Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong đo lường điều khiển

Bộ giáo dục v đo tạo Trờng đại học bách khoa H Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong đo Lờng Điều Khiển Ngnh : đo lờng v hệ thống điều khiển Mã số : Hong Thị Tú Uyên Ngời hớng dẫn khoa học: Pgs.ts Phạm thị ngọc yến ThS Lê Hải Sâm H nội 2006 thuong@thuongvn.com mục lục Lời nói đầu 1 chơng 1: Đặt vấn đề 2 1.1 Giới thiệu về công nghệ FPAA 2 1.2 Mục tiêu của bản luận văn 5 Chơng 2: Tổng Quan về công nghệ FPAA 7 2.1 Kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 7 2.1.1 Nguyên lý chuyển mạch tụ điện 7 2.1.2 Sử dụng nguyên lý chuyển mạch tụ điện 8 2.1.2.1 Mạch khuếch đại 8 2.1.2.2 Mạch so sánh ( comperator) 11 2.1.2.3. Mạch tích phân 11 2.1.2.4 Mạch vi phân 12 2.1.3 Tính u việt của kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 13 2.1.3.1 Các đặc điểm cơ bản 13 2.1.3.2. Tạo điện trở âm 14 2.1.3.3 Mạch chỉnh lu tích cực 15 2.1.4 Lấy mẫu tín hiệu 17 2.1.4.1 Dạng tín hiệu lấy mẫu trong kỹ thuật chuyển mạch tụ điện 17 2.1.4.2 Các đặc tính của tín hiệu analog lấy mẫu 18 2.1.4.3 Vấn đề chống trùng phổ v lọc san phẳng tín hiệu 19 2.2 Các thế hệ phát triển của FPAA 20 2.2.1 Thế hệ thứ nhất 20 2.2.1.1. Cấu trúc tổng thể của AN10E40 20 thuong@thuongvn.com 2.2.1.2 Sử dụng AN10E40 21 2.2.1.3 Các u thế của AN10E40 trong thiết kế mạch 23 2.2.2 Thế hệ thứ hai 24 2.2.2.1 Đặc điểm chung 24 2.2.2.2 Th h AN120E04 v AN220E04 25 2.2.2.3 Thế hệ AN121E04 v AN221E04 28 2.2.2.4 Th h AN221E02 31 Chơng 3: các lĩnh vực ứng dụng của FPAA 32 3.1 Các khả năng ứng dụng của FPAA 32 3.2 Các ứng dụng điển hình sử dụng công nghệ FPAA 33 3.2.1 Công nghệ FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID 33 3.2.1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID 33 3.2.1.1 FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID 36 3.2.2 Công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo 42 3.2.3 Công nghệ FPAA trong các thiết bị điều khiển 49 Chơng 4 : ứng dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO 54 4.1 Tầm quan trọng của việc đo khí CO 54 4.2 Các nguyên lý đo v cảm biến đo khí CO 55 4.2.1 Các phơng pháp đo khí 55 4.2.2 Các cảm biến đo khí CO 56 4.3 Những u điểm khi sử dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO 64 Chơng 5: Thiết kế thiết bị đo CO sử dụng công nghệ FPAA 71 5.1 Các bớc thiết kế thiết bị đo khí CO 71 5.2 Thiết kế thiết bị 71 5.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 71 thuong@thuongvn.com 5.2.2 Thiết kế phần cứng 71 5.2.3 Thiết kế phần mềm 75 5.2.3.1 Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị 75 5.2.3.2 Thiết kế các khối chức năng trong AN221E04 76 5.2.3.3 Thiết lập bảng tra LUT trong AN221E04 80 5.2.3.4 Lu đồ thuật toán trong vi điều khiển 89 5.3 Kết quả của quá trình thiết kế 98 Kết Luận v hớng phát triển 102 Ti liệu tham khảo 104 -1- Upload by 0912757570 Lời Nói Đầu Trong những năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, công nghệ chế tạo IC đã mở ra một khả năng to lớn trong lĩnh vực đo lờng nh công nghệ chế tạo thiết bị đo, thiết bị thử nghiệm tại hiện trờng của các kỹ thuật viên , xây dựng các hệ đo v giám sát với khả năng đáp ứng nhanh, chính xác . Mục đích của luận văn l nghiên cứu, ứng dụng công nghệ FPAA trong lĩnh vực đo lờng điều khiển. Nội dung cơ bản của luận văn đợc trình by trong 5 chơng Trong bản luận văn do điều kiện thời gian cũng nh điều kiện nghiên cứu còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót. Rất mong đợc sự giúp đỡ , chỉ bảo của các thầy cô v ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp để đề ti sau ny có tính khả thi trong thực tế. Tôi xin by tỏ lòng cảm ơn đến PGS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, Th.s Lê Hải Sâm đã tận tình hớng dẫn v động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn của mình. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Đo lờng Tin học công nghiệp , các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề ti. -2- thuong@thuongvn.com Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển Chơng I : Đặt vấn đề 1.1 Giới thiệu về công nghệ FPAA Cho đến nay, việc thiết kế v chế tạo mạch điện tử tơng tự thực chất l sắp xếp các phần tử thụ động ( điện trở, cuộn cảm, tụ điện) v các phần tử tích cực nh ( transistor, Mosfet, opamp ) lại với nhau sao cho có thể thực hiện đợc các chức năng m ngời thiết kế đặt ra. Thông thờng quá trình thiết kế một mạch điện tử tơng tự bao gồm các bớc : - Xác định hm truyền mô tả hoạt động của mạch - Xây dựng sơ đồ mạch - Lựa chọn v sắp xếp các phần tử - Xác định giá trị các tham số của từng phần tử Điều ny lm cho việc thể hiện các ý tởng thiết kế v chế tạo các mạch điện tử tơng tử trở nên khó khăn. Đòi hỏi ngời thiết kế phải có một trình độ cao về kỹ thuật mạch v phải nắm vững đặc tính của các phần tử dùng cho thiết kế. Ngời thiết kế không những cần phải đa ra một sơ đồ mạch hợp lý, lựa chọn đúng các phần tử mạch, tính toán chính xác trị số của các linh kiện m còn cần phải có kinh nghiệm trong việc sắp xếp bố trí hợp lý các phần tử trên bảng mạch nhằm tránh những ảnh hởng qua lại giữa các bộ phận, nâng cao độ chính xác, độ tin cậy của thiết bị. Quá trình thiết kế v chế tạo một thiết bị điện tử tơng tự, kể từ khi hình thnh ý tởng thiết kế cho đến khi có sản phẩm cuối cùng thờng phải mất hng tuần thậm chí hng tháng. Công nghệ FPAA (Field Programmable Analog Array ) ra đời nhằm giúp cho quá trình thiết kế v chế tạo thiết bị analog trở nên đơn giản hơn, đồng thời lm -3- thuong@thuongvn.com Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển tăng tính linh hoạt mềm dẻo của thiết bị. Sự dụng cộng nghệ FPAA, ngời thiết kế không cần phải có kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật mạch, cũng nh kinh nghiệm trong việc bố trí lắp ráp mạch. Để thiết kế một hệ thống, ngời thiết kế chỉ cần lựa chọn các khối chức năng analog ở mức cao ( ví dụ : khuyếch đại, lọc tích cực, các khâu truyền đạt phi tuyến ) v xác định các đặc tính cụ thể cho chúng. Quá trình từ lúc bắt đầu ý tởng thiết kế cho đến khi thực hiện thiết kế, chạy mô phỏng v đa ra sản phẩm cuối cùng chỉ diễn ra trong vòng vi chục phút. Công nghệ FPAA l sự kết hợp của cả tính linh hoạt khả trình của kỹ thuật số với độ nhạy cao, tốc độ nhanh của kỹ thuật tơng tự. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin trong những thập niên vừa qua v sự ra đời các phần mềm hỗ trợ thiết kế đã giúp ích rất nhiều cho công việc thiết kế của ngời kỹ s. Với sự trợ giúp của các phần mềm thiết kế mạch điện tử, ngời kỹ s hon ton có thể mô tả thiết kế trên máy tính, chạy mô phỏng v đánh giá kết quả của thiết kế trớc khi thực hiện nó. Tháng 8 năm 2002, công ty Anadigmđ đa ra thị trờng công cụ thiết kế chế tạo mạch điện tử tơng tự từ các FPAA gọi l Anadigmvortex gồm bốn bộ phận cơ bản: - Phần mềm trợ giúp thiết kế ( AnadigmDesignerđ ) cho phép ngời kỹ s thiết kế, triển khai thực hiện v thay đổi cấu hình cho các mạch điện tử tơng tự chỉ trong vòng vi phút. - Th viện CAM (Configurable Analog Module ) chứa các khối chức năng analog, ngời dùng có thể sử dụng các khối n y để tạo nên hệ thống mạch analog hon chỉnh. -4- thuong@thuongvn.com Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển - Hệ phát triển l bảng mạch giúp ngời thiết kế tạo ra các mẫu thử v kiểm tra hoạt động của mạch trớc khi triển khai thực hiện nó. - Các chip vi mạch FPAA, thờng gọi l các chip trắng. Với Anadigmvortex, công việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử tơng tự trở nên đơn giản hơn rất nhiều. Ngời thiết kế bây giờ chỉ cần thực hiện những công việc sau : - Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính chất của ứng dụng. - Sử dụng công cụ AnadigmDesignerđ2 với giao diện graphic kiểu drap- and-drop để thiết kế mạch analog trên máy tính. Kết hợp với th viện CAM, ngời thiết kế có thể tạo ra hệ thống mạch điện tử tơng tự hon chỉnh một cách nhanh chóng. Để thiết kế ngời dùng chỉ cần gọi từ th viện CAM các khâu chức năng analog đã đợc lập sẵn, ví dụ nh các mạch khuyếch đại, chỉnh lu tích cực, lọc tích cực bậc cao Ngời thiết kế cũng không cần đòi hỏi phải có kiến thức chuyên sâu về lý thuyết mạch điện tử. Việc chính m ngời thiết kế cần chính l xác định tham số cho các khối đợc chọn, ví dụ hệ số khuyếch đại, giải thông của mạch lọc - Nạp cấu hình thiết kế vo chip FPAA thông qua hệ phát triển. Hệ phát triển FPAA l một bảng mạch trên đó có slot để cắm chip FPAA cần lập trình. Bảng mạch ny đợc nối với máy tính PC ( thờng l qua cổng COM) để giúp ngời thiết kế tạo ra các mạch thử cho các thiết kế điện tử t ơng tự. Bảng mạch còn có thêm các khối chức năng mở rộng, v các cổng nối I/O cho phép kết nối chip FPAA với các phần tử khác để tạo nên một hệ thống mạch thử hon chỉnh. -5- thuong@thuongvn.com Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển Có thể nói công nghệ FPAA đã mở ra một hớng hon ton mới trong việc thiết kế các hệ thống mạch điện tử tơng tự. Ngời kỹ s thiết kế có thể tích hợp nhiều chức năng của hệ thống trên cùng một chip, đồng thời có thể lập trình thay đổi cấu hình của thiết bị ngay tại hiện trờng, trong khi nó đang hoạt động. Điều ny l rất quan trọng, vì nhiều khi ngời thiết kế cần phải hiệu chỉnh các chức năng của thiết bị để cho phù hợp với sự thay đổi đặc tính của đối tợng. Ngoi ra, công nghệ FPAA còn cho phép những ngời thiết kế chế tạo các mạch điện tử rút ngắn thời gian cần thiết để đa sản phẩm ra thị trờng v giảm đợc chi phí kỹ thuật đột xuất. Các sản phẩm FPAA cũng có thể đợc sử dụng lại nhiều lần cho nhiều ứng dụng khác nhau nhờ khả năng thay đổi cấu hình của chúng. Nói tóm lại, lợi ích của công nghệ FPAA trong việc thiết kế chế tạo các mạch điện tử tơng tự l rất rõ rng. Hiệu quả của nó đợc thể hiện trong nhiều dự án, cho dù số lợng sản phẩm nhiều hay ít, thậm chí ngay cả với các thiết kế chỉ dùng cho một sản phẩm. 1.2 Mục tiêu của bản luận văn Khả năng ứng dụng của công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo lờng điều khiển thật rộng rãi v cần thiết bởi tính đơn giản v thuận tiện trong thiết kế cũng nh tính khả thi của nó. Tuy nhiên khuôn khổ bản luận văn chỉ hạn chế ở những mục tiêu sau: - Nghiên cứu cấu trúc phần cứng của các vi mạch FPAA. - Phơng pháp lập trình phần mềm, sử dụng công cụ thiết kế AnadigmDesignerđ2 - Phân tích các ứng dụng của công nghệ FPAA đã v đang đợc khai thác -6- thuong@thuongvn.com Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển - Phân tích cụ thể khả năng ứng dụng của một vi mạch FPAA- AN221E04, trên cơ sở đó tính toán v thiết kế một mạch đo cụ thể, đo nồng độ khí CO - Thiết kế mạch phần cứng thiết bị đo CO - Xây dựng lu đồ thuật toán điều khiển, viết phần mềm Luận văn gồm 5 chơng: o Chơng 1: Đặt vấn đề o Chơng 2: Tổng quan về công nghệ FPAA o Chơng 3: Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ FPAA o Chơng 4: ứng dụng công nghệ FPAA trong đo khí CO o Chơng 5 : Thiết kế thiết bị đo CO sử dụng công nghệ FPAA [...]... 2.2.2 FPAA thế hệ thứ hai 2.2.2.1 Đặc điểm chung Các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai của Anadigmđ bắt đầu đợc đa ra thị trờng từ tháng 8 năm 2002 Hai năm qua đã có năm nhóm vi mạch FPAA đợc giới thiệu v đa ra sử dụng phổ biến l AN120E04, AN220E04, AN121E04, AN221E04, v AN221E02 Hình2- 2.4 Hình thức các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển -26- thuong@thuongvn.com Trong. .. khuếch đại trong FPAA Hình 2-1.14 mô tả cấu trục hon chỉnh của một bộ khuếch đại gồm một mạch khuếch đại dùng tụ điện chuyển mạch v hai bộ lọc thông thấp để chống trùng phổ v san phẳng tín hiệu ra Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển thuong@thuongvn.com -21- 2.2 Các thế Hệ phát triển của FPAA 2.2.1 FPAA thế hệ thứ nhất - AN10E40 2.2.1.1 Cấu trúc tổng thể của AN10E40 Các chip FPAA thế hệ... thờng đợc ứng dụng trong việc tạo các mạch có đặc tính gần lý tởng, các mạch đo lờng chính xác, các bộ dao động Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển thuong@thuongvn.com -16- 2.1.3.3 Mạch chỉnh lu tích cực Từ sơ đồ mạch khuếch đại hỗn hợp mô tả ở hình 2-1.5, ta thấy rằng để đổi dấu hm của bộ khuếch đại dùng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện ta chỉ cần thay đổi mức của tín hiệu Sign Điều ny thuận... thay đổi chỉ kéo di khoảng 125s Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển -25- thuong@thuongvn.com Các mạch điện tử đợc thiết kế theo công nghệ FPAA rất ổn định với những thay đổi của điện áp nguồn cung cấp v nhiệt độ của môi trờng lm việc Đặc tính của thiết bị đợc tạo ra không bị thay đổi do sự gi hoá của các linh kiện Sau khi đã thiết kế mạch, trong quá trình thực hiện sản phẩm ngời thiết kế... còn có các khối Sample and hold (S & H) thực hiện vai trò giữ mẫu 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 trong đó l tín hiệu liên tục theo thời gian (analog) l tín hiệu gián đo n theo thời gian (sampled data - lấy mẫu) Hình 2 Hong Tú Uyên 1.13 Dạng tín hiệu analog trong FPAA Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển -19- thuong@thuongvn.com Nếu nh tần số lấy mẫu so với tần số tín hiệu thì dạng tín hiệu lấy mẫu... các lối vo v ra analog của FPAA đều sử dụng tín hiệu vi sai Phần digital của FPAA gồm có một bảng tra LUT dạng bộ nhớ 256 Byte, một giao diện lập trình (Configuration Interface) qua đó có thể thay đổi cấu hình cho FPAA, v một thanh ghi xấp xỉ dần SAR (Successive Approximation Register) 8 bit có thể dùng cho các ứng dụng cần có biến đổi ADC Việc trao đổi thông tin cấu hình giữa FPAA v bên ngoi đợc thực... 2 1 2 1 2 Hình 2 1.12 Các trạng thái của phép chuyển mạch tụ điện Dạng tín hiệu trong các thiết bị sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tụ điện không phải l tín hiệu liên tục theo thời gian nh trong các mạch điện tử tơng tự thông thờng m l tín hiệu gián đo n, cũng còn đợc gọi l tín hiệu lấy mẫu (sampled signal) Trong mỗi chip FPAA, ngoi các tụ điện chuyển mạch thực hiện phép lấy mẫu tín hiệu còn có các khối... 2.1.2.3 Mạch tích phân Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển -12- thuong@thuongvn.com Nếu loại bỏ khoá 1 nối tụ điện xuống Gnd ra khỏi sơ đồ mạch khuếch đại ở hình 2-1.5 ta sẽ có sơ đồ mạch nh hình 2-1.7 Đây l một mạch tích phân điện áp Hình 2-1.7 Mạch tích phân Cũng nh trong các mạch khuếch đại v so sánh ở trên, trong sơ đồ ny tín hiệu Sign chỉ có tác dụng thay đổi hm truyền đạt Giả sử rằng... của các tụ điện ( CA ) Đây cũng l một lợi thế của công nghệ chế tạo vi mạch điện tử Với CF công nghệ vi điện tử việc chế tạo một phần tử mạch (điện trở, tụ điện) có độ chính xác cao l rất khó khăn, thông thờng trị số tuyệt đối của các phần tử có dung sai cỡ 10 ữ 20% Trong khi đó, việc tạo ra các cặp phần tử có tỷ số giữa các giá trị của chúng chính xác l điều rất dễ dng Kỹ thuật chế tạo vi mạch của Anadigmđ... nguồn ngoi Hong Tú Uyên Ngnh Đo lờng v các Hệ thống Điều khiển thuong@thuongvn.com -24- AN10E40 MODE [1] F[0]- BFRb F[3]- PWRUP EPROM nối tiếp CEb RST/OEb Data_Out CLK F[2]- MEMCEb DATA[0] DCLK RESETb RESETb CFG CLK CFG_CLK ERRb-F[2] END-F[4] POR MODE [2] Hình 2-2.3 Nạp cấu hình cho FPAA từ một bộ nhớ EPROM nối tiếp 2.2.1.3 Các u thế của AN10E40 trong thiết kế mạch Với sản phẩm FPAA v phần mềm thiết kế . thiệu về công nghệ RFID 33 3.2.1.1 FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID 36 3.2.2 Công nghệ FPAA trong kỹ thuật đo 42 3.2.3 Công nghệ FPAA trong các thiết bị điều khiển 49 Chơng 4 : ứng dụng công. 31 Chơng 3: các lĩnh vực ứng dụng của FPAA 32 3.1 Các khả năng ứng dụng của FPAA 32 3.2 Các ứng dụng điển hình sử dụng công nghệ FPAA 33 3.2.1 Công nghệ FPAA trong thiết bị đọc thẻ RFID. giáo dục v đo tạo Trờng đại học bách khoa H Nội Luận văn thạc sĩ khoa học Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FPAA trong đo Lờng Điều Khiển Ngnh : đo lờng v hệ thống điều khiển Mã