BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ khuếch đại lock - in dựa trên vi điều khiển DSPic

TRƯỜNG ………………… KHOA……………………… -[\ [\ - BÁO CÁO TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Thiết kế khuếch đại lock - in dựa vi điều khiển DSPic ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Tóm tắt Bản khóa luận tốt nghiệp gồm có ba phần riêng biệt phần lý thuyết khuyếch đại lock-in tổng quan chung cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 cuối phần thực nghiệm Chương lý thuyết khuyếch đại lock-in trước tiên ta tìm hiểu lại phải dùng khuyếch đại lock-in đo lường tín hiệu nhỏ khái niệm khuyếch lock-in, sơ đồ cấu tạo chung khuyếch đại lock-in cổ điển Cuối phần tìm hiểu cấu tạo nguyên tắc hoạt động khuyếch đại lock-in số tương tự Trong chương tổng quan cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 tìm hiểu chung họ vi điều khiển DsPic30F tiếp đặc điểm chung họ vi điều khiển dsPic30F4011 Cuối ta tìm hiểu sâu cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 Phần cịn lại khóa luận phần thực nghiệm, trình bày tồn q trình thiết kế khuyếch đại lock-in gồm có phần cứng, phần mềm kết thực nghiệm Phần cứng có khối riêng biệt, với khối có trình bày lý thuyết sở thiết kế Còn phần mềm trình bày dạng sơ đồ khối cấu trúc chương trình với modul riêng biệt Sau thiết kế khuyếch đại lock-in số, ta thử nghiệm hệ đo cho cảm biến có nhân khuyếch đại lockin vừa chế tạo Cụ thể khóa luận thử nghiệm hệ đo áp dụng cho cảm biến áp suất MPX2300D công ty Motorola cung cấp Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp MỤC LỤC Mở Đầu Chương Bộ Khuếch Đại Lock In 1.1 Tổng quan khuyếch đại lock in 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Khái niệm “lock in amplifier” 1.1.3 Cấu trúc chung khuyếch đại lock in 1.2 Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock-In Amplifiers) 1.3 Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock-In Amplifiers) Chương Vi Điều Khiển DsPic30F4011 11 2.1 Giới thiệu chung họ vi điều khiển Dspic 11 2.2 Đặc điểm chung vi điều khiển dsPic30F4011 11 2.2.1 Khối xử lý trung tâm CPU 11 2.2.2 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 12 2.2.3 Các cổng vào I/O Port ngoại vi 12 2.2.4 Bộ xử lý tín hiệu số 12 2.2.5 Một số đặc điểm khác 13 2.3 Cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 13 2.3.1 Khối xử lý trung tâm CPU 13 2.3.2 Khối tạo địa AGU 17 2.3.2.1 Chế độ địa lệnh 17 2.3.2.2 Chế độ đảo bit địa 19 2.3.3 Tổ chức nhớ nhớ chương trình 20 2.3.3.1 Khơng gian địa chương trình 20 2.3.3.2 Truy xuất liệu từ nhớ chương trình sử dụng lệnh bảng 21 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 2.3.3.3 Truy xuất liệu từ nhớ chương trình sử dụng khơng gian chương trình 21 2.3.4 Các cổng vào I/O Port 23 2.3.5 Ngắt chế ngắt 25 2.3.6 Các định thời 27 2.3.7 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC 30 2.3.7.1 Bộ đệm kết biến đổi A/D 30 2.3.7.2 Các bước thực biến đổi A/D 30 Chương Thực Nghiệm 33 3.1 Phần Cứng 33 3.1.1 Các khối nguồn 34 3.1.2 Khối lọc thông thấp 35 3.1.3 Khối biến đổi DAC 36 3.1.3.1 Hoạt động DAC tính chất 36 3.1.3.2 Các tham số chuyển đổi DA 38 3.1.3.3 Các mạch DAC điển hình 39 3.1.3.4 Ghép nối ADC với vi điều khiển 41 3.1.3.5 Bộ biến đổi DAC sử dụng khóa luận 41 3.1.4 Khối khuyếch đại tín hiệu vào 43 3.1.4.1 Tìm hiểu số mạch khuyếch đại thuật tốn tính chất 43 3.1.4.2 Bộ khuyếch đại sử dụng khóa luận (AD620) 47 3.1.5 Khối LCD 48 3.1.6 Khối xử lý trung tâm 49 3.2 Phần Mềm 49 3.3 Các kết thực nghiệm 51 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 3.3.1 Mạch khuyếch đại lock-in chế tạo tín hiệu vào lock in 51 3.3.2.Thử nghiệm khuyếch đại lock-in với cảm biến áp suất MPX2300D 55 3.3.2.1 Cảm biến áp suất MPX2300D 55 3.3.2.2 Kết thí nghiệm 56 Kết Luận 59 Phụ Lục 60 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Bảng ký hiệu, chữ viết tắt VĐK : Vi điều khiển ADC : Chuyển đổi tương tự số (Analog digital convert) DAC : Chuyển đổi số tương tự (Digital analog convert) KĐTT : Khuyếch đại thuật tốn AC : Dịng điện xoay chiều DC : Dòng điện chiều Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Mở Đầu Với phát triến mạnh việc ứng dụng cảm biến việc thiết kế hệ đo khảo sát cảm biến cần thiết, thiết bị khơng thể thiếu cho phịng thí nghiệm Một hệ đo nhạy có xác cao cịn ứng dụng y học, máy xét nghiệm y sinh Ngồi cịn có ý nghĩa quan trọng tới nhiều ứng dụng cần độ xác cao khoa học kỹ thuật (ví dụ như: đo lường xác, robotic, ) Nhiều cảm biến thiết kế có lối điện áp nhỏ, việc để phát sai lệch đo điện áp khó khăn Do ý tưởng thiết kế hệ đo lường có độ nhạy cao cho cảm biến quan trọng, ý tưởng hệ đo có sử dụng khuyếch đại lock-in Với nhân khuyếch đại lock-in có hệ đo sensor lý tưởng, cung cấp phép đo độ phân giải cao tín hiệu cách tương đối với độ lớn tần số riêng biệt Việc thiết kế hệ đo mà có nhân khuyếch đại lock-in cổ điển phức tạp khuyếch đại cần có trộn kênh lọc có độ xác cao Ngồi khuyếch đại lock-in tương tự ảnh hưởng từ việc trơi nhiệt già hóa linh kiện gây sai số lớn cho hệ đo Nhưng ta thiết kế khuyếch đại lock-in số khả thi nhiều Với cơng nghệ số, vi điều khiển đảm nhiệm tốt vai trò bộ lọc trộn kênh có độ xác cao Vì số hóa nên khơng có tượng trơi nhiệt già hóa linh kiện gây sai số ảnh hưởng tới hệ đo.Chính khuyếch đại lock-in số lựa chọn thông minh người sử dụng Và Trong khóa luận em tìm hiểu thiết kế khuyếch đại lock-in số dựa vi điều khiển DsPic Và từ hình thành nên hệ đo đơn giản với nhân khuyếch đại lock-in số thử nghiệm hệ đo với cảm biến áp suất MPX2300D Motorola Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương Bộ Khuếch Đại Lock In 1.1 Tổng quan khuyếch đại lock in 1.1.1 Giới thiệu Trong nhiều ứng dụng để đo tín hiệu AC bé bé tới vài nanovolts người ta sử dụng phép đo thông thường (sử dụng máy đo vạn chẳng hạn) Đó ngun nhân đời khuyếch đại lock in (lock-in amplifier) Vậy ta lại khơng dễ dàng đo tín hiệu AC nhỏ (vài nanovolts)? Ta xét ví dụ sau.[8] Ví dụ 1: Cho tín hiệu sóng sine 10nV tần số 10kHz Rõ ràng khuyếch đại cần phải cho tín hiệu lớn ồn Một khuếch đại tốt (low-noise) có mật độ ồn lối vào khoảng 5nV/sqrt(Hz) Nếu băng thông khuyếch đại 100kHz hệ số khuyếch đại 1000 lần, thu lối ra: Tín hiệu lối ra: (10nV x 1000) = 10uV Tín hiệu nhiễu dải rộng: (5nV x 100 KHz x 1000)=1,6mV Như khơng có nhiều hội để đo tín hiệu không chọn tần số mong muốn.(Xem minh họa Hình 1.1) Ví dụ 2: Nếu ta lắp thêm lọc dải thông vào khuyếch đại với Q=100 (một lọc tốt – Q xem hệ số phẩm chất lọc) tâm thông 10kHz, tín hiệu vùng 100Hz (10kHz/Q) xung quanh tâm phát Nhiễu trường hợp (5nV x 100 Hz x 1000) = 50uV, tín hiệu 10uV Nhiễu lối lớn nhiều lần tín hiệu, khơng thể tạo phép đo xác Như tăng hệ số khuếch đại giúp tăng tỉ số tín hiệu ồn (S/N).(Xem minh họa Hình 1.2) Vậy muốn đo tín hiệu, ta phải thiết kế lọc có hệ số Q lớn, việc khó khơng khả thi.Tuy nhiên dò nhạy pha (Phase Sensitive Detector) có Q lớn cỡ 10000 Nên ồn tín hiệu nêu ví dụ 10u Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.1 Nhiễu tín hiệu[2] Hình 1.2 Ồn bị triệt tiêu sau qua lọc thơng thấp[2] Kỹ thuật dị nhạy pha (Phase-Sensitive Detection) : Có thể nói “Bộ dị nhạy pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” trái tim khuyếch đại lock in, xem hồn điệu hay trộn Máy dị tìm vận hành việc nhân lên hai tín hiệu Phân tích sau cho ta tín hiệu mong muốn Hình 1.3 vị trí đầu khuyếch đại lock in phát đường tín hiệu khơng tạp nhiễu (noise-free) hình sin Xác định sơ đồ “Signal In” Thiết bị Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp ni với nguồn tín hiệu tham chiếu (hay cịn gọi tín hiệu reference dạng tín hiệu hình sin, cài đặt sẵn) Hình 1.3.Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu tích hai tín hiệu[15] Bộ dị nhạy pha vận hành việc nhân hai tín hiệu kết qủa ta thu tín hiệu Demodulator Output hình Từ ta thấy khơng có khác pha tín hiệu vào tín hiệu reference Demodulator output giữ dạng hình sin, tần số gấp lần tần số tín hiệu reference, mức trung bình dương Hình 1.4 hình 1.3 có dịch pha 900 tín hiệu reference Bây Demodulator output sóng sin có tần số hai lần tần số tín hiệu reference, mức trung bình Hình 1.4 Tín hiệu, tín hiệu tham chiếu dịch 90o tích hai tín hiệu[15] Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Từ ta nhìn thấy mức trung bình là: - Tỉ lệ với tích số tần số biên độ tín hiệu vào tín hiệu reference - Liên quan tới góc pha tín hiệu vào tín hiệu reference Nó đánh giá biên độ tín hiệu reference giữ giá trị cố định pha tín hiệu reference điều chỉnh để đảm bảo chuyển dịch pha tương đối zero Sau đo xác định mức trung bình biên độ tín hiệu đầu vào Mức trung bình tất nhiên thành phần DC lối giải biến điệu (demodulator output) Để lấy thành phân chiều đơn giản, ta cần cho tín hiệu qua lọc thơng thấp Sau lọc, tín hiệu DC đo phương pháp truyền thống (dùng vôn kế) Ở ta xét đến trường hợp tín hiệu vào tín hiệu khơng có ồn Nhưng ứng dụng thực tế tín hiệu vào ln kèm với ồn nhiễu Ồn nhiễu khơng có tần số cố định khơng có mối quan hệ pha cố định Ồn nhân lên với tín hiệu reference, khơng đưa mức thay đổi DC Xét tín hiệu vào có dạng hình sin, tín hiệu khơng có ồn: Vin=Acos(ωt), ω=2πF, F tần số tín hiệu vào Trong khuyếch đại lock in cung cấp tín hiệu reference có tần số với tín hiệu vào có dạng sau: Vref = Bcos(ωt + θ), θ độ lệch pha tín hiệu Nếu ta nhân tín hiệu với ta : Vout = A cos (ωt) B cos (ωt + θ) = AB cosωt (cos ωt cos θ - sin ωt sin θ) = AB(cos2ωt cos θ - cos ωt sin ωt sin θ) = AB((½ + ½cos 2ωt)cos θ - ½sin 2ωt sin θ) = ½AB((1+ cos 2ωt)cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½AB(cos θ + cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½AB(cos 2ωt cos θ - sin 2ωt sin θ) = ½ABcos θ + ½ABcos(2ωt + θ) Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Bây ta cho tín hiệu Vout qua lọc thơng thấp điều hiển nhiên thành phần 2ωt bị loại bỏ Vậy kết ta lại tín hiệu DC (một chiều) Và điều dẫn tới Vout =½ABcosθ tỉ lệ với biên độ tín hiệu vào Vin Thuật toán cho ta ý tưởng việc biến tín hiệu AC thành DC có giá trị biên độ AC ban đầu nhân với N lần Trong hồn cảnh thực tế, tín hiệu đầu vào thường kèm với nhiễu ồn, cài đặt lọc thông thấp phù hợp đầu tín hiệu tín hiệu nhiễu với mối quan hệ pha khác tần số khác bị loại bỏ tín hiệu cuối 1.1.2 Khái niệm “lock in amplifier” Bộ khuyếch đại lock in thiết bị với khả kép Nó khơi phục tín hiệu có mặt nhiễu ồn Nói cách khác, cung cấp phép đo độ phân giải cao tín hiệu cách tương đối với độ lớn tần số riêng biệt Tuy nhiên, thiết bị đại đưa nhiều hai chức Ví dụ khuyếch đại lock in đại có chức sau: - Thiết bị khơi phục tín hiệu AC - Đo pha - Đo tiếng ồn, nhiễu - Vôn kế vector - Bộ phân tích phổ - v.v Chính tính linh hoạt mà có ý nghĩa quan trọng phịng thí nghiệm 1.1.3 Cấu trúc chung khuyếch đại lock in Bộ khuyếch đại lock-in gồm có thành phần : khuyếch đại tín hiệu vào ra, lọc thông dải (bandpass filter), trộn (mixer), lọc thơng thấp (lowpass filter) phát tín hiệu reference.(Hình 1.5) Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Cơng Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.5 Sơ đồ khuyếch đại lock in [15] Có hai cách thực thi sơ đồ Trong phương pháp cổ điển tất chức lock-in thực kỹ thuật analog (tương tự) Nhưng có phương pháp khác thực thi sơ đồ trên, phương pháp dựa kỹ thuật số (digital) Chính có hai cách chế tạo khuyếch đại lock-in : khuyếch đại lock-in tương tự khuyếch đại lock-in số trình bày 1.2 Bộ khuyếch đại lock in tương tự (Analog Lock-In Amplifiers) Sơ đồ khối khuyếch đại lock in cổ điển hay khuyếch đại lock-in tương tự Hình 1.6 Hệ thống gồm có máy khuyếch tăng tín hiệu đầu vào cần đo đến mức thích hợp cho thao tác sau Một lọc thông dải dùng để loại bỏ thành phần tín hiệu mức DC hịa âm tín hiệu đo Tiếp đến máy dò nhạy pha (Phase Sensitive Detector), cịn gọi hồn điệu(giải biến điệu) đồng (synchronous demodulator ) trộn (mixer) Mạch có nhiều dạng, từ khuyếch đại logarit đến nhân four – quadrant Tín hiệu vào nhân với tín hiệu reference đưa từ hệ thống đo Tín hiệu reference cần có một tương quan pha cố định với tín hiệu vào Vì khuyếch đại lock-in phát sóng sin reference nội nhờ vịng khóa pha (phase-locked-loop) khóa vào tín hiệu reference tín hiệu Trong q trình xử lý tín hiệu ta, thường dùng chức kênh kép Trong trường hợp tín hiệu vào trộn với tín hiệu reference, ngồi tín hiệu trộn với tín hiệu reference sau dịch pha 900 Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Hình 1.6 Sơ đồ khối khuyếch đại lock-in tương tự[8] Chức kênh kép có tác dụng lớn tới tính tốn độ lớn tín hiệu vào mối tương quan pha với tín hiệu reference Hai kênh riêng biệt thường gọi thành phần pha (In-Phase component) thành phần vuông pha (Quadrature component) tương ứng I Q Cuối cùng, đầu từ trộn (mixer) đưa vào lọc thông thấp có khả loại bỏ tín hiệu khơng đồng (non-coherent), để lại tín hiệu DC cuối tỷ lệ với biên độ pha tín hiệu vào Có số vấn đề với khuyếch đại lock-in tương tự Để có xác cao, tín hiệu reference phải có hàm lượng sóng hài thấp Nó phải sóng hình sin khiết, hàm lượng sóng hài gây biến dạng đầu Những máy phát sóng hình sin tương tự chịu từ biến đổi biên độ gây biến đổi nhiệt độ Sự trôi nhiệt độ sai số linh kiện hệ thống gây vấn đề khác cho hệ thống tương tự Cuối cùng, cần nói thêm độ phi tuyến hệ số khuyếch đại pha dẫn đến sai số tín hiệu Việc khắc phục vấn đề khiến cho khuyếch đại lock-in tương tự trở nên thiết bị đắt đỏ sử dụng địi hỏi băng thơng lối vào cao Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp 1.3 Bộ khuyếch đại lock in số (Digital Lock-In Amplifiers) Sơ đồ khối khuyếch đại lock in số Hình 1.7 Hình 1.7 Bộ khuyếch đại lock in số[8] Trong khuyếch đại lock in số, phần lớn trình xử lý thực miền số sử dụng phần mềm dùng phần cứng xử lý tín hiệu số (DSP) Hình 1.7 khuyếch đại số điển hình, hệ thống có khuyếch đại fron-end nối lọc Anti-alias Filter dùng để lọc tín hiệu có tần số lớn nửa tần số lấy mẫu Bộ điều khiển tín hiệu số (Digital signal controller) sử dụng nhiều loại chip xử lý số chuyên dụng, ví dụ dsPic chẳng hạn (dsPic chip xử lý số tương đối mạnh, tốc độ cao) Tín hiệu reference khuyếch đại lock in số tạo bên bên ngồi Trong trường hợp tín hiệu phát sinh nội tại, điểm mẫu riêng lẻ tín hiệu reference tính tốn tới mức độ xác cao, khơng có sai số thường gặp dùng tín hiệu reference máy lock-in tương tự Tín hiệu reference khuyếch đại lock-in số dịch pha 900 đơn giản cách tra cứu bảng phép toán đơn giản Tiếp theo tín hiệu reference tín hiệu dịch pha reference nhân với tín hiệu vào DSP sinh ra kênh tín hiệu, Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp kênh tín hiệu đồng pha I kênh tín hiệu vng pha Q Cuối kênh tín hiệu cho qua lọc thông thấp số (cụ thể lọc số FIR) để thu kết qủa cuối Do tín hiệu vào số hóa chuyển đổi ADC nên khơng bị mát Hơn nữa, tín hiệu tham chiếu (reference) tính phương pháp số nên có lượng hòa âm thấp Điều quan trọng lệch gây tính phi tuyến hệ số khuyếch đại pha linh kiện tương tự bị triệt tiêu khuyếch đại lock-in số khơng có sai lệch gây trơi nhiệt già hóa linh kiện Cuối vi xử lý tính tốn độ lớn vector tín hiệu độ lệch pha tín hiệu lối vào so với tín hiệu reference qua công thức sau : Magnitude I  Q Phase  tan 1 (Q / I ) Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 10 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Chương Vi Điều Khiển DsPic30F4011 Trong khóa luận xử lý số mạch khuyếch đại lock-in số dùng vi điều khiển DsPic với nhãn hiệu thương mại DsPic30F4011 hãng Microchip Toàn nội dung chương lấy từ tài liệu [6] 2.1 Giới thiệu chung họ vi điều khiển Dspic Họ vi điều khiển 16 bit dsPic công ty công nghệ Microchip Technology Inc sản xuất, phát triển họ vi điều khiển bit Pic Vi điều khiển dsPic chip xử lý mạnh với xử lý 16 bit (có khả xử lý liệu có độ dài 16 bit) Với tốc độ tính tốn cao dựa kiến trúc RISC, kết hợp chức điều khiển tiện ích vi điều khiển hiệu cao 16-bit (highperformance 16-bit microcontroller), thực chức xử lý tín hiệu số (DSP) nên dsPIC cịn xem điều khiển tín hiệu số (Digital Signal Controller – DSC) Họ vi điều khiển dsPic đạt tới tốc độ xử lý 40 MIPS (Mega Instruction Per Second - triệu lệnh giây) Ngoài dsPic trang bị nhớ Flash, nhớ liệu EEPROM ngoại vi hiệu cao đa dạng thư viện phần mềm cho phép thực giải thuật nhúng với hiệu suất cao cách dễ dàng khoảng thời gian ngắn Chính dsPic ứng dụng rộng rãi ứng dụng xử lý tín hiệu số, đo lường điều khiển tự động, v v Họ vi điều khiển dsPic chia làm ba loại tùy theo mục đích người sử dụng : - Bộ điều khiển số cho điều khiển motor biến đổi nguồn (DSC Motor Control & Power Conversion Family) - Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family) - Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family) 2.2 Đặc điểm chung vi điều khiển dsPic30F4011 2.2.1 Khối xử lý trung tâm CPU - Tập lệnh gồm 84 lệnh Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 11 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp - Chế độ định địa linh hoạt - Độ dài lệnh 24-bit, độ dài liệu 16-bit - Bộ nhớ chương trình Flash 24 Kbytes - Bộ nhớ RAM độ lớn 1Kbytes - Bộ nhớ EEPROM - Mảng 16 ghi làm việc 16-bit - Tốc độ làm việc lên tới 40 MIPS 2.2.2 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC - Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit + Tốc độ lấy mẫu tối đa Msps (Mega samples per second) + Tối đa 10 kênh lối vào ADC + Thực biến đổi chế độ Sleep Idle - Chế độ nhận biết điện thấp khả lập trình - Tạo Reset nhận diện điện áp khả lập trình 2.2.3 Các cổng vào I/O Port ngoại vi - Dòng ra, vào chân I/O lớn: 25 mA - Timer 16-bit, ghép Timer 16-bit thành Timer 32-bit - Chức Capture 16-bit - Các so sánh/PWM 16-bit - Module SPI dây (hỗ trợ chế độ Frame) - Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa từ 7-bit đến 10-bit - UART có khả địa hoá, hỗ trợ đệm FIFO 2.2.4 Bộ xử lý tín hiệu số - Nạp liệu song song - Hai chứa 40-bit có hỗ trợ bão hồ logic Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 