Xây dựng hệ thống quản lý cân động ứng dụng trong hệ thống cân tàu hỏa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN LUẬN VĂN CAO HỌC Đề tài Xây dựng hệ thống quản lý cân động ứng dụng hệ thống cân tàu hỏa Chuyên ngành Người hướng dẫn Học viên thực Mã số : : : : Khoa học máy tính PGS.TS Đồn Văn Ban Nguyễn Tuấn Anh 60.48.01 Thái nguyên, tháng năm 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Khảo sát trạng hệ thống cân động vật thể 1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV 1.2 Mô tả nghiệp vụ hệ thống hành 1.3 Mô tả, xác định mục tiêu yêu cầu hệ thống 1.4 Tổng kết chương Thiết kế tổng thể hệ thống cân 2.1 Thiết kế phần cứng 2.1.1 Các phương án thiết kế 2.1.2 Sơ đồ tổng thể 2.2 2.3 động vật thể phần cứng hệ thống 2.1.3 Ý nghĩa yêu cầu kỹ thuật khối Thiết kế phần mềm 2.2.1 Xác định yêu cầu phân tích hệ thống 2.2.2 Phân tích hệ thống hướng đối tượng 2.2.3 Thiết kế hệ thống hướng đối tượng 2.2.4 Lập trình hướng đối tượng Tổng kết chương Thiết kế chi tiết hệ thống cân động vật thể 3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống 3.1.1 Khối cảm biến 3.1.2 Khối chuyển đổi ADC 3.1.3 Khối truyền thông 3.1.4 Khối nguồn 3.2 Thiết kế hướng đối tượng phần mềm hệ thống [2] Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 4 6 10 10 12 13 14 15 16 17 18 18 21 23 27 30 30 Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC 3.3 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 Tổng ii Khảo sát, xác định yêu cầu Phân tích hệ thống Thiết kế hệ thống Lập trình kiểm tra hệ thống Vận hành bảo trì hệ thống kết chương Xây dựng hệ thống cân động vật 4.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình 4.2 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình 4.3 Các chức chương trình 4.4 Màn hình giao diện chức 4.5 Lập kế hoạch triển khai thực tế 4.6 Xác định rủi ro 4.7 Đánh giá kết thử nghiệm A Vi điều khiển PIC A.1 Từ Vi xử lý đến Vi điều khiển A.2 Vi điều khiển họ PIC A.3 Lập trình cho PIC A.4 Một vài đặc tính PIC thể cho phần cứng nhúng phần mềm: C# 32 33 33 40 47 47 48 48 49 51 51 55 58 59 67 67 68 69 69 B Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán 71 B.1 Ứng dụng mạch tuyến tính B.2 Các ứng dụng phi tuyến Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 76 Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương Khảo sát trạng hệ thống cân động vật thể Giới thiệu Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam, giới thiệu phương pháp cân than tàu hỏa, đưa tính cần có hệ thống cân động 1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV Chặng đường phát triển Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam (trước Tổng công ty Than việt Nam) thành lập ngày 10/10/1994 theo định số 563/QĐ.TTg Thủ tướng Chính phủ Thực nhiệm vụ quan trọng mà Đảng Nhà nước giao, từ vào hoạt động, Tập đoàn xây dựng đề án “Đổi tổ chức, quản lý, nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh”, lựa chọn chiến lược “phát triển kinh doanh đa ngành công nghiệp than” phương châm “cùng phát triển với bạn hàng” Từ mục tiêu chiến lược đề ra, Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam (TKV) thay đổi hẳn chế quản lý, mơ hình tổ chức sản xuất tiêu thụ sản phẩm, chế quản lý tài chính, tích cực đầu tư, đổi công nghệ khai thác than, đầu tư cải tạo hồn thiện dây chuyền cơng nghệ khai thác than, sàng tuyển, bến rót tiêu thụ Trên sản xuất than, Tập đoàn TKV mạnh dạn sử dụng nguồn nhân lực sẵn có tạo từ than để đầu tư ngành nghề khác phát triển mạnh mẽ ngành khí mỏ theo hướng đại hóa khí sửa Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV Hình 1.1: Cơng ty than khống sản Việt Nam - TKV chữa, phát triển khí chế tạo, lắp ráp, sản xuất xe tải, đóng tàu thủy; xây dựng nhà máy nhiệt điện; tích cực đầu tư nâng cao sản lượng khai thác khoáng sản; sản xuất vật liệu nổ công nghiệp, xi măng, vật liệu xây dựng; công tác nghiên cứu, ứng dụng khoa học công nghệ, bảo vệ môi trường trọng; thương mại dịch vụ ngành nghề khác đầu tư phát triển Trong suốt chặng đường 12 năm hoạt động, cơng nhân, cán Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam khơng ngừng nỗ lực, chủ động, sáng tạo, khẳng định sức mạnh tinh thần đồn kết, tâm vượt khó, phấn đấu vươn lên, liên tiếp hồn thành toàn diện tiêu kế hoạch, năm sau cao năm trước Năm 2003 khai thác tiêu thụ 18 triệu than, đơn vị kinh tế nước hoàn thành vượt kế hoạch trước năm mục tiêu kế hoạch năm (2001 – 2005) mà Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ IX đề (Từ 14-16 triệu tấn) Năm 2006, năm kỷ niệm 70 năm Truyền thống cơng nhân vùng mỏ Truyền thống Ngành Than, Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam tiếp tục chuyển đổi chế quản lý mới, với mục tiêu chiến lược “Từ tài nguyên khoáng sản nguồn nhân lực lên giàu mạnh” với phương châm “Phát triển hài hịa thân thiện với mơi trường, với Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1 Thực trạng tập đoàn than - khoáng sản Việt Nam-TKV địa phương cộng đồng; với đối tác bạn hàng hài hòa nội bộ”, Tập đồn cơng ty thành viên tập trung nguồn lực, sản xuất tiêu thụ 37 triệu than, vượt mục tiêu quy hoạch đến năm 2010 (là 23 – 24 triệu tấn) Thủ tướng Chính phủ phê duyệt 12 năm, hành trình đầy gian nan thử thách, song bước mình, Ngành Than – Khống sản Việt Nam luôn quan tâm Đảng, Nhà nước, Chính phủ, cấp ủy Đảng, quyền nhân dân địa phương Sự quan tâm nguồn cổ vũ lớn lao, tiếp thêm sức mạnh để cơng nhân, cán ngành Than – Khống sản Việt Nam vững bước lên, lao động sáng tạo, khó khăn, lĩnh người thợ mỏ thể khẳng định, hăng hái đầu hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ giao Phẩm chất sức sống thợ mỏ suốt chặng đường hình thành phát triển tinh thần “Kỷ luật đồng tâm”, bề dày truyền thống hệ cán bộ, công nhân thợ mỏ giữ gìn phát huy, lập nhiều thành tích vẻ vang, xây dựng Tập đồn phát triển nhanh, mạnh, hiệu quả, vị ngày nâng cao (theo [13]) Cơng ty than ng Bí thành viên tập đồn than khống sản TKV, chun cung cấp than cho nhà máy nhiệt điện ng Bí, số đơn vị khác Hàng ngày, than chở từ cơng ty than ng Bí đến nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện cung cấp cho lưới điện quốc gia Mỗi ngày, cơng ty than ng Bí cung cấp cho nhà máy nhiệt điện phả lại khoảng chuyến tàu chở than, chuyến dài khoảng đến 30 toa, chất đầy than Có nhiều cách để xác định khối lượng than toa tàu, thực tế, nay, tất ước lượng, tính tốn trọng lượng than bán thị trường theo cách xác định khối lượng trọng lượng Phương pháp họ sử dụng lấy mẫu than (Do KCS làm), xác định khối lượng riêng, đưa tỷ trọng than Nhân viên cân than việc đo khối lượng nhân với tỷ trọng khối lượng ước tính Trên thực tế, có nhiều vấn đề nảy sinh q trình xác định khối lượng, KCS lấy mẫu, độ ẩm than khác với độ ẩm bán, điều có nghĩa trời mưa nắng than có khối Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2 Mô tả nghiệp vụ hệ thống hành lượng khác so với ước tính Do bên bán bên mua tính khối lượng chuyến hàng thường khác 1.2 Mô tả nghiệp vụ hệ thống hành Phương pháp xác định khối lượng, quy trình tính tốn khối lượng cơng ty than theo bước sau đây, giả sử trình xuất hàng cơng ty: • Than sẵn sàng xuất khỏi công ty, KCS kiểm tra đánh giá chất lượng than, bao gồm khối lượng riêng, độ ẩm, độ bột (than viên/cám), • KCS đưa cơng thức tính khối lượng than theo thể tích Với V (m3 ) than, với tỷ trọng k Như vậy, khối lượng m = V ∗ k(kg) • Các bên liên quan đến mua bán than chứng kiến việc xác định thể tích tàu than, ký kết vào phiếu cân • Phiếu cân thành nhiều bản, bên liên quan giữ • Căn vào phiếu cân, bên nhận than kiểm tra lại thể tích thực than mà nhận, sau xác định lại tỷ trọng k than thời điểm nhận than, tính khối lượng thực mà nhận • Hai bên thỏa thuận lại sai lệch chấp nhận khối lượng thực theo thỏa thuận 1.3 Mô tả, xác định mục tiêu yêu cầu hệ thống Phân tích ưu - nhược điểm hệ thống tại: Hệ thống hồn tồn người chủ động, nên khơng thể xác Đơi nắng mưa ảnh hưởng đến độ ẩm than, làm cho tỷ trọng khác với lấy mẫu, dẫn đến than bắt đầu xuất kho bên bán có khối lượng, than nhập kho bên mua, có khối lượng khác Do hai bên mua bán than muốn có lợi, xảy mâu thuẫn tranh chấp Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4 Tổng kết chương Mục tiêu hệ thống mới: Hệ thống phải khắc phục nhược điểm hệ thống hành, có tính năng: • Cân thiết bị điện tử máy tính • Xác định xác trọng lượng thực than • Cân tàu chạy với vận tốc từ 3-15Km/h • Dải cân xác cho toa có khối lượng từ 100kg đến 120 • Sai số cho phép nằm khoảng 0.5% • Mất điện khoảng thời gian định, cân bình thường • Lưu trữ kết lần cân khoảng thời gian theo ý muốn • Phân biệt loại bỏ đầu tàu • Phát cảnh báo toa rỗng (Toa khơng có hàng) • Khối lượng khơng phụ thuộc KCS • Không phải trải qua đàm phán triết khấu khối lượng theo thời tiết • Giao diện máy tính thân thiện • In trực tiếp phiếu cân từ phần mềm cho lần cân • Tống hợp lượng than bán tháng / quý / năm 1.4 Tổng kết chương Khảo sát trạng hệ thống cũ điều cần thiết, qua ta xác định hệ thống hoạt động nào, trình vận hành hệ thống sao, có ưu nhược điểm gì, Từ đó, ta xây dựng lên hệ thống mới, có tính hiệu cao so với hệ thống cũ, phương pháp vận hành hệ thống có tính thừa kế Trong chương này, tất đặc điểm hệ thống xác lập, từ đó, làm tảng để thiết kế chương Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Chương Thiết kế tổng thể hệ thống cân động vật thể Thiết kế tổng thể hệ thống dạng sơ đồ khối: thiết kế phần cứng phần mềm, nêu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật khối, phương pháp giao tiếp, mức tín hiệu vào ra, 2.1 Thiết kế phần cứng Có nhiều cách thiết kế phần cứng, mục tiêu phải đạt tiêu chí sau: • Hiệu quả, xác: Mỗi toa tàu, nặng đến 120 tấn, (hoạt động bình thường cơng ty than ng bí 50-60 tấn), với sai số u cầu không 0.5%, tức là: sai số m ≤ 0.0005∗120, 000(kg) = 60(kg)cho toa Yêu cầu Loadcell (Cảm biến đo khối lượng) phải chịu sức nặng lên đến 120 tấn, khuếch đại nằm dải − 10v − 20mA (Tín hiệu theo chuẩn cơng nghiệp) chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) phải thỏa mãn yêu cầu theo sai số • Nhanh chóng: Tốc độ tàu u cầu cân − 15km/h, có nghĩa thời gian đó, phải thu thập đủ liệu để tính tốn Tính tốn khối lượng toa cách tính tổng khối lượng trục bánh Muốn tính khối lượng, ta phải dùng thuật toán lọc, FFT, xác định đỉnh , Tất thuật toán cần nhiều mẫu làm Tiêu chí đặt nhất, cần có khoảng ≥ 100 mẫu/một cụm bánh Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1 Thiết kế phần cứng • Ổn định: Trong mơi trường cân, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, mưa gió, sấm sét, điện, nhiễu, Các yếu tố trực tiếp gián tiếp gây ổn định cho hệ thống Yêu cầu cần phải hạn chế tối đa tác động ngoại cảnh đến hệ thống, Vậy có phương pháp xây dựng phần cứng mà đạt yêu cầu trên? 2.1.1 Các phương án thiết kế phần cứng hệ thống Sơ đồ khối hệ thống hình 2.1 Trong đó, phần quan trọng modul điều khiển trung tâm, có nhiều phương án thiết kế modul điều khiển trung tâm, phương án đó, phải thiết kế modul lại cho phù hợp Dưới đây, thiết kế lựa chọn modul điều khiển trung tâm (như hình 2.1), chọn phương án hợp lý, thiết kế hệ thống Hiển thị Điều khiển trung tâm Phím điều khiển Máy tính Khuếch đại Cảm biến khối lượng Nguồn ni Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng thể Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh sách hình vẽ 1.1 Cơng ty than khoáng sản Việt Nam - TKV 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Sơ đồ khối tổng thể Sơ đồ khối tổng thể chọn Mối quan hệ công việc pha phân yêu cầu Thiết kế logic thiết kế chi tiết Lập trình tập trung xây dựng lớp tích 15 17 17 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Thiết kế khí gá lắp Loadcell Khoảng cách bánh tàu trục Thiết kế chi tiết phần cứng hệ thống Sơ đồ nguyên lý Loadcell Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại Loadcell Sơ đồ nguyên lý khối AD Sơ đồ thuật toán đọc ADC Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị Mạch hiển thị khối lượng tốc độ Bàn phím chỉnh tham số gốc Truyền thông USB Khối nguồn Mơ tín hiệu điện khối nguồn Biểu đồ ca sử dụng Biểu đồ lớp Biểu đồ trình tự: "Cập nhật thơng tin" Biểu đồ trình tự: "In phiếu cân" 19 19 20 21 22 23 24 25 25 26 27 30 31 36 37 37 38 Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH SÁCH HÌNH VẼ 65 3.18 Biểu đồ cộng tác 3.19 Biểu đồ lớp chi tiết 3.20 Mạch in thành phẩm 38 39 40 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 Giao diện hình Giao diện hình báo cáo Giao diện hình cài đặt Nhóm liệu toa tàu có hàng Dữ liệu chuyến tàu có hàng, 11 toa đầu tàu Dữ liệu chuyến tàu có hàng, 11 toa gồm đầu tàu Dữ liệu chuyến tàu có hàng, đầu tàu loại nhỏ Dữ liệu chuyến tàu không hàng, 11 toa đầu tàu Sản phẩm thực tế 52 53 54 55 56 56 57 57 60 B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9 B.10 B.11 B.12 B.13 B.14 B.15 B.16 Mạch khuếch đại vi sai Mạch khuếch đại đảo Mạch khuếch đại không đảo Mạch theo điện áp Mạch khuếch đại tổng Mạch tích phân - Mạch vi phân Mạch so sánh Mạch khuếch đại đo lường Mạch chuyển đổi kiểu Schmitt (Schmitt Mạch giả lập cuộn cảm Mạch biến đổi tổng trở âm Mạch chỉnh lưu xác Mạch khuếch đại đầu Lô-ga Mạch khuếch đại đầu hàm số mũ Một số loại Loadcell thông dụng 72 72 73 73 74 74 75 75 75 76 76 76 76 77 78 78 Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trigger) Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Quốc Trung (2004), Xử lý tín hiệu lọc số, Nxb KHKT [2] Đồn Văn Ban (Hà Nội,2005), Phân tích, thiết kế hướng đối tượng với UML [3] Nguyễn Xuân Huy (1994), Công nghệ phần mềm, Đại học Tổng hợp Tp Hồ Chí Minh [4] Quatrani T (2000), Visual Modeling With Rational Rose and UML, Addison-Wesley, http://www.rational.com [5] Hoàng Minh Sơn (2005), Mạng truyền thông công nghiệp, NXB KHKT [6] British Standard (1998), BS 7925- - Standard for Software Component Testing, British Computer Society [7] Cem Kaner, Jack Falk, Hung Quoc Nguyen (1999), Testing Computer Software, John Wiley Sons, Inc [8] IEEE (1997), IEEE Std 1028-1997 – IEEE Standard for Software Review, The Institute of Electrical and Electronics Engineerings, Inc., USA [9] http://PICAT.dieukhien.net [10] http://Microchip.com [11] http://hiendaihoa.com [12] http://www.automation.org.vn [13] http://www.vinacomin.vn [14] http://www.usb.org/developers/hidpage/ [15] http://www.mikroe.com/en/ Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Phụ lục A Vi điều khiển PIC A.1 Từ Vi xử lý đến Vi điều khiển Bộ Vi xử lý có khả vượt bậc so với hệ thống khác khả tính tốn, xử lý, thay đổi chương trình linh hoạt theo mục đích người dùng, đặc biệt hiệu toán hệ thống lớn.Tuy nhiên ứng dụng nhỏ, tầm tính tốn khơng địi hỏi khả tính tốn lớn việc ứng dụng vi xử lý cần cân nhắc Bởi hệ thống dù lớn hay nhỏ, dùng vi xử lý địi hỏi khối mạch điện giao tiếp phức tạp Các khối bao gồm nhớ để chứa liệu chương trình thực hiện, mạch điện giao tiếp ngoại vi để xuất nhập điều khiển trở lại, khối liên kết với vi xử lý thực công việc Để kết nối khối đòi hỏi người thiết kế phải hiểu biết tinh tường thành phần vi xử lý, nhớ, thiết bị ngoại vi Hệ thống tạo phức tạp, chiếm nhiều không gian, mạch in phức tạp vấn đề trình độ người thiết kế Kết giá thành sản phẩm cuối cao, không phù hợp để áp dụng cho hệ thống nhỏ Vì số nhược điểm nên nhà chế tạo tích hợp nhớ số mạch giao tiếp ngoại vi với vi xử lý vào IC gọi Microcontroller-Vi điều khiển Vi điều khiển có khả tương tự khả vi xử lý, cấu trúc phần cứng dành cho người dùng đơn giản nhiều Vi điều khiển đời mang lại tiện lợi người dùng, họ không cần nắm vững khối lượng kiến thức lớn người dùng vi xử lý, kết cấu mạch điện dành cho người dùng trở nên đơn giản nhiều có khả giao tiếp trực tiếp với thiết bị bên Vi điều khiển xây dựng với phần cứng dành cho người sử dụng đơn giản hơn, Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn A.2 Vi điều khiển họ PIC 68 thay vào lợi điểm khả xử lý bị giới hạn (tốc độ xử lý chậm khả tính tốn hơn, dung lượng chương trình bị giới hạn) Thay vào đó, Vi điều khiển có giá thành rẻ nhiều so với vi xử lý, việc sử dụng đơn giản, ứng dụng rộng rãi vào nhiều ứng dụng có chức đơn giản, khơng địi hỏi tính tốn phức tạp Vi điều khiển ứng dụng dây chuyền tự động loại nhỏ, robot có chức đơn giản, máy giặt, ôtô v.v A.2 Vi điều khiển họ PIC PIC họ vi điều khiển RISC sản xuất công ty Microchip Technology Dòng PIC PIC1650 phát triển Microelectronics Division thuộc General Instrument PIC bắt nguồn chữ viết tắt "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thơng minh) sản phẩm hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm họ PIC1650 Lúc này, PIC1650 dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vậy, người ta gọi PIC với tên "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 CPU tốt, lại hoạt động xuất nhập, PIC 8-bit phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sử dụng microcode đơn giản đặt ROM, mặc dù, cụm từ RISC chưa sử dụng thời bây giờ, PIC thực vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy lệnh chu kỳ máy (4 chu kỳ dao động) Năm 1985 General Instruments bán phận vi điện tử họ, chủ sở hữu hủy bỏ hầu hết dự án - lúc lỗi thời Tuy nhiên PIC bổ sung EEPROM để tạo thành điều khiển vào khả trình Ngày nhiều dịng PIC xuất xưởng với hàng loạt module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn A.3 Lập trình cho PIC A.3 69 Lập trình cho PIC PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ: PIC12Cxxx) mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx), tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, 70 lệnh dòng PIC high-end (độ dài mã lệnh 16 bit, ví dụ: PIC18Fxxxx) Tập lệnh bao gồm lệnh tính tốn ghi, với số, vị trí nhớ, có lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm, lệnh để quay trở về, có tính phần cứng khác ngắt sleep (chế độ hoạt động tiết kiện điện) Microchip cung cấp mơi trường lập trình MPLAB, bao gồm phần mềm mơ trình dịch ASM Một số cơng ty khác xây dựng trình dịch C, Basic, Pascal cho PIC Microchip bán trình dịch "C18" (cho dòng PIC high-end) "C30" (cho dòng dsPIC30Fxxx) Họ cung cấp "student edition/demo" dành cho sinh viên người dùng thử, version khơng có chức tối ưu hố code có thời hạn sử dụng giới hạn Những trình dịch mã nguồn mở cho C, Pascal, JAL, Forth, cung cấp PicForth GPUTILS kho mã nguồn mở công cụ, cung cấp theo công ước quyền GNU General Public License GPUTILS bao gồm trình dịch, trình liên kết, chạy Linux, Mac OS X, OS/2 Microsoft Windows GPSIM trình mô dành cho vi điều khiển PIC thiết kế ứng với module phần cứng, cho phép giả lập thiết bị đặc biệt kết nối với PIC, ví dụ LCD, LED A.4 Một vài đặc tính PIC Hiện có nhiều dịng PIC có nhiều khác biệt phần cứng, điểm qua vài nét sau: • 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard có sửa đổi • Flash ROM tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte • Các cổng Xuất/Nhập (I/O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic logic 1) • 8/16 Bit Timer Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn A.4 Một vài đặc tính PIC 70 • Cơng nghệ Nanowatt • Các chuẩn Giao Tiếp Ngoại Vi Nối Tiếp Đồng bộ/Không đồng USART, AUSART, EUSARTs • Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit • Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators) • Các module Capture/Compare/PWM • LCD • MSSP Peripheral dùng cho giao tiếp I2 C, SPI, I2 S • Bộ nhớ nội EEPROM - ghi/xố lên tới triệu lần • Module Điều khiển động cơ, đọc encoder • Hỗ trợ giao tiếp USB • Hỗ trợ điều khiển Ethernet • Hỗ trợ giao tiếp CAN • Hỗ trợ giao tiếp LIN • Hỗ trợ giao tiếp IrDA • Một số dịng có tích hợp RF (PIC16F639, rfPIC) • KEELOQ Mã hố giải mã • DSP tính xử lý tín hiệu số (dsPIC) Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Phụ lục B Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán Bài nêu lên số ứng dụng tiêu biểu linh kiện tích hợp mạch rắn - Mạch khuếch đại thuật tốn Trong có sử dụng sơ đồ đơn giản hóa, người đọc nên lưu ý nhiều chi tiết tên linh kiện, số thứ tự chân nguồn cung cấp hình Các điện trở sử dụng sơ đồ thường ghi nhận giá trị đơn vị kΩ Các điện trở có dải < kΩ gây dịng điện q mức có khả phá hỏng linh kiện Các điện trở có dải >1 M Ω gây tạp âm nhiệt làm cho mạch vận hành ổn định ứng với dòng định thiên đầu vào Ghi chú: Một điều quan trọng cần lưu ý công thức giả định sử dụng mạch khuếch đại thuật tốn lý tưởng Điều có nghĩa thiết kế thực tế mạch cần phải tham khảo thêm số tài liệu chi tiết khác B.1 Ứng dụng mạch tuyến tính Sau mạch bổ trợ cho việc thiết kế phần cứng luận văn Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 72 - Mạch khuếch đại vi sai Thuật ngữ "Mạch khuếch đại vi sai" không nhầm lẫn với thuật ngữ "Mạch vi phân" Vout = V2 Hình B.1: Mạch khuếch đại vi sai Mạch điện dùng để tìm hiệu số, sai số điện áp mà điện áp nhân với vài số Các số xác định nhờ điện trở (Rf + R1 )Rg (Rg + R2 )R1 − V1 Rf R1 Tổng trở vi sai Zin (giữa chân đầu vào) = R1 + R2 - Hệ số khuếch đại vi sai: Nếu R1 = R2 Rf = Rg , Vout = A(V2 − V1 ) A = Rf /R1 - Mạch khuếch đại đảo Vout = −Vin (Rf /Rin ) Zin = Rin (vì V − điểm đất ảo) Một điện trở thứ ba, có trị số Rf Rin = Hình B.2: Mạch khuếch đại đảo Rf Rin /(Rf +Rin ), thêm vào đầu vào Dùng để đổi dấu không đảo đất không cần khuếch đại điện áp thiết lắm, giảm thiểu sai số dòng định thiên đầu vào (nhân với số âm) Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 73 - Mạch khuếch đại khơng đảo Hình B.3: khơng đảo Mạch khuếch đại Zin = ∞ (thực ra, tổng trở thân đầu vào op-amp có giá trị từ 1M ω đến 10T ω Trong nhiều trường hợp tổng trở đầu vào xem cao hơn, ảnh hưởng mạch hồi tiếp.) Dùng để khuếch đại điện áp (nhân với Một điện trở thứ ba, có giá trị R Rin f số lớn 1) , thêm vào nguồn tín hiệu vào Vin đầu vào không đảo thực không R2 Vout = Vin + cần thiết, làm giảm thiểu R1 sai số dòng điện định thiên đầu vào - Mạch theo điện áp Hình B.4: Mạch theo điện áp Được sử dụng khuếch đại đệm, để giới hạn ảnh hưởng tải hay để phối hợp tổng trở (nối linh kiện có tổng trở nguồn lớn với linh kiện khác có tổng trở vào thấp) Do có hồi tiếp âm sâu, mạch có khuynh hướng khơng ổn định tải có tính dung cao Điều ngăn ngừa cách nối với tải qua điện trở Vout = Vin Zin = ∞ (thực ra, tổng trở thân đầu vào op-amp có giá trị từ 1M ω đến 10T ω.) Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 74 - Mạch khuếch đại tổng Mach sử dụng để làm phép cộng số tín hiệu điện áp V1 V2 Vn + + + R1 R2 Rn Vout = −Rf R1 = R2 = = Rn , Rf độc lập Vout = − Hình B.5: Mạch khuếch đại tổng Rf R1 (V1 + V2 + · · · + Vn ) Nếu R1 = R2 = · · · = Rn = Rf Vout = −(V1 + V2 + · · · + Vn ) Ngõ đổi dấu Tổng trở đầu vào Zn = Rn , cho đầu vào (V − xem điểm đất ảo) - Mạch tích phân Mạch dùng để tích phân (có đảo dấu) tín hiệu theo thời gian t − Vout = Hình B.6: Mạch tích phân Vin dt + Vinitial RC (Trong đó, Vin Vout hàm số theo thời gian, Vinitial điện áp ngõ mạch tích phân thời điểm t = 0.) Lưu ý cấu trúc mạch xem mạch lọc thông thấp, dạng mạch lọc tích cực Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 