Nhiệm vụ của khối xử lý trung tâm là xử lý các thông tin từ khối xử lý tín hiệu đầu vào, đưa ra quyết định tới mạch điều khiển, đồng thời đưa thông tin tới khối giao tiếp với người sử dụng. Để đọc được các tín hiệu tương tự từ khối xử lý tín hiệu đầu vào, cần phải có một bộ chuyển đổi tương tự - số.
Khối chuyển đổi tương tự - số:
Tín hiệu đầu vào sau quá trình xử lý sẽ là một hàm truyền có điện áp thay đổi theo nhiệt độ. Tín hiệu này là tín hiệu tương tự, điều đó có nghĩa là nó có vô số trạng thái tương ứng với các nhiệt độ khác nhau. Trong khi mạch điện tử và bộ xử lý trung tâm chỉ có thể hiểu 2 trạng thái 0 và 1. Vì vậy để có thể làm việc với tín hiệu này, chúng ta cần phải biến đổi tín hiệu tương tự về dạng tín hiệu số, thông qua bộ chuyển đổi tương tự - số (Analog – to – Digital Converter, viết tắt là ADC). Sau khi biến đổi về dạng số,
36
thông tin có thể được lưu trữ, xử lý hoặc truyền đi tùy theo hoạt động của bộ xử lý trung tâm.
Nguyên tắc làm việc của ADC được minh họa theo sơ đồ sau:
Hình 2.13 : Quá trình làm việc của bộ ADC
Trước hết, tín hiệu tương tự được đi đến mạch lấy mẫu. Nó có 2 nhiệm vụ:
- Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều nhau. - Giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu không đổi trong quá trình
chuyển đổi tiếp theo.
Tín hiệu ra của mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử hóa để thực hiện làm tròn theo nguyên tắc so sánh. Tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn.
Do yêu cầu của bài toán cần phải khôi phục giá trị của nhiệt độ tại từng thời điểm lấy mẫu, không chú trọng đến dạng của hàm truyền nhiệt độ theo thời gian, bởi vậy trong nội dung đồ án này chúng tôi tập trung vào khâu lượng tử hóa và mã hóa tín hiệu.
Lượng tử hóa là quá trình xác định giá trị lượng tử hóa nào gần nhất với giá trị lấy mẫu, hay nói cách khác, chúng ta gán giá trị lượng tử hóa với giá trị lấy mẫu đó. Mỗi giá trị lấy mẫu nằm trong khoảng giữa 2 giá trị lượng tử hóa, vì vậy sẽ tồn tại sai số giữa các giá trị này. Độ lớn của sai số, hay độ chính xác của đáp ứng, phụ thuộc vào số lượng bit lượng tử hóa. Số lượng bit càng nhiều, độ chính xác càng cao. Có 2 thông số quan trọng của khâu lượng tử hóa bao gồm:
Độ phân giải (resolution): Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị số ngõ ra. Nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra số. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển.
37
Điện áp tham chiếu (reference voltage): Điện áp tham chiếu (Vref) thường là giá
trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi.
Ví dụ: một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, độ phân giải 10 bit. Vậy bộ
lượng tử hóa sẽ gồm 1023 mức (1023=210-1). Mỗi khoảng lượng tử hóa tương ứng với giá trị điện áp 2.9 mV (3V / 1023 = 0.0029 V). Giả sử điện áp vào 1V, nó sẽ tương ứng với giá trị lượng tử hóa 344 (344 = 1/ 0.0029). Bộ ADC này sẽ không thể phân biệt các giá trị nhỏ hơn 2.9 mV. Điều đó cho thấy điện áp tham chiếu và độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, vì vậy chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của tín hiệu vào, nhưng cũng không quá lớn.
Sau mạch lượng tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lượng tử hóa được sắp xếp lại theo một trật tự nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi.
Các bộ chuyển đổi A/D có thể chia ra làm các dạng sau:
- Bộ chuyển đổi A/D nhanh (Flash ADC): dựa trên các bộ so sánh ghép song song,
mỗi bộ so sánh sẽ đối chiếu điện áp vào với các mức tham chiếu khác nhau.
38
- Bộ chuyển đổi Sigma – Delta: Bộ chuyển đổi sẽ đưa các tín hiệu sau lấy mẫu
qua một mạch tích phân, tín hiệu này sẽ so sánh với mức GND qua một bộ so sánh. Lặp lại quá trình này để xuất ra một chuỗi bit, chuỗi bit này sẽ tỉ lệ với điện áp vào.
Hình 2.15 : Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Sigma – Delta
- Bộ chuyển đổi xấp xỉ gần đúng: Thay vì so sánh lần lượt các mức giá trị, bộ chuyển đổi sẽ so sánh và tìm ra từng giá trị bit từ bit cao đến bit thấp, thông qua việc so sánh với điện áp trung bình của mức bit đó.
39
Hiện nay các bộ chuyển đổi A/D có thể là các IC chuyên dụng hoặc được tích hợp vào trong các vi điều khiển. Do phạm vi của luận văn, tôi lựa chọn phương án các bộ chuyển đổi A/D tích hợp vào trong vi điều khiển để tiết kiệm chi phí và thiết kế gọn nhẹ.
Bộ xử lý trung tâm:
Sau khi đọc giá trị chuyển đổi ADC từ bộ ADC, bộ xử lý trung tâm có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị ADC này thành giá trị nhiệt độ tương ứng. Điều này rất quan trọng để bộ xử lý trung tâm có thể đưa ra các quyết định điều khiển, đồng thời đưa ra thông tin tới bộ giao tiếp với người sử dụng. Để mạch hoạt động ổn định, cũng như giảm giá thành, tôi lựa chọn giải pháp sử dụng vi điều khiển cho bộ xử lý trung tâm.
Đối với yêu cầu của bài toán, bộ xử lý trung tầm cần phải xử lý các tham số sau: Nhiệt độ đo được của cảm biến đặt tại khoang trên (Temp Above)
Nhiệt độ đo được của cảm biến đặt tại khoang dưỡi (Temp Below) Nhiệt độ trung bình của 2 khu vực (Average Temp)
Nhiệt độ cài đặt (Set Point)
Nhiệt độ cảnh báo khi nhiệt độ quá cao (Warm Alarm) Nhiệt độ cảnh báo khi nhiệt độ quá thấp (Cold Alarm)
Vi điều khiển sẽ phân tích các tham số này và đưa ra thông tin tới các khối điều khiển và khối giao tiếp với người sử dụng. Một vài vi điều khiển được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay như: MCS 51, AVR, PIC, …
Do chủ yếu đã lập trình trên vi điều khiển PIC, đồng thời xét về giá thành, kích thước và yêu cầu lập trình, tôi sẽ lựa chọn vi điều khiển PIC cho Luận văn tốt nghiệp này.