Bộ đệm kết quả biến đổi A/D

2.1.3.2 .Thông số kỹ thuật

2.2. Vi điều khiển dsPic30F4013

2.2.7.1. Bộ đệm kết quả biến đổi A/D

Module ADC sử dụng RAM để làm bộ đệm lưu kết quả biến đổi A/D. Có tất cả 16 vị trí trong RAM được sử dụng để làm việc này, đó là: ADCBUF0, ADCBUF1, ADCBUF2, ..., ADCBUFE, ADCBUFF. RAM chỉ có độ rộng 12-bit nhưng dữ liệu chứa trong nó lại là một trong bốn dạng số 16-bit đó là: nguyên, nguyên có dấu, phân số, và phân số có dấụ

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 22 SVTH: Đặng Ngọc Hải

2.2.7.2. Các bƣớc thực hiện biến đổi A/D

 Thiết lập cấu hình cho module A/D

- Cấu hình các chân là lối vào tương tự, điện thế chuẩn và vào ra số. - Chọn các kênh lối vào cần biến đổi

- Chọn xung nhịp cho biến đổi

- Cho phếp module ADC có thể hoạt động

 Cấu hình cho ngắt ADC nếu cần - Xóa cờ ngắt ADIF

- Lựa chọn mức ưu tiên ngắt cho biến đổi A/D

 Bắt đầu lấy mẫu

 Đợi đủ thời gian cần thiết để hoàn thành

 Kết thúc lấy mẫu bắt đầu biến đổi

 Đợi biến đổi kết thúc bởi một trong hai điều kiện sau: - Đợi ngắt từ ADC

- Đợi bit DONE được set

 Đọc kết quả từ bộ đệm biến đổi A/D và xóa bit ADIF nếu cần

2.3.Tín hiệu tƣơng tự và rời rạc. 2.3.1. Tín hiệu 2.3.1. Tín hiệu

Tín hiệu là sự biến thiên của biên độ theo thời gian. Biên độ có thể là điện áp, dịng điện, cơng suất,… nhưng thường được hiểu là điện áp.

2.3.1.1.Tín hiệu tƣơng tự

Tín hiệu tương tự (analog signal) : Là tín hiệu liên tục cả về biên độ lẫn thời gian.

2.3.1.2.Tín hiệu rời rạc

Tín hiệu rời rạc (Discrete Time Signal) : Là tín hiệu được lấy rời rạc theo thời gian nhưng biên độ vẫn giữ liên tục. Hàm tín hiệu chỉ có giá trị xác định ở những thời điểm xác định. Ta có thể thu nhận được tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự (sampling). Vì vậy tín hiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu được lấy mẫu (sampled signal).

Hình1.1: biểu diễn tín hiệu tương tự và tín hiệu rời rạc

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 23 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Vì tín hiệu có thể biến đổi liên tục, việc lấy mẫu cần được tiến hành sau những khoảng thời gian xác định. Tốc độ lấy mẫu tín hiệu tuỳ thuộc vào tốc độ biến đổi của tín hiệụ Để mã hố một tín hiệu số, thường người ta mã hố nó ở những khoảng thời gian không đổị Việc lấy mẫu phải đảm bảo giữ đủ thơng tin cho q trình tái tạo hay xử lý lại tín hiệu sau đó.

Lấy mẫu là quá trình biến một tín hiệu tương tự thành một tín hiệu rời rạc theo thời gian.

Định lý lấy mẫu( định lý Shanon): Tín hiệu x(t) có phổ tín hiệu giới hạn trong khoảng (-ωmax, ωmax) được xác định hồn tồn từ tín hiệu lấy mẫu chỉ trong điều kiện nếu tần số lấy mẫu lớn hơn 2ωmax. Chỉ trong trường hợp này mới khơi phục được tín hiệu sau khi đã rời rạc hóa ωs>2ωmax , với ωs là tần số của các mạch lọc (cao, thấp)

Ví dụ : tín hiệu audio chất lượng cao có tần số cao nhất cỡ 20KHz, tín hiệu này cần lấy mẫu ít nhất 40000 lần trong 1 s

Hình1.2: vẽ biểu diễn một tín hiệu được lấy mẫu sau mỗi Ts giây

2.3.3. Mạch lấy mẫu và giữ

Để biến đổi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, người ta không thể biến đổi mọi giá trị của tín hiệu tương tự mà chỉ có thể biến đổi một số giá trị cụ thể bằng cách lấy mẫu tín hiệu đó theo một chu kỳ xác định nhờ một tín hiệu có dạng xung. Ngồi ra, mạch biến đổi cần một khoảng thời gian cụ thể (khoảng 1µs - 1ms) do đó cần giữ mức tín hiệu biến đổi trong khoảng thời gian này để mạch có thể thực hiện việc biến đổi chính xác.

2.3.4. Lƣợng tử hố

Đây là q trình chuyển từ một tín hiệu rời rạc về thời gian nhưng liên tục về giá trị sang tín hiệu rời rạc về biên độ của tín hiệụ Mỗi giá trị của mẫu được biểu diễn lại bằng một giá trị được lựa chọn từ một tập hữu hạn các giá trị thích hợp. Khi đã lượng tử hoá, các giá trị tức thời của tín hiệu tương tự khơng bao giờ có thể khơi phục lại chính xác nữạ Điều này dẫn đến các lỗi ngẫu nhiên cịn gọi là lỗi lượng tử hố.

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 24 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Hình1.3: vẽ biểu diễn q trình lượng tử hố

2.3.5. Mã hóa

Trong q trình này thì mỗi tín hiệu rời rạc được biểu diễn bằng một chuỗi các số nhị phân b bits. Càng nhiều mức lượng tử càng giảm khoảng trống giữa các mức và tăng độ chính xác của giá trị mã hố sau cùng. Mã hố đơn cực tín hiệu ln ln dương khác với lưỡng cực mã hố cả 2 nửa biên độ dương và âm của tín hiệụ Cả thang lối vào của tín hiệu giữa 0 và FS ( toàn thang ) với đơn cực và -FS/2 đến FS/2 với hai cực. Điển hình là giữa 0 với 5, 10,15 V trường hợp đơn cực và +-5V, +-15V với trường hợp hai cực. Số mức lượng tử phụ thuộc vào số bít sử dụng. Trong trường hợp 3 bít sẽ có 8 mức lượng tử từ 000 đến 111.

Hình1.4: vẽ 3 bít mã hóa đơn cực và lưỡng cực

2.3.6. Lỗi lƣợng tử

Lỗi cực đại giữa mức tín hiệu gốc và mức lượng tử xuất hiện khi mức gốc rơi đúng vào giữa hai mức lượng tử. Do vậy mức sai số cực đại sẽ là một nửa của bề rộng một mức hay : lỗi = +- (1/2)*(FS)/2N .

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 25 SVTH: Đặng Ngọc Hải

2.4. Hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh. 2.4.1. Thu thập dữ liệu 2.4.1. Thu thập dữ liệu

Mục đích của thu thập dữ liệu là thu thập thông tin của các hiện tượng hay các đại lượng vật lý như là điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất hoặc âm thanh. Sự thu thập dữ liệu trên PC sử dụng một sự kết hơp giữa mô đun phần cứng, phần mềm ứng dụng và một máy tính để thực hiện việc thu thập. Trong khi mỗi hệ thống thu thập dữ liệu được định nghĩa bởi yêu cầu ứng dụng của nó. Mỗi hệ thống chia sẽ một mục đích chung thu được, phân tích và nhận thơng tin hiện có. Những hệ thống thu thập dữ liệu hợp nhất những tín hiệu, các cảm biến, những cơ cấu chấp hành, những trạng thái tín hiệu, những thiết bị thu

thập dữ liệu và phần mềm ứng dụng.

Hình1.32 : Tổng quan về vào ra của máy tính

2.4.2. Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh

Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh là hệ thống có thể thực hiện việc thu thập dữ liệu, giám sát và điều khiển của nhiều đối tượng cùng một lúc, các đối tượng có thể giống nhau hay khác nhaụ Các đối tượng đó có thể là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,… Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh là sự thu thập dữ liệu trên máy tính PC sử dụng một sự kết hợp giữa mô đun phần cứng, phần mềm ứng dụng và một máy tính đo thực hiện việc thu thập.

Hệ thu thập dữ liệu thực hiện các năng năng như sau:

 Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến.

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 26 SVTH: Đặng Ngọc Hải  Hiển thị các dữ liệu thu thập được, kết quả đã xử lý, lưu trữ thông tin thu thập

được lên máy tính.

 Viết chương trình giao tiếp, giám sát và điều khiển trên máy tính.

 Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị điều khiển.

Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu 1 kênh:

Hình1.33 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu 1 kênh

S/H:lấy mẫu và giữ, ADC chuyển đổi tương tự sang số, DAC chuyển đổi số sang tương tự

Chúng ta có thể thiết kế một card thu thập dữ liệu 8 bit hoặc12 bit giao tiếp với máy tính hoặc sử dụng card thu thập dữ liệu và điều khiển của hãng sản xuất như là card PLC 818L, PCI 1711/1718 HDU của hãng Advantech.

Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh

Hình 1.34 : Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu nhiều kênh S/H:lấy mẫu và giữ

ADC chuyển đổi tương tự sang số, DAC chuyển đổi số sang tương tự

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 27 SVTH: Đặng Ngọc Hải

2.5. Điều khiển số - điều khiển hỏi tiếp. 2.5.1 Hệ thống điều khiển số 2.5.1 Hệ thống điều khiển số

2.5.1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển số

Hình: Cấu trúc hệ thống điều khiển số

2.5.1.2 Hệ thống lấy mẫu tín hiệu

Lấy mẫu trong kênh hồi tiếp

Hình 1.52: Hệ thống lấy mẫu tín hiệu

2.5.2 Phƣơng pháp điều khiển ON/OFF

Sơ đồ điều khiển lò nhiệt được thể hiện qua hình bên dưới:

Lị Nhiệt w(k) u(k) y(k) Khâu Relay e(k) u umin umax e ∆ -∆

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 28 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Phương pháp điều khiển ON-OFF còn được gọi là phương pháp đóng ngắt hay dùng khâu relay có trễ: cơ cấu chấp hành sẽ đóng nguồn để cung cấp năng lượng ở mức tối đa cho thiết bị tiêu thụ nhiệt nếu nhiệt độ đặt w(k) lớn hơn nhiệt độ đo y(k), ngược lại mạch điều khiển sẽ ngắt mạch cung cấp năng lượng khi nhiệt độ đặt nhỏ hơn nhiệt độ đọ

Một vùng trễ được đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt như sơ đồ khối ở trên: nguồn chỉ đóng khi sai số e(k) > ∆ và ngắt khi e(k) < - ∆. Như vậy, nhiệt độ đo y(k) sẽ dao động quanh giá trị đặt w(k) và 2∆ còn được gọi là vùng trễ của rơ lẹ

Khâu rơ le có trễ cịn gọi là mạch so sánh Smith trong mạch điện tử và như vậy ∆ là giá trị thềm hay ngưỡng.

Điều khiển ON-OFF có ưu điểm là:

 Thiết bị tin cậy, đơn giản, chắc chắn, hệ thống luôn hoạt động được với mọi tảị

 Phương pháp này có giá thành rẻ, được ứng dụng cho những đối tượng không yêu cầu cao về chất lượng điều khiển.

 Tính tốn thiết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng.

 Nhưng có nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng động quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tảị Khuyết điểm này có thể được hạn chế khi giảm vùng trễ bằng cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử ở mạch cơng suất.

2.5.3 Phƣơng pháp điều khiển hồi tiếp

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa,… Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi là vì nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. Do sự thơng dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng. Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do việc khó khăn trong xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

2.5.3.1.Khảo sát vòng hở. L T L T K a Thời gian Nhiệt độ Hình 1.54: Đáp ứng nấc của lò nhiệt

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 29 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Đáp ứng này có thể được xấp xỉ bởi hàm truyền sau: ( ) 1 Ls K G s e Ts    Trong đó: K : độ lợi tĩnh T : hằng số thời gian L : thời gian trễ Chú ý: a K L T 

Các tham số của bộ điều khiển PID được tính theo phương pháp đáp ứng nấc của Ziegler-Nichols như bảng 1. Bảng 1 Bộ điều khiển KP TI TD P 1/a PI 0.9/a 3L PID 1.2/a 2L L/2 2.5.3.2.Điều khiển vịng kín.

Sơ đồ điều khiển như hình 1.55.

Lị Nhiệt Bộ điều khiển

PID

w(k) e(k) u(k) y(k)

Hình 1.55 Sơ đồ điều khiển lị nhiệt Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau:

( ) i p d K G s K K s s   

Có 3 phương pháp căn bản để biến đổi z hàm truyền trên. Phương pháp Euler thuận (Forward Euler):

T z s 1

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 30 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Phương pháp Euler nghịch (Backward Euler):

zT z s 1



Phương pháp hình thang (Tustin):

1 1 2    z z T s

Biến đổi Z của nó như sau:

1 1 ( ) 2 1 i d p K T z K z G z K z T z                 

Viết lại G(z) như sau:

    1   2 1 / 2 / / 2 2* / / ( ) 1 p i d p i d d K K T K T K K T K T z K T z G z z             Đặt: a0 KpK Ti / 2Kd / ;T a1 KpK Ti / 2 2* Kd / ;T a2 Kd /T Suy ra: 1 2 0 1 2 1 ( ) 1 a a z a z G z z       

Từ đó, ta tính được tín hiệu điều khiển u(k) khi tín hiệu vào e(k) như sau:

1 2 0 1 2 1 ( ) ( ) * ( ) * ( ) 1 a a z a z u k G z e k e k z         Suy ra: u k( )u k(  1) a0* ( )e k a1* (e k 1) a2* (e k2)

Việc hiệu chỉnh 3 thông số Kp , Ki, Kd sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau:

Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng không loại bỏ sai số xác lập. Điều khiển tích phân (Ki) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng có thể làm đáp ứng quá độ xấu đị Điều khiển vi phân (Kd) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ. Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd lên hệ thống vịng kín được tóm tắt ở bảng bên dưới (bảng 2).

Bảng 2 Đáp ứng vịng kín Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm

Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ

Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

2.6. Cấu trúc cổng giao tiếp nối tiếp. 2.6.1. Cấu trúc cổng nối tiếp 2.6.1. Cấu trúc cổng nối tiếp

GVHD: ThS. Huỳnh Minh Ngọc 31 SVTH: Đặng Ngọc Hải

Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau:

 Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song.

 Số dây kết nối ít, ít nhất là 3 dâỵ.

 Có thể truyền khơng dây dùng hồng ngoạị

 Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device).

 Cho phép nối mạng.

 Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc.

 Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản

Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE (Data Terminal Equipment) và DCE (Data Communication Equipment). DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thơng thường qua 2 chân RxD (nhận) và TxD (truyền). Các tín hiệu cịn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển q trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt taỵ Ưu điểm của quá trình truyền dùng tín hiệu bắt tay là có thể kiểm sốt đường truyền.

Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronics Industry Associations). Chuẩn RS-232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dịng từ 10 mA đến 20 mẠ Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch.

Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps.

Các phương thức nối giữa DTE và DCE:

 Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng.