Vi điều khiểnAtmega8 cú một bộ biến đổi ADC tớch hợp trong chip với cỏc đặc điểm:
Độ phõn giải 10 bit
Sai số tuyến tớnh: 0.5LSB Độ chớnh xỏc +/-2LSB
Thời gian chuyển đổi:65-260μs 6 Kờnh đầu vào cú thể đƣợc lựa chọn
Cú hai chế độ chuyển đổi free running và single conversion Cú nguồn bỏo ngắt khi hồn thành chuyển đổi
Loại bỏ nhiễu trong chế độ ngủ
Tỏm đầu vào của ADC là tỏm chõn của PORTA và chỳng đƣợc chọn thụng qua một MUX.
Để điều khiển hoạt động vào ra dữ liệu của ADC và CPU chỳng ta cú 3 thanh ghi: ADMUX là thanh ghi điều khiển lựa chọn kờnh đầu vào cho ADC, ADCSRA là thanh ghi điều khiển và thanh ghi trạng thỏi của ADC, ADCH và ADCL là 2 thanh ghi dữ liệu.
Nguyờn tắc hoạt động và lập trỡnh điều khiển
ADC cú nhiệm vụ chuyển đổi tớn hiệu điện ỏp tƣơng tự thành tớn hiệu số cú độ phõn giải 10 bit.Với giỏ trị nhỏ nhất của điện ỏp đặt ở chõn AGND và giỏ trị cực đại của điện ỏp tƣơng tự đƣợc mắc vào chõn AREF. Tỏm kờnh tƣơng tự đầu vào đƣợc chọn lựa thụng qua ADMUX và ADMUX này đƣợc điều khiển bởi thanh ghi ADMUX.
ADC này cú thể hoạt động đƣợc ở hai chế độ. Đú là chuyển đổi đơn: chỉ chuyển đổi một lần khi cú lệnh chuyển đổi và chế độ tự chuyển đổi (Free running mode) đõy là chế độ mà ADC tự động chuyển đổi khi đƣợc hoạt động và cụng việc chuyển đổi cú tớnh tuần hồn (chỉ cần khởi động một lần).
ADC đƣợc phộp hoạt động nhờ thiết lập bit ADEN. Quỏ trỡnh chuyển đổi đƣợc bắt đầu bằng việc ghi vào bit ADSC mức logic 1 và trong suốt quỏ trỡnh chuyển đổi bit này luụn đƣợc giữ ở mức cao. Khi quỏ trỡnh chuyển đổi hồn thành thỡ bit này đƣợc xúa bằng phần cứng và cờ AIDF đƣợc bật lờn.
Dữ liệu sau khi chuyển đổi đƣợc đƣa ra thanh ghi dữ liệu ADCL và ADCH, nhƣng chỳ ý khi đọc dữ liệu từ hai thanh ghi này thỡ đọc ADCL trƣớc rồi mới đọc ADCH. Nếu đọc ADCH trƣớc thỡ dữ liệu cập nhật cú thể ghi đố lờn ADCL (Vi điều khiển nghĩ rằng đĩ đọc xong dữ liệu).
Hỡnh 1.17. Sơ đồ bộ biến đổi A/D
Để điều khiển vào ra dữ liệu với ADC, cỏc bƣớc thực hiện nhƣ sau:
Bƣớc 1: Định nghĩa cỏc cổng vào cho tớn hiệu tƣơng tự.Xúa bit tƣơng ứng với chõn đú trong thanh ghi DDRA. Sau đú loại bỏ điện trở treo bằng cỏch xúa bit tƣơng ứng ở thanh ghi PORTA.
Bƣớc 2: Chọn kờnh tƣơng tự vào (chọn chõn vào cho ADC) thụng qua thanh ghi ADMUX (cú thể thay đổi trong quỏ trỡnh hoạt động).
Bƣớc 3: Thiết lập cỏc thụng số cho ADC.
Tốc độ chuyển đổi thụng qua xung nhip chuyển đổi. Chế độ chuyển đổi : đơn hoặc tự động.
