Ứng dụng công nghệ FPAA và PSoC trong thiết kế thiết bị đo đa kênh

- Sử dụng vi xử lý PSoC cho phép thiết bị giao diện với thiết bị ngoại vimột cách đơn giản, do PSoC đã được tích hợp sẵn các khối chức năng bêntrong.. Mô hình thiết bị đo đa kênh 1.1.1

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay các thiết bị đo lường đã có những bước phát triến lớn nhờ việc

sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý tiên tiến Từ tình hình thực tế em đã chọn

đề tài “Ứng dụng công nghệ FPAA và PSoC trong thiết kế thiết bị đo đa

kênh”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Áp dụng công nghệ FPAA (Field Programmable Analog Array) để nâng cao chất lượng của thiết bị đo (tăng độ chính xác, chống nhiễu cao, độ

linh hoạt cao…) và giảm kích thước của thiết bị.

- Sử dụng vi xử lý PSoC cho phép thiết bị giao diện với thiết bị ngoại vimột cách đơn giản, do PSoC đã được tích hợp sẵn các khối chức năng bêntrong

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu thiết bị đo đa kênh

b) Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu một số loại cảm biến khí

- Nghiên cứu công nghệ FPAA và vi điều khiển PSOC

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập dữ liệu từ các cảm biến khí, thiết kế thiết bị đo đa kênh chocác cảm biến khí này

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học của đề tài

Thiết bị đa kênh có thể đo được nhiều loại khí một lúc, tổng hợp vàphân tích kết quả đo từ các sensor để đánh giá chất lượng môi trường làm việc

1

hay cung cấp những thông tin cần thiết về tình trạng hỏng hóc của thiết bị,thuận tiện để đo trong môi trường có nhiều khí sinh ra một lúc.

b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Thiết bị đo khí đa kênh có thể ứng dụng trong các trường hợp sau:+ Cảnh báo trước các nguy cơ cháy, nổ, hỏng hóc các thiết bị máymóc trong các nhà máy

+ Cảnh báo nồng độ các khí độc hại sinh ra trong môi trường làm

việc của nhiều ngành công nghiệp (khai thác khoáng sản, sản xuất hóa

chất )

+ Đo nồng độ các khí gây ô nhiễm môi trường

- Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn sinh viên chuyên ngành

MỤC LỤC

3

Danh sách các hình vẽ

Hình 1.1: Sơ đồ khối của thiết bị đo đa kênh 5

Hình 1.2 Chip FPAA AN231E04 8

Hình 1.3: IC dồn kênh HEF4051B 8

Hình 1.4: Vi xử lý trung tâm PSoC CY8C27643 9

Hình 1.5: Thẻ nhớ dung lượng cao MMC (256MB) 9

Hình 1.6: LCD Graphic (128 × 64 pixel) 10

Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với các thiết bị ngoại vi 12

Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với MMC, FPAA1 và FPAA2 13

Hình 2.3: Sơ đồ ghép nối của card MMC 15

Hình 2.4: Sơ đồ ghép nối của FPAA1 16

Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối giữa PSoC và FPAA 17

Hình 2.6: Sơ đồ ghép nối của GLCD 17

Hình 2.7 Sơ đồ khối phím ấn sử dụng ADC 18

Hình 2.8: Sơ đồ ghép nối 4 phím với ADC 20

Hình 2.9: Sơ đồ ghép nối của MAX – 232 21

Hình 2.10: Các module cấu hình trong PSoC 22

Hình 2.11: Cấu hình phần cứng bên trong PsoC 28

Hình 2.12: Tiến trình nạp cấu hình cho FPAA từ vi xử lý PSoC 29

Hình 2.13: Cấu hình xây dựng cho FPAA1 30

Hình 2.14: Cấu hình xây dựng cho FPAA2 31

Hình 2.15: Ví dụ về cách đặt các thông số cho bảng tra LUT 33

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo đa kênh 35

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH

1.1 Mô hình thiết bị đo đa kênh

1.1.1 Sơ đồ khối

Cảm

Phân kênh

Vi xử lý trung tâm PSoC

Bộ nhớ MMC điều khiển Phím

Màn hình LCD

PC

Hình 1.1: Sơ đồ khối của thiết bị đo đa kênh

Các sensor làm nhiệm vụ thu thập thông tin đo từ đối tượng, biến đạilượng cần đo thành đại lượng điện, tín hiệu sau cảm biến được đưa vào bộ

chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH), các bộ CĐCH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (thường là điện áp từ 0 đến 5 V, hoặc dòng từ 4-20mA), đưa vào bộ dồn

kênh MUX làm nhiệm vụ đưa tín hiệu lần lượt vào bộ vi xử lý trung tâm BộADC tích hợp sẵn trong vi xử lý trung tâm sẽ biến thành các tín hiệu số, kết quảđược đưa hiện thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hay ghi vào bộ nhớ ngoài

(MMC)

Trong mô hình trên thiết bị đo đa kênh có các khối cơ bản sau: khốichuẩn hóa tín hiệu, bộ nhớ dung lượng cao, màn hình hiển thị LCD, các phímchức năng, khối dồn kênh, khối vi xử lý trung tâm, và các sensor Sau đây làchức năng cơ bản của từng khối

5

1 Khối sensor

Tùy thuộc vào mục đích mà ta có thể sử dụng số các sensor khác nhaucho các kênh Sai số của các loại sensor phụ thuộc chủ yếu vào nguyên lý cấu

tạo của sensor, ngoài ra các yếu tố khách quan như nhiệt độ, độ ẩm của môi

trường, chế độ làm việc của sensor cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xáccủa thiết bị đo Vì vậy, để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo trước tiên phảinâng cao độ chính xác của các sensor, tức là chọn sensor của hãng có những ưuđiểm sau:





 Khả năng sử dụng lại tốt

 Mạch đo đơn giản

 Đặc tính đáp ứng ra ổn định với sự thay đổi của môi

trường (khả năng trôi)

 Kích thước nhỏ, gọn nhẹ, có thể gắn lên các thiết bị cầmtay

Thiết bị đo sử dụng nhiều sensor, mỗi sensor có một nguyên lý hoạtđộng riêng, các tín hiệu ra từ các sensor thường có dạng dòng, áp độ lớn rất nhỏ

(cỡ µA, mV), nên tín hiệu từ sensor cần phải qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa tín

hiệu (CĐCH) để chuẩn các tín hiệu thành một dạng thống nhất (thường là dạng

điện áp) và khuếch đại đạt độ lớn 0 ÷ 5 V trước khi đưa vào khối ADC.

Mỗi sensor có một sơ đồ mạch chuyển đổi chuẩn hóa riêng Khi thi côngmạch cứng, thường sử dụng các phần tử tương tự (R, C, L…) tạo ra các bảngmạch chuyển đổi chuẩn hóa Nhưng phương pháp truyền thống này gặp phảinhững vấn đề sau:

- Thông số của các phần tử tương tự (như điện trở R) thay đổi khi môi trường xung quanh thay đổi (như nhiệt độ) Nếu công nghệ chế tạo linh

kiện và mạch cứng không tốt sẽ gây ra sai số cho kết quả đo

- Bo mạch của các thiết bị phức tạp, khó khăn trong việc thay đổi và mởrộng

Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và tin

học đã có nhiều công nghệ mới ra đời Trong đó, FPAA (Field Programmable

Analog Array) là một công nghệ mới trong lĩnh vực điện tử tương tự, nó có khả

năng lập trình để tạo ra các mạch tương tự giống như lập trình cho chíp vi xử lý,công nghệ FPAA có những ưu điểm sau:

- Sử dụng kĩ thuật chuyển mạch tụ điện, các điện trở được thay thế bằngcác tụ điện, cho nên thông số của điện trở này ít phụ thuộc vào nhiệt độ dochỉ phụ thuộc vào điện dung của tụ điện và tần số chuyển mạch Ngoài ra,

kỹ thuật chuyển mạch tụ điện cũng góp phần làm giảm công suất tiêu tán

-ít làm cho vi mạch bị nóng lên khi hoạt động lâu dài

- Công nghệ FPAA không chỉ là một công nghệ mới trong lĩnh vực thiết

kế mạch điện tử tương tự, chip FPAA kết hợp với một hệ vi xử lý để thuthập và xử lí tín hiệu tương tự, tạo ra thiết bị đo lường vừa nhỏ gọn vừanhiều chức năng mà công việc thiết kế và chế tạo trở nên đơn giản hơnnhiều

Với những ưu điểm trên, chip FPAA hoàn toán thích hợp với vai trò thuthập và chuẩn hóa tín hiệu từ các cảm biến cho thiết bị đo đa kênh Giúp thiết bịthu thập giá trị đo chính xác hơn, và linh hoạt khi thay đổi cấu hình mạch cứng.Trong đồ án sử dụng hai chíp AN231E04 của hãng Anadigm

7

Hình 1.2 Chip FPAA AN231E04

Khối dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu lần lượt vào bộ vi

xử lý trung tâm Chíp HEF4051B – bộ dồn 8 kênh tương tự.

Hình 1.3: IC dồn kênh HEF4051B

Từ các chức năng của thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có các chuẩn

truyền thông cơ bản để ghép nối với các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC,

phím điều khiển…) IC PSoC (Programmable System on Chip) có khả năng tích

hợp các chức năng ghép nối cơ bản nên có tính mở, tính linh hoạt, khả năng kếtnối với các thiết bị ngoại vi

Sử dụng IC PSoC tạo ra được các thiết bị đo nhỏ gọn, đầy đủ các chứcnăng cần thiết, thuận tiện cho người sử dụng Do đó IC PSoC hoàn toàn thíchhợp làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị đo đa kênh Trong đồ án sử dụng PSoCCY8C27643 của hãng Cypress

Hình 1.4: Vi xử lý trung tâm PSoC CY8C27643

Ngoài việc truyền trực tiếp hiển thị trên LCD và lưu trữ trên PC, thiết bị

đo cần có một bộ nhớ ngoài có dung lượng đủ lớn để lưu trữ dữ liệu trong thờigian dài Các thiết bị đo lường và điều khiển tự động trước đây thường sử dụng

bộ nhớ ngoài thông dụng EEPROM (64 Kb) Nhưng đối với các thiết bị đo thời

gian thực và có nhu cầu lưu trữ số liệu trong thời gian dài thì dung lượng trênquá nhỏ Nên cần có giải pháp thay thế cho EEPROM, thẻ nhớ MMC

(MultiMediaCard) có dung lượng lớn

Các thẻ nhớ MMC có dung lượng từ 8 đến 4MB, lớn gấp nhiều lần

EEPROM Thẻ nhớ MMC (256MB), thỏa mãn được yêu cầu lưu trữ kết quả đo

trong thời gian dài

Hình 1.5: Thẻ nhớ dung lượng cao MMC (256MB)

Yêu cầu đối với thiết bị đo đa kênh là có màn hình LCD hiển thị được ít

nhất bốn dòng Màn hình GLCD (Graphic LCD) là màn hình hiển thị thông

dụng So với màn hình hiển thị dạng LED hay LCD theo chuẩn Hitachi (2x16)

nó có ưu điểm nổi bật đo là độ phân giải lớn (128 × 64 pixel) Thuận tiện cho

9

các ứng dụng cần hiển thị phức tạp (như đồ thị, bảng…) Giao tiếp với vi xử lý

PSoC theo chuẩn truyền data song song.

Hình 1.6: LCD Graphic (128 × 64 pixel).

Các phím chức năng có nhiệm vụ điều khiển hay đặt chế độ hoạt độngcho hệ thống, là thiết bị đầu vào cơ bản nhất của người sử dụng Trong đồ án lựa

chọn sử dụng phương pháp phát hiện phím bằng ADC (phương pháp này được

trình bầy chi tiết trong phần sau) Ưu điểm của phương pháp là đơn giản, dễ lập

trình, tạo được nhiều phim ấn với chỉ một chân vi xử lý Giải pháp này được lựachọn cho thiết bị đo là vì vi xử lý trung tâm PSoC của thiết bị đo đã tích hợp sẵnkhối ADC

Vi xử lý PSoC có thể ghép nối với máy tính PC thông qua chuẩn truyềnthông nối tiếp RS-232

Dạng dữ liệu tương thích với RS-232 là bộ truyền nhận không đồng bộUART đã được tích hợp trên vi xử lý PSoC Sử dùng bộ chuyển đổi đệm phổbiến MAX-232, biến đổi giữa mức tín hiệu RS-232 và TTL

Đây là một khối rất quan trọng, có nhiệm vụ cung cấp nguồn đảm bảohoạt động cho toàn bộ hệ thống Chuyển đổi điện áp lưới 220V thành nguồn ápmột chiều 3.3V

Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH 2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo đa kênh

Vi xử lý trung tâm PSoC

FPAA1 FPAA2

SPI

RS - 232 Data

Data (direct wire)

Hình 2.1: Vi xử lý trung tâm kết nối với các thiết bị ngoại vi

Trong mô hình trên khối xử lý trung tâm PSoC có sáu kết nối với cácngoại vi: FPAA, card nhớ MMC, màn hình LCD, các phím chức năng, giao tiếpvới máy tính, bộ dồn kênh Sau đây đi sâu phân tích và thiết kế từng kết nối cụthể

9.1.1 Kết nối PSoC với MMC, FPAA

Vi xử lý PSoC kết nối với thẻ nhớ MMC và hai chip FPAA theo chuẩn

truyền thông SPI (Serial Peripheral Interface)

MOSI MISO SCLK Ss1

Bảng 2.1: Các chân của card MMC

13

Chân số Tên Chân Type Mô tả chức năng

Định dạng cấu trúc cho card MMC

Để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, cần phải định dạng cấu trúccho card MMC Card MMC được chia làm nhiều sector, dung lượng của mỗi

sector có thể thay đổi được (ví dụ 512 Byte) Dữ liệu chuyển hoặc nhận từ MMC

sẽ được truyền theo gói, các gói có dung lượng không quá dung lượng của mỗisector

2 Giao tiếp giữa PSoC với MMC

Giao tiếp với vi xử lý theo chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ SPI Sửdụng bốn tín hiệu:

1 MOSI (Chân số 2): Tín hiệu dữ liệu ghi vào thẻ nhớ MMC

2 SCK (Chân số 5): Tín hiệu SCK phát ra từ vi xử lý vào MMC

3 MISO (Chân số 7): Tín hiệu dữ liệu xuất ra khỏi MMC

4 SS (chân số 1): Tín hiệu lựa chọn Slave, thường ở mức tích cực thấp

Dữ liệu có thẻ được truyền từ vi xử lý PSoC tới card MMC hoặc ngược

lại Dữ liệu truyền thông thường là 1 bit (DAT0) Đối với các loại thẻ nhớ MMChiện nay có thể truyền dữ liệu 4 bit (DAT0-DAT3) hoặc 8 bit (DAT-DAT7), sửdụng truyền 1 bit

3.3V

1 2 3 4 5 6 7

MMC

MISO

MOSI SCK SS_MMC

Hình 2.3: Sơ đồ ghép nối của card MMC

2.1.2 Khối chuẩn hóa tín hiệu FPAA

FPAA (Field Programmable Analog Array) là một công nghệ mới trong

lĩnh vực điện tử tương tự, nó có khả năng lập trình cho các mạch tương tự nhưlập trình cho các mạch số Thực chất FPAA được xem như là một chíp trắng,

người lập trình sẽ sử dụng các CAM (là tài nguyên sẵn có trên chip) để lập trình

cho các mạch tương tự mà muốn sử dụng Sau đó nạp chương trình này vào chípFPAA, sau khi nạp thì con chíp này sẽ hoạt động như một mạch tương tự

Đối với các ứng dụng cần thay đổi cấu hình động của thiết bị, sử dụng vi

xử lý PSoC để nạp cấu hình cho FPAA theo chuẩn SPI, sơ đồ ghép nối như sau:

15

PB0 (T0) 40

PB1 (T1) 41

PB2 (AIN0) 42

PB3 (AIN1) 43

PB4 (SS) 44

PB5 (MOSI) 1

PB6 (MISO) 2

PB7 (SCK) 3

RESET 4

PD0 (RXD) 9

PD1 (TXD) 10

PD2 (INT0) 11

PD3 (INT1) 12

PD4 (OC1B) 13

PD5 (OC1A) 14

PD6 (ICP) 15

PD7 (OC2) 16

XTAL2 7

XTAL1 8

GND 6

PC0 19PC1 20PC2 21PC3 22PC4 23PC5 24PC6 (TOSC1) 25PC7 (TOSC2) 26

AREF 29AVCC 27AGND 28

PA7 (ADC7) 30PA6 (ADC6) 31PA5 (ADC5) 32PA4 (ADC4) 33PA3 (ADC3) 34PA2 (ADC2) 35PA1 (ADC1) 36PA0 (ADC0) 37

VCC 5VCC 17

GND 18

VCC 38

GND 39

AN231-E04_1

3.3V

3.3V

SCK ACLK R

C W

3.3V

D+

D-R555 10K

3.3V

R899 10K SS_FPAA

R622 10K 3.3V

REFPAA1

CH4+

Màn hình LCD Graphic là thiết bị hiển thị đầu ra cơ bản nhất của thiết

bị đo Màn hình LCD Graphic có ưu điểm nổi bật là độ phân giải lớn hơn

(64*128 pixel), thuận tiện cho các ứng dụng cần hiển thị phức tạp (như đồ thị,

bảng), giao tiếp với vi xử lý theo chuẩn song song

LCD_Graphic

A0_LCD WR_LCD D1_LCD D3_LCD D5_LCD D7_LCD

RD_LCD D0_LCD D2_LCD D4_LCD D6_LCD CS_LCD RES_LCD

VCC

10 R1

Nguyên lý của phương pháp xác định phím ấn bằng ADC

17

Dùng các điện trở Ri để phân áp vào ta có điện áp vào khối ADC sẽ phụ

thuộc vào phím được bấm Trong trường hợp này thiết kế 4 phím, số lượng phím

không nhiều nên chỉ cần chọn ADC 6 bit (Module SAR6)

PSoC

ADC

Các Phím điều khiển

Hình 2.7 Sơ đồ khối phím ấn sử dụng ADC

Mỗi một phím khi ấn sẽ sinh cung cấp cho ACD một điện áp và qua bộbiến đổi ACD sẽ thu được một giá trị số tương ứng Tức là khi xác định đượcgiá trị ra của ADC, thì sẽ biết được phím nào bị ấn Nhưng khi một phím bị ấn

điện áp vào của ADC không hoàn toàn cố định (dao động trong một khoảng nhỏ

xung quanh điện áp tính toán) nên gây khó khăn cho việc xác định chính xác

Thiết kế bốn phím theo phương pháp biến đổi ADC

Điện áp đầu vào là 3,3V, cần tính các điện trở (R0, R1, R2, R3) để tạogiá trị đầu vào cho ADC Không có phím nào ấn thì đầu vào của ADC là 3,3V,

khi phím S0 được ấn thì đầu vào chuẩn là 0,2V, khi phím S1 được ấn thì đầu vàochuẩn là 0,8,

Tuy nhiên để đề phòng trường hợp các giá trị các phần tử có thể sai lệch,không đặt yêu cầu giá trị đầu vào ADC chính xác mà có thể dao động trong mộtkhoảng tương đối rộng

Ví dụ như khi đầu vào biến thiên từ 0 đến 0,41V coi như là phím S0 đượcbấm thay vì cho việc phải có đầu vào chính xác là 0,2V Khi đó, nếu giải mã đầu

ra ADC nằm trong khoảng [E0, E8] thì mã sẽ là phím S0 Việc chọn dải biếnthiên rộng cho phép chúng ta có thể dễ dàng hơn trong việc lựa chọn các điệntrở

Bảng 2.2: Dải đầu vào và ra tương ứng cho các phím

R tương ứng

F3 F2 F1F4

2.2K

R14.7K

R210K

3.3V

INPUTKEY

Hình 2.8: Sơ đồ ghép nối 4 phím với ADC

2.1.5 Ghép nối với máy tính

Vi xử lý PSoC ghép nối với máy tính PC, thông qua chuẩn truyền thôngnối tiếp RS232 Dạng dữ liệu tương thích với RS232 là bộ truyền nhận không

đồng bộ UART - được xây dựng bởi 2 modules TX (truyền) và RX (nhận),

được tích hợp sẵn trong chíp PSoC

Vi xử lý PSoC được nuôi bằng nguồn 3,3V, nên có mức tín hiệu tươngthích chuẩn TTL, trong khi tín hiệu trên đường truyền RS-232 có biên độ trongkhoảng -15V đến +15V nên không được phép ghép nối trực tiếp vi xử lý PSoCvới cổng nối tiếp RS-232 Do đó cần sử dụng chíp MAX – 232 làm bộ đệm đểchuyển đổi mức tín hiệu giữa PSoC và PC