75 - Mạch vi phân Mạch để lấy vi phân (có đảo dấu) tín hiệu theo thời gian Thuật ngữ "Mạch vi phân" tránh không nên nhầm lẫn với "mạch khuếch đại vi sai", trang Vout = −RC Hình B.7: - Mạch vi phân dVin dt (Trong đó, Vin Vout hàm số theo thời gian) Lưu ý cấu trúc mạch xem mạch lọc thông thượng, dạng mạch lọc tích cực - Mạch so sánh Mạch để so sánh hai tín hiệu điện áp, chuyển mạch ngõ để hiển thị mạch có điện áp cao Vout = Hình B.8: Mạch so sánh VS+ V1 > V2 VS− V1 < V2 (Trong Vs điện áp nguồn, mach cấp nguồn từ + Vs −Vs ) - Mạch khuếch đại đo lường Người ta kết hợp đặc tính tổng trở vào cao, độ suy giảm tín hiệu đồng pha cao, điện áp bù đầu vào thấp đặc tính khác để thiết kế mạch đo lường xác, độ nhiễu thấp Hình B.9: Mạch khuếch đại đo lường Mạch thiết lập cách thêm mạch khuếch đại không đảo, đệm vào đầu vào mạch khuếch đại vi sai để tăng tổng trở vào Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 76 - Mạch chuyển đổi kiểu Schmitt (Schmitt trigger) Mạch so sánh có trễ R1 Độ trễ từ −R R2 Vsat đến R2 Vsat Hình B.10: Mạch chuyển đổi kiểu Schmitt (Schmitt trigger) Hình B.12: Mạch biến đổi tổng trở âm - Mạch biến đổi tổng trở âm Rin = −R3 Hình B.11: Mạch giả lập cuộn cảm B.2 R1 R2 Các ứng dụng phi tuyến Dưới mạch phi tuyến, sử dụng để thiết kế phần tử mạch - Mạch chỉnh lưu xác Cấu hình có số hạn chế Để biết thêm thơng tin để biết cấu hình thực tế sử dụng, xem Hình B.13: xác Mạch chỉnh lưu Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 77 - Mạch khuếch đại đầu Lô-ga Mối quan hệ vin điện áp đầu vào điện áp đầu v( out) cho bởi: vout = −Vγ ln vin IS · R nơi Is bão hòa dòng Nếu khuếch đại xem lý tưởng, chân âm nối mass, đó, dịng chảy vào điện trở từ nguồn (và thơng qua diode để đầu ra, từ op-amp đầu vào khơng tạo điện áp) là: Hình B.14: Mạch khuếch đại đầu Lô-ga vin = IR = ID R ID có dịng chảy qua diode Được biết, mối quan hệ dòng điện điện áp cho diode là: VD ID = IS e Vγ − Điều này, điện áp lớn khơng, xấp xỉ bởi: ID VD IS e Vγ Đưa cặp cơng thức với xem xét thấy có điện áp đầu âm qua diode (Vout = - VD), mối quan hệ chứng minh Lưu ý điều thực không xem xét ổn định nhiệt độ khơng có hiệu ứng khác lý tưởng Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn 78 - Mạch khuếch đại đầu hàm số mũ Mối quan hệ điện áp đầu vào vin điện áp đầu vout cho bởi: vin vout = −RIS e Vγ Nơi IS bão hồ dịng Xem xét hoạt động khuếch đại lý tưởng, chân âm nối đất, đó, dịng thơng qua diode cho bởi: Hình B.15: Mạch khuếch đại đầu hàm số mũ VD ID = IS e Vγ − điện áp lớn khơng, xấp xỉ bởi: VD ID IS e Vγ Điện áp đầu cho bởi: vout = −RID Hình B.16: Một số loại Loadcell thông dụng Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn ... xác định yêu cầu Phân tích hệ thống Thiết kế hệ thống Lập trình kiểm tra hệ thống Vận hành bảo trì hệ thống kết chương Xây dựng hệ thống cân động vật 4.1 Giới thiệu ngơn... quan hệ chúng hệ thống Nhiệm vụ khâu phân tích nghiên cứu kỹ yêu cầu hệ thống phân tích thành phần hệ thống mối quan hệ chúng Trong khâu phân tích hệ thống chủ yếu trả lời câu hỏi: • Hệ thống. .. mềm hệ thống khác tồn độc lập mà ln hoạt động tồn môi trường, tương tác với giới xung quanh Như vậy, hệ thống xem hệ thống hệ thống khác thân lại chứa số hệ thống khác nhỏ Công nghệ phần cứng