Tìm hiểu chung về vi điều khiển DsPic30F

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
Tóm t
t
B n khóa lu n t t nghi p g m có ba ph n riêng bi t trong dó
ph
n m t là lý thuy t
b khuy ch d i lock-in ti p theo là t ng quan chung c u trúc vi di u khi n
dsPic30F4011

và
cu
i cùng là ph n th c nghi m. Chuong 1 v

lý thuy t b khuy ch d i lock-i
n
tru
c
tiên
ta s
t
ìm hi
u t i sao l i ph i d
ùng b
khuy ch d i lock-

in trong do lu
ng tín hi u nh
và
khái ni
m b khuy ch lock-
in, ti
p theo là
so d
c u t o chung
c
a m t b khuy ch d i
lock
-in c di n. Cu i c
ùng
là ph n tìm hi u c u t o và nguyên t
c
ho
t d ng c a b
khuy ch d i lock-in s và tuong t . Trong chuong 2 v

t ng quan c u trúc c a vi di u
khi
n
dsPic30F4011
chúng ta s tìm hi u chung v h vi di u khi n DsPic30F ti p dó l
à
d c di m chung c a h vi di u khi n
dsPic30F4011
. Cu i cùng ta s tìm hi u sâu hon v
c u trúc c a vi di u khi n

dsPic30F4011
.
Ph
n còn l i c a b n khóa lu n s là ph n th c
nghi
m, dây trình bày toàn b quá trình thi t k b khuy ch d i lock-in g m có ph n
c ng, ph n m m và k t qu th c nghi m. Ph n c ng có các kh i riêng bi t, v i m i kh i
có
trình bày lý thuy t và co s thi t k . Còn ph n m m
du
c trình bày du i d ng so d
kh
i c a c u trúc chu
ong tr
ình
v
i các modul ri
êng bi
t.
Sau khi thi
t k du c b khuy ch
d i lock-in s , ta s
th
nghi m m t h do cho c m bi n có nhân là b khuy ch d i lock-
in v
a ch t o
. C
th trong b n khóa lu n s th nghi m m t h do
áp
d ng cho c m bi n

áp su
t MPX2300D do công ty Motorola cung c p.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
M C L C
M Ð u
...............................................................................................................................
1
Chuong 1. B
Khu ch Ð i Lock In
..................................................................................
2
1.1. T
ng quan v b khuy ch d i lock in
.......................................................................
2
1.1.1. Gi
i thi u
............................................................................................................
2
1.1.2. Khái ni
m “lock in amplifier”
............................................................................
6

1.1.3. C
u trúc chung c a b khuy ch d i lock in
.......................................................
6
1.2. B
khuy ch d i lock in t
uong t
(Analog Lock-
In Amplifiers)
..............................
7
1.3. B
khuy ch d i lock in s (Digital Lock-
In Amplifiers)
.........................................
9
Chuong 2. Vi Ði
u Khi n DsPic30F4011
.......................................................................
11

2.1. Gi
i thi u chung v h vi di u khi n Dspic
............................................................
11

2.2. Ð
c di m chung c a vi di u khi n dsPic30F4011
..................................................
11

2.2.1. Kh
i x lý trung tâm CPU
...............................................................................
11

2.2.2. B
chuy n d i
tuong t
s ADC
......................................................................
12

2.2.3. Các c
ng v
ào ra I/O Port và các ngo
i vi
........................................................
12

2.2.4. B
x lý tín hi u s
..........................................................................................
12

2.2.5. M
t s d c di m khác
.......................................................................................
13

2.3. C
u trúc c a vi di u khi n dsPic30F4011
...............................................................
13

2.3.1. Kh
i
x
lý trung tâm CPU
...............................................................................
13

2.3.2. Kh
i t o d a ch AGU
.......................................................................................
17

2.3.2.1. Ch
d d a ch l nh
....................................................................................
17

2.3.2.2. Ch
d d o bit d a ch
................................................................................
19

2.3.3. T
ch c b nh v
à b

nh ch
uong tr
ình
..........................................................
20

2.3.3.1. Không gian d
a ch
ch
uong tr
ình
...............................................................
20

2.3.3.2. Truy xu
t d li u t b nh ch
uong tr
ình s d ng các l nh b ng
.............
21

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
2.3.3.3. Truy xu

t d li u t b nh ch
uong tr
ình s d ng không gian ch
uong
trình
.........................................................................................................................
21

2.3.4. Các c
ng v
ào ra I/O Port
..................................................................................
23

2.3.5. Ng
t v
à co ch
ng t
..........................................................................................
25

2.3.6. Các b
d nh th i
...............................................................................................
27

2.3.7. B
chuy n d i t
uong t
s ADC

......................................................................
30

2.3.7.1. B d m k t qu bi n d i A/D
....................................................................
30

2.
3.7.2. Các bu
c th c hi n bi n d i A/D
..............................................................
30

Chuong 3. Th
c Nghi m
................................................................................................
.
33

3.1. Ph
n C ng
...............................................................................................................
33

3.1.1. Các kh
i ngu n
................................................................................................
.
34

3.1.2. Kh
i các b l c thông th p
...............................................................................
35

3.1.3. Kh
i bi n d i DAC
...........................................................................................
36

3.1.3.1. Ho
t d ng c a DAC v
à tính ch
t c a nó
...................................................
36

3.1.3.2. Các tham s
c a b chuy n d i DA
..........................................................
38

3.1.3.3. Các m
ch DAC di n h
ình
..........................................................................
39

3.1.3.4. Ghép n
i ADC v i vi di u khi n

...............................................................
41

3.1.3.5. B bi n d i DAC s d ng trong khóa lu n
...............................................
41

3.1.4. Kh
i khuy ch d i tín hi u v
ào
..........................................................................
43

3.1.4.1. Tìm hi
u v m t s m ch khuy ch d i thu t toán v
à tính ch
t c a nó
......
43

3.1.4.2. B khuy ch d i s d ng trong khóa lu n (AD620)
...................................
47

3.1.5. Kh
i LCD
.........................................................................................................
48

3.1.6. Kh

i x lý trung tâm
........................................................................................
49

3.2. Ph
n M m
...............................................................................................................
49

3.3. Các k
t qu th c nghi m
.........................................................................................
51

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
3.3.1. M
ch khuy ch d i lock-
in d
ã ch
t
o v
à tín hi
u v

ào ra lock in
......................
51

3.3.2.Th
nghi m b khuy ch d i lock-i
n v
i c m bi n áp su t MPX2300D
...........
55

3.3
.2.1. C
m bi n áp su t MPX2300D
...................................................................
55

3.3.2.2. K t qu thí nghi m
.....................................................................................
56

K t Lu n
...........................................................................................................................
59

Ph
L c
.............................................................................................................................
60

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
B ng các ký hi u, ch vi t t t
VÐK
:
Vi di
u khi n
ADC
:

Chuy
n d i t
uong t
s (Analog digital convert)
DAC
:
Chuy
n d i s t
uong t
(Digital analog convert)
KÐTT
:

Khuy

ch d i thu t toán
AC

:

Dòng
di
n xoay chi u
DC

:

Dòng
di
n m t chi u
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
1

M Ð u
V i s phát tri n m nh hi n nay c a
vi
c ng d ng các c m bi n thì vi c thi t k
nh

ng h do và kh o sát c m bi n là r t c n thi t, nó là m t thi t b không th thi u cho
b t k m t phòng thí nghi m nào. M t h do nh y v
à
có
chính xác
cao
còn
du
c ng
d ng trong y h c, dó chính là nh ng máy xét nghi m y sinh. Ngoài ra nó còn có ý ngh
ia
quan tr ng t i nhi u ng d ng c n d chính xác cao trong khoa h c k thu t (ví d nh
u:
do lu
ng chính xác, robotic, ....)
Nhi
u c m bi n du c thi t k có l i ra di n áp r t nh , chính vì v y vi c d phát
hi
n s sai l ch và do di n áp ra là r t khó khan. Do dó ý tu ng thi t k m t h do lu ng
có d
nh y cao cho nh ng c m bi n
này là r
t quan tr ng, v
à m
t trong nh ng ý tu ng dó
là
h do có s d ng b khuy ch d i lock-in. V i nhân là m t b khuy ch d i lock-
in
chúng ta s có du c m t h do sensor khá lý tu ng, nó có th cung c p nh ng phép do d
phân gi

i cao
nh
ng tín hi u m t cách t
uong d
i s ch v i d l n v
à t
n s ri
êng bi
t. Vi c
thi
t k m t h do mà có nhân là b khuy ch d i lock-
in
c di n cung khá ph c t p
vì
trong b khuy ch d i c n có các b tr n kênh và b l c có d chính xác cao. Ngoài ra
trong b khuy ch d i lock-in tuong t th
ì
nh hu ng t vi c trôi nhi t và già hóa c a các
linh ki n s gây ra s sai s l n cho h

do. Nhung n u ta thi t k m t b khuy ch d i
lock
-in s th
ì
kh
thi hon nhi u
.
V i công ngh s , m t vi di u khi n có th d m nhi m
t t vai trò là b b l c và b tr n kênh có d chính xác cao. Vì
du

c s hóa nên s không
có hi n tu ng trôi nhi t và già hóa linh ki n gây sai s nh hu ng t i h do.Chính vì v y
m t b khuy ch d i lock-
in s
l
à
l a ch n thông minh nh t c a ngu i s d ng.
Và T
rong
khóa lu n này em s tìm hi u thi t k m t b khuy ch d i lock-
in
s d a
trên vi di u khi n D
sPic
.
Và t dó hình thành nên m t h do don gi n v i nhân là b
khuy ch d i lock-in s và s th nghi m h do v i c m bi n áp su t MPX2300D c a
Motorola.

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
2

Chuong 1.

B
Khu ch Ð i Lock In
1.
1. T
ng quan v b khuy ch d i lock in
1.1
.1
. Gi
i thi u
Trong r
t nhi u ng d ng d do nh ng tín hi u
AC r
t b
é có th
bé t i v
ài nanovolts
n
gu
i ta không th s d ng phép do thông thu ng (s d ng các máy do v n nang ch ng
h n)
. Ðó chính là nguyên nhân ra d
i c a b khuy ch d i lock in
(lock
-
in amplifier)
.
V y t i sao ta l i không d
dàng
do du
c nh ng tín hi u AC nh (vài nanovolts)? Ta

xét các ví d
sau.[8]
Ví d 1:

Cho m t tín hi u sóng sine 10nV t n s 10kHz. Rõ ràng là s khuy ch d i
c n ph i cho ra tín hi u l n h
on
n. M t b khu ch d i t t (low-
noise) s
có m t d n l i
vào k
ho
ng 5nV/sqrt(Hz). N u bang thông c a b khuy ch d i là 100kHz và h s
khuy ch d i l
à 1000 l
n, chúng ta thu du c l i ra:
Tín hi
u l i ra:
(10nV
x
1000) = 10uV

Tín hi
u nhi u d i r ng:
(5nV
x
KHz
100

x

1000)=1,6mV

Nhu v y chúng ta không có nhi u co h i d do tín hi u này n u chúng ta không ch n ra
t n s chúng ta mong mu n.
(Xem minh h
a tr
ên Hình 1.1)
Ví d 2:

N u ta l p thêm m t b l c d i thông vào b khuy ch d i v i
Q=100
(m t
b l c c c k t t –
Q
dây du c xem l
à h
s ph m
ch
t c a b l c) tâm thông l
à
10kHz,
b t k tín hi u n
ào trong vùng
100Hz (10kHz/Q)
xung quanh tâm c
ung s du c phát hi n.
Nhi
u trong tru ng h p này s là (5nV x
Hz
100

x 1000) = 50uV, và tín hi u s v n l
à
10uV. Nhi u l i ra v n l n hon nhi u l n tín hi u, và không th t o ra du c m t phép
do chính xác. Nhu v y tang h s khu ch d i không th nào giúp tang t s tín hi u tr
ên
n (S/N).
(Xem minh h
a tr
ên Hình 1.2)

V y mu n do du c tín hi u, ta ph i thi t k m t b l c có h s Q l n, nhung vi c
này là r t khó và không kh thi.Tuy nhiên m t b dò nh y pha (Phase Sensitive Detector)
có th
có Q l n c 10000. N
ên
n trong tín hi u d
ã nêu
2 ví d tr
ên ch
c
òn là 10u.

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :

Lê Tr n Tri u Tu n
3

Hình 1.1. Nhi
u
và tín hi
u[2]

Hình 1.2.
n b tri t ti
êu sau khi
qua b
l c thông th p
[2
]
K thu t d
ò nh
y pha (Phase-
Sensitive Detection) :

Có th nói “B dò nh y pha - Phase Sensitive Detection (PSD)” là trái tim c a b
khuy ch d i lock in, nó du c xem nhu là m t b ho
àn di
u hay b tr n. Máy dò tìm
du
c
v n hành b i vi c nhân lên hai tín hi u cùng nhau. Phân tích sau dây ch ra t i sao
nó
cho
ta

nh
ng tín hi u
mong mu
n.
Hình 1.3 ch ra v trí d u b khuy ch d i lock in phát hi n ra m t du ng tín hi u
không t p nhi u (noise-free) hình sin. Xác d nh trong so d nhu “Signal In”. Thi t b
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
4

du
c nuôi v i ngu n tín hi u tham chi u (hay còn g i là tín hi u reference là d ng tín
hi
u h
ình sin,
du
c c
ài d
t s n).

Hình 1.3.
Tín hi
u, tín hi u tham chi u v
à tích c

a hai tín hi u[1
5]

B dò nh y pha du c v n hành b i vi c nhân hai tín hi u này và k t q a là ta thu
du
c tín hi u Demodulator Output nhu trên hình. T dó ta th y không có s khác pha
gi
a tín hi u vào và tín hi u reference. Demodulator output gi d ng hình sin, nhung t n
s th
ì g
p 2 l n
t
n s c a tín hi u refere
nce
, m
c trung b
ình là d
uong.

Hình 1.4 c
ung nh
u h
ình 1.3 nh
ung có s
d ch pha 90
0
c
a tín hi u reference. Bây gi
Demodulator output v n là m t sóng sin có t n s b ng hai l n t n s tín hi u reference,
nhung m

c trung b
ình thì b
ng 0.

Hình 1.4.

Tín h
i u, tín hi u tham chi u d ch 90
o
và tích c
a hai tín hi u[1
5]

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
5

T dây ta có th nh
ìn th
y m c trung b
ình là:

- T l v i tích s c a t n s bi
ên d

c a tín hi u v
ào và tín hi
u reference.
-
Liên quan t
i góc pha gi a tín hi u v
ào và tín hi
u reference.
Nó s

du c dánh giá n u biên d tín hi u reference du c gi t i m t giá tr c d nh
và pha c a tín hi u reference du c di u ch nh d d m b o m t chuy n d ch pha tuong d i
b ng
zero. Sau dó có th
do xác d nh du c m c trung b
ình biên
d tín hi u d u v
ào.

M c trung bình t t nhiên là thành ph n DC c a l i ra du c gi i bi n di u
(d
emodulator output). Ð l y du c thành phân m t chi u này r t don gi n, ta ch c n cho
tín hi u qua b l c thông th p. Sau khi du c l c, tín hi u DC du c do b ng phuong pháp
truy
n th ng (
dùng vôn k
).
trên ta xét d n tru ng h p tín hi u vào là m t tín hi u s ch không có n. Nh
ung
trong nh ng ng d ng th c t tín hi u vào luôn di kèm v i n nhi u. n nhi u này không

có t
n s c d nh ho c không có m i quan h pha c d nh. n n
ày c
ung d
u
c nhân lên v
i
tín hi
u reference, nh
ung không dua ra b
t k m c thay d i DC n
ào.

Xét m t tín hi u vào có d ng hình sin, tín hi u này không có n: V
in
=Acos( t),
dây
=2pF, F là t n s tín hi u vào. Trong b khuy ch d i lock in du c cung c p m t tín
hi
u reference có cùng t n s v i tín hi u vào có d ng sau: V
ref
= Bcos( t + ), là d
l ch pha gi a 2 tín hi u.
N u ta nhân 2 tín hi u n
ày v
i nhau ta du c :
V
out

= A cos ( t) . B cos ( t + )

= AB cos t (cos t cos - sin t sin )
= AB(cos2 t cos - cos t sin t sin )
= AB((½ + ½cos 2 t)cos - ½sin 2 t sin )
= ½AB((
1+ cos 2 t)cos

- sin 2 t sin )
= ½AB(cos + cos 2 t cos -
sin 2
t sin )
= ½ABcos + ½AB(cos 2 t cos - sin 2 t sin )
= ½ABcos + ½ABcos(2 t + )
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
6

Bây gi
n u ta cho tín
hi
u ra V
out
qua b
l c thông th p th
ì

di
u hi n nhi
ên là thành
ph
n 2 t s b lo i b . V y k t qu là ta ch còn l i tín hi u DC (m t chi u). Và di u dó
d n t i V
out

=½ABcos t l v i biên d tín hi u vào V
in
.
Thu
t toán này cho ta m t ý
tu
ng v vi c bi n m t tín hi u AC thành DC có giá tr b ng biên d c a AC ban d u
nhân v
i N l n.
Trong nh
ng ho
àn c
nh th c t , tín hi u d u v
ào thu
ng di k
èm v
i nhi u n, nh
ung
n u chúng ta cài d t m t b l c thông th p phù h p d u ra c a tín hi u thì m i tín hi u
nhi
u v i m i quan h pha khác nhau v
à v

y th
ì b
t k t n s khác nhau n
ào có th
b lo i
b tín hi u cu i c
ùng.

1.
1.2. Khái ni
m “lock in amplifier”
B khuy ch d i lock in can b n l
à
thi
t b

v i kh nang kép. Nó có th khôi ph c
nh
ng tín hi u trong s có m t c a
nhi
u n. Nói m t cách khác, nó có th cung c p
nh
ng phép do d phân gi i cao nh ng tín hi u m t cách t
uong d
i s ch v i d l n v
à t
n
s ri
êng bi
t.

Tuy nhiên, nh
ng thi t b hi n d i d
ua ra nhi
u h
on hai ch
c nang c
o b
n tr
ên. Ví d

m t b khuy ch d i lock in hi n d i có th có nh ng ch c nang sau:

-
Thi
t b khôi ph c tín hi u AC
-
Ðo pha
-
Ðo ti
ng n, nhi u.
-
Vôn k
vector
- B phân tích ph

-
..v.v.........

Chính vì tính linh ho
t n

ày
mà
nó có ý ngh
ia r t quan tr ng trong b t k m t ph
òng
thí nghi
m n
ào.

1.
1.3. C
u trúc chung c a b khuy ch d i lock in
B khuy ch d i lock-
in
g
m có các th
ành ph
n chính l
à : b
khuy ch d i tín hi
u vào
và ra, b
l c thông d i (bandpass filter), b tr n (mixer), b l c thông th p (lowpass filter)
và
b
phát tín hi u reference.
(Hình 1.5)

ÐH Công Ngh
-

ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
7

Hình 1.5. S
o d
b khuy ch d i lock in [1
5]

Có hai cách th
c thi s
o d
tr
ên
. Trong phuong pháp c
di n t t c các ch c nang c a
b lock-
in d
u du c th c hi n b ng k thu t analog (t
uong t
). Nh
ung c
ung có m t
ph
uong pháp khác có th
th c thi s

o d
tr
ên, dó là phuong pháp d
a tr
ên k
thu t s
(digital). Chính vì v
y có hai cách ch t o b khuy ch d i lock-
in : b
khuy ch d i lock-
in
tuong t
v
à b
khuy ch d i lock-
in s
s du c tr
ình bày d
u i dây.
1.
2. B khuy ch
d
i lock in t
uong t
(Analog Lock-
In Amplifiers)

So d
kh i c a m t b khuy ch d i lock in c di n hay b khuy ch d i lock-
in

tuong t
du c ch ra tr
ên H
ình 1.6
.
H th ng g m có m t máy khuy ch d i d tang tín hi u d u vào c n do d n m t
m c thích h p cho các thao tác sau. M t b l c thông d i du c dùng d lo i b b t k
thành ph
n tín hi u n
ào ho
c t i m c DC ho c t i nh ng h
òa âm c
a tín hi u du c do.
Ti
p d n là m t máy dò nh y pha (Phase Sensitive Detector),
còn
du
c g i là m t
b hoàn di u
(gi
i bi n di u) d ng b (synchronous demodulator ) ho c b

tr n (mixer).
M ch này có th

có nhi u d ng, t b khuy ch d i logarit d n các b nhân four –
quadrant. Tín hi
u v
ào du
c nhân v i

m
t tín hi u reference du c d
ua ra t
h th ng dang
du
c do. Tín hi u reference c n có m t m t tuong quan pha c d nh v i tín hi u vào. Vì
v y b khuy ch d i lock-in phát ra m t sóng sin reference n i t i c a chính nó nh m t
vòng khóa pha (phase
-
locked
-
loop) khóa vào tín hi
u reference c a tín hi u.
Trong quá trình x lý tín hi u ti p theo ta, thu ng dùng ch c nang kênh kép. Trong
tru
ng h p này tín hi u vào du c tr n d u v i tín hi u reference, và ngoài ra tín hi u n
ày
c
ung d
u c tr n v i tín hi u reference sau khi d
ã
du
c d ch pha 90
0
.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu

n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
8

Hình 1.6.
So d
kh i b khuy ch d i l
ock
-
in tuong t
[8]
Ch
c nang kênh kép này có tác d ng l n t i s tính toán d l n c a tín hi u vào và
m i tuong quan pha c a nó v i tín hi u reference. Hai kênh riêng bi t này thu ng du c
g i là thành ph n cùng pha (
In
-Phase component) và thành ph n vuông pha (
Quadrature
component
) ho
c t
uong
ng l
à I và Q.

Cu
i cùng, d u ra t nh ng b
tr
n (mixer)

du
c dua vào b l c thông th p có kh
nang lo
i b m i tín hi u không d ng b (
non
-
coherent
), d
l i m t tín hi u DC cu i c
ùng
t l v i bi
ên d
v
à pha c
a
tín hi
u v
ào.

Có m t s

v n d v i b khuy ch d i lock-
in
tuong t . Ð có m t s chính xác cao,
tín hi
u reference ph i có h
àm lu
ng sóng h
ài r
t th p. Nó ph i l

à m
t sóng h
ình sin thu
n
khi
t, b t k hàm lu ng sóng hài nào s gây ra s bi n d ng t i d u ra. Nh ng máy phát
sóng hình sin t
uong
t có th cung ch u t nh ng
bi
n d i bi
ên d

gây b
i s bi n d i c a
nhi
t d .
S trôi nhi t d và sai s c a các linh ki n trong h th ng c
ung
có th gây ra nh ng
v n d
khác n
a
cho h
th ng t
uong t
.
Cu
i c
ùng,

c n nói thêm r ng b t k m t d phi tuy n nào trong h s

khuy ch d i
và pha cung có th d n d n các sai s trong tín hi u ra. Vi c kh c ph c các v n d n
ày
khi
n cho b khuy ch d i lock-
in tuong t
tr n
ên m
t thi t b r t d t d v
à du
c s d ng
khi d
òi h
i các bang thông l i v
ào cao.

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
9

1.
3.

B khuy ch d i lock in s (Digital
Lock
-
In Amplifiers
)
So d
kh i c a m t b khuy c
h d
i lock in s du c ch ra tr
ên H
ình 1.7


Hình 1.7. B
khuy ch d i lock in s
[8]
Trong m t b khuy ch d i lock in s , ph n l n các quá trình x lý du c th c hi n
trong mi n s s d ng ph n m m và dùng ph n c ng là b x lý tín hi u s (DSP). H
ình
1.7 là m t b khuy ch d i s di n hình, h th ng này c
ung
có m t b khuy ch d i

fron
-end nhung nó du c n i b i m t b l c Anti-alias Filter dùng d l c b t k tín hi u
nào có t
n s l n h
on n
a t n s l y m u.
B

di
u khi n tín hi u s (Digital signal controller) dây có th s d ng nhi u lo i
chip x lý s chuyên d ng, ví d nhu dsPic ch ng h n (dsPic là m t chip x lý s t
uong
d i m nh, t c d cao).
Tín hi
u reference trong b khuy ch d i lock in s có th du c t o ra b
ên trong ho
c
bên ngoài. Trong tru
ng h p tín hi u
du
c phát sinh n i t i
, nh
ng di m m u ri
êng l
c a
tín hi u reference có th tính toán t i m t m c d chính xác cao, và b i v y không có
nh
ng sai s thu ng g p khi
dùng
tín hi u
reference
nhu trong các máy lock-in tuong t
.
Tín hi u reference trong b khuy ch d i lock-in s du c d ch pha 90
0
r t don gi n b ng
cách tra c
u b ng ho c b ng nh ng phép toán d

on gi
n. Ti p
theo tín hi
u reference và tín
hi
u d ch pha reference du c nhân v i tín hi u vào b i DSP và sinh ra ra 2 kênh tín hi u,
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
10

m t kênh tín hi u d ng pha I và m t kênh tín hi u vuông pha Q. Cu i cùng nh ng k
ênh
tín hi u này du c cho qua m t b l c thông th p s

(c th dây là b l c s FIR) d thu
du
c nh ng k t q a cu i c
ùng.

Do tín hi u vào du c s hóa b i b chuy n d i ADC nên s không b m t mát. H
on
n a, vì tín hi u tham chi u (reference) du c tính b ng phuong pháp s nên có lu ng h
òa
âm r

t th p.
Ði u quan tr ng n a là s l ch gây b i tính phi tuy n c a h s khuy ch d i và pha
c a các linh ki n t
uong t
s b tri t ti
êu trong b
khuy ch d i lock-
in s
v
à
s
không

có

các sai l
ch gây b i s trôi nhi t ho c s gi
à hóa c
a các linh ki n.
Cu
i c
ùng
b vi x lý s tính toán d l n vector c a tín hi u ra và d l ch pha c a
tín hi
u l i v
ào so v
i tín hi u reference qua công th c sau :
22
QI
Magnitude

)/(
tan
1
IQPhase

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
11

Chuong
2.
Vi Ði
u Khi n
DsPic30F4011

Trong b
n khóa
lu
n n
ày b
x lý s c a m ch khuy ch d i lock-
in s

d
ùng m
t vi
di
u khi n DsPic v i nhãn hi u thuong m i là DsPic30F4011 c a hãng Microchip. Toàn
b n i dung ch
uong 2
này du
c l y t t
ài li
u [6].
2.1.
Gi
i thi u chung v h vi di u khi n Dspic
H vi di u khi n
16 bit dsP
ic do công ty công ngh
Microchip Technology Inc. s n
xu
t, du c phát tri n tr
ên
n n h vi di u khi n 8 bit Pic.
Vi di u khi n dsPic là m t chip x lý m nh v i b x lý 16 bit (có kh nang x lý
d li u có d dài 16 bit). V i t c d tính toán cao d a trên ki n trúc RISC, k t h p các
ch
c nang di u khi n ti n ích c a m t b vi di u khi n hi u nang cao 16-bit (high-
performance 16
-
bit microcontroller), có th
th c hi n ch c nang c a m t b x lý tín hi u

s (
DSP
) nên dsPIC còn có th du c xem là m t b di u khi n tín hi u s (Digital Signal
Controller
–
DSC
).

H vi di u khi n dsPic có th d t t i t c d x lý 40 MIPS (Mega Instruction Per
Second -
tri
u l nh tr
ên m
t giây
). Ngoài ra dsPic còn
du
c trang b b nh Flash, b nh
d li u EEP
ROM
và các ngo i vi hi u nang cao và r t da d ng các thu vi n ph n m m
cho phép th c hi n các gi i thu t nhúng v i hi u su t cao m t cách d dàng trong m t
kho
ng th i gian ng n.
Chính vì v
y dsPic du c ng d ng r t r ng r
ãi trong các
ng d ng
x lý tín hi u s , do lu ng v
à di
u khi n t d ng, .v..v...

H vi di u khi n dsPic du c chia ra làm ba lo i tùy theo m c dích c a ngu i s
d ng :
- B di u khi n s cho di u khi n motor v
à bi
n d i ngu n (DSC Motor Control &
Power Conversion Family)

- B di u khi n s cho se
nsor (DSC Sensor Family)

- B di u khi n s da m c dích (DSC General Purpose Family)
2.2.
Ð c di m chung c a vi di u khi n
dsPic30F4011

2.
2.1.
Kh
i x lý trung tâm CPU
-
T
p l nh c
o b
n g m 84 l nh
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p

Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
12

-
Ch
d d nh d a ch linh ho t
-
Ð
d
ài l
nh 24-
bit, d
dà
i d
li u 16-
bit

- B nh ch
uong tr
ình Flash 24 Kbytes

- B nh RAM d l n 1Kbytes
- B nh EEPROM
-
M
ng 16 thanh ghi l
àm vi
c 16-
bit

-
T
c d l
àm vi
c l
ên t
i 40 MIPS
2.
2.2.
B chuy n d i t
uong t
s ADC
- B c
huy
n d i t
uong t
-
s
(ADC) 10-
bit

+ T
c d l y m u t i da 1 M
sps (
Mega
samples per second)

+ T
i da 10 k

ênh l
i v
ào ADC

+ Th
c hi n bi n d i c trong ch d Sleep v
à Idle

-
Ch
d nh n bi t di n th th p kh l p tr
ình

-
T
o Reset b ng nh n di n di n áp kh l p tr
ình

2.
2.3.
Các c
ng
vào ra I/O Po
rt và các ngo
i vi
-
Dòng ra, vào
các chân I/O l n: 25 mA
-
3 Timer 16

-
bit, có th
ghép 2 Timer 16-
bit thành Timer 32
-
bit

-
Ch
c nang Capture 16-
bit

-
Các b
so sánh/PWM 16-
bit

-
Module SPI 3 dây (h
tr ch d Frame)
-
Module I2C, h
tr ch d da ch t , d a ch t 7-
bit d
n 10-
bit

-
UART có kh
nang d a ch hoá, h tr b d m FIFO

2.
2.4.
B x lý tín hi u s

-
N
p d li u song song
-
Hai thanh ch
a 40-
bit có h
tr b
ão hoà logic

ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
13

-
Th
c hi n phép nhân 2 s 17-
bit trong m
t chu k

ì máy

-
T
t c các l nh
DSP d
u th c hi n trong m t chu k
ì máy

-
D
ch trái ho c ph i 16 bit trong m t chu k
ì máy

2.
2.5.
M t s d c di m khác
- B nh Flash: ghi/xoá lên t i 10.000 l n (di u ki n công nghi p) v
à
trên du i
100.000 l
n
(thông thu
ng)
- B nh
EEPROM
: ghi/xoá lên t i 100.000 l n (di u ki n công nghi p) v
à
trên du i
1.000.000

l n (thông thu ng)
-
Kh
nang t n p tr
ình d
u i di u khi n c a software
-
Watch Dog Timer m
m d o v i b dao d ng RC ngu n th p tr
ên chip.

-
Ch
d b o v firmware kh l p tr
ình

- Kh nang t l p trình n i ti p trên m ch di n (In Circuit Serial
Programming
–
ICSP
)
-
Có th
l a ch n các ch d qu n lí ngu n: Sleep ho c Idle

2.3.
C u trúc c a vi di u khi n
dsPic30F4011

2.

3.1.
Kh
i x lý trung tâm CPU
CPU c a
dsPic30F4011
du c thi t k trên ki n trúc RISC, nhân c a CPU có m t b
x lí l nh 24-
bit và b
d m ch
uong tr
ình
–
Program Counter (PC) d
r ng 23-
bit v
i bit ý
ngh
ia th p nh t luôn b ng 0, còn bít ý nghia cao nh t th
ì
du
c b qua trong su t quá tr
ình
th
c hi n chuong trình bình thu ng, ch tr khi th c hi n các l nh d c bi t. Do dó, b
d m ch
uong tr
ình có th
d nh d a ch l
ên t
i 4 tri u t l nh c a không gian b nh ch

uong
trình
du
c s d ng.
Thi
t b dsPIC30F ch a 16 thanh ghi làm vi c 16-bit. M i thanh ghi làm vi c có th
có th làm vi c v i vai trò nhu d li u, d a ch ho c thanh ghi d a ch offset. Thanh ghi
th
16 (W15) ho t d ng nh
u là con tr
ngan x p m m cho ho t d ng ng t v
à g
i ng t.
Các ch
l nh c a dsPIC30F g m 2 l p: L p MCU v
à L
p DSP c a l nh. Hai l p n
ày
du
c k t h p d ng nh t v i nhau trong ki n trúc và th c hi n t m t kh i th c hi n d
on.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
14

Các ch l nh bao g m nhi u ch d d a ch và du c ch t o nh m tuong thích v i tr
ình
biên d
ch ngôn ng C.
Không gian d li u có th du c d a ch hoá thành 32K words ho c 64 Kbytes v
à
du
c chia làm hai kh i, du c g i là b nh d li u X và b nh d li u Y. M i kh i d u
có kh i t o d a ch - AGU (Adress Generator Unit) riêng bi t c a nó. T t c các l nh ho t
d ng don d c ch qua b nh X, và kh i AGU – quy d nh s xu t hi n c a m t vùng d
li u th ng nh t. L p thanh ch a phép nhân (Multiply-
Accumulate)
– MAC c a l nh DSP
ho
t d ng thông qua c hai kh i AGU c a b nh X và Y, nó chia d a ch d li u th
ành
hai ph n. M i t d li u g m 2-bytes, và t t c các l nh có th d nh d a ch d li u theo

bytes ho
c words (t ).
Có hai cách d
truy xu t d li u trong b nh ch
uong tr
ình
dó là:

- 32 Kbytes cao c a vùng nh d li u có th du c s p x p trong n a th p c a
không gian chuong trình t i biên c a 16K t chuong trình b t k , du c d nh nghia
b i t

hanh ghi PSVPAG 8
-
bit (
P
rogram
S
pace
V
isibility
P
age). Do dó các l
nh có th
truy c p không gian chuong trình nhu không gian d li u, nhung có m t gi i h n l
à
nó c n thêm m t chu k l nh n a. Ch có 16 bít th p c a m i t l nh có th s d ng
phuong th
c tr
uy c
p n
ày.

- Truy c p tr c ti p không tuy n tính c a các trang 32K t n m trong không gian
chuong trình cung có th s d ng các thanh ghi làm vi c, thông qua b ng l nh d c
và ghi. B ng l nh d c và ghi có th du c s d ng d truy c p c 24 bit c a m t t

l nh.
Kh
i X AGU (kh i AGU c a b nh X) cung h tr vi c d o bit d a ch trên d a ch
dích k t qu nh m don gi n hoá t i da d li u vào ho c ra d chúng thích h p cho thu t
toán FFT co s

2.
V i t t c các l nh, nhân c a dsPIC30F có kh nang th c hi n
vi
c d c b nh d
li
u ho c b nh chuong tr
ình,
d c thanh ghi làm vi c, ghi vào thanh ghi làm vi c và d c
b nh chuong trình m i chu kì l nh. Nhu v y, l nh 3 toán h ng du c h tr , cho phép
th
c hi n phép tính C = A + B trong m t chu k
ì l
nh.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
15

Hình 2
.1. So d
kh i DsPic30F4011
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i

Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
16

Hình 2.
2.
Các thanh ghi c
a kh i x lý trung tâm
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
17

Công c DSP du c tích h p vào vi x lý làm tang ý nghia c a m t CPU m nh v
thu
t toán. Ð c di m c a nó là th c hi n t c d cao m t phép nhân hai s 17-bit, m t
kh
i s h c và logic (ALU) 40-bit, hai thanh ch a có kh nang bão hoà 40-bit và m t b
d ch hai hu ng 40-bit. D li u trong thanh ch a ho c b t k m t thanh ghi làm vi c n
ào
có th du c d ch trái 15 bit hay d ch trái 16 bit ch trong m t chu k l nh. Các l nh DSP
ho
t d ng th ng nh t v i t t c các l nh khác v

à du
c thi t k nh m thích h p v i vi c x
lý th
i gian th c.
L p MAC c a l nh có th d ng th i n p hai toán h ng d li u t b nh trong khi
dang nhân hai thanh ghi W. Ð kích ho t ch d n p d ng th i c a toán h ng, không gian
d li u du c chia nh cho các l nh này và tuy n d i v i các l nh khác. Vi c này du c
th
c hi n rõ ràng và r t linh ho t b ng cách dành m t vài thanh ghi làm vi c cho m i
không gian d
a ch cho l p MAC c a l nh.
Nhân c
a vi x lý không h tr du ng ng da t ng l nh, nh
ung m
t l nh d
on t
ng s
s d ng ki thu t ti n n p, truy c p và gi i mã t ng ph n l nh nh m m c tiêu m t l nh ch
th
c hi n trong m t chu k .
2.
3.2.
Kh
i t o d a ch AGU
Nhân c a vi x lý dsPIC ch a hai kh i t o d a ch d c l p

là X AGU và Y AGU.
Kh
i Y AGU h tr d c d li u 16-bit cho l p MAC c a l nh DSP. Các kh i AGU trong
dsPIC h

tr 3 ki u d a ch d li u:

- Ð a ch tuy n tính.
- Ð a ch v
òng.

- Ð a ch d o bit.
Ch
d d a ch tuy n tính và d a ch vòng có th áp d ng cho không gian d li u
ho
c không gian chuong trình. Ch d d o bit d a ch áp d ng cho các d a ch không gian
d li u
2.
3.2.1. Ch
d d a ch l nh
Các ch d d a ch du c cung c p trong l p MAC c a các l nh thì có khác nhau dôi chút
các l
nh khác nhau.
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
18

B ng 2.
1. Các ch

d d nh d a ch c
o b
n d
oc h
tr

L nh thanh ghi t p
T t c các l nh thanh ghi d u s d ng tru ng d a ch 13-bit d tr c ti p d nh d a ch
d li u 8192 bytes d u c a b nh d li u (g n không gian d li u). T t c các l nh
thanh ghi t
p d u t n d ng thanh ghi l
àm vi
c W0, thanh ghi l
àm vi
c trong các l nh n
ày.


L nh MCU
Các l
nh MCU 3 toán h ng có d ng nh
u sau:

Toán h
ng 3 = Toán h ng 1 <h
àm> Toán h
ng 2
Trong dó Toán h ng 1 luôn là thanh ghi làm vi c (ví d : ch d d a ch ch có th l
à
thanh ghi tr c ti p). Toán h ng 2 có th là thanh ghi W, l y d li u t b nh d li u,

ho
c 5 bit thông thu ng. K t qu du c d t trong có th là thanh ghi W ho c m t d a ch
c d nh.

L nh di chuy n v
à tích lu

L nh di chuy n và các l p DSP tích lu c a l nh làm cho s m m d o c a d a ch
cao hon các l
nh khác. T t c các l nh MCU, l nh di chuy n v
à tích lu
d u h tr ch d
d a ch , v
à c
ung h tr ch d thanh ghi gián ti p v
à thanh ghi d
a ch offset.
Chú ý: d i v i l nh MOV, ch d d a ch du c ch rõ trong l nh có th khác nhau
gi
a ngu n v
à dích. Tuy nhiên tru
ng c a 4-
bit offset c
a thanh ghi Wb du c chia s gi a
ngu
n v
à dích.


Các l

nh MAC
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
19

C hai toán h ng ngu n c a các l nh DSP (CLR, ED, EDAC, MAC, MPY.N,
MOVSAC và MSC) du c xem nhu các l nh MAC, t n d ng các l nh du c don gi n hoá
c a ch d d a ch nh m cho phép ngu i s d ng có th di u khi n con tr d li u thông
qua các b
ng thanh ghi gián ti p.
Hai thanh ghi ti n n p toán h ng ngu n ph i là m t trong các thanh ghi sau: {W8,
W9, W10, W11}. V i d c d li u, W8 và W9 luôn tuong tác tr c ti p v i X AGU, W10
và W11 luôn tuong tác tr c ti p v i Y AGU. Do dó d a ch hi u d ng du c t o (tru c v
à
sau khi hi u ch nh) ph i h p l v i d a ch trong không gian d li u X cho W8, W9 v
à
trong không gian d
li u Y cho W10, W11.

Các l
nh khác
Bên c nh các ch d d a ch bi n d i, m t vài l nh s d ng các h ng s có d nh
d ng thay d i. Ví d : l nh BRA (branch – phân nhánh) s d ng d li u 16-bit có d u d
ch

ra dích r nhánh tr c ti p, trong khi lênh DISI s d ng tru ng s 14-bit không d u.
Trong m t vài l nh nhu ADD hay ACC, ngu n c a m t toán h ng ho c k t qu du c d
ua
ra b i chính mã l nh c a nó. Tuy nhiên, m t vài l nh nhu NOR, l i không có toán h ng
nào.

2.
3.2.2. Ch
d d o bit d a ch

Ð a ch du c d o bit
nh
m làm don gi n hoá d li u cho thu t toán FFT co s 2. Nó
du
c h tr b i kh i AGU c a X ch cho vi c ghi d li u.
Th
c hi n d o bit d a ch

Ð o bít d a ch du c b t khi các di u ki n sau du c tho m
ãn:

- Các bit BWM (l a ch n thanh ghi W) trong thanh ghi MODCON giá tr l n hon 15
(không th
truy c p ngan x p khi dang s d ng ch d d o bit d a ch )

-
Bit BREN du
c d t trong thanh ghi XBREV
-
Ch

d d a ch du c s d ng l
à ch
d thanh ghi gián ti p
N u d dài b d m c a các bit du c d o là M = 2
N
bytes, N bit cu i cùng c a b
d m d li u b t d u du c d nh d a ch b ng không.
Các bit XB <t
bit 14 d n 0 c a thanh ghi XBREV> l
à d
a ch bit du c d o, hay c
òn
g i l
à “di
m xoay” (pivot point) thu ng l
à h
ng s .
ÐH Công Ngh
-
ÐHQG Hà N
i
Khóa Lu
n T t Nghi p
Sinh Viên :
Lê Tr n Tri u Tu n
20

Hình 2.
3. M
t ví d v d o bit d a ch

2.
3.3.
T ch c b nh v
à b
nh ch
uong tr
ình

2.
3.3.1.
Không gian d
a ch ch
uong tr
ình

Không gian d a ch chuong trình có d l n
4M t l nh. B n d không gian b nh ch
uong
c a
dsPic30F4011
du
c ch ra trong
Hình 2.
4.

B nh chuong trình có th du c d a ch
hoá
b i m t giá tr 24-bit b i b d m ch
uong

trình (PC), ho c b ng l nh d a ch hi u d ng
(EA), ho
c không gian d li u EA khi không gian
chuong tr
ình
du
c s p x p và d a ch hoá. Chú ý
r ng, d a ch không gian chuong tr
ình
du
c tang
lên v i bu c là 2 gi a các t chuong tr
ình
d t o
ra s tuong thích v i vi c d a ch hoá không gian
d li u.
Truy c p không gian chuong trình ngu i s
d ng b gi i h n trong d i 4M d a ch c a t l nh
(t
0x000000 t i 0x7FFFFE) v i t t c các l nh
truy c p, tr hai l nh TBLRD/TBL
WT
- s d ng
bit 7 c a thanh ghi TBLPAG d xác d nh ngu i
s d ng ho c thi t l p c u h
ình truy c
p b nh .

Hình 2.4. B
n d không

gian b
nh ch
uong tr
ình