Bản chất mạch vi điều khiển – tự động hóa

CHƯƠNG 4: NGUYÊN CỨU, TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TIC-TAC-TOE

4.1 Bản chất mạch vi điều khiển – tự động hóa

4.1.1 Vi điều khiển (Microcontroller)

- Là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử.

Hình 4.1: Bộ vi điều khiển.

- Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý (khác với các bộ vi

xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi tín hiệu số sang tương tự và tương tự sang số.

- Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện như: máy giặt, điện thoại, dây chuyền tự động.

- Thiết bị điện tử là các công cụ điện tử được tạo từ các vật Dẫn điện và Bán dẫn điện.

o Dẫn điện

 Điốt.

33 | P a g e

 Tranzito.

 FET, JFET, MOSFET.

 IC.

o Bán dẫn điện

 Điện trở: Thiết bị điện có khả năng làm giảm dòng điện.

 Tụ điện: Thiết bị điện có khả năng lưu trữ điện dưới dạng điện trường.

 Cuộn cảm: Thiết bị điện có khả năng lưu trữ điện dưới dạng từ trường.

 Công Tắc: Thiết bị điện có khả năng đóng/mở mạch điện

 Cầu Chì: Thiết bị điện có khả năng hở (ngắt) mạch điện khi dòng điện đi qua cầu chì vượt quá mức dẫn điện của cầu chì.

 Biến điện: Thiết bị điện có khả năng tăng, giảm, dẫn điện.

 Cấu trúc cơ bản của một vi điều khiển bao gồm:

- CPU:

o Là bộ não trung tâm của vi điều khiển.

o CPU là thiết bị quản lý tất cả các hoạt động của hệ thống và thực hiện tất cả các thao tác trên dữ liệu như: nạp, giải mã và thực thi lệnh.

o CPU kết nối tất cả các thành phần của vi điều khiển thành một hệ thống duy nhất.

- Memory( bộ nhớ):

o Trong vi điều khiển, bộ nhớ hoạt động giống như bộ vi xử lý.

o Bộ nhớ lưu trữ tất cả các chương trình và dữ liệu. Bộ nhớ của vi điều khiển là bộ nhớ ROM (EPROM, EEPROM) hoặc bộ nhớ RAM với dung lượng nhất định. Ngày nay còn có bộ nhớ flash lưu trữ mã nguồn chương trình.

- Cổng Input/output: dùng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài .Cổng I/O sử dụng

để giao tiếp hoặc điều khiển các thiết bị khác nhau như máy in, LCD, LED…

- Serial Ports: Những cổng này cung cấp giao tiếp nối tiếp giữa vi điều khiển và thiết

bị ngoại vi khác nhau.

- Timers: Vi điều khiển được xây dựng với một hoặc nhiều Timer hoặc bộ định thời. Các Timer và bộ định thời kiểm soát tất cả bộ đếm và thời gian hoạt động bên trong vi điều

34 | P a g e

khiển. Timer được sử dụng đếm xung bên ngoài. Các hoạt động chính được thực hiện bởi timers “tạo xung, đo tần số. điều chế, tạo dao động,v.v... “

- ADC (Analog to digital converter): ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.

- DAC (Digital to analog converter): Có chức năng ngược lại với ADC. DAC thường được sử dụng để giám sát các thiết bị tương tự.

- Interpret Control ( điều khiển ngắt ): Là một số sự kiện khẩn cấp bên trong hoặc bên ngoài bộ vi điều khiển xảy ra, buộc vi điều khiển tạm dừng thực hiện chương trình hiện tại, phục vụ ngay lập tức nhiệm vụ mà ngắt yêu cầu – nhiệm vụ này gọi là trình phục vụ ngắt (ISR: Interrupt Service Routine).

4.1.2 Vi xử lý

- Viết tắt là àP hay uP đụi khi cũn được gọi là bộ vi xử lý.

- Là một linh kiện điện tử máy tính được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp đơn.

- Khối xử lý trung tâm (CPU- Central Processing Unit) là một bộ vi xử lý và nhiều thành phần khác trong máy tính cũng có bộ vi xử lý riêng của nó, ví dụ trên các màn hình chúng ta cũng có một bộ vi xử lý.