Sử dụng ngắt hoặc khụng.
CHƢƠNG 2.
GIAO TIẾP QUA CỔNG COM 2.1. Giới thiệu
Ngày nay, việc sử dụng mỏy vi tớnh làm bộ xử lý trung tõm cho cỏc hệ thống đo lƣờng và điều khiển rất phổ biến. Trong hệ thống đú một yờu cầu đặt ra là ta phải thực hiện giao tiếp giữa thiết bị ngoại vi với mỏy tớnh. Chuẩn giao tiếp đƣợc coi là đơn giản và dễ dựng đú là RS232. Hầu nhƣ cỏc thiết bị đều đƣợc giao tiếp với mỏy tớnh thụng qua chuẩn này. Ở đõy em thực hiện giao tiếp giữa mỏy tớnh và vi điều khiển theo chuẩn RS232. Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong cỏc ứng dụng điều khiển, đo lƣờng... Ghộp nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng rộng rĩi để ghộp nối cỏc thiết bị ngoại vi với mỏy tớnh. Nú là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dựng định dạng khụng đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phộp để đảm bảo dữ liệu là 12.5m đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đụi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. í nghĩa của chuẩn truyền thụng nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ cú một bit đƣợc gửi đi dọc theo đƣờng truyền.
Cú hai phiờn bản RS232 đƣợc lƣu hành trong thời gian tƣơng đối dài là RS232B và RS232C. Nhƣng cho đến nay thỡ phiờn bản RS232B cũ thỡ ớt đƣợc dựng cũn RS232C hiện vẫn đƣợc dựng và tồn tại thƣờng đƣợc gọi là tờn ngẵn gọn là chuẩn RS232. Cỏc mỏy tớnh thƣờng cú 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C đƣợc gọi là cổng COM. Chỳng đƣợc dựng ghộp nối cho chuột, modem, thiết bị đo lƣờng... Trờn main mỏy tớnh cú loại 9 chõn hoặc lại 25 chõn tựy vào đời mỏy và main của mỏy tớnh. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tƣơng đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là khụng đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
2.2. Ƣu điểm của giao diện nối tiếp RS232
+ Khả năng chống nhiễu của cỏc cổng nối tiếp cao
+ Thiết bị ngoại vi cú thể thỏo lắp ngay cả khi mỏy tớnh đang đƣợc cấp điện
+ Cỏc mạch điện đơn giản cú thể nhận đƣợc điện ỏp nguồn nuụi qua cụng nối tiếp
2.3. Những đặc điểm cần lƣu ý trong chuẩn RS232
+ Trong chuẩn RS232 cú mức giới hạn trờn và dƣới (logic 0 và 1) là ±12V. Hiện nay đang đƣợc cố định trở khỏng tải trong phạm vi từ 3000 ụm - 7000 ụm
+ Mức logic 1 cú điện ỏp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ 3V đến 12V
+ Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay cú thể lớn hơn)
+ Cỏc lối vào phải cú điện dung nhỏ hơn 2500pF
+ Trở khỏng tải phải lớn hơn 3000 ụm nhƣng phải nhỏ hơn 7000 ụm
+ Độ dài của cỏp nối giữa mỏy tớnh và thiết bị ngoại vi ghộp nối qua cổng nối tiếp RS232 khụng vƣợt qua 15m nếu chỳng ta khụng sử model
+ Cỏc giỏ trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn : 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400... 56600, 115200 bps
2.4. Cỏc mức điện ỏp đƣờng truyền
RS 232 sử dụng phƣơng thức truyền thụng khụng đối xứng, tức là sử dụng tớn hiệu điện ỏp chờnh lệch giữa một dõy dẫn và đất. Do đú ngay từ đầu tiờn ra đời nú đĩ mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nú vẫn sử dụng cỏc mức điện ỏp tƣơng thớch TTL để mụ tả cỏc mức logic 0 và 1. Ngồi mức điện ỏp tiờu chuẩn cũng cố định cỏc giỏ trị trở khỏng tải đƣợc đấu vào bus của bộ phận và cỏc trở khỏng ra của bộ phỏt. Mức điện ỏp của tiờu chuẩn RS232C (chuẩn thƣờng dựng bõy giờ) đƣợc mụ tả nhƣ sau:
+ Mức logic 0: +3V , +12V + Mức logic 1: -12V, -3V
Cỏc mức điện ỏp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thỏi chuyển tuyến. Chớnh vỡ từ -3V tới 3V là phạm vi khụng đƣợc định nghĩa, trong trƣờng hợp thay đổi giỏ trị logic từ thấp lờn cao hoặc từ cao xuống thấp, một tớn hiệu phải vƣợt qua quĩng quỏ độ trong một thơỡ gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của cỏc thiết bị tham gia và của cả đƣờng truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dõy dẫn. Đa số cỏc hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd .
2.5. Cổng RS232 trờn PC
Hầu hết cỏc mỏy tớnh cỏ nhõn hiện nay đều đƣợc trang bị ớt nhất là 1 cổng COM hay cổng nối tiếp RS232. Số lƣợng cổng COM cú thể lờn tới 4 tựy từng loại main mỏy tớnh. Khi đú cỏc cổng COM đú đƣợc đỏnh dấu là COM 1, COM 2, COM 3... Trờn đú cú 2 loại đầu nối đƣợc sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chõn (DB9) hoặc 25 chõn (DB25). Tuy hai loại đầu nối này cú cựng song song nhƣng hai loại đầu nối này đƣợc phõn biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cỏi (DB25)
Ta xột sơ đồ chõn cổng COM 9 chõn nhƣ trong hỡnh 2.1.
Hỡnh 2.1. Cỏc chõn cổng COM 9 chõn Chức năng của cỏc chõn nhƣ sau:
+ Chõn 1: Data Carrier Detect (DCD): Phỏt tớn hiệu mang dữ liệu + Chõn 2: Receive Data (RxD): Nhận dữ liệu
+ Chõn 3: Transmit Data (TxD): Truyền dữ liệu
+ Chõn 4: Data Termial Ready (DTR): Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng đƣợc kớch hoạt bởi bộ nhận khi muốn truyền dữ liệu
+ Chõn 5: Singal Ground ( SG): Mass của tớn hiệu
+ Chõn 6: Data Set Ready (DSR): Dữ liệu sẵn sàng, đƣợc kớch hoạt bởi bộ truyền khi nú sẵn sàng nhận dữ liệu
+ Chõn 7: Request to Send: Yờu cầu gửi, bụ truyền đặt đƣờng này lờn mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu.
+ Chõn 8: Clear To Send (CTS): Xúa để gửi, bụ nhận đặt đƣờng này lờn mức kớch hoạt động để thụng bỏo cho bộ truyền là nú sẵn sàng nhận tớn hiệu + Chõn 9: Ring Indicate (RI): Bỏo chuụng cho biết là bộ nhận đang nhận tớn hiệu rung chuụng
Cũn DB25, bõy giờ hầu hết cỏc main mới ra đều khụng cú cổng này nữa nờn ở đõy khụng đề cập đến.
2.6. Quỏ trỡnh dữ liệu
Hỡnh 2.2. Khuụn mẫu khung truyền
* Quỏ trỡnh truyền dữ liệu
Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 đƣợc thực hiện khụng đồng bộ, cú khuụn mẫu nhƣ hỡnh 2.2. Do vậy nờn tại một thời điểm chỉ cú một bit đƣợc truyền. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thụng bỏo cho bộ nhận biết một kớ hiệu sẽ đƣợc gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo. Bit này luụn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo đú là cỏc bit dữ liệu (bits data) đƣợc gửi dƣới dạng mĩ ASCII (cú thể là 5, 6, 7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đú là một Parity bit (Kiểm tra bit
chẵn, lẻ hay khụng) và cuối cựng là bit dừng - bit stop cú thể là 1, 1.5 hay 2 bit dừng.
* Tốc độ Baud
Đõy là một tham số đặc trƣng của RS232. Tham số này chớnh là đặc trƣng cho quỏ trỡnh truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay cũn gọi là tốc độ bit. Tốc độ bit đƣợc định nghĩa là số bit truyền đƣợc trong thời gian 1 giõy. Tốc độ bit này phải đƣợc thiết lập ở bờn phỏt và bờn nhận đều phải cú tốc độ nhƣ nhau (Tốc độ giữa vi điều khiển và mỏy tớnh phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit). Ngồi tốc độ bit cũn một tham số để mụ tả tốc độ truyền là tốc độ Baud. Tốc độ Baud liờn quan đến tốc độ mà phần tử mĩ húa dữ liệu đƣợc sử dụng để diễn tả bit đƣợc truyền cũn tục độ bit thỡ phản ỏnh tốc độ thực tế mà cỏc bit đƣợc truyền. Vỡ một phần tử bỏo hiệu sự mĩ húa một bit nờn khi đú hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất. Một số tốc độ Baud thƣờng dựng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị thƣờng dựng tốc độ là 19200.
Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 thỡ yờu cầu khi sử dụng chuẩn là thời gian chuyển mức logic khụng vƣợt quỏ 4% thời gian truyền 1 bit. Do vậy, nếu tốc độ bit càng cao thỡ thời gian truyền 1 bit càng nhỏ do vậy thời gian chuyển mức logic càng phải nhỏ. Điều này làm giới hạn tốc Baud và khoảng cỏch truyền.
* Bit chẵn lẻ hay Parity bit
Đõy là bit kiểm tra lỗi trờn đƣờng truyền. Thực chất của quỏ trỡnh kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ xung thờm dữ liệu đƣợc truyền để tỡm ra hoặc sửa một số lỗi trong quỏ trỡnh truyền. Do đú trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ. Một bit chẵn lẻ đƣợc bổ sung vào dữ liệu đƣợc truyền để cho số lƣợng cỏc bit "1" đƣợc gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ. Một bit Parity chỉ cú thể tỡm ra một số lẻ cỏc lỗi, chẳng hạn nhƣ 1, 3, 5, 7, 9... Nếu nhƣ một bit chẵn đƣợc mắc lỗi thỡ Parity bit sẽ trựng giỏ trị với trƣờng hợp khụng mắc lỗi vỡ thế khụng phỏt hiện ra lỗi. Do đú trong kỹ thuật mĩ húa lỗi này khụng đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp cú khả năng một vài bit bị mắc lỗi.
CHƢƠNG 3.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG GHẫP NỐI MÁY TÍNH ĐO LƢỜNG NHIỀU KấNH
3.1. Thiết kế hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống nhƣ trong hỡnh 3.1.
Hỡnh 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ghộp nối mỏy tớnh đo lƣờng nhiều kờnh Tớn hiệu từ cỏc kờnh đo lƣờng dƣới dạng là cỏc điện ỏp tƣơng tự, đƣợc cho qua bộ ADC để chuyển thành tớn hiệu số. Vi điều khiển ở đõy đảm nhận nhiệm vụ nhận dữ liệu từ ADC và thực hiện giao tiếp với mỏy tớnh theo chuẩn RS232. Mỏy tớnh nhận dữ liệu về, thực hiện hiển thị và lƣu trữ.
* Khối ADC
Thực hiện chuyển đổi cỏc mẫu điện ỏp tƣơng tự sang điện ỏp số. Gọi tớn hiệu tƣơng tự là UA, thỡ tớn hiệu số là UD đƣợc biểu diễn dƣới dạng mĩ nhị phõn nhƣ:
UD=bn-1.2n-1+bn-2.2n-2+…+b020
(3.1)
Trong đú cỏc hệ số bk là cỏc bớt của số nhị phõn. Bớt bn-1 đƣợc gọi là bit cú ý nghĩa lớn nhất (MSB), mỗi biến đổi giỏ trị của MSB tƣơng ứng với sự biến đổi của tớn hiệu là nửa dải làm việc. Bit b0 gọi là bit cú ý nghĩa nhỏ nhất (LSB), mỗi biến đổi giỏ trị của LSB tƣơng ứng với một mức lƣơng tử .
PC COM ADC VI ĐIỀU KHIỂN Tớn hiệu từ cỏc kờnh đo lƣờng Giao tiếp COM
Với một mạch biến đổi cú N bit đầu ra thỡ mỗi bƣớc của bậc thang tƣơng ứng một giỏ trị: 1 2 U U Q N Am LSB (3.2)
Trong đú, UAM là giỏ trị cực đại cho phộp cho phộp của điện ỏp đầu vào ADC. Q hoặc ULSB gọi là mức lƣợng tử. Do tớn hiệu số là rời rạc nờn trong quỏ trỡnh biến đổi AD xuất hiện một sai số gọi là sai số lƣợng tử húa đƣợc xỏc định nhƣ sau:
Q 2 1
Q (3.3)
Khi chuyển đổi AD phải thực hiện lấy mẫu tớn hiệu tƣơng tự. Để đảm bảo khụi phục lại tớn hiệu một cỏch trung thhực thỡ tần số lấy mẫu fM phải thỏa mĩn điều kiện:
fM≥2.fAmax (3.4) Trong đú, fAmax là tần số cực đại của tớn hiệu đầu vào
Quỏ trỡnh biến đổi A/D gồm 3 bƣớc: lấy mẫu, lƣợng tử húa và mĩ húa.
Hỡnh 3.2 Sơ đồ khối quỏ trỡnh chuyển đổi A/D - Lấy mẫu: Mạch lấy mẫu cú hai nhiệm vụ:
+ Lấy mẫu tớn hiệu tƣơng tự tại cỏc thời điểm khỏc nhau và cỏch đều nhau (rời rạc húa về mặt thời gian).
+ Giữ cho biờn độ điện ỏp tại cỏc thời điểm lấy mẫu khụng đổi trong suốt quỏ trỡnh chuyển đổi tiếp theo.
Lấy mẫu Lƣợng tử hoỏ Mĩ hoỏ UA ADC UD
- Lƣợng tử hoỏ: là quỏ trỡnh rời rạc cỏc mẫu về biờn độ. Chia khoảng biờn độ thành cỏc mức rời rạc gọi là cỏc mức lƣợng tử, biờn độ của cỏc mẫu đƣợc làm trũn về cỏc mức lƣợng tử đú.
- Mĩ hoỏ: Mĩ hoỏ cỏc mẫu sau khi đƣợc lƣợng tử hoỏ thành cỏc bits số.
Tổng quỏt ta cú cụng thức chuyển đổi A/D đối với mỗi mẫu tớn hiệu tƣơng tự: N ref Ai Di .2 U U Round U (3.5)
UAi: Điện ỏp tƣơng tự của mẫu thứ i
Uref: Điện ỏp tham chiếu (điện ỏp chuẩn cố định), dựng để so sỏnh với UAi tạo điện ỏp số.
UDi: Điện ỏp số ứng với mẫu UAi
UD
UA
Sai số lệch khụng 1/2 LSB
Sai số đơn điệu
Sai số khuyếch đại mộo phi tuyến Lý tƣởng
Thực
Hỡnh 3.3. Đặc tuyến truyền đạt lý tƣởng và thực của bộ chuyển đổi A/D
ở đõy yờu cầu UA≤Uref, nờn ta phải lựa chọn Uref thớch hợp với mỗi tớn hiệu UA. Với mỗi giỏ trị N, thỡ Uref càng lớn thỡ sai số lƣợng tử càng lớn. Với mỗi giỏ trị Uref thỡ N càng lớn thỡ sai số lƣợng tử càng nhỏ.
Cỏc tham số chớnh của bộ chuyển đổi A/D
- Dải biến đổi của điện ỏp tớn hiệu tƣơng tự ở đầu vào: là khoảng điện ỏp mà bộ chuyển đổi A/D cú thể thực hiện chuyển đổi đƣợc.Khoảng điện ỏp đú cú thể lấytrị số từ 0 đến một trị số dƣơng hay õm nào đú hoặc cú thể là điện ỏp hai