Thiết bị cung cấp hai khả năng kết nối truyền dữ liệu đo là truyền thụng số và tương tự. Truyền thụng số sử dụng IC Max3080 truyền RS422/485 (truyền chế độ 2 dõy và 4 dõy), kết nối trực tiếp với cỏc bộ điều khiển hoặc mỏy tớnh để thu thập dữ liệu, cài đặt thiết bị đo, hiệu chỉnh và truy xuất bộ nhớ dung lượng lớn. Truyền thụng tương tự sử dụng IC truyền tớn hiệu dũng điện 4-20mA AM422, kết nối với cỏc bộ điều khiển qua cỏc cổng vào tương tự để thu thập tớn hiệu đo và hiển thị, cổng này khụng cho phộp đặt cấu hỡnh và lấy dữ liệu bộ nhớ từ thiết bị.
Ba chõn Tx, Rx và chõn cho phộp nhận của IC Max3080 nối vào chip PSoC, khi nhận được tớn hiệu từ đường dõy dạng vi sai RS422/485, Max3080 sẽ chuyển sang tớn hiệu TTL chuyển tới Rx vào khối truyền dữ liệu nối tiếp của PSoC. CPU sẽ phõn tớch dữ liệu nhận và trả lời qua chõn Tx khi cần thiết, tớn hiệu Tx được chuyển thành tớn hiệu vi sai RS422/485 về trung tõm giỏm sỏt (Xem hỡnh 3.11). Định dạng dữ liệu yờu cầu và dữ liệu gửi sẽ được mụ tả ở phần sau.
Enable_RX TX U10 MAX3080 RO 2 RE 3 DE 4 DI 5 GN D 6 GN D 7 B 11 A 12 VC C 14 Y 9 Z 10 R53 33 R54 33 R55 470 R56 470 VCC_2 R58 4,7K C11 0.1 RX F1 Fast FUSE J15 Terminal 1 2 R39 3,3 R40 3,3 DZ3 5,6V DZ4 5,6V R45 3,3 R46 3,3 DZ5 5,6V DZ6 5,6V DZ7 5,6V DZ8 5,6V DZ9 5,6V DZ10 5,6V DZ11 5,6V DZ12 5,6V DZ13 5,6V DZ14 5,6V J2 CON4 1 2 3 4 F2 Fast FUSE F3 Fast FUSE F4 Fast FUSE R57 100 Hỡnh 3.11. Sơđồ mạch truyền thụng
Tớn hiệu tương tự được phỏt ra liờn tục và duy trỡ cho đến lần lấy mẫu tiếp theo của cảm biến đo khớ. Đầu vào của IC AM422 là tớn hiệu điện ỏp, đầu ra là tớn hiệu dũng 4-20mA, thực tế đõy là bộ chuyển đổi tớn hiệu điện ỏp thành dũng điện 4- 20mA. Tớn hiệu điện ỏp được lấy từ khối phỏt DAC của PSoC, tớn hiệu này tỷ lệ với nồng độ khớ hiện tại của thiết bị, tỷ lệ chọn tuyến tớnh là 0-5%CH4 (0-200ppm) tương ứng với tớn hiệu phỏt 4-20mA. Hai chiết ỏp của IC AM422 được dựng để chỉnh tinh điểm khụng (4mA) và điểm nhạy (20mA) của tớn hiệu (xem hỡnh 3.12).
Chuyển đổi tín hiệu 4-20mA
Rload Nguồn Giám sát từ xa U2 AM422 RS 2 OUT 3 SET 5 VSE T 6 GN D 7 VIN 4 VR EF 8 1 1 Rc5 Vref Rc3 Rc0 25 Rc4 422 RVc Q9 TIP31 D7 RVc1 Rc1 Rc2 Rc13 + Cp9 2,2uF Hỡnh 3.12. Sơđồ mạch truyền 4-20mA 3.6. Ắc-quy
Thiết bị được trang bị ắc quy để cú thể hoạt động khoảng 8 tiếng (1 ca làm việc) khi mất điện nguồn (do mất điện lưới hoặc bị đứt dõy). Loại ắc quy chọn cú dung lượng 600mAh, do đặc thự của điều kiện lắp đặt thiết bị, mạch an toàn tia lửa của thiết bị và cỏc bộ cấp nguồn an toàn tia lửa bị hạn chế dũng điện, điện ỏp nờn thời gian nạp đầy ắc-quy mất tương đối nhiều thời gian khoảng 8-15 tiếng với dũng điện khoảng 40-60mA từ đường cấp nguồn an toàn tia lửa. Ắc quy cũn bao gồm
0-5V từ DAC của PSoC
điện trở và cầu chỡ cắt nhanh, toàn bộ được đặt trong hộp kớn và được đổ đầy vỡ lý do an toàn. Ắc-quy là phần tử quan trọng đối với mạch an toàn tia lửa của thiết bị, sẽ được phõn tớch trong phần sau.
