Hệ thống điều khiển máy khoan mạch in bằng máy tính

3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN Hệ thống điều khiển máy khoan mạch in bằng máy tính 4 I _ KHÁI QUÁT VẤN ĐỀ Hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính điện tử là một tập hợp các thiết bị và phụ kiện liên quan. Để nắm được hết các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của chúng rõ ràng là một vệc không đơn giản. Thậm chí ngay cả tên gọi của một số bộ phận trong hệ thống cũng gây phiền hà cho người sử dụng. Trước những tiến bộ như vũ bảo của ngành công nghiệp ngày nay và nhu cầu ứng dụng máy tính vào mọi lĩnh vực, hệ thống điều khiển tự động ngày càng được phát triển một cách hoàn hảo và có độ chính xác cao. Hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính được thực hiện cũng giống như các loại giao tiếp khác. Dữ liệu được chứa trong bộ nhớ của máy tính, sau đó được xuất ra qua cổng giao tiếp nối tiếp đưa đến máy khoan để điều khiển động cơ định vị đúng vị trí cần khoan, và cứ thế hết vị trí này đến vị trí khác đến khi nào mà máy tính gởi lệnh dừng thì động cơ không hoạt động nữa. Khi ấy hệ thống khoan mạch in hoàn thành. II_ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài chỉ giới hạn trong vòng 6 tuần, với vốn kiến thức và việc tìm hiểu về hệ thống điều khiển và cơ cấu cấu tạo, cũng như các bộ phận chi tiết trong hệ thống điều khiển còn hạn chế, luận văn này chỉ thực hiện trong phạm vi ứng dụng phần mềm Pal-El để khoan mạch in bao gồm các phần sau: Phần I : Cơ sở lý thuyết về giao tiếp Giao tiếp với máy tính Giới thiệu về chuẩn RS-232 Phần II : Các khái niệm về máy điều khiển theo chương trình số Đại cương về điều khiển theo chương trình số Truyền động bằng động cơ bước Phần III : Phần mềm Ứng dụng phần mềm PAL-El để khoan mạch in III _ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Dựa trên tài liệu và thiết bị điều khiển, đặt biệt máy khoan có sẵn, cũng như phần mền điều khiển được dịch từ tài liệu PAL_EP … để viết một chương trình ứng dụng thực tế đơn giản nhằm góp phần phong phú thêm cho việc hiểu biết về lĩnh vực này đồng thời có thể mở rộng và định hướng cho những đề tài sau 5 CHƯƠNG I GIAO TIẾP MÁY TÍNH I _ CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÁY TÍNH Trải qua một thời gian dài từ phát minh đầu tiên ra máy tính cho đến nay, máy tính đã không ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ. Tuy nhiên hầu hết máy tính đang phổ biến hiện nay đều có nguồn gốc xuất phát từ họ PC (Personal Computer). Đầu tiên là kiểu máy PCXT do hãng IBM chế tạo với bộ xử lý (CPU) 8088 của hãng Intel. Đây là hệ thống xử lý dữ liệu 16 bit nhưng dùng bus dữ liệu 8 bit. Tiếp theo đó là máy AT ra đời với bộ xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn chip 8088 của máy PC XT. Nó có khả năng tạo ra bộ nhớ ảo, đa nhiệm vụ, tốc độ nhanh, độ tin cậy cao và dùng bus dữ liệu 16 bit. Đa nhiệm (Multitasking) là khả năng thực hiện một lúc nhiều nhiệm vụ: - Vừa in một tài liệu - Vừa tính toán một phép tính Công việc này thực hiện được nhờ hoán chuyển nhanh theo sự theo dõi của CPU đến các chương trình mà nó đang nắm quyền điều khiển .Việc này được thực hiện ngay bên trong CPU cộng với một vài giúp đỡ của hệ điều hành.Bộ nhớ ảo (Virtull Memory) cho phép máy tính làm việc với một bộ nhớ dường như lớn hơn nhiều so với bộ nhớ vật lý hiện có: Công việc này thực hiện được nhờ một phần mềm và sự thiết kế phần cứng cực kỳ tinh xảo. Ngày nay các máy AT 386, 486, Pentium dùng chip CPU lần lượt là 80386, 80486, P5 là kết quả của trình độ kỹ thuật và công nghệ hiện đại. Chương trình