Bài giảng Điều khiển bằng máy tính - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NĨI ĐẦU Mơn học điều khiển máy tính môn học chuyên ngành dùng giảng dạy cho sinh viên năm cuối ngành Công nghệ kỹ thuật Điện, Điện tử, Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mơn học đề cập đến vấn đề ứng dụng máy tính (Máy tính cá nhân PC, máy tính công nghiệp, PLC) vào hệ thống điều khiển Xu hướng phát triển dùng điều khiển dựa vào máy tính (PC-based Control) với hệ điều hành mạnh, giao diện thân thiện, phần mềm dễ phát triển giá thành hợp lý Để học tốt môn học sinh viên cần phải học qua mơn: Cấu trúc máy tính giao diện, lý thuyết điều khiển tự động vi xử lý Bài giảng gồm phần: khái niệm chung, cấu trúc cổng giao tiếp máy tính, giao tiếp qua cổng song song, giao tiếp qua cổng nối tiếp giao tiếp qua cổng USB, Các chuẩn truyền thơng giao tiếp máy tính, lập trình cho máy tính điều khiển, card thu thập liệu điều khiển, lập trình giao tiếp nối tiếp, chuyển đổi liệu A/D D/A, điều khiển tuần tự, hệ thống điều khiển số mạng truyền thông công nghiệp Bài giảng tác giả đọc giảng dạy cho lớp ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa từ khóa đến khóa Q trình biên soạn giảng khơng tránh khỏi thiếu sót, nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn nhận xét góp ý thầy Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, bạn đồng nghiệp bạn đọc để giảng ngày hoàn thiện i Mục lục LỜI NÓI ĐẦU i CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Máy tính điều khiển trình 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Hệ thống 1.1.4 Một số ứng dụng tiêu biểu hệ thống điều khiển máy tính 1.2 Điều khiển phân cấp tích hợp hệ thống 1.3 Điều khiển vòng hở điều khiển vịng kín 1.3.1 Điều khiển vòng hở: 1.3.2 Điều khiển vịng kín (Điều khiển hồi tiếp): 1.4 Các thành phần máy tính điều khiển 10 1.4.1 Hệ thống máy tính 11 1.4.2 Bản mạch (Mainboard): 13 1.4.3 Bộ xử lý trung tâm (CPU) 14 1.4.4 Bộ nhớ (Memory) 15 1.5 Câu hỏi tập chương 15 CHƯƠNG CẤU TRÚC NGOẠI VI GIAO TIẾP MÁY TÍNH 16 2.1 Giao tiếp qua rãnh cắm máy tính 18 2.1.1 Giao tiếp qua rãnh cắm ISA 18 2.1.2.Giao tiếp qua rãnh cắm PCI 23 2.1.3 Giao tiếp qua Bus AGP 28 2.1.4 Giao tiếp qua Bus PCI Express (PCIe) 30 2.2 Cổng giao tiếp song song 32 2.2.1.Giới thiệu cổng giao tiếp song song 32 2.2.2 Cấu trúc cổng song song 33 2.3 Cổng giao tiếp nối tiếp (COM) 37 2.3.1 Cấu trúc cổng nối tiếp (COM) 38 2.3.2 Mạch chuyển mức 41 2.4 Cấu trúc cổng nối tiếp USB 42 2.4.1 Khái quát chung 42 2.4.2 Cấu trúc cổng USB 43 2.5 Giao tiếp không dây 48 2.5.1 Giao tiếp bluetooth 48 2.5.2 Giao tiếp hồng ngoại 49 2.5.3 Giao tiếp qua mạng LAN Wifi 50 ii 2.6 Phương pháp chuyển đổi cổng USB sang UART 51 2.6.1 Mạch chuyển USB sang UART có chế độ chọn 3v3 5V dùng PL2303 51 2.6.2 Mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 52 2.6.3 Mạch chuyển đổi USB sang UART dùng IC Atmega 53 2.6.4 Chuyển từ cổng USB Thành Cổng RS232 sử dụng cab chuyển đổi 55 2.7 Câu hỏi tập chương .57 CHƯƠNG CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH 58 3.1 Chuẩn giao tiếp cổng song song 58 3.2 Giao tiếp PC với PC 62 3.2.1 Giao tiếp chế độ chuẩn 62 3.2.2 Chế độ mở rộng 63 3.2.3 Giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi 64 3.3 Chuẩn kết nối ổ cứng 64 3.3.1 Chuẩn kết nối IDE (EIDE) 64 3.3.2 Chuẩn kết nối SATA (Serial ATA) 65 3.4 Chuẩn giao tiếp RS-232 67 3.4.1 Khái quát chung 67 3.4.2 Quá trình truyền liệu 69 3.4.3 Sơ đồ ghép nối RS232 70 3.5 Chuẩn RS 485 .71 3.6 Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus) .75 3.6.1 Kết nối USB với máy tính 75 3.6.2 Truyền liệu USB .78 3.7 Chuẩn giao tiếp SPI 79 3.8 Chuẩn giao tiếp I2C (I²C) 80 3.9 Chuẩn giao tiếp không dây 82 3.10 Câu hỏi tập chương .83 CHƯƠNG LẬP TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH 85 4.1 Lập trình giao tiếp cổng song song 85 4.1.1 Ghép nối hai máy tính cổng song song .85 4.1.2 Lập trình giao tiếp cổng song song với ngoại vi sử dụng Led đơn .86 4.1.3 Lập trình ghép nối cổng song song với điều khiển ĐC chiều 90 4.2 Lập trình giao tiếp qua cổng nối tiếp 91 4.2.1 Phương thức giao tiếp máy tính 91 4.2.2 Ngơn ngữ lập trình giao diện máy tính 92 4.2.3 Lập trình giao tiếp máy tính PC điều khiển thiết bị ngoại vi sử dụng phần mềm Visual tạo ứng dụng lập trình cho 8051 101 iii 4.2.4 Lập trình giao tiếp PC với Arduino dùng VB.NET cổng COM(USB) 111 4.2.5 Lập trình dùng Matlab 119 4.2.6 Lập trình dùng LABVIEW 129 Chức khối 133 4.3 Câu hỏi tập chương 146 12 Lập trình giao tiếp máy tính PC với Adruino điều khiển động chiều ứng dụng rô bốt 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO 147 iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Mơ hình q trình vật lý tổng quát Hình 1.2 Hoạt động máy tính số .1 Hình 1.3 Máy tính điều khiển q trình Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển máy tính Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phân cấp máy CNC Hình 1.6 Điều khiển phân cấp xí nghiệp Hình 1.7 Hệ thống điều khiển vịng hở Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển (HTĐK) vòng kín Hình 1.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy tính 10 Hình 1.10 Quá trình xử lý thơng tin máy tính 11 Hình 1.11 Các thành phần máy tính 12 Hình 1.12 Sơ đồ khối đơn giản mạch hệ vi tính PC 13 Hình 1.13 Cấu tạo chi tiết bo mạch chủ (Mainboard) 14 Hình 1.14 Một số loại CPU thông dụng 15 Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động hệ thống bus có vi mạch DMA .17 Hình 2.2 Một số cổng giao tiếp với máy tính 18 Hình 2.3 Vị trí Bus ISA Mainboard .19 Hình 2.4 Vị trí Bus AGP 8x Mainboard 29 Hình 2.5 Phân loại Bus AGP theo băng thơng 29 Hình 2.6 Truyền liệu qua Switch PCI Express 31 Hình 2.7 Phương thức truyền liệu PCIe 31 Hình 2.8 Các tiêu chuẩn PCIe .32 Hình 2.9 Sơ đồ chân cổng song song 33 Hình 2.10 Sơ đồ kết nối bắt tay 35 Hình 2.11 Đồ thị đọc liệu 35 Hình 2.12 Giao tiếp song song hai chiều qua cổng SPP .36 Hình 1.13 Vào bit với 74LS157 37 Hình 2.14 Sơ đồ chân cổng nối tiếp 38 Hình 2.15 Sơ đồ trao đổi thông tin 40 Hình 2.16 Sắp xếp chân (a ) sơ đồ cấu trúc (b) vi mạch MAX232 41 Hình 2.18 Kiến trúc phân tầng USB 44 Hình 2.19 Cấu trúc chân cab USB .44 Hình 2.20 Các tín hiệu USB chuẩn 3.0 45 Hình 2.21 Các tín hiệu bên cáp USB 3.0 46 Hình 2.22 Vị trí tín hiệu chuẩn 3.0 cổng USB 46 Hình 2.23 Kiến trúc bus đôi (dual bus) USB 3.0 .47 v Hình 2.24 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART 51 Hình 2.25 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng CP 2102 52 Hình 2.26 Sơ đồ mạch chuyển từ USB sang UART dùng IC mega8 53 Hình 2.27 Thiết lập chọn cổng COM 54 Hình 2.28 Thiết lập cài đặt 54 Hình 2.29 Cách nối cổng USB 55 Hình 2.30 Thiết lập cài đặt cho cab 56 Hình 2.31 Một số Card giao tiếp máy tính 57 Hình 3.1 Sơ đồ giao tiếp chế độ chuẩn 63 Hình 3.2 Chức chân giao tiếp chế độ chuẩn 63 Hình 3.3 Sơ đồ giao tiếp chức chân chế độ mở rộng 63 Hình 3.4 Sơ đồ Card giao tiếp thiết bị ngoại vi với máy tính 64 Hình 3.5 Cáp PATA ổ HDD chuẩn PATA 65 Hình 3.6 Cáp Serial ATA 66 Hình 3.7 Cáp chuẩn Serial ATA chuẩn parallel EIDE 67 Hình 3.8 Định dạng ký tự truyền theo chuẩn RS-232 68 Hình 3.9 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng Max232 70 Hình 3.10 Mạch giao tiếp chuẩn RS232 dùng DS275 71 Hình 3.12 Nguyên lý giao tiếp RS-485 72 Hình 3.13 Các thu phát 73 Hình 3.14 Bộ chuyển đổi sử dụng vi mạch đổi mức điện áp 73 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lí khối phát với chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 74 Hình 3.16 Sơ đồ nguyên lí khối thu với chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 74 Hình 3.17 Cấu trúc giao thức USB 76 Hình 3.18 Cấu trúc giao thức chuẩn SPI 79 Hình 3.19 Đồ thị chế độ hoạt động chuẩn SPI 80 Hình 3.20 Sơ đồ kết nối chuẩn I2C 82 Hình 4.1 Mạch điều khiển led đơn 86 Hình 4.2 Mạch điều khiển động chiều 90 Hình 4.3 Sơ đồ giao tiếp PC với PC 91 Hình 4.4 Sơ đồ giao tiếp PC với thiết bị ngoại vi 92 Hình 4.5 Khai báo Import Actix X 96 Hình 4.6 Thiết lập thông số cổng COM 97 Hình 4.7 Thiết lập thuộc tính MSComm 98 Hình 4.8 Sơ đồ giao tiếp máy tính qua cổng truyền thông nối tiếp với VĐK 8051 102 Hình 4.9 Khởi động Visual Basic thiết lập thơng số 102 Hình 4.10 Tạo giao diện Visual Basic 104 vi Hình 4.11 Ứng dụng chạy WINDOW 106 Hình 4.12 Thiết lập giao diện dùng Visual Basic 108 Hình 4.13 Ứng dụng chạy Window .110 Hình 4.14 Board arduino .111 Hình 4.15 Cấu tạo Arduino 112 Hình 4.16 Chương trình Blink LED 115 Hình 4.17 Giao diện chương trình nhận liệu VB NET 116 Hình 4.18 Chương trình RS232 Communication 122 Hình 4.19 Cửa sổ GUIDE Quick Start Matlab 123 Hình 4.20 Giao diện GUI Matlab .124 Hình 4.21 Giao diện tạo nút bấm .125 Hình 4.22 Thay đổi thuộc tính 126 Hình 4.23 Giao diện chọn hàm callbacks 127 Hình 4.24 Kiểm tra kết Matlab 128 Hình 4.25 Cửa số Getting Started LabVIEW .132 Hình 4.26 Cửa sổ Front Panel Block Diagram .136 Hình 27 Các kiểu liệu LabVIEW 138 Hình 4.28 Giao diện bảng điều khiển 138 Hình 4.29 Sơ đồ lập trình LabView 139 Hình 4.30 Chức khối lệnh sử dụng .139 vii Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Sơ đồ chân rãnh cắm ISA mainboard máy IBMPC – XT,AT 21 Bảng 2.2 Các địa vào máy vi tính IBMPC - AT 22 Bảng 2.3 Cho vị trí tín hiệu slot 25 Bảng 2.4 Sơ đồ chân rãnh cắm PCI 64 bit 25 Bảng 2.5 Lệnh PCI (từ C/BE#) 27 Bảng 2.6 Sơ đồ chân ý nghĩa chân cổng SPP 34 Bảng 2.7 Bảng tín hiệu cổng COM chuẩn RS-232C: 39 Bảng 3.1 Bảng sơ đồ chân giao tiếp liệu chuẩn SATA 66 viii CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Máy tính điều khiển trình 1.1.1 Khái niệm Ngày việc sử dụng máy tính nói riêng vi xử lý nói chung dây chuyền sản xuất đại yêu cầu bắt buộc để tăng suất chất lượng sản phẩm Trong sản phẩm dân dụng việc sử dụng vi xử lý góp phần tăng tính thơng minh sản phẩm tạo tiện lợi cho người sử dụng Để mô tả cụ thể máy tính điều khiển q trình, cần định nghĩa trình Quá trình vật lý (a physical process) tổ hợp tác vụ thực thi để tác động lên, thay đổi, điều giới thực Sự chuyển động, phản ứng hóa học truyền nhiệt q trình Sản phẩm (materials) lượng (energy) thành phần hiển nhiên q trình vật lí Mơi trường Nhiễu Sản phẩm vào Sản phẩm Quá trình vật lí Năng lượng vào Năng lượng Thơng tin Thơng tin vào Hình 1.1 Mơ hình q trình vật lý tổng quát Máy tính số thiết bị quan trọng xử lí thơng tin (Hình 1.2) tác động lên thông tin liên quan đến trình (Hình 1.3) Thơng tin vào Máy tính số Thơng tin Hình 1.2 Hoạt động máy tính số Vi xử lý sử dụng điều khiển đo lường ba dạng: - Máy tính điều khiển (Máy vi tính-MVT) - Vi xử lý điều khiển nhúng (còn gọi vi điều khiển-VĐK), nghĩa vi điều khiển phận không tách rời thiết bị điều khiển - Bộ điều khiển logic lập trình PLC Cả ba dạng thiết kế dựa sở hoạt động vi xử lý với chức xử lý thông tin theo sơ đồ hình 1.3 Mơi trường Nhiễu Sản phẩm vào Sản phẩm Q trình vật lí Năng lượng vào Năng lượng Tín hiệu đo lường Và điều khiển Thiết bị nhập (bàn phím) Máy tính Thiết bị xuất (Màn hình) Hình 1.3 Máy tính điều khiển q trình 1.1.2 Lịch sử phát triển Một ứng dụng máy tính điều khiển q trình vào năm 1959; liên quan đến số chức nhà máy hóa dầu Port Arthur, Texas(UAS) Cơng trình kết hợp công ty Thomson ramo Woolridge Texaco RW300, máy tính dùng đèn điện tử, kiểm sốt dòng chảy, nhiệt độ, áp suất phân tử nhà máy lọc (hóa dầu) Máy tính tính tốn tín hiệu điều khiển mong muốn dựa liệu vào thay đổi điểm đặt hiệu chỉnh analog thị người vận hành điều khiển thực tay ... dụng điều khiển đo lường ba dạng: - Máy tính điều khiển (Máy vi tính- MVT) - Vi xử lý điều khiển nhúng (còn gọi vi điều khiển- VĐK), nghĩa vi điều khiển phận không tách rời thiết bị điều khiển - Bộ... thống điều khiển máy tính Thuật tốn điều khiển: PID, đặt cực, tối ưu tuyến tính dạng tồn phương (LQ) Các thí dụ hệ thống điều khiển máy tính: - Điều khiển vị trí - Điều khiển tốc độ - Điều khiển. .. chung Máy tính tương thích IBM loại máy tính phổ biến giới, tuỳ theo ứng dụng phân thành : - Máy tính để bàn - Máy tính cơng nghiệp - Máy tính panel - Máy tính kiểu nhúng Giao tiếp với máy tính