Fast Fuse 500mA
Connector 1 2 3 Bộ ắc quy, đ−ợc đổ đầy + - 6x1.2V R14 5R/2W R17 5R/2W R18 5R/2W Hỡnh 3.13. Sơđồ mạch bộắc quy 3.7. Khối nguồn ổn ỏp
Nguồn hoạt động FPAA AN231E04 là 3,3V, của PSoC là 3,3/5,0V, của cảm biến là 3,3V. Nguồn của cảm biến và nguồn của mạch FPAA, CPU được tỏch riờng. Lý do là nguồn cảm biến được thiết kế để hoạt động khụng liờn tục cú chu kỳ hoặc là ở cỏc chế độ đo khỏc nhau (đo CH4, CO) thỡ vi điều khiển sẽ điều khiển cấp nguồn khỏc nhau.
Thực chất nguồn cảm biến này chỉ cấp cho cảm biến CH4, cảm biến CO tiờu năng lượng rất nhỏ và khụng sử dụng nguồn này. Ở đõy sử dụng IC LM1117 để tạo điện ỏp 3,3V, trước khi nguồn cấp vào IC này thỡ nú qua một chuyển mạch bằng búng trường được điều khiển đúng mở bởi vi điều khiển PSoC, chu kỳ cấp của cảm biến khoảng 5 giõy hoặc nhỏ hơn tựy theo cài đặt. Thiết kế này gúp phần tăng tuổi thọ cho cảm biến dạng đốt xỳc tỏc. R20 1.5k GoiDo R19 100R M2 IRF9540N/TO R21 47k Q4 C828 R2247k Vsens ZN8 3,3V ZN9 3,3V ZN7 3,3V + Cp4 22uF C12 0.1uF SOT-223 U6 L1117L-3.3 AD J /GN D 1 Out put 2 Int put
3 R24 0.1 Cấp nguồn cho cầu
WheatStone của cảm biến CH4 Nguồn cấp vào
Nguồn ổn ỏp 5,0V cấp cho PSoC và FPAA làm việc liờn tục, luận văn sử dụng ổn ỏp nguồn băm xung, sử dụng IC thụng dụng mua được trờn thị trường Việt Nam LM2575. Nguồn xung cú nhiều ưu điểm: ớt phỏt nhiệt do khụng dựng nguyờn lý ổn nhiệt như LM1117 hay cỏc IC nguồn dũng 78/79xx; tiết kiệm năng lượng (cấp đỳng theo nhu cầu của tải); cho dũng điện cấp nguồn lớn và khả năng ổn ỏp cao. Tuy nhiờn, mạch này sử dụng cuộn dõy và tụ điện cú trị số lớn để lọc san phẳng, đõy cũng là yếu tố gõy mất an toàn tia lửa cho mạch đo, và cần phải xem xột kỹ để đảm bảo tớnh an toàn cho mạch.
D11 12V D1212V D1312V + C8 330uF U7 LM2575 VIN 1 2 OUT 3 GND FB 4 5 O/F L2 300uH 1 2 +C7 1uF D19 SCHOTTKY 3.3V R25 1K D17 4,7V D184,7V D16 4,7V R23 1K R26 1,5/5W Hỡnh 3.15. Sơđồ mạch ổn ỏp mạch chớnh Đặc tớnh kỹ thuật LM2575:
Điện ỏp đầu vào: 4V-40V Dũng cấp ra: 1A
Điện ỏp đầu ra: 1,23V - 37V Bảo vệ giới hạn dũng và quỏ nhiệt
3.8. Khối xử lý trung tõm
Khối xử lý trung tõm bao gồm nhiều cỏc chức năng khỏc nhau để cú thể giao tiếp hết với cỏc ngoại vi của thiết bị. Chớp PSoC là dũng vi xử lý cú cấu hỡnh rất động, cú thể cấu hỡnh đồng thời thành cỏc khối chức năng rất đa dạng, trong luận văn PSoC được cấu hỡnh cú cỏc chức năng sau: giao tiếp SPI để nạp cấu hỡnh cho PFAA, ADC để lấy mẫu tớn hiệu đo từ FPAA, kiểm tra nguồn ắc quy, kiểm tra nguồn cấp cho cảm biến, UART để truyền thụng số nối tiếp, DAC để truyền tớn hiệu tương tự, giao tiếp với phớm bấm và LCD qua cỏc cổng logic vào ra, phỏt tớn hiệu cảnh bỏo cũi đốn, cắt điện, bộ nhớ EEPROM để lưu dữ liệu cấu hỡnh thiết bị, giao tiếp với thẻ nhớ. Dưới đõy là mụ tả thiết kế cấu hỡnh của luận văn trờn chip PSoC.
