2.2.6.5 Tốc độ Baud
Tốc độ từ 0.6 kBaud tới 76.8 kBaud đƣợc thiết lập trong bit điều khiển
MODEM0.BAUDRATE. MODEM0.XOSC_FREQ cũng phải đƣợc thiết lập tuỳ vào tinh thể thạch anh đang sử dụng. Tốc độ baud đƣợc tính theo công thức sau:
kbaud MHz fxosc FREQ XOSC BAUDRATE RF BAUDRATE 6 . 0 . 6864 . 3 . 1 _ _ 2
RF_BAUDRATE là tốc độ tính theo kBaud, BAUDRATE và XOSC_FREQ là các bit điều khiển trong MODEM0. Sử dụng một trong các thạch anh chuẩn đặt trong
MODEM0.XOSC_FREQ sẽ tạo ra các tốc độ chuẩn 0.6, 1.2, 2.4, 4.8, 9.6, 19.2, 38.4 hay 76.8 kBaud. Các tần số thạch anh khác nhau sẽ xác định các tốc độ khác nhau nhƣ miêu tả ở trên. Tốc độ baud tới 19.2 kBaud có thể đƣợc tạo ra cho bởi bất kỳ tần số thạch anh nào. Tốc độ lớn hơn 19.2 kBaud cần có thêm các sự kết hợp nhƣ bảng 2.
Bảng 2. Tốc độ baud theo tần số thạch anh
MODEM0. BAUDRATE /XOSC fxosc (MHz) RF_BAUDRATE (kBaud) 3.6864 7.3728 11.0592 14.7456 18.4320 22.1184 0.6 0/0 0/1 0/2 0/3 0/4 0/5 1.2 1/0 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 2.4 2/0 2/1 2/2 2/3 2/4 2/5 4.8 3/0 3/1 3/2 3/3 3/4 3/5 9.6 4/0 4/1 4/2 4/3 4/4 4/5
19.2 5/0 5/1 5/2 5/3 5/4 5/5
38.4 NA 5/0 NA 5/1 NA 5/2
76.8 NA NA NA 5/0 NA NA
2.2.6.6 Truyền và nhận dữ liệu
Trong chế độ Transparent hay UART dữ liệu đi hay đến đƣợc đƣa trực tiếp tới bộ điều chế trong chế độ truyền và đƣợc nhận trực tiếp trong chế độ nhận. Trong các chế độ NRZ và Manchester, dữ liệu đƣợc lƣu tại RFBUF nhƣ đƣợc minh hoạ ở hình 2.5. Việc lƣu nhƣ vậy có những ảnh hƣởng cần đƣợc xem xét khi nhận hay truyền dữ liệu, nhất là trong chế độ bytemode.
Quá trình truyền
Khi truyền dữ liệu theo bytemode (RFCON.BYTEMODE=1), một thanh ghi 8-bit sẽ dịch từng bit tới bộ điều chế, MSB (bit cao nhất) trƣớc tiên, và chu kỳ phụ thuộc vào tốc độ đƣợc lựa chọn. Khi thanh ghi dịch này rỗng sẽ nạp một byte mới từ RFBUF tiếp tục dịch bit. Nội dung của thanh ghi RFBUF không đổi sau khi thanh ghi dịch lấy dữ liệu từ nó. Một ngắt đƣợc tạo ra (EICON.RFI) và RFBUF có
Thanh ghi dịch 8 bit
RFBUF Nhân 8051 Điều chế truyền không dây Giải điều chế nhận không dây LSB Hình 2.5 Đệm dữ liệu RF. Đƣờng gạch là chế độ bit
thể đƣợc nạp với byte dữ liệu mới. Nếu một byte mới không đƣợc ghi vào trong chu kỳ tám bit (chu kỳ tám bit trong chế độ NRZ và chu kỳ 16 baud trong chế độ
Manchester), thời điểm tiếp theo thanh ghi dịch rỗng sẽ lấy lại dữ liệu cũ từ
