Trên thị trường hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất chip theo công nghệ PSoC như các hãng
- Altera kết hợp lõi CPU cứng ARM và lõi CPU mềm với một số FPGA của mình tạo nên các chip Processor + FPGA (Cyclone, Strafix) cho phép thiết kế các chip số tốc độ cao có processor và phần xử lý logic thay đổi được.
- Hãng Atmel tích hợp lõi CPU AVR với FPGA hạt bé của mình tạo nên chip PSoC.
- Hãng Cypress Micro System có công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) có lõi CPU M8, RAM, FLASH và các Block tương tự và số cho phép tạo ra các chip hệ thống xử lý hỗn hợp (mixed signal) với khả năng xử lý thuật toán mạnh.
- Hãng Equator có chip PSoC đặc thù cho xử lý âm thanh Media Processing
- Hãng Motorola có chip PSoC cho xử lý tín hiệu truyền thông không dây Bộ điều khiển đa năng được thiết kế trên nền chip trắng CY8C29466 sử dụng công nghệ PSoC do hãng Cypress Micro System chế tạo, đây là chip phổ biến tại Việt nam, độ hoạt động ổn định, chương trình phần mềm cung cấp miễn phí, giao diện thiết kế trực quan, hỗ trợ nhiều hàm, tập lệnh lập trình đơn giản.
3.2.2.1 Các thông số hệ thống của Chip
Bộ vi xử lý với cấu trúc Harvard.
- Tốc độ của bộ vi xử lý lên đến 24MHz.
- Lệnh nhân 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích luỹ là 32 bit.
- Hoạt động ở tốc độ cao mà năng lượng tiêu hao ít.
- Dải điện áp hoạt động ở tốc độ cao từ 3.0 đến 5.25V. 12 khối ngoại vi tương tựđược thiết lập để làm các nhiệm vụ :
- Các bộ ADC lên tới 14 bit.
- Các bộ DAC lên tới 9 bit.
- Các bộ khuếch đại có thể lập trình được hệ số khuếch đạị
- Các bộ lọc và các bộ so sánh có thể lập trình được. 8 khối ngoại vi có thểđược thiết lập để làm nhiệm vụ:
- Các bộđịnh thời đa chức năng, đếm sự kiện, đồng hồ thời gian thực, bộ điều chếđộ rộng xung có và không có dải an toàn (deadband).
- Các module kiểm tra lỗi (CRC modunles).
- Hai bộ truyền thông nối tiếp không đồng bộ hai chiềụ
- Các bộ truyền thông SPI Master hoặc Slave có thể cấu hình được.
- Có thể kết nối với tất cả các chân vào rạ Bộ nhớ linh hoạt trên chíp.
- Không gian bộ nhớ chương trình Flash từ 4K đến 16K, phụ thuộc vào từng loại chíp với chu kỳ ghi xoá cho bộ nhớ là 50.000 lần.
- Không gian bộ nhớ Ram là 256bytẹ
- Chíp có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (ISP). Có thể lập trình được cấu hình cho từng chân của chíp.
- Đầu ra logic có thể cung cấp dòng 25mA với điện trở treo cao hoặc thấp bên trong.
- Thay đổi được ngắt trên từng chân.
- Đường ra tương tự có thể cung cấp dòng tới 40mẠ Xung nhịp của chíp có thể lập trình được.
- Bộ tạo xung dao động 24/48MHz ở bên trong(Độ chính xác là 2,5% không cần thiết bị ngoài).
- Có thể lựa chọn bộ dao động ngoài lên tới 24MHz.
- Bộ tạo dao động thạch anh 32,768KHz bên trong.
- Bộ tạo dao động tốc độ thấp bên trong sử dụng cho Watchdog và Sleep. Ngoại vi được thiết lập sẵn.
- Bộ định thời Watchdog và Sleep phục vụ chế độ an toàn và chế độ nghỉ.
- Module truyền thông I2C Master và I2C Slave tốc độ lên tới 400KHz.
- Module phát hiện điện áp thấp được cấu hình bởi người sử dụng. Công cụ phát triển.
- Phần mềm phát triển miễn phí (PSoCTMDesigner).
- Bộ lập trình và bộ mô phỏng với đầy đủ tính năng.
