NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11

Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 1 -



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------






Lâm Hữu Thực






NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN
ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY


Ngành: Điện tử - Viễn thông













HÀ NỘI – 2005
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 2 -



ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------

Lâm Hữu Thực




NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ
HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU
NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN
ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11





KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY


Ngành: Điện tử - Viễn thông



Cán bộ hướng dẫn:
PGS.TS:Hồ Văn Sung

Cán bộ đồng hướng dẫn:

CN. Trần Ngọc Quý






HÀ NỘI – 2005
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 3 -



LỜI CẢM ƠN


Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới
toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho chúng tôi
những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học vừa qua.
Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc nhất tới PGS.TS.Hồ Văn Sung, người đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền
thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm hết sức quí báu trong suốt thời
gian vừa qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới CN.Trần Ngọc
Quý, các anh chị đang công tác tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông,
khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã
giúp đỡ và tạo mọi điều kiệ
n thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá

luận.
Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những tình
cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn thể bạn bè
những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 4 -

Mục Lục

Lời mở đầu 1

Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 3

1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor) 3
1.2. Cảm biến ánh sáng 4
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang 4
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng 4
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang. 4
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 5
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn 5
1.2.2.2. Photodiode 6
1.2.2.3. Phototransistor 8
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ 9
1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số 9
1.3.1. S
ơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số 10
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý 10
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến 10

1.5. Cảm biến thông minh 12
1.6. Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số ) 13

Chương 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH 16

2.1. Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần s
ố 16
2.2. Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh
16
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian
16
2.2.2. Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian 17
2.3. Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã 18
2.3.1. Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp 19
2.3.2. Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ) 22
2.3.3. Phương pháp kết hợp hai bộ đếm 28
2.4. Các phép toán xử lý tín hiệu trong cảm biế
n thông minh / tần số
29
2.4.1. Toán tử cộng và trừ 30
2.4.2. Bộ nhân và bộ chia 31
2.4.3. Toán tử vi phân và tích phân 32
2.4.4. Một ứng dụng các toán tử 33
2.5. Thuật toán thông minh và giao tiếp bus 34
2.5.1. Thuật toán thông minh 34
2.5.2. Giao tiếp bus 34
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 5 -

Chương 3 HỆ VI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11
CỦA MOTOROLA 35

3.1. Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng 35
3.1.1. Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý phổ thông 35
3.1.2. Các bộ vi điều khiển cho các hệ thống nhúng 35
3.1.3. Lựa chọn một bộ vi điều khiển 38
3.2. Tổng quan về MC68HC11E 39
3.2.1. Đặc trưng của họ vi điều khiể
n MC68HC11E 39
3.2.2. Cấu trúc khối MC68HC11E 41
3.2.3. Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 41
3.2.3.1. VDD và VSS 44
3.2.3.2. RESET 45
3.2.3.4. Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)
46
3.2.3.5. STRA/AS và STRB/R/W 46
3.2.3.6. MODA, MODB chân điều khiển chọn mode 46
3.2.4. Bộ vi xử lý trung tâm 49
3.2.4.1. Các thanh ghi của CPU 50
3.2.4.2. Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 51
3.2.4.3. Mã lệnh và toán tử 51
3.2.4.4. Các mode địa chỉ 51
3.2.5 Kết luận 51
3.3. Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộ cảm biến 51

Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU
KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BI
ẾN ÁNH SÁNG/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ

VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 53

4.1. Mạch điện hỗ trợ chức năng tính toán của HC11 53
4.1.1. Thiết kế mạch điện (layout) 53
4.1.2. Sơ đồ khối bảng mạch 54
4.1.3. Miêu tả chung 55
4.1.4. Thiết bị trong EVB, và các thông số 56
4.2. Giới thiệu về C-spy 57
4.2.1. Tổng quan 57
4.2.2. Tiến hành cài đặt và sử dụng 57
4.2.2.1. Cài đặt 57
4.2.2.2. Sử dụng 58
4.3. Chương trình điều khiể
n và kết quả thực nghiệm 62
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 6 -





Tóm tắt nội dung đề tài


Nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh,
thông minh trên cảm biến ánh sáng / tần số dùng Mc68HC11. Nội dung gồm hai phần:
Phần thứ nhất: nghiên cứu hoạt động của hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh
thông minh. Phần này được viết trong 3 chương đầu. Nội dung mô tả nguyên lý hoạt

động của cảm biến ánh sáng / tần số, cấu trúc và hoạt động củ
a chíp MC68HC11 và
cách thức xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Từ đó cung cấp cho ta tư duy để
xây dựng hệ thống cảm biến dùng trong hoạt động thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của
máy tính.
Phần thứ hai, chương còn lại báo cáo kết quả và quá trình xây dựng thực tế
một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến ánh sáng. Tổng đề tài khoảng 70 trang.



Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 7 -

Lời mở đầu

Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường
cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ
vào năm 1998. Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô. Dự tính tới năm
2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la. Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị
trường cả
m biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008. Trên thực tế thị
phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên
43% vào năm 2008. Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies),
cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng
hơn nữa và vượt qua cả thị ph
ần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần
máy tính cá nhân.
Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy

móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sự thay đổi môi
trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận như con người. Trong các hệ
thống đó, cảm biến đóng vai trò như một kênh thu nhận thông tin từ môi trường ngoài
và phản hồ
i các thông tin đó về hệ thống bộ não của máy móc để quyết định hành
động. Để làm cho cảm biến có cảm giác như của con người rất khó, tương đương như
việc làm cho bộ não của máy thông minh như não người. Tuy nhiên hệ thống ứng
dụng đơn giản hơn, hệ thống điều khiển tự động với trợ giúp của cảm biến như là khối
thông tin đầu vào, hệ
vi xử lý xử lý thông tin và quyết định lối ra là khả thi và được
xây dựng rất nhiểu trong thực tế. Đơn cử như hệ thống quản lý, điều khiển ánh sáng ,
nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ PH,… trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà
Ixraen tài trợ cho chính phủ vào hồi đầu năm. Hay đơn giản hơn, và dễ thấy hơn như
bộ điều chỉnh nhiệt độ trong các máy đ
iều hoà, hay máy lạnh hiện đại... Ngoài ra cảm
biến cũng được dùng trong hệ thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin. Thông thường hệ
thống như vậy kết hợp rất nhiều cảm biến. Dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau đưa
vào máy tính để liên kết, thống kê và tính toán sử dụng cho mục đích khoa học khác
hay để điều khiển trở lại. Ví dụ hệ th
ống thống kê tự động số người ra vào một công ty
hay một cửa hàng nào đó trong một tháng.
Nhận thức được vai trò to lớn và khả năng ứng dụng tiềm tàng, thầy Hồ Văn
Sung đã giao cho em tìm hiểu đề tài: “ Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế hệ thống thu
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 8 -
thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần số dùng họ vi
điều khiển MC68HC11”. Cụ thể em phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệ cảm biến
ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệ vi điều khiển để đánh giá, xử lý kết quả đo

(nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiể
n thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể
lỏng) hoặc đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước). Do đề tài khá mới, nên người viết
chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh. Sau đó có kết hợp với một số bài
toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một
số chi tiết phần cứng cần thiết. Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:
Chương 1, nghiên cứ
u nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số. Các sơ
đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm
biến thông minh. Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số.
Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh. Các
phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phươ
ng pháp tính toán trên tín
hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số.
Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi
điều khiển MC68HC11. Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu
trong cảm biến.
Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu.
Bảng mạch điệ
n tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng
Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không
tránh khỏi thiếu sót. Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 9 -

Chương 1
CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN
1.1. Tổng quan về cảm biến (sensor)

Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng... là
các đại lượng cần đo m. Việc đo đạc và chuyển các đại lượng nói trên thành các tín
hiệu điện là nhiệm vụ của các cảm biến có lối ra là tín hiệu điện.
Phương trình toán học:
S = F(m)
Cảm biến được chia làm hai loại:
− Cảm biến tích cực: là loại cảm biến dựa trên hiệ
u ứng vật lý biến đổi tín
hiệu ở dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ ) sang năng lượng điện ( Như hiệu ứng nhiệt
điện, áp điện.. ).
− Cảm biến thụ động: thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong
các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo.
Mạch đ
o bao gồm toàn bộ các thiết bị đo ( trong đó kể cả cảm biến ) cho phép
xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể. Như vậy
vai trò của mạch đo rất quan trọng, đơn giản nó chỉ là bộ phận cấp nguồn, hay phức
tạp hơn nó còn tham gia xử lý tín hiệu, lọc nhiễu...
Các tiêu chí đánh giá một cảm biến
− Tính trung th
ực, tính đúng đắn, độ chính xác, sai số.
− Độ nhạy tĩnh, độ nhạy động.
− Độ tuyến tính.
− Độ nhanh, thời gian đáp ứng.
Một cảm biến trước khi sử dụng cần được chuẩn. Chuẩn cảm biến có mục đích
diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đạ
i
lượng cần đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số
ảnh hưởng ( nhiễu ). Chuẩn cảm biến là những công việc đại loại như chuẩn điểm 0,
chuẩn mốc thời gian ...
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 10 -
1.2. Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng là loại cảm biến chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện.
1.2.1. Ánh sáng và phép đo quang
1.2.1.1. Tính chất của ánh sáng
Ánh sáng có tính chất sóng nhưng vừa có tính chất hạt. Tuỳ thuộc vào môi
trường, điều kiện đo mà nó thể hiện tính chất sóng hay tính chất hạt.
− Về tính chất sóng ta lưu ý ánh sáng là một loại sóng điện từ mang đầy đủ
tính chất của sóng đi
ện từ ( sóng ngang, truyền trong chân không với vận tốc 300000
km/s).
− Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất.
Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là
hạt lượng tử ánh sáng ( photon ).
− Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý.
1.2.1.2. Đơn vị đo năng lượng quang.
− Năng lượng bức xạ (Q): là n
ăng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ
dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J).
− Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo
bằng oat (W).
φ = dQ/dt
− Cường độ ánh sáng (I) : là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho
trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oat/steradian.
I = dφ/dΩ.
− Độ chói năng lượng (L): là tỷ
số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một

phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này
trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dA
n
= dA.COSφ (φ là góc giữa P và mặt
phẳng chứa dA). Độ chói năng lượng được đo bằng oat/steriadian.m
2
:
L = dI/dA
n
.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 11 -
− Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một
phần tủ bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m
2
:
E = dφ/dA.
1.2.2. Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện
1.2.2.1. Tế bào quang dẫn
Đặc trưng của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ
và phổ của bức xạ đó. Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ
nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫ
n do kết quả của
hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác
dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu.
Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính. Điện
trở của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Tuy nhiên có th
ể

tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang
dẫn.
Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là
điện trở tối của nó. Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt
độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối
rấ
t lớn (từ 10
4
Ω tới 10
9
Ω ở 25
0
C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối
nhỏ (từ 10Ω tới 10
3
Ω ở 25
0
C).
Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ
chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm.
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất
hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe...
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In...
Đa số
các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại.
Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông
lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc
xung ánh sáng. Ứng dụng cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp:
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 12 -
+ Điều khiển rơ le: khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn,
điện trở của nó giảm xuống đáng kể đủ cho dòng điện I chảy qua tế bào. Dòng điện
này được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuyếch đại để điều khiển rơ le. ( Hình 1)

Hình 1
. Sơ đồ dùng quang trở điều khiển rơ le.

+ Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể được sử dụng để biến đổi xung
quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn
sẽ được phản ánh qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng
mang lại sẽ được thể hiện trên xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm
vật hoặc đo tốc độ quay đĩ
a.
1.2.2.2. Photodiode
Photodiode hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện xảy ra trong vùng nghèo
của chuyển tiếp P-N.
Như ta đã biết, sự tiếp xúc của hai loại bán dẫn loại n và loại p (chuyển tiếp P
– N ) tạo nên vùng nghèo hạt dẫn bởi vì tại đó tồn tại một điện trường và hình thành
hàng rào thế Vb.
Khi không có điện trường ngoài đặt trên chuyển tiếp, hệ đạt tới trạng thái cân
b
ằng động, tức là tổng độ lớn các dòng hạt tải (
có hai loại dòng hạt tải: dòng khuyếch tán hạt
cơ bản chuyển qua tiếp giáp do chuyển động nhiệt --- và dòng trôi của các hạt tải không cơ bản
chuyển qua tiếp giáp nhờ điện trường nội
) chuyển qua tiếp giáp bằng không. Khi đặt vào
chuyển tiếp một thế hiệu ngược Vn ( “- “ vào bán dẫn loại P, “+” vào bán dẫn loại N )

sẽ xuất hiện dòng điện rò ( trôi ) qua tiếp giáp P_N dưới tác động của điện trường trên.
Khi thế ngược Vn đặt vào đủ lớn, dòng điện trôi lớn hơn đáng kể so với dòng khuyếch
tán nên có thể bỏ qua dòng khuyếch tán. Dòng điện trôi có một đặc điểm quan tr
ọng là
nó không phụ thuộc nhiều vào điện áp ngược đặt vào, mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải
không cơ bản sinh ra trong tiếp giáp trong đơn vị thời gian( tất nhiên là thế Vn không
đạt tới giá trị thế đánh thủng ). Dĩ nhiên mật độ hạt tải không cơ bản phụ thuộc vào độ
D1
DIODE
+V
V1
5V
RLY1
12VSPDT
Quang
trở
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 13 -
pha tạp của bán dẫn, điều kiện kích thích sinh ra hạt tải không cơ bản. Do đó có thể nói
rằng dòng trôi phụ thuộc vào bản chất bán dẫn và yếu tố kích thích chủ yếu.
Ta biết rằng, với mỗi loại bán dẫn có một bước sóng ngưỡng λ
s
, khi bước sóng
ánh sáng chiếu vào bán dẫn nhỏ hơn giá trị này sẽ sinh ra cặp điên tử lỗ trống mới. Do
đó làm mật độ hạt tải không cơ bản tăng. Nếu toàn bộ hạt tải không cơ bản (lỗ trống
trong bán dẫn loại n và điện tử trong bán dẫn loại p) sinh ra trong tiếp giáp P –N nhanh
chóng bị tách ra ngăn cho chúng không tái hợp và đi về hai cực dưới tác dụng của điện
tr

ường, thì dòng điện ngược sẽ tỉ lệ với tốc độ sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống. Do đó,
dòng điện ngược tỉ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào. Tuy nhiên điều khác biệt giữa
photodiode và diode thông thường là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đi qua
một bề dày đáng kể của chất bán dẫn mà tiêu hao năng lượng không nhiều. Do đó
phiến bán dẫ
n trong photodiode được dát rất mỏng để ánh sáng tới vùng nghèo một
cách hữu hiệu nhất, đồng thời vùng nghèo phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại.
Nói chung, kiểu gì thì năng lượng của ánh sáng cũng bị mất mát nhiều khi qua bề dày
bán dẫn, và một phần hạt tải bị tái hợp ngay sau khi sinh ra, do đó hiệu suất của
photodiode không thể đạt tới 100%, và có độ nhạy quang nhất
định. Để tăng hiệu suất
và độ nhạy quang, người ta dùng một cấu trúc đặc biệt là photodiode PIN với lớp Indi
ở giữa tiếp giáp P-N. Chi tiết hơn xin xem các giáo trình về quang bán dẫn.
Photodiode có hai chế độ hoạt động.
+ Chế độ quang dẫn: sơ đồ mắc như hình vẽ 2. Trong chế độ quang dẫn, dòng
ngược Ir sẽ tỉ lệ với thông lượng ánh sáng chiếu vào. Sụt thế Vr trên tải Rm được lấy
làm tín hi
ệu ra. Ở đây diode hoạt động như một cảm biến thụ động.Ưu điểm của sơ đồ
là độ tuyến tính cao, thời gian đáp ứng ngắn và dải thông lớn.
+ Chế độ quang thế: sơ đồ được mắc như hình vẽ 3. Trong chế độ này không
có điện áp đặt vào diode. Diode hoạt động như bộ chuyển đổi năng lượng tương đương
với một máy phát và người ta đo thế hở mạch Voc hoặc đo dòng ngắn mạch Isc. Đặc
điểm của sơ đồ này là:
 Diode hoạt động như một cảm biến tích cực.
 Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải.
 Ít nhiễu.
 Thời gian đáp ứng lớn và giải thông nhỏ.
 Nhạy cảm với nhiệt
độ ở chế độ đo logarit.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 14 -

Hình 2
. Diode hoạt động ở chế độ quang dẫn.


Hình 3
. Chế độ quang thế của diode.

1.2.2.3. Phototransistor
Phototranzito là loại tranzito NPN mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng,
không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C
phân cực ngược. ( Hình 4a ).
Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực
ngược) Trong khi đó sự chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (Vbe
= 0.6 -0.7V)
Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó sẽ hoạt động gi
ống photodiode ở chế
độ quang dẫn với dòng ngược
Ir = Io + Ip
Trong đó Io là dòng điện trong tối, Ip là dòng quang điện dưới tác dụng của
ánh sáng chiếu vào
Dòng bazơ Ir đóng vai trò như dòng bazơ, nó sẽ gây nên dòng colector Ic:
Ic = (β + 1)*Ir
a)Sơ đồ nguyên lý của diode
trong chế độ quang dẫn.
Một mạch đo dòng ngược
trong chế độ quang dẫn.

(b)
Vo
R1
R2
Rm
Es
+
Es

Rm

Φ
I
r
V
r
V
d
Vo
R1
R2
Vo
R
Rm

I
sc
V
oc
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 15 -
β là hệ số khuyếch đại dòng của tranzito khi mắc Emitor chung.
Như vậy có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiode và một
tranzito (hình 4b). Photodiode cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho
hiệu ứng khuyếch đại β. Các điện tử và lỗ trống sinh ra trong vùng bazơ sẽ bị phân
chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C.

Hình 4.
PhotoNPN và sơ đồ tương đương.

Phototranzito có thể dùng làm chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính. Ở
chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiode là cho phép điều khiển trực tiếp
dòng chảy qua tương đối lớn. Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dầu nó có ưu điểm
là cho độ khuyếch đại, nhưng người ta vẫn thích dùng photodiode hơn bởi vì
photodiode có độ tuyến tính tốt hơ
n.
1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ
Trong loại cảm biến này , sự biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện thực
hiện được nhờ hiện tượng quang phát xạ điện tử (e
-
) ra khỏi vật liệu photocatot (bia
chắn bức xạ ánh sáng). Số lượng các điện tử phát xạ tỉ lệ với số photon chiếu vào
photocatot. Các điện tử tạo thành dòng catot, sau đó có thể:
− Thu gom trực tiếp bằng anot (tế bào quang điện chân không).
− Ion hoá chất khí ( đèn ion khí ).
− Phát xạ thứ cấp kèm theo sự khuyếch đại dòng thứ cấp (nhân quang).
Nói chung nhược điểm của loại cảm biế
n này là công suất tiêu thụ lớn, hiệu

suất lượng tử thấp, cồng kềnh nên ngày nay ít được dùng.
1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số
Cảm biến ánh sáng/tần số là cảm biến ánh sáng có lối ra tín hiệu là tần số tỉ lệ
với cường độ ánh sáng lối vào. Sơ đồ một cảm biến ánh sáng tần số gồm hai thành
D1
R2
1
k
Q2
NPN
R1
1
k
Q1
a) b)
I
r
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 16 -
phần chức năng. Phần thứ nhất có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện
cơ bản như dòng điện, điện áp ( một trong các linh kiện trên ). Phần thứ hai có nhiệm
vụ gia công, xử lý các tín hiệu đã thu được sau đó chuyển sang tín hiệu dao động điện.
1.3.1. Sơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số

Hình 5.
Sơ đồ khối cảm biến ánh sáng/tần số.
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý
Vctr

C2
33pF
R2
10k 47%
+V5V
out
+V
V4
5V
R8
5k 40%
C1
0.01uF
Gnd
Trg
Out
Rst Ctl
Thr
Dis
Vcc
U3
555
+
U4
OPAMP5
+V
V3
-12V
+V
V2

12V
R6
5k 40%
D1
+V
V1
5V
R3
5k 40%
+
U2
OPAMP5
+
U1
OPAMP5
R9
1k
R7
4.7k
R5
1k
R4
1k
R1
5.7k

Hình 6.
Sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến ánh sáng/ tần số.
Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy rằng:
Chu kỳ dao động bằng thời gian nạp và phóng của tụ từ mức 1.66V cho dến

Vctr và phóng từ mức Vctr xuống mức 1.66V.
T1 = ln (Vctr/1.66)*(R7+R8+R9)*C
1

T2 = ln (Vctr/1.66)*R7*C
1

Vctr dao động từ 2.26V tới 5V, do đó tần số máy phát từ 5.29kHz tới
31.19kHz.
Chuyển đổi ánh sáng
thành tín hiệu điện áp
hay dòng điện.
Chuyển đổi và xử
lý tín hiệu điện áp
thành dao động
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 17 -
1.4. Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến
Cụm từ “thu thập dữ liệu (data acquision)” được định nghĩa: là quá trình tập
hợp, đo lường các tín hiệu điện từ các bộ chuyển đổi, cảm biến và đưa vào máy tính để
xử lý. Như vậy xử lý và biểu diễn thông tin từ đối tượng là nhiệm vụ chính của hệ
thống thu thập dữ liệu dựa trên sự trợ giúp của máy tính. Hệ thống thu thập dữ liệ
u cần
đưa được thông tin xác thực vào máy tính. Máy tính có nhiệm vụ liên kết các tham số
để thống kê, tính toán và biễu diễn thông tin dưới dạng thân thiện với người dùng. Như
vậy để đảm bảo hoạt động của hệ thống, trước khi thiết kế hệ thống phải đảm bảo giao
tiếp giữa khối cảm biến và máy tính. Có nghĩa là ta phải thiết kế thêm khối giao diện
bus giữa chúng. Do máy tính chỉ làm việ

c với tín hiệu số, thông tin trước khi đưa vào
máy tính phải chuyển sang định dạng số. Yêu cầu này phải trả giá bằng sai số lượng tử
hoá khi chuyển đổi sang dạng số.
Một hệ thống như vậy có sơ đồ khối như sau






Hình 7.
Sơ đồ khối một hệ thu thập dữ liệu.
Thông thường ta tích hợp 4 khối đầu vào một bộ gọi là bộ cảm biến tích hợp.
Khối đầu tiên là các yếu tố cảm biến (nhạy cảm với tham số cần đo) như trở , cảm
kháng, tranzito, vật liệu áp điện (Phần 1, 2, 3) có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu điện bám
theo tín hiệu gốc (VD: xung ánh sáng). Tín hiệu lối ra của cảm biến thường mang theo
cả ồn, nhiễu. Do
đó, khối xử lý và tương thích tín hiệu có nhiệm vụ khuyếch đại,
tuyến tính hoá, bù và lọc thích hợp để giảm những đặc tính không lý tưởng của cảm
biến. Trong một số trường hợp, một hệ thống nhiều cảm biến được tích hợp trên một
chíp. Trong trường hợp đó khối phải làm thêm nhiệm vụ của bộ tương thích tín hiệu
(như chuyển đổi dải tầ
n, chuyển đổi điện áp thành tần số...), bộ hợp kênh. Dữ liệu
trước khi đưa vào máy tính cần định dạng dưới dạng số. Do đó nhiệm vụ của khối thứ
ba là biến đổi định dạng tín hiệu khác thành mã số nhị phân nối tiếp hoặc song song.
Chức năng này được thực hiện bởi các bộ ADC (analog to digital convertor) hay bộ
FDC (frequency to digital convertor). Hệ thống đa cảm biến thực t
ế thường có cấu
hình hình sao, trong đó mối bộ cảm biến được nối tới một bộ hợp kênh số. Tuy nhiên
khi hệ thông có số lượng quá lớn cảm biến, tổng chiều dài cáp nối và số lượng các bộ

Thành phần
cảm biến
Phần xử lý và
tương thích tín
hiệu
Chuyển
đổi A/D
Giao
diện
bus
Máy
tính
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 18 -
nhân là rất lớn. Giải pháp tối ưu cho trường hợp này là tổ chức bus và một giao thức
giao tiếp bus kết nối giữa hệ cảm biến và máy tính. Dữ liệu được mã hoá trước khi
truyền.
1.5. Cảm biến thông minh
Nhờ có các hệ thống cảm biến tích hợp, công việc thu thập dữ liệu đã có mức
độ tin cậy khá cao. Tuy nhiên công việc xử lý hoàn toàn thực hiện bằng phần cứng,
không thực sự mềm dẻo, tính thích nghi không lớn. Khối lượng công việc xử lý của
máy tính khá nhiều. Để giảm thiểu những nhược điểm đó ta dùng một cấu trúc cảm
biến gọi là cảm biến thông minh. Cấu trúc mộ
t cảm biến thông minh được chỉ ra trong
hình vẽ (hình 8 ).

Hình 8.
Sơ đồ một cảm biến thông minh.
So sánh với sơ đồ bộ cảm biến tích hợp, bộ cảm biến thông minh dùng một hệ
vi điều khiển thay thế nhiệm vụ của khối giao tiếp bus, khối mã hoá nhị phân và khối
xử lý tín hiệu. Vi điều khiển có nhiệm vụ xử lý tại chỗ thông tin được đưa trực tiếp từ
cảm biến. Do đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả công việc lên rất nhiều. Quá trình
x
ử lý ở đây có thể độc lập và song song với máy tính, đây là một xu hướng công nghệ
trong thiết kế thiết bị ngoại vi phần cứng máy tính. Quá trình xử lý được thực hiện
bằng phần mềm.
Vi điều khiển cũng có thể giao tiếp với các thiết bị khác bằng giao diện chuẩn.
Trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển hỗ trợ giao diện bus I
2
C hai dây ứng dụng
nhiều trong truyền thông khoảng cách ngắn, hay chuẩn RS232 cho giao tiếp ở khoảng
cách tương đối dài.
Mặc dầu vậy, sự khác nhau cơ bản giữa một bộ cảm biến thông minh và bộ
cảm biến tích hợp là khả năng xử lý thông minh của các mạch vòng xử lý dữ liệu
nhúng. Đó là các chức năng tự chuẩn đoán, tự nhận dạng, tự thích nghi. Do đó cảm
bi
ến thông minh có thêm những chức năng mới mà cảm biến tích hợp không thể có
được ví dụ như khả năng tự điều chỉnh thang đo, tốc độ đo, mức độ tiêu thụ năng
lượng, điều chỉnh công suất phát... Bởi vì khả năng thích ứng và chức năng đo đạc, xử

Phần cảm
biến.
Phần tương thích

tín hiệu.
Vi điều
khiển
Máy
tính.
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 19 -
lý đạt được với độ chính xác cao, tốc độ và công suất tiêu thụ ít, nên đôi khi người ta
gọi cảm biến thông minh là bộ chuyển đổi thông minh.
Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ thiết kế vi mạch cỡ lớn, người ta có
thể tích hợp cả phần cảm biến và vi điều khiển trên cùng một vi mạch. Nhờ đó giá
thành, kích thước của một cảm biến giảm đi rấ
t nhiều. Một ví dụ cho cảm biến thông
minh tích hợp là cảm biến ánh sáng TSL230/235/250 của Texas Instruments. Nó là
loại cảm biến ánh sáng, thông minh có khả năng lập trình được được tích hợp trong
một khối duy nhất như là bộ phận chuyển đổi ánh sáng sang tần số. Tín hiệu lối ra là
xung vuông [tần số 1-1MHz] tỉ lệ với độ chói của ánh sáng khả kiến và vùng hồng
ngoại ngắn. Nhằm cung cấp cho cảm biến có khả nă
ng lập trình thay đổi độ nhạy cảm
lối vào và độ lớn lối ra. Giải pháp công nghệ hữu hiệu và đơn giản nhất là chuyển đổi
các lối vào trong ma trận 100 con photodiode khác nhau. Để giảm giá thành sản phẩm,
một bộ vi điều khiển giá rẻ với tần số giới hạn, có chức năng chuyển đổi tần số sang
mã nhằm cung cấp khả năng thay đổi tỷ lệ
xích lối ra. Tuỳ chọn này chia các xung có
độ rộng cố định, hay các xung vuông cho 2, 10, 100 lần. Nhờ đó ánh sáng với cường
độ từ 0.001 tới 100000 µW/am
2
có thể được đo trực tiếp mà không cần thông qua bất

kỳ bộ lọc nào. Việc tích hợp các bộ chuyển đổi trên một chíp có ưu điểm giảm được
nhiễu từ những nguồn bên ngoài, tối thiểu hoá ồn, giảm thiểu dòng rò. Từ đó, tần số
lối ra được miễn nhiễu một cách triệt để ngay cả khi truyền tới một bộ phận khác rất
xa n
ằm trong hệ thống.
1.6. Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số )
Ở trên, ta nhắc nhiều tới cảm biến có lối ra tần số ( thuật ngữ tiếng Anh là
Quasi-digital sensor ). Và trên thực tế, cảm biến lối ra tần số cũng rất được ưa chuộng.
Đó bởi vì cảm biến có lối ra tần số có một số ưu điểm chính so với cảm biến có lối ra
tương tự và lối ra số như sau:
1) Miễn nhiễm cao với nhiễu
Với cảm biến tần số ta có thể đạt tới độ chính xác cao hơn so với cảm biến
tương tự được chuyển đổi sang mã. Nguyên nhân do đặc trưng của tín hiệu tần số ít bị
ảnh hưởng của ồn nhiệt so với tín hiệu tương tự. Tín hiệu tần số có thể truyền với
khoảng cách xa hơn so với tín hiệu tương tự và số. Định dạng c
ủa tín hiệu tần số tương
tự như là tín hiệu số dưới dạng nối tiếp, do đó những ưu điểm mà tín hiệu tần số có thể
đạt được đều có mặt trong định dạng tín hiệu tần số. Hơn nữa, so với tín hiệu số, tín
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 20 -
hiệu tần số chỉ cần truyền với hai dây mà không cần phải đồng bộ. Do đó cảm biến lối
ra tần số dùng nhiều trong môi trường có nhiễu cao.
2) Công suất tín hiệu cao
Thông thường tín hiệu của cảm biến được chia ra làm 6 nhóm năng lượng:
điện năng, nhiệt năng, cơ năng, năng lượng hoá học, năng lượng phóng xạ và năng
lượng từ. Năng lượ
ng điện đang được dùng nhiều nhất hiện nay. Do đó, đa số các thiết
kế tập trung chế tạo cảm biến, các bộ chuyển đổi năng lượng tín hiệu từ các dạng khác

sang năng lượng điện. Tín hiệu thu được từ các cảm biến có công suất rất nhỏ. Trước
khi tín hiệu được truyền đi, người ta phải đem khuyêch đại cho đủ công suất phát. Sự

sai sót trong quá trình này là không thể bù đắp bằng các mạch hay giải thuật xử lý tín
hiệu. Điều này dược khắc phục tối đa nhờ các cảm biến trong miền tần số. Với các loại
cảm biến này, công suất tín hiệu ra là phụ thuộc vào công suất của các máy phát dao
động. Với máy phát dao động có công suất cao, công suất tín hiệu cũng cao.
3) Dải động lớn
Bởi vì tín hiệu trong miền tần số, dải làm việ
c của nó không bị giới nguồn
nuôi và nhiễu. Do đó dải làm việc đạt hơn 100Db thực hiện được một cách dễ dàng.
4) Tần số chuẩn có độ chính xác cao
Để làm ổn định một tần số chuẩn, ví dụ với một bộ dao động thạch anh thực
hiện dễ dàng hơn tạo một thế chuẩn. Điều này có thể giải thích rằng do tín hiệu tần số
ít
ảnh hưởng hơn bởi các tín hiệu ký sinh, tín hiệu ồn nhiệt…
5) Giao diện truyền thông đơn giản
Các yêu tố, sức điện động ký sinh, trở kháng tức thời, nhiễu xuyên kênh trong
hợp kênh cảm biến tương tự làm nảy sinh nhu cầu bù lỗi. Tuy nhiên với các cảm biến
tần số , tín hiệu tần số không nhạy cảm với các yếu tố trên. Do đó các bộ hợp kênh tần
số được
đơn giản hoá rất nhiều nhưng vẫn cho được kết quả đáng tôn trọng.
6) Dễ dàng lấy tích phân và mã hoá
Việc lấy tích phân tín hiệu tần số trong miền thời gian khá là đơn giản và dễ
dàng thực hiện. Người ta chỉ cần thêm một bộ đếm xung thì có thể thực hiên được tích
phân vô hạn trong miền thời gian. Do đó tín hiệu tần số có thể xử lý bằng các bộ vi
điều khiển mà không cầ
n thêm mạch giao diện nào.
Tất cả những lý do nêu trên làm cho các thiết kế cảm biến làm việc trong miền
tần số có được hiệu suất cao. Trên thực tế nó được sử dụng rất rộng rãi.

Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 21 -

Chương 2
XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH

Trong chương một ta đã tìm hiểu cấu trúc khối phần cứng một hệ thống thu
thập dữ liệu dùng cảm biến thông minh là như thế nào. Tuy nhiên những kiến thứ đó
chỉ như cái vỏ bề ngoài của hệ thống. Cái quan trọng hơn đó là ta phải xem xét hệ
thống đó xử lý những tín hiệu thu được như thế nào? Chương này cung cấp cho chúng
ta cái nhìn tổng quan về các phương pháp xử
lý tín hiệu trong một bộ cảm biến thông
minh. Để từ đó ta có thể xây dựng nên một con cảm biến thông minh có những tính
chất cần thiết như ta yêu cầu.
Việc xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh bao gồm một dải làm việc rất
rộng. Thông tin đầu vào xử lý có thể chỉ là những tham số cực kỳ cơ bản như điện thế,
cường độ dòng điệ
n, hay dưới dạng một xung có độ rộng nào đó. Lối vào ở đây có thể
có một, hay nhiều kênh với những đại lượng điện có thể khác nhau, dải làm việc có thể
gần tương đồng cũng có thể hoàn toàn trái ngược nhau. Trong khi đó lối ra phải là
những thông tin số, tần số và phải được mã hoá dưới dạng nhất định, đồng nhất để có
thể giao tiếp với máy tính. Do đó, nh
ằm trình bày một cách rõ ràng và khái quát nhất ta
chia công viêc xử lý trong cảm biến thành những khối nhỏ hơn được liệt kê sau:
2.1. Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số
Ngoại trừ một số lượng lớn cảm biến có tín hiệu lối ra là tần số, cũng còn có
lượng không nhỏ cảm biến khác có thông tin lối ra không phải là tín hiệu tần số như
điện thế, dòng điện, trở kháng lối ra... Ví dụ như các cảm biến nhiệt, cảm biến điện

thế. Vì vậy cần thiết phải có bộ chuyển đổi những tín hiệu này sang thông tin d
ưới
dạng tần số khi cần sử dụng tham biến tần số như một lối vào. Một bộ chuyển đổi như
vậy cần phải đáp ứng những yêu cầu sau.
− Có hàm truyền đạt tuyến tính và ổn định, chính xác.
− Phạm vi dải tần đủ rộng, chế tạo dễ dàng và đơn giản.
Trong các bộ tạo dao động phụ thuộc tham số nào đó, thì b
ộ dao động điều
khiển bởi điện thế là dễ dàng thực hiện nhất và cũng có cấu tạo đơn giản nhất. Các
thông số khác như cường độ dòng điện, hay trở kháng .v.v. cũng dễ dàng được chuyển
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 22 -
sang thông số điện áp. Vì vậy các bộ chuyển đổi từ điện áp sang tần số chiếm số lượng
cực lớn trong loại thiết bị chuyển đổi các thông số khác sang tần số. Về nguyên lý và
thiết kế mạch chuyển đổi điện áp sang tần số được giới thiệu nhiều trong các giáo trình
kỹ thuật mạch điện tử và kỹ thuật số.
Ở đây người viết không có tham vọng trình bày
vấn đề đó trong luận văn này.
2.2. Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh
Một hệ thống cảm biến dùng trong đo lường, điều khiển hiện đại có thể được
xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Một hệ thống máy tính trung tâm được kết nối
tới một số lối vào (cảm biến) và một số thiết bị lối ra (bộ thực thi - actuator). Trong
các hệ thống như vậy, cảm biến tần số được sử dụng để nhậ
n thông tin và xử lý các
quan hệ đo lường.
Có hai phương pháp thu thập dữ liệu truyền thống dùng nhiều trong các hệ
thống đo lường và điều khiển tự động hiện đại, đó là:
− Phương pháp sử dụng kênh phân chia theo thời gian, dựa trên hợp kênh

cảm biến và chia sẻ thời gian thu thập dữ liệu cho mỗi cảm biến.
− Phương pháp sử dụng kênh phân chia theo không gian, thông tin từ các
cảm biến
được đưa vào máy tính đồng thời gian.
2.2.1. Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian
Đa số hệ thống thu thập thông tin tần số với kênh chia sẻ thời gian có cấu hình
chung như hình vẽ.
Trong các hệ thống này, lối ra tần số của các cảm biến f
1
, f
2
, …, f
n
được nối tới
bộ chuyển đổi tần số sang mã nhờ sự trợ giúp của bộ hợp kênh số, điều khiển bởi một
vi điều khiển. Bộ chuyển đổi tần số sang mã chuyển đổi tần số f
x
sang mã nhị phân, ví
dụ theo phương pháp đếm trực tiếp chu kỳ thời gian T
x
= 1/f
x
trong thời gian cửa T
q

(lượng tử hoá theo thời gian), hoặc theo phương pháp gián tiếp bằng cách đếm số lần
xuất hiện xung f
0
trong chu kỳ thời gian T
x

hoặc nT
x
. Trong các hệ thống thu thập dữ
liệu hiên đại, tần số lối ra cảm biến có thể thực hiện chuyển đổi trực tiếp sang mã mà
không cần thêm bất cứ cấu hình phần cứng nào.
Ngay sau khi qua bộ chuyển đổi tần số thành mã, mã nhị phân đưa vào vi điều
khiển dưới dạng một dãy dữ liệu. Nếu cần, các tín hiệu có thể được xử lý bằng vi điều
khiển hay các bộ DSP (ví dụ như: tuyến tính hoá, đồng nhất hoá, thay đổi hệ số
khuyếch đại .v.v.).Dữ liệu được đưa vào máy tính (qua hệ thống Bus, cổng vào ra hay
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 23 -
bộ nhớ truy cập trực tiếp) để xử lý ở một mức cao hơn. Kết quả sau khi xử lý bằng
máy tính có thể được hiển thị hay sử dụng để điều khiển hệ thống.







Hình 9.
Hệ thống thu thập dữ liệu phân kênh theo thời gian.

Chu kỳ truy cập cảm biến được đồng bộ bởi phần mềm của vi điều khiển. Chu
kỳ đó tuỳ thuộc vào nhiệm vụ riêng biệt của từng cảm biến. Trong các hệ thống thu
thập dữ liệu theo tần số, chu kỳ truy cập vào bộ chuyển đổi có thể tính theo phương
trình:
τ

0
= n.(T
q
+τ
delay1
+ τ
delay2
),
với:
− T
q
là lượng tử hoá thời gian của bộ chuyển đổi tần số sang mã.
− τ
delay1
là thời gian trễ giữa lệch kết thúc bộ chuyển đổi của cảm biến trước
đó với lệnh truy cập vào cảm biến tiếp theo.
− τ
delay2
là thời gian trễ từ ngay sau khi cảm biến được kết nối tới khi bộ
chuyển đổi tần số được khởi tạo.
− n là số lượng cảm biến có trong hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh.
Giá trị τ
0
, và thời gian trễ phụ thuộc vào phương pháp đo lường các đại lượng
thông tin, phương pháp phân chia và các thiết bị điện tử đang được sử dụng. Với các
giá trị T
q
, τ
delay1
, τ

delay2
, đặt trước chu kỳ thời gian truy cập một bộ chuyền đổi chỉ có
thể thay đổi khi thay đổi n.
2.2.2. Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian
Hệ thống thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian có cấu hình chung như
hình vẽ.
x
1
x
2
x
n

MX
µK
Cảm biến 1
Cảm biến 2
Cảm biến n
…
…
f
i
N
i
Bus hay
cổng
máy tính
DAQ board
F/#
f

n
f
2
f
1
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 24 -


Hình 10.
Hệ thống thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ theo không gian.
Trong các hệ thống như vậy, hệ gồm n bộ chuyển đổi tần số sang mã được kết
nối tới một hệ vi điều khiển (MP-multiprocessor:hệ đa xử lý) có n lối vào. Phương
pháp này có thể đo đồng thời nhiều tần số trên nhờ các bộ chuyển đổi tần số sang mã
với các kênh lối ra độc lập. Vi điều khiển sẽ khởi động đồ
ng thời cả n bộ chuyển đổi
và kết quả phép đo sẽ được đưa ra ở cuối giai đoạn xử lý. Điều này kéo theo sự tồn tại
của một số phương thức giao tiếp giữa bộ chuyển đổi tần số sang mã và vi điều khiển,
ví như: pooling (hỏi lần lượt), iterrupt (ngắt), DMA (direct memory access – truy cập
bộ nhớ trực tiếp). Với khả n
ăng làm việc đồng thời n lối vào cảm biến, nên tốc độ,
hiệu quả công việc của phương pháp tăng lên n lần. Tuy nhiên nó hạn chế bởi giá
thành phần cứng.
2.3. Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã
Các tín hiệu tần số cần chuyển sang mã nhị phân trước khi đem vào xử lý bằng
vi điều khiển. Phương pháp chuyển đổi tần số sang mã được xem là đơn giản so với
chuyển đổi các đại lượng khác. Tuy nhiên vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính
của cảm biến như độ chính xác, thời gian chuyển đổi và công suất tiêu thụ, vả lại để ổn

định những thông số
này cũng không là đơn giản. Do đó các phương pháp chuyển đổi
tần số sang mã không ngừng được quan tâm và phát triển. Có rất nhiều phương pháp
chuyển đổi tần số sang mã, tuy nhiên các phương pháp thông dụng nhât là:
− Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp, đếm số xung f
x
trung bình trong chu kỳ
thời gian T
0
= 1/f
0
của xung chuẩn. Phương pháp này thích hợp cho tín hiệu tần số cao.
Cảm biến1
Cảm biến2
Cảm biến
F/#
MP
F/#
F/#
x
1
x
2
x
n
N
1
N
2
N

n
f
1
f
2
f
n
Bus hay
cổng máy
tính
… …
DAQ board
Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội

Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp
- 25 -
− Phương pháp đếm gián tiếp, đếm số xung chuẩn f
0
trong chu kỳ xung tín
hiệu T
x
. Phương pháp này thích hợp cho tín hiệu tần số thấp.
− Phương pháp biến tần sang mã dựa vào biến đổi Fourier rời rạc.
− Phương pháp chuyển độ dịch pha thành mã.
Hai phuơng pháp đầu tiên được thực hiện bằng thiết bị phần cứng, hai phương
pháp sau thực hiện với sự trợ giúp của vi điều khiển.Do tính đơn giản, và khả năng
ứng dụng thực tế nên ta chỉ tìm hi
ểu sâu về hai phương pháp đầu tiên.
2.3.1. Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp
Phương pháp đếm này được trình bày trên sơ đồ nguyên lý sau, được dùng khá

phổ biến trong kỹ nghệ nhằm chuyển đổi lối ra của bộ cảm biến thành một đại lượng
số. Mạch yêu cầu phải reset bộ đếm trước khi sử dụng. Thao tác reset được thực hiện
trước mỗi chu kỳ đo, cung cấp bởi thiêt b
ị ngoài và không đươc biểu diễn vào sơ đồ.

Hình11.
Sơ đồ khối đơn giản của phương pháp đếm chuẩn trực tiếp.
Phương pháp này đếm số chu kỳ T
x
xuất hiện trong thời gian của xung cửa T
0.

Xung cửa tạo nên từ bộ tạo dao động chuẩn T
o
và có mức lôgic cao. Khi không có xung
To, mạch ngừng hoạt động, đó là khoảng thời gian dành cho reset. Từ đó ta có:
N
x
= T
o
/T
x
= T
0
. f
x

Từ đây ta thấy nếu T
o
= 1s thì N

x
= f
x
Trong một số trường hợp chung tần số chuyển đổi được thực hiện theo phương
trình sau :
f
x
=N
x.
f
o
= N
x
/T
o

Từ giản đồ thời gian chỉ ra sự mất đồng bộ ở điểm bắt đầu và thời điểm kết
thúc của T
o
chính là nguyên nhân gây lên sai số của phép đo. Từ hình vẽ ta thấy
T’
o
= N
x
.T
x
= N
x
/f
x

= T
o
+ ∆t
1
- ∆t
2
(2.1)
Vì vậy
f
x
Bộ đếm
Bộ tạo tần
số chuẩn
T
o
N
x