RFBUF. Chẳng hạn khi truyền một tín hiệu dẫn đƣờng bao gồm '0' và '1' thay đổi, nó chỉ cần ghi byte vào RFBUF một lần và chờ tới khi số các byte cần truyền tín hiệu dẫn đƣờng đƣợc truyền đi. Ở chế độ bitmode (RFCON.BYTEMODE=0), cũng xảy ra tƣơng tự, nhƣng chỉ một bit tại một thời điểm. Theo đó, thanh ghi dịch sẽ nạp bit mới từ RFBUF.0 sau khi truyền một bit đi, và ngắt RF đƣợc tạo ra để báo có bit mới đƣợc nạp. Để có thể ghi bit tiếp theo vào RFBUF.0 trong một chu kỳ bit ở tốc độ cao, nên sử dụng vòng quét nhanh (tight polling loop) thay vì thủ tục truyền dựa trên ngắt. Để bắt đầu truyền dữ liệu ngay khi có thể, bit/byte đầu tiên đƣợc truyền đƣợc ghi vào RFBUF trƣớc khi bộ điều chế hoạt động (RFMAIN.TX_PD=0). Nó sẽ ngay lập tức đƣợc nạp vào thanh ghi dịch và một yêu cầu ngắt đƣợc tạo ra cho bit/byte thứ hai. Điều này đặc biệt quan trọng khi tính đến việc lƣu dữ liệu tại cuối một quá trình truyền. Khi byte cuối cùng của một frame hay packet đƣợc nạp vào thanh ghi dịch nó vẫn không đƣợc truyền đi. Nhƣ vậy yêu cầu ngắt đƣợc tạo ra tại cùng thời điểm không bị dừng đối với cả phần analog hay digital của một quá trình truyền. Quá trình truyền không thể kết thúc đƣợc một cách an toàn cho tới chu kỳ 9 bit cuối cùng trong chế độ bytemode và chu kỳ 2 bit trong chế độ bitmode, khi bit cuối cùng đƣợc dịch và đƣợc truyền tới antenna. Một giải pháp đơn giản là luôn luôn truyền hai byte mở rộng trong chế độ bytemode hay hai bit mở rộng trong chế độ bitmode ở cuối quá trình truyền dữ liệu. Điều này không gây ra vấn đề gì trong thực tế
Quá trình nhận
Khi nhận dữ liệu lƣợc đồ đệm sẽ hoạt động ngƣợc với quá trình truyền. Từng bit từ bộ giải điều chế đƣợc dịch vào thanh ghi dịch 8-bit, MSB trƣớc tiên: Khi thanh ghi dịch đầy nó đƣợc nạp vào RFBUF và một yêu cầu ngắt đƣợc sinh ra (EICON.RFIF). Byte cần đƣợc đọc trong chu kỳ một byte (chu kỳ 8 baud trong chế độ NRZ và 16 baud trong chế độ Manchester). Nếu không, nó sẽ bị ghi đè bởi byte nhận đƣợc tiếp theo và dữ liệu sẽ bị mất. Trong chế độ bitmode quá trình đệm
cũng xảy ra tƣơng tự, nhƣng mỗi bit tại một thời điểm. Theo đó, khi một bit mới tới từ bộ giải điều chế thanh ghi dịch sẽ lƣu nó và lƣu bit cuối cùng vào RFBUF.0, lần lƣợt tạo ra các yêu cầu ngắt RF để có thể đọc các bit mới. Để có thể đọc bit tiếp theo từ RFBUF.0 trong chu kỳ một bit ở tốc độ cao nên sử dụng vòng quét nhanh thay vì dựa vào ngắt. Không có sự cân nhắc đặc biệt nào đối với thời điểm bắt đầu hay kết thúc quá trình nhận.
2.2.7 Module CC1010EM
Để dễ dàng và thuận tiện cho việc phát triển các ứng dụng sử dụng CC1010, hãng Chipcon cũng cung cấp module CC1010 EM (Evaluation module), trên đó có tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho việc xây dựng một nút mạng nhƣ:
- VĐK CC1010
- Dao động thạch anh
- Antena
- Một cảm biến nhiệt độ đƣa vào chân AD1
- Các chân cổng
Việc xây dựng thử nghiệm trong khuôn khổ luận văn cũng dùng module CC1010EM. Việc thử nghiệm sau này đã cho thấy rằng module này đã đáp ứng
đƣợc các chức năng cơ bản nút mạng đó là chức năng mạng và chức năng cảm nhận. Tuy nhiên, giá thành module này còn đắt (khoảng 150USD) trong khi giá thành VĐK CC1010 rất rẻ (khoảng 10USD) nên việc nghiên cứu chế tạo module này ở Việt Nam để hạ giá thành là rất cần thiết.
2.3 Kết luận
Chƣơng này đã giới thiệu các một số loại VĐK có thể đƣợc dùng làm nút mạng trong WSN theo các tiêu chí: năng lƣợng tiêu thụ thấp, tính mềm dẻo, sức mạnh của nút mạng, tính bảo mật, truyền thông, khả năng tính toán, kích thƣớc của nút mạng. Từ các chỉ tiêu đánh giá đó đã chọn đƣợc loại vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon (Nauy) để làm nút mạng. Đây là loại vi điều khiển tƣơng thích họ 8051 thông dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình C và chƣơng trình dịch Keil µVision2.0. Bên cạnh đó Chipcon cũng cung cấp các thƣ viện làm việc với CC1010 làm cho việc viết chƣơng trình trở nên dễ dàng và thuận tiện.
CHƢƠNG 3
CÁC PHƢƠNG PHÁP GHÉP NỐI VỚI CÁC LOẠI ĐẦU ĐO VÀ CHƢƠNG TRÌNH THỰC HIỆN CHỨC NĂNG THU THẬP DỮ LIỆU
3.1 Giới thiệu cảm biến 3.1.1 Khái niệm
Trong các hệ thống đo lƣờng điều khiển mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng bởi các trạng thái nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen…Các biến trạng thái này thƣờng là các đại lƣợng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là tai mắt của các hoạt động khoa học và công nghệ của con ngƣời.
Các bộ cảm biến thƣờng đƣợc định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích.
Trong mô hình mạch, ta có thể coi bộ cảm biến nhƣ một mạng hai cửa, trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x.
Phƣơng trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng:
y = f(x)
Trong các hệ thống đo lƣờng - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thƣờng do máy tính đảm nhiệm.
Bộ cảm biến x
kích thích
y đáp ứng
Trong sơ đồ hình 3.1, quá trình (đối tƣợng) đƣợc đặc trƣng bằng các biến trạng thái và đƣợc các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ vi xử lý đƣợc phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tƣợng). Đây là sơ đồ điều khiển tự động (qúa trình), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đƣa ra tín hiệu điều khiển quá trình.
3.1.2 Phân loại các bộ cảm biến
3.1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tƣợng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Vật lý Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi Từ điện Nhiệt từ Nhiệt quang Hoá học Biến đổi hoá học
Cơ cấu
chấp hành Bộ cảm biến Chƣơng trình
Bộ vi xử lý
Biến đổi điện hoá Phân tích phổ Sinh học Biến đổi sinh hoá
Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống Phân tích phổ
3.1.2.2 Theo dạng kích thích
Kích thích Các đặc tính của kích thích Âm thanh - Biên, pha, phân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng Điện - Điện tích, dòng điện
- Điện thế, điện áp - Điện trƣờng
- Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ - Từ trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cƣờng độ từ trƣờng
- Độ từ thẩm
Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Momen - Khối lƣợng, tỷ trọng - Vận tốc chất lƣu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lƣợng
- Nhiệt dung, tỷ nhiệt
Bức xạ - Kiểu - Năng lƣợng - Cƣờng độ 3.1.2.3 Theo tính năng - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ
- Dải tần
- Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ
- Điều kiện môi trƣờng - Kích thƣớc, trọng lƣợng
- Độ trễ
3.1.2.4 Theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp
- Nghiên cứu khoa học - Môi trƣờng, khí tƣợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp
- Dân dụng - Giao thông
- Vũ trụ - Quân sự
3.1.2.5 Theo thông số mô hình mạch thay thế
Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số:
- Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
- Cảm biến thụ động (không nguồn) đƣợc đặc trƣng bởi các thông số R,L,C,M… tuyến tính hoặc phi tuyến.
3.1.2.6 Theo dạng tín hiệu đầu ra
- Cảm biến có đầu ra là tín hiệu tƣơng tự - Cảm biến đầu ra là tín hiệu số
3.1.3 Các đặc trƣng cơ bản của bộ cảm biến 3.1.3.1 Hàm truyền 3.1.3.1 Hàm truyền
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dƣới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biếu thức toán học. Gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng tuyến tính, phi tuyến, logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng: y = ax + b
Ở đây a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trƣng của tín hiệu ra, có thể là biên độ, tần số hoặc pha tuỳ theo các tính chất của bộ cảm biến
Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx Dạng mũ: y = aekx Dạng luỹ thừa: y = ao + a1xk với k là hằng số
Các bộ cảm biến phi tuyến không thể đƣợc đặc trƣng bằng các hàm truyền kể trên, trong trƣờng hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng bậc cao.
Đối với hàm truyền phi tuyến hoặc hàm truyền ở chế độ động, độ nhạy b phải đƣợc định nghĩa theo biểu thức:
dx xo dy
b ( )
Trong nhiều trƣờng hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phƣơng pháp tuyến tính hoá từng đoạn
3.1.3.2 Độ lớn của tín hiệu vào
Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vƣợt quá ngƣỡng cho phép.
3.1.3.3 Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa
giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tƣơng đối của bộ cảm biến đƣợc tính bằng:
Δ% = .100
x x
Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thƣờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngấu nhiên.
Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo đƣợc. Sai số hệ thống thƣờng do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định.
3.1.4 Cảm biến số nối tiếp và cách ghép nối
Nhìn chung cảm biến là một thiết bị đƣợc thiết kế thu thập thông tin về một đối tƣợng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể chia làm 4 phần nhƣ hình 3.2. Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ, điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu áp điện, photodiode, cầu điện trở, …). Tín hiệu từ phần cảm nhận thƣờng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. Do đó, cần có các kỹ thuật xử lý tín hiệu nhƣ khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm những tác động đó.
Nếu có nhiều thành phần cảm nhận đƣợc sử dụng trong cùng một chip, cần phải có bộ hợp kênh. Trong trƣờng hợp thu thập dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến có dạng nối tiếp hay song song. Chức năng này có thể nhận ra bởi bộ biến đổi tƣơng tự-số hay tần số-số. Khối cuối cùng là bus giao tiếp cảm biến. Một hệ thống thu thập dữ liệu có thể có cấu hình dạng hình sao trong đó mỗi cảm biến đƣợc nối với một bộ hợp kênh số. Khi sử dụng số lƣợng lớn các cảm biến, tổng độ dài cáp và số
Thành phần cảm nhận
Xử lý tín hiệu Chuyển đổi A/D
Bus giao tiếp Máy tính
các kết nối tại bộ hợp kênh có thể rất lớn. Vì lý do đó cần có hệ thống tổ chức bus, nối tất cả các dữ liệu nguồn với các nơi nhận. Hệ thống bus điều khiển tất cả các dữ liệu truyền và đƣợc nối tới một giao tiếp phù hợp mà cảm biến có thể gửi dữ liệu tới máy tính.
Sơ đồ giao tiếp của cảm biến số nối tiếp với vi điều khiển đƣợc thể hiện ở hình 3.3. Một vi điều khiển thƣờng sử dụng xử lý tín hiệu số (ví dụ, lọc số), chuyển đổi