Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghệ thông tin đ• tạo lên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đ• không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của mình mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đ• mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hoá công việc.Với sự tiến bộ này đ• đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển hơn nữa của những ứng dụng trong việc nghiên cứu, phát triển của khoa học kỹ thuật của các nhà khoa học nói riêng Đối với những học viên công nghệ phần cứng chúng ta thì việc nghiên cứu, tìm hiểu và thực nghiệm khảo sát các đặc tính của bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) và ngược lại (DAC) có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng. Nó không những trang bị cho chúng ta những kiến thức sâu rộng, hiện đại mà còn tạo cho chúng ta những kỹ năng làm việc cũng như những kinh nghiệm quý giá trong lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay khi tốt nghiệp ra trưòng

Lời nói đầu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật Đặc biệt, lĩnh vực công nghệ thông tin tạo lên động lực thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ đáp ứng đợc nhu cầu ngời sống Con ngời với trợ giúp máy móc, công cụ thông minh trực tiếp làm việc, hay công việc mà ngời làm đợc với khả mà việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động mang lại lợi ích to lớn, giảm nhẹ tối u hoá công việc.Với tiến đáp ứng đợc nhu cầu ngời sống đại nói chung phát triển ứng dụng việc nghiên cứu, phát triển khoa học kỹ thuật nhà khoa học nói riêng Đối với học viên công nghệ phần cứng việc nghiên cứu, tìm hiểu thực nghiệm khảo sát đặc tính chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) ngợc lại (DAC) có ý nghĩa thực tế quan trọng Nó trang bị cho kiến thức sâu rộng, đại mà tạo cho kỹ làm việc nh kinh nghiệm quý giá lĩnh vực công nghệ thông tin để theo kịp với phát triển khoa học kỹ thuật ngày tốt nghiệp tròng Trong suốt thời gian qua, với kiến thức đợc học trờng với giúp đỡ th.s.Hà Mạnh Đào thầy cô trung tâm, chúng em sâu việc nghiên cứu, tìm hiểu thực nghiệm khảo sát đặc tính chuyển đổi tín hiệu tơng tự thành tín hiệu số (ADC) ngợc lại (DAC) Tuy đề tài nhng hiểu đợc ứng dụng có ý nghĩa thiết thực Nó sở để thiết kế hệ thống tự động hoá đơn giản, nh hệ thống phức tạp đợc ứng dụng rộng rãi khoa học đời sống Phần mở đầu Cùng với tiến khoa học công nghệ, thiết bị điện tử tiếp tục đợc ứng dụng ngày rộng rãi mang lại hiệu qủa cao hầu hết lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật nh đời sống xã hội.Tiếp nhận thành tựu khoa học- kỹ thuật đó, ngày việc gia công, truyền đạt xử lý tín hiệu thiết bị điện tử từ đơn giản đến đại dựa sở nguyên lý số , thiết bị làm việc sở nguyên lý số có u điểm hẳn cá thiết bị làm việc sở nguyên lý tơng tự, đặc biệt kỹ thuật tính toán, kỹ thuật đo lờng điều khiển đặc biệt với giúp đỡ máy tính đợc ứng dụng rộng rãi ngày nay.Với đời hệ thống số cải thiện , tối u nhợc điểm mà kỹ thuật tơng tự không đáp ứng đợc chẳng hạn nh sai số, tốc độ, tần số làm việc, tổn hao v.v Tuy nhiên, tín hiệu tự nhiên bao gồm đại lợng vật lý, hoá học, sinh học đại lợng biến thiên theo thời gian hay nói cách khác đại lợng tơng tự, để phối ghép với nguồn tín hiệu tơng tự với nguồn xử lý số, nghĩa để xử lý tín hiệu thông qua hệ thống số ta phải có mạch chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số ADC (The Analog to Digital Convertor), tín hiệu sau đợc chuyển đổi đợc xử lý qua hệ thống xử lý tín hiệu số đợc trả lại dạng tín hiệu ban đầu, tín hiệu tơng tự thông qua mạch chuyển đổi tín hiệu số-tơng tự DAC (The Digital to Analog Convertor ) Ngày nay, với bùng nổ công nghệ thông tin, máy tính đóng vai trò to lớn thâm nhập ngày sâu vào đời sống kinh tế, xã hội đặc biệt góp phần vào việc nghin cứu phát triển ngành khoa học mới, đơn cử nh hệ thống tự động hoá đo lờng điều khiển máy tính mà ta đè cập dới Để mở rộng tầm ứng dụng, nh khả can thiệp sâu kỹ thuật máy tính vào lĩnh vực khác Chúng ta phải có mối quan hệ chặt chẽ chúng, nghĩa khả kết nối máy tính nh việc kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi, tuỳ theo yêu cầu nhiẹm vụ cụ thể nh vật t thiết bị có tay mà việc thiết kế hệ thống ghép nối máy tính khác với nhiều mục đích khác Đặc biệt đợc ứng dụng rộng rãi đo lờng điều khiển tự động Tuy nhiên, để có đợc điều cần phải có phối ghép hai nguồn tín hiệu nguồn tín hiệu tơng tự nguồn tín hiệu số Việc quan trọng thiếu đợc hệ thống xử lý số, việc nghiên cứu tìm hiểu cho ta biết đợc khả làm việc, đọ xác hệ thống nh độ tin cậy hệ thống Phần Tổng quan kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu ứng dụng đo lờng điều khiển máy tính Chơng Chuyển đổi tơng tự số ADC (The Analog to Digital Convertor) Nguyên lý chuyển đổi tơng tự số (ADC basic principles) Tín hiệu tơng tự tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá rời rac theo thơi gian Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín hiệu số đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tục Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự khoảng thời gian nh sau chuyển đổi giá trị mẫu thành số Nh vậy, nguyên lý chung chuyển đổi là: - lấy mẫu - nhớ mẫu - lợng tử hoá - mã hoá 1.1 Lấy mẫu tín hiệu (Singnal sample) Việc lấy mâũ tín hiệu tơng tự khoảng thời gian cho tín hiệu số đợc mã hoá khôi phục lại tín hiệu cũ cách trung thực, ảnh hởng nhiễu sai số trình lấy mẫu Theo định lý lấy mẫu Kacchenikop hay định lý lấy mẫu Sharnon để khôi phục lại tín hiệu cũ có độ trung thực tối thiểu tần số tín hiệu lấy mẫu phải có độ lớn tối thiểu hai lần tần số lớn phổ tín hiệu tơng tự: Fs 2.Fmax (1) Với: Fmax Fs Nếu: tần số max dải phổ tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi tần số lấy mẫu Fs = 2.Fmax ta gọi tần số lấy mẫu tàn số Nyguist Chu kỳ Nyguist: 1 (2) TNyguist = = F 2.Fa U,i U,i t t Hình Tín hiệu tơng tự tín hiệu sau lợng tử rời rạc hoá Nh vậy, tín hiệu tơng tự có hàm tin x(t) xác định khoảng ( to , to + T ) hoàn toàn khôi phục từ mẫu rời rạc x(k t ) theo công thức: n sin (t kt ) X (t) = x(k t ) (t kt ) (3) c Với c : tần số cao phổ x(t) t : bớc rời rạc hoá hay tần số lấy mẫu: t = = f (4) c c (tần số lấy mẫu lớn gấp hai lần tần số cao x(t) ) Nh số mẫu cần lấy là: = (5) t Gỉa sử coi nh bề rộng phổ âm chất lợng cao có tần số : F = 20 KH Z Nh vậy, tần số lấy mẫu tín hiệu theo định lý : 1 sny = = = 2.5.105 = 2.5às Fa 2.20000 Lợng tử hoá mã hoá tín hiệu (signal Coding and Quantization) Sau tính toán xác định tần số lấy mẫu tín hiệu bằngđịnh lý lấy mẫu ta đợc dãy giá trị rời rạc.Thực việc lợng tử hoá biên độ tín hiệu tơng tự, biến dãy giá trị rời rạc thành dãy giá trị nguyên x(k) cách đơn giản quy trò giá trị Tuy nhiên, phải xác định đợc mức quy tròn x (giá trị gọi mức lợng tử hoá), điều gây sai số lợng tử hoá , tất nhiên ta hạn chế sai số cách tối thiểu tăng tần số lấy mẫu Số mẫu lớn sai số nhỏ, điều thể qua số bit đầu củ chuyển đổi, ngời ta dựa vào tham số để đánh giá chất lọng chuyển đổi nh độ trung thực tín hiệu khôi phục Công thức lợng tử hoá: x(k ) = .{ x(k.t ) + 0.5 } (5) Với: E phần nguyên VD: Ta có giá trị rời rạc sau lấy mẫu tín hiệu nh sau: Giá trị rời rạc sau lấy mẫu X(k t) Giá trị sau quy tròn 11.7 10.3 13.8 18.2 22.6 24.9 14.1 12 10 14 18 23 25 14 Bảng Gía trị rời rạc sau lấy mẫu sau quy tròn Sau thực xong việc lợng tử hoá từ tín hiệu rời rạc, ta thực việc mã hoá tín hiệu số Trớc hết, để tiến hành mã hoá tín hiệu theo mã nhị phân cần phải xem tín hiệu cần số từ mã tối thiểu bao nhiêu, để có dợc điều phải dựa vào giá trị lớn mẫu Với số thập phân, sử dụng số hập phân để viết số thập phân phải thoả mãn điều kiện: 103 < số thập phân < 104 Tơng tự với số nhị phân: 2n1 < max | x(k ) |< 2n (6) Nh vậy, số bit cần thiết để thoã mã hoá n bit Chẳng hạn: 2n < max | x(k ) |= 25 < 25 Số bit từ mã bit Vậy ta có công thức để xác định số bit là: (n 1)log 2 < log max | x(k) | < n.log 2 suy ra: n = E.