Tìm hiểu chung về vi điều khiển DsPic30F

Tìm hiểu chung về vi điều khiển DsPic30F

ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n Tóm t t B n khóa lu n t t nghi p g m có ba ph n riêng bi t trong dó ph n m t là lý thuy t b khuy ch d i lock-in ti p theo là t ng quan chung c u trúc vi di u khi n dsPic30F4011 và cu i cùng là ph n th c nghi m. Chuong 1 v lý thuy t b khuy ch d i lock-i n tru c tiên ta s t ìm hi u t i sao l i ph i d ùng b khuy ch d i lock- in trong do lu ng tín hi u nh và khái ni m b khuy ch lock- in, ti p theo là so d c u t o chung c a m t b khuy ch d i lock -in c di n. Cu i c ùng là ph n tìm hi u c u t o và nguyên t c ho t d ng c a b khuy ch d i lock-in s và tuong t . Trong chuong 2 v t ng quan c u trúc c a vi di u khi n dsPic30F4011 chúng ta s tìm hi u chung v h vi di u khi n DsPic30F ti p dó l à d c di m chung c a h vi di u khi n dsPic30F4011 . Cu i cùng ta s tìm hi u sâu hon v c u trúc c a vi di u khi n dsPic30F4011 . Ph n còn l i c a b n khóa lu n s là ph n th c nghi m, dây trình bày toàn b quá trình thi t k b khuy ch d i lock-in g m có ph n c ng, ph n m m và k t qu th c nghi m. Ph n c ng có các kh i riêng bi t, v i m i kh i có trình bày lý thuy t và co s thi t k . Còn ph n m m du c trình bày du i d ng so d kh i c a c u trúc chu ong tr ình v i các modul ri êng bi t. Sau khi thi t k du c b khuy ch d i lock-in s , ta s th nghi m m t h do cho c m bi n có nhân là b khuy ch d i lock- in v a ch t o . C th trong b n khóa lu n s th nghi m m t h do áp d ng cho c m bi n áp su t MPX2300D do công ty Motorola cung c p. ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n M C L C M Ð u . 1 Chuong 1. B Khu ch Ð i Lock In 2 1.1. T ng quan v b khuy ch d i lock in . 2 1.1.1. Gi i thi u 2 1.1.2. Khái ni m “lock in amplifier” 6 1.1.3. C u trúc chung c a b khuy ch d i lock in . 6 1.2. B khuy ch d i lock in t uong t (Analog Lock- In Amplifiers) 7 1.3. B khuy ch d i lock in s (Digital Lock- In Amplifiers) . 9 Chuong 2. Vi Ði u Khi n DsPic30F4011 . 11 2.1. Gi i thi u chung v h vi di u khi n Dspic 11 2.2. Ð c di m chung c a vi di u khi n dsPic30F4011 11 2.2.1. Kh i x lý trung tâm CPU . 11 2.2.2. B chuy n d i tuong t s ADC 12 2.2.3. Các c ng v ào ra I/O Port và các ngo i vi 12 2.2.4. B x lý tín hi u s 12 2.2.5. M t s d c di m khác . 13 2.3. C u trúc c a vi di u khi n dsPic30F4011 . 13 2.3.1. Kh i x lý trung tâm CPU . 13 2.3.2. Kh i t o d a ch AGU . 17 2.3.2.1. Ch d d a ch l nh 17 2.3.2.2. Ch d d o bit d a ch 19 2.3.3. T ch c b nh v à b nh ch uong tr ình 20 2.3.3.1. Không gian d a ch ch uong tr ình . 20 2.3.3.2. Truy xu t d li u t b nh ch uong tr ình s d ng các l nh b ng . 21 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 2.3.3.3. Truy xu t d li u t b nh ch uong tr ình s d ng không gian ch uong trình . 21 2.3.4. Các c ng v ào ra I/O Port 23 2.3.5. Ng t v à co ch ng t 25 2.3.6. Các b d nh th i . 27 2.3.7. B chuy n d i t uong t s ADC 30 2.3.7.1. B d m k t qu bi n d i A/D 30 2. 3.7.2. Các bu c th c hi n bi n d i A/D 30 Chuong 3. Th c Nghi m . 33 3.1. Ph n C ng . 33 3.1.1. Các kh i ngu n . 34 3.1.2. Kh i các b l c thông th p . 35 3.1.3. Kh i bi n d i DAC . 36 3.1.3.1. Ho t d ng c a DAC v à tính ch t c a nó . 36 3.1.3.2. Các tham s c a b chuy n d i DA 38 3.1.3.3. Các m ch DAC di n h ình 39 3.1.3.4. Ghép n i ADC v i vi di u khi n . 41 3.1.3.5. B bi n d i DAC s d ng trong khóa lu n . 41 3.1.4. Kh i khuy ch d i tín hi u v ào 43 3.1.4.1. Tìm hi u v m t s m ch khuy ch d i thu t toán v à tính ch t c a nó 43 3.1.4.2. B khuy ch d i s d ng trong khóa lu n (AD620) . 47 3.1.5. Kh i LCD . 48 3.1.6. Kh i x lý trung tâm 49 3.2. Ph n M m . 49 3.3. Các k t qu th c nghi m . 51 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 3.3.1. M ch khuy ch d i lock- in d ã ch t o v à tín hi u v ào ra lock in 51 3.3.2.Th nghi m b khuy ch d i lock-i n v i c m bi n áp su t MPX2300D . 55 3.3 .2.1. C m bi n áp su t MPX2300D . 55 3.3.2.2. K t qu thí nghi m . 56 K t Lu n . 59 Ph L c . 60 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n B ng các ký hi u, ch vi t t t VÐK : Vi di u khi n ADC : Chuy n d i t uong t s (Analog digital convert) DAC : Chuy n d i s t uong t (Digital analog convert) KÐTT : Khuy ch d i thu t toán AC : Dòng di n xoay chi u DC : Dòng di n m t chi u ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 1 M Ð u V i s phát tri n m nh hi n nay c a vi c ng d ng các c m bi n thì vi c thi t k nh ng h do và kh o sát c m bi n là r t c n thi t, nó là m t thi t b không th thi u cho b t k m t phòng thí nghi m nào. M t h do nh y v à có chính xác cao còn du c ng d ng trong y h c, dó chính là nh ng máy xét nghi m y sinh. Ngoài ra nó còn có ý ngh ia quan tr ng t i nhi u ng d ng c n d chính xác cao trong khoa h c k thu t (ví d nh u: do lu ng chính xác, robotic, ) Nhi u c m bi n du c thi t k có l i ra di n áp r t nh , chính vì v y vi c d phát hi n s sai l ch và do di n áp ra là r t khó khan. Do dó ý tu ng thi t k m t h do lu ng có d nh y cao cho nh ng c m bi n này là r t quan tr ng, v à m t trong nh ng ý tu ng dó là h do có s d ng b khuy ch d i lock-in. V i nhân là m t b khuy ch d i lock- in chúng ta s có du c m t h do sensor khá lý tu ng, nó có th cung c p nh ng phép do d phân gi i cao nh ng tín hi u m t cách t uong d i s ch v i d l n v à t n s ri êng bi t. Vi c thi t k m t h do mà có nhân là b khuy ch d i lock- in c di n cung khá ph c t p vì trong b khuy ch d i c n có các b tr n kênh và b l c có d chính xác cao. Ngoài ra trong b khuy ch d i lock-in tuong t th ì nh hu ng t vi c trôi nhi t và già hóa c a các linh ki n s gây ra s sai s l n cho h do. Nhung n u ta thi t k m t b khuy ch d i lock -in s th ì kh thi hon nhi u . V i công ngh s , m t vi di u khi n có th d m nhi m t t vai trò là b b l c và b tr n kênh có d chính xác cao. Vì du c s hóa nên s không có hi n tu ng trôi nhi t và già hóa linh ki n gây sai s nh hu ng t i h do.Chính vì v y m t b khuy ch d i lock- in s l à l a ch n thông minh nh t c a ngu i s d ng. Và T rong khóa lu n này em s tìm hi u thi t k m t b khuy ch d i lock- in s d a trên vi di u khi n D sPic . Và t dó hình thành nên m t h do don gi n v i nhân là b khuy ch d i lock-in s và s th nghi m h do v i c m bi n áp su t MPX2300D c a Motorola. ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 2 Chuong 1. B Khu ch Ð i Lock In 1. 1. T ng quan v b khuy ch d i lock in 1.1 .1 . Gi i thi u Trong r t nhi u ng d ng d do nh ng tín hi u AC r t b é có th bé t i v ài nanovolts n gu i ta không th s d ng phép do thông thu ng (s d ng các máy do v n nang ch ng h n) . Ðó chính là nguyên nhân ra d i c a b khuy ch d i lock in (lock - in amplifier) . V y t i sao ta l i không d dàng do du c nh ng tín hi u AC nh (vài nanovolts)? Ta xét các ví d sau.[8] Ví d 1: Cho m t tín hi u sóng sine 10nV t n s 10kHz. Rõ ràng là s khuy ch d i c n ph i cho ra tín hi u l n h on n. M t b khu ch d i t t (low- noise) s có m t d n l i vào k ho ng 5nV/sqrt(Hz). N u bang thông c a b khuy ch d i là 100kHz và h s khuy ch d i l à 1000 l n, chúng ta thu du c l i ra: Tín hi u l i ra: (10nV x 1000) = 10uV Tín hi u nhi u d i r ng: (5nV x KHz 100 x 1000)=1,6mV Nhu v y chúng ta không có nhi u co h i d do tín hi u này n u chúng ta không ch n ra t n s chúng ta mong mu n. (Xem minh h a tr ên Hình 1.1) Ví d 2: N u ta l p thêm m t b l c d i thông vào b khuy ch d i v i Q=100 (m t b l c c c k t t – Q dây du c xem l à h s ph m ch t c a b l c) tâm thông l à 10kHz, b t k tín hi u n ào trong vùng 100Hz (10kHz/Q) xung quanh tâm c ung s du c phát hi n. Nhi u trong tru ng h p này s là (5nV x Hz 100 x 1000) = 50uV, và tín hi u s v n l à 10uV. Nhi u l i ra v n l n hon nhi u l n tín hi u, và không th t o ra du c m t phép do chính xác. Nhu v y tang h s khu ch d i không th nào giúp tang t s tín hi u tr ên n (S/N). (Xem minh h a tr ên Hình 1.2) V y mu n do du c tín hi u, ta ph i thi t k m t b l c có h s Q l n, nhung vi c này là r t khó và không kh thi.Tuy nhiên m t b dò nh y pha (Phase Sensitive Detector) có th có Q l n c 10000. N ên n trong tín hi u d ã nêu 2 ví d tr ên ch c òn là 10u. ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 3 Hình 1.1. Nhi u và tín hi u[2] Hình 1.2. n b tri t ti êu sau khi qua b l c thông th p [2 ] K thu t d ò nh y pha (Phase- Sensitive Detection) : Có th nói “B dò nh y pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” là trái tim c a b khuy ch d i lock in, nó du c xem nhu là m t b ho àn di u hay b tr n. Máy dò tìm du c v n hành b i vi c nhân lên hai tín hi u cùng nhau. Phân tích sau dây ch ra t i sao nó cho ta nh ng tín hi u mong mu n. Hình 1.3 ch ra v trí d u b khuy ch d i lock in phát hi n ra m t du ng tín hi u không t p nhi u (noise-free) hình sin. Xác d nh trong so d nhu “Signal In”. Thi t b ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 4 du c nuôi v i ngu n tín hi u tham chi u (hay còn g i là tín hi u reference là d ng tín hi u h ình sin, du c c ài d t s n). Hình 1.3. Tín hi u, tín hi u tham chi u v à tích c a hai tín hi u[1 5] B dò nh y pha du c v n hành b i vi c nhân hai tín hi u này và k t q a là ta thu du c tín hi u Demodulator Output nhu trên hình. T dó ta th y không có s khác pha gi a tín hi u vào và tín hi u reference. Demodulator output gi d ng hình sin, nhung t n s th ì g p 2 l n t n s c a tín hi u refere nce , m c trung b ình là d uong. Hình 1.4 c ung nh u h ình 1.3 nh ung có s d ch pha 90 0 c a tín hi u reference. Bây gi Demodulator output v n là m t sóng sin có t n s b ng hai l n t n s tín hi u reference, nhung m c trung b ình thì b ng 0. Hình 1.4. Tín h i u, tín hi u tham chi u d ch 90 o và tích c a hai tín hi u[1 5] ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Sinh Viên : Lê Tr n Tri u Tu n 5 T dây ta có th nh ìn th y m c trung b ình là: - T l v i tích s c a t n s bi ên d c a tín hi u v ào và tín hi u reference. - Liên quan t i góc pha gi a tín hi u v ào và tín hi u reference. Nó s du c dánh giá n u biên d tín hi u reference du c gi t i m t giá tr c d nh và pha c a tín hi u reference du c di u ch nh d d m b o m t chuy n d ch pha tuong d i b ng zero. Sau dó có th do xác d nh du c m c trung b ình biên d tín hi u d u v ào. M c trung bình t t nhiên là thành ph n DC c a l i ra du c gi i bi n di u (d emodulator output). Ð l y du c thành phân m t chi u này r t don gi n, ta ch c n cho tín hi u qua b l c thông th p. Sau khi du c l c, tín hi u DC du c do b ng phuong pháp truy n th ng ( dùng vôn k ). trên ta xét d n tru ng h p tín hi u vào là m t tín hi u s ch không có n. Nh ung trong nh ng ng d ng th c t tín hi u vào luôn di kèm v i n nhi u. n nhi u này không có t n s c d nh ho c không có m i quan h pha c d nh. n n ày c ung d u c nhân lên v i tín hi u reference, nh ung không dua ra b t k m c thay d i DC n ào. Xét m t tín hi u vào có d ng hình sin, tín hi u này không có n: V in =Acos( t), dây =2pF, F là t n s tín hi u vào. Trong b khuy ch d i lock in du c cung c p m t tín hi u reference có cùng t n s v i tín hi u vào có d ng sau: V ref = Bcos( t + ), là d l ch pha gi a 2 tín hi u. N u ta nhân 2 tín hi u n ày v i nhau ta du c : V out = A cos ( t) . B cos ( t + ) = AB cos t (cos t cos - sin t sin ) = AB(cos2 t cos - cos t sin t sin ) = AB((½ + ½cos 2 t)cos - ½sin 2 t sin ) = ½AB(( 1+ cos 2 t)cos - sin 2 t sin ) = ½AB(cos + cos 2 t cos - sin 2 t sin ) = ½ABcos + ½AB(cos 2 t cos - sin 2 t sin ) = ½ABcos + ½ABcos(2 t + ) [...]... t Ði u này s du c nói ki hon ph n miêu t ADC Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 23 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Hình 2.7 Các c ng I/O c a dsPic30F4 011 Hình 2.8 So d kh i c a m t c ng I/O dùng chung v i ngo i vi khác Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 24 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p 2.3.5 Ng t và co ch ng t Vi di u khi n dsPic30F4 011 có t i 30 ngu n ng t và 4 b x lý lo i... Family) 2.2 Ð c di m chung c a vi di u khi n dsPic30F4 011 2.2.1 Kh i x lý trung tâm CPU - T p l nh co b n g m 84 l nh Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 11 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p - Ch d d nh d a ch linh ho t - Ð dài l nh 24-bit, d dài d li u 16-bit - B nh chuong trình Flash 24 Kbytes - B nh RAM d l n 1Kbytes - B nh EEPROM - M ng 16 thanh ghi làm vi c 16-bit - T c d làm vi c lên t i 40... i lock-in s dùng m t vi di u khi n DsPic v i nhãn hi u thuong m i là DsPic30F4 011 c a hãng Microchip Toàn b n i dung chuong 2 này du c l y t tài li u [6] 2.1 Gi i thi u chung v h vi di u khi n Dspic H vi di u khi n 16 bit dsPic do công ty công ngh Microchip Technology Inc s n xu t, du c phát tri n trên n n h vi di u khi n 8 bit Pic Vi di u khi n dsPic là m t chip x lý m nh v i b x lý 16 bit (có kh nang... lên t i 4 tri u t l nh c a không gian b nh chuong trình du c s d ng Thi t b dsPIC30F ch a 16 thanh ghi làm vi c 16-bit M i thanh ghi làm vi c có th có th làm vi c v i vai trò nhu d li u, d a ch ho c thanh ghi d a ch offset Thanh ghi th 16 (W15) ho t d ng nhu là con tr ngan x p m m cho ho t d ng ng t và g i ng t Các ch l nh c a dsPIC30F g m 2 l p: L p MCU và L p DSP c a l nh Hai l p này du c k t h p d... bit c a m t t l nh Kh i X AGU (kh i AGU c a b nh X) cung h tr vi c d o bit d a ch trên d a ch dích k t qu nh m don gi n hoá t i da d li u vào ho c ra d chúng thích h p cho thu t toán FFT co s 2 V i t t c các l nh, nhân c a dsPIC30F có kh nang th c hi n vi c d c b nh d li u ho c b nh chuong trình, d c thanh ghi làm vi c, ghi vào thanh ghi làm vi c và d c b nh chuong trình m i chu kì l nh Nhu v y, l nh... trong m t chu kì l nh Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 14 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Hình 2.1 So d kh i DsPic30F4 011 Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 15 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Hình 2.2 Các thanh ghi c a kh i x lý trung tâm Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 16 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Công c DSP du c tích h p vào vi x lý làm tang ý nghia c a... linh ki n Cu i cùng b vi x lý s tính toán d l n vector c a tín hi u ra và d l ch pha c a tín hi u l i vào so v i tín hi u reference qua công th c sau : Magnitude Phase Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n I 2 Q2 tan 1 (Q / I ) 10 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p Chuong 2 Vi Ði u Khi n DsPic30F4 011 Trong b n khóa lu n này b x lý s c a m ch khuy ch d i lock-in s dùng m t vi di u khi n DsPic v... v i các l nh khác Vi c này du c th c hi n rõ ràng và r t linh ho t b ng cách dành m t vài thanh ghi làm vi c cho m i không gian d a ch cho l p MAC c a l nh Nhân c a vi x lý không h tr du ng ng da t ng l nh, nhung m t l nh don t ng s s d ng ki thu t ti n n p, truy c p và gi i mã t ng ph n l nh nh m m c tiêu m t l nh ch th c hi n trong m t chu k 2.3.2 Kh i t o d a ch AGU Nhân c a vi x lý dsPIC ch a... ghi TxCON (tr vi c ghi vào bit TxCON) Reset thi t b , nhu POR và BOR Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 27 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p DsPic30F4 011 có 5 thanh ghi di u khi n Timer T1CON T5CON Các thanh ghi này du c chia ra làm 2 ki u T1CON thu c ki u A, T2CON và T4CON thu c ki u B, T3CON và T5CON thu c ki u C Hình 2.10 So d kh i c a Timer 1 Hình 2.11 So d kh i Timer 2 Sinh Vi n : Lê Tr... nh khác nhau Sinh Vi n : Lê Tr n Tri u Tu n 17 ÐH Công Ngh - ÐHQG Hà N i Khóa Lu n T t Nghi p B ng 2.1 Các ch d d nh d a ch co b n d oc h tr L nh thanh ghi t p T t c các l nh thanh ghi d u s d ng tru ng d a ch 13-bit d tr c ti p d nh d a ch d li u 8192 bytes d u c a b nh d li u (g n không gian d li u) T t c các l nh thanh ghi t p d u t n d ng thanh ghi làm vi c W0, thanh ghi làm vi c trong các l nh