Bảng 3.2. Liệt kờ sử dụng cổng vào ra của PSoC
TT Tờn chõn PSoC
Mụ tả tớn hiệu Chếđộđặt trong PSoC
1 P0.0, pin 35 Xỏc nhận trạng thỏi truyền cấu hỡnh cho
FPAA
Pull Up, treo cao
2 P0.1, pin 43 Tớn hiệu dương đo khớ CH4 từ FPAA, cấp
vào bộ biến đổi ADC trong chớp
Analog Input 3 P0.2, pin 36 Tớn hiệu xuất ra của DAC cấp tới bộ chuyển
đổi dũng điện 4-20mA
AnalogOutBuffer
4 P0.3, pin 32 Đo kiểm tra dung lượng ắc quy Analog Input
5 P0.4, pin37 Tớn hiệu õm đo khớ CO từ FPAA, cấp vào bộ
biến đổi ADC trong chớp
Analog Input
6 P0.5, pin 41 Tớn hiệu dương đo khớ CO từ FPAA, cấp vào
bộ biến đổi ADC trong chớp
Analog Input
7 P0.6, pin 38 Tớn hiệu õm đo khớ CH4 từ FPAA, cấp vào
bộ biến đổi ADC trong chớp
Analog Input
8 P0.7, pin 40 Đo kiểm tra nguồn cấp cảm biến Analog Input
9 P1.0, pin 16 Lập trỡnh bộ nhớ Flash
10 P1.1, pin 18 Lập trỡnh bộ nhớ Flash
11 P1.2, pin 19 Phỏt cũi bỏo động Strong
12 P1.3, pin 15 Duy trỡ cấp nguồn cho mạch CPU Strong
13 P1.4, pin 20 Điều khiển đốn backlight của LCD Strong
14 P1.5, pin 14 Chõn dữ liệu truyền thụng I2C Open Drain Low
15 P1.6, pin 21 Reset FPAA Strong
16 P1.7, pin 13 Chõn xung nhịp truyền thụng I2C Open Drain Low
17 P2.0, pin 31 Chip Select (CS) thẻ SD Strong
18 P2.1, pin 3 Chõn dữ liệu vào thẻ SD Strong
19 P2.2, pin 32 Chõn cấp xung nhịp vào thẻ SD Strong
20 P2.3, pin 2 Chõn dữ liệu ra thẻ SD High Z, trở khỏng cao
21 P2.4, pin 33 Chõn phỏt hiện thẻ SD (Card Detection) Pull Up, treo cao
22 P2.5, pin 1 Kiểm tra chế độ bảo vệ ghi thẻ (WP, Write
Protection)
23 P2.6, pin 34 Truyền thụng UART, cổng truyền Strong
24 P2.7, pin 44 Truyền thụng UART, cổng nhận High Z, trở khỏng cao
25 P3.0, pin 22 Điều khiển cắt điện mỏy cắt Strong
26 P3.1, pin 12 Điều khiển cho phộp nhận dữ liệu UART Strong
27 P3.2, pin 23 Điều khiển cấp nguồn 3.3V cho cảm biến
CH4
Strong
28 P3.3, pin 11 Phớm bấm “-” Pull Up
29 P3.4, pin 24 SCLK, cấp xung nhịp truyền dữ liệu tới
FPAA
Strong 30 P3.5, pin 10
31 P3.6, pin 25 MOSI, chõn truyền dữ liệu đặt cấu hỡnh
FPAA từ PSoC đến chip FPAA
Strong
32 P3.7, pin 9 Phớm bấm “E” Pull Up
33 P4.0, pin 27 Dữ liệu LCD, DB4 Strong
34 P4.1, pin 7 Dữ liệu LCD, DB5 Strong
35 P4.2, pin 28 Dữ liệu LCD, DB6 Strong
36 P4.3, pin 6 Dữ liệu LCD, DB7 Strong
37 P4.4, pin 29 Điều khiển LCD, Enable Strong
38 P4.5, pin 5 Điều khiển LCD, RS Strong
39 P4.6, pin 30 Điều khiển LCD, RW Strong
40 P4.7, pin 4 Tớn hiệu bỏo kết nối nguồn ngoài Pull Up
