3. Nhiệm vụ và Nội dung nghiên cứu
4.1.2Cấu trúc của hệ thống thiết bị
Hệ thống thiết bị phải ựáp ứng ựược các yêu cầu chắnh sau:
a) Phối ghép/tắch hợp ựa năng và linh hoạt
Có thể mở rộng ựể thu thập ựược 12 tắn hiệu ựầu vào, vắ dụ:
- 06 ựầu vào tương tự, tắn hiệu dạng áp/dòng, dải ựo có ựổi ựể phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
- 04 ựầu vào số: Có thể ghép nối với thiết bi ngoại vi theo một số chuẩn thông dụng như I2C/SPỊ..
- 02 ựầu vào dạng xung, ứng dụng riêng trong trường hợp ựo tốc ựộ gió hay ựộng cơ....
- Thiết bị có 08 ựầu ra dạng băm xung PWM (8-12 bắt), có cách ly quang và 02 ựầu ra dạng dòng (0ọ20)mA ựể thực hiện các chức năng biến ựổi, ựiều khiển v.v.
b) Sai số ựo cơ bản: ≤ (0,1 ọ 0,5) %ựối với các mạch ựo lường thu thập các tắn
hiệu dạng tương tự/số.
c) Chức năng chống chịu tác ựộng môi trường
- Chịu ựược môi trường ẩm, nhiệt ựộ thay ựổi nhiều (có chế ựộ bù sai số)Ầ - Thu thập tắn hiệu từ sensor chắnh xác ổn ựịnh và chống nhiễu tốt.
d) Tiện sử dụng, di ựộng linh hoạt kết nối/tắch hợp và ựiều khiển sử dụng:
- Màn hình hiển thị LCD: 4x24 ký tự, ựọc ghi dữ liệu/giám sát dễ dàng
- Kết nối với thiết bị ngoại vi: USB nối máy tắnh và hiển thị trên màn hình, có thể mở rộng ựể truyền dữ liệu không dây về thiết bị trung tâm khi có nhu cầụ - Tổ hợp 04 phắm giao diện người máy ựể lựa chọn/ựiều khiển hệ thống... - Nguồn cấp: (6ọ24)VDC, có thể sử dụng pin trong trường hợp di ựộng (pin 9V)
4.2 Thiết kế hệ thống thiết bị ựo lường giám sát/ựiều khiển ựa kênh
4.2.1 Khái quát chung
Thiết bị ựo và ựiều khiển ựa kênh ựược thiết kế làm việc trong môi trường công nghiệp, thiết bị nhỏ gọn có thể ựo di ựộng. Thiết bị này có thể giao tiếp với máy tắnh trung tâm bằng chuẩn USB, cái hay của thiết bị là tắnh mở và linh hoạt cao, có thể thay ựổi cấu hình phần cứng dễ dàng, gắn ựược các loại cảm biến khác nhau trên một thiết bị mà không cần thay ựổi phần cứng. Trong Bảng-4.1 và Hình 4.1 dưới ựây cho các thông số kỹ thuật chắnh và sơ ựồ khối của hệ thống:
Bảng 4.1 - Thông số kỹ thuật chắnh của hệ thống thiết bị ựo ựiều khiển ựa kênh
đặc tắnh kỹ thuật Thông số kỹ thuật
Nguồn cung cấp (6ọ24) VDC, 1.5A
Chuẩn truyền thông USB
Outputs Ớ8 ựầu ra PWM (0ọ24VDC), cách ly quang.
Ớ2 ựầu ra dạng dòng (4ọ20mA)
Inputs
Ớ6 ựầu vào tương tự áp/dòng, ADC 12 bắt.
Ớ04 ựầu vào số: SPI/I2C
Ớ02 ựầu vào dạng xung.
LEDs Ớ03 LED báo nguồn cung cấp
Ớ08 LED báo ựầu rạ
LCD 4x24 ký tự
EMBED VisiọDrawing.11
Hình 4.1- Sơ ựồ khối của thiết bị ựo và ựiều khiển ựa kênh 4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống thiết bị ựo ựiều khiển ựa kênh PSoC
4.2.2.1 Khối ựiều khiển trung tâm
Hệ thống ựo ựa kênh sử dụng khối vi xử lý ựiều khiển trung tâm, cần có các chuẩn truyền thông cơ bản ựể ghép nối với các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, phắm ựiều khiểnẦ). PSoC CY8C29566 của hãng Cypress là dòng vi xử lý có khả năng tắch hợp các chức năng ghép nối cơ bản nên có tắnh mở, tắnh linh hoạt, khả năng kết nối cao với các thiết bị ngoại vị Cho phép tạo ra ựược các thiết bị nhỏ gọn, với những giao diện thông dụng nhất, thiết bị sẽ có ựầy ựủ các chức năng cần thiết, thuận tiện cho người sử dụng (Hình 4.1).
Hình 4.2- Khối ựiều khiển trung tâm PSoC CY8C29566
Bên trong CY8C29566 có tắch hợp các khối tương tự như: Bộ chuyển ựổi ADC, các bộ khuếch ựại, các bộ lọc... rất tiện lợi, giảm chi phắ tắch hợp linh kiện bên ngoài cho hệ thống. Bên trong PSoC có sẵn các khối số có thể lập trình ựược như: Bộ truyền thông SPI MASTER hay SPI SLAVE, I2C... thực hiện kết nối mềm dẻo linh hoạt ựược giữa các khối chức năng với nhau hoặc giữa các khối với các cổng vào rạ Sử dụng vi xử lý PSoC CY8C29566 là hoàn toàn thắch hợp và tiện lợi (Hình 4.2).
4.2.2.2 Khối hiển thị LCD
Khối ựiều khiển LCD/LED trên chip PSoC CY8C29566 nhờ phần mềm Designer 5.0 pack 6LCD, hỗ trợ các hàm thư viện chuẩn giao tiếp kết nối với mạch hiển thị LCD bên ngoài HD44/780A của hãng Hitachi thuận lợi (Hình 4.3)
a) b) c)
Hình 4.3- Sơ ựồ khối IC LCD bên ngoài HD44/780A của hãng Hitachi
a)- Sơ ựồ khối; b, c)- Ảnh và sơ ựồ ựấu nối
Thiết bị ựo ựa kênh ựược thiết kế với màn hình LCD hiển thị ựược ắt nhất bốn dòng. Thiết bị ựo ựa kênh sử dụng màn hình LCD của hãng Hitachi (4x24) là màn hình hiển thị thông dụng.
Module LCD ựiều khiển việc hiển thị thông tin và số liệu lên màn hình tinh thể lỏng. Module này chỉ yêu cầu duy nhất 7 chân vào ra, mà không sử dụng bất kỳ một khối số hay tương tự nào của PSoC.
Như vậy, màn hình LCD trên của hệ thống ựược ựiều khiển hiển thị trực tiếp từ các chân của chip CY8C29566 tương ứng như chân P2[0], P2[1], P2[2], P2[3], P2[4], P2[5], P2[6].
4.2.2.3 Khối khuếch ựại
Hệ thống ựo ựa kênh sử dụng bộ khuếch ựại khả trình PGA có sơ ựồ khối như sau:
Hình 4.4- Sơ ựồ khối bộ khuếch ựại khả trình PGĂProgramable Gate Array)
Với cấu hình phần cứng ựủ mạnh, PSoC cho phép lập trình tạo ra các User Modules hữu dụng một cách linh hoạt, dễ dàng từ các khối số, các khối tương tự. đảm ựương chức năng của bộ khuếch ựại tắn hiệu, PGA có các ựặc ựiểm vượt trội với trở kháng ựầu vào lớn, có thể lập trình chọn 1 trong 33 hệ số khuyếch ựại khác nhau, lớn nhất là 48 (Vì khả năng nội tại của PSoC trong hệ
thống ựo lường ựa kênh của ựề tài, chọn ựặt hệ số mặc ựịnh bằng 1), và chỉ sử dụng một khối tương tự của vi ựiều khiển.
4.2.2.4 Mạch truyền thông nối tiếp UART của hệ thống ựo ựa kênh
Mạch truyền thông nối tiếp UART của hệ thống ựo ựa kênh có thể sử dụng cổng RS232, có ựặc ựiểm cấu hình cao như bộ truyền và nhận tắn hiệu hoạt ựộng ựộc lập (không ựồng bộ), dữ liệu ựịnh dạng tương thắch chuẩn truyền nối tiếp, ngắt khi thanh ghi nhận ựầy hoặc khi bộ ựệm truyền rỗng, kiểm tra bit chẵn, lẻ, khung lỗi, khung thừa và các chức năng thu/phát ở mức cao
Hình 4.5 - Sơ ựồ nguyên lý bộ truyền thông (UART)
Bộ truyền thông UART ựảm nhận việc truyền thông của vi ựiều khiển qua ựường truyền nối tiếp, gồm một bộ nhận RX và một bộ truyền TX, các bộ RX và TX hoạt ựộng ựộc lập (không ựồng bộ với nhau), tốc ựộ truyền lớn nhất lên tới 6 Mbit/giâỵ Khung dữ liệu: 1 Bit Start, có thể lựa chọn Bit chẵn lẻ, 1 Bit Stop. Sử dụng 2 khối số (Hình 4.5).
Chân P1ựược nối với ựầu ra của bộ truyền TX và chân P1, nối với ựầu vào của bộ nhận RX thông qua kết nối GDỊ
để tương thắch với các máy tắnh hiện nay, thiết bị ựo ựa kênh ựược thiết lập giao tiếp với máy vi tắnh theo giao thức truyền nhận thông tin nối tiếp với máy vi tắnh qua cổng USB. Thiết bị sử dụng IC driver PL2302 ựể ựồng bộ chuẩn UART ựã ựược tắch hợp trên vi xử lý PSoC với chuẩn USB (Hình 4.1 và Hình 4.6).
Hình 4.6 - Mạch chuyển ựổi UART-USB
4.2.2.5 Mạch ựếm/thanh ghi 8 bit
Mạch ựếm/thanh ghi 8 bit trong vi xử lý trung tâm của PSoC CY8C29566 ựược sử dụng tương ứng 1 khối số, có xung nhịp tối ựa có thể chọn lên ựến 48 MHz,
tự ựộng nạp lại chu kỳ ựếm khi kết thúc, có thể chọn lập trình ựộ rộng xung phù hợp với ứng dụng (Hình 4.7). Mạch ựếm có cửa vào ựiều khiển trạng thái Ộcho phépỢ/Ợkhông cho phépỢ hoạt ựộng liên tụcẦ
4.2.2.6 Khối cửa vào nối với các ựầu ựo/cảm biến
a)Khối cửa vào ựo nhiệt ựộ và ựộ ẩm không khắ gồm 4 kênh mặc ựịnh cho trong
Hình 4.8, kết nối với ựầu ựo nhiệt ựộ và ựộ ẩm SHT75. Các kênh này có thể thay ựổi ựược linh hoạt ựể phù hợp với loại sensor phối hợp cửa vào khi cần thiết
Hình 4.8 - Sơ ựồ sensor ựo nhiệt ựộ và ựộ ẩm SHT75
b) Khối cửa vào tắn hiệu analog
Hệ thống thiết bị ựo ựa kênh mặc ựịnh chờ sắn 6 cửa ựiện áp analog, trong dải (0ọ5) VDC, nối với với bộ biến ựổi A/DC 12 bit.
Hình 4.9 - Sơ ựồ của mạch thu thập 6 tắn hiệu analog
Sử dụng bộ dồn kênh ghép trên IC AMUX HEF4051B ựáp ứng yêu cầu dồn 8 kênh analog, lần lượt truyền ựưa các tắn hiệu cửa vào về bộ ADC 12 bit tắch hợp sẵn trong vi xử lý trung tâm của PSoC... (Hình 4.9)
4.2.2.7 Khối cửa ra analog
Hệ thống bố trắ 8 ựầu ra tắn hiệu analog tương thắch PWM: 24VDC, ựược cách ly mạch công suất ngoài bằng ghép nối quang học qua IC P251 với mạch transistor công suất IRF540.
Hình 4.10 - Sơ ựồ của mạch 8 tắn hiệu ra analog
4.2.2.8 Khối chuyển ựổi cửa ra ựiện áp-dòng ựiện
Hệ thống bố trắ mặc ựịnh 2 kênh chuyển ựổi tắn hiệu cửa ra thành dòng thống nhất hóa (0ọ20) mA, có thể kết nối thuận lợi ựối với các mạch ựiều khiển các cơ cấu thừa hành như tốc ựộ ựộng cơ, mức gia nhiệt v.v. Sử dụng IC biến ựổi ựiện áp-dòng ựiện XTR110 và transistor công suất IRF9540 (Hình 4.11).
4.2.2.9 Mạch in và mạch giao diện
Trong Hình 4.12 minh họa bố trắ các linh kiện trên mạch in, các cầu nối, ổ nối v.v. vào ra trên bo mạch của thiết bị ựo ựa kênh: Bên trái, từ trên xuống dưới là: Cặp ựầu nối nguồn nuôi + 12/24 VDC và tiếp theo là 10 cửa tắn hiệu ra (analog, digitalẦ); Bên dưới từ trái sang là 4 cửa vào ựo nhiệt ựộ/ựộ ẩm không khắ; Bên phải, từ trên xuống là 8 cửa tắn hiệu vào chờ kết nối với các ựầu ựo/cảm biến chuyên dùng (analog, số hóa, xung, tần số v.v.)
Hình 4.12 - Bố trắ các linh kiện, cửa vào/ra trên bo mach in của hệ thống
Trên bo mạch của hệ thống thiết bị có 11 ựèn LEDs màu xanh, trong ựó:
LED1 ọ LED3: Báo nguồn cung cấp +5V, và + 3,3V cho hệ thống. Các ựèn LED4 ọ LED11: Báo tắn hiệu rạ
Ký hiệu và chỉ dẫn các ổ nối vào/ra cho trong Bảng 4.2 và Hình 4.13 dưới ựây
Bảng 4.2- Ký hiệu và chỉ dẫn các ổ nối vào ra (Jumps) trên bo mạch
TT Tên Jum Mô tả
1 J1, J2 Nguồn cung cấp 24VDC 2 J3 USB COM 3 J4ọ J7 DIGITAL INPUTS 4 J8ọJ15 ANALOG INPUTS 5 J16ọJ17 OUTPUTS (0ọ20mA) 6 J18ọJ24 PWM OUTPUTS
Bảng 4.3- Bảng mô tả chi tiết
Jump Pin Mô tả
1 24VDC J1 2 GND 1 24VDC J2 2 GND J3 USB Jum 1 SCK_1 2 5V 3 GND J4 4 DATA_1 1 SCK_2 2 5V 3 GND J5 4 DATA_2 1 SCK_3 2 5V J6 3 GND
4 DATA_3 1 SCK_4 2 5V 3 GND J7 4 DATA_4 1 GND 2 Input Analog 1 J8 3 5V 1 GND 2 Input Analog 2 J9 3 5V 1 GND 2 Input Analog 3 J10 3 5V 1 GND 2 Input Analog 4 J11 3 5V 1 GND 2 Input Analog 5 J12 3 5V 1 GND 2 Input Analog 6 J13 3 5V 1 GND
2 Input Analog 7 J14 3 5V 1 GND 2 Input Analog 8 J15 3 5V 1 GND J16 2 OUT1 1 GND J17 2 OUT2 1 24V J18 2 PWM OUTPUT1 1 24V J19 2 PWM OUTPUT2 1 24V J20 2 PWM OUTPUT3 1 24V J21 2 PWM OUTPUT4 1 24V J22 2 PWM OUTPUT5 1 24V J23 2 PWM OUTPUT6 1 24V J24 2 PWM OUTPUT7 1 24V
J25 2 PWM OUTPUT8
4.2.2.10 Sơ ựồ mạch in và hướng dẫn ựấu nối bo mạch thiết bị với các thiết bị ngoai vi ngoai vi
Tải ựược nối với thiết bị ựo ựa kênh qua 8 cửa ra PWM, theo hình bên dưới
Hình 4.14 - Sơ ựồ nối tải với thiết bị ựo ựa kênh 8 cửa ra
Các ựầu ựo ựược nối với thiết bị ựo ựa kênh qua 6 cửa vào analog (0ọ5) VDC như sau
Hình 4.15 - Sơ ựồ nối sensor với thiết bị ựo ựa kênh qua 6 cửa vào analog
Mặt trên:
Hình 4.16 - Sơ ựồ minh họa mặt trên mạch in của thiết bị
Mặt dưới:
4.3 Thiết kế giao diện và hiển thị dữ liệu ựo và ựiều khiển trên PC
Trên giao diện thiết kế tiện dụng dễ quan sát, dễ ựiều chỉnh các ngưỡng cảnh báo cho các thông số nhiệt ựộ và ẩm ựộ.
Hình 4.18 - Giao diện và hiển thị dữ liệu ựo/ựiều khiển trên PC
4.4 Kết quả thử nghiệm hệ thống thiết bị ựo và ựiều khiển
4.4.1 Hệ thống thiết bị ựo và ựiều khiển sau lắp ráp
Hệ thống thiết bị ựo lường ựiều khiển sau thiết kế và lắp ráp gồm có:
- 04 kênh ựo nhiệt ựộ/ựộ ẩm môi trường cấp chắnh xác cao (Sai số nhiệt ựộ:
(0,1ọ0,5)0C, ựộ ẩm không khắ: (1ọ3) %;
- 08 kênh tắn hiệu ựầu vào, các kênh này có thể thay ựổi linh hoạt các dạng tắn hiệu ựầu vào trên từng kênh là dòng ựiện: (4ọ20)mA, ựiện áp: (0ọ5)VDC/(0ọ10)VDC, tần số: (0ọ1000)Hz hay là xung nhịpẦ.tùy theo thông số ựầu ra của các sensor tương ứng.
- 10 kênh tắn hiệu ựầu ra, các kênh tắn hiệu ựầu ra này cũng có thể thay ựổi linh hoạt các dạng tắn hiệu ựầu ra trên từng kênh là dòng ựiện, ựiện áp, tần số, ựóng cắt ON-OFF hay xung nhịpẦ. tùy theo tắn hiệu ựầu vào của ựối tượng cần ựiều khiển. điều này thể hiện khả năng thay ựổi linh hoạt của chip PSoC dựa trên nền phần cứng thiết kế ban ựầu có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng ựo lường/điều khiển với các ựối tượng khác nhau khác nhau chỉ cần thay ựổi phần mềm lập trình và nạp lại vào chip PSoC ta sẽ có ứng dụng mới với ựộ tin cậy và chắnh xác caọ
Hình 4.19 - Bố trắ bo mạch thiết bị ựo trong hộp bảo vệ
4.4.2.1 Các thiết bị sử dụng trong quá trình đo lường thử nghiệm/Hiệu chuẩn
Sử dụng các trang thiết bị của PTN Cơ ựiện VILAS019 ựể tiến thử nghiệm như ở bảng sau:
Bảng 4.4- Các trang thiết bị dùng trong quá trình thử nghiệm
TT tài sản Mã số Tên/ký mã hiệu Hãng/nước sản xuất Diễn giải
1 Cđ/08 Multiproduct Calibrator
5520A Fluke/USA Reference source
2 Cđ/56 Fluke 8508 Fluke/USA Reference
Multimeter
3 Cđ/60 Metrology Well 9171 Hart
Scientific/USA Reference source
4 Cđ/01 Fluke 87 Fluke /USA Digital Multimeter
5 Cđ/47 Measuring instrument Testo
400/set 0554 0660 Testo/Germany
Reference measuring instrument and Humidity Control and Cal. set 6 Cđ/45 Agilent 33250A Agilent/USA Reference source
7 Cđ/48 Measuring instrument Testo
342 Testo/Germany
Reference measuring instrument
4.4.2.2 Kết quả thực hiện
Hệ thống thiết bị ựo lường/ựiều khiển thiết kế trên PSoC, sau lắp ráp, căn chỉnh và ựược hiệu chuẩn phù hợp với các chuẩn mực của TCVN ISO/IEC 17025: 2005.
Kết quả ựo lường thử nghiệm/hiệu chuẩn các kênh ựo nhiệt ựộ, ựiện áp và dòng ựiện thống nhất hóa, tần số cho trong các bảng 4.5 ựến 4.15 dưới ựây:
ạ Nhiệt ựộ
Bảng 4.5- Kết quả ựo nhiệt ựộ trên kênh 1
Giá trị ựọc, oC Sai số TT Nhiệt ựộ chuẩn, oC Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình độ lệch chuẩn, oC oC % độ KđBđ, oC 1 0,000 0,02 0,02 0,01 0,017 0,00577 + 0,02 - 0,10 2 10,000 9,95 9,97 9,96 9,960 0,01000 - 0,04 - 0,4 0,11 3 20,000 20,03 20,03 20,02 20,027 0,00577 + 0,03 + 0,1 0,11 4 30,000 29,97 29,98 29,97 29,973 0,00577 - 0,03 - 0,1 0,11