- Bộ nhớ máy tính bao gồm các hình thức, phương thức để lưu trữ được dữ liệu của máy tính một cách lâu dài (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì dữ liệu không bị mất đi), hoặc lưu dữ liệu tạm thời trong quá trình làm việc của máy tính (khi kết thúc một phiên làm việc của máy tính thì bộ nhớ này bị mất hết dữ liệu).

- Các thiết bị lưu trữ dữ liệu cho bộ nhớ lâu dài bao gồm: Đĩa cứng, Đĩa mềm, Đĩa quang, Băng từ, ROM, các loại bút nhớ...

- Các thiết bị lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình làm việc: RAM máy tính, Cache...

Vi điều khiển Vi xử lý

Cấu

trúc

Vi điều khiển sử dụng cấu trúc RISC

và Harvard. Nhưng cũng có một số vi

điều khiển sử dụng cấu trúc CISC như

Hầu hết các bộ vi xử lý sử dụng cấu trúc CISC và Von-Neumann. Tuy

35 | P a g e

8051 và SHARC. Bộ vi xử lý có ROM,

RAM, bộ nhớ lưu trữ thứ cấp I / O thiết

bị ngoại vi, timer bộ đếm(counters).. vv

được xếp cùng trên một board và kết

nối thông qua bus được gọi là vi điều

khiển.

nhiên, bộ vi xử lý phổ biến sử dụng cấu trúc CISC.

Tốc độ

CPU

Bộ vi điều khiển có thể chậm khi so

sánh với các bộ vi xử lý. Tốc độ thực

thi luôn luôn phụ thuộc vào clock. Nếu

chúng ta so sánh hiệu suất tổng thể và

ứng dụng, vi điều khiển tốc độ thực

hiện rất nhanh bởi vì tất cả các thiết bị

ngoại vi sẵn có.

Bộ vi xử lý có tốc độ nhanh hơn so với các bộ điều khiển bởi clock. Bộ

vi xử lý có thể có tốc độ xung nhịp (clock) cao.

Thời

gian

thiết kế

Thiết kế một vi điều khiển sẽ mất ít thời

gian hơn khi thiết kế bộ vi xử lý.

Việc giao tiếp giữa các thiết bị ngoại vi

và chương trình dễ dàng hơn khi so

sánh với bộ vi xử lý.

Vi điều khiển được thiết kế để thực

hiện một chức năng cụ thể. Cụ thể có

nghĩa là các ứng dụng mà quan hệ giữa

đầu vào và đầu ra được xác định rõ

ràng.

Tùy thuộc vào đầu vào, một số xử lý cần phải được thực hiện và thiết lập

từ đầu ra. Ví dụ, bàn phím, chuột, máy giặt, máy ảnh kỹ thuật, USB, điều khiển từ xa, lò vi sóng, xe hơi,

xe đạp, điện thoại, điện thoại di động, đồng hồ … Khi ứng dụng được cụ thể hóa, cần tài nguyên nhỏ như RAM, ROM, I / O port … do đó

có thể được nhúng vào một chip duy

36 | P a g e

nhất. Điều này sẽ làm giảm kích thước và chi phí.

Ứng

dụng

Vi điều khiển được sử dụng chủ yếu

trong các ứng dụng nhúng như đồng

hồ, điện thoại di động, máy nghe nhạc

mp3

Bộ vi xử lý chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống máy tính, hệ thống quốc phòng, mạng thông tin liên lạc

So sánh vi điều khiển và vi xử lý về chi phí là không hợp lý. Chắc chắn vi điều khiển rẻ hơn so với bộ vi xử lý. Tuy nhiên vi điều khiển không thể được sử dụng thay cho bộ vi

xử lý và ngược lại vì vi điều khiển và vi xử lý có tầm quan trọng riêng trong việc phát triển các ứng dụng

Bảng 4.1: So sánh giữa vi điều khiển và vi xử lý.

4.1.3 Tự động hóa

Tự động hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứng dụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm. Một số quy trình đã được hoàn toàn tự động.

Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nó cũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng, độ chính xác và

độ chính xác.

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp. Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp.

Hệ thống nhúng (tiếng Anh: embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống

có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các

hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.

37 | P a g e

Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân.