Nhìn chung cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đối tượng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể chia làm 4 phần như 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 thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Do đó, cần có các kỹ thuật xử lý tín hiệu như khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm những tác động đó.
Nếu có nhiều thành phần cảm nhận được sử dụng trong cùng một chip, cần phải có bộ hợp kênh. Trong trường 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 tương 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 được nối với một bộ hợp kênh số. Khi sử dụng số lượng 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 được 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 được thể hiện ở hình 3.3. Một vi điều khiển thường sử dụng xử lý tín hiệu số (ví dụ, lọc số), chuyển đổi tương tự-số, tần số-mã, tính toán và các chức năng giao tiếp. Vi điều khiển có thể kết hợp hay trang bị với các giao tiếp chuẩn. Nhiều vi điều khiển có cả bus giao tiếp 2 dây I2C, có thể truyền với khoảng cách ngắn (vài mét) hay giao diện nối tiếp RS- 232/485 cho truyền khoảng cách dài.
Cảm biến số nối tiếp khác cảm biến tương tự ở bus giao tiếp. Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng dòng điện hay điện áp về vi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự-số rồi mới đọc dữ liệu. Còn trong cảm biến số nối tiếp, việc chuyển đổi tương tự-số được thực hiện ngay trong cảm biến, giá trị chuyển đổi sau đó được đưa về vi điều khiển dưới dạng các xung nối tiếp thể hiện giá trị của cảm biến. Điều này sẽ khắc phục được nhiễu tác động lên bus giao tiếp.
Để gửi lệnh đọc dữ liệu cho cảm biến, vi điều khiển trước tiên phải xác lập xung dữ liệu DATA, sau đó phát xung đồng bộ SCK. Việc gửi các xung dữ liệu được thực hiện cho tới khi bit cuối cùng của DATA được gửi đi. Khi đọc dữ liệu từ cảm biến thì vi điều khiển phải phát xung SCK trước, sau đó đọc giá trị xung dữ
Vi điều khiển Cảm biến
GND Vcc Vcc DATA
SCK
liệu dạng bit từ cảm biến. Các bit dữ liệu nhận được sau đó sẽ được kết hợp lại thành dữ liệu dạng byte
Thông thường, để đọc dữ liệu từ cảm biến số nối tiếp theo các bước sau:
- Vi điều khiển gửi tín hiệu Start cho cảm biến để bắt đầu quá trình đọc dữ liệu. Tín hiệu Start thường là một chuỗi xung có định dạng
- Khi cảm biến nhận được tín hiệu này sẽ khởi tạo lại các tham số. Sau khi khởi tạo xong, cảm biến gửi lại thông báo ACK cho vi điều khiển.
- Vi điều khiển sau khi nhận được ACK từ cảm biến sẽ gửi lệnh đọc dữ liệu cho cảm biến.
- Cảm biến khi nhận được lệnh đọc dữ liệu từ vi điều khiển sẽ thu thập dữ liệu, biến đổi AD rồi truyền dữ liệu dạng số về cho vi điều khiển.
Các ưu điểm của cảm biến số nối tiếp:
- Năng lượng tiêu thụ thấp: năng lượng tiêu thụ của cảm biến chủ yếu xảy ra lúc lấy thông tin và thực biến đổi A/D. Bằng việc cho phép/không cho phép đọc dữ liệu sẽ kiểm soát được năng lượng tiêu thụ. Khi cảm biến không làm việc thì năng lượng tiêu thụ là thấp nhất.
- Khả năng chống nhiễu lớn: cảm biến sử dụng đường truyền số, do vậy rất khó bị ảnh hưởng bởi nhiễu lúc truyền số liệu.
- Độ chính xác cao: Việc tự chuẩn hoá cho phép giảm sai số hệ thống. Việc sử dụng thuật toán thống kê và các thuật toán trung bình trọng số cho phép làm giảm sai số ngẫu nhiên gây nên bởi nhiễu.
DATA
SCK
- Giao tiếp đơn giản, chỉ dùng ít dây: cảm biến số truyền nối tiếp nên chỉ dùng ít dây để truyền dữ liệu. Thông thường, để giao tiếp dữ liệu với vi điều khiển chỉ cần 2 đường tín hiệu, một đường là xung đồng bộ do vi điều khiển phát ra, một đường là dữ liệu đọc về.
- Dải đo rộng. - Kích thước nhỏ.