Hệ thống điều khiển nhúng - Phần 6 pps

93
6 THIẾT KẾ HỆ NHÚNG: TỔ HỢP PHẦN CỨNG VÀ MỀM
6.1 Qui trình phát triển
Quátrìnhpháttriểnphầnmềmnhúngthựchiệntheochutrìnhsau:
(1) Problemspecification
(2) Tool/chipselection
(3) Softwareplan
(4) Deviceplan
(5) Code/debug
(6) Test
(7) Integrate


6.2 Phân tích yêu cầu
6.3 Mô hình hoá sự kiện và tác vụ
6.3.1 Phương pháp mô hình Petrinet
Năm1962CarlAdamPetriđãcôngbốphươngphápmôhìnhhìnhhoạtácvụhayquá
trìnhtheosựphụthuộcnhânquảđãđượcphổcậprộngrãivàđượcbiếttớinhưngày
nàyvớitêngọilà
mạngPetri.

MạngPetriđượcsửdụngphổbiếnđểbiểudiễnmôhìnhvàphântíchcáchệthốngcó
sựcạnhtranhtrongquátrìnhhoạtđộng.Mộthệthốngcóthểhiểulàmộttổ
hợpcủa
94
nhiềuthànhphầnvàm ỗithànhphầnthìđềucócácthuộctính.Cácthuộctínhđócóthể
thayđổivàđượcđặctrưngbởicácbiếntrạngthái.Mộtchuỗicáctrạngtháisẽmô
tả
quátrìnhđộngcủamộthệthống.


MạngPetrithựcsựlàmộtgiảiphápmôtảhệthốngđộngvớicácsựkiệnrờirạctác
độnglàmthayđổitrạngtháicủa
cácđốitượngtronghệthốngtheotừngđiềukiệncụ
thểtrạngtháicủahệthống.

MạngPetriđượcthiếtlậpdựatrên3thànhphầnchính:(1)Cácđiềukiện,(2)cácsự
ki
ện,và(3)quanhệluồng.Cácđiềukiệncóthểlàthoảmãnhoặckhôngthoảmãn.Các
sựkiệnlàcóthểxảyrahoặckhông.Vàquanhệluồngmôtảđiềukiệncủahệtrướ
ckhi
sựkiệnxảyra.

Cácđiềukiệnđòihỏiphảithoảmãnđểmộtsựkiệnxảyrahoặcchuyểntrạngtháithực
hiệnthìđượcgọilàđiềukiệntrước(
precondition).Cácđiềukiệnmàđượcthoảmãnkhi
mộtsựkiệnnàođóxảyrathìđượcgọilàđiềukiệnsau(postcondition).
6.3.2 Qui ước biểu diễn mô hình Petrinet
TrongquiướcbiểudiễnhìnhhoạthìmạngPetrisửdụngcácvòngtrònđểbiểudiễncác
điềukiện,cáchộpđểbiểudiễncácsựkiện,vàmũitênbiểudiễnquanhệluồ
ng.Mộtví
dụminhhoạvềmạngPetriđượcmôtảtrongHình6‐1,trongđó:
•
12
{ , , , }
np
Ppp p= làtậpgồm np vịtríđượcbiểudiễntrongmôhình(đượcmôtả
bởicácvòngtròn);
•
12
{ , , , }

nt
Ttt t= làtậpgồm nt chuyểnđổitrongtậpchuyểnđổibiểudiễntrongmô
hình(đượcmôtảbởicáchìnhchữnhật);
• Ibiểudiễnquanhệđivàochuyểnđổivàđượckýhiệubởiđườngmũitêntheo
hướngtừcácvịtrítớicácchuyểnđổi;
• Obiểudiễnquanhệđirakhỏichuyểnđổivàđượckýhiệubởicácđườngmũi
têntheohướngtừcácchuyểnđổitớicácvịtrí;
•
12
{ , , }
np
M
mm m= làdấutrạngtháicủacácchuyểnđổitronghệthống.Cácgiátrị
i
m làsốcácthẻbài(đượckýhiệunhưcácchấmtrònđen)chứabêntrongcácvị
trí
i
p
trongtậpdấu
M
.


95

Hình6‐1:VídụvềmộtmôhìnhmạngPetri
HệthốngđộngcóthểđượcmôtảbởimạngPetrinhờsựchuyểndịchcácthẻbàitrong
cácvịtrícủahệthốngmôhìnhvàtuânthủtheoluậtsau:
• Mộtchuyểnđổiđượcphépthựcthinếutấtcảcácvịtríđivàochuyểnđổiđó
chứaítnhấtmộtthẻbài.

• Khimộtchuyểnđổiđãđượcthựcthixong(hoànthành)thìmộtthẻbàisẽbịloại
rakhỏivịtríđivàochuyểnđổiđóđồngthờibổsungthêmmộtthẻbàivàocácvị
tríđầura
tươngứngcủachuyểnđổiđó.

Cáctrạngtháiđộngcủahệthốngđượcmôtảbởitập
()
M
R
đánhdấubởicácdấutrong
tậpM.Trongvídụtrêncó5phầntửdấutrongtập
R lầnlượtlà
12345
,,,,
M
MMMM.
Tươngứnglầnlượtnhưsau:
1
(1,0,0,0,0)M = :
2
(0,1,1,0,0)M = :
3
(0,1,0,0,1)M = :
4
(0,0,0,1,1)M = :
5
(0,0,1,1,0)M = :
6.3.3 Mô tả các tình huống hoạt động cơ bản với Petrinet
 Đồnghành(Songsong)vàđồngbộ
TrongmôhìnhPNmôtảnhưtrongHình6 ‐2(a),cácchuyểnđổit

1vàt2đượcphépthực
hiệnđồngthời;hoạtđộngcủachúngkhôngảnhhưởngđếnnhau.Cáchoạtđộngđược
môhìnhbởihaichuyểnđổithựchiệnsongsong.Tronghệthốngdựphòngvớiđộtin
cậ
ycao,môhìnhnàyđượcsửdụngđểbiểudiễnhaithànhphầnC1vàC2songsongđể
đảmbảohoạtđộngdựphòng;trongtrườnghợpnàycácvịtríp
1vàp3biểudiễnđiều
96
kiệnlàmviệc,cácvịtríp
2vàp4biểudiễnđiềukiệnlỗi,t1vàt2làcácsựkiệnlỗitrong
cáctácvụC
1vàC2mộtcáchtươngứng.
 
(a)(b)
Hình6‐2:MôhìnhPetrinet2hoạtđộngsongsonga)độclậpvàb)đồngbộ
Tronghoạtđộngsongsong,cáctácvụhoàntoànđộclập,tuynhiênnếucácsựkiệnđó
cầnphảikếtthúcvàlàđiềukiệnđểchomộtchuyểnđổikhácthìhoạtđộngđồngbộcó
th
ểđượcthựchiệnnhờbổsungmộtchuyểnđổit3nhưmôtảtrongHình6‐2(b).Khiđó
chuyểnđổit
3cầnthẻbàiđồngthờicủacảp2vàp4.

 Chiasẻđồngbộ
Mộtyếutốđặctrưngtronghoạtđộngcủahệthốngphântánlàthườngphảichiasẻmột
số tài nguyênhữu hạn.Sự thiếu thốnvề tàinguyên làm
hạn chế hoạtđộng củahệ
thốngtrongquátrìnhxửlýthậmchílàmtắcnghẽnhệthống.Việcmôhìnhvàphântích
cáchệthốngcóhiệntượngtắcnghẽnlàm ộttác
vụkhókhăntrong hầuhếtcácquá
trìnhmôhìnhcóthểgặpphải.



Hình6‐3:Hoạtđộngcủabộđệmvớidunglượnghữuhạn
Đểminhhoạtìnhhuốngnày,biểudiễnhoạtđộngcủabộđệmvớidunglượnghữuhạn
đượcmôtảbởiPNtrongHình6‐3.Vịtríp
3môhìnhs ốcácvịtríbộđệmcòntrốngvàvị
tríp
2môhìnhsốvịtríđãđượcđiềnđầy;chúýrằngtổngcácthẻbàichứatrongcácvị

97
tríp
2vàp3luônlàhằngsố(trongvídụnàylà3).Chuyểnđổit2môhìnhquátrìnhđiền
đầymộtvịtríbộđệmvàhoànthànhnếucóítnhấtmộtvịtríbộđệmcòntrốngcùng
vớithẻbàichứatrongvịtríp
1vàp3.Chuyểnđổit3đượcphépthựchiệnnếucóítnhất
mộtvịtríbộđệmđãđượcđiềnđầy.Khihoànthànhchuyểnđổit
3,mộtthẻbàisẽđược
chuyểntừvịtríp
2sangvịtríp3.

 Tuầntự
Hoạtđộngtuầntựsẽđượcmôtảvàminhhoạbởihoạtđộngcủabộtạovàbộsửdụng
thôngquamộtbộđệm.Bộtạosẽsinhracácđốitượngđểđưa
vàotrongmộtbộđệmvà
sẽđượclấyrabởibộsửdụng.Quátrìnhsửdụngsẽphảiđượcthựchiệnmộtcáchtuần
tựtheoquátrìnhtạorađốitượng.Môhìnhchohoạt
độngnàyđượcdiễntảbởiPNnhư
trongHình6‐4(a).Thẻbàichứatrongvịtríp
1cónghĩalàbộtạođãsẵnsàngthựchiện.
Khicácchuyểnđổit

1vàt2hoànthànhthìmộtđốitượngđượctạora(mộtthẻbàitương
ứngcũngsẽđượcchuyểnvàotrongbộđệmmôhìnhbởivịtríp
5)vàbộtạolạisẵnsàng
trởlại.Nếubộsửdụngcónhucầutiêuthụ(đượcmôhìnhbởithẻbàichứatrongvịtrí
p
3)vàđangcóítnhấtmộtđốitượngtrongbộđệmthìmộtthẻbàichứatrongvịtríp5sẽ
đượclấyđivàchuyểnđổit
3sẽhoànthành.

 
(a)(b)
Hình6‐4:Hoạtđộngtạovàsửdụngvớibộđệma)vôhạnvàb)hữuhạn
TrongcáchmôtảtrongHình6‐4(a)thìviệctạovàsửdụngđượcthựchiệnthôngqua
mộtbộđệmvớigiảthiếtlàcódunglượngvôhạn.Trongthựctếthìcácb ộđệmlà
hữu
hạn,đểmôtảhoạtđộngvớibộđệmloạinàyHình6‐4(b)đượcsửdụng.Vịtríp
6mô
hìnhcácvịtríbộđệmcòntrốngvàvịtríp
5môhìnhcácvịtríbộđệmđãđượcđiềnđầy.
Tổngsốlượngcácthẻbàichứatrongcácvịtríp
5vàp6phảiluônlàhằngsố.Nếumột
thẻbàiđượcgánchovịtríp
5trongdấukhởitạothìbộtạosẽkhôngthểtạothêmđối
tượngchừngnàobộsửdụngvẫnchưatiêuthụđốitượngtrongbộđệm.

 Loạitrừxungđột
HaitácvụC
1vàC2đượcphéplàmviệcsongsongvàcùngchiasẻtàinguyênCS,nhưng
khôngđượctruynhậpvàotàinguyênđồngthời.GiảnđồPNchohoạtđộngnàyđược
môtảnhưtrongHình6‐5.Cácvịtríp

1vàp5biểudiễncáctácvụC1vàC2làmviệcđộc
lập;vịtríp
2vàp6biểudiễncácyêucầucủacáctácvụC1vàC2 mộtcáchtươngứngkhi
98
muốntruynhậpvàotàinguyênchiasẻC
S;p3vàp7biểudiễnCSđangbịchiếmdụngbởi
cáctácvụC
1vàC2mộtcáchtươngứng.Vịtríp4 môtảquyếtđịnhxemtácvụnàocóthể
truynhậptàinguyênCsvàtránhcácvịtríp
3vàp7bịđánhdấuđồngthời.Thựctếkhi
p
2vàp6đượcđánhdấuthìcácchuyểnđổit2vàt5xungđột.Việchoànthànhmộttrong
haitácvụsẽkhoá/cấmlẫnnhau.Việc hoànthànhchuyểnđổit
3hoặct6sẽmôhìnhviệc
giảiphóngnguồntàinguyênchung(chuyểnthẻbàitrởlạivịtríp
4)vàtrởvềđiềukiện
làmviệcbìnhthường.

 
Hình6‐5:Hoạtđộngloạitrừcủahaitácvụsongsongchiasẻchungtàinguyên
ĐểbắtđầulàmquenvớinguyênlýbiểudiễnmôhìnhhóabằngmạngPetrichúngta
xéthoạtđộngcủamộthệthốngđồngbộgiữahoạtđộngtạovàsửdụngmộthạ
ngmục
(item)thôngquabộđệmnhưđượcmôttảtronghìnhdưới.
Bộtạo‐Producer:
9 Tạorahạngmụcvà
9 bổsungvàobộđệm
Bộsửdụng(tiêuthụ)‐Consumer:
9 Lấyhạngm
ụcrakhỏibộđệmvà

9 Sửdụnghạngmục


Hình6‐6:Hoạtđộngcủahệthốnggồm1bộtạovà1bộsửdụng

99
Trongtrườnghợpcónhiềuhơnmộtbộsửdụngthìhệthốngđượcbiểudiễnnhưsau:

Hình6‐7:Hoạtđộngcủahệthốnggồm1bộtạovà2bộsửdụng
Hệthốngcó2bộđệm



Hệthốngvừaxétđượcmôhìnhhóabởiđiềukiệnvàsựkiện.Cácđiềukiệnđượcmôtả
bởicácvòngtrònvànếuđiềukiệnthỏamãnthìkhiđóvòngtrònsẽđượcbi
ểudiễnvới
mộtchấmtrònnằmtrongtươngứngvớimộtthẻbài(token).

Sựkiệnđượckýhiệubởicáchộphìnhchữnhật.Vớimỗimộtsựkiệnthì
sẽtồntại
• mộttậpcácđiềukiệntrướcvàđượcnhậnbiếtbởicácmũitênđivàocácsựkiện
từcácđiềukiệnđóvà
• mộttậpcácđiềukiệnsauđượcnhậnbiếtbởicácmũitênđirakhỏicácsựkiện
vàđivàocácđiềukiệnđó.

Mộtsựkiệncóthểxảyra(được
thựcthi)khivàchỉkhi
9 tấtcảcácđiềukiệntrướctươngứngđượcthỏamãn(nhậnđượcthẻbài)và
9 tấtcảcácđiềukiệnsautươngứngchưađượcthỏamãn.
Nếumộtsựkiệnxảyrathì

9 tấtcảcácđiềukiệntrướctươngứngsẽbịxóabỏ(reset)và
9 tấtcảcácđiềukiệnsautươngứngsẽđượcthiếtlập
(set).
100
VớiloạimạngbiểudiễnnhưtrênngườitagọilàmạngPetricơbản(ElementaryNet)và
kýhiệutắtlàEN.

Đểthuậntiệnvàđơngiảnhóatrongviệcbiểu
diễnngườitacóthểsửdụngcácmũitên
cóthêmtrọng sốnguyênđểmô tảhệ thốngcóchung nhiềuđiều kiệntrước vàsau
tươngứngcùngvớimộtsựkiệnhoặcđ
iềukiện.Đặcbiệtkhisốhạngmụctraođổigiữa
bộtạovàbộsửdụnglớnhơn1.Vớiloạimạngnhưvậyngườitaphânloạivàgọilà
mạng
PetriChuyểnđổi/Vịtrí(Transitions/Places)kýhiệutắtlàP/T‐net.

CũngtươngtựnhưEN,P/T‐netbaogồm:
• Cácvịtríđượckýhiệuvàmôtảbởicácvòngtròn:Cácvịtrícóthểchứamộtsố
nguyêndươngcácthẻbài.
• Cácchuyểnđổiđượcmôtảbởicáchìnhchữnhật:Cácchuyểnđổisẽlấyđihoặc
thêmvàosốthẻbàitừhoặctớimộtvịtrí.
• Cácmũitênkếtnốitrựctiếpgiữacácvịtrívàchuyểnđổi:Cácmũitêncókèm
theocáctrọngsốtươngứngvớisốlượngthẻbàimànócóthểđượclấyra
hoặc
thêmvàotrongcácvịtrí.

Quiước:Mộttậpvịtríkếtnốivớichuyểnđổithôngquamộtmũitêntrựctiếptheo
chiềutừvịtrítớichuyểnđổiđượcgọilà
tậpcáctiềnchuyểnđổi.Ngượclại,mộttậpvị
tríkếtnốivớichuyểnđổithôngquamộtmũitêntrựctiếptheochiềungượctừvịtrítới

chuyểnđổ
ithìđượcgọilàtậpcáchậuchuyểnđổi.

Mộtchuyểnđổicóthểxảyra(thựchiện)khivàchỉkhitấtcảcácvịtrítrongtậptiềnvị
tríchứamộtsốl
ượngtốithiểuthẻbàinhưđượcđịnhnghĩabởicáctrọngsốcủacác
mũitêntươngứng.

Khimộtchuyểnđổiđượcthựcthinósẽ
9 loạibỏbớtsốthẻbàitừt
ậptiềnvịtríbằngđúngsốlượngđãđượcđịnhnghĩa
chocáctrọngsốcủacácmũitêntươngứngvà
9 cộngthêmvàosốlượngcácthẻbàivàotậphậuvịtríđúng
bằngvớitrọngsốcủa
cácmũitêntươngứng.
Vídụbiểudiễnmôtảmộthoạtđộnghệthốngvới2hạngmụccầnđồngbộgiữabộtạo
vàbộs
ửdụng.

101

Hình6‐8:Hoạtđộngđồngbộvớihaihạngmục
Đểcóthểbiểudiễnhệthốngmộtcáchkhoahọcvàlogiccầncómộtđịnhnghĩađầyđủ
môtảbởimạngPetri.

 Mạngđiềukiện/sựkiện
Địnhnghĩa:
(, , )NCEF= đượcgọilàmộtmạngnếuvàchỉnếunóthoảmãncácthuộc
tínhsau:
5 CvàElàcáctậpđộclậpvà

CE∩≠∅
.
5 (x) (x)FECCE⊆∪làquanhệnhịphânvàđượcgọilàquanhệluồng.
CđượcgọilàcácđiềukiệnvàEđượcgọilàcácsựkiện.

Địnhnghĩa:ChomộtmạngNvà
()
x
CE∈∪. :{| }
x
yyFx•= đượcgọilàtậpcácđiềukiện
trướccủaxvà
:{| }
x
yxFy•= đượcgọilàđiềukiệnsaucủax.
Haynóicáchkháclàmộtđiềukiệncầnphảiđượcthoảmãnđểmộtsựkiệnnàođóxảy
rathìđượcgọilàđiềukiệntrướ
cvàmộtđiềukiệnđượcthoảmãnsaukhimộtsựkiện
nàođóxảyrathìđượcgọilàđiềukiệnsaucủasựkiệnđó.

Địnhnghĩa:Chomộttập
(, ) xce C E∈ 
(, )ceđượcgọilàmộtvònglặpnếucFe eFc∧ 
MạngNđượcgọilàthuầnnhấtnếuFkhôngchứabấtkỳmộtvònglặpnào.

Địnhnghĩa:Mộtmạngđượcgọilàđơngiảnnếukhôngcóbấtkỳhaichuy
ểnđổit1,t2
nàocócùngtậpcácđiềukiệntrướcvàcácđiềukiệnsau.

Cácmạngmàkhôngchứabấtkỳphầntửtáchbiệtnàocũngnhưkhôngcóthêmbấtkỳ

mộthạnchế
nàothìđượcgọilàmạngđiềukiện/sựkiện.

 Mạngchuyểnđổi/vịtrí
Trongcácmạngđiềukiện/sựkiệnchỉchứanhiềunhấtlàmộttokenchomỗimộtđiều
kiện.Đểhạnchếđiềunàytứclàmộtđiềukiệncóthểchứanhiềutokenvàngườitagọi
102
làmạngchuyểnđổi/vị trí.Cácvịtrí tươngứng với cácđiềukiệnvà các chuyểnđổi
tươngứngvớicácsựkiệntrongmạngđiềukiện/sựkiện.

Sốlượngtokenchomỗ
imộtđiềukiệnđượcgọilàMarking.Vềmặttoánhọc,Marking
chínhlàmộtánhxạtoánhọcchophépchuyểnmộttậpcácvịtrívàomộttậpcácsốtự
nhiênđượcmở
rộngbởicácbiểutượngđặcbiệt∞ .

Vídụ:MôtảchươngtrìnhđiềukhiểnluồngtàuđiệnbằngmạngPetrinetđiềukiện/sự
kiệnđểtránhtrườnghợpxungđộttrênmộtđườngraytheohaihướngtàuchạy.


Cácđiềukiện:
• Tàumuốnvàođườngraytheochiềusangphải.
• Tàuđangchuyểnđộngtrênđườngraytheochiềuphải.
• Tàuthoátrakhỏiđườngraytheochiềuphải.
• Tàumuốnvàođườngraytheochiềusangtrái.
• Tàuđangchuyểnđộngtrênđườngraytheochiềutrái.
• Tàuthoátrakhỏiđườngraytheochiềutrái.

Cácsựkiện:
• Tàuvàođườngraytừchiềubêntrái

• Tàurờikhỏiđườngraytheochiềuphải
• Tàurờiđườngray
• Tàuvàođườngraytừchiềubênphải
• Tàurờikhỏiđườngraytheochiềutrái

Token:Đườngraysẵnsàngchotàuvàotheomộttronghaichiều


103

6.3.4 Ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL)
VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanuage)làmộtngônngữ
chungđểmôtảcácthiếtkếphầncứngởmứcphầntửlogiccơbảncấuthànhnênhệ
thốngvàđãđượcpháttriểnbởit
ổchứcquốcphòngMỹ.Mụcđíchchínhlàđểthuận
tiệnchoviệctraođổidữliệuthiếtkếphầncứngtheom ộtđịnhdạngchuẩnmàmọi
ngườicóthểhiểuvàthông
dịch,tạođiềukiệnthuậnlợitrongviệcphốihợphayhợptác
trongcácdựánthiếtkế.Đặcbiệtnórấtthuậntiệntrongviệcchuyểnđổihaytổngh
ợp
biêndịchthànhm ộtdạngngônngữthựcthiphầncứngthực.Điềunàyrấtkhóthực
hiệnbằngcácngônngữbậccaonhưCnhưngvớiVHDLđiềunàychínhlàư
uđiểmnổi
bậtvàlàthếmạnhtrongviệcmôhìnhhoáhệthống,môtảmộtcáchchitiếtcácphầntử
cứngcấuthànhthamgiatronghệthống.

VHDLlàmộtchuẩn
IEEE(Std‐1076)đãđượcsựhỗtrợbởirấtnhiềunhàcungcấpphát
triểnphầncứng.Ứngdụngmộtcáchchuyênnghiệpngônngữnàylàphụcvụchoviệc
môtảcácmạchASICsph

ứchợp,chếtạothựcthicácmạchFPGA 

NgônngữVHDLcóthểđọchiểukhádễdàngvớicấutrúccúpháprõrànggần giống
nhưngônngữVisualBasicvàPascal.Nócóthểpháthuyđược
thếmạnhvềcúphápđể
địnhnghĩaxâydựngkiểudữliệumớivàhỗtrợchoviệclậptrìnhtheonhóm.Vớixu
thếhiệnnaycácnhómpháttriểncóthểthựcthivớiđi
ềukiệncáchxanhauvềkhoảng
cáchđịalý,vìvậyviệcphốihợpvàthiếtkếtheonhómlàrấtcầnthiết.

„TomCantrellrecentlywrotethatthefutureisbrightforFPGAs,whic hwillplayalarge
rolein
mainstreamapplications(“MoreFlash,LessCash,”CircuitCellar,178,May2005).Iagreewith
Tom, but I’ll go further and predict that VHDL will becomethe premier technology used to
define FPGA content either as output from design tools or with direct programming. In
combination with VHDL, FPGAs
provide a lowcost approach to defining complex hardware
designsthatwereinconceivableonlyafewdecadesago.Perhapsmostimportantly,usingVHDL
todefinehardwareisfun…”

104
6.4 Thiết kế phần mềm điều khiển
6.4.1 Mô hình thực thi bộ điều khiển nhúng

Hình6‐9:Hệthốngđiềukhiểnsố
Đểthựcthimộtbộđiềukhiểnsốtrênthiếtbịvậtlýthựcphảiđòihỏixétxembộđiều
khiểnvớimôhìnhhàmtruyềnđãchocóthểhiệnthựchóađượckhông.Đ
iềukiệnphải
xétthựcralàđểđảmbảorằngkhôngcóđầuranàocủahệthốnglạixuấthiệntrướckhi
cótínhiệuvào.Haynóicáchkháchệthốngxâydựngph

ảituânthủtínhnhânquả.
Nếukhaitriểnhàmtruyềncủabộđiềukhiểnsốđượcmôtảởdạngtổngquát

1
01
1
01
()
m
m
R
n
n
bbz bz
Gz
aaz az
−−
−−
++⋅⋅⋅+
=
++⋅⋅⋅+
 (1.5)
thànhchuỗilũythừatheozthìnóphảikhôngđượcphépchứabấtkỳphầntửnàochứa
lũythừadươngcủaz.Haynóicáchkháclàbộđiềukhiểnđượcmôtả
như(1.5)phảicó
bậc
0≤
tứclàbậccủatửsốphảinhỏhơnhoặcbằngbậccủamẫusố( nm≥ ).
Saukhiđãthiếtkếđượcbộđiềukhiểnsốthìviệccònlạilàlậptrìnhvànạpvàocácbộ
điềukhiểnvậtlýkhảtrình.Thựcchấtquátrìnhnàylàthựcthi

hàmtruyềncủabộđiều
khiểnsốbằnglậptrìnhsốtrêncácbộđiềukhiểnvậtlýđãcó.Ởđâychúngtasẽchủ
yếuquantâmđếnviệctriểnkhaiđểchuẩnbịchobướcl
ậptrìnhcáchàmtruyềncủabộ
điềukhiểnsố.Xuấtpháttừmôtảhàmtruyềndạngtổngquátcủabộđiềukhiểnsố

1
01
1
01
()
()
()
m
m
R
n
n
bbz bz
Uz
Gz
Ez a az az
−−
−−
+ +⋅⋅⋅+
==
++⋅⋅⋅+
 (1.6)
trongđó,
0

0a ≠ nếu
0
0b ≠ ;
m
và
n
làcácsốnguyêndương.
Cóthểtriểnkhaiđểthựcthimộthàmtruyềncủabộđiềukhiểnsốtheo3cáchnhưsau:

Triểnkhailậptrìnhsốtrựctiếp
Đểtriểnkhailậptheo
phươngpháplậptrìnhtrựctiếpthìhàmtruyềnbộđiềukhiểnđã
chobiểudiễntrongmiềnzphảiđượcchuyểnđổivềdạnghàmtr uyềnrờirạc

** *
0
10
() () ()
nm
kk
kk
au t au t kT be t kT
==
+−=−
∑∑
 (1.7)

105
Từđẳngthức(1.7)dễdàngtínhrađượcgiátrịcủađầura
*

()utcủabộđiềukhiểnsốđã
chotheocácgiátrịhiệntạivàquákhứcủađầuvào
*
()etcũngnhưcácgiátrịquákhứ
củachínhnó

** *
01
00
11
() ( ) ( )
mn
kk
kk
ut bet kT aut kT
aa
==
=−−−
∑∑
 (1.8)
Đểthựchiệnbộđiềukhiểnnàyyêucầuphảilưutrữcácgiátrịquákhứcủađầuvàovà
đầuracủabộđiềukhiển.Vớibộđiềukhiểnđãchoyêucầ
uphảicó nm
+
giátrịcần 
phảilưutrữhaynóicáchkháccầnphảicó
nm+ phầntửlưutrữ.

Mộtphươngphápkhácđểtriểnkhailậptrìnhtrựctiếplàsửdụngcơchếtáchtrựctiếp
đầuvàovàđầuracủabộđiềukhiểntheomột

biếntrunggianX(z).Khôngmấttính
tổngquátnếuchúngtanhâncảtửvàm ẫucủahàmtruyềnbộđiềukhiểnsốđãchovới
mộtbiếnX(z).Từđórútrađượchàmtruyềnc
ủađầuvàoE(z)theoX(z)vàhàmtruyền
củađầuraU(z)theoX(z).Phươngphápnàythựchiệnnhưsau:

1
01
0
1
() ( ) ()
m
m
Uz b bz bz Xz
a
−−
= + +⋅⋅⋅+  (1.9)

12
12
00
11
() () ( ) ()
n
n
X
zEzazaz azXz
aa
−− −
=− ++⋅⋅⋅+  (1.10)

Theophươngphápnàyyêucầusốphầntửlưutrữchínhbằnggiátrịn,bằngbậccủađa
thứcmẫusốtronghàmtruyềnbộđiềukhiểnsốđãcho.Từcácđẳngthứ
c(1.9)và(1.10)
tacũngdễdàngxâydựngđượcgiảnđồtrạngtháimôtảhàmtruyềncủabộđiềukhiển
số(giảthiết
3mn==).









Hình6‐10:Giảnđồtrạngtháicủahệthốngsố
Triểnkhảilậptrìnhsốghéptầng
Cáchtriểnkhainàyyêucầuchuyểnđổibộđiềukhiểnvềdạngtíchcủacáchàmtruyền
đơngiảnđểcóthểdễdàngthựchiệnbằ
ngcácchươngtrìnhđơngiản.Haynóicách
khácbộđiềukhiểnsốđãcholàkếtquảghéptầngcủanhiềubộđiềukhiểnnhỏ.

Triểnkhailậptrìnhsốsongsong
Bộđiề
ukhiểnđãchosẽđượctáchrathànhtổngcủacácbộđiềukhiểnđơngiảnvàcó
thểthựchiệnlậptrìnhsongsongchocácbộđiềukhiểnđó.
X

1
zX

−

2
zX
−

3
zX
−

03
/aa
13
/aa
23
/aa
3
b 
2
b 
0
b 
3
1
a

1
z
−


1
z
−

1
b 
1
z
−

()Uz
()Yz

106
6.4.2 Ví dụ triển khai bộ điều khiển PID số
Xấpxỉhoáthànhphầnvitíchphân
Có3phươngphápxấpxỉgiánđoạnphổbiếnápdụngchocácthànhphầntíchphân:
vượttrước(forward),vượtsau(backward),vàtrapezoidal.

 Xấp
xỉsaiphânvượttrước

( ) () ()
ff
ykTT ykT TxkT+− =  (1.11)
Ápdụngchuyểnđổizcho(1.11)tathuđược

()
() 1
f

yz
T
x
zz
=
−
 (1.12)
Dóđóxấpxỉhoátíchphânsẽlà:

1
1
T
sz
≈
−
 (1.13)


Hình6‐11:Xấpxỉsaiphânvượttrước
 Xấpxỉsaiphânvượtsau
Tươngtựnhưsaiphânvượttrướctacóxấpxỉtíchphânnhưsau:

1
1
Tz
sz
≈
−
 (1.14)



Hình6‐12:Xấpxỉsaiphânvượtsau
 XấpxỉTrapezoidal
Phépxấpxỉtíchphânthuđượcsẽlà:

11
21
Tz
sz
+
≈
−
 (1.15)


107

Hình6‐13:XấpxỉTrapezoidal
ĐẳngthứclýtưởngmôtảbộđiềukhiểnPID

0
() () () ()
1()
() ( )
PID
t
D
I
ut u t u t u t
de t

Ket e d T
Tdt
ττ
=++
⎡⎤
=+ +
⎢⎥
⎣⎦
∫
 (1.16)
trongđó,Klàhệsốkhuếchđại,
I
T làhằngsốthờigiantíchphân,
D
T làhằngs ốthời
gianviphân.

Trongtrường hợpchu kỳtrích mẫunhỏ,đẳngthức(1.16) có thể đượcchuyển sang
dạngđẳngthứcsaiphânbằngphươngpháprờirạchoá.Trongđó,
thànhphầnviphân
cóthểđượcxấpxỉnhưphéptínhsaiphânbậcnhấtvàthànhphầntíchphânđượcxấp
xỉdạngvượttrước.Bằngphéprờirạcnàytathuđượcđẳngthức
môtảbộđiềukhiển
PIDsốnhưsau:

()
1
0
() () () ()(1)
k

s
D
P
i
Is
T
T
uk K ek ei ek ek
TT
−
=
⎡⎤
=+ +−−
⎢⎥
⎣⎦
∑
 (1.17)
Từđẳngthức(1.17)tadễdàngnhậnthấyrằngđểthựcthibộđiềukhiểnPIDcầnthông
tincủatấtcảcácsailệchetrongquákhứ.Đểthuậntiệnchoviệcthự
chiệnlậptrình,
dạngđệquisẽphùhợphơnvàcóthểrútratừ(1.17)nhưsau:

()
2
0
(1) (1) () (1)(2)
k
s
D
i

Is
T
T
uk K ek ei ek ek
TT
−
=
⎡⎤
−= −+ + −− −
⎢⎥
⎣⎦
∑
 (1.18)
Từ(1.17)và(1.18)tarútrađượcalgorithmđiềukhiểncủaPIDsố:

01 2
() ( 1) () ( 1) ( 2)uk uk aek aek aek−−= + −+ − (1.19)
trongđó,
0
1
D
s
T
aK
T
⎛⎞
=+
⎜⎟
⎝⎠
,

1
12
s
D
s
I
T
T
aK
TT
⎛⎞
=− + −
⎜⎟
⎝⎠
,
2
D
s
T
aK
T
=

Môhìnhbộđiềukhiểnởdạnghàmtruyềntacó:

1
P
ID P I D
GKKKs
s

=+ +  (1.20)
trongđó,thànhphầntíchphâncóthểxấpxỉtheomộttrongbacáchnhưmôtảtrong
phần6.1,thànhphầnviphâncóthểđượcxấpxỉnhưsau:

() ( ) ( )
tT
de t e kT e kT T
dt T
=
−−
=
 (1.21)
108
từ(1.21)cóthểxấpxỉhàmtruyềnthànhphầnviphân

1
()
DD
z
Gz K
Tz
−
=
 (1.22)
Nhưvậy hàmtruyềncủabộđiềukhiểnPID sốcóthểđượcxấpxỉ theomộttrong3
dạngnhưsau:
 Xấpxỉvượttrước:

22
()( 2)

(1)
PD I P D D
PID
KTKz KT KT KzK
G
Tz z
++−−+
=
−
 (1.23)
 Xấpxỉvượtsau:

22
()(2)
(1)
PDI P D D
PID
KT K KT z KT K z K
G
Tz z
++ − + +
=
−
 (1.24)
 XấpxỉTrapezoidal:

222
(2 2) ( 2 4)2
2( 1)
P

IDIPDD
PID
KT KT K z KT KT K z K
G
Tz z
++ + − − +
=
−
 (1.25)


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PeterMarweden.EmbeddedSystemsDesign:Springer,2006.
[2] MichaelBarr.ProgrammingEmbeddedSystemsinCandC++.O’Reilly,1999.
[3] JackGanssle.TheArtofDesigningEmbeddedSystems.Newnes,1999.
[4] StuartR.Ball.EmbeddedMicroprocessorSystems.Newnes,2002
[5] Qing Li and Carolyn Yao. Real‐time Concepts for
 Embedded Systems, CMP
Books,2003
[6] OlliS., JaakkoA  EmbeddedSystems, Lecture Notes, HelsinkiUniversityof
Tech.,2006.
[7] Lothar Thiele. Embedded Systems, Lecture Notes, Swiss Federal Institute of
Tech.,2006.
[8] Don Morgan. Numerical Methods: Realtimeand Embedded Systems
Programming.M&T,1992.
[9] Jerrry
Lueke. Analog and Digital Circuits for Electronic Control System
Application.Newnes,2005.
[10] AdreaBobbio.SystemModellingwithPetriNets.A.G.Colombo,1990.

[11] Linda Null and Julia Lobur. The essentials of computer Organization and
Architecture:JonesandBartlettPublishers,2003.
[12] Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. Computer
 Architecture: A Quantitative
Approach,SanFrancisco:MorganKaufmann,1990.
[13] SenM.Kuo,BobH.Lee,WenshunTian.Real‐timeDigital Signal Processing:
ImplementationsandApplications,JohnWiley&Son,2006.
[14] Kuo.DigitalControlSystems,Oxford,2005.