(log2max | x(k) | +1) (7) Ngoài ra, số biểu diễn số đại số có số âmvà số dơng từ mã có thêm bit bit dấu để phân biệt số âm số dơng Trên sở ta thực mã hoá giá trị : x(0 t) = (12) 10 = 01100 x(1 t) = (10) 10 = 01010 x(2 t) = (14) 10 = 01110 x(3 t) = (18) 10 = 10010 x(4 t) = (23) 10 = 10111 x(5 t) = (25) 10 = 11001 x(6 t) = (14) 10 = 01110 Để đánh giá chất lợng chuyển đổi nghĩa độ trung thực tín hiệu khôi phục ngời ta xác định sai số lợng tử cực đại: - Sai số lợng tử cực đại: x / - Sai sốlợng tử nhỏthì độ trung thực tín hiệu sau khôi phục cao Nh vậy, sau tín hiệu tơng tự đợc lấy mẫu (rời rạc hoá thời gian) mã hoá (lợng tử hoá biên độ) chuyển thành tín hiệu số giá trị rời rạc Cách biểu diễn theo hệ thập phân thờng dùng để thị số đo, trờng hợp mạch biến đổi AD thiết bị số thờng dùng hệ số (mã nhị phân) để biểu diễn tín hiệu số Gỉa sử gọi tín hiệu tơng tự S A (U A ) , tín hiệu số S D (U D ) , S D đợc biểu diễn dới dạng mã nhị phân nh sau: n1 n2 S D = bn + bn 2 + + b (8) Trong đó, hệ số bk =0 (với k=0 đến k=n-1) đợc gọi bit (binary digit) Trong đó, bit có trọng lợng lớn bên trái bit có trọng lợng nhỏ bên phải.ở b0 bit có trọng lợng nhỏ Nh vậy, với mạch biến đổi có N bit nghĩa có N số hạng dãy mã nhị phân nấc hình chiếm giá trị: x = U LSB = U Am N (9) Trong đó: - U Am giá trị cực đại cho phép diện áp tơng tự đầu vào ADC - x mức điện tử 2.các tham số đặc trng cho chuyển đổi tơng tự số + Dải biến đổi điện áp tơng tựu đầu vào: Là khoảng điện áp mà chuyển đổi AD thực chuyển đổi đợc Khoảng điện áp lấy giá trị số từ đến số dơng âm Số số hạng mã số đầu (số bit mã nhị phân) tơng ứng với dải biến đổi điện áp vào cho biết mức xác phép chuyển đổi Ví dụ: Một ADC có số bit đầu N=12, nghĩa từ mã có 12 số nhị phân ADC phân biệt đuợc 212 =4096 mức điện áp dải biến đổi điện áp vào Độ phân biệt ADC đợc ký hiệu Q (đợc xác định theo công thức (4) trên) Nh vạy, ta ngầm hiểu số bit N để đặc trng cho độ xác Tuy nhiên, số bit đặc trng cho độ xác chuyển đổi thực tế liên quan đến độ xác ADC có tham số khác nh: Sai số lệch 0, sai số đơn điệu, sai số khuyếch đại Lý tưởng Thực 111 110 101 100 011 010 001 000 Méo phi tuyến Sai số khuếch đại Sai số đơn điệu Sai số lệch không Hình đặc tyuến lý tởng thực chuyển đổi ADC Nh vậy, so sánh hai đờng đặt tuyến truyền đạt lý tởng ADC đờng bậc thang có độ dốc trung bình Đờng đặc tuyến thực có sai số lệch không hình bậc thang không ảnh hởng sai số khuyếch đại, méo phi tuyến sai số đơn điệu Trong đó, sai số khuyếch đại sai số độ dốc trung bình đờng đặc tuyến thực với độ dốc trung bình đờng đặc tuyến lý tởng Sai số phi tuyến đợc đặc trng thay đổi đọ dốc đờng trung bình đạc tuyến thực dải biến đổi điện áp vào Sai số làm cho đặc tuyếnchuyển đổi có dạng hình bậc thang không Cuối cùng, sai số đơn điệu thực chất tính phi tuyến đờng đặc tính biến đổi gây 3.Cấu tạo, sơ đồ khối nguyên tắc làm việc ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition) UA Mạch lấy Mẫu ADC UMA U Lượng tử hoá Mã hoá UD hình 3.sơ đồ khối minh hoạ nguyên tắc làm việc ADC Nh vậy, chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch lợng tử hoá tín hiệu mạch mã hoá tín hiệu 3.2 Nguyên tắc làm việc ADC (ADC Working Principle) Trớc hết, mạch láy mẫu tín hiệu tơng tự thời điểm khác cách (rời rạc hoá tín hiệu mặt thòi gian), giữ cho biên độ điện áp thời điểm lấy mẫu không đổi trình chuyển đổi Tín hiệu mạch lấy mẫu đợc đa tới mạch lợng tử hoá để thực x làm tròn với biên độ xác: Sau mạch lợng tử hoá mạch mã hoá Trong mạch mã hoá, kết lợng tử hoá đợc xếp lại theo quy luật định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩutên đầu chuyển đổi phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC , nhiên chủ yếu phân loại theo trình chuyển đổi mặt thời gian theo cách phân loại có phơng pháp biến đổi AD nh sau: a.Phơng pháp chuyển đổi song song: Trong phơng pháp nàytín hiệu đợc so sánh lúc với nnhiều giá trị chuẩn Do tất bit đợc xác định đồng thời đa đến đầu b.Biến đổi theo mã đếm: đây, trình so sánh đợc thực lần lợt bớc theo quy luật mã đếm Kết chuyển đổi đợc xác định cách đếm số lợng giá trị chuẩn chứa đợc giá trị tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi c Biến đỏi nối mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực lần lợt bớc theo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy giá trị giảm dần, bit đợc xác định lần lợt bit có nghĩa lớn đến bit nhỏ d Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng pháp bớc so sánhcó thể đợc xác định đợc tối thiểu bit đồng thời Nh vậy, có nhiều phơng pháp chuyển đổi, nhiên mạch thc tế làm việc theo nhiều phơng pháp khác Nhng nguyên tắc chuyển đổi làm theo phơng pháp Trong trình thiết kế hệ thống đo lờng điều khiển máy tính, hay hệ thống đo lờng số tuỳ vào yêu cầucủa hệ thống nh tốc độ,độ xác vật t có mà lựa chọn phơng pháp chuyển đổi khác Mỗi phơng pháp có u nhợc điểm khác nhau, việc nghin cứu nguyên lý hoạt động , tính kỹ thuạt phơng pháp nh mạch cụ thể nhiệm vụ ngời thiết kế Sau ta tìm hiểu phơng pháp chuyển đổi: 4.1 Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp tích phân sờn dốc (the Ramp type ADC) 4.1.1 Sơ đồ khối : U0 + Ux Bộ tạo cửa thời gian Bộ so sánh Bộ đếm xung Bộ tạo U tuyến tính U0 Bộ điều khiển 2n Bộ tạo xung đệm Bộ so sánh Hình Sơ đồ khối phơng pháp tích phân sờn dốc 21 20 u U0 + Ux U0 t USS1 t USS2 Uxung t T cửa Uxung t chuẩn Uxung t điểm t Hình : Giản đồ thời gian 10 Bảng 3.sự xếp chân loại ổ cắm Tên tín hiệu Chân số Chân số (ô cắm (ô cắm 25 36 chân) chân) strobe 1 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 Achowledge 10 10 Busy (báo bận) 11 11 Paperempty 12 12 (hết giấy) Select (lựa 13 13 chọn) Auto linfeed (tự 14 14 động nạp dòng) Error (mắc lỗi) 15 32 Reset (thiết lập 16 31 lại) Select Input 17 36 (lựa chọn lối vào) Ground (nối đất 18-25 19-30,33 tín hiệu) Chassis-Ground 17 (nối đất vỏ máy) +5 V 18 Không sử dụng 34,35 Truy cập Hớng liệu ĐCCS (Bit0) ĐCCS (Bit1) ĐCCS+1(Bit6) ĐCCS+1(Bit7) ĐCCS+1(Bit5) Lối Lối Lối Lối Lối Lối Lối Lối Lối Lối vào Lối vào đảo Lối vào ĐCCS+1(Bit4) Lối vào ĐCCS+2(Bit1) Lối vào/ra đảo ĐCCS+1(Bit3) ĐCCS+1(Bit2) Lối vào Lối vào/ra ĐCCS+2(Bit3) Lối vào/ra đảo ĐCCS (Bit7) Chức chân đợc mô tả sau dây: 23 Strobe: với chức logic thấp (Low) chân này, máy tính thông báo cho máy in biết có byte sẵn sàng đờng dẫn tín hiệu để đợc truyền D0-D7: đờng dẫn liệu Achowledge: Với mức logic thấp (Low) chân này, máy in thông báo cho máy tính biết nhận đợc ký tự vừa gửi tiếp tục nhận Busy: máy in gửi mức logic cao (High) đón nhận in liệu để thông báo đệm máy in bị đầy (Máy in trạng thái bận) mý in đặt trạng thái Off-Line Paper Empty: Chân mức cao (High) có nghĩa máy in thông báo giấy đợc dùng hết Select: chân mức cao (High) có nghĩa máy in trạng thái kích hoạt (On-line) Auto Linefeed: mộtmức thấp (Low) chân này, máy in thông báo cho máy tính biết có lỗi, chẳng hạn bị kẹ giấy máy in trạng thái Off-Line Reset: mức thấp (Low) chân này, máy in đợc đặt trở lại trạng thái đợc xác định lúc ban đầu Select Input: bằn mộ mức thấp (Low) chân này, máy in đợc lựa chon máy tính Nh vậy, thông qua chức chân ta thấy đợc nguyêntắc điều khiển máy in Ngoài với đờng dẫn liệu song song để truyền liệu từ máy tính sang máy in Trong trờng hợp chuyển sang ứng dụng đo lờng điều khiển ta phải chuyển liệu từ máy tính trở lại máy in để thu thập xử lý, ta phải tận dụng năm đờng dẫn theo hớg ngợc lại đẻ máy tính thu thập xử lý Tuy nhiên , tiến hành ghép nối với cổng song song cần thận trọng Khác với cổng nối tiếp , ta có thẻ làm hỏng cổng song song nhầm lẫ lối cổng song song đờng dẫn tơng thích TTL không đợc bảo vệ chống qua tải lẽ tiến hànhghép nối với cổng song song cần phải tuân thủ theo quy tắc sau: + Thiết bị đựoc ghép nối với cổng song song máy tính trạng thái ngắt diện + lối vào đợc phép tiếp nhận điện áp 0v-5v + lối không đợc phép ngắn mạch đấu nối với lối khác lối không đợc phép nối với nguồn tín hiệu điện áp mà rõ thông số Để ghép nối máy tính với thiết bị ngoại vi, mạch điện ứng dụng đo lờng điều khiển với cổng song song ta phải tìm hiểu cách trao đổi cách trao đổi với ghi thông qua xếp địa ghi 24 Các đòng dẫn cổng song song đợc nối với ghi bit khác nhau: + Thanh ghi liệu: có địa sở 0x387 cổng LPT1 0x278 cổng LPT2 +Thang ghi điều khiển: có địa sở +1 + Thanh ghi trạng thái: có địa sở +2 Nh vậy, có đờng dẫn liệu dẫn tới ghi liệu, đờng dẫn điều khiển (Strobe, auto Linefeed, Reset, Select Input) dẫn đến ghi điều khiển, cuối đờng dẫn trạng thái (Acknowledge, Busy, Paper Emty, Select, Error) dẫn đến ghi trạng thái Trong đờng dẫn phụ trợ dùng cho máy in có lối vào ghi trạng thái (Error, Select, Paper Empty, Ackowledge, Busy), từ lối vào có trạng thái đợc đọc lấy đảo (Busy) Các đờng dẫn tơng thích TTL, nghĩa cac slối vào hở mạch đợc xem đặt lên mức High, chuyển mạch đợc thực hiệnmột cách đơn giản nối với mass Còn địa cổng (ĐCCS+2) cho phép truy cập lên ghi điều khiển với đờng phụ trợ (Strobe, Auto linefeed, Rết, Select Input) qua thông tin điều khiển đợc xuất từ máy tính sang máy in nhng đồng thời đờng dẫn đợc sử dụng để đọc Dữ liệu đợc xuất qua lối cực góp hở Các điện trở có trị giá khoảng 3.3K nối lối lên nguồn +5v Khi xuất trạng thái High, đờng dẫn có điện trở tơng đối cao chuyển sang trạng thái Low mạch điện bên Mỗi trạng thái điều đợc đọc trở lại qua lối vào TTL, đờng dẫn sử dụng theo hai hớng liệu Khi ta cần phải ý số đờng dẫn (Strobe, Auto Linefeed, Select Input ) đựoc lấy đảo có đờng dẫn lại (Reset) đợc giữ nguuyên 3.Ghép nối máy tính qua cổng song song Giao diện song song có khả xuất bit liệu lúc, thông thờng qua giao diện máy in điều khiển, chẳng hạn mạch logic đệm công suất (chịu dòng lớn) Trái ngợc với việc xuất nối tiếp, việc xuất cổng song song với lệnh cổng đơn giản nhng cực nhanh, đăc tính mà đợc ứng dụng để tạo tín hiệu Analog tần số thấp nhng với chất lợng cực cao Bên cạnh đợc sử dụng để điều khiển máy móc đơn giản Để ghép nối máy tính qua cổng song song, phải biết xác địa tổng đài, ta phải quan tâm đến cổng loại hớng hay hai hớng Sở dĩ ta quan tâm đến điều máy tính đời cổng song song có khác so với cổng song song tiêu chuẩn Cụ thể ghi liệu ghi điều khiển (trong điêu kiện định) hớng, nghĩa liệu trao đổi( đọc ghi) theo chiều Chính điều gây không hấp dẫn ứng dụng đo lờng, điều khiển Trớc hết để kể đến hạn chế đáng kể sử dụng cổng song 25 song vào mục đích đo lờng ta phải đọc gái trị số đợc biến đổi từ giá trị ânlog Tuy nhiên, ta giải đợc vài thủ thuật phần cứng phần mềm, cho dù có hạn chế Hình 18 Giao diện song song dùng cho qua trình điều khiển Hình 19 Giao diện song song dùng cho qua trình điều chỉnh Do máy tính đời có cổng song song cho phép trao đổi liệu theo kiểu hai hớng, có nghĩa có hai ghi hớng hai hớng nên tận dụng máy tính cho ứng dụng đo lờng điều khiển Tuy vậy, trớc tiến hành ghép nối ta phải kiểm tra xem cổng song song có hỗ trợ trao đổi liệu hai hớng hay không Công việc chủ yếu xem tài liệu nói phần cứng Sau ta lần lợt tìm hiểu giao diện song song hớng hai hớng 26 3.1 Giao diện song song hớng Để xét xem giao diện song song hớng co khả ứng dụng đo lờng điều khiển: Hình20.Mô tảgiao diện song song hớng cho trình điềukhiển Trong cách lắp đặt nh hình dùng đến 12 đờng dẫn lối đờng dẫn lối vào Vì mà hình thành qua trình điều khiển theo kiểu tỷ lệ qua biến đổi số/tơng tự bit hoăch 12 bit với đờng dẫn thông báo trở lại Ngoài sử dụng đờng dẫn lối đờng dẫn lấy từ ghi điều khiển Đay thực chát thủ thuật mang tính kỹ thuật mà ta nói trên- chuyển đổi AD theo phơng pháp xấp xỉ liên tiếp nhờ chuyển đổi DA ta cần thêm đờng dẫn thông báo trở lại Nhờ mà ta mô việc nhập liệu phần bit 12 bit 3.2Giao diện song song hai hớng 27 ô 25 ô chân chân Tên Frame Ground Viết tắt FG Transmit Data TxD Recive to data RxG Request to Send RTS Clear to Send CTS 6 Data set Ready DSR Signal ground SG 20 22 Data Carrier detect Data Terminal Ready DCD DTR Ring Indicate rI Chức Chân đợc nối với vỏ bọc kim dây cáp, với vỏ máy tiếp đất Dữ liệu đợc gửi từ DCE( máy tính hay thiết bị đầu cuối) tới DTE qua đờng dẫn TD Dữ liệu đợc gửi từ DCE tới DTE qua RD DTE đặt đờng lên mức hoạt động sẵn sàng truyền liệu DCE đặt đờng lên mức hoạt động để thông báo cho DTE biết sẵn sàng nhận liệu Tính hoạt động giống với CTS nhng đợc kích hoạt DTE sẵn sàng nhận liệu Tất tín hiệu đợc so sánh với đất tín hiệu(GND) Phát tín hiệu mang liệu Tính hoạt động rống với RTS nhng đợc kích hoạt DCE muốn truyền liệu Chỉ báo cho DCE nhận tín hiệu rung chuông Bảng Bảng chân chức đầu nối 25 chân chân Việc truyền liệu xảy hai đờng dẫn Qua chân cắm TxD (transmit data), máy tính gửi kiệu đi, liệu mà 28 máy tính nhận đợc lại đợc đa đến chân RxD (Receive Data), đóng vai trò nh tín hiêụ hỗ trợ trao đổi thông tin mà Việc truyền tín hiệu chân RxD tuỳ thuộc vào đờng dẫn TxD Thông thờng, mức tín hiệu nằm khoảng từ 12 đến +12v Các bit liệu đợc gửi đảo lại Mức điện áp đối mức cao (high) nằm 3v -12v, múc thấp(low) nằm 3v +12v Start Bit +12v -12v Hình 22 dòng liệu cổng nối tiếp RS 232 trạng thái tĩnh đờng dẫn có điện áp -12v bit khởi động (Startbit) mở đầu việc truyền liệu Tiếp bit liệi riêng lẻ đợc truyền, giá trị liệu thấp đợc gửi trớc tiên cuối dòng liệu có bit dừng (StopBit) đẻ dặt trở lại trạng thái lối ra(-12v) Tốc độ truỳên liệu đợc đánh giá tốc độ baud tơng ứng với số bit đợc truyền giây chẳng hạn, tốc độ baud 9600 có nghĩa có 9600 bit đợc truyền giây, có bit liệu, bit khởi đầu bit kết thúc Chuẩn Rs-232 cho phép truyền tín hiệu trực tiếp vòng phạm vi 25m với tốc độ lên tới 19200 baud Một điều cần lu ý khuôn mẫu dạng liệu cần phải đợc thiết lập nh bên gửi bên nhận Các thông số truyền đợc thiết lập hệ điều hành Dó window Điều khiển cổng COM Để tạo điều kiện dể dàng cho việc phối ghép điều khiển đờng truyền truyền liểuten cổng COM với hệ VXL 8086, ngời ta chế tạo vi mạch tổ hợp cỡ lớn có khả lập trình đợc Đó vi mạch thu phát không đồng vạn (UART-Universal Asyncleronous Receiver/Transmitter) IN8250/16550 vi mạch thu phát đồng bộ- không đồng vạn (usart) 8251A DLA 0 A2 A1 0 A0 0 29 Thanh ghi RBR, THR IE 1 X X X X X X 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 LSB MSB iI LCR MCR LSR MSR Thanh ghi nháp Bảng Địa ghi bên vi mạch 8250A Chúng ta truy cập điều khiển cổng COM phần mềm thông qua ghi đệm liệu thu (RBR), ghi đệm liệu phát (THR), ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IE), ghi cho số chia phần cao (MSB), ghi điều khiển đờng dây (LCR), ghi trạng thái đờng truyền(LSR), ghi điều khiển Modem (MCR), ghi trạng thái Modem(MSR) bên vi mạch 8250A thông qua địa cổng Địa cổng ghi cụ thể địa cổng + địa tơng đối vi mạch Bảng Địa cổng COM1 COM2 Cổng COM1 Cổng nối tiếp COM2 Cổng nối tiếp Nội dung ghi: Thanh ghi điều khiển đờng truyền(LCR): 30 Địa 3F8 2F8 Thanh ghi đệm liệu phát: Ký tự cần phat phải đợc ghi vào ghi DLAB = Thanh ghi đệm liệu thu (RBR): Dữ liệu qua đờng truyền đọc đựoc DLAP = Thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IER): Thanh ghi nhận dạng nguồn yêu cầu ngắt(IR): Các mức yêu tiêngán cho nguồn gây ngắt đợc ghi hai bit ID2, ID1 thứ tự u tiên đựơc mô tả bảng sau: 31 Bảng mức u tiên gán cho nguồn gây ngắt 8250A Thanh ghi điều khiển Mordem(MCR): ID2 ID1 Mức 1 0 0 Tên loại ngắt Nguồn gốc Trạng thái đờng Lỗi khung,thu đè, lỗi thu Parity, giãn đoạn đờng truyền lúc thu Đêm thu đầy Đệm thu đầy Đệm giữ phát rỗng Trạng thái Mordem Đêm phát giữ rỗng CTR, DSR, RI, RLST ID bị xoá Đọc LSB Đọc RBR Đọc IIR ghi THR Đoc MSR Thanh ghi trạng thái Mordem (MSD): Thanh ghi trạng thái đờng dây(LSR): ý nghĩa bit ghi LSR: + RxDR =1: Đã nhận đợc ký tự để ghi đệm thu (RBR) > Bít bị xoá CPU đọc ghi RBR + OE = 1: Có lỗi Parity Bít bị xoá CPU đọc ghi LSR 32 + FE = 1: Có lỗi khung Bít bị xoá CPU đọc ghi LSR + BI = 1: Khi có tín hiệu đầu vào chân thu mức thấp lâu thời gian bình thờng Bit bị xoá CPU đọc ghi LSR + THRE = 1: Khi ký tự đợc chuyển từ THR đến TSR Bít bị xoá CPU đọc ghi THR + TERE + 1: Khi ký tự đợc phát Bít bị xoá có ký tự đợc chuyển từ THR đến TSR Trong ứng dụng ghép nối đóng vai trò đăc biệt quan trọng ghi điều khiển Mordem ghi trạng thái Mordem qua đờng dẫn đờng dẫn phụ trợ giao diện đợc tiếp cận trực tếp Máy tính truy nhập lên ghi thông qua địa giao diện.Cổng nối tiếp thứ (COM1) sử dụng địa sở 3F8, nh ghi xếp theo vùng từ 3F8 đến 3FF Khoảng cách từ ghi tới địa sở đợc gọi offset Nh vậy, việc xuất trực tiếp qua DTR RST đợc tiến hành qua địa 3F8+4 Địa Bit Chân 3F8+4 DTS RTS Bảng chân DTS, DRS tơng ứng với mức Nh vậy, đờng dẫn RTS cần đợc đặt lên mức điện áp (enable) Bit đợc trao đổi qua giá trị số 1=2 Do cần xuất số qua địa cổng lệnh outprt th viện PORT.DLL, giá trị 20=1 đợc đặt mứctơng ứng với đờng dẫn DTR giá trị với hai đờng dẫn Tuy nhiên lệnh outprt th viện PORT.DLL đợc thực giao diện không thuộcể lý window có nghĩa để thực việc truy cập trực tiếp phải loại giao diện khỏi hệ thống thông qua Divicce Manager Phơng pháp có ý nghĩa muốn độc quỳên sử dụng giao diện thừa mà hệ thống không sử dụng đến cho ứng dụngghép nối đơn giản Còn giải pháp tốt cho việc truy cập lên gíao diện nối tiếp mà chịu quản lý Win dow sử dụng hàm openCom th viện DLL, Window cho phép mở giao diện thông báo, ngợc lại thông báo giao diện bận cho phơng trình khác ví dụ: sử dụng cổng COM để phát xung vuông có tần số 500Hz qua đờng dẫn RTS giao diện : Mã lệnh chơng trình phát xung vuông: Option expicit Private Declare Function outport Lib port.dll (By val PortAddress As Integer, By Val portData As Integer) As Integer Private Declare Function Inport Lib port.dll (By val PortAddress As Integer) As Integer Dim PortAdd, n As Integer 33 Private Sub Form_Load() PortAdd = 3F8 If OPENCOM (COM2.9600,N,8,1) = then Msgbox(COM2 bận) End Sub Private Sub Form_ Unloand (Cacel as integer) CLOSE COM End Sub Private Sub Command1_Click() Dim n as integer For n=1 to 100 OutPort(portAdd+4,2) Delay T(1) OutPort (PortAdd+4,0) Delay T(1) Next n End Sub Pulic Sub DelayT(dd As Long) J=0 For i = To dd J = j +1 Next i EndSub Chơng Ghép nối qua rãnh cắm mở rộng Khi nghiên cứu cấu trúc máy tính ta thờng đề cập đến cấu trúc Bus, đờng dẫn Bus nh: Bus liệu, Bus điều khiển .v.v Các rãnh cắm mở rộng dạng thể phần cứng bus bảng mạch chính, cắm thêm card mở rộng để thay đổi nâng cấp cấu hình máy tính Chính việc nghin cứu, tìm hiểu dạng bus nh tính kỹ thuật loại bus có ý nghĩa lớn việc nâng cấp cấu hình máy tính nh cắm thêm card mở rộng chứa điều khiển dùng cho truy cập nhớ, card hình, đĩa cứng đĩa mềm, xuất liệu máy in, cổng modem,vào/ra nối tiếp v v Ngoài nhiều ứng dụng công nghiệp việc sử dụng máy tính nh hệ thống đo lờng, điều khiển số việc tìm hiểu bú máy tính cho card chuyên dụng chẳng hạn nh card chuyển đổi AD?DA ứng dụng đo lờng, điều khiển công nghiệp Thông thờng, có đến rãnh cắm mở rộng đợc lắp ráp sẵn mạch tơng ứng với kiểu bus mở rộng đợc sử dụng cho máy tính nhân Việc phân loại bú mở rộng thờng dựa số bit liệu mà chúng sử lý đồng thời Đó bus: Bus PC ( gọi ISA bit) 34 Bus EISA (32 bit) Bus VESA Local (32 bit) Bus SCSI (16/32 bit ) Bus ISA (16 bit) Bus MCA(32 bit) Bus PCI (32/64 bit) Bus PC/MCIA (16 bit) Các loại lớp đời nhau, loại sau đợc chứng minh có u điểm phủ định loại trớc, đặc biệt có khác tốc độ truyền Cụ thể với bus PC, bus IAS bus EISA tốc độ truyền liệu đợc cố định tần số 8,33MHz, bus PCI bú VESA Local sử dụng đồng hồ đo hệ thống (thông thờng 33Hz 50Hz) nhiều ứng dụng, bus ISA phơng tiện tốt tơng đối phổ dụng lẻ đợc sử dụng thời gian dài cho phép truyền lu lợng liệu lớn với giá thành tơng đối rẻ, độ tin cậy cao Trong hầu hết máy tính PC có rãnh cắm ISA mạch (Main board), cắm đợc card sound, card video Đặc biệt card ghép nối khác dùng cho mục đích chuyên dụng công nghiệp đo lờng điều khiển máy nh : card chuyển đổi tơng tự-số (A/D), card chuyển đổi số-tơng tự ( D/A), card ghép nối mạng, card để tạo cổng ghép nối khác (GPIB, RS-485 v.v ) Chính lẽ đồ án này,chúng ta sâu sâu tìm hiểu cấu tạo,tính kỹ thuật nh ứng dụng ghép nối với bus ISA Bus ISA bit (bus PC) Bus ISA bit hay đợc gọi bus PC loại bus xuất máy tính PC/XT Loại bus tận dụng kiế trúc vi xử lý intel 8088, nên có bus liệu bit bus địa 20 bit Rãng cắm nối với bus PC có 62 chân cho phép cắm card mở rộng làm từ mạch in mặt có 62 tiếp điểm Vì bus có bit liệu nên đợc gọi bus IAS bit hay bus PC để phân biệt với bus ISA 16 bit Vì sử dụng bus địa 20 bit nên định địa đến vùng nhớ cực đại đến 1Mbyte tốc độ truyền đợc cố định 4,772727 MHz, nh có nhiều 4.772.727 byte đợc truyền dây hớng tín hiệu đợc chọn vào tín hiệu đến từ điều khiển Bus PC nh đến từ thiết bị bên bus, cụ thể từ card ghép nối mở rộng Một tín hiệu đợc xác định vào/đi tín hiệu tín hiệu bắt nguồn từ điều khiển bus PC từ card mở rộng Nh vậy, muốn ghép nối vơis máy tính qua rãnh cắm mở rộng điều quan trọng thiết yếu phải có tay card mở rộng phục vụ cho mục đích ghép nối Sau phần mềm cài đặt để thức đăng ký card mở rộngnày vào hệ thống máy tính nh công việc 35 ghép nối coi nh đợc hoàn thành Với card chuyên dụng nh card âm thanh, card hình,card modem việc lựa chọngiải pháp mua tiện lợi giá thành rẻ chất lợng đảm bảo Tuy nhiên, với mục đích chuyên dụng chẳng hạn nh đo lờng điều khiển máy tính thực tế ta cần 2.Bus IAS 16 bit Đây loại bus đợc cấu trúc theo tiêu chuẩn công nghiệp (Industry Standard archtecture) Đặc điểm rõ nét bus cho phép lúc xử lý trao đổi với 16 bit liẹu Việc mở rộng thêm rãnh cắm bổ xung cho phép có đợc tính tơng thích với bus PC, rãng cắm thứ 2thẳng hàng với rãnh cắm PC 8bit, bit liệu đòng dẫn địa Nh vậy, bus IAS có 16 bit liệu 24 bit địa cho phép nhiều 16 Mbyte nhớ định địa đựơc, giống nh bus PC (bus IAS bit) sử dụng tốc độ đồng hồ MHz, nh tốc độ truyền liệu cực đại 2byte chu kỳ giữ nhịp Các card ISA rát phổ biến với tính u việt hầu hết ứng dụng ghép nối Các ling kiện card rẻ, thực tế việc ghép nối card mở rộng thuận lợi đáng tin cậy Phần II Thực nghiệm Card AT-MIO-16XE-10 36 Đây card đa năng, bao gồm: 16 kênh AI, kênh AO, kênh DIO mạch đếm, mạch phát xung Sơ đồ khối card thể nh hình vẽ Hình Sơ đồ khối card AT-MIO-16XE-10 37 [...]... card ADC7 bit tần số fC = 15MHZ 4.4.Bộ chuyển đổi ADC theo phơng pháp xấp xỉ liên tiếp (The Successive-approximation type ADC) 4.4.1 sơ đồ khối cấu tạo Phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp là phơng pháp phổ biến cho các kiểu ADC do tính năng tốc độ, độ chín xác và tính dễ thiết kế của nó Nó hoạt động nhờ việc so sánh thế đợc sinh ra với thế nối vào Một mạch dãy và một mạch chuyển đổi số-tơng tự ADC, ... 1/256 1/1024 1/4096 1/65536 39.1 mV 0.97 mV 0.24 mV 0.015 mV Bảng 2 Độ phân dải của DAC tơng ứng với số bit 1.Sơ đồ khối-nguyên tắc làm việc Chuyển đổi số-tơng tự (DAC) là quá trình làm lại tín hiệu tơng tự từ N số hạng hay nói cách khác từ N bit đã biết của tín hiệu so với độ chính xác là một mức lợng tử là LBS UD DAC UM LTD UA Hình 13 sơ đồ khối quá trình khôi phục tín hiệu tơng tự Để lấy đợc tín... đổi này còn có mạch chuyển đổi DAC có nhiệm vụ chuyển đổi số nhị phân thành thế tơng tự tơng ứng với độ lớn (Biên độ của tín hiệu tơng tự) với giá trị số đó Hiệu suất chuyển đổi của kỹ thuật này là chuyển đổi có độ phân giải cao, có thể làm việc trong thời gian rất ngắn hay tốc độ chuyển đổi cao Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi còn phụ thuộc vào các mạch nối dặc biệt là bộ DAC và bộ so sánh Ngoài ra, sai... so sánh Ngoài ra, sai số của phép chuyển đổi này phụ thuộc vào độ chính xác, độ ổn định của điện áp mẫu và sai số cả các thiết bị so sánh Chơng 2 Chuyển đổi số - tơng tự DAC (The Digital to Analog Convertor) 16 Chuyển đổi số tơng tự (DAC) là một khâu không kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lờng và điều khiển bằng máy tính Để điều khiển một hệ thống nh điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò... khởi động qua trình chuyển đổi DAC N-Bit Bit 1 Bit N Hình 11 Sơ đồ khối phơng pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tiếp 4.4.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên tắc làm việc chủ yếu là dựa trên cơ sở đúng và sai Tín hiệu lối vào đợc xấp xỉ liên tiếp bằng một nửa độ lớn của bớc trớc đó Ban đầu nó kiểm tra xem nếu điện thế lối vào Vin lớn hơn một nửa khoảng 15 điện thế (VRanger ) của ADC Gỉa sử rằng lối ra là đúng... thế trong hâù hết các hệ thống tự động hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tơng tự (dòng điện và điện áp biến thiên liên tục).Mạch điện thực hiện chức năng này là mạch chuyển đổi số- tơng tự (DAC) Nh vậy, mạch chuyển đổi tơng tự-số sẽ thực hiện chuyển đổi từ n bit(Binary Digit) thành 2n giá trị điện áp khác nhau, các điện áp này đựơc lấy ra từ một diện áp so sánh xác định Nguồn điện áp so sánh... f du U x = n.10 i = const f ch = f dt Giả sử i = 0 U x = n Vì 4.1.3 Sai số chuyển đổi và cách khắc phục Để thực hiện đo lờng và chuyển đổi bằng máy tính thông qua card ghép nối chuyển đổi tơng tự-số ADC ngoài việc phải hiểu nguyên lý hoạt động của nó, ta còn phải biết tính năng đo lờng cũng nh độ chính xác của từng bộ chuyển đổi Vậy độ chính xác của bộ chuyển đổi sử dụng phơng pháp trên phụ thuộc... khuyếch đại thuật toán có điện trở R đợc đáu nh điện trở phản hồi thì điện áp đợc tính nh sau: RN 2N R Ua =-IR = -Uref n/256 2N-1 21 R 2 R UM 2 N 1 K Tín hiệu điều khiển số Uch 18 Hình 15 Sơ đồ nguyên lý ADC thang điện trở 2.2.2 Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ trên mô tả nguyên tắc hoạt động của bộ chuyển đổi AD theo phơng pháp thang điẹn trở ở đầu vào của bbộ khuyếch đại thuật toán là một thang điện trở mà ... xác phép chuyển đổi Ví dụ: Một ADC có số bit đầu N=12, nghĩa từ mã có 12 số nhị phân ADC phân biệt đuợc 212 =4096 mức điện áp dải biến đổi điện áp vào Độ phân biệt ADC đợc ký hiệu Q (đợc xác định... tạo, sơ đồ khối nguyên tắc làm việc ADC (ADC Composition, Diagram and Working Principle) 3.1 cấu tạo, sơ đố khối (Diagram and Composition) UA Mạch lấy Mẫu ADC UMA U Lượng tử hoá Mã hoá UD hình... minh hoạ nguyên tắc làm việc ADC Nh vậy, chuyển đổi bao gồm có: Mạch lấy mẫu tín hiệu, mạch lợng tử hoá tín hiệu mạch mã hoá tín hiệu 3.2 Nguyên tắc làm việc ADC (ADC Working Principle) Trớc hết,