12 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp - Thực phép nhân số 17-bit chu kì máy - Tất lệnh DSP thực chu kì máy - Dịch trái phải 16 bit chu kì máy 2.2.5 Một số đặc điểm khác - Bộ nhớ Flash: ghi/xoá lên tới 10.000 lần (điều kiện công nghiệp) 100.000 lần (thơng thường) - Bộ nhớ EEPROM: ghi/xố lên tới 100.000 lần (điều kiện công nghiệp) 1.000.000 lần (thơng thường) - Khả tự nạp trình điều khiển software - Watch Dog Timer mềm dẻo với dao động RC nguồn thấp chip - Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình - Khả tự lập trình nối tiếp mạch điện (In Circuit Serial Programming – ICSP) - Có thể lựa chọn chế độ quản lí nguồn: Sleep Idle 2.3 Cấu trúc vi điều khiển dsPic30F4011 2.3.1 Khối xử lý trung tâm CPU CPU dsPic30F4011 thiết kế kiến trúc RISC, nhân CPU có xử lí lệnh 24-bit đếm chương trình – Program Counter (PC) độ rộng 23-bit với bit ý nghĩa thấp ln 0, cịn bít ý nghĩa cao bỏ qua suốt trình thực chương trình bình thường, trừ thực lệnh đặc biệt Do đó, đếm chương trình định địa lên tới triệu từ lệnh khơng gian nhớ chương trình sử dụng Thiết bị dsPIC30F chứa 16 ghi làm việc 16-bit Mỗi ghi làm việc có thể làm việc với vai trò liệu, địa ghi địa offset Thanh ghi thứ 16 (W15) hoạt động trỏ ngăn xếp mềm cho hoạt động ngắt gọi ngắt Các lệnh dsPIC30F gồm lớp: Lớp MCU Lớp DSP lệnh Hai lớp kết hợp đồng với kiến trúc thực từ khối thực đơn Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 13 ĐH Công Nghệ - ĐHQG Hà Nội Khóa Luận Tốt Nghiệp Các lệnh bao gồm nhiều chế độ địa chế tạo nhằm tương thích với trình biên dịch ngơn ngữ C Khơng gian liệu địa hố thành 32K words 64 Kbytes chia làm hai khối, gọi nhớ liệu X nhớ liệu Y Mỗi khối có khối tạo địa - AGU (Adress Generator Unit) riêng biệt Tất lệnh hoạt động đơn độc qua nhớ X, khối AGU – quy định xuất vùng liệu thống Lớp chứa phép nhân (Multiply-Accumulate) – MAC lệnh DSP hoạt động thông qua hai khối AGU nhớ X Y, chia địa liệu thành hai phần Mỗi từ liệu gồm 2-bytes, tất lệnh định địa liệu theo bytes words (từ) Có hai cách để truy xuất liệu nhớ chương trình là: - 32 Kbytes cao vùng nhớ liệu xếp nửa thấp khơng gian chương trình biên 16K từ chương trình bất kỳ, định nghĩa ghi PSVPAG 8-bit (Program Space Visibility Page) Do lệnh truy cập khơng gian chương trình khơng gian liệu, có giới hạn cần thêm chu kỳ lệnh Chỉ có 16 bít thấp từ lệnh sử dụng phương thức truy cập - Truy cập trực tiếp không tuyến tính trang 32K từ nằm khơng gian chương trình sử dụng ghi làm việc, thông qua bảng lệnh đọc ghi Bảng lệnh đọc ghi sử dụng để truy cập 24 bit từ lệnh Khối X AGU (khối AGU nhớ X) hỗ trợ việc đảo bit địa địa đích kết nhằm đơn giản hố tối đa liệu vào để chúng thích hợp cho thuật toán FFT số Với tất lệnh, nhân dsPIC30F có khả thực việc đọc nhớ liệu nhớ chương trình, đọc ghi làm việc, ghi vào ghi làm việc đọc nhớ chương trình chu kì lệnh Như vậy, lệnh toán hạng hỗ trợ, cho phép thực phép tính C = A + B chu kì lệnh Sinh Viên : Lê Trần Triệu Tuấn 14