+ 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 cực tớnh
- Độ chớnh xỏc của bộ chuyển đổi A/D: Tham số đầu tiờn đặc trƣng cho độ chớnh xỏc của một ADC là độ phõn biệt.Trờn đầu ra mỗi bộ ADC là cỏc giỏ trị số đƣợc sắp xếp theo quy luật của một loại mĩ nào đú. Số cỏc số hạng của mĩ số ở đầu ra (số bits trong mĩ nhị phõn) tƣơng ứng với dải biến đổi của điện ỏp vào cho biết mức chớnh xỏc của phộp chuyển đổi. Một ADC cú N bit đầu ra thỡ nú cú thể phõn biệt đƣợc 2N
mức trong dải biến đổi của nú. Độ phõn biệt của một ADC là Q, nú chớnh là giỏ trị của một mức lƣợng tử húa hoặc cũn gọi là 1 LSB. Trong thực tế thƣờng dựng số bit N ở đầu ra để đặc trƣng cho độ chớnh xỏc với cựng một dải điện ỏp vào số cỏc số hạng của mĩ số ở đầu ra càng lớn thỡ độ chớnh xỏc càng cao.
Ngồi ra đặc trƣng cho tớnh chớnh xỏc của ADC cũn cú cỏc tham số khỏc, đú là :
+ Đƣờng đặc tuyến cú sai số lệch khụng, nghĩa là nú khụng xuất phỏt tại giỏ trị tƣơng ứng là 1/2 LSB. Nú là hỡnh bậc thang khụng đều do ảnh hƣởng của cỏc sai số.
+ Sai số khuyếch đại là sai số giữa độ dốc trung bỡnh của đƣờng đặc tuyến thực với độ dốc trung bỡnh của đƣờng đặc tuyến lý tƣởng.
+ Sai số phi tuyến đƣợc đặc trƣng bởi sự thay đổi độ dốc đƣờng trung bỡnh của đặc tuyến thực trong dảI biến đổi của của điện ỏp vào. Sai số này làm cho đặc tuyến chuyển đổi cú dạng hỡnh bậc thang khụng đều.
+ Sai số đơn điệu thực chất cũng do tớnh phi tuyến của đƣờng đặc tớnh biến đổi gõy ra, nhƣng nú làm cho độ dốc đƣờng trung bỡnh biến thiờn khụng đơn điệu, thậm chớ mất một vài mĩ mĩ số.
- Tốc độ chuyển đổi: Tốc độ chuyển đổi cho biết số mẫu chuyển đổi trong 1 giõy, đƣợc gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng cú thể dựng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trƣng cho tốc độ chuyển đổi. Vỡ giữa cỏc lần chuyển đổi cũn cú một khoảng thời gian cần thiết để cho ADC phục hồi lại trạng thỏi ban đầu, nờn thƣờng fc<1/Tc, ở đõy với một bộ ADC tốc độ cao thỡ phải trả giỏ bằng độ chớnh xỏc giảm hoặc ngƣợc lại.
Cỏc phương phỏp biến đổi số tương tự
Cú nhiều cỏch phõn loại cỏc phƣơng phỏp biến đổi số tƣơng tự. Trong đú cú cỏch phõn loại theo quỏ trỡnhchuyển đổi về mặt thời gian, theo cỏch phõn loại này cú bốn phƣơng phỏp biến đổi A/D:
- Biến đổi song song: trong phƣơng phỏp này, tớn hiệu đƣợc so sỏnh cựng một lỳc với nhiều giỏ trị chuẩn. Do đú, tất cả cỏc bớt đƣợc xỏc định đồng thời và đƣa đến đầu ra.
- Biến đổi nối tiếp theo mĩ đếm: quỏ trỡnh so sỏnh đƣợc thực hiện lần lƣợt từng bƣớc theo quy luật của mĩ đếm. Kết quả chuyển đổi đƣợc xỏc định bằng cỏch đếm số lƣợng giỏ trị chuẩn cú thể chứa đƣợc trong giỏ trị tớn hiệu tƣơng tự cần chuyển đổi.
- Biến đổi nối tiếp theo mĩ nhị phõn: quỏ trỡnh so sỏnh đƣợc thực hiện lần lƣợt từng bƣớc theo qui luật của mĩ nhị phõn. Cỏc đơn vị chuẩn dựng để so sỏnh lấy cỏc giỏ trị giảm dần theo quy luật của mĩ nhi phõn. Do đú cỏc bớt đƣợc xỏc định lần lƣợt theo từ bớt cú ý nghĩa lớn nhất đến bớt cú ý nghĩa nhỏ nhất.
- Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp: trong phƣơng phỏp này, qua mỗi bƣớc so sỏnh cú thể xỏc định đƣợc tối thiểu là hai bớt đồng thời.
Sử dụng bộ chuyển đổi trong hệ thống
Trong hệ thống ở đõy ta sử dụng IC chuyển đổi 12 bits MCP3204 cú sơ đồ chõn nhƣ trong hỡnh 3.4.
Hỡnh 3.4. Sơ đồ chõn IC MPC3204
CH0 : Kờnh tớn hiệu tƣơng tự vào 0
CH1 : Kờnh tớn hiệu tƣơng tự vào 1
CH2 : Kờnh tớn hiệu tƣơng tự vào 2
CH3 : Kờnh tớn hiệu tƣơng tự vào 3
N/C : khụng nối.
DGND : Digital Ground.
CS: Chọn chớp.
Din : Kết nối tới AVRs MOSI
Dout : Kết nối tới AVRs MISO
CLK : Kết nối tới AVRs SCK
Agnd : Analog Ground
Vref : Điện ỏp so sỏnh.
IC MCP3204 thực hiện giao tiếp theo chuẩn SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thụng nối tiếp tốc độ cao do hĩng Motorola đề xuất. Đõy là kiểu truyền thụng Master-Slave, trong đú cú 1 chip Master điều phối quỏ trỡnh tuyền thụng và cỏc chip Slaves đƣợc điều khiển bởi Master vỡ thế truyền thụng chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cỏch truyền song cụng (full duplex) nghĩa là tại cựng một thời điểm quỏ trỡnh truyền và nhận cú thể xảy ra đồng thời.