Bài giảng thiết bị ngoại vi và kĩ thuật ghép nối

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 Ộ – MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ .4 MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống 1.1.2 Chức khối ghép nối .9 1.2 Thủ tục trao đổi liệu 11 1.2.1 Chế độ trao đổi liệu máy tính 11 1.2.2 Các loại ngắt .12 1.2.3 Xử lý ngắt nhiều thiết bị ngoại vi .16 1.2.4 Vi mạch xử lý ngắt 17 CÂU HỎI ÔN TẬP .19 CHƯƠNG GHÉP NỐI QUA CỔNG SONG SONG 20 2.1 Ghép nối qua cổng song song 20 2.1.1 Giới thiệu chung cổng song song 20 2.1.2 Các ghi cổng song song 21 2.2 Các lệnh vào/ra liệu 24 2.2.1 Các lệnh vào / hợp ngữ 24 2.2.2 Các lệnh vào / Turbo C 24 2.3 Khối ghép nối song song đơn giản 25 2.3.1 Cửa vào đơn giản 25 2.3.2 Cửa đơn giản 26 2.3.3 Cửa vào có đối thoại 27 2.3.4 Cửa đơn giản có đối thoại .29 2.4 Ghép nối song song điều khiển chương trình 30 2.4.1 Sơ đồ khối chức khối 8255A 30 2.4.2 Chế độ làm việc 8255A 32 2.5 Ví dụ 43 CÂU HỎI ÔN TẬP .45 CHƯƠNG GHÉP NỐI QUA CỔNG NỐI TIẾP 47 3.1 Giới thiệu chung trao đổi liệu nối tiếp .47 3.1.1 Nguồn gốc 47 3.1.2 Ưu, nhược điểm giao diện nối tiếp RS232 48 3.1.3 Đặc điểm chuẩn RS232 48 3.1.4 Thủ tục trao đổi liệu .49 3.2 Một số chuẩn ghép nối .50 3.2.1 RS422 50 3.2.2 Chuẩn RS423A 51 3.2.3 Chuẩn RS485 51 3.2.4 So sánh chuẩn ghép nối 52 3.3 Lập trình cho cổng RS-232 54 3.3.1 Bộ truyền nhận không đồng vạn 8250 54 3.3.2 Các ghi UART 8250 56 3.3.3 Lập trình cho cổng RS-232 62 3.3.4 Giao tiếp Two-Wire I2C .66 3.3.5 Giao tiếp SPI .69 3.4 Cổng USB 71 3.4.1 Chuẩn USB 71 3.4.2 Đầu nối cáp nối 71 3.4.3 Mô tả hệ thống 73 3.4.4 Cấu trúc thành phần 73 3.5 Đo tạo thời gian xác chip PIT – 8253/54 75 3.5.1 Giới thiệu chung 75 3.5.2 Cấu tạo PIT – 8253/54 76 3.5.3 Lập trình cho 8253 77 3.5.4 Ghép nối PIT 8253/54 81 3.6 Ví dụ 81 CÂU HỎI ÔN TẬP .84 CHƯƠNG GHÉP NỐI SỐ - TƯƠNG TỰ, TƯƠNG TỰ - SỐ 87 4.1 Tổng quan 87 4.2 Bộ biến đổi số-tương tự (DAC) 87 4.3 Các tham số biến đổi D/A 88 4.4 Ghép nối biến đổi D/A với máy tính 89 4.5 Lập trình cho DAC 90 4.6 Bộ biến đổi tương tự - số (ADC) .91 4.6.1 Tham số đặc trưng ADC 91 4.6.2 Bộ biến đổi A/D kiểu so sánh song song 92 4.6.3 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm 92 4.6.4 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp 93 4.6.5 Bộ biến đổi A/D hai sườn xung 94 4.6.6 Ghép nối biến đổi A/D với máy tính .95 4.6.7 Lập trình cho ADC .96 4.7 Ví dụ 97 CÂU HỎI ÔN TẬP .97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ khối chức hệ máy tính Hình Các chế độ trao đổi liệu 12 Hình Phân loại ngắt 13 Hình Sơ đồ chân 8259A .18 Hình Sơ đồ khối 8259A 19 Hình 2.1 Sơ đồ kết nối máy tính máy in 21 Hình 2.2 Sơ đồ định dạng ghi liệu 22 Hình 2.3 Sơ đồ định dạng ghi trạng thái 22 Hình 2.4 Sơ đồ định dạng ghi điều khiển 23 Hình 2.5 Sơ đồ cửa vào đơn giản 26 Hình 2.6 Sơ đồ cửa đơn giản .27 Hình 2.7 Sơ đồ cửa vào có đối thoại thiết bị ngoại vi .28 Hình 2.8 Sơ đồ cửa có đối thoại thiết bị ngoại vi 29 Hình 2.9 Sơ đồ chân sơ đồ kết nối 8255A .30 Hình 2.10 Sơ đồ ghép nối 8255A với thiết bị ngoại vi 32 Hình 2.11 Sơ đồ định dạng từ điều khiển 32 Hình 2.12 Các chế độ hoạt động ghi điều khiển 33 Hình 2.13 Sơ đồ định dạng từ điều khiển 34 Hình 2.14 Các cấu hình hoạt động Mode 36 Hình 2.15 Sơ đồ minh họa từ lệnh điều khiển dùng chế độ vào 38 Hình 2.16 Đồ thị thời gian chế độ vào mơ tả q trình đọc .38 Hình 2.17 Sơ đồ minh họa từ lệnh điều khiển dùng chế độ 39 Hình 2.18 Đồ thị thời gian chế độ mơ tả q trình ghi 39 Hình 2.19 Sơ đồ minh họa từ lệnh hoạt động mode 40 Hình 2.20 Sơ đồ minh họa từ lệnh hoạt động mode 41 Hình 2.21 Sơ đồ minh họa chế độ hoạt động từ lệnh điều khiển 43 Hình 2.22 Hình vẽ ví dụ 44 Hình 3.1 Sơ đồ định dạng ghi điều khiển đường truyền LCR 57 Hình 3.2 Sơ đồ định dạng ghi trạng thái đường truyền LSR 59 Hình 3.3 Sơ đồ định dạng ghi cho phép ngắt IER 60 Hình 3.4 Sơ đồ ghép nối với 8250 .62 Hình 3.5 Sơ đồ chân UART 8250 64 Hình 3.6 Sơ đồ khối 8250 65 Hình 3.7 Một mạng TWI .67 Hình 3.8 Quá trình truyền bit liệu I2C .68 Hình 3.9 Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận liệu I2C 68 Hình 3.10 Giao diện SPI .70 Hình 3.11 Truyền nhận liệu SPI .71 Hình 3.12 Cấu trúc cổng USB .72 Hình 3.13 Sơ đồ tổng quát hệ thống 73 Hình 3.14 Sơ đồ giao tiếp cổng USB với điều khiển trung tâm (kit Arduino) 75 Hình 3.15 Sơ đồ khối sơ đồ chân PIT 8253/54 76 Hình 3.16 Định dạng từ điều khiển 78 Hình 3.17 Ghép nối 8253/54 với PC qua khe cắm ISA 81 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động .87 Hình 4.2 Bộ biến đổi D/A 88 Hình 4.3 Mạch biến đổi D/A kiểu R-2R 88 Hình 4.4 Điều khiển DAC máy tính 90 Hình 4.5 Ghép nối vi xử lý với DAC 16 bit 90 Hình 4.6 Bộ biến đổi A/D song song 92 Hình 4.7 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm 93 Hình 4.8 Bộ biến đổi A/D theo phương pháp đếm 94 Hình 4.9 Bộ biến đổi A/D hai sườn xung .95 Hình 4.10 Sơ đồ ghép nối ADC với vi xử lý 96 Hình 4.11 Nối ghép ADC 804 với 8255 97 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1 Bảng chức chân ghi trạng thái 22 Bảng Bảng chức chân ghi điều khiển .23 Bảng Bảng chức 8255A Error! Bookmark not defined Bảng Bảng điều khiển đọc/viết 8255A Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Bảng chức chân ghi trạng thái .22 Bảng 2.2 Bảng chức chân ghi điều khiển 23 Bảng 2.3 Bảng lệnh vào/ra 24 Bảng 2.4 Bảng lệnh vào/ra 24 Bảng 2.5 Bảng chức 8255A 31 Bảng 2.6 Bảng điều khiển đọc/viết 8255A 31 Bảng 3.1 Bảng so sánh chuẩn ghép nối 52 Bảng 3.2 Bảng mô tả ghi UART .56 Bảng 3.3 Bảng mô tả chức ghi điều khiển MODEM 61 Bảng 3.4 Bảng mô tả chức ghi trạng thái MODEM 61 Bảng 3.5 Các lệnh 8250 65 Bảng 3.6 Sắp xếp chân cổng USB 72 Bảng 3.7 Bảng chế độ hoạt động 8253 77 Bảng 3.8 Tóm tắt hoạt động xung cửa GATE 8253/54 79 Bảng 3.9 Định dạng từ điều khiển 80 Bảng 3.10 Định dạng cho lệnh đọc ghi điều khiển 81 Bảng 3.11 Định dạng byte trạng thái 81 MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin truyền thơng kỹ thuật máy tính có thời gian dài xây dựng phát triển Hiện nay, máy tính đưa vào ứng dụng lĩnh vực khoa học kỹ thuật xã hội Máy tính ngày phát triển tính hoạt động, ứng dụng với kích thước ngày nhỏ Nghiên cứu, phát triển hệ thống thiết bị ngoại vi kỹ thuật ghép nối máy tính với thiết bị khác triển khai tất trường đại học công nghệ, kỹ thuật giới Các kỹ thuật ghép nối máy tính phát triển từ bước với kỹ thuật giao thức kết nối UART, RS232, RS485, LPT, IEEE 1394, USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, VGA, DVI, HDMI, Wifi, bluetooth, thông dụng máy tính; kết nối song song, nối tiếp, I2C, SPI, ADC, DAC, timer, interrupt chip thông dụng Giảng dạy lý thuyết, thực hành định hướng nghiên cứu tương lai cho sinh viên học sử dụng kiến thức học kỹ thuật ghép nối máy tính thiết bị ngoại vi quan trọng có nhu cầu lớn xã hội Mơn học môn học tương đương giảng dạy rộng rãi trường kỹ thuật công nghệ nước như: Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội nhiều trường khác Các sinh viên trường giảng dạy lý thuyết kết hợp với thực hành dựng sẵn Sau đó, sinh viên làm quen với tập lớn, tập lớn tự thiết kế, chế tạo mạch đơn giản kết nối PC, MCU với mạch điện, hệ thống điều khiển, thu thập liệu truyền tin cụ thể Môn học ’Thiết bị ngoại vi kỹ thuật ghép nối ’ giảng dạy cho sinh viên trường đại học hàng đầu giới khu vực như: MIT, UIUC, NUS, NTU CHƯƠNG CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Máy vi tính có thành phần vi xử lý, gồm có khối chức hình 1.1 Khối xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) Khối chế tạo mạch vi điện tử có độ tích hợp cao Khối Bộ nhớ hay gọi nhớ gồm có nhớ bán dẫn ROM RAM có tốc độ truy cập nhanh dùng để chứa chương trình điều khiển hoạt động hệ thống Khối mạch ghép nối vào / mạch điện tử cho phép CPU liên lạc với thiết bị ngoại vi bàn phím, hình, ổ đĩa, chuột…hoặc thiết bị ngoại vi biến đổi số - tương tự DAC, tương tự - số ADC, mạch vào/ra số I/O Khối đồng hồ hệ thống (system clock) khối tạo xung clock để trì hoạt động đồng hoạt động CPU với phận liên quan Ngồi ra, máy tính cịn cài sẵn hệ điều hành để điều hành chức hệ thống máy tính BỘ NHỚ CHÍNH RAM ROM BUS HỆ THỐNG CPU GHÉP NỐI VÀO GHÉP NỐI RA THIẾT BỊ VÀO THIẾT BỊ RA Bàn phím Chuột Máy quét Ổ đĩa Màn hình Máy in Máy vẽ Ổ đĩa CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI Hình 1 Sơ đồ khối chức hệ máy tính 1.1.2 Chức khối ghép nối Máy tính PC xuất xưởng người sử dụng nâng cấp, mở rộng cấu hình cách ghép nối thêm card mở rộng thiết bị ngoại vi Các nhà sản xuất máy tính dự trữ sẵn rãnh cắm mở rộng mạch chính, cổng ghép nối: song song (LPT), nối tiếp (COM) Đây vị trí mà kỹ thuật ghép nối máy tính tác động vào Nhờ có kỹ thuật ghép nối máy tính mà khả máy tính mở rộng thêm nhiều: ví dụ xây dựng hệ thống đo lường hoàn toàn tự động Để ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi có bốn khả để lựa chọn: - Ghép nối qua cổng máy in hay gọi cổng song song - Ghép nối qua cổng RS 232 hay gọi cổng nối tiếp - Ghép nối qua rãnh cắm mở rộng mạch - Ghép nối qua cổng USB Nhiệm vụ khối ghép nối phối hợp trao đổi tin máy tính thiết bị ngoại vi mức cơng suất tín hiệu, dạng tin, tốc độ phương thức trao đổi Phối hợp mức cơng suất tín hiệu: - Mức tín hiệu máy tính thường mức (0V, 5V) thiết bị ngoại vi  15V,  48V - Cơng suất máy tính thường nhỏ (cỡ chục mA), thiết bị ngoại vi cần có cơng suất lớn Khối ghép nối phải biến đổi công suất để phù hợp (khuếch đại đường dây, khuếch đại công suất) Phối hợp dạng tin: - Tin tức trao đổi máy tính ln song song, truyền theo bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit - Tin thiết bị ngoại vi song song nối tiếp Khi trao đổi song song thường bit 16 bit Phối hợp tốc độ trao đổi thông tin: - Máy tính thường hoạt động với tốc độ cao (cỡ 100MHz), thiết bị ngoại vi thường hoạt động chậm nên khối ghép nối nhận tin nhanh từ máy tính truyền tin chậm cho thiết bị ngoại vi để giải phóng máy tính thực thi nhiệm vụ khác 9 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 cơng 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 1msec GATE CLK0 Bộ đếm Bộ đếm OUT0 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 Bộ đếm GATE 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 nhỏ giá trị danh định bit có trọng số nhỏ Ví dụ, biến đổi D/A 10 bit, điện áp toàn 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 tồn (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 dòng điện toàn 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 dòng 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 toán để làm biến đổi dòng 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 khơng 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, thông 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 q 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 toàn 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) khơng 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 q trình chuyển đổi A/D Bộ biến đổi phát tín hiệu EOC Finish (kết thúc) để báo hiệu trình biến đổi hoàn 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 công 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 USB complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 13 Serial port complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 14 Parallel port complete, Jan Axelson, Newnes, 2001 15 The Windows serial port programming handbook, Ying Bai, CRC Press LLC, 2005 99 ... HÀ BÀI GIẢNG THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI Hà nội, 2014 Ộ – 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. .. Phát địa cho khối chức thiết bị ngoại vi; Phát lệnh cho thiết bị ngoại vi; Phát yêu cầu hay trạng thái thiết bị ngoại vi cho máy tính; Phát số liệu cho thiết bị ngoại vi hay cho máy tính Chức... CPU GHÉP NỐI VÀO GHÉP NỐI RA THIẾT BỊ VÀO THIẾT BỊ RA Bàn phím Chuột Máy qt Ổ đĩa Màn hình Máy in Máy vẽ Ổ đĩa CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI Hình 1 Sơ đồ khối chức hệ máy tính 1.1.2 Chức khối ghép nối