Đo vi sai Đo đơn cực (khuyếch đại) 2500 333 666 250 33,3 66,6 25 3,33 6,66 7,5 1,00 2,00 2,5 0,33 0,66
Dòng vào cho phép: 200 mA; Điện trở đầu vào: cỡ 20 GÙ.
b. Cổng ra kích thích chuyển mạch: Đó là các cổng E1, E2, E3; các cổng ra kích thích chuyển mạch thường dùng để cung cấp các điện áp kích thích lập trình cho các phép đo cầu điện trở. Khoảng điện áp kích thích của DC hoặc AC sử dụng để lập trình: -2500 mV +2500 mV.
c. Cổng vào xung: có hai cổng vào xung P1 và P2 dùng để đếm xung ở lối vào: 2 bộ đếm 8 bít hoặc 1 bộ đếm 16 bít. Tốc độ tối đa là 16 kHz đối với bộ đếm 8 bít và 400 kHz đối với bộ đếm 16 bít. Ở chế độ bình thường các kênh này quét trong dải từ 8 đến 64 kHz.
d. Cổng vào/ra số: Có 8 cổng vào/ra số C1...C8; mỗi mức tín hiệu sẽ nằm ở một trong hai trạng thái:
Cổng vào dùng để đọc trạng thái của tín hiệu ngoài: 3V< mức cao (high)
< 5,5V; - 0,5V< mức thấp (low) < 0,8V;
Cổng ra cho phép điều khiển tắt/mở các thiết bị ngoài; mức cao (high):
5V ± 0,1V; mức thấp (low): < 0,1V; Điện trở cổng ra: 500Ù;
Điện trở cổng vào: 100 kÙ.
Các cổng C6, C7, C8 có thể thiết lập như các bộ đếm xung hoặc sử dụng để gọi thực hiện chương trình con.
e. Cổng vào/ra nối tiếp: đây là cổng truyền thông nối tiếp loại D, sử dụng để truyền thông giữa môdule CR10X với các thiết bị ngoại vi; số chân nối trong
cổng truyền thông nối tiếp là 9 và chức năng của từng chân tín hiệu được cho trên bảng 7:
Bảng 7: Chức năng các chân tín hiệu của cổng truyền thông CR10X
STT Ký hiệu chân I/O Mô tả
1 5V O Nguồn nuôi ngoài: 5V DC
2 SG Nối đất; Cùng với chân 1 cung cấp nguồn ổn định (5V)
3 Ring I Báo hiệu chế độ truyền thông giữa CR10X với thiết bị ngoại vi
4 RXD I Nhận dữ liệu (Receive Data)
5 ME O Cho phép dùng Modem (Modem Enable)
6 SDE O Khả năng đồng bộ thiết bị (Synchronous Device Enable)
7 CLK/HS I/O
Đồng hồ/Handshake: Chân này sử dụng để “hỏi “ đường truyền (cho phép ở mức cao, không cho phép ở mức thấp)
8 Không sử dụng
9 TXD O
Truyền dữ liệu - Transmit Data: Chuẩn truyền thông đồng bộ ASCII, 8 bits dữ liệu, có ưu tiên, 1 bit khởi đầu, 1 bit kết thúc; tốc độ: 300, 1200, 9600, 76800 baud (cho phép lựa chọn)
f. Ngoài các cổng vào/ra tín hiệu, trong mạch của môdule CR10X còn thiết kế AG (analog); 12V; G (power ground)
3.2 Tổ chức bộ nhớ
Môdule CR10X có 128 KB bộ nhớ EEPROM (bộ nhớ chương trình có thể xoá và làm tươi bằng điện); 128 KB SRAM (bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên tĩnh). EEPROM dành cho hệ điều hành và các chương trình nạp trong đó; SRAM sử dụng cho dữ liệu và biên dịch các chương trình đó. Các vùng nhớ của SRAM:
+ Lưu trữ sơ cấp; + Lưu trữ trung gian; + Lưu trữ thứ cấp;
+ Bộ nhớ hệ thống: sử dụng để biên dịch chương trình và truyền dữ liệu (vùng nhớ này người sử dụng không thể truy nhập);
+ Vùng nhớ để cho chương trình thực hiện.
3.3 Tập lệnh lập trình của môdule CR10X
Môdule CR10X có 4 loại tập lệnh chính dùng cho lập trình điều khiển và xử lý số liệu, mỗi tập lệnh gồm nhiều lệnh, mỗi lệnh thực hiện một chức năng. Lệnh được mã hoá bởi số thứ tự của lệnh:
a. Tập lệnh thực hiện vào/ra: dùng để điều khiển quá trình vào/ra số liệu. Khởi tạo các cổng vào ra số liệu, đọc tín hiệu từ các cảm biến qua các cổng vào, lưu trữ vào các ô nhớ đầu vào (ô nhớ sơ cấp);
b. Tập lệnh thực hiện xử lý số liệu: Thực hiện các phép toán số học trên các giá trị tín hiệu thu được ở các ô nhớ sơ cấp, kết quả được lưu vào ô nhớ thứ cấp. Tập lệnh này được sử dụng để xây dựng một chương trình hoàn chỉnh xử lý tín hiệu thu được để cho ta một dạng kết quả như mong muốn;
c. Tập lệnh thực hiện xử lý số liệu ra: Thực hiện tính toán vào cập nhật ô nhớ thứ cấp theo thời gian, đó là các phép toán lấy trung bình, lấy tổng, tìm giá trị lớn nhất/nhỏ nhất, đạo hàm và vẽ biểu đồ;
d. Tập lệnh thực hiện điều khiển chương trình: được sử dụng với các phép toán logic hoặc các phép toán điều kiện trên dữ liệu vào và đưa trực tiếp ra thiết bị ngoài. Thiết lập các cờ để so sánh các giá trị hoặc thời gian, các vòng lặp, gọi thực hiện chương trình con...
Mối quan hệ giữa các tập lệnh và bộ nhớ được minh hoạ qua sơ đồ sau:
TẬP LỆNH XỬ LÝ RA: Dùng các phép toán nhƣ tính tổng, tính trung bình, tìm lớn nhất/nhỏ nhất, đạo hàm hay vẽ đồ thị để xử lý các dữ liệu tại ô nhớ thứ cấp. LƯU TRỮ TRUNG GIAN: Ô nhớ tạm thời dùng thực hiện các phép toán gán, xử lý các kết quả bằng tập lệnh xử lý ra. LƯU TRỮ THỨ CẤP: TẬP LỆNH VÀO/RA: Đọc tín hiệu từ các cảm biến và lƣu trữ vào ô nhớ sơ cấp: (1): Kiểu đo đạc (2): Địa chỉ của cổng dùng để đo (3): Khoảng điện áp vào cho phép (4): Vị trí ô nhớ sơ cấp (5): Chuẩn sơ cấp cảm biến. Cảm biến Điều khiển LƯU TRỮ SƠ CẤP: Lƣu dữ liệu đọc từ cảm biến hoặc các tính toán của ngƣời sử dụng vào ô nhớ thứ cấp. Dữ liệu tại ô nhớ sơ cấp sẽ bị
ghi đè theo yêu cầu của ngƣời sử dụng.
TẬP LỆNH XỬ LÝ:
Tính toán các giá trị trong ô nhớ sơ cấp, lƣu lại kết quả
vào ô nhớ này. Tập lệnh xử lý sử dụng các hàm số học, đại số và các đa thức để tính toán.
3.4 Thiết lập các thông số của môdule CR10X
Trước khi lập trình điều khiển cho môdule CR10X, ta cần thiết lập các thông số cho môdule CR10X (Địa chỉ cổng nối tiếp, tốc độ dòng dữ liệu, kích thước cho phép gói dữ liệu...).
Hình 16: Giao diện thiết lập các thông số của hệ thống
COM Port: cổng giao tiếp (RS-232) dùng cho việc truyền thông (COM 1 hoặc COM 2);
Baud Rate: tốc độ kết nối qua cổng giao tiếp RS-232; Security Code: mã bảo mật;
Call-back Id Number: có giá trị bằng 0 khi môdule CR10X và máy tính kết nối đúng;
Maximum Time On-line (sec): thời gian lớn nhất cho kết nối trực tuyến; Maximum Package Size: độ dài gói dữ liệu tối đa;
Add COM Port: thêm cổng giao tiếp (RS-232) dùng cho việc kết nối; Delete: xoá một thông số sau khi đã được thiết lập;
Save Edits: lưu các thông số liên quan tới thiết bị và chương trình.
3.5 Khởi tạo môdule CR10X
Mục đích của phần này là tiến hành nạp chương trình điều khiển, theo dõi các thông số đo được từ các cảm biến (thông số đo chất lượng nước) liên
tục theo thời gian: số liệu dạng bảng hoặc dạng đồ thị.
Set Datalogger Clk: Đồng bộ thời gian giữa đồng hồ máy tính và đồng hồ môdule CR10X;
Collect/Collect All: Ghi số liệu đã thu thập từ bộ nhớ dưới dạng file *.dat;
Send: Nạp file chương trình đã dịch để điều khiển quá trình thu thập số liệu;
Connected: Khởi tạo việc tự động thu thập số liệu từ các cảm biến theo chu kỳ đã định;
Disconnect: Ngừng việc thu thập số liệu.
4. GHÉP NỐI
4.1 Giao tiếp giữa môdule thu thập, lưu trữ CR10X với máy tính (RS-232) 232)
Việc ghép nối giữa hệ thiết bị đo với máy tính qua giao diện RS-232 được thực hiện nhờ một bộ ghép nối cách ly quang học cho phép tránh được các nhiễu điện, và sốc điện từ phía máy vi tính có thể gây ảnh hưởng tới hoạt động bình thường của thiết bị đo hoặc thậm chí làm hỏng các mạch lôgic điều khiển của môdule.
Cổng giao tiếp RS-232 [4], đây là cổng nối tiếp và được sử dụng rộng rãi và rất thuận tiện cho mục đích đo lường và điều khiển. Việc truyền dữ liệu qua cổng RS-232 được tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa là các bít dữ liệu được gửi đi nối tiếp nhau trên một đường truyền. Loại đường truyền này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn, bởi vì khả năng gây nhiễu là nhỏ so với dùng cổng song song. Cổng nối tiếp RS-232 không phải là hệ thống bus, do vậy nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm với điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau. Một thành viên thứ 3 không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này. Cổng nối tiếp RS-232, thường có 9 chân hoặc 25 chân. Nhưng việc truyền dữ liệu thường xảy ra ở trên hai đường dẫn: TxD (Transmit Data - Lối ra) và RxD (Receive Data - Lối vào). Các tín
hiệu khác đóng vai trò là các tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thế không phải trong mọi ứng dụng đều dùng đến.
Mức tín hiệu trên RxD phụ thuộc vào TxD và nằm trong khoảng -12 V ±12 V; Mức cao: -3 V 12 V; Mức thấp: +3 V +12 V.
Ở trạng thái tĩnh trên đường truyền có điện áp -12 V. Một bít khởi động (Start bit) sẽ khởi động việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bít dữ liệu riêng lẻ (những bít giá trị thấp sẽ được gửi trước tiên). Tổng số bít dữ liệu có thể thay đổi (5 hoặc 8). Kết thúc là bít dừng (Stop bit) để đặt trạng thái lối ra (- 12 V).
Bằng tốc độ baud, ta có thể thiết lập tốc độ truyền dữ liệu. Các giá trị thông thường là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 và 19200 baud. Do vậy với một byte dữ liệu truyền đi, thì số bít được thiết lập là 10 (bao gồm 1 bít khởi động, 1 bít dừng). Như vậy, với tốc độ 9600 baud cho phép truyền nhiều nhất 960 byte mỗi giây. Sau đây là khuôn dạng dòng dữ liệu trên cổng RS-232 với tốc độ 9600 baud. 12V Start Sto p LOW D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 -12V HIG H 1 1 0 1 0 0 1 0 104 s = T = 1/fbaud = 1/fbaud 1,04 ms
Hình 18: Dòng dữ liệu trên cổng RS-232 với tốc độ 9600 baud
Đối với cổng giao tiếp RS-232, thì khuôn dạng dữ liệu truyền cần phải được thiết lập như nhau cả ở bên gửi và bên nhận. Khi đó các thông số truyền dữ liệu như: tốc độ baud, số bít dữ liệu, số bít dừng, bít chẵn lẻ có thể thiết lập một cách đơn giản.
4.2 Nguồn cung cấp
Nguồn điện cung cấp cho môdule CR10X cũng như cho các cảm biến hoạt động có thể lấy từ điện lưới hay từ ắc-qui. Thiết bị được lắp đặt sẵn với 1
ắc-qui để hoạt động trong điều kiện cả khi có hoặc không có điện lưới. Khi có điện lưới, thiết bị được nuôi bằng điện lưới, phần còn lại sẽ nạp bổ sung cho ắc-qui. Khi không có điện lưới thì nguồn duy trì hoạt động của thiết bị là nguồn ắc-qui.
+ Nguồn điện lưới: 220 V± 10% / 50 Hz ; + Nguồn ắc-qui : 12 V/ 5 Ah ;
+ Nguồn nuôi môdule:
Điện áp cho phép: 9,6V 16V; Khi nối với điện lưới: 14,5V;
Khi ngắt khỏi điện lưới: (điện áp ắc-qui) - 0,5 V; Điện áp đoản mạch (quá áp): 15,5 V.
5. KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU
Tín hiệu từ các cảm biến sau khi qua bộ khuyếch đại là tín hiệu điện (điện thế hay dòng điện). Việc xử lý các tín hiệu này rất quan trọng. Độ tin cậy cũng như độ chính xác của kết quả đo phụ thuộc vào công đoạn xử lý tín hiệu ở giai đoạn này.
5.1 Thu thập số liệu
Có thể mô tả một qúa trình đo đạc và xử lý số liệu bằng máy tính bằng mô hình sau: A/D C Bộ lọc Khuyếch đại Giao tiếp DSP Cảm biến
Mô hình trên mô tả một cách chi tiết các thành phần của hệ thống thu thập, lưu trữ và xử lý số liệu đo đạc. Tín hiệu thu được từ cảm biến là các tín hiệu tương tự, có cường độ dòng điện thường rất nhỏ, được khuyếch đại khi đi qua bộ khuyếch đại. Tín hiệu được đưa đến bộ giao tiếp bằng việc chuyển đổi tương tự/số và lưu trữ (nếu việc xử lý số liệu là không trực tuyến, ngược lại số liệu sẽ được chuyển thẳng đến khối xử lý và phân tích số liệu - DSP). DSP có chức năng xử lý và phân tích số liệu thành các thông số theo yêu cầu của người sử dụng. Tuy nhiên, ta có thể thiết kế một bộ vi xử lý có chức năng hoạt động như một DSP bằng phần cứng hoặc phần mềm. Trong luận văn này, tôi đã viết một chương trình phần mềm, có chức năng và nhiệm vụ như một DSP. Trước tiên chúng ta quan tâm đến kỹ thuật xử lý các tín hiệu thu được từ các cảm biến.
5.2 Khuếch đại tín hiệu
Tín hiệu điện thu được từ các cảm biến có dòng nhỏ cỡ 1nA (dòng trong cảm biến pH rất nhỏ, cỡ 10 nA), để đo được các dòng điện này, ta có thể dùng mạch khuyếch đại trở kháng có sơ đồ như hình 20. Thường thì điện trở hồi tiếp RF có giá trị rất lớn, cỡ 1G , như vậy điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại có giá trị 1V. Nếu dòng vào có giá trị 10 nA, thì để đạt được điện áp đầu ra 1V của bộ khuếch đại, thì điện trở hồi tiếp chỉ cần 0,1 G .
- + IS RF Vout Vout = - RF Is Hình 20: Sơ đồ khuyếch đại trở kháng đơn giản
5.3 Nhiễu
Trong các hệ thống đo đạc, ta thường phải quan tâm đến nhiễu. Vì nhiễu ảnh hưởng tiêu cực đến tín hiệu đo được và cho ta giá trị không chính xác. Vậy để nâng cao độ chính xác của phép đo, ta phải giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu trong tín hiệu thu được. Chất lượng của tín hiệu nhận được ở nơi thu được đặc trưng bởi tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Về mặt nguyên tắc, nếu tỷ số này nhỏ hơn 1 thì không thể tách tín hiệu ban đầu được. Do vậy, để thực hiện được mục đích này phải tìm cách gia công, xử lý nhằm nâng cao tỷ số S/N của tín hiệu nhận được. Có nhiều phương pháp để thực hiện đ iều này một cách trực tiếp với các tín hiệu tương tự hoặc với các tín hiệu sau khi đã được số hoá.
Trước tiên ta xem xét các loại nhiễu chính gây ảnh hưởng đến hệ thống, được trình bày cụ thể như sau:
Nhiễu điện
Nhiễu điện gây ra từ các mạch điện. Đối với các mạch điện dùng khuếch đại trở kháng thì nhiễu điện có thể bỏ qua (do trở kháng của các bộ khuếch đại lớn).
Nhiễu tĩnh điện
Nhiễu này gây ra bởi thế bù (offset) và dòng bù phân cực. Nhiễu này không gây ảnh hưởng nhiều đến các bộ khuyếch đại.
Nhiễu từ các cảm biến
Bỏ qua ảnh hưởng của việc chuẩn cảm biến, thì khuyết tật gây ra bởi các vật liệu làm cảm biến sẽ gây nhiễu. Đây là một loại nhiễu đáng kể có ảnh hưởng đến tín hiệu thu được.
Ngoài ra, một loại nhiễu cũng phải quan tâm đến đó là nhiễu ồn flicker.
Lý do đơn giản là nếu quá trình đo đạc kéo dài trong một thời gian, tín hiệu lối ra cuả thiết bị phải được điều chỉnh lại vì chúng luôn bị trôi. Sự trôi này chính là nhiễu ở dải tần số thấp mà sự phụ thuộc của nó theo thời gian dài như vậy sẽ tăng lên theo nhiệt độ, tuổi và độ chính xác của thiết bị.
5.4 Kỹ thuật nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu bằng xử lý số tín hiệu [12]
Mọi tín hiệu có một thuộc tính là sự phân bố rõ rệt về tần số. Cái mà ta quan sát thấy là tổng của nhiễu cộng với tín hiệu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu có thể được tính như sau:
S/N =