Giáo trình Ghép nối và điều khiển thiết bị ngoại vi: Phần 1

[r]

(1)

Tài liệu môn học: Ghép nối ñiều 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

(2)

Tài liệu môn 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 đểđạt 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 ñiều 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 điều khiển số…

Mơn học ghép nối ñiều 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

(3)

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 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

2.1Các 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

2.2Ghép nối song song đơn giản: có hay khơng có đối thoại 2.2.1 Cửa vào đơn giản khơng đối thoại

2.2.2 Cửa đơn giản khơng đối thoại 2.2.3 Cửa vào đơn giản có đối thoại 2.2.4 Cửa đơn giản có ñối thoại

2.3Ghép nối song song ñiều khiển chương trình 2.3.1 Sơđồ khối chức khối 8255A

2.3.2 Các chếñộ 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 3.1Giới thiệu chung trao ñổi liệu nối tiếp

(4)

Tài liệu môn 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 Sơñồ 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

4.1Khái niệm phân loại ngắt 4.1.1 Khái niệm 4.1.2 Phân loại ngắt

4.2Xử 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

4.3Vi mạch ñiều khiển ngắt 8259A

4.3.1 Sơñồ khối chức khối 8259A 4.3.2 Cấu trúc hoạt ñộng vi mạch 8259A 4.3.3 Ghép nối với 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 chếñộ trao ñổi liệu DMA

5.2 Bộñiều khiển DMA – 8237A

5.2.1 Sơñồ khối chức khối DMAC 8237A 5.2.2 Ghép nối với 8237A hệ vi xử lý 8088

CHƯƠNG 6: GHÉP NỐI TƯƠNG TỰ-SỐ VÀ SỐ-TƯƠNG TỰ

6.1 Giới thiệu số mạch khuếch đại thuật tốn

6.1.1 Các tham số mạch khuếch đại thuật tốn 6.1.2 Các sơđồ khuếch đại thuật tốn 6.2 Bộ chuyển ñổi 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

(5)

Tài liệu mơn học: Ghép nối điều 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

(6)

Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI

1.1. 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 cịn 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 nhưổ cứng, ổ CD-ROM… • BGN với MVT khác mạng nhiều MVT

• BGN với hệ vi ñiều khiển, hệ vi xử lý • BGN hệđo lường - điều khiển:

Hình 1.1: Cấu trúc hệ GN trao ñổi dữ liệu tin giữa 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 công nghiệp

ðK ñiều khiển V

X L

RAM ROM

BGN Bàn phím Màn hình

BGN

Máy in bộBGN nhớ

ngoài

BGN Song song /nối tiếp

BGN Vào/ra

Ổ cứng CD-ROM

BGN Song song /nối tiếp

MVT /Vi ðK

Cảm biến

ño lường

BGN Vào/ra

Cơ cấu chấp hành

Thiết bị

CN

ðường dây liệu ñịa MVT

ðường dây

(7)

ðặt biệt hệ ño lường - ñiều khiển, MVT nhận liệu trạng thái vật lý hệ

thống (nhiệt độ, áp suất, điện áp, dịng điện…) dạng tín hiệu điện, từđầu dị

cảm biến (sensor), chuyển ñổi (tranducer), phát (detector) Và MVT cịn nhận thơng tin trạng thái sẵn sàng hay bận thiết bịđo

MVT sau đưa tín hiệu chấp nhận trao ñổi liệu với TBNV, thu thập xử lý

liệu, tính tốn tín hiệu điều khiển đưa cấu chấp hành (các van đóng mở, rơle mạch điện, mạch ñộng lực ñiều tốc ñộng cơñiện…), hay ñưa thông số kỹ thuật cho thiết bị

Ngồi ra, MVT cịn cần lưu trữ liệu ổ cứng, ñĩa compact (CD-ROM) ñể tra

cứu lúc cần, hiển thị kết quảño dạng bảng số liệu, dạng đồ thị hay hình vẽđồ hoạ

trên hình

1.1.2 Nhiệm vụ của bộ 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 vụđiều chỉnh mức tín hiệu cơng 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

1. Phối hợp mức công 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, đưa liệu vào Do vi mạch trạng thái trở kháng cao khơng có trao đổi liệu, để lập TBNV với MVT, ñể không tiêu thụ chút công suất ñường dây ñể bảo vệ MVT

2. 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 3. 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 ñó 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

4. Phối hợp phương thức trao ñổi liệu - Việc ñọc/xuất liệu MVT khởi xướng:

(8)

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 đổi liệu tới phận xử lý ngắt BGN Nếu có nhiều TBNV ñồng thời ñưa yêu cầu, BGN xếp theo thứ tựưu tiên ñịnh sẵn,

ñưa yêu cầu tới MVT MVT sau nhận tín hiệu u 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 đổi liệu qua trung gian BGN

Hình 1.2: GN giữa MVT TBNV 1.1.3 Thủ tục trao ñổi dữ liệu của máy vi tính

MVT trao đổi liệu với TBNV theo hai chếñộ: - Chếđộ chương trình:

Gồm lệnh VÀO, RA CHUYỂN liệu ghi - Chếñộ 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 chếñộ trao ñổi 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

1 Trao ñổi ñồng bộ:

Sau khởi động TBNV, MVT khơng cần quan tâm tới TBNV có sẵn sàng trao đổi liệu hay khơng mà đưa ln lệnh trao đổi liệu Do TBNV phải ln sẵn sàng trao đổi liệu Phương pháp trao đổi liệu có ưu điểm nhanh, khơng tốn thời

gian chờđợi Tuy nhiên có nhược ñiểm thiếu tin cậy, ñôi bị liệu có cố làm TBNV chưa sẵn sàng trao đổi

2 Trao đổi khơng ñồng bộ: Trình tự trao ñổi diễn sau:

- MVT đưa tín hiệu điều khiển tới BGN

- MVT chờ kiểm tra trạng thái sẵn sàng trao ñổi TBNV Nếu chưa sẵn sàng đọc kiểm tra lại trạng thái

MVT

BGN

TBNV

ñiều khiển

số liệu

ñiều khiển

số liệu GN

(9)

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 ñiểm tin cậy, lại tốn thời gian sử dụng MVT

Trao đổi theo ngắt chương trình:

Phương pháp khắc phục ñược nhược ñiểm phương pháp Trình tự

sau:

- MVT thực chuỗi lệnh chương trình

- TBNV có u cầu trao đổi 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 ñã yêu cầu

- Chương trình lại tiếp tục thực chỗ bị ngắt

a) ðồng b) Khơng đồng c) Ngắt chương trình Hình 1.3 : Trao đổi dữ liệu theo chương trình

Chương trình

Trao đổi liệu

Chương trình

Trao ñổi liệu TBNV sẵn sàng ?

Chương trình Chưa

Rồi

(10)

1.2. Giới thiệu một số vi mạch dùng bộ ghép nối

Thơng thường BGN có chốt liệu, bộñệm trạng thái ñể nối với BUS mạch lật tạo tín hiệu ñối thoại

1.2.1 Các mạch logic cơ bản

Mạch AND

- SN7408 Bảng trạng thái

- SN7409

A B Y

L L L

H L L

L H L

H H H

Mạch OR

A B Y

L L L

H L H

L H H

H H H

Mạch NOT

- SN7404: Bảng trạng thái:

- SN7405 - SN7406

A Y

L H

H L

Mạch EX-OR Bảng trạng thái - SN74136

A B Y

L L L

H L H

L H H

H H L

14 13 12 11 10

1 Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y

GND 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y 14 13 12 11 10

1 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3B 3A 3Y

GND 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y

14 13 12 11 10

1 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3B 3A 3Y

14 13 12 11 10

1 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3B 3A 3Y

(11)

Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi Mạch NAND

- SN7400 Bảng trạng thái: - SN7401

- SN7403

A B Y

L L H

H L H

L H H

H H L

Mạch NOR Bảng trạng thái

- SN7402 - SN7428

A B Y

L L H

H L L

L H L

H H L

Mạch EX-NOR Bảng trạng thái

- SN74HC266

A B Y

L L H

H L L

L H L

H H H

Mạch ñệm trạng thái kích hoạt mức thấp

- SN74125 Bảng trạng thái - SN74425

C A Y

H X Z∞

L L L

L H H

Trong Z∞ trạng thái trở kháng cao

Mạch ñệm trạng thái kích hoạt mức cao

14 13 12 11 10

1 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3B 3A 3Y