- Mô phỏng tốc độ caọ
3.2.2.2 Mô tả các chân chức năng bên ngoài của chip PSoC
Sơ đồ chân chức năng sử dụng trong bộđiều khiển đa năng được mô tả như hình vẽ 3.2
Bảng 3. 1: Bảng mô tả các chân chức năng chip PSoC
Stt Chân chức năng Mô tả
1 Analog_ Input 1 Ngõ vào thứ nhất tín hiệu liên tục 2 Analog_ Input 2 Ngõ vào thứ 2 cho tín hiệu liên tục 3 Vref- Điện áp tham chiếu
4 Vref+ Điện áp tham chiếu 5 Themistor_Input Ngõ vào nhiệt kếđiện trở
6 Rx_UART Chân transmitter giao tiếp máy tính 7 LCD_D7 Đường dữ liệu D7 giao tiếp LCD 8 LCD_D6 Đường dữ liệu D6 giao tiếp LCD 9 Analog_Output 1 Ngõ ra tín hiệu liên tục thứ nhất 10 Analog _ Output 2 Ngõ ra tín hiệu liên tục thứ 2 11 Select Phím cho phép chếđộ 12 Menu Phím chọn chếđộ 13 Phím Up Tăng giá trị 14 Phím Down Giảm giá trị 15 LCD_D5 Đường dữ liệu D5 giao tiếp LCD 16 LCD_D4 Đường dữ liệu D4 giao tiếp LCD 17 LCD_RS Chân RS của LCD
18 LCD_EN Chân Enable của LCD 19 LED1_Start Led báo hệ thống hoạt động 20 LED2_Stop Led báo dừng hệ thống 21 Thermocople_Input Ngõ vào cặp nhiệt ngẫu K
3.2.2.3 Các khối khối chức năng bên trong của Chip
Chương trình phần mềm lập trình PSoC designer hỗ trợ giao diện các module sử dụng bao gồm:
ADC dùng kiểm soát nhiệt độđo nhiệt độ thu thập được LCD: Module hiển thị giao tiếp màn hình LCD 20x4 PGA: Module khuếch đại tín hiệu
PWM: Module tạo xung ngõ ra UART: Kết nối giap tiếp máy tính Timer: Bộđếm thời gian
Counter bộđếm xung ngõ vào
3.2.3 Thiết kế mạch giao tiếp người và máy trong mạch đa năng
Mạch giao tiếp người và máy là mạch có chức năng nhận lệnh xử lý từ người sử dụng bằng các phím nhấn chức năng và thông báo tình trạng của hệ thống bằng các đèn báo trạng tháị
Mạch nguyên lý vào ra giao tiếp người và máy như hình 3.4
3.2.4 Thiết kế mạch đọc tín hiệu vào dòng- áp liên tục và hiển thị LCD
ạ Thiết kế mạch nguyên lý
Mạch giao tiếp đọc tín hiệu liên tục có thể xử lý nhận các tín hiệu vào là liên tục dạng dòng 0-20mA, 4-20mA, hoặc tín hiệu vào là áp liên tục 0-5v, 0-10v,.. và hiển thị kết quả trên LCD, Mạch được thiết kế như hình 3.4
Hình 3. 5: Mạch giáo tiếp đọc tín hiệu ADC trong PSoC
Ngõ vào analog được lấy từ biến trở R=1K; Thiết bị hiển thị sử dụng trong mạch là LCD 20x4, có thể hiện thị tối đa 4 dòng dữ liệu, mỗi dòng 20 kí tự. Mạch thiết kế cho LCD hoạt động với chế chếđộ tiết kiệm chân nhằm phát huy tối đa phần cứng của chip PSoC nên trong mạch dùng 4 đường Data D4, D5, D6, D7 để giao tiếp chi tiết xem bảng 3.2
Bảng 3. 2: Chức năng các chân điều khiểu LCD
Chân PSoC Chân LCD Chức năng
Port 2.0 DB4 Chân bit dữ liệu 0
Port 2.1 DB5 Chân bit dữ liệu 1
Port 2.2 DB6 Chân bit dữ liệu 2
Port 2.3 DB7 Chân bit dữ liệu 3
Port 2.4 E Chân cho phép đọc/ ghi dữ liệu LCD
b. Khai báo tham số cho các module sử dụng
Để bộđiều khiển đa năng có thể xử lý nhận biết được tín hiệu vào liên tục ta phải khai báo sử dụng các module chức năng có trong PSoC gồm:
- Module Anaglog ADCINCI2
- Module Khuếch đại PGA
- Module hiển thị LCD
Khai báo khối A/D trong PSoC: Ta sử dụng module ADCINC12 có sẵn trong thư viện tài nguyên của PSoC
ADCINCI2 là một bộ biến đổi A/D 12 bít, dải đếm từ -2048 ÷2047 với nhiều dải đầu vào có thể chọn lựạ Dải điện áp đầu vào có thể được đo bằng cách tạo ra những điện áp tham chiếu và "đất"
- Độ phân giải 12 bít
- Tốc độ lấy mẫu: 7,8 ÷480 mẫu/giâỵ - Dải đầu vào: AGND ±Vref
- Xung nhịp bên trong hoặc bên ngoàị
Khai báo PGA: PGA là module khuếch đại có sẵn trong tài nguyên PSoC khi sử dụng ta khái báo hệ số khuếch đại Gain như sau:
Khai báo module hiển thị LCD: Module hiển thị LCD là module tích hợp sẵn trong tài nguyên của PSoC khi sử dụng, người thiết kế sẽ lấy module này trong tài nguyên và gán các chân thực hiện chức năng như sau:
c. Thiết lập kết nối bên trong giữa các modulẹ
Để thực hiện được yêu cầu đọc dữ liệu đầu vào liên tục hiển thị lên LCD, sau khi khai báo các module trong tài nguyên của PSoC để các module này hoạt động đúng chức năng của mạch thì cần phải thiết lập kết nối Interconect View bằng phần mềm thiết kế PSoC trình bày như hình 3.6
3.2.5 Thiết kế mạch truyền thông với máy tính
ạ Sơ đồ nguyên lý
Mạch giao tiếp máy tính có thể thực hiện chức năng truyền nhận dữ liệu với máy tính để thực hiện điều khiển, giám sát, cài đặt các thông số từ máy tính tới bộ điều khiển đặc điểm của mạch:
- Bộ nhận và truyền tín hiệu không đồng bộ.
- Định dạng dữ liệu tương thích với định dạng dữ liệu RS - 232. - Tỷ số xung đồng bộ lên tới 6 Mbit/s.
- Khung dữ liệu bao gồm bit Start, bít chẵn lẻ và các bít Stop. - Ngắt khi thanh ghi nhận đầy hoặc là khi bộđệm truyền rỗng. - Phát hiện chẵn lẻ, khung quá tải, khung báo lỗị
- Các chức năng phát và thu ở mức caọ Sơđồ mạch nguyên lý như hình vẽ 3.7
b. Khai báo các module sử dụng trong PSoC
Module giao tiếp với máy tính UART được xây dựng bởi hai module TX và RX cùng với một số thư viện hỗ trợ việc truyền thông. Vì vậy module TX và RX có thểđược sử dụng riêng.
Cách khai báo cho khối UART:
c. Thiết lập Interconnect view bên trong cấu trúc PsoC
Thiết lập chân kết nối vào ra bên trong PsoC theo hình vẽ
3.2.6 Thiết kế mạch đo nhiệt độ với bộ điều khiển đa năng
Trong công nghiệp để đo nhiệt độ người ta thường sử dụng 2 loại cảm biến chính là:
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple)
- Nhiệt điện trở( Resistance Temprature Detector)
Bộ điều khiển đa năng được thiết kế có thể đọc được dữ liệu từ các loại cảm biến này trong các hệ thống điều khiển liên quan đến đo và điều khiển nhiệt độ
ạ Cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện có cấu tạo là 2 dây kim loại khác nhau, một đầu được hàn dính lại, một đầu được tự do, khi nhiệt độ tại đầu hàn dính thay đổi thì ở đầu tự do sẽ phát sinh ra điện áp ở 2 dây kim loại do hiệu ứng nhiệt điện. Các đặc tính của Thermocouple có tầm đó đến 1600 o C, đầu đo nhỏ gọn nên có thểđo ở những nơi có thể tích bé, sức điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ.
Đồ thị đường đặc tính nhiệt độ và suất điện động của các loại cặp nhiệt như hình dưới đây
Hình 3. 9: Đường đặc tính nhiệt độ của các cặp nhiệt
Từ đồ thị ta thấy cặp nhiệt loại K ( AL-CR) do có tầm đo rộng có thể đo tới 10000 C, điện áp ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ với độ nhạy 40 µV/o C. Nên trong luận văn này em sử dụng cặp nhiệt loại K để thiết kế trong mạch đo nhiệt độ với bộ điều khiển đa năng. 20 40 30 50 10 1800 1400 1000 600 200 60 T (0C) 70 E(mV) R J T K S E B E J K T
b. Nhiệt kếđiện trở
Trong dải nhiệt độ thấp từ -200 oC tới 600 0C, người ta thường dùng loại nhiệt kế nhiệt điện trở. Trên thị trường việt nam có 2 dòng nhiệt kế nhiệt điện trở là Cu, Pt, Phổ biến nhất là PT 100, PT 100 là thiết bị phát hiện nhiệt độ bằng điện trở bạch kim, dải nhiệt độ thích hợp sử dụng thiết bị này là từ -60 đến 400 oC, có giá trị điện trở là 100Ωở nhiệt độ là 0 0C. Điện trở này thay đổi tuyến tính với nhiệt độ với tỷ lệ xấp xỉ 0,4 Ω/oC.