một bộ nhớ lớn hơn tổ tiên là : 8088 hay 80286 cùng với nhiều chức năng mới, thêm nữa là tốc độ vi xử lý không ngừng được nâng cao độ rộng của data bus cũng mở rộng lên 32bit rồi 64 bit với Pentium. II _ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO RA: 1. Vào ra điều khiển bằng chương trình: Thiết bị ngoai vi điều ghép với Bus hệ thống vi xử lý thông qua các phần thích ứng về công nghệ chế tạo và logic. Thích ứng về công nghệ chế tạo là điều chỉnh mức công nghệ sản xuất thiết bị ngoại vi và công nghệ sản xuất của mạch trong hệ vi xử lý. Thích ứng về Logic là nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển ngoại vi tín hiệu trên bus hệ thống. Trong hệ vi xử lý một vùng nhớ dùng làm nơi chứa địa chỉ cổng vào ra và CPU xuất hoặc nhập dữ liệu từ các cổng vào ra này các lệnh xuất nhập In/Out Lúc này cổng vào ra được xem như thanh ghi ngoài, chúng được viết vào hoặc đọc ra như ô nhớ Ram qua hai lệnh trên. Để phân biệt hướng xuất hoặc nhập dữ liệu từ cổng vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển đọc hoặc 6 viết. Để phân biệt vùng nhớ với thiết bị vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển IO/M. Khi có các lệnh này thì các lệnh In/Out mới có tác dụng. Ngoài các lệnh qui chiếu bộ nhớ, cũng như khả năng trao đổi dữ liệu giữa thiết bị ngoại vi và hệ vi xử lý. Lúc đó vào ra được gán như một địa chỉ ô nhớ của bộ nhớ. Các thanh ghi liên quan tới cổng vào ra được xem như ngăn nhớ. Khi bộ vi xử lý gọi địa chỉ và xung điều khiển đọc hay viết bộ nhớ không cần xác định nơi gởi là bộ nhớ hay thiết bị vào ra. Nó chỉ hỏi nơi gởi dữ liệu vào trong khoảng thời gian cho phép. Bộ logic bên ngoài sẽ giải mã địa chỉ kết hợp với xung MR, MW, để chọn thiết bị mà không phân biệt ngăn nhớ hay thiết bị vào ra. 2. Vào ra điều khiển bằng ngắt: Với phương pháp điều khiển vào ra bằng chương trình, CPU phải liên tục kiểm tra trạng thái của thiết bị ngoại vi đến khi sẵn sàng, đó là sự lãng phí thời gian của CPU và chương trình dài và phức tạp. Khi bộ vi xử lý có nhiều thiết bị ngoại vi CPU không đáp ứng yêu cầu của chúng. Có thể đáp ứng yêu cầu ngoại vi nhanh chóng và không theo trình tự như định trước nhờ cơ cấu ngắt CPU. Nhờ tính chất đáp ứng tức thời của vi xử lý khi có yêu cầu ngắt từ thiết bị ngoại vi do đó các ngắt thường được dùng ở những trường hợp yêu cầu đap ứng nhanh, thời gian trả lời ngắn, thực hiện ở bất kỳ thời điểm nào. Khi đó CPU phải chuyển đến chương trình con, yêu cầu ngắt ở cuối bất kỳ lệnh nào trong chương trình chính. Các chương trình con phục vụ ngắt có thể lưu trữ nội dung các thanh ghi và khôi phục lại khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt và trước khi trở lại chương trình chính. Giao tiếp với maý tính là trao đổi dữ kiện giữa một máy tính với một hay nhiều thiết bị ngoại vi. Theo tiêu chuẩn sản xuất, máy tính giao tiếp với người sử dụng bằng hai thiết bị: - Bàn phím để nhập dữ liệu - Màn hình để hiển thị Ngoài ra nhà sản xuất cho ta nhiều cách giao tiếp khác thông qua các port như là các ngõ giao tiếp: - Giao tiếp qua port com (nối tiếp) - Giao tiếp qua port Parallel(song song) Tùy theo trường hợp ứng dụng cụ thể mà chọn cách giao tiếp thích hợp. III _ PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP 1. Giao tiếp với máy tính thông qua slot card: Bên trong máy tính, ngoài những khe cắm dùng cho card vào - ra, card màn hình, vẫn còn những rãnh cắm để trống. Để giao tiếp với máy tính, ta có 7 thể thiết kế card mở rộng để gắn vào khe cắm mở rộng này. Ở máy tính PC/XT rãnh cắm chỉ có 1 loại với độ rộng 8 bit và tuân theo tiêu chuẩn ISA (Industry Standard Architecture). Rãnh cắm theo tiêu chuẩn IS có 62 đường tín hiệu, qua các đường tín hiệu này máy tính có thể giao tiếp dễ dàng với thiết bị bên ngoài thông qua card mở rộng. Trên rãnh cắm mở rộng, ngoài 20 đường địa chỉ, 8 đường dữ liệu, còn có một số đường điều khiển như: RESET , IOR , IOW, AEN, CLK, . Do đó card giao tiếp với máy tính qua slot card đơn giản, số bit có thể tăng dễ dàng, giảm được nhiều linh kiện, tốc độ truyền dữ liệu nhanh (truyền song song). Tuy nhiên, do khe cắm nằm bên trong máy tính nên khi muốn gắn card giao tiếp vào thì phải mở nắp ra, điều này gây bất tiện cho người sử dụng. 2. Giao tiếp qua Serial Port (Port COM) : IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2. Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232. Chúng có thể được nối với một Modem để dùng cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một máy tính khác. Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được gởi đi nối tiếp nhau trên 1 đường dây. Do các dữ liệu được truyền đi từng bit một nên tốc độ truyền chậm, các tốc độ truyền có thể là 300, 600, 1200, 2400, 4800bps, 9600bps, chiều dài dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit và kết hợp với các bit Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame). Ngoài ra cổng này còn có các điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm tra. Cách giao tiếp này cho phép khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất chậm tốc độ tối đa là 20kbps. 3. Giao tiếp qua cổng PRINT (Cổng máy in): IBM PC cho phép sử dụng đến 3 cổng song song có tên là LP1, LP2 và LP3. Kiểu giao tiếp song song được dùng để truyền dữ liệu giữa máy tính và máy in. Khác với cách giao tiếp qua Port Com, ở cách giao tiếp này dữ liệu được truyền song song cùng một lúc 8 bit. Vì thế nó có thể đạt tốc độ cao. Connector của Port này có 25 chân bao gồm 8 chân dữ liệu và các đường tín hiệu bắt tay (Handshaking ). Tất cả các đường Data và tín hiệu điều khiển đều ở mức logic hoàn toàn tương thích với mức TTL. Hơn nữa, người lập trình có thể điều khiển cho phép hoặc không cho phép các tín hiệu tạo Interrupt từ ngõ vào nên việc giao tiếp đơn giản và dễ dàng. Tuy nhiên, giao tiếp với mức logic TTL nên khoảng cách truyền bị hạn chế so với cách truyền qua Port Com, đồng thời cáp truyền cũng phức tạp hơn. Đó là nhược điểm của cách giao tiếp này. 8 CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUẨN RS-232C Vào năm 1960, cùng với sự phát triển mạnh của các thiết bị đầu cuối máy tính chia sẻ thời gian, các Modem đã được tung ra ngày càng nhiều nhằm đảm bảo cho các thiết bị đầu cuối có thể dùng các đường điện thoại để thông tin giữa các máy tính với nhau ở những khoảng cách xa. Modem và các thiêt bị được dùng để gửi số liệu nối tiếp thường được gọi là thiết bị thông tin số liệu DCE (Datommunication Equipment). Các thiết bị đầu cuối hoặc máy tính đang gửi hay nhận số liệu được gọi là các thiết bị đầu số liệu DTE (Data Terminal Equipment). Nhằm đáp ứng với nhu cầu về tín hiệu và các chuẩn bắt tay (handshake standards) giữa DTE và DCE, hiệp hội kỹ thuật điện tử EIA đã đưa ra chuẩn RS-232C. Chuẩn này mô tả chức năng 25 chân tín hiệu và bắt tay cho việc chuyển dữ liệu nối tiếp. Nó cũng mô tả các mức điện áp, trở kháng, tốc độ truyền cực đại và điện dung cực đại cho các đường tín hiệu này. RS-232 ấn định 25 chân tín hiệu, và quy định các đầu nối DTE phải là male (đực) và các đầu nối DCE phải là female (cái). Một loại đầu nối đặc biệt không được cho, nhưng thường dùng nhiều nhất là đầu nối mele DB-25P (hình 2-1). Ngoài ra, đối với nhiều hệ thống còn dùng loại 9 chân như loại DE-9P mele (hình 2-2). Hình 2-1 Hình 2-2 Được EIA đưa vào năm 1969 để truyền dữ liệu nối tiếp và tín hiệu điều khiển giữa Modem và thiết bị đầu cuối (hoặc máy tính) với tốc độ truyền tối đa là 20kbps ở cự ly khoảng 15m. đây là một dạng giao tiếp loại TTL + bộ kích đường dây không cân bằng. Việc mô tả chuẩn này được chia làm ba phần: Các đặc điểm kỹ thuật về điện, mô tả các đường dữ liệu điều khiển và sử dụng bộ kết nối chân ra. I _ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VỀ ĐIỆN CỦA RS232C 9 IN NUMBERS FOR 9 PINS PIN NUMBERS FOR 25 PINS COMMON NAME RS232C NAME SIGNAL DIRECTION ON DCE 3 2 7 8 1 2 3 4 5 TxD RxD RTS CTS AA BA BB CA CB - IN OUT IN OUT 6 5 1 6 7 8 9 10 DSR GND CD CC AB CF - - OUT - OUT - - 11 12 13 14 15 SCF SCB SBA ĐB - OUT OUT IN OUT 4 16 17 18 19 20 DTR SBB SCA CD OUT OUT - IN IN 9 21 22 23 24 25 CG CE CH/CI DA OUT OUT IN/OUT IN - Hình 2-3 Qui định về chân của RS232C Mức điện áp logic của RS-232C là khoảng điện áp giữa +15V và – 15V. Các đường dữ liệu sử dụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa – 5V và –15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và +15V. tuy nhiên các đường điền khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng logic dương: gía trị TRUE = +5V đến +15V và FALSE =-5V đến –15. Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào bộ thu có mức nhiễu được giới hạn là 2V. Do vậy ngưỡng lớn nhất của ngõ vào là ±3V trái lại mức ± 5V là ngưỡng nhỏ nhất với ngõ ra. Ngõ ra bộ kích phát khi không tải có điện áp là ± 25V. 10  Các đặc điểm về điện khác bao gồm R L (điện trở tải) được nhìn từ bộ kích phát có giá trị từ 3 ÷ 7k.  C L (điện dung tải) được nhìn từ bộ kích phát không được vượt quá 2500pF.  Để ngăn cản sự dao động quá mức, tốc độ thay đổi (Slew rate ) của điện áp không được vượt qúa 30V/µs. Đối với các đường điều khiển, thời gian chuyển của tín hiệu (từ TRUE sang FALSE, hoặc từ FALSE sang TRUE ) không được vượt qúa 1ms. Đối với các đường dữ liệu, thời gian chuyển (từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1) phải không vượt qúa 4% thời gian của 1 bit hoặc 1ms. II _ CÁC ĐƯỜNG DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA RS232 - TxD: Dữ liệu được truyền đi từ Modem trên mạng điện thoại. - RxD: Dữ liệu được thu bởi Modem trên mạng điện thoại.  Các đường báo thiết bị sẵn sàng: - DSR : Để báo rằng Modem đã sẵn sàng. - DTR : Để báo rằng thiết bị đầu cuối đã sẵn sàng - Các đường bắt tay bán song công. - RTS : Để báo rằng thiết bị đầu cuối yêu cầu phát dữ liệu. - CTS : Modem đáp ứng nhu cầu cần gửi dữ liệu của thiết bị đầu cuối cho thiết bị đầu cuối có thể sử dụng kênh truyền dữ liệu. Các đường trạng thái sóng mang và tín hiệu điện thoại: - CD : Modem báo cho thiết bị đầu cuối biết rằng đã nhận được một sóng mang hợp lệ từ mạng điện thoại. - RI : Các Modem tự động trả lời báo rằng đã phát hiện chuông từ mạng điện thoại địa chỉ đầu tiên có thể tới được của cổng nối tiếp được gọi là địa chỉ cơ bản (Basic Address). Các địa chỉ ghi tiếp theo được đặt tới bằng việc cộng thêm số thanh ghi đã gặp của bộ UART vào địa chỉ cơ bản. - Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thông thường nằm trong khoảng –12 đến +12. Các bit dữ liệu được gửi đảo ngược lại. Mức điện áp đối với mức High nằm giữa –3V và –12V và mức Low nằm giữa +3V và +12V. Trên hình 2-4 mô tả một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS-232C. - Ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp –12V. Một bit khởi động (Starbit) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó các bit giá trị thấp sẽ được gửi trước tiên. Còn số của các bit thay đổi giữa 5 và 8. Ở cuối của dòng dữ liệu còn có một bit dừng (Stopbit) để đặt trở lại trạng thái ngõ ra (-12V). 11 Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp của máy tính PC có thể tóm tắt trong bảng các địa chỉ sau: COM 1 (cổng nối tiếp thứ nhất) Địa chỉ cơ bản = 3F8(Hex) COM 2 (cổng nối tiếp thứ hai) Địa chỉ cơ bản = 2F8(Hex) COM 3 (cổng nối tiếp thứ ba) Địa chỉ cơ bản = 3E8(Hex) COM 4 (cổng nối tiếp thứ tư) Địa chỉ cơ bản = 2E8(Hex) Cũng như ở cổng máy in, các đường dẫn tín hiệu riêng biệt cũng cho phép trao đổi qua các địa chỉ trong máy tính PC. Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng những vi mạch có mức độ tích hợp cao để có thể hợp nhất nhiều chức năng trên một chip. Ở máy tính PC thường có một bộ phát/nhận không đồng bộ vạn năng (gọi tắt là UART: Universal Asnchronous Receiver/ Transmitter) để điều khiển sự trao đổi thông tin giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Phổ biến nhất là vi mạch 8250 của hãng NSC hoặc các thế hệ tiếp theo. Thông thường với các yêu cầu ứng dụng tốc độ thấp người ta giao tiếp qua ngõ nối tiếp, nó giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232C và dùng để giao tiếp giữa máy tính với Modem hoặc Mouse. Ngoài ra cũng có thể dùng giao tiếp với printer hay plotter nhưng không thông dụng lắm bởi tốc độ truyền quá chậm. Đối với máy AT cho ta hai ngõ giao tiếp COM1 và COM2. Trong một số card I/O ta có thể có đến 4 cổng COM. Để giao tiếp nối tiếp với 2 ngõ COM này Bus hệ thống của CPU (Data Bus và Address Bus) hãng IBM sử dụng hai Chip lập trình của Intel là 8250 UART (Universal Asynchronus Receiver Transmitter). Địa chỉ theo bộ nhớ của hai Chip này là 0040:0000 cho UART của ngõ COM1 và 0040:0002 cho UART của ngõ COM2 (Địa chỉ logic do hệ điều hành chỉ định) và địa chỉ D0 D1 D4 D5 D3 D6 D7 Stopbit Starbit +12V LOW 1 1 0 1 0 0 1 0 -12V HIGHT T =1/f Baud 10 4µS 1.04ms Hình 2-4: Dòng dữ liệu trên cổng RS 232 với tốc độ 12 theo Port để truy xuất khi sử dụng là 3F8-3FF cho COM1 và 2F8-2FF cho COM2. Dữ liệu truyền qua cho Port COM dưới dạng nối tiếp từng Bit một, đơn vị dữ liệu có thể là 5 Bit, 6 Bit hay 1 byte tùy theo sự cài đặt lúc khởi tạo Port COM. Ngoài ra để truyền dữ liệu qua Port COM còn cần những tham số sau: Bit mở đầu cho một đơn vị dữ liệu START Bit. STOP Bit (Bit kết thúc). Parity (Kiểm tra chẵn lẻ). Baud Rate (Tốc độ truyền) tạo thành một Frame (Khung truyền). Port COM là một thể khởi tạo bằng BIOS thông qua chức năng 0 của Interrupt 14, nạp vào thanh ghi DX1 chỉ số chọn kênh (COM1 = 0, COM2 = 1). Thanh ghi AL được nạp vào các tham số của việc truyền dữ liệu. A L D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0  Bit D 0 D 1 : Cho biết độ rộng của dữ liệu 0 0 : Dữ liệu có độ rộng 5 Bit 0 1 : Dữ liệu có độ rộng 6 Bit 1 0 : Dữ liệu có độ rộng 7 Bit 1 1 : Dữ liệu có độ rộng 8 Bit.  Bit D 2 : Cho biết số Stop Bit. 0 : Sử dụng một bit Stop 1 : Sử dụng hai bit Stop  Bit D 3 D 4 : Các Bit parity (chẵn lẻ) 0 0 : Không kiểm tra tính Parity 1 1 : Không kiểm tra tính Parity 0 1 : Odd (lẻ) 1 0 : Even (chẵn)  Bit D 5 D 6 D 7 : Cho biết tốc độ truyền (Baud Rate) 0 0 0 : Tốc độ truyền 110bps (bit per second) 0 0 1 : Tốc độ truyền 150bps (bit per second) 0 1 0 : Tốc độ truyền 300bps (bit per second) 0 1 1 : Tốc độ truyền 600bps (bit per second) 1 0 0 : Tốc độ truyền 1200bps (bit per second) 1 0 1 : Tốc độ truyền 2400bps (bit per second) 1 1 0 : Tốc độ truyền 4800bps (bit per second) 1 1 1 : Tốc độ truyền 9600bps (bit per second) III _ MODEM RỖNG CỦA RS232C