Hệ thống điều khiển nhúng - Phần 6 pps

http://www.ebook.edu.vn 93 6 THIẾT KẾ HỆ NHÚNG: TỔ HỢP PHẦN CỨNG VÀ MỀM 6.1 Qui trình phát triển Quátrìnhpháttriểnphầnmềmnhúngthựchiệntheochutrìnhsau: (1) Problemspecification (2) Tool/chipselection (3) Softwareplan (4) Deviceplan (5) Code/debug (6) Test (7) Integrate   6.2 Phân tích yêu cầu 6.3 Mô hình hoá sự kiện và tác vụ 6.3.1 Phương pháp mô hình Petrinet Năm1962CarlAdamPetriđãcôngbốphươngphápmôhìnhhìnhhoạtácvụhayquá trìnhtheosựphụthuộcnhânquảđãđượcphổcậprộngrãivàđượcbiếttớinhưngày nàyvớitêngọilà mạngPetri.  MạngPetriđượcsửdụngphổbiếnđểbiểudiễnmôhìnhvàphântíchcáchệthốngcó sựcạnhtranhtrongquátrìnhhoạtđộng.Mộthệthốngcóthểhiểulàmộttổ hợpcủa 94 nhiềuthànhphầnvàm ỗithànhphầnthìđềucócácthuộctính.Cácthuộctínhđócóthể thayđổivàđượcđặctrưngbởicácbiếntrạngthái.Mộtchuỗicáctrạngtháisẽmô tả quátrìnhđộngcủamộthệthống.  MạngPetrithựcsựlàmộtgiảiphápmôtảhệthốngđộngvớicácsựkiệnrờirạctác độnglàmthayđổitrạngtháicủa cácđốitượngtronghệthốngtheotừngđiềukiệncụ thểtrạngtháicủahệthống.  MạngPetriđượcthiếtlậpdựatrên3thànhphầnchính:(1)Cácđiềukiện,(2)cácsự ki ện,và(3)quanhệluồng.Cácđiềukiệncóthểlàthoảmãnhoặckhôngthoảmãn.Các sựkiệnlàcóthểxảyrahoặckhông.Vàquanhệluồngmôtảđiềukiệncủahệtrướ ckhi sựkiệnxảyra.  Cácđiềukiệnđòihỏiphảithoảmãnđểmộtsựkiệnxảyrahoặcchuyểntrạngtháithực hiệnthìđượcgọilàđiềukiệntrước( precondition).Cácđiềukiệnmàđượcthoảmãnkhi mộtsựkiệnnàođóxảyrathìđượcgọilàđiềukiệnsau(postcondition). 6.3.2 Qui ước biểu diễn mô hình Petrinet TrongquiướcbiểudiễnhìnhhoạthìmạngPetrisửdụngcácvòngtrònđểbiểudiễncác điềukiện,cáchộpđểbiểudiễncácsựkiện,vàmũitênbiểudiễnquanhệluồ ng.Mộtví dụminhhoạvềmạngPetriđượcmôtảtrongHình6‐1,trongđó: • 12 { , , , } np Ppp p= làtậpgồm np vịtríđượcbiểudiễntrongmôhình(đượcmôtả bởicácvòngtròn); • 12 { , , , } nt Ttt t= làtậpgồm nt chuyểnđổitrongtậpchuyểnđổibiểudiễntrongmô hình(đượcmôtảbởicáchìnhchữnhật); • Ibiểudiễnquanhệđivàochuyểnđổivàđượckýhiệubởiđườngmũitêntheo hướngtừcácvịtrítớicácchuyểnđổi; • Obiểudiễnquanhệđirakhỏichuyểnđổivàđượckýhiệubởicácđườngmũi têntheohướngtừcácchuyểnđổitớicácvịtrí; • 12 { , , } np M mm m= làdấutrạngtháicủacácchuyểnđổitronghệthống.Cácgiátrị i m làsốcácthẻbài(đượckýhiệunhưcácchấmtrònđen)chứabêntrongcácvị trí i p trongtậpdấu M .  http://www.ebook.edu.vn 95  Hình6‐1:VídụvềmộtmôhìnhmạngPetri HệthốngđộngcóthểđượcmôtảbởimạngPetrinhờsựchuyểndịchcácthẻbàitrong cácvịtrícủahệthốngmôhìnhvàtuânthủtheoluậtsau: • Mộtchuyểnđổiđượcphépthựcthinếutấtcảcácvịtríđivàochuyểnđổiđó chứaítnhấtmộtthẻbài. • Khimộtchuyểnđổiđãđượcthựcthixong(hoànthành)thìmộtthẻbàisẽbịloại rakhỏivịtríđivàochuyểnđổiđóđồngthờibổsungthêmmộtthẻbàivàocácvị tríđầura tươngứngcủachuyểnđổiđó.  Cáctrạngtháiđộngcủahệthốngđượcmôtảbởitập () M R đánhdấubởicácdấutrong tậpM.Trongvídụtrêncó5phầntửdấutrongtập R lầnlượtlà 12345 ,,,, M MMMM. Tươngứnglầnlượtnhưsau: 1 (1,0,0,0,0)M = : 2 (0,1,1,0,0)M = : 3 (0,1,0,0,1)M = : 4 (0,0,0,1,1)M = : 5 (0,0,1,1,0)M = : 6.3.3 Mô tả các tình huống hoạt động cơ bản với Petrinet  Đồnghành(Songsong)vàđồngbộ TrongmôhìnhPNmôtảnhưtrongHình6 ‐2(a),cácchuyểnđổit 1vàt2đượcphépthực hiệnđồngthời;hoạtđộngcủachúngkhôngảnhhưởngđếnnhau.Cáchoạtđộngđược môhìnhbởihaichuyểnđổithựchiệnsongsong.Tronghệthốngdựphòngvớiđộtin cậ ycao,môhìnhnàyđượcsửdụngđểbiểudiễnhaithànhphầnC1vàC2songsongđể đảmbảohoạtđộngdựphòng;trongtrườnghợpnàycácvịtríp 1vàp3biểudiễnđiều 96 kiệnlàmviệc,cácvịtríp 2vàp4biểudiễnđiềukiệnlỗi,t1vàt2làcácsựkiệnlỗitrong cáctácvụC 1vàC2mộtcáchtươngứng.   (a)(b) Hình6‐2:MôhìnhPetrinet2hoạtđộngsongsonga)độclậpvàb)đồngbộ Tronghoạtđộngsongsong,cáctácvụhoàntoànđộclập,tuynhiênnếucácsựkiệnđó cầnphảikếtthúcvàlàđiềukiệnđểchomộtchuyểnđổikhácthìhoạtđộngđồngbộcó th ểđượcthựchiệnnhờbổsungmộtchuyểnđổit3nhưmôtảtrongHình6‐2(b).Khiđó chuyểnđổit 3cầnthẻbàiđồngthờicủacảp2vàp4.   Chiasẻđồngbộ Mộtyếutốđặctrưngtronghoạtđộngcủahệthốngphântánlàthườngphảichiasẻmột số tài nguyênhữu hạn.Sự thiếu thốnvề tàinguyên làm hạn chế hoạtđộng củahệ thốngtrongquátrìnhxửlýthậmchílàmtắcnghẽnhệthống.Việcmôhìnhvàphântích cáchệthốngcóhiệntượngtắcnghẽnlàm ộttác vụkhókhăntrong hầuhếtcácquá trìnhmôhìnhcóthểgặpphải.   Hình6‐3:Hoạtđộngcủabộđệmvớidunglượnghữuhạn Đểminhhoạtìnhhuốngnày,biểudiễnhoạtđộngcủabộđệmvớidunglượnghữuhạn đượcmôtảbởiPNtrongHình6‐3.Vịtríp 3môhìnhs ốcácvịtríbộđệmcòntrốngvàvị tríp 2môhìnhsốvịtríđãđượcđiềnđầy;chúýrằngtổngcácthẻbàichứatrongcácvị http://www.ebook.edu.vn 97 tríp 2vàp3luônlàhằngsố(trongvídụnàylà3).Chuyểnđổit2môhìnhquátrìnhđiền đầymộtvịtríbộđệmvàhoànthànhnếucóítnhấtmộtvịtríbộđệmcòntrốngcùng vớithẻbàichứatrongvịtríp 1vàp3.Chuyểnđổit3đượcphépthựchiệnnếucóítnhất mộtvịtríbộđệmđãđượcđiềnđầy.Khihoànthànhchuyểnđổit 3,mộtthẻbàisẽđược chuyểntừvịtríp 2sangvịtríp3.   Tuầntự Hoạtđộngtuầntựsẽđượcmôtảvàminhhoạbởihoạtđộngcủabộtạovàbộsửdụng thôngquamộtbộđệm.Bộtạosẽsinhracácđốitượngđểđưa vàotrongmộtbộđệmvà sẽđượclấyrabởibộsửdụng.Quátrìnhsửdụngsẽphảiđượcthựchiệnmộtcáchtuần tựtheoquátrìnhtạorađốitượng.Môhìnhchohoạt độngnàyđượcdiễntảbởiPNnhư trongHình6‐4(a).Thẻbàichứatrongvịtríp 1cónghĩalàbộtạođãsẵnsàngthựchiện. Khicácchuyểnđổit 1vàt2hoànthànhthìmộtđốitượngđượctạora(mộtthẻbàitương ứngcũngsẽđượcchuyểnvàotrongbộđệmmôhìnhbởivịtríp 5)vàbộtạolạisẵnsàng trởlại.Nếubộsửdụngcónhucầutiêuthụ(đượcmôhìnhbởithẻbàichứatrongvịtrí p 3)vàđangcóítnhấtmộtđốitượngtrongbộđệmthìmộtthẻbàichứatrongvịtríp5sẽ đượclấyđivàchuyểnđổit 3sẽhoànthành.    (a)(b) Hình6‐4:Hoạtđộngtạovàsửdụngvớibộđệma)vôhạnvàb)hữuhạn TrongcáchmôtảtrongHình6‐4(a)thìviệctạovàsửdụngđượcthựchiệnthôngqua mộtbộđệmvớigiảthiếtlàcódunglượngvôhạn.Trongthựctếthìcácb ộđệmlà hữu hạn,đểmôtảhoạtđộngvớibộđệmloạinàyHình6‐4(b)đượcsửdụng.Vịtríp 6mô hìnhcácvịtríbộđệmcòntrốngvàvịtríp 5môhìnhcácvịtríbộđệmđãđượcđiềnđầy. Tổngsốlượngcácthẻbàichứatrongcácvịtríp 5vàp6phảiluônlàhằngsố.Nếumột thẻbàiđượcgánchovịtríp 5trongdấukhởitạothìbộtạosẽkhôngthểtạothêmđối tượngchừngnàobộsửdụngvẫnchưatiêuthụđốitượngtrongbộđệm.   Loạitrừxungđột HaitácvụC 1vàC2đượcphéplàmviệcsongsongvàcùngchiasẻtàinguyênCS,nhưng khôngđượctruynhậpvàotàinguyênđồngthời.GiảnđồPNchohoạtđộngnàyđược môtảnhưtrongHình6‐5.Cácvịtríp 1vàp5biểudiễncáctácvụC1vàC2làmviệcđộc lập;vịtríp 2vàp6biểudiễncácyêucầucủacáctácvụC1vàC2 mộtcáchtươngứngkhi 98 muốntruynhậpvàotàinguyênchiasẻC S;p3vàp7biểudiễnCSđangbịchiếmdụngbởi cáctácvụC 1vàC2mộtcáchtươngứng.Vịtríp4 môtảquyếtđịnhxemtácvụnàocóthể truynhậptàinguyênCsvàtránhcácvịtríp 3vàp7bịđánhdấuđồngthời.Thựctếkhi p 2vàp6đượcđánhdấuthìcácchuyểnđổit2vàt5xungđột.Việchoànthànhmộttrong haitácvụsẽkhoá/cấmlẫnnhau.Việc hoànthànhchuyểnđổit 3hoặct6sẽmôhìnhviệc giảiphóngnguồntàinguyênchung(chuyểnthẻbàitrởlạivịtríp 4)vàtrởvềđiềukiện làmviệcbìnhthường.    Hình6‐5:Hoạtđộngloạitrừcủahaitácvụsongsongchiasẻchungtàinguyên ĐểbắtđầulàmquenvớinguyênlýbiểudiễnmôhìnhhóabằngmạngPetrichúngta xéthoạtđộngcủamộthệthốngđồngbộgiữahoạtđộngtạovàsửdụngmộthạ ngmục (item)thôngquabộđệmnhưđượcmôttảtronghìnhdưới. Bộtạo‐Producer: 9 Tạorahạngmụcvà 9 bổsungvàobộđệm Bộsửdụng(tiêuthụ)‐Consumer: 9 Lấyhạngm ụcrakhỏibộđệmvà 9 Sửdụnghạngmục   Hình6‐6:Hoạtđộngcủahệthốnggồm1bộtạovà1bộsửdụng http://www.ebook.edu.vn 99 Trongtrườnghợpcónhiềuhơnmộtbộsửdụngthìhệthốngđượcbiểudiễnnhưsau:  Hình6‐7:Hoạtđộngcủahệthốnggồm1bộtạovà2bộsửdụng Hệthốngcó2bộđệm    Hệthốngvừaxétđượcmôhìnhhóabởiđiềukiệnvàsựkiện.Cácđiềukiệnđượcmôtả bởicácvòngtrònvànếuđiềukiệnthỏamãnthìkhiđóvòngtrònsẽđượcbi ểudiễnvới mộtchấmtrònnằmtrongtươngứngvớimộtthẻbài(token).  Sựkiệnđượckýhiệubởicáchộphìnhchữnhật.Vớimỗimộtsựkiệnthì sẽtồntại • mộttậpcácđiềukiệntrướcvàđượcnhậnbiếtbởicácmũitênđivàocácsựkiện từcácđiềukiệnđóvà • mộttậpcácđiềukiệnsauđượcnhậnbiếtbởicácmũitênđirakhỏicácsựkiện vàđivàocácđiềukiệnđó.  Mộtsựkiệncóthểxảyra(được thựcthi)khivàchỉkhi 9 tấtcảcácđiềukiệntrướctươngứngđượcthỏamãn(nhậnđượcthẻbài)và 9 tấtcảcácđiềukiệnsautươngứngchưađượcthỏamãn. Nếumộtsựkiệnxảyrathì 9 tấtcảcácđiềukiệntrướctươngứngsẽbịxóabỏ(reset)và 9 tấtcảcácđiềukiệnsautươngứngsẽđượcthiếtlập (set). 100 VớiloạimạngbiểudiễnnhưtrênngườitagọilàmạngPetricơbản(ElementaryNet)và kýhiệutắtlàEN.  Đểthuậntiệnvàđơngiảnhóatrongviệcbiểu diễnngườitacóthểsửdụngcácmũitên cóthêmtrọng sốnguyênđểmô tảhệ thốngcóchung nhiềuđiều kiệntrước vàsau tươngứngcùngvớimộtsựkiệnhoặcđ iềukiện.Đặcbiệtkhisốhạngmụctraođổigiữa bộtạovàbộsửdụnglớnhơn1.Vớiloạimạngnhưvậyngườitaphânloạivàgọilà mạng PetriChuyểnđổi/Vịtrí(Transitions/Places)kýhiệutắtlàP/T‐net.  CũngtươngtựnhưEN,P/T‐netbaogồm: • Cácvịtríđượckýhiệuvàmôtảbởicácvòngtròn:Cácvịtrícóthểchứamộtsố nguyêndươngcácthẻbài. • Cácchuyểnđổiđượcmôtảbởicáchìnhchữnhật:Cácchuyểnđổisẽlấyđihoặc thêmvàosốthẻbàitừhoặctớimộtvịtrí. • Cácmũitênkếtnốitrựctiếpgiữacácvịtrívàchuyểnđổi:Cácmũitêncókèm theocáctrọngsốtươngứngvớisốlượngthẻbàimànócóthểđượclấyra hoặc thêmvàotrongcácvịtrí.  Quiước:Mộttậpvịtríkếtnốivớichuyểnđổithôngquamộtmũitêntrựctiếptheo chiềutừvịtrítớichuyểnđổiđượcgọilà tậpcáctiềnchuyểnđổi.Ngượclại,mộttậpvị tríkếtnốivớichuyểnđổithôngquamộtmũitêntrựctiếptheochiềungượctừvịtrítới chuyểnđổ ithìđượcgọilàtậpcáchậuchuyểnđổi.  Mộtchuyểnđổicóthểxảyra(thựchiện)khivàchỉkhitấtcảcácvịtrítrongtậptiềnvị tríchứamộtsốl ượngtốithiểuthẻbàinhưđượcđịnhnghĩabởicáctrọngsốcủacác mũitêntươngứng.  Khimộtchuyểnđổiđượcthựcthinósẽ 9 loạibỏbớtsốthẻbàitừt ậptiềnvịtríbằngđúngsốlượngđãđượcđịnhnghĩa chocáctrọngsốcủacácmũitêntươngứngvà 9 cộngthêmvàosốlượngcácthẻbàivàotậphậuvịtríđúng bằngvớitrọngsốcủa cácmũitêntươngứng. Vídụbiểudiễnmôtảmộthoạtđộnghệthốngvới2hạngmụccầnđồngbộgiữabộtạo vàbộs ửdụng. http://www.ebook.edu.vn 101  Hình6‐8:Hoạtđộngđồngbộvớihaihạngmục Đểcóthểbiểudiễnhệthốngmộtcáchkhoahọcvàlogiccầncómộtđịnhnghĩađầyđủ môtảbởimạngPetri.   Mạngđiềukiện/sựkiện Địnhnghĩa: (, , )NCEF= đượcgọilàmộtmạngnếuvàchỉnếunóthoảmãncácthuộc tínhsau: 5 CvàElàcáctậpđộclậpvà CE∩≠∅ . 5 (x) (x)FECCE⊆∪làquanhệnhịphânvàđượcgọilàquanhệluồng. CđượcgọilàcácđiềukiệnvàEđượcgọilàcácsựkiện.  Địnhnghĩa:ChomộtmạngNvà () x CE∈∪. :{| } x yyFx•= đượcgọilàtậpcácđiềukiện trướccủaxvà :{| } x yxFy•= đượcgọilàđiềukiệnsaucủax. Haynóicáchkháclàmộtđiềukiệncầnphảiđượcthoảmãnđểmộtsựkiệnnàođóxảy rathìđượcgọilàđiềukiệntrướ cvàmộtđiềukiệnđượcthoảmãnsaukhimộtsựkiện nàođóxảyrathìđượcgọilàđiềukiệnsaucủasựkiệnđó.  Địnhnghĩa:Chomộttập (, ) xce C E∈  (, )ceđượcgọilàmộtvònglặpnếucFe eFc∧  MạngNđượcgọilàthuầnnhấtnếuFkhôngchứabấtkỳmộtvònglặpnào.  Địnhnghĩa:Mộtmạngđượcgọilàđơngiảnnếukhôngcóbấtkỳhaichuy ểnđổit1,t2 nàocócùngtậpcácđiềukiệntrướcvàcácđiềukiệnsau.  Cácmạngmàkhôngchứabấtkỳphầntửtáchbiệtnàocũngnhưkhôngcóthêmbấtkỳ mộthạnchế nàothìđượcgọilàmạngđiềukiện/sựkiện.   Mạngchuyểnđổi/vịtrí Trongcácmạngđiềukiện/sựkiệnchỉchứanhiềunhấtlàmộttokenchomỗimộtđiều kiện.Đểhạnchếđiềunàytứclàmộtđiềukiệncóthểchứanhiềutokenvàngườitagọi 102 làmạngchuyểnđổi/vị trí.Cácvịtrí tươngứng với cácđiềukiệnvà các chuyểnđổi tươngứngvớicácsựkiệntrongmạngđiềukiện/sựkiện.  Sốlượngtokenchomỗ imộtđiềukiệnđượcgọilàMarking.Vềmặttoánhọc,Marking chínhlàmộtánhxạtoánhọcchophépchuyểnmộttậpcácvịtrívàomộttậpcácsốtự nhiênđượcmở rộngbởicácbiểutượngđặcbiệt∞ .  Vídụ:MôtảchươngtrìnhđiềukhiểnluồngtàuđiệnbằngmạngPetrinetđiềukiện/sự kiệnđểtránhtrườnghợpxungđộttrênmộtđườngraytheohaihướngtàuchạy.   Cácđiềukiện: • Tàumuốnvàođườngraytheochiềusangphải. • Tàuđangchuyểnđộngtrênđườngraytheochiềuphải. • Tàuthoátrakhỏiđườngraytheochiềuphải. • Tàumuốnvàođườngraytheochiềusangtrái. • Tàuđangchuyểnđộngtrênđườngraytheochiềutrái. • Tàuthoátrakhỏiđườngraytheochiềutrái.  Cácsựkiện: • Tàuvàođườngraytừchiềubêntrái • Tàurờikhỏiđườngraytheochiềuphải • Tàurờiđườngray • Tàuvàođườngraytừchiềubênphải • Tàurờikhỏiđườngraytheochiềutrái  Token:Đườngraysẵnsàngchotàuvàotheomộttronghaichiều  http://www.ebook.edu.vn 103  6.3.4 Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanuage)làmộtngônngữ chungđểmôtảcácthiếtkếphầncứngởmứcphầntửlogiccơbảncấuthànhnênhệ thốngvàđãđượcpháttriểnbởit ổchứcquốcphòngMỹ.Mụcđíchchínhlàđểthuận tiệnchoviệctraođổidữliệuthiếtkếphầncứngtheom ộtđịnhdạngchuẩnmàmọi ngườicóthểhiểuvàthông dịch,tạođiềukiệnthuậnlợitrongviệcphốihợphayhợptác trongcácdựánthiếtkế.Đặcbiệtnórấtthuậntiệntrongviệcchuyểnđổihaytổngh ợp biêndịchthànhm ộtdạngngônngữthựcthiphầncứngthực.Điềunàyrấtkhóthực hiệnbằngcácngônngữbậccaonhưCnhưngvớiVHDLđiềunàychínhlàư uđiểmnổi bậtvàlàthếmạnhtrongviệcmôhìnhhoáhệthống,môtảmộtcáchchitiếtcácphầntử cứngcấuthànhthamgiatronghệthống.  VHDLlàmộtchuẩn IEEE(Std‐1076)đãđượcsựhỗtrợbởirấtnhiềunhàcungcấpphát triểnphầncứng.Ứngdụngmộtcáchchuyênnghiệpngônngữnàylàphụcvụchoviệc môtảcácmạchASICsph ứchợp,chếtạothựcthicácmạchFPGA   NgônngữVHDLcóthểđọchiểukhádễdàngvớicấutrúccúpháprõrànggần giống nhưngônngữVisualBasicvàPascal.Nócóthểpháthuyđược thếmạnhvềcúphápđể địnhnghĩaxâydựngkiểudữliệumớivàhỗtrợchoviệclậptrìnhtheonhóm.Vớixu thếhiệnnaycácnhómpháttriểncóthểthựcthivớiđi ềukiệncáchxanhauvềkhoảng cáchđịalý,vìvậyviệcphốihợpvàthiếtkếtheonhómlàrấtcầnthiết.  „TomCantrellrecentlywrotethatthefutureisbrightforFPGAs,whic hwillplayalarge rolein mainstreamapplications(“MoreFlash,LessCash,”CircuitCellar,178,May2005).Iagreewith Tom, but I’ll go further and predict that VHDL will becomethe premier technology used to define FPGA content either as output from design tools or with direct programming. In combination with VHDL, FPGAs provide a lowcost approach to defining complex hardware designsthatwereinconceivableonlyafewdecadesago.Perhapsmostimportantly,usingVHDL todefinehardwareisfun…”  104 6.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 6.4.1 Mô hình thực thi bộ điều khiển nhúng  Hình6‐9:Hệthốngđiềukhiểnsố Đểthựcthimộtbộđiềukhiểnsốtrênthiếtbịvậtlýthựcphảiđòihỏixétxembộđiều khiểnvớimôhìnhhàmtruyềnđãchocóthểhiệnthựchóađượckhông.Đ iềukiệnphải xétthựcralàđểđảmbảorằngkhôngcóđầuranàocủahệthốnglạixuấthiệntrướckhi cótínhiệuvào.Haynóicáchkháchệthốngxâydựngph ảituânthủtínhnhânquả. Nếukhaitriểnhàmtruyềncủabộđiềukhiểnsốđượcmôtảởdạngtổngquát  1 01 1 01 () m m R n n bbz bz Gz aaz az −− −− ++⋅⋅⋅+ = ++⋅⋅⋅+  (1.5) thànhchuỗilũythừatheozthìnóphảikhôngđượcphépchứabấtkỳphầntửnàochứa lũythừadươngcủaz.Haynóicáchkháclàbộđiềukhiểnđượcmôtả như(1.5)phảicó bậc 0≤ tứclàbậccủatửsốphảinhỏhơnhoặcbằngbậccủamẫusố( nm≥ ). Saukhiđãthiếtkếđượcbộđiềukhiểnsốthìviệccònlạilàlậptrìnhvànạpvàocácbộ điềukhiểnvậtlýkhảtrình.Thựcchấtquátrìnhnàylàthựcthi hàmtruyềncủabộđiều khiểnsốbằnglậptrìnhsốtrêncácbộđiềukhiểnvậtlýđãcó.Ởđâychúngtasẽchủ yếuquantâmđếnviệctriểnkhaiđểchuẩnbịchobướcl ậptrìnhcáchàmtruyềncủabộ điềukhiểnsố.Xuấtpháttừmôtảhàmtruyềndạngtổngquátcủabộđiềukhiểnsố  1 01 1 01 () () () m m R n n bbz bz Uz Gz Ez a az az −− −− + +⋅⋅⋅+ == ++⋅⋅⋅+  (1.6) trongđó, 0 0a ≠ nếu 0 0b ≠ ; m và n làcácsốnguyêndương. Cóthểtriểnkhaiđểthựcthimộthàmtruyềncủabộđiềukhiểnsốtheo3cáchnhưsau:  Triểnkhailậptrìnhsốtrựctiếp Đểtriểnkhailậptheo phươngpháplậptrìnhtrựctiếpthìhàmtruyềnbộđiềukhiểnđã chobiểudiễntrongmiềnzphảiđượcchuyểnđổivềdạnghàmtr uyềnrờirạc  ** * 0 10 () () () nm kk kk au t au t kT be t kT == +−=− ∑∑  (1.7) http://www.ebook.edu.vn 105 Từđẳngthức(1.7)dễdàngtínhrađượcgiátrịcủađầura * ()utcủabộđiềukhiểnsốđã chotheocácgiátrịhiệntạivàquákhứcủađầuvào * ()etcũngnhưcácgiátrịquákhứ củachínhnó  ** * 01 00 11 () ( ) ( ) mn kk kk ut bet kT aut kT aa == =−−− ∑∑  (1.8) Đểthựchiệnbộđiềukhiểnnàyyêucầuphảilưutrữcácgiátrịquákhứcủađầuvàovà đầuracủabộđiềukhiển.Vớibộđiềukhiểnđãchoyêucầ uphảicó nm + giátrịcần  phảilưutrữhaynóicáchkháccầnphảicó nm+ phầntửlưutrữ.  Mộtphươngphápkhácđểtriểnkhailậptrìnhtrựctiếplàsửdụngcơchếtáchtrựctiếp đầuvàovàđầuracủabộđiềukhiểntheomột biếntrunggianX(z).Khôngmấttính tổngquátnếuchúngtanhâncảtửvàm ẫucủahàmtruyềnbộđiềukhiểnsốđãchovới mộtbiếnX(z).Từđórútrađượchàmtruyềnc ủađầuvàoE(z)theoX(z)vàhàmtruyền củađầuraU(z)theoX(z).Phươngphápnàythựchiệnnhưsau:  1 01 0 1 () ( ) () m m Uz b bz bz Xz a −− = + +⋅⋅⋅+  (1.9)  12 12 00 11 () () ( ) () n n X zEzazaz azXz aa −− − =− ++⋅⋅⋅+  (1.10) Theophươngphápnàyyêucầusốphầntửlưutrữchínhbằnggiátrịn,bằngbậccủađa thứcmẫusốtronghàmtruyềnbộđiềukhiểnsốđãcho.Từcácđẳngthứ c(1.9)và(1.10) tacũngdễdàngxâydựngđượcgiảnđồtrạngtháimôtảhàmtruyềncủabộđiềukhiển số(giảthiết 3mn==).          Hình6‐10:Giảnđồtrạngtháicủahệthốngsố Triểnkhảilậptrìnhsốghéptầng Cáchtriểnkhainàyyêucầuchuyểnđổibộđiềukhiểnvềdạngtíchcủacáchàmtruyền đơngiảnđểcóthểdễdàngthựchiệnbằ ngcácchươngtrìnhđơngiản.Haynóicách khácbộđiềukhiểnsốđãcholàkếtquảghéptầngcủanhiềubộđiềukhiểnnhỏ.  Triểnkhailậptrìnhsốsongsong Bộđiề ukhiểnđãchosẽđượctáchrathànhtổngcủacácbộđiềukhiểnđơngiảnvàcó thểthựchiệnlậptrìnhsongsongchocácbộđiềukhiểnđó. X  1 zX −  2 zX −  3 zX −  03 /aa 13 /aa 23 /aa 3 b  2 b  0 b  3 1 a  1 z −  1 z −  1 b  1 z −  ()Uz ()Yz  106 6.4.2 Ví dụ triển khai bộ điều khiển PID số Xấpxỉhoáthànhphầnvitíchphân Có3phươngphápxấpxỉgiánđoạnphổbiếnápdụngchocácthànhphầntíchphân: vượttrước(forward),vượtsau(backward),vàtrapezoidal.   Xấp xỉsaiphânvượttrước  ( ) () () ff ykTT ykT TxkT+− =  (1.11) Ápdụngchuyểnđổizcho(1.11)tathuđược  () () 1 f yz T x zz = −  (1.12) Dóđóxấpxỉhoátíchphânsẽlà:  1 1 T sz ≈ −  (1.13)   Hình6‐11:Xấpxỉsaiphânvượttrước  Xấpxỉsaiphânvượtsau Tươngtựnhưsaiphânvượttrướctacóxấpxỉtíchphânnhưsau:  1 1 Tz sz ≈ −  (1.14)   Hình6‐12:Xấpxỉsaiphânvượtsau  XấpxỉTrapezoidal Phépxấpxỉtíchphânthuđượcsẽlà:  11 21 Tz sz + ≈ −  (1.15)  http://www.ebook.edu.vn 107  Hình6‐13:XấpxỉTrapezoidal ĐẳngthứclýtưởngmôtảbộđiềukhiểnPID  0 () () () () 1() () ( ) PID t D I ut u t u t u t de t Ket e d T Tdt ττ =++ ⎡⎤ =+ + ⎢⎥ ⎣⎦ ∫  (1.16) trongđó,Klàhệsốkhuếchđại, I T làhằngsốthờigiantíchphân, D T làhằngs ốthời gianviphân.  Trongtrường hợpchu kỳtrích mẫunhỏ,đẳngthức(1.16) có thể đượcchuyển sang dạngđẳngthứcsaiphânbằngphươngpháprờirạchoá.Trongđó, thànhphầnviphân cóthểđượcxấpxỉnhưphéptínhsaiphânbậcnhấtvàthànhphầntíchphânđượcxấp xỉdạngvượttrước.Bằngphéprờirạcnàytathuđượcđẳngthức môtảbộđiềukhiển PIDsốnhưsau:  () 1 0 () () () ()(1) k s D P i Is T T uk K ek ei ek ek TT − = ⎡⎤ =+ +−− ⎢⎥ ⎣⎦ ∑  (1.17) Từđẳngthức(1.17)tadễdàngnhậnthấyrằngđểthựcthibộđiềukhiểnPIDcầnthông tincủatấtcảcácsailệchetrongquákhứ.Đểthuậntiệnchoviệcthự chiệnlậptrình, dạngđệquisẽphùhợphơnvàcóthểrútratừ(1.17)nhưsau:  () 2 0 (1) (1) () (1)(2) k s D i Is T T uk K ek ei ek ek TT − = ⎡⎤ −= −+ + −− − ⎢⎥ ⎣⎦ ∑  (1.18) Từ(1.17)và(1.18)tarútrađượcalgorithmđiềukhiểncủaPIDsố:  01 2 () ( 1) () ( 1) ( 2)uk uk aek aek aek−−= + −+ − (1.19) trongđó, 0 1 D s T aK T ⎛⎞ =+ ⎜⎟ ⎝⎠ , 1 12 s D s I T T aK TT ⎛⎞ =− + − ⎜⎟ ⎝⎠ , 2 D s T aK T =  Môhìnhbộđiềukhiểnởdạnghàmtruyềntacó:  1 P ID P I D GKKKs s =+ +  (1.20) trongđó,thànhphầntíchphâncóthểxấpxỉtheomộttrongbacáchnhưmôtảtrong phần6.1,thànhphầnviphâncóthểđượcxấpxỉnhưsau:  () ( ) ( ) tT de t e kT e kT T dt T = −− =  (1.21) 108 từ(1.21)cóthểxấpxỉhàmtruyềnthànhphầnviphân  1 () DD z Gz K Tz − =  (1.22) Nhưvậy hàmtruyềncủabộđiềukhiểnPID sốcóthểđượcxấpxỉ theomộttrong3 dạngnhưsau:  Xấpxỉvượttrước:  22 ()( 2) (1) PD I P D D PID KTKz KT KT KzK G Tz z ++−−+ = −  (1.23)  Xấpxỉvượtsau:  22 ()(2) (1) PDI P D D PID KT K KT z KT K z K G Tz z ++ − + + = −  (1.24)  XấpxỉTrapezoidal:  222 (2 2) ( 2 4)2 2( 1) P IDIPDD PID KT KT K z KT KT K z K G Tz z ++ + − − + = −  (1.25)   TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1] PeterMarweden.EmbeddedSystemsDesign:Springer,2006. [2] MichaelBarr.ProgrammingEmbeddedSystemsinCandC++.O’Reilly,1999. [3] JackGanssle.TheArtofDesigningEmbeddedSystems.Newnes,1999. [4] StuartR.Ball.EmbeddedMicroprocessorSystems.Newnes,2002 [5] Qing Li and Carolyn Yao. Real‐time Concepts for  Embedded Systems, CMP Books,2003 [6] OlliS., JaakkoA  EmbeddedSystems, Lecture Notes, HelsinkiUniversityof Tech.,2006. [7] Lothar Thiele. Embedded Systems, Lecture Notes, Swiss Federal Institute of Tech.,2006. [8] Don Morgan. Numerical Methods: Realtimeand Embedded Systems Programming.M&T,1992. [9] Jerrry Lueke. Analog and Digital Circuits for Electronic Control System Application.Newnes,2005. [10] AdreaBobbio.SystemModellingwithPetriNets.A.G.Colombo,1990. [11] Linda Null and Julia Lobur. The essentials of computer Organization and Architecture:JonesandBartlettPublishers,2003. [12] Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. Computer  Architecture: A Quantitative Approach,SanFrancisco:MorganKaufmann,1990. [13] SenM.Kuo,BobH.Lee,WenshunTian.Real‐timeDigital Signal Processing: ImplementationsandApplications,JohnWiley&Son,2006. [14] Kuo.DigitalControlSystems,Oxford,2005. . hardware designsthatwereinconceivableonlyafewdecadesago.Perhapsmostimportantly,usingVHDL todefinehardwareisfun…”  104 6. 4 Thiết kế phần mềm điều khiển 6. 4.1 Mô hình thực thi bộ điều khiển nhúng  Hình 6 9: Hệ thống điều khiển số Đểthựcthimộtbộ điều khiển sốtrênthiếtbịvậtlýthựcphảiđòihỏixétxembộ điều khiển vớimôhìnhhàmtruyềnđãchocóthểhiệnthựchóađượckhông.Đ iềukiệnphải xétthựcralàđểđảmbảorằngkhôngcóđầuranàocủa hệ thống lạixuấthiệntrướckhi cótínhiệuvào.Haynóicáchkhác hệ thống xâydựngph ảituânthủtínhnhânquả. Nếukhaitriểnhàmtruyềncủabộ điều khiển sốđượcmôtảởdạngtổngquát  1 01 1 01 () m m R n n bbz. Sửdụnghạngmục   Hình 6 6: Hoạtđộngcủa hệ thống gồm1bộtạovà1bộsửdụng http://www.ebook.edu.vn 99 Trongtrườnghợpcónhiềuhơnmộtbộsửdụngthì hệ thống đượcbiểudiễnnhưsau:  Hình 6 7:Hoạtđộngcủa hệ thống gồm1bộtạovà2bộsửdụng Hệ thống có2bộđệm    Hệ thống vừaxétđượcmôhìnhhóabởi điều kiệnvàsựkiện.Các điều kiệnđượcmôtả bởicácvòngtrònvànếu điều kiệnthỏamãnthìkhiđóvòngtrònsẽđượcbi ểudiễnvới mộtchấmtrònnằmtrongtươngứngvớimộtthẻbài(token).  Sựkiệnđượckýhiệubởicáchộphìnhchữnhật.Vớimỗimộtsựkiệnthì sẽtồntại •. Sửdụnghạngmục   Hình 6 6: Hoạtđộngcủa hệ thống gồm1bộtạovà1bộsửdụng http://www.ebook.edu.vn 99 Trongtrườnghợpcónhiềuhơnmộtbộsửdụngthì hệ thống đượcbiểudiễnnhưsau:  Hình 6 7:Hoạtđộngcủa hệ thống gồm1bộtạovà2bộsửdụng Hệ thống có2bộđệm    Hệ thống vừaxétđượcmôhìnhhóabởi điều kiệnvàsựkiện.Các điều kiệnđượcmôtả bởicácvòngtrònvànếu điều kiệnthỏamãnthìkhiđóvòngtrònsẽđượcbi ểudiễnvới mộtchấmtrònnằmtrongtươngứngvớimộtthẻbài(token).  Sựkiệnđượckýhiệubởicáchộphìnhchữnhật.Vớimỗimộtsựkiệnthì sẽtồntại •