Hỡnh 3.16. Cỏc mụ-đun lựa chọn đặt cấu hỡnh cho chớp PSoC
Hỡnh 3.17. Phần cấu hỡnh chung
Phần này cài đặt cỏc tham số dựng chung cho toàn bộ cỏc khối chức năng của PSoC, tựy thuộc vào bài toỏn cụ thể cần phải đặt cỏc thụng số này cho phự hợp. Việc cài đặt này cú thể thay đổi trong quỏ trỡnh thử nghiệm thiết bị. Lựa chọn nguồn làm việc 3,3V và xung nhịp hệ thống là 24MHz, chọn lấy nguồn dao động bờn trong chớp. Chọn hệ số chia nguồn cấp xung nhịp VC1, VC2 lần lượt là 4 và 3, cỏc nguồn này sẽ cấp xung nhịp cho cỏc mụ-đun ADC, SDcard, SPI. Nguồn VC3 được đặt hệ số để cấp xung nhịp cho mụ-truyền UART ở tốc độ là 9600 baud. Chọn nguồn tham chiếu cho cỏc khối tương tự là (Vdd/2)+/-(Vdd/2), tức nguồn tham chiếu của cỏc khối tương tự khoảng ±2,5V (với nguồn cấp là 5V).
Mụ-đun ADC:
Mụ-đun này cú nhiệm vụ lấy mẫu tớn hiệu đo, kiểm tra nguồn cảm biến và kiểm tra nguồn ắc-quy. Cỏc tớn hiệu đo trước khi vào ADC được lựa chọn qua bộ dồn kờnh AMUX4_1 và bộ khuyếch đại lặp lại khụng đảo PGA (gain=1). Ở đõy chọn mụ-đun ADC ADCINCVAR độ phõn giải 12bit, tần số lấy mẫu khoảng 20 mẫu/giõy với nguồn xung nhịp 2MHz từ VC2, thời gian CalcTime đặt là 80 (thời gian này phải đặt lớn hơn hoặc bằng thời gian chuyển đổi của ADC để đảm bảo dữ liệu đỳng). Đõy là khối mụ-đun chiếm nhiều tài nguyờn hệ thống nhất, 3/16 khối số và 1/12 khối tương tự.
Hỡnh 3.18. Đặt cấu hỡnh cho ADC
Mụ-đun DAC:
Chọn mụ-đun DAC cú độ phõn dải cao nhất 9bit của dũng CY8C29xxx. Mụ- đun này cho phộp đặt độ phõn dải lờn đến 11bit bằng cỏch đặt lại cỏc bớt trong thanh ghi chế độ của của DAC, luận văn đó thực hiện nõng phõn dải lờn 11bit. Khối này sẽ gửi tớn hiệu điện ỏp tới mạch chuyển đổi tớn hiệu dũng điện 4-20mA tỷ lệ với nồng độ khớ đo được. Dải điện ỏp tớn hiệu gửi ra là 0-3,3V. Mụ-đun này cần hai khối tương tự, khụng cần khối số.
Hỡnh 3.19. Đặt cấu hỡnh cho DAC
Mụ-đun SPI:
Thực hiện giao tiếp truyền thụng SPI với chớp FPAA, gửi dữ liệu đặt cấu hỡnh cho chớp này hoạt động theo đỳng chức năng đó định trước. Chõn MOSI đẩy dữ liệu tới FFAA, chõn SCLK cấp xung nhịp để truyền thụng, chõn MISO khụng sử dụng (lấy dữ liệu về).
Hỡnh 3.20. Đặt cấu hỡnh cho SPI
Mụ-đun thẻ SD:
Mụ-đun này sử dụng gần hết cổng P2 của PSoC để truyền thụng với thẻ nhớ, ngoài cỏc chõn truyền nhận dữ liệu và xung nhịp, mụ-đun này cũn cú cỏc bớt phỏt hiện và điều khiển trạng thỏi thẻ nhớ: phỏt hiện thẻ, phỏt hiện chế độ chống ghi thẻ, chọn thẻ.
Hỡnh 3.21. Đặt cấu hỡnh cho giao tiếp thẻ SD
Mụ-đun truyền thụng UART:
Mụ-đun truyền thụng chiếm hai khối số, mỗi khối phụ trỏch một luồng nhận hoặc truyền dữ liệu. Nguồn xung nhịp VC3 được cấu hỡnh để cấp xung nhịp cho cỏc khối này truyền dữ liệu với tốc độ 9600baud.
Xung nhịp cấp được tớnh như sau: Yờu cầu: Clock = 9600 * 8 = 76 800Hz
Hỡnh 3.22. Đặt cấu hỡnh cho giao tiếp thẻ SD
Cỏc mụ-đun khỏc:
- Mụ-đun I2CHW_1 được cấu hỡnh để giao tiếp với IC thời gian thực DS1307.
- Mụ-đun LCD_1 giao tiếp với màn hiển thị LCD 2x8 ký tự
- Mụ-đun E2ROM_1 để lưu những tham số cài đặt của thiết bị đo như: ngưỡng cảnh bỏo, bỏo động, cắt điện, hiệu chỉnh đầu đo, địa chỉ.
3.9. Phõn tớch và thiết kế mạch an toàn tia lửa
Mạch an toàn tia lửa là an toàn về bản chất, tức cỏc nguồn năng lượng bờn trong mạch được hạn chế ở mức thấp khụng đủ để làm bốc chỏy hỗn hợp khớ chỏy nổ xung quanh nú. Mạch an toàn tia lửa về bản chất khụng khỏc gỡ cỏc mạch điện thụng thường khỏc, tuy nhiờn từng bộ phận của mạch và của toàn mạch cần được phõn tớch chi tiết về cỏc thụng số cảm khỏng, dung khỏng, trở khỏng, điện ỏp, dũng điện và cỏch bố trớ. Nếu cỏc thụng số này khụng đảm bảo về mặt an toàn theo tiờu chuẩn thỡ cần phải được bổ sung linh kiện, giảm trị số linh kiện, bố trớ lại, và thậm trớ phải thiết kế lại hoàn toàn, mục đớch là để hạn chế mức năng lượng cú thể phỏt sinh từ mạch tới mức khụng cú khả năng gõy chỏy nổ. Cỏc thụng số tớnh toỏn đều phải nhõn với hệ số an toàn 1,5 theo tiờu chuẩn an toàn tia lửa ExiaI (TCVN7079- 11 hoặc IEC79-11) đó quy định.
Nhỡn vào mạch của thiết bị đo ta thấy cú rất nhiều cỏc linh kiện với cỏc trị số khỏc nhau, và khú cú thể tớnh được điện dung, điện cảm, điện trở tương đương của mạch. Tuy nhiờn, khi việc tớnh chớnh xỏc là quỏ khú khăn thỡ ta cú thể thụng qua việc ước lượng cỏc trị số điện cảm, điện dung tối đa cú thể của mạch, điện trở chỉ cần quan tõm đến cỏc điểm kết nối nguồn, kết nối ra bờn ngoài hoặc cỏc vị trớ điện trở nối tiếp với điện cảm và điện dung cú trị số lớn, nghĩa là phải xem xột mạch ở tỡnh huống xảy ra sự cố cao nhất. Cỏc IC trong mạch cú thể coi như khụng cú (phụ thuộc và từng loại linh kiện). Hỡnh 3.24 thể hiện sơ đồ tương đương mạch ở khớa cạnh an toàn tia lửa. Cỏc thành phần chớnh mạch bao gồm: Cấp nguồn an toàn tia lửa từ bờn ngoài 33VDC; ắc quy bờn trong 7,2V (6x1,2V); cỏc IC tớch hợp, đường mạch in cú điện và điện cảm khụng đỏng kể; tổng điện dung trong mạch khoảng 266,6uF, chủ yếu là từ cỏc tụ điện lọc; điện cảm trong mạch khoảng 100uH, chủ yếu là từ cuộn dõy lọc nguồn rung và cũi ỏp điện.
Để cho dễ phõn tớch mạch an toàn tia lửa, ta đi vào xột từng trường hợp ảnh hưởng tới cỏc đầu vào ra của thiết bị, như: đường cấp nguồn, đường tớn hiệu truyền thụng, đường tớn hiệu 4-20mA, đường gửi ra bỏo động và mỏy cắt và từng bộ phận mạch cục bộ. Khi xột cỏc cổng này thỡ phải xột tất cả cỏc ảnh hưởng trong mạch lờn