Đo lường và điều khiển tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH BIÊN SOẠN: TS MAI THĂNG LONG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 03/2016 NỘI DUNG MÔN HỌC ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG GIỚI THIỆU HTĐL VÀ ĐK CÓ SDMT CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG CÓ SDMT CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÓ SDMT CHƯƠNG KT GHÉP NỐI MÁY TÍNH VÀ TBNV CHƯƠNG MÁY TÍNH VÀ HỆ THỐNG ĐK SỐ (Nguồn Internet) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG Chương Kỹ thuật ghép nối MT & TBNV ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính 4.2 Ghép nối máy tính qua cổng nối tiếp 4.3 Ghép nối máy tính qua cổng song song 4.4 Ghép nối máy tính qua thu phát khơng dây 4.5 Ghép nối máy tính thơng qua khe/rãnh cắm 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp MT & TBNV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.1 Ngắt Khi máy tính nhận liệu thay đổi từ I/O Ports: - Poll: đọc trạng thái port khoản thời gian xác định để xác định liệu có thay đổi xuất - Interrupt: máy tính nhận yêu cầu ngắt (IRQ), máy tính kết thúc lệnh tại, truy cập tới hoạt động ngắt (ISR), … Bus địa (Address) Bus liệu (Data) Bus điều khiển (Control) CPU (BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM) MEMORY (BỘ NHỚ) I/O INTERFACE (XUẤT/NHẬP) I/O INTERFACE (XUẤT/NHẬP) I/O INTERFACE (XUẤT/NHẬP) Ngắt (Interrupt) Xuất nhập song song (Parallel) Xuất nhập nối tiếp (Serial) Disc drives Sensors Actuators Phân loại: - Non-Markable - External - Sofware - Processor exeption TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.1 Ngắt Vector ngắt Các ngắt máy tính có địa xác định để vi xử lý truy cập tới có ngắt Các địa đặt bảng có vị trí biết trước nhớ máy tính (8086: 0000:0000, 1024 byte) Mỗi địa bảng gọi vector ngắt - Trong ứng dụng đo lường điều khiển có giao tiếp với máy tính, thường quan tâm nhiều tới ngắt phần cứng (nếu có đủ kiến thức cần thiết) - Phần nhiều, xây dựng ứng dụng đo lường điều khiển có giao tiếp với máy tính, chủ yếu ứng dụng sản phẩm mềm cứng mà nhà sản xuất cung cấp - Về phía phần mềm, driver hay file *.dll từ nhà sản xuất, việc xử lý ngắt thực thi đây.c TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.1 Ngắt Ngắt phần cứng - Các ngắt cứng gồm NMI EI Bộ xử lý máy tính kết nối với hai chân NMI INTR Các tín hiệu xuất chân gây ngắt tới xử lý máy tính (IBM) Ví dụ có hai PIC (Programmable interrupt controller, base 0x20, 0xa0) thực ngắt phần cứng OCW (Operation control word) thực việc xác định ngắt được/không (che/không che) dùng - Nếu muốn cho phép IRQ3, thực thi OCW1 gởi 0xF7 tới PIC1(đảo bit): enable: outportb(0x21,(inportb(0x21)&0xF7); disable: outportb(0x21,(inportb(0x21)|0xF7); TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.1 Ngắt Thực thi chương trình ngắt * Ví dụ 8259A Pic máy tính IBM: quản lý điều khiển ngắt máy tính Ví dụ giao tiếp với card thu thập Ví dụ hoạt động ngắt: liệu: - Khi thiết bị ngoại vi có yêu cầu tới xử #include lý, đưa chân IRQ tương ứng lên mức #define INT0 0x0B cao void main() - Tín hiệu IRQ chốt PIC { Nếu khơng có ưu tiên nào, PIC tạo /*thiết lập cho phép ngắt*/ tín hiệu ngắt tới INTR Chân INTA /*chọn IRQ3 cổng COM*/ xác nhận outputb(0x21, (inportb(0x21)&0xF7); - Bộ xử lý máy tính xử lý để truy cập tới /* thiết lập giao tiếp với card*/ bảng vector ngắt /*xóa ngắt*/ - Chương trình ngắt thực thi, … outputb(0x21, (inportb(0x21)&0x08); } Lưu ý: ngắt thời gian đáp ứng tồn hệ thống TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.2 Truyền/nhận liệu với máy tính a Giao tiếp với thiết bị thu thập liệu • Kết nối trực tiếp qua bus PC hệ thống (PCI ISA bus): thiết bị phải có phần cứng tương thích với I/O port nhớ máy tính Điểm bất lợi: khó thực thi ngồi thực tế? • Kết nối gián tiếp: thiết bị tương tác với máy tính tùy thuộc vào module giao tiếp (với chuẩn giao tiếp mà thiết bị máy tính hỗ trợ) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.2 Truyền/nhận liệu với máy tính b Giao thức kỹ thuật truyền liệu • Handshaking: chế độ bắt tay, hỗ trợ việc truyền nhận liệu máy tính thiết bị ngoại vi cách thiết lập cách thức quy định cho việc truyền nhận liệu hai bên, thường sử dụng tín hiệu số thơng qua đường I/O tương thích máy tính TBNV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.1.2 Truyền/nhận liệu với máy tính b Giao thức kỹ thuật truyền liệu • Truy xuất liệu với I/O port: thức xuất/nhập liệu trình giao tiếp, phụ thuộc vào cách thiết lập chuẩn giao tiếp (nối tiếp, song song, …) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 10 4.5 Ghép nối máy tính qua rãnh cắm Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.5.2 Ghép nối máy tính qua rãnh cắm • Tự tìm hiểu Card đo lường điều khiển giao tiếp với máy tính thơng qua bus PCI, ISA b Giới thiệu khe cắm PCI (Peripheral Component Interconnect) • Các khe cắm PCI sử dụng bus PCI • Intel gới thiệu bus PCI 32 bit vào năm 1993 cho dòng máy Pentium, hệ sau Cpu x486 PCI hỗ trợ Intel Microsoft (2001) • PCI có nhiều thuận lợi so với ISA tốc độ tính PnP Phương thức DMA hỗ trợ (33 Mhz) • Đối với dòng PC nay, số khe cắm PCI giảm dần TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 147 4.5 Ghép nối máy tính qua rãnh cắm Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.5.2 Ghép nối máy tính qua rãnh cắm • Tự tìm hiểu Card đo lường điều khiển giao tiếp với máy tính thơng qua bus PCI, ISA c Giới thiệu khe cắm PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Assoation): • Hầu hết Laptop có PCMCIA slot • Khe cắm PCMCIA cho phép PC giao tiếp với card, board thu thập điều khiển • Hỗ trợ PnP, tốc độ xử lý A/D nhanh • Có lợi kích thước nhỏ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 148 Chương Kỹ thuật ghép nối MT & TBNV ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Ngắt truyền liệu máy tính 4.2 Ghép nối máy tính qua cổng nối tiếp 4.3 Ghép nối máy tính qua cổng song song 4.4 Ghép nối máy tính qua thu phát khơng dây 4.5 Ghép nối máy tính thơng qua khe/rãnh cắm 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp MT & TBNV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 149 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.1 Tổng quan Việc lựa chọn phần mềm ứng dụng đo lường điều khiển có sử dụng máy tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Computer platform - Hệ điều hành (OS) - Kỹ lập trình - Các kiểu ứng dụng - Thiết bị cần giao tiếp - Driver, API, … Hệ điều hành platform máy tính Microsoft Window dùng nhiều ứng dụng, nhiên, việc phát triển ứng dụng điều khiển liên quan tới điều khiển phần cứng, driver thiết bị, thư viện hỗ trợ, … lại vấn đề cần giải Khi người dùng sử dụng môi trường Non-Window ứng dụng đòi hỏi phải có kiến thức kỹ lập trình Tuy nhiên, vấn đề kinh tế việc phát triển ứng dụng liên quan tới thay điều khiển, đổi phần cứng thực dễ dàng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 150 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.2 Môi trường lập trình mở/đóng Mơi trường lập trình mở - Chương trình phát triển người kỹ thuật viên - Người kỹ thuật viên tự việc phân phối chỉnh sửa chương trình, chí cải tiến chương trình để hoạt động với nhiều nhiều phần cứng khác - Người kỹ thuật viên đóng gói sản phẩm phần mềm cung cấp cho người sử dụng đầu cuối Các sản phẩm đóng gói chạy DOS hoạt động với drivers, thư viên hỗ trợ cung cấp nhà sản xuất phần cứng - Các phần mềm hỗ trợ tạo giao diện máy tính ứng dụng Windows: Visual Basic, Visual C/C++, C++ Builder, Delphi, … Mơi trường lập trình đóng: đồng nghĩa với việc khơng có việc “lập trình” Kỹ thuật viên/người sử dụng phải sử dụng công cụ có sẵn (được cung cấp từ nhà sản xuất) để phát triển ứng dụng (Ví dụ: Labview, WinCC, …) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 151 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.2 Phát triển phần mềm dựa Windows a Device Drivers: - Nhắc lại: driver phần mềm tạo sư tương tác hệ điều hành máy tính tính thiết bị ngoại vi - Để tạo driver người kỹ thuật viên cần sử dụng phần mềm hỗ trợ từ Microsoft: C/C++ WDM (Windows Driver Model) b API (Application Programming Interface) - Khi tạo chương trình ứng dụng giao tiếp máy tính, người kỹ thuật viên phải sử dụng API - API thực thi nhiệm vụ tao giao tiếp phần mềm ứng dụng device driver - API phần gói driver Ví dụ Active X control API (MSCOMM) - API gồm: COM, DLLs, thư viện, module hỗ trợ cho VB, Visual C/C++, … TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 152 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.2 Phát triển phần mềm dựa Windows c Active X Controls - Là tập hợp quy luật/cách thức để làm mà ứng dụng khác thành phần phần mềm khác tương tác chia sẻ thông tin môi trường Windows - Một ActiveX control (được biết đến OLE OCX control) xây dựng dựa COM (Component Object Model) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 153 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM Giả sử thiết bị đo lường điều khiển có sẵn module giao tiếp COM Để tạo ứng dụng kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính sử dụng cổng COM ta cần chuẩn bị: - Phần mềm tạo giao diện: Visual Basic - Driver, API:  Đối với Visual Basic phiên 6.0: cần có API ActiveX MSCOMM, (MSCOMM32.OCX) thông thường Windows hỗ trợ phần  Đối với Visual Basic phiên 2012 (Visual Studio): Windows hỗ trợ API SerialPort thuộc System.IO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 154 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM a Các thuộc tính API COM (MSCOMM, Serial Port) a.1 MSCOMM VB 6.0 - CommPort: số cổng Com (1 đến 16) Ví dụ COM1: MSComm1.CommPort = - Settings: cài đặt thông số Baud, Parity, Data, Stopbit Ví dụ: MSComm1.Settings = "9600,n,8,1“ - PortOpen: đóng mở cổng Com Ví dụ: MSComm1.PortOpen = True False - Input: nhận liệu Ví dụ: temp = MSComm1.Input - Output: xuất liệu Ví dụ: MSComm1.Output = "3adgg“ - RthresHold: thiết lập số ký tự nhận đệm trước tạo kiện comEvReceive Ví dụ: MSComm1.RThreshold = TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 155 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM a Các thuộc tính API COM (MSCOMM, Serial Port) a.2 SerialPort VB 2012 - PortName: số cổng Com (1 đến 16) Ví dụ COM1: SerialPort1.PortName = "COM1" - BaudRate: cài tốc độ baud Ví dụ: SerialPort1.BaudRate = COM1 - Parity: cài đặt Parity Ví dụ: SerialPort1.Parity = Parity.None - DataBits: cài đặt số bit liệu Ví dụ: SerialPort1.DataBits = - StopBits: cài đặt số stop bit Ví dụ: SerialPort1.StopBits = StopBits.One - ReceiveBytesThreshold: thiết lập số bytes nhận đệm trước gây kiện nhận liệu SerialPort Ví dụ: SerialPort1.ReceivedBytesThreshold = - Write(): xuất liệu dạng chuỗi Ví dụ: SerialPort1.Write("1") - ReadByte: đọc liệu dạng byte Ví dụ: SerialPort.ReadByte TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 156 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM b Cách nhận liệu theo kiện: dựa vào việc cài đặt ký tự/byte đệm nhận (Theshold), kiện ngắt xuất ký tự/byte nhận đệm với ký tự cài đặt thuộc tính Threshold dùng cách liệu ln nhận có việc truyền liệu từ thiết bị máy tính b.1 MSCOMM VB 6.0: Private Sub MSComm1_OnComm() Dim temp As String If MSComm1.CommEvent = comEvReceive Then temp = Form2.MSComm1.Input b.2 SerialPort VS 2012 Private Sub SerialPort1_DataReceived(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs) Handles SerialPort1.DataReceived CheckForIllegalCrossThreadCalls = False data = SerialPort1.ReadLine End Sub TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 157 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM c Ví dụ: Ta tạo ứng dụng mẫu sau: Mô tả: - Thiết bị đầu đọc cân, trả giá trị cân nặng nhận yêu cầu từ máy tính - Chuẩn giao tiếp RS232 – COM DB9; 9600,8,N,1 - Khi nhận được: “A”, thiết bị trả liệu: @’dữ liệu cân’x Phân tích yêu cầu: - Chuẩn giao tiếp RS232 - COM - Thiết lập giao diện máy tính yêu cầu - Sử dụng phần mềm VB6 2012 - Driver API: MSCOMM/Serial Port - Sử dụng ngắt kiện để nhận liệu TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 158 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM c Ví dụ: Các bước tiến hành: B1 Chuẩn bị phần mềm, driver, cáp kết nối B2 Xây dựng mơ tả thuộc tính cho đối tượng thuộc giao diện: Đối tượng VB Tên Tên biến Sự kiện Button1 Mở Com Mocom Không Button2 Đóng Com Dongcom Khơng Button3 Thốt Thoat Khơng Button4 Gởi Goi Khơng Button5 Nhận Nhan Khơng Textbox1 Ơ liệu gởi Odulieugoi Khơng Textbox2 Ơ liệu nhận Odulieunhan Khơng Ghi … TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 159 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 COM c Ví dụ: Các bước tiến hành: B3 Quy định liệu vào/ra B4 Lập lưu đồ giải thuật B5 Viết Code B6 Testing B7 Hiệu chỉnh, hồn thiện TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 160 4.6 Phần mềm hỗ trợ việc giao tiếp máy tính TBNV Chương Kỹ thuật ghép nối MT 4.6.3 USB Tạo ứng dụng có đặc điểm sau: Mơ tả: - Thiết bị vi mạch tích hợp sử dụng chip điều khiển có hỗ trợ giao tiếp USB pic 4550 Vi mạch kết nối tới cấu chấp hành cảm biến - Xây dựng ứng dụng để đảm bảo từ máy tính truyền nhận liệu điều khiển thiết bị Phân tích yêu cầu: - Chuẩn giao tiếp USB - Thiết lập giao diện máy tính yêu cầu - Sử dụng phần mềm VB6 2012 - Driver API: ??????? - Firmware giao tiếp (PIC),… TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM - KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - BỘ MÔN TỰ ĐỘNG 161