Điều khiển máy khoan bằng máy tính

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH
CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I _ KHÁI QUÁT VẤN ĐỀ
Hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính điện tử là một tập hợp các thiết bò và
phụ kiện liên quan. Để nắm được hết các nguyên lý hoạt động và cấu tạo của chúng rõ ràng là
một vệc không đơn giản. Thậm chí ngay cả tên gọi của một số bộ phận trong hệ thống cũng
gây phiền hà cho người sử dụng. Trước những tiến bộ như vũ bảo của ngành công nghiệp ngày
nay và nhu cầu ứng dụng máy tính vào mọi lónh vực, hệ thống điều khiển tự động ngày càng
được phát triển một cách hoàn hảo và có độ chính xác cao.
Hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính được thực hiện
cũng giống như các loại giao tiếp khác. Dữ liệu được chứa trong bộ nhớ của máy tính, sau đó
được xuất ra qua cổng giao tiếp nối tiếp đưa đến máy khoan để điều khiển động cơ đònh vò
đúng vò trí cần khoan, và cứ thế hết vò trí này đến vò trí khác đến khi nào mà máy tính gởi lệnh
dừng thì động cơ không hoạt động nữa. Khi ấy hệ thống khoan mạch in hoàn thành.
II_ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài chỉ giới hạn trong vòng 6 tuần, với vốn kiến
thức và việc tìm hiểu về hệ thống điều khiển và cơ cấu cấu tạo, cũng như các bộ phận chi tiết
trong hệ thống điều khiển còn hạn chế, luận văn này chỉ thực hiện trong phạm vi ứng dụng
phần mềm Pal-El để khoan mạch in bao gồm các phần sau:
Phần I

: Cơ sở lý thuyết về giao tiếp
Giao tiếp với máy tính
Giới thiệu về chuẩn RS-232
Phần II : Các khái niệm về máy điều khiển theo chương trình số
Đại cương về điều khiển theo chương trình số
Truyền động bằng động cơ bước
Phần III

: Phần mềm
Ứng dụng phần mềm PAL-El để khoan mạch in

III _ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Dựa trên tài liệu và thiết bò điều khiển, đặt biệt máy khoan có sẵn, cũng như phần mền
điều khiển được dòch từ tài liệu PAL_EP ….. để viết một chương trình ứng dụng thực tế đơn giản
nhằm góp phần phong phú thêm cho việc hiểu biết về lónh vực này đồng thời có thể mở rộng
và đònh hướng cho những đề tài sau


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH
CHƯƠNG I
GIAO TIẾP MÁY TÍNH

I _ CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÁY TÍNH
Trải qua một thời gian dài từ phát minh đầu tiên ra máy tính cho đến nay, máy tính đã
không ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ. Tuy nhiên hầu hết máy tính đang phổ
biến hiện nay đều có nguồn gốc xuất phát từ họ PC (Personal Computer). Đầu tiên là kiểu máy
PCXT do hãng IBM chế tạo với bộ xử lý (CPU) 8088 của hãng Intel. Đây là hệ thống xử lý dữ
liệu 16 bit nhưng dùng bus dữ liệu 8 bit.
Tiếp theo đó là máy AT ra đời với bộ xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn chip 8088 của
máy PC XT. Nó có khả năng tạo ra bộ nhớ ảo, đa nhiệm vụ, tốc độ nhanh, độ tin cậy cao và
dùng bus dữ liệu 16 bit. Đa nhiệm (Multitasking) là khả năng thực hiện một lúc nhiều nhiệm
vụ:
- Vừa in một tài liệu
- Vừa tính toán một phép tính
Công việc này thực hiện được nhờ hoán chuyển nhanh theo sự theo dõi của CPU đến
các chương trình mà nó đang nắm quyền điều khiển .Việc này được thực hiện ngay bên trong

CPU cộng với một vài giúp đỡ của hệ điều hành.Bộ nhớ ảo (Virtull Memory) cho phép máy
tính làm việc với một bộ nhớ dường như lớn hơn nhiều so với bộ nhớ vật lý hiện có: Công việc
này thực hiện được nhờ một phần mềm và sự thiết kế phần cứng cực kỳ tinh xảo.
Ngày nay các máy AT 386, 486, Pentium dùng chip CPU lần lượt là 80386, 80486, P5
là kết quả của trình độ kỹ thuật và công nghệ hiện đại. Chương trình một bộ nhớ lớn hơn tổ tiên
là : 8088 hay 80286 cùng với nhiều chức năng mới, thêm nữa là tốc độ vi xử lý không ngừng
được nâng cao độ rộng của data bus cũng mở rộng lên 32bit rồi 64 bit với Pentium.
II _ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO RA:
1. Vào ra điều khiển bằng chương trình:
Thiết bò ngoai vi điều ghép với Bus hệ thống vi xử lý thông qua các phần thích ứng về
công nghệ chế tạo và logic. Thích ứng về công nghệ chế tạo là điều chỉnh mức công nghệ sản
xuất thiết bò ngoại vi và công nghệ sản xuất của mạch trong hệ vi xử lý. Thích ứng về Logic là
nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển ngoại vi tín hiệu trên bus hệ thống.
Trong hệ vi xử lý một vùng nhớ dùng làm nơi chứa đòa chỉ cổng vào ra và CPU xuất
hoặc nhập dữ liệu từ các cổng vào ra này các lệnh xuất nhập In/Out Lúc này cổng vào ra được
xem như thanh ghi ngoài, chúng được viết vào hoặc đọc ra như ô nhớ Ram qua hai lệnh trên.
Để phân biệt hướng xuất hoặc nhập dữ liệu từ cổng vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển đọc
hoặc viết. Để phân biệt vùng nhớ với thiết bò vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển IO/M. Khi
có các lệnh này thì các lệnh In/Out mới có tác dụng.
Ngoài các lệnh qui chiếu bộ nhớ, cũng như khả năng trao đổi dữ liệu giữa thiết bò ngoại
vi và hệ vi xử lý. Lúc đó vào ra được gán như một đòa chỉ ô nhớ của bộ nhớ. Các thanh ghi liên
quan tới cổng vào ra được xem như ngăn nhớ. Khi bộ vi xử lý gọi đòa chỉ và xung điều khiển
đọc hay viết bộ nhớ không cần xác đònh nơi gởi là bộ nhớ hay thiết bò vào ra. Nó chỉ hỏi nơi gởi
dữ liệu vào trong khoảng thời gian cho phép. Bộ logic bên ngoài sẽ giải mã đòa chỉ kết hợp với
xung MR, MW, để chọn thiết bò mà không phân biệt ngăn nhớ hay thiết bò vào ra.
2. Vào ra điều khiển bằng ngắt:
Với phương pháp điều khiển vào ra bằng chương trình, CPU phải liên tục kiểm tra trạng
thái của thiết bò ngoại vi đến khi sẵn sàng, đó là sự lãng phí thời gian của CPU và chương trình

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

dài và phức tạp. Khi bộ vi xử lý có nhiều thiết bò ngoại vi CPU không đáp ứng yêu cầu của
chúng. Có thể đáp ứng yêu cầu ngoại vi nhanh chóng và không theo trình tự như đònh trước nhờ
cơ cấu ngắt CPU.
Nhờ tính chất đáp ứng tức thời của vi xử lý khi có yêu cầu ngắt từ thiết bò ngoại vi do
đó các ngắt thường được dùng ở những trường hợp yêu cầu đap ứng nhanh, thời gian trả lời
ngắn, thực hiện ở bất kỳ thời điểm nào. Khi đó CPU phải chuyển đến chương trình con, yêu cầu
ngắt ở cuối bất kỳ lệnh nào trong chương trình chính. Các chương trình con phục vụ ngắt có thể
lưu trữ nội dung các thanh ghi và khôi phục lại khi thực hiện xong chương trình phục vụ ngắt và
trước khi trở lại chương trình chính.
Giao tiếp với maý tính là trao đổi dữ kiện giữa một máy tính với một hay nhiều thiết bò
ngoại vi.
Theo tiêu chuẩn sản xuất, máy tính giao tiếp với người sử dụng bằng hai thiết bò:
-

Bàn phím để nhập dữ liệu
Màn hình để hiển thò

Ngoài ra nhà sản xuất cho ta nhiều cách giao tiếp khác thông qua các port như là các
ngõ giao tiếp:
- Giao tiếp qua port com (nối tiếp)
- Giao tiếp qua port Parallel(song song)
Tùy theo trường hợp ứng dụng cụ thể mà chọn cách giao tiếp thích hợp.
III _ PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP
1. Giao tiếp với máy tính thông qua slot card:
Bên trong máy tính, ngoài những khe cắm dùng cho card vào - ra, card màn hình, vẫn
còn những rãnh cắm để trống. Để giao tiếp với máy tính, ta có thể thiết kế card mở rộng để

gắn vào khe cắm mở rộng này. Ở máy tính PC/XT rãnh cắm chỉ có 1 loại với độ rộng 8 bit và
tuân theo tiêu chuẩn ISA (Industry Standard Architecture). Rãnh cắm theo tiêu chuẩn IS có 62
đường tín hiệu, qua các đường tín hiệu này máy tính có thể giao tiếp dễ dàng với thiết bò bên
ngoài thông qua card mở rộng.
Trên rãnh cắm mở rộng, ngoài 20 đường đòa chỉ, 8 đường dữ liệu, còn có một số đường
điều khiển như: RESET , IOR , IOW, AEN, CLK, ... Do đó card giao tiếp với máy tính qua slot
card đơn giản, số bit có thể tăng dễ dàng, giảm được nhiều linh kiện, tốc độ truyền dữ liệu
nhanh (truyền song song). Tuy nhiên, do khe cắm nằm bên trong máy tính nên khi muốn gắn
card giao tiếp vào thì phải mở nắp ra, điều này gây bất tiện cho người sử dụng.
2. Giao tiếp qua Serial Port (Port COM) :
IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2. Các cổng này giao tiếp theo tiêu
chuẩn RS232. Chúng có thể được nối với một Modem để dùng cho mạng điện thoại, hay nối
trực tiếp với một máy tính khác. Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghóa là
dữ liệu được gởi đi nối tiếp nhau trên 1 đường dây. Do các dữ liệu được truyền đi từng bit một
nên tốc độ truyền chậm, các tốc độ truyền có thể là 300, 600, 1200, 2400, 4800bps, 9600bps,
chiều dài dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit và kết hợp với các bit Start, Stop, Parity tạo thành
một khung (frame). Ngoài ra cổng này còn có các điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm
tra. Cách giao tiếp này cho phép khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất
chậm tốc độ tối đa là 20kbps.
3. Giao tiếp qua cổng PRINT (Cổng máy in):


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

IBM PC cho phép sử dụng đến 3 cổng song song có tên là LP1, LP2 và LP3. Kiểu giao
tiếp song song được dùng để truyền dữ liệu giữa máy tính và máy in. Khác với cách giao tiếp
qua Port Com, ở cách giao tiếp này dữ liệu được truyền song song cùng một lúc 8 bit. Vì thế nó
có thể đạt tốc độ cao. Connector của Port này có 25 chân bao gồm 8 chân dữ liệu và các đường

tín hiệu bắt tay (Handshaking ). Tất cả các đường Data và tín hiệu điều khiển đều ở mức logic
hoàn toàn tương thích với mức TTL. Hơn nữa, người lập trình có thể điều khiển cho phép hoặc
không cho phép các tín hiệu tạo Interrupt từ ngõ vào nên việc giao tiếp đơn giản và dễ dàng.
Tuy nhiên, giao tiếp với mức logic TTL nên khoảng cách truyền bò hạn chế so với cách truyền
qua Port Com, đồng thời cáp truyền cũng phức tạp hơn. Đó là nhược điểm của cách giao tiếp
này.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU CHUẨN RS-232C
Vào năm 1960, cùng với sự phát triển mạnh của các thiết bò đầu cuối máy tính chia sẻ
thời gian, các Modem đã được tung ra ngày càng nhiều nhằm đảm bảo cho các thiết bò đầu cuối
có thể dùng các đường điện thoại để thông tin giữa các máy tính với nhau ở những khoảng cách
xa. Modem và các thiêt bò được dùng để gửi số liệu nối tiếp thường được gọi là thiết bò thông
tin số liệu DCE (Datommunication Equipment). Các thiết bò đầu cuối hoặc máy tính đang gửi
hay nhận số liệu được gọi là các thiết bò đầu số liệu DTE (Data Terminal Equipment). Nhằm
đáp ứng với nhu cầu về tín hiệu và các chuẩn bắt tay (handshake standards) giữa DTE và DCE,
hiệp hội kỹ thuật điện tử EIA đã đưa ra chuẩn RS-232C. Chuẩn này mô tả chức năng 25 chân
tín hiệu và bắt tay cho việc chuyển dữ liệu nối tiếp. Nó cũng mô tả các mức điện áp, trở kháng,
tốc độ truyền cực đại và điện dung cực đại cho các đường tín hiệu này.
RS-232 ấn đònh 25 chân tín hiệu, và quy đònh các đầu nối DTE phải là male (đực) và
các đầu nối DCE phải là female (cái). Một loại đầu nối đặc biệt không được cho, nhưng thường
dùng nhiều nhất là đầu nối mele DB-25P (hình 2-1). Ngoài ra, đối với nhiều hệ thống còn dùng
loại 9 chân như loại DE-9P mele (hình 2-2).

Hình 2-1

Hình 2-2

Được EIA đưa vào năm 1969 để truyền dữ liệu nối tiếp và tín hiệu điều khiển giữa
Modem và thiết bò đầu cuối (hoặc máy tính) với tốc độ truyền tối đa là 20kbps ở cự ly khoảng
15m. đây là một dạng giao tiếp loại TTL + bộ kích đường dây không cân bằng.
Việc mô tả chuẩn này được chia làm ba phần: Các đặc điểm kỹ thuật về điện, mô tả
các đường dữ liệu điều khiển và sử dụng bộ kết nối chân ra.
I _ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VỀ ĐIỆN CỦA RS232C

IN
NUMBERS
FOR 9 PINS
3
2
7
8
6
5
1

PIN
NUMBERS
FOR 25 PINS
1
2
3
4
5
6

7
8
9

COMMON
NAME

TxD
RxD
RTS
CTS
DSR
GND
CD

RS232C
NAME
AA
BA
BB
CA
CB
CC
AB
CF
-

SIGNAL
DIRECTION
ON DCE

IN
OUT
IN
OUT
OUT
OUT
-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

4
9

10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH
SCF
SCB
SBA
ĐB
SBB

DTR

SCA
CD
CG
CE
CH/CI
DA

OUT
OUT
IN
OUT
OUT
OUT
IN
IN
OUT
OUT
IN/OUT
IN
-

Hình 2-3 Qui đònh về chân của RS232C

Mức điện áp logic của RS-232C là khoảng điện áp giữa +15V và
–15V. Các đường
dữ liệu sử dụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa –5V và –15V, logic 0 có điện thế giữa
+5V và +15V. tuy nhiên các đường điền khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng
logic dương: gía trò TRUE = +5V đến +15V và FALSE =-5V đến –15.
Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào bộ thu có mức nhiễu được
giới hạn là 2V. Do vậy ngưỡng lớn nhất của ngõ vào là ±3V trái lại mức ± 5V là ngưỡng nhỏ
nhất với ngõ ra. Ngõ ra bộ kích phát khi không tải có điện áp là ± 25V.
 Các đặc điểm về điện khác bao gồm
♦ RL (điện trở tải) được nhìn từ bộ kích phát có giá trò từ 3 ÷ 7kΩ.
♦ CL (điện dung tải) được nhìn từ bộ kích phát không được vượt quá 2500pF.
♦ Để ngăn cản sự dao động quá mức, tốc độ thay đổi (Slew rate ) của điện áp không được
vượt qúa 30V/µs.
Đối với các đường điều khiển, thời gian chuyển của tín hiệu (từ TRUE sang FALSE,
hoặc từ FALSE sang TRUE ) không được vượt qúa 1ms. Đối với các đường dữ liệu, thời gian
chuyển (từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1) phải không vượt qúa 4% thời gian của 1 bit hoặc 1ms.
II _ CÁC ĐƯỜNG DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA RS232
-

TxD: Dữ liệu được truyền đi từ Modem trên mạng điện thoại.
RxD: Dữ liệu được thu bởi Modem trên mạng điện thoại.

 Các đường báo thiết bò sẵn sàng:
- DSR : Để báo rằng Modem đã sẵn sàng.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

-

-

-

-

-

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

DTR : Để báo rằng thiết bò đầu cuối đã sẵn sàng
Các đường bắt tay bán song công.
RTS : Để báo rằng thiết bò đầu cuối yêu cầu phát dữ liệu.
CTS : Modem đáp ứng nhu cầu cần gửi dữ liệu của thiết bò đầu cuối cho thiết bò đầu
cuối có thể sử dụng kênh truyền dữ liệu. Các đường trạng thái sóng mang và tín hiệu
điện thoại:
CD : Modem báo cho thiết bò đầu cuối biết rằng đã nhận được một sóng mang hợp lệ từ
mạng điện thoại.

RI : Các Modem tự động trả lời báo rằng đã phát hiện chuông từ mạng điện thoạïi đòa chỉ
đầu tiên có thể tới được của cổng nối tiếp được gọi là đòa chỉ cơ bản (Basic Address). Các
đòa chỉ ghi tiếp theo được đặt tới bằng việc cộng thêm số thanh ghi đã gặp của bộ UART
vào đòa chỉ cơ bản.
Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thông thường nằm trong
khoảng –12 đến +12. Các bit dữ liệu được gửi đảo ngược lại. Mức điện áp đối với mức
High nằm giữa –3V và –12V và mức Low nằm giữa +3V và +12V. Trên hình 2-4 mô tả
một dòng dữ liệu điển hình của một byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS-232C.
Ở trạng thái tónh trên đường dẫn có điện áp –12V. Một bit khởi động (Starbit) sẽ mở đầu

việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ sẽ đến, trong đó các bit giá trò thấp
sẽ được gửi trước tiên. Còn số của các bit thay đổi giữa 5 và 8. Ở cuối của dòng dữ liệu còn
có một bit dừng (Stopbit) để đặt trở lại trạng thái ngõ ra (-12V).

Starbit
LOW

Stopbit

+12V

D0 D1

-12V
1

1
10
4µS

0

D3
D5
1

0

D4 D5

0

1

D6
D5

D7
D5

HIGHT

0

T =1/fBaud
1.04ms

Hình 2-4: Dòng dữ liệu trên cổng RS 232 với tốc độ
9.600 baud
Đòa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp của máy tính PC có thể tóm tắt trong bảng các đòa chỉ
sau:
COM 1
COM 2
COM 3
COM 4

(cổng nối tiếp thứ nhất)
(cổng nối tiếp thứ hai)
(cổng nối tiếp thứ ba)
(cổng nối tiếp thứ tư)

Đòa chỉ cơ bản = 3F8(Hex)
Đòa chỉ cơ bản = 2F8(Hex)
Đòa chỉ cơ bản = 3E8(Hex)
Đòa chỉ cơ bản = 2E8(Hex)


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Cũng như ở cổng máy in, các đường dẫn tín hiệu riêng biệt cũng cho phép trao đổi qua
các đòa chỉ trong máy tính PC. Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng những vi mạch
có mức độ tích hợp cao để có thể hợp nhất nhiều chức năng trên một chip. Ở máy tính PC
thường có một bộ phát/nhận không đồng bộ vạn năng (gọi tắt là UART: Universal Asnchronous
Receiver/ Transmitter) để điều khiển sự trao đổi thông tin giữa máy tính và các thiết bò ngoại
vi. Phổ biến nhất là vi mạch 8250 của hãng NSC hoặc các thế hệ tiếp theo.
Thông thường với các yêu cầu ứng dụng tốc độ thấp người ta giao tiếp qua ngõ nối tiếp,
nó giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232C và dùng để giao tiếp giữa máy tính với Modem hoặc
Mouse. Ngoài ra cũng có thể dùng giao tiếp với printer hay plotter nhưng không thông dụng
lắm bởi tốc độ truyền quá chậm. Đối với máy AT cho ta hai ngõ giao tiếp COM1 và COM2.
Trong một số card I/O ta có thể có đến 4 cổng COM.
Để giao tiếp nối tiếp với 2 ngõ COM này Bus hệ thống của CPU (Data Bus và Address
Bus) hãng IBM sử dụng hai Chip lập trình của Intel là 8250 UART (Universal Asynchronus
Receiver Transmitter). Đòa chỉ theo bộ nhớ của hai Chip này là 0040:0000 cho UART của ngõ
COM1 và 0040:0002 cho UART của ngõ COM2 (Đòa chỉ logic do hệ điều hành chỉ đònh) và đòa
chỉ theo Port để truy xuất khi sử dụng là 3F8-3FF cho COM1 và 2F8-2FF cho COM2.
Dữ liệu truyền qua cho Port COM dưới dạng nối tiếp từng Bit một, đơn vò dữ liệu có
thể là 5 Bit, 6 Bit hay 1 byte tùy theo sự cài đặt lúc khởi tạo Port COM. Ngoài ra để truyền dữ
liệu qua Port COM còn cần những tham số sau: Bit mở đầu cho một đơn vò dữ liệu START Bit.

STOP Bit (Bit kết thúc). Parity (Kiểm tra chẵn lẻ). Baud Rate (Tốc độ truyền) tạo thành một
Frame (Khung truyền).
Port COM là một thể khởi tạo bằng BIOS thông qua chức năng 0 của Interrupt 14, nạp
vào
thanh
ghi
DX1
chỉ
số
chọn
kênh
(COM1
=
0,
COM2
= 1). Thanh ghi AL được nạp vào các tham số của việc truyền dữ liệu.
AL

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

 Bit D0 D1 : Cho biết độ rộng của dữ liệu
0 0
: Dữ liệu có độ rộng 5 Bit
0 1
: Dữ liệu có độ rộng 6 Bit
1 0
: Dữ liệu có độ rộng 7 Bit
1 1
: Dữ liệu có độ rộng 8 Bit.
 Bit D2
0
1

: Cho biết số Stop Bit.
: Sử dụng một bit Stop
: Sử dụng hai bit Stop

 Bit D3 D4
0 0
1 1
0 1
1 0

:
:
:
:
:

 Bit D5D6D7 :
0 0 0 :
0 0 1 :
0 1 0 :
0 1 1 :

Các Bit parity (chẵn lẻ)
Không kiểm tra tính Parity
Không kiểm tra tính Parity
Odd (lẻ)
Even (chẵn)
Cho biết tốc độ truyền (Baud Rate)
Tốc độ truyền 110bps (bit per second)
Tốc độ truyền 150bps (bit per second)
Tốc độ truyền 300bps (bit per second)
Tốc độ truyền 600bps (bit per second)

D0


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
1
1
1
1

0
0
1

1

0
1
0
1

:
:
:
:

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Tốc độ truyền 1200bps (bit per second)
Tốc độ truyền 2400bps (bit per second)
Tốc độ truyền 4800bps (bit per second)
Tốc độ truyền 9600bps (bit per second)

III _ MODEM RỖNG CỦA RS232C
Mặc dù chuẩn RS_232C của EIA được dành riêng để áp dụng kết nối giữa Modem với
thiết bò đầu cuối, nhưng một thuê bao của RS_232C cũng thường được sử dụng khi hai thiết bò
đầu cuối được nối với nhau, hoặc một máy tính và một máy in mà không sử dụng các Modem.
Trong những trường hợp như vậy, các đường TxD và RxD phải được đặt chéo nhau và
các đường điều khiển cần thiết phải được đặt ở TRUE hoặc phải được tráo đổi thích hợp bên
trong cáp kết nối. Sự nối lắp cáp của RS232C mà có sự tráo đổi đường dây được gọi là Modem
rỗng (null Modem).
Cáp như vậy thích hợp để nối trực tiếp 2 thiết bò DTE qua các port RS232C. Hai sơ đồ
có thể kết nối lẫn nhau được trình bày trong hính 2-5 và hình 2-6 chú ý rằng trong trường hợp
đơn giản nhất chỉ cần kết nối 4 dây lẫn nhau, trong thực tế 2 đường dây đất (SIG GND 0 và

CHAS GND) thường được kết hợp lại, mặc dù điều này không được đề cập tới.

IV _ CÁC IC KÍCH PHÁT VÀ THU CỦA RS232C
Nhờ tính phổ biến của giao tiếp, người ta đã chế tạo các IC kích phát và thu. Hai vi
mạch như vậy được Motorola sản xuất là IC kích phát MC 1488 có dạng vỏ vuông. Và MC
1489.Mỗi IC kích phát 1488 nhận một tín hiệu mức TTL và chuyển thành tín hiệu ở ngõ ra
tương thích với mức điện áp của RS232C. IC 1489 phát hiện các mức vào của RS232C và
chuyển chúng thành các ngõ ra có mức TTL.
V _ MINH HỌA THÔNG TIN NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ
Đối với các máy PC, các cổng liên lạc nối tiếp (serial port) còn được gọi là các cổng
COM. Hoàn toàn có thể sử dụng các cổng này để kết nối máy PC với các máy tính khác, với
các Modem, các máy in, máy vẽ, các thiết bò điều khiển, mouse, mạng …
Tất cả các máy tính PC có khả năng làm việc tối đa là 4 cổng nối tiếp khi sử dụng các
card giao tiếp I/O chuẩn. Các cổng nối tiếp thường được thiết kế theo các qui đònh RS-232 theo
các yêu cầu về điện và về tín hiệu. BIOS chỉ hỗ trợ các cổng nối tiếp RS-232C. Còn các chuẩn
khác như: RS-422, BiSync, SDLC, IEEE-488 (GPIB),… cần phải có các trình điều khiển thiết bò
bổ sung để hỗ trợ.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2
3
20
6

DTE A

4
5

8
1

7

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

TxD

TxD

RxD

2

RxD

3

DTR

DTR

DSR

DSR

RTS

RTS

6

CTS

CTS

CD

CD
SIGNAL GND

20

4

DTE B

5
8
7

1

CHAS GND

HÌNH 2-5

Tốc độ tối độ của cổng nối tiếp tùy thuộc vào bộ phát tốc độ Baud trong card giao tiếp
cổng nối tiếp, phần mềm BIOS, và hệ thống có thể thực hiện chương trình BIOS nối tiếp nhanh

đến mức nào. Ngoài ra, nếu hệ thống đang xử lý chương trình khác có độ ưu tiên cao hơn thì tốc
độ tin cậy có thể bò suy giảm đáng kể.
Hoạt động của cổng nối tiếp chủ yếu cũng được xử lý bởi 1 chip UART. Các thiết kế
ban đầu đã sử dụng một chip NS-8250. Các thiết bò sau này chuyển sang một phiên bản CMOS,
chip 1650, có chức năng hoạt động giống như 8250. Một số thiết bò mới sử dụng chip 16550 hay
các biến thể khác nhằm bổ sung thêm việc đệm dữ liệu để giảm bớt gánh nặng cho CPU.
Một phần của BIOS hệ thống (ngắt 14 h) cung cấp các dòch vụ để liên lạc với các card
giao tiếp nối tiếp.
Giống như các cổng song song, POST (Power on Self Test- chương trình của BIOS tự
kiểm tra cấu hình hệ thống khi bật máy) kiểm tra xem liệu một cổng nối tiếp có được gắn vào
hệ thống không, và ghi lại các đòa chỉ I/O của các cổng hoạt động trong vùng dữ liệu của BIOS.
Tất cả các hệ thống đến 4 cổng nối tiếp, BIOS không hỗ trợ các cổng bổ sung thêm khác.
Để truy suất phần cứng của một cổng nối tiếp, cần đọc một trong 4 từ (word) trong
vùng dữ liệu BIOS chứa đòa chỉ I/O cơ sở đối với 4 cổng nối tiếp có thể có.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Ví dụ: Để truy suất cổng nối tiếp số 2, trước tiên phải đọc đòa chỉ cổng I/O cơ sở từ
vùng dữ liệu BIOS. Điều này có nghóa là một côûng nối tiếp không có đòa chỉ cổng I/O cố đònh.
a. Lưạ chọn cổng COM
2
3

TxD

TxD

RxD
DTR

20

DTR

DSR
4

CTS

5

RTS

RTS

CTS

CTS

8
1

CD

7

3

20

DSR

6

DTE A

2

RxD

CD
SIGNAL GND

6
4

DTE B

5
8
7

1

CHAS GND
(optional)
HÌNH 2-6

Mỗi cổng nối tiếp sử dụng 8 byte của bộ nhớ máy PC và một ngắt phần cứng đặc biệt.
Việc sử dụng các đòa chỉ bộ nhớ và ngăùt phần cứng này là điều quan trọng đối với người lập
các chương trình liên lạc và các chương trình điều khiển thiết bò đối với các thiết bò nối tiếp.
Bảng sau mô tả các đòa chỉ bộ nhớ và các ngắt phần cứng đối với 4 cổng nối tiếp chuẩn
cho các máy tính tương thích với máy tính PC. Thông tin quan trọng nhất ở đây là đòa chỉ cơ sở,
là đòa chỉ bộ nhớ đầu tiên trong mỗi cổng COM (vùng đệm phát/thu – Transmit/ Receive
Buffer) đòa chỉ của đường yêu cầu ngắt (IRQ) đối với mỗi cổng.
Một thiết bò nối tiếp chỉ có thể sử dụng một đòa chỉ cổng COM. Khi cài đặt một Modem
nội trong máy PC, hay bất kỳ thiết bò nào khác sử dụng cổng nối tiếp cho giao diện của nó,
trước tiên phải đảm bảo rằng đã xác lập nó đối với một cổng COM (bao gồm đòa chỉ và số
IRQ).
COM1
IRQ4
3F8

COM2
IRQ3
2F8

COM3
IRQ4
3E8

COM4
IRQ3
2E8

3F9

2F9

3E9

2E9

3FA
3FB
3FC
3FD
3FE

2FA
2FB
2FC
2FD
2FE

3EA
3EB
3EC
3ED
3EE

2EA
2EB
2EC
2ED
2EE

b. Hoạt động của cổng nối tiếp.

Mô tả
Interrupt Request Line
Transmit/Receive Buffer và LSB of the Divisor
Latch
Interrupt Enable Register và MSB of the Divisor
Latch
Interrupt Identification Registers
Line Control Register
Modem Control Register
Line Status Register
Modem Status Register


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Sự khởi động của BIOS.
Sau khi bật máy (hay Reset máy), chương trình POST kiểm tra xem liệu có bất kỳ cổng
nối tiếp nào được cài đặt hay không. POST khảo sát nhóm cổng I/O: 3F8 ÷3FEh. Để phát hiện
một cổng hoạt động, thanh ghi IIR (Interrupt Identification Register) được đọc từ cổng 3FAh
hay 2FAh. Nếu tất cả các bit từ 3÷7 của thanh ghi IIR đều là 0, thì POST xem như cổng nối tiếp
có hoạt động.


Một khi đã xác đònh được nhóm cổng I/O nối tiếp có hoạt động, đòa chỉ cổng I/O cơ sở
được lưu trữ trong vò trí BIOS RAM cổng nối tiếp chưa sử dụng thấp nhất. Có 4 từ được dành
trong RAM bắt đầu tại đòa chỉ 40:0h để chứa đòa chỉ I/O của cổng nối tiếp có hoạt động. Nhiều
POST của các hãng cung cấp máy sẽ không bao giờ kiểm tra các cổng COM3 và COM4, vì

IPM không đònh nghóa một đòa chỉ cổng chuẩn cho các cổng này.
Nói chung, hầu hết các hệ thống chỉ kiểm tra có 2 cổng. Tuy nhiên, các hệ thống cùng
họ mới hơn thường kiểm tra 4 đòa chỉ cổng có thể có. Các hệ thống MCA kiểm tra 8 đòa chỉ
cổng nối tiếp khác nhau có thể có trong một lần thử để tìm ra 4 cổng nối tiếp có hoạt động.
Thứ tự kiểm tra

Hầu hết hệ

Thứ 1
Thứ 2
Thứ 3
Thứ 4
Thứ 5
Thứ 6
Thứ 7
Thứ 8

3F8
2F8
Không
Không
Không
Không
Không
Không

Một số hệ thống AT
và EISA
3F8
2F8

Không
Không
Không
Không
Không
Không

Các hệ thống
MCA
3F8
2F8
3220h
3228h
4220h
4228h
5220h
5228h

Bảng trên mô tả thứ tự theo đó các BIOS sẽ tìm kiếm các cổng hoạt động. Chỉ cổng I/O
cơ sở đối với mỗi nhóm được hiển thò trong bảng này. Trên hệ thống MCA, một khi 4 cổng đã
được tìm thấy, các cổng khác không được kiểm tra nữa.
Khi hoàn tất các công việc kiểm tra POST nối tiếp, các đòa chỉ cổng nối tiếp được cất
giữ. Điều này thường tạo ra một trong 4 trường hợp được mô tả trong bảng sau:
Đòa chỉ
RAM
40:0h
40:2h
40:4h
40:6h



Cổng nối
tiếp
1
2
3
4

Trường hợp 1
Đòa chỉ I/O
3F8
2F8
0
0

Trường hợp 2
Đòa chỉ I/O
3F8
0
0
0

Trường hợp 3
Đòa chỉ I/O
2F8
0
0
0

Các kết quả POST có thể có về việc phát hiện cổng nối tiếp.
-

Trường hợp 1 : Mô tả POST phát hiện 2 cổng nối tiếp.

Trường hợp 4
Đòa chỉ I/O
0
0
0
0


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Trường hợp 2 và 3
: Cho thấy chỉ có một cổng nối tiếp được phát hiện.
Trường hợp 4 : Cho thấy không phát hiện được cổng nối tiếp nào.

Các phép thử này không khẳng đònh liệu có một thiết bò nối tiếp thực sự được nối với
cổng I/O hay không. Phép thử chỉ kiểm tra xem liệu phần cứng cổng nối tiