giáo trình ghép nối và điều khiển thiết bị ngoại vi

Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi GHÉP NỐI VÀ ðIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGOẠI VI Người soạn: TS Nguyễn Văn Minh Trí ThS Lâm Tăng ðức Các sinh viên lớp 03SK Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, máy vi tính (MVT) cải tiến, nâng cấp thị trường hố để đạt tốc độ xử lý cực nhanh, giá thành rẻ Trong thập niên qua, MVT ñã ñược áp dụng khắp nơi, thay cho hệ thống cũ nhiều nhược ñiểm ðặc biệt, hệ thống điện, điện cơng nghiệp, MVT ñược ứng dụng ngày nhiều, mang lại nhiều tính ưu việt cho hệ thống Do u cầu phát triển lý thuyết hệ thống có sử dụng MVT ñã mở nhiều lĩnh vực học Một ví dụ cụ thể việc ứng dụng MVT cơng nghiệp hệ thống đo lường điều khiển sử dụng MVT Trong hệ thống này, MVT nhận liệu ño ñạt trạng thái vật lý hệ thống, vi dụ nhiệt ñộ, áp suất, điện áp …, tính tốn để đưa định, tín hiệu điều khiển trở lại hệ thống, nhằm ñạt ñược yêu cầu ñiều khiển ñề hệ thống Muốn thiết kế, vận hành bảo quản tốt hệ đo-điều khiển cơng nghiệp, người kỹ sư cần nắm vững kỹ thuật máy tính, cách viết chương trình, kỹ thuật ghép nối thiết bị ngoại vi, việc xử lý số liệu, lý thuyết ñiều khiển số… Mơn học ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi (TBNV) nhằm cung cấp kiến thức việc tìm hiểu, thiết kế mạch ghép nối ngoại vi với MVT Các mạch thiết kế phục vụ cho việc ño lường, ñiều khiển, giao tiếp MVT với MVT, MVT với hệ vi ñiều khiển Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống 1.1.2 Nhiệm vụ ghép nối 1.1.3 Thủ tục trao đổi liệu máy vi tính 1.2 Giới thiệu số vi mạch dùng ghép nối 1.2.1 Các mạch logic 1.2.2 Các mạch lật 1.2.3 Các mạch ghi ñệm 1.2.4 Các mạch giải mã ñịa 1.2.5 Các mạch truyền liệu CHƯƠNG 2: GHÉP NỐI VÀO RA SONG SONG ðIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH 2.1 Các lệnh vào liệu 2.1.1 Các lệnh vào hợp ngữ 2.1.2 Các lệnh vào Turbo C 2.1.3 Các lệnh vào Turbo Pascal 2.2 Ghép nối song song ñơn giản: có hay khơng có đối thoại 2.2.1 Cửa vào đơn giản khơng đối thoại 2.2.2 Cửa đơn giản khơng ñối thoại 2.2.3 Cửa vào ñơn giản có ñối thoại 2.2.4 Cửa đơn giản có đối thoại 2.3 Ghép nối song song điều khiển chương trình 2.3.1 Sơ ñồ khối chức khối 8255A 2.3.2 Các chế ñộ làm việc 8255A 2.3.3 Ghép nối với 8255A 2.3.4 Lập trình cho 8255A CHƯƠNG 3: GHÉP NỐI TRAO ðỔI DỮ LIỆU NỐI TIẾP 3.1 Giới thiệu chung trao ñổi liệu nối tiếp 3.1.1 Yêu cầu trao ñổi liệu nối tiếp 3.1.2 Mạch trao ñổi liệu nối tiếp Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi 3.1.3 Thủ tục trao ñổi liệu nối tiếp 3.2 Mạch thu phát dị vạn UART 8250 3.2.1 Sơ ñồ khối chức khối UART 8250 3.2.2 Ghép nối với UART 8250 3.2.3 Lập trình cho UART 8250 CHƯƠNG 4: GHÉP NỐI ðIỀU KHIỂN NGẮT 4.1 Khái niệm phân loại ngắt 4.1.1 Khái niệm 4.1.2 Phân loại ngắt 4.2 Xử lý ngắt nhiều thiết bị ngoại vi 4.2.1 Cho phép cấm ngắt 4.2.2 Sắp xếp ưu tiên ngắt 4.2.3 Xác ñịnh nguồn gây ngắt 4.2.4 Tạo vector ngắt 4.3 Vi mạch ñiều khiển ngắt 8259A 4.3.1 Sơ ñồ khối chức khối 8259A 4.3.2 Cấu trúc hoạt ñộng vi mạch 8259A 4.3.3 Ghép nối với 8259A 4.3.4 Lập trình cho 8259A CHƯƠNG 5: GHÉP NỐI VÀO RA ðIỀU KHIỂN BẰNG DMA 5.1 Khái niệm DMA 5.1.1 Khái niệm DMA 5.1.2 Hoạt ñộng DMAC (DMA Controller) 5.1.3 Các chế ñộ trao ñổi liệu DMA 5.2 Bộ ñiều khiển DMA – 8237A 5.2.1 Sơ ñồ khối chức khối DMAC 8237A 5.2.2 Ghép nối với 8237A hệ vi xử lý 8088 5.2.3 Lập trình cho 8237A CHƯƠNG 6: GHÉP NỐI TƯƠNG TỰ-SỐ VÀ SỐ-TƯƠNG TỰ 6.1 Giới thiệu số mạch khuếch ñại thuật toán 6.1.1 Các tham số mạch khuếch ñại thuật toán 6.1.2 Các sơ ñồ khuếch đại thuật tốn 6.2 Bộ chuyển đổi số-tương tự DAC 6.2.1 Hoạt ñộng DAC 6.2.2 Các tham số chuyển ñổi DA 6.2.3 Các mạch DAC điển hình 6.2.4 Ghép nối với DAC 6.2.5 Lập trình xuất liệu DAC 6.3 Bộ biến ñổi tương tự-số ADC Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi 6.3.1 Nguyên tắc làm việc ADC 6.3.2 Các tham số chuyển ñổi AD 6.3.3 Các phương pháp chuyển ñổi AD 6.3.4 Ghép nối với ADC 6.3.5 Lập trình nhận liệu từ ADC CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG MÁY VI TÍNH TRONG ðO LƯỜNG VÀ ðIỀU KHIỂN 7.1 Giới thiệu cấu trúc máy tính 7.2 Thiết kế mạch ghép nối hệ thống tự động hóa với cổng máy vi tính Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi CHƯƠNG 1: 1.1 CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Máy vi tính hay hệ vi xử lý có cấu trúc chung Phơn Nơi-Man đề xuất gồm khối xử lý trung tâm (CPU), nhớ (M) cửa vào/ra (I/O), hình 1.1 Ngồi ra, MVT cần phải trao đổi liệu mơi trường bên ngồi, ví dụ giao tiếp với người sử dụng qua bàn phím-màn hình, trao đổi liệu với thiết bị ngồi thơng dụng, thiết bị ngồi hệ đo-điều khiển, MVT khác mạng Do ghép nối thiết bị ngoại vi (BGN TBNV) ñược xây dựng, gồm: • BGN thiết bị vào chuẩn bàn phím, chuột… • BGN thiết bị chuẩn hình, máy in… • BGN nhớ ngồi chuẩn ổ cứng, ổ CD-ROM… • BGN với MVT khác mạng nhiều MVT • BGN với hệ vi điều khiển, hệ vi xử lý • BGN hệ ño lường - ñiều khiển: RAM ROM V X L ðường dây liệu ñịa MVT BGN Bàn phím Màn hình BGN Máy in BGN nhớ ngồi BGN Song song /nối tiếp Ổ cứng BGN CD-ROM Song song /nối tiếp BGN Vào/ra BGN Vào/ra Cảm biến ño lường Cơ cấu chấp hành ðường dây ñiều khiển Thiết bị CN MVT /Vi ðK Hình 1.1: Cấu trúc hệ GN trao ñổi liệu tin MVT TBNV Trong đó: VXL viết tắt vi xử lý RAM random-access memory ROM read-only memory BGN ghép nối CD-ROM compact disk read-only memory CN cơng nghiệp ðK điều khiển Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi ðặt biệt hệ ño lường - ñiều khiển, MVT nhận liệu trạng thái vật lý hệ thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dòng điện…) dạng tín hiệu điện, từ đầu dò cảm biến (sensor), chuyển ñổi (tranducer), phát (detector) Và MVT nhận thơng tin trạng thái sẵn sàng hay bận thiết bị đo MVT sau đưa tín hiệu chấp nhận trao ñổi liệu với TBNV, thu thập xử lý liệu, tính tốn tín hiệu ñiều khiển ñưa cấu chấp hành (các van đóng mở, rơle mạch điện, mạch ñộng lực ñiều tốc ñộng ñiện…), hay ñưa thơng số kỹ thuật cho thiết bị Ngồi ra, MVT cần lưu trữ liệu ổ cứng, ñĩa compact (CD-ROM) ñể tra cứu lúc cần, hiển thị kết ño dạng bảng số liệu, dạng ñồ thị hay hình vẽ ñồ hoạ hình 1.1.2 Nhiệm vụ ghép nối TBNV ñược ghép nối với MVT thơng qua phần thích ứng cơng nghệ thích ứng logic hình 1.2 GN cơng nghệ làm nhiệm vụ điều chỉnh mức tín hiệu công nghệ sản xuất TBNV công nghệ sản xuất mạch cấu trúc nên BUS MVT GN logic làm nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển TBNV từ tín hiệu BUS hệ thống Nhiệm vụ BGN phối hợp trao ñổi liệu MVT TBNV Phối hợp mức cơng suất tín hiệu - Mức tín hiệu MVT thường mức TTL (0V, 5V), TBNV có mức điện thoại (±15V, ±48V) hay mức điện cơng nghiệp (220V/380V) - Cơng suất đường dây MVT nhỏ (cỡ chục mA), công suất cần cho TBNV lớn tùy theo hệ thống Do BGN phải biến đổi điện áp khuếch đại cơng suất cho phù hợp MVT TBNV Thường dùng vi mạch trạng thái ñể ñưa dữ`liệu ra, ñưa liệu vào Do vi mạch trạng thái trở kháng cao khơng có trao đổi liệu, để lập TBNV với MVT, để khơng tiêu thụ chút cơng suất đường dây để bảo vệ MVT Phối hợp dạng liệu - Dữ liệu trao đổi MVT ln song song dạng số nhị phân, truyền theo bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit - Dữ liệu TBNV song song bit 16 bit, nối tiếp tín hiệu liên tục Do BGN chuyển ñổi dạng liệu cho phù hợp MVT TBNV, ví dụ chuyển đổi từ tín hiệu liên tục sang tín hiệu số Phối hợp tốc ñộ trao ñổi liệu - MVT thường hoạt ñộng với tốc ñộ cao (tần số lên tới hàng trăm MHz) TBNV thường hoạt ñộng chậm nhiều Do BGN nhận lưu liệu từ MVT truyền cho TBNV theo phịp chậm TBNV, giải phóng cho MVT làm nhiệm vụ khác (phục vụ TBNV khác, chạy chương trình xử lý số liệu hay hiển thị hình) Tương tự, BGN nhận liệu TBNV chờ MVT ñọc liệu vào Phối hợp phương thức trao ñổi liệu - Việc ñọc/xuất liệu MVT khởi xướng: Khi đó, MVT đưa lệnh điều khiển tới khởi động BGN hay TBNV, MVT ñọc trạng thái TBNV Nếu trạng thái TBNV chưa sẵn sàng, MVT chờ Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Nếu TBNV trạng thái sẵn sàng, MVT tiến hành ñọc/xuất liệu - Việc ñọc/xuất liệu TBNV khởi xướng: Khi đó, TBNV đưa u cầu trao ñổi liệu tới phận xử lý ngắt BGN Nếu có nhiều TBNV đồng thời đưa yêu cầu, BGN xếp theo thứ tự ưu tiên ñịnh sẵn, ñưa yêu cầu tới MVT MVT sau nhận tín hiệu yêu cầu, chuẩn bị đưa tín hiệu xác nhận sẵn sàng trao ñổi ðến lược BGN nhận truyền tín hiệu sẵn sàng đến cho TBNV Sau đó, MVT TBNV trao ñổi liệu qua trung gian BGN ñiều khiển MVT số liệu BGN GN GN logic công nghệ ñiều khiển TBNV số liệu Hình 1.2: GN MVT TBNV 1.1.3 Thủ tục trao ñổi liệu máy vi tính MVT trao đổi liệu với TBNV theo hai chế ñộ: - Chế ñộ chương trình: Gồm lệnh VÀO, RA CHUYỂN liệu ghi - Chế ñộ truy cập thẳng tới nhớ: BGN lúc ñiều khiển trao ñổi TBNV nhớ qua trung gian BGN Các vào VXL trạng thái trở kháng cao BGN ñiều khiển hoạt ñộng nhớ TBNV, bao gồm: Phát ñịa cho nhớ TBNV Phát lệnh ñọc RD hay ghi WR số liệu Các số liệu ñọc, ghi ñược trao ñổi nhớ TBNV thông qua ghi ñệm BGN Ở chế ñộ trao đổi liệu theo chương trình, việc thực theo ba phương pháp sau (hình 1.3): - ðồng hay khơng đối thoại - Khơng đồng hay có đối thoại - Ngắt chương trình Trao ñổi ñồng bộ: Sau khởi ñộng TBNV, MVT khơng cần quan tâm tới TBNV có sẵn sàng trao ñổi liệu hay không mà ñưa lệnh trao đổi liệu Do TBNV phải ln sẵn sàng trao ñổi liệu Phương pháp trao ñổi liệu có ưu điểm nhanh, khơng tốn thời gian chờ đợi Tuy nhiên có nhược điểm thiếu tin cậy, đơi bị liệu có cố làm TBNV chưa sẵn sàng trao đổi Trao đổi khơng đồng bộ: Trình tự trao ñổi diễn sau: - MVT ñưa tín hiệu ñiều khiển tới BGN - MVT chờ kiểm tra trạng thái sẵn sàng trao ñổi TBNV Nếu chưa sẵn sàng đọc kiểm tra lại trạng thái Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi - MVT trao ñổi liệu với TBNV ñã sẵn sàng Phương pháp thường dùng tốc độ trao đổi liệu TBNV chậm so với MVT Phương pháp trao ñổi liệu có ưu điểm tin cậy, lại tốn thời gian sử dụng MVT Trao ñổi theo ngắt chương trình: Phương pháp khắc phục nhược ñiểm phương pháp Trình tự sau: - MVT thực chuỗi lệnh chương trình ñó - TBNV có yêu cầu trao ñổi liệu, gởi tín hiệu u cầu trao đổi (u cầu ngắt INTR ) - MVT đưa tín hiệu chấp nhận (xác nhận ngắt – INTA) - Chương trình bị ngắt, MVT chuyển sang chương trình phục vụ ngắt, tức chương trình trao đổi liệu cho TBNV u cầu - Chương trình lại tiếp tục thực chỗ bị ngắt Chương trình Trao ñổi liệu Chương trình Chương trình Chưa TBNV sẵn sàng ? Ngắt Trao ñổi liệu Rồi Trao ñổi liệu a) ðồng b) Khơng đồng c) Ngắt chương trình Hình 1.3 : Trao đổi liệu theo chương trình Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi 1.2 Giới thiệu số vi mạch dùng ghép nối Thông thường BGN có chốt liệu, đệm trạng thái ñể nối với BUS mạch lật tạo tín hiệu đối thoại 1.2.1 Các mạch logic Mạch AND Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y - SN7408 Bảng trạng thái 14 13 12 11 10 - SN7409 A B Y L L L H L L L H L H H H 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Mạch OR - SN7432 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 1A 1B 1Y Mạch NOT - SN7404: - SN7405 - SN7406 2A 2B 2Y GND Bảng trạng thái A B Y L L L H L H L H H H H H Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 14 13 12 11 10 Bảng trạng thái: A L H Y H L 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND Mạch EX-OR - SN74136 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Bảng trạng thái A L H L H B L L H H Y L H H L Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 10 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi Chân Tín hiệu USBDP Loại I/O 27 USBDM 3.3VOUT XTIN I/O OUT IN 28 31 XTOUT RCCLK OUT I/O 32 RESET EECS EESK EEDATA TEST IN I/O I/O I/O IN 25 24 23 22 21 20 19 18 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Chức Tín hiệu liệu USB phụ thuộc váo trở 1.5k để giảm điện áp ngõ 3.3V Kết nối chân liệu âm USB Chân tạo ñiện áp 3.3V ngõ Lấy tín hiệu từ dao động 6Mhz từ dao động thạnh anh ðưa tín hiệu 6Mhz chân dao ñộng thạch anh RC-Timer ñẩm bảo xung clock mode Sleep tác ñộng mức Low suốt qua trình chọn mode Reset hay Sleep Reset toàn thiết bị sử dụng network RC Tùy chọn EEPROM-chip chọn Tùy chọn EEPROM-xung ñồng hồ Tùy chọn EEPROM-I/O liệu ðặt thiết bị vào mode Text- thiết bị phải ñược nối ñất Bus liệu truyền trực tiếp Bit0 Bus liệu truyền trực tiếp Bit1 Bus liệu truyền trực tiếp Bit2 Bus liệu truyền trực tiếp Bit3 Bus liệu truyền trực tiếp Bit4 Bus liệu truyền trực tiếp Bit5 Bus liệu truyền trực tiếp Bit6 Bus liệu truyền trực tiếp Bit7 Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 114 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi 16 RD# IN 15 WR IN 14 TXE# OUT 12 RXF# OUT 11 EEREQ# IN 10 EEGN# OUT 3,13,26 VCC 9,17 GND 30 AVCC PWR PWR PWR Byte liệu D0….D7ñược tác ñộng mức thấp liệu truyền từ FIFO Ghi byte liệu D0… D7 vào FIFO truyền WR ñược tác ñộng cao → thấp Khi tác động high, khơng liệu vào FIFO Khi low liệu ghi vào FIFO Khi mức cao, khơng đọc liệu từ FIFO Khi mức thấp đọc RD# sau chuyển từ thấp sang mức cao Yêu cầu EEPROM kết nối ñể xử lý qua bus liệu Ở mức thấp, cho phép EEPROM nối ñể xử lý qua bus liệu Thiết bị chuyển ñiện áp từ 4.4V – 5.25V Thiết bị nguồn xung clock PHẦN IV: NGUYÊN LÝ HOẠT ðỘNG CỦA MẠCH Nguồn ñược cấp nguồn DC bên hay nguồn DC P1 ðiện áp dao động từ → 30V, phụ thuộc vào tốc ñộ ñộng bước ðộng bước sử dụng hầu hết dong mạch, cấp nguồn thơng qua trở R1,R2 ðây trở giới hạn dòng đến động cho phép ñộng hoạt ñộng với nguồn ñiện áp cung cấp lớn ñiện áp giới hạn cho phép ñộng làm việc ðiện áp ổn ñịnh trạng thái (khơng tải) mạch thu cách ñiều chỉnh ñiện áp ngõ 5V với chip ñiều chỉnh ñiện áp LM78L05 ðây IC ñiều chỉnh ñiện áp, với C7, C1, C5 cung cấp thêm vào điện áp lọc U1-UCN5804BM có chức cung cấp dòng 100mA, trung tâm điều khiển ñộng bước làm việc theo phương pháp ñiều khiển Nó gồm CMOS xắp xếp lưu giữ mức logic phần ñiện áp lưỡng cức ngõ ñể trực tiếp điều khiển động UNC5804BM phát tín hiệu điều khiển với mode khác nhau: FULL-STEP, HALF-STEP, FULL-STEP WAVE D1-4 tổ hợp Diod ñể ngăn cản nguy hiểm đến chip UNC5804BM cơng tắc ngõ mức thấp ñộng ñang hoạt ñộng với tải lớn Mỗi LED1-4 sáng tương ứng với ngõ làm việc mức thấp vật có ích để nhận xét trạng thái làm việc ngõ Trở R3 cung cấp dòng điện giới hạn ñến LED PIN 9,10,14 15 chip UCN5804BM ñể ñiều khiển ngõ theo phương pháp ñiều khiển tùy chọn Cơng tắc DIP1-4 cho phép điều khiển tay hướng làm việc ñộng bước theo bảng trạng thái sau: Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 115 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu môn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi Ở ñây ta dùng mạch ghép nối ñể diều khiển ñộng bước hoạt ñộng máy tính, UCN5804BM phụ thuộc vào chân 11 có tác động hay khơng để thúc đẩy động làm việc Tín hiệu cấp từ chip FT245-USB Chip FT245_USB chuyển tín hiệu lấy từ cổng USB sang dạng tín hiệu truyền song song bit liệu tác ñộng ñến chip UCN5804BM ñể ñiều khiển ñộng bước làm việc theo mode ñịnh sẵn tốc ñộ quy ñịnh Ta cần truyền liệu vào chân ñiều khiển chip UCN5804BM theo sơ ñồ kết nối ñể ñiều khiển ñộng làm việc theo phương pháp Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 116 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi ðề tài 4: Thiết kế mạch cổng nối tiếp RS232 mạch làm nhiệm vụ ño ánh sáng ñiều khiển đèn Chương I: Giới thiệu chung truyền thơng nối tiếp Hiện tiêu chuẩn truyền thông theo hai hướng phân biệt dựa vào cách truyền : song song hay nối tiếp Cách truyền song song dễ bị nhiễu tác động nên khơng thể truyền xa được, sử dụng Truyền nối tiếp có loại : đồng hay khơng đồng Trong cách truyền đồng bộ, dãy ký tự ñược truyền kèm theo ký tự ñồng SYN (mã ASCII 22) Phương thức cho tốc ñộ truyền cao mạch xử lý truyền nhận (bao gồm mạch thêm ký tự ñồng bộ, phát báo sai…) phức tạp nên dùng ứng dụng có yêu cầu cao tốc độ truyền Còn ứng dụng thông thường, ứng dụng lĩnh vực điều khiển tự động, khơng có u cầu tốc ñộ mà yêu cầu ñộ tin cậy mạch thực đơn giản, rẻ tiền Khi đó, cách truyền khơng đồng phù hợp Theo cách truyền ký tự truyền riêng rẽ, phân làm frame có bit bắt đầu, bit liệu ký tự cần truyền, bit chẵn lẻ (ñể kiểm tra lỗi ñường truyền), bit kết thúc.Trong khuôn khổ Luận Văn ,ta sử dụng chuẩn truyền thông RS-232C (RS :Recommended Standard) ,là chuẩn truyền nối tiếp bất ñồng phổ biến Chuẩn lần ñầu tiên ñược giới thiệu vào năm 1962 hiệp hội kỹ thuật ñiện tử EIA (Electronics Industries Association) ñưa chuẩn giao tiếp truyền thơng máy tính thiết bị ngoại vi :modem, máy vẽ, mouse, máy tính khác …… Cấu tạo cổng nối tiếp: Bảng 1.1 Sắp xếp chân cổng nối tiếp máy tính: chân 25 chân 20 22 Chức DCD _ Data Carrier Detect (Lối vào) RxD _ Receive Data (Lối vào) TxD _ Transmit Data (Lối ra) DTR _ Data Terminal Ready (Lối ra) GND _ Ground (Nối ñất) DSR _ Data Set Ready (Lối vào) RTS _ Request to Send (Lối ra) CTS _ Clear to Send (Lối vào) RI _ Ring Indicator (Lối ra) Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 117 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi Các Chuẩn Truyền Nối Tiếp : Ở dạng nối tiếp ta có nhiều chuẩn truyền như: RS-232, RS-422, RS-423, RS-449, RS-485 … khơng sâu vào chuẩn truyền nên ta khảo sát sơ chuẩn truyền RS-232 RS-485 : Bảng 1.2 So sánh tiêu chuẩn truyền EIA: Thông số Cable length(max ) Baud Rate (tốc ñộ baud) RS_232 15m (50FT) RS_422 RS_423 RS_485 1.2km(4000FT 1.2km(4000FT 1.2km(4000FT ) ) ) 20Kps/15m 10Mbps/12m 10Mbps/120m 100Kbps/1.2k m 100Kbs/9m 10Kbps/90m 1Kbps/1.2km 10Mbps/12m 1Mbps/120m 100Kbps/1.2k m Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 118 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Mode Unbalanced Driver No Receiver No Logic 1 Logic Community (truyền thông) Cable/Signa l (Cáp / tín hiệu) Methode (Phương thức) Balanced Differental 10 Unbalnced Differental 10 Balanced Differental 32 32 +5V ÷ +15 V -5V ÷ -15V +2v ÷ +5V +3.6V ÷ +6V +1.5V ÷ +5V -2V ÷ -5V -3.6V ÷ -6V -1.5V ÷ -5V 2V 1.8V 3.4V 1.3V 2 Simplex Half_duplex Full_duplex Simplex Half_duplex Full_duplex Simplex Half_duplex Full_duplex 150mA 150mA 150mA Simplex Half_duple x Full_duplex Short circuit 500mA current Phương thức truyền liệu RS-232 : Dữ liệu trao ñổi diễn hai ñường dẫn TxD RxD Qua chân cắm TxD, máy tính gởi liệu đến thiết bị khác Trong liệu mà máy tính nhận được, lại dẫn đến chân nối RxD Các tín hiệu khác đóng vai trò tín hiệu hỗ trợ trao đổi thơng tin khơng phải ứng dụng ñều dùng ñến Các bit liệu ñược gởi ñi theo kiểu ñảo ngược, nghĩa bit có giá trị “1” có mức điện áp LOW, bit có giá trị “0” có mức điện áp HIGH Mức tín hiệu nhận truyền qua chân RxD TxD thông thường nằm khoảng – 12V ñến +12V Mức ñiện áp ñối với mức HIGH nằm +3V ñến +12V Một chuỗi liệu truyền ñi theo dạng nối tiếp ñường dẫn: bắt ñầu bit khởi ñầu (Start bit), bit liệu (data bit), bit thấp ñi trước Số bit liệu nằm khoảng đến bit, tiếp bit kiểm tra chẳn lẻ (Parity) cuối bit kết thúc (stop bit) Hình thức truyền có khả dùng cho khoảng cách lớn , khả gây nhiễu nhỏ dùng cổng song song Tốc ñộ truyền ñược thiết lập tham số Baudrate, số bit truyền ñi giây, thông thường 300, 600, 1500, 2400, 4800, 9600 19200 Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 119 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Một nhược điểm khơng nhỏ cổng nối tiếp tốc ñộ truyền liệu bị hạn chế Ví dụ với tốc độ 9600 baud cho phép truyền nhiều 960 byte giây Khuôn dạng liệu (Frame) cần phải ñược thiết lập hai bên gởi nhận Start bit Stop bit +12V -12V D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 T= 1/fbaud 1.04 ms Dòng liệu cổng RS_232 với tốc ñộ baud 9600baud Một yêu cầu quan trọng RS-232 thời gian chuyển ñổi từ mức logic tới mức logic khác không vượt qúa 4% thời gian bit Vì tốc ñộ 19200 thời gian chuyển mức logic phải nhỏ Vấn ñề làm giới hạn chiều dài ñường truyền Với tốc ñộ truyền 19200 baud truyền xa 50ft (1ft = 30.48cm, 15.24cm) Một vấn ñề quan trọng cần ý sử dụng RS-232 mạch thu phát không cân ( đơn cực ) ðiều có nghĩa tín hiệu vào so với đất Vì vậy, ñiện hai ñiểm ñất hai mạch thu phát khơng có dòng điện chạy đất Kết có áp rơi dây ñất ( V= I.R ) làm suy yếu tín hiệu logic Nếu truyền tín hiệu xa , R tăng dẫn ñến áp rơi ñất lớn dần đến lúc tín hiệu logic rơi vào vùng khơng xác định mạch thu khơng nhận liệu truyền từ mạch phát Chính khơng cân mạch thu phát nguyên nhân giới hạn ñường truyền Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 120 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi Chương II : Giới thiệu linh kiện dùng mạch I Chip ADC804: Chíp ADC804 chuyển đổi tương tư số thuộc họ ADC804 hãng national semiconductor Chíp nhiều hãng khác sản xuất ðiện áp ni +5v ñộ phân giải bit Thời gian chuyển ñổi ñược ñịnh nghĩa thời gian mà ADC cần đề chuyển mơt đầu vào tương tự thành số nhị phân ðối với ADC 804 thời gian chuyển ñổi phụ thuộc vào tần số ñồng hộ ñược cấp tới chân CLK va CLKIN không bé 110µs CS chọn chip Là chân chọn chíp, đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kich hoạt chíp ADC804 ðể tri cập ADC804 chân mức thấp RD - ðọc ðây tín hiệu vào tích cực mức thấp ADC chuyển đổi ñầu vào tương tự thành số nhị phân giữ ghi RD sử dụng ñể có liệu ñược ñã chuyển ñổi tới ñầu ADC 804 CS=0 có xung cao xng thấp áp đến chân RD liệu dạng số bit ñược ñưa tới chân liệu D0-D7 WR - Ghi ðây chân vào tích cực mức thấp dung để báo cho ADC 804 bắt đầu q trình chuyển đổi Nếu CS=0 WR tạo xung cao xuống thấp ADC 804 bắt ñầu tiến hành chuyển ñổi giá thị ñầu tương tự Vin số nhị phân bit CLK IN CLK R CLK IN chân vào nối tới đồng hồ ngồi động hồ ngồi sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên 804 có mộ tạo xung đồng hồ chíp để dùng đồng hồ chíp 804 chân CLK IN CLK – R ñược nối tới tụ ñiện ñiện trở với tần số f = 1.1RC Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 121 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Ngắt INTR Ngắt hay gọi kết thúc việc chuyển đổi chân tích cực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao việc chuyển đổi hồn tất xuống thấp ñể báo cho CPU biết liệu ñược chuyển ñổi ñã sẵn sàng ñể lấy ñi Sau INTR xuống thấp, cần ñặt CS=0 gửi xung cao xuống thấp tới chân RD ñể ñưa liệu Vin (+) Vin(-) ðây la hai ñầu vào tương tự vi sai, Trong Vin = Vin (+) - Vin (-) Vin (-) ñược nối xuống thấp Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 122 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Vin (+) ñược dùng làm dầu vào tương tự ñược chuyển ñổi dạng số Vcc Là chân nguồn ni Vref/2 Chân điện áp đầu vàược dùng ñiện áp tham chiếu D0- D7 D0-D7 chân liệu Các chân ñược ñệm ba trang thái liệu ñã ñược chuyển ñổi ñược truy cập chân CS = chân RD đưa xng mức thấp Dout= Vin kichthuocbuoc Chân ñất tương tự chân ñất số ðây chân đầu vào cấp đất cho tính hiệu tương tự số, Tương tự nối toi Vin chân ñất số nối tới Vcc II Cảm biến nhiệt ñộ (họ LM35): Bộ cảm biến ( Transducer ) chuyển ñổi đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, cường ñộ ánh sáng, lưu tốc tốc ñộ thành tín hiệu điện Phụ thuộc vào cảm biến mà đầu tín hiệu dạng điện áp,dòng, trở kháng hay dung kháng Bộ cảm biến nhiệt ñáp ứng thay ñổi nhiệt ñộ cách thay đổi trở kháng, song đáp ứng khơng tuyến tính Bộ cảm biến nhiệt ñộ LM35 hãng National Semiconductor Corp cảm biến nhệt tuyến tính đơn giản dễ ñược sử dụng rộng rãi LM35 họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao có ñiện áp ñầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt ñộ theo thang ñộ Celsius Nhiệt ñộ (00 ) 25 50 75 100 Trở kháng cảm biến (K Ω ) 29.49 10 3.893 1.7 0.817 Trở kháng cảm biến nhiệt theo nhiệt ñộ Họ cảm biến khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn ñã ñược cân chỉnh Họ cho ñiện áp 10mV ứng với thay ñổi nhiệt ñộ 10C Bảng sau giới thiệu số thông số kỹ thuật họ LM35 Mã sản phẩm LM35A Dải nhiệt ñộ -550C tới +1500C ðộ xác + 10C Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com ðầu 10mV/F 123 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi LM35 -550C tới +1500C + 1,50C LM35CA -400C tới +1100C + 10C LM35C -400C tới +1100C + 1,50C LM35D 00C tới +1000C + 120C Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt họLM35 10mV/F 10mV/F 10mV/F 10mV/F III Chip 74LS151: 74LS151 chip có đầu vào số đa chức tốc độ cao.Nó cung cấp gói, khả chọn bit từ bit nguồn 74LS151 sử dụng chức máy phát ñể phát mức logic chức với giá trị S0 ÷ S2 : I0 ÷ I7 : E : Z : Z : : Vcc GND : Chọn ñầu vào Ngõ vào ña chức Chân vào tác ñộng ( tác ñộng mức thấp) Ngõ ña chức Ngõ bổ sung ña chức Chân nguồn Chân nối ñất Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 124 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 125 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi IV Chip 74LS373: Intel giới thiệu 74LS373 74LS373 cài ñặt mức flip-flops tác ñộng nhanh Nhiệm vụ 74LS373 ñược hiển thị “ Hi-Z” có nghĩa ngõ trạng thái trở kháng cao Ngõ mạch ñược biết ngõ trạng thái Ngõ trạng thái ñược sử dụng ñể ñiều khiển bus nơi mà thiết bị khác ñược tác động đủ để đóng trạng thái để ñiều khiển bus Hi-Z : Ngõ trở kháng cao Qo : Mức ngõ trước cấu hình ngõ vào ñược thiết lập OE ( Output Enable): Mở cổng đệm Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 126 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Chương III : Mạch thiết kế ghép nối I Sơ ñồ nguyên lý mạch thiết kế mạch: II Nguyên lý hoạt ñộng mạch: Mạch ño ánh sáng ñiều khiển ñèn thông qua cổng nối tiếp RS-232 Mạch sử dụng quang trở ñể ño ánh sáng ñiều khiển ñèn, với ñiện áp chuẩn 2.5V lấy từ Diod Zener REF25Z, sau qua mạch khuếch ñại ñưa LM358 ñưa vào ñiện áp chuẩn 2.5V vào AD0804 AD0804 chuyển đổi tín hiệu tương tự từ quang trở thành tín hiệu số từ D0 → D7 ðầu vào quang trở dùng trở 330 Ω để giảm dòng vào, diod 4148 tạo ngưỡng dẫn Khi chân WR kích mức logic từ chân RTS cổng nối tiếp RS-232 AD0804 bắt đầu làm việc Sau kết thúc chu kỳ INTR báo kết thúc Tín hiệu tương tự qua AD0804 chuyển thành tín hiệu số, thơng qua ðảo 7414 đưa bit vào chân LE (chip ñệm) OE nối mass cho thơng liệu ðầu kích ba trạng thái thơng liệu từ đầu vào D0 → D7 đầu đầu vào, mạch lại chuyển tín hiệu truyền từ song song qua nối tiếp Thơng qua mạch dao động (7414, 10K, 10nF ) tạo xung ñưa vào IC74161 ñếm từ 000 → 111, sau quay trở lại đếm QD kích mức logic kích mở 74151(A), sau lần ñếm ñưa liệu ñầu Y ñến chân RxD cổng RS-232 thơng qua máy tính điều khiển, điện áp đưa chân DTR +12V, dòng qua Diod 20mA làm Diod sáng lên kích mở Tranzitor, mở C828 H106 Lúc Role điện từ đóng nối nguồn AC ñèn sáng lên QAQBQC tác ñộng bảng trạng thái sau: QA QB QC Y 0 D0 0 D1 D2 0 D3 Khi kết thúc 111 chuyển qua 011 D7 tắt Qua ñầu ñảo ñiều khiển tương tự 74151(B) có bit liệu D4 → D7 Sau bit stop qua bit Break Vậy cuối cung thu ñược bit data,0 parity, stop, 9600 Baud, bit Break Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 127 https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi III Lưu đồ thuật tốn: Khởi phát chế độ Tạo tín hiệu Start Chờ thời gian Tch ðọc liệu RBR Tắt ñèn DTR= -12 ðỏ đèn DTR=12 Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí CuuDuongThanCong.com 128 https://fb.com/tailieudientucntt ... tính, cách vi t chương trình, kỹ thuật ghép nối thiết bị ngoại vi, vi c xử lý số liệu, lý thuyết ñiều khiển số… Môn học ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi (TBNV) nhằm cung cấp kiến thức vi c tìm... Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống 1.1.2 Nhiệm vụ ghép nối 1.1.3 Thủ tục trao ñổi liệu máy vi. .. https://fb.com/tailieudientucntt Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi CHƯƠNG 1: 1.1 CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Máy vi tính hay hệ vi xử lý có cấu trúc chung