Hình 3. 10: Nhiệt điện trở PT100
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của các vật dẫn nối chung sử dụng là nhiệt kế là”
0 ( , ) t R = f R t Trong đó: R0 là điện trở của nhiệt kếở 00C Rt là điện trở của nhiệt kếở t0C.
Ta có đồ thịđiện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT 100 như hình vẽ
R[Ohm] T[°C] 100 102 104 106 108 110 0 10 20
c. Sơđồ mạch nguyên lý đầu vào nhiệt độ
Hình 3. 12: Mạch nguyên lý đầu vào đo nhiệt độ
Do tín hiệu ra của cặp nhiệt điện rất nhỏ cỡ 40mV/0C nên mạch cần bộ khuếch đại hệ số lớn và bộ chuyển đổi ADC có độ chính xác caọ Bộ khuếch đại PGA, và bộ chuyển đổi ADC đều có ngõ vào điện áp offset nên khi thiết kế ta phải tính đến điện áp này, mạch phân áp R1=49.9k ,R2=150 có nhiệm vụ triệt tiêu điện áp Voffset=14mV này trong mạch đo nhiệt độ bằng can nhiệt.
d. Lựa chọn module và thiết lập tham số sử dụng
Mạch đo nhiệt độ sử dụng các module chức năng trong PSoC có cấu trúc như hình dưới:
ACDINCVR: Bộ chuyển đổi Analog to Digital converter 13 bits
PGA: Hệ số khuếch đại ngõ vàọ
2 Analog Output Butffers: Tạo điện áp tham chiếu VRef+; VRef-
ẹ Sơđồ Interconect View
Sơđồ kết nối các module trong mạch đo nhiệt độ bằng can nhiệt K như hình dưới đây:
3.4 Thiết kế phần mềm chức năng cho bộ điều
3.4.1 Sơ đồ cấu trúc các chương trình bộ điều khiển đa năng
Tổ chức menu chương trình của bộđiều khiển đa năng được thể hiện như hình 3.13
Cấu trúc SISO Cấu trúc MIMO Cấu trúc MISO cấu trúc CASCADE Tín hiệu vào là tín hiệu liên tục: Dòng Tín hiệu ra Chọn tín hiệu vào Chọn tín hiệu ra:
điện chuẩn: 0-20mA, 4-20mA Điện áp chuẩn: 0-10V
Tín hiệu vào là nhiệt độ: Cặp nhiệt, nhiệt điện trở điều khiển là tín hiệu liên tục
Dòng điện chuẩn 0-20mA, 4-20mA Điện áp chuẩn: 0-10V Rơle 3 vị trí có mạch vòng trễ Điều khiển độ rộng xung Thiết lập vòng uật điều khiển: Một mạch vòng điều khiển, hai mạch vòng điều khiển Thiêt lập l điều khiển Luật điều khiển P, PI, PD, PID
Màn hình chính Hiển thị giá trị quá trình xử lý Hiển thị màn hình thứ cấp Chọn cấu trúc điều khiển Cấu hình tín hiệu vào/ra Thiết lập luật điều khiển Màn hình lớp 2
CẤU HÌNH THAM SỐ VÀO RA BỘĐIỀU KHIỂN
Màn hình lớp 3
THIẾT LẬP LUẬT ĐIỀU KHIỂN
Màn hình lớp 1
CHỌN CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN
Hình 3. 15: Các chế độ hoạt động của bộ điều khiển đa năng 3.4.2 Menu chính
Được thiết kế hiển thị thông số xử lý của hệ thống điều khiển bằng cách nhấn phím menu ta sẽ quan sát lần lượt:
Thay đổi cấu trúc hệđiều khiển.
Thay đổi tín hiệu vào/ ra của bộđiều khiển đa năng.
Thay đổi luật điều khiển, thiết lập các tham số cho bộđiều khiển.
Menu chọn cấu trúc cho hệ điều khiển
Từ menu chính ta chọn Chọn cấu trúc DK để lựa chọn cấu trúc cho bộ điều khiể đa năng, dùng các phím Up – Down để lựa chọn các cấu trúc cho hệ điều khiển. Có 3 cấu trúc điều khiển hệ thống được thiết kế từ module điều khiển đa