ngoài thời gian chuyển đổi hạn chế tần số biến thiên cao tín hiệu tương tự đầu vào Ua Hình 4.7 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm 4.6.4 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp Bộ chuyển đổi A/D theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp có ưu điểm thời gian chuyển đổi tỷ lệ thuận với số bit mã số thời gian thiết lập ghi mà khơng phụ thuộc tín hiệu chuyển đổi ADC có N bit tương ứng với trình biến đổi xảy N bước Đầu tiên ghi xuất số nhị phân có giá trị số ½ tồn dải, nghĩa số bit có trọng số lớn MSB có giá trị 1, bit cịn lại có giá trị Như vậy, điện áp lối biến đổi D/A có giá trị ½ điện áp tồn dải Nếu điện áp biến đổi D/A lớn điện áp vào lối so áp USS mức logic điều khiển ghi xóa bit MSB đặt bit số xuất lên mức logic Nếu điện áp 93 nhỏ điện áp vào Ua lối so áp có mức logic điều khiển ghi giữ nguyên giá trị MSB đặt bit số xuất lên giá trị Quá trình lặp lại N lần giá trị chuyển đổi số mong muốn Hình 4.8 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm 4.6.5 Bộ biến đổi A/D hai sườn xung Bộ biến đổi A/D hai sườn xung cung cấp độ phân giải cao với giá thành hạ Đầu tiên, mạch điều khiển xóa tất đếm giá trị nối lối vào mạch tích phân với điện áp vào cần chuyển đổi Giả sử điện áp vào dương làm cho lối mạch tích phân lúc âm dần Khi lối mạch tích phân giảm xuống lối so sánh chuyển lên mức cao Lối so sánh mức cao cho phép mở cổng AND đưa xung nhịp MHz tới chuỗi đếm Sau số đếm định, thường 1000, mạch điều khiển chuyển lối vào tích phân xuống mức điện áp chuẩn âm, đồng thời reset tất đếm giá trị Với điện áp lối vào âm, lối mạch tích phân tăng dần vượt qua giá trị 0V lối so sánh chuyển xuống mức thấp, cấm xung nhịp điều khiển đếm Số đếm cần thiết để lối tích phân quay 0V tỷ lệ với điện áp vào Vì điện trở tụ điện mạch tích phân dùng cho tích phân điện áp đầu vào điện áp chuẩn nên biến đổi nhỏ giá trị chúng (do ảnh hưởng nhiệt độ) không ảnh hưởng đến độ xác q trình biến đổi 94 Xung nhịp 1MHz Tích phân VIN 10k So sánh 0.1 uF + _ _ VREF = -1V + MSB RESET Mạch điều khiển LATCH Bộ đếm nhị phân BCD Các chốt Giải mã/ đệm Hiển thị đoạn Hình 4.9 Bộ biến đổi A/D hai sườn xung 4.6.6 Ghép nối biến đổi A/D với máy tính Khi biến đổi A/D sử dụng so sánh song song biến đổi tạo giá trị lối nhanh khả đọc chúng máy tính nhiều lần Do vậy, cần phải dùng phương pháp truy cập nhớ trực tiếp DMA Khi vi xử lý thả bus, chip điều khiển DMAC điều khiển bus cho liệu từ biến đổi A/D truyền trực tiếp vào ô nhớ liên tiếp Phần lớn biến đổi A/D loại sườn xung thiết kế để ghép nối với hiển thị đoạn Do đó, chúng thường xuất liệu dạng mã BCD mã đoạn Để đọc liệu từ biến đổi thường dùng phương pháp hỏi vòng Các biến đổi A/D theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp thường có lối cho bit Mã lối dạng mã nhị phân Có thể nối lối song song biến đổi với số chân yêu cầu cổng vào đọc số liệu chương trình phần mềm Ngồi đường liệu, có hai đường tín hiệu khác biến đổi xấp xỉ liên tiếp cần phải nối máy tính Đầu tiên, máy tính phát tín hiệu START CONVERT (khởi phát) đến biến đổi để báo cho thực trình chuyển đổi A/D Bộ biến đổi phát tín hiệu EOC Finish (kết thúc) để báo hiệu q trình biến đổi hồn tất liệu lối ổn định 95 Hình 4.10 Sơ đồ ghép nối ADC với vi xử lý Hình 4.10 biểu diễn mạch ghép nối với ADC bit Quá trình chuyển đổi động dương Start Kết thúc trình này, số liệu đưa đến lối ADC, đồng thời tín hiệu Finish chuyển từ mức logic lên mức Lối ADC nối với mạch đệm ba trạng thái 74244 Chân 74244 nối với chân Clear trigơ D 7474 để xóa trạng thái sẵn sàng nhận số liệu ADC Đồng thời, xung đọc số liệu ADC xóa đầu Q 7474 giá trị để tránh việc đọc hai lần số liệu Xung Finish đưa mức logic chân Q trigơ D tới mạch đệm trạng thái 74125 để đưa vào đường liệu D0 Đối với ADC 16 bit, cần thêm chốt đệm thứ hai để đọc số liệu bit cao theo địa thứ hai 4.6.7 Lập trình cho ADC Quá trình nhận liệu từ ADC hình 4.10 thực hiện: - Tạo xung Start để bắt đầu trình chuyển đổi A/D - Kiểm tra việc chuyển đổi thực xong chưa? - Đọc liệu vào Địa để tạo tín hiệu Start từ IC 74138: addr_St Địa để tạo tín hiệu Start từ IC 74125: Địa để tạo tín hiệu Start từ IC 74244: Sau ví dụ tham khảo: Port[addr_St] := 0; Repeat Var1 := port[addr_Fh]; 96 Until ((Var1 AND 1) = 1) //Delay(thoigianchuyendoi) khong dung mach doc finish Data := port[addr_ADC]; 4.7 Ví dụ Ví dụ: Nối ghép ADC với 8255 Hình 4.11 Nối ghép ADC 804 với 8255 MOV MOV MOVX BACK: MOV MOVX ANL JNZ MOV MOVX A, #80H ; Từ điều khiển với PA = đầu PC = đầu vào R1, #CRPORT ; Nạp địa cổng điều khiển @R1, A ; Đặt PA = đầu PC = đầu vào R1, #CPORT ; Nạp địa cổng C A, @R1 ; Đọc địa cổng C để xem ADC sẵn sàng chưa A, #00000001B ; Che tất bit cổng C để xem ADC sẵn sàng chưa BACK ; Giữ hiển thị PC0 che EOC ; Kết thúc hội thoại nhận liệu ADC R1, #APORT ; Nạp địa PA A, @R1 ; A = đầu vào liệu tương tự CÂU HỎI ÔN TẬP Viết chương trình biến đổi số 0, 255, 511, 1023, 2047, 4095 thành tín hiệu tương tự lối DAC chip DAC-80 Viết chương trình phát sóng hình cưa với tần số biên độ lớn biến đổi D/A 97 Viết chương trình phát sóng hình cưa biến đổi liên tục tần số việc nhấn phím bàn phím biến đổi D/A Viết chương trình phát sóng xung vng với độ rộng biến đổi biến đổi D/A Viết chương trình phát sóng xung vng biến đổi liên tục tần số việc nhấn phím bàn phím biến đổi D/A Viết chương trình biến đổi tương tự - số A/D để biến đổi điện áp chiều 10V theo phương pháp đếm Viết chương trình biến đổi tương tự - số A/D để biến đổi điện áp chiều 10V theo phương pháp xấp xỉ liên tục Viết chương trình biến đổi tương tự - số A/D để biến đổi điện áp chiều 10V theo phương pháp hai sườn xung 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO Slide giảng Thiết bị ngoại vi Kỹ thuật ghép nối - Trần Thị Thúy Hà, Học viện cơng nghệ Bưu Viễn thơng 2012 Kỹ thuật ghép nối máy vi tính, Nguyễn Mạnh Giang, NXB Giáo dục 1997 Nguyên lý phần cứng kỹ thuật ghép nối máy vi tính, Trần Quang Vinh, NXB Giáo dục 2002 Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi, Nguyễn Văn Minh Trí, Lâm Tăng Đức Đo lường điều khiển máy tính, Ngơ Diên Tập, NXB Khoa học Kỹ thuật 1999 Cấu trúc máy vi tính, Trần Quang Vinh, Đại học Quốc gia Hà nội, 2005 Microprocessor and interfacing, Douglas V.Hall, Glencoe 1993 Microcomputer Interfacing, a practical guide for technicians, engineers and scientistc, Joseph J Comer, Prentice hall, 1991 Peripheral design handbook, Intel, 1991 10 PC Interfacing and Data Acquisition - Techniques for Measurement Instrumentation and Control, Kelvin Jame, Newnes, 2000 11 Visual Basic for Electronic Engineerings Applications, Vincent Him, Newnes, 2005 12 13 14 15 USB complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 Serial port complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 Parallel port complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 The Windows serial port programming handbook, Ying Bai, CRC Press LLC, 2005 99 ... bảo liệu 12. 5 đến 25 .4m, tốc độ 20 kbit/s tốc độ 115kbit/s với số thiết bị đặc biệt Có hai phiên RS2 32 lưu hành thời gian tương đối dài RS232B RS232C Nhưng phiên RS232B cũ dùng RS232C dùng tồn... khối thiết bị ngoại vi (RAM, EEPROM, ADC,DAC ngoài…) Mỗi thiết bị ngoại vi tham gia vào bus I2C có địa nhất, nhằm phân biệt thiết bị với Độ dài địa bit, điều có nghĩa bus I2C phân biệt tối đa 128 ... với giá trị bit đầu vào là: B B B V0 Vref 11 22 NN 2 ? ?2 R R R _ R + 2R 2R BN 2R B4 2R B3 2R B2 2R RL RL > 2R B1 V0 + Vref _ Hình 4.3 Mạch biến đổi D/A kiểu R-2R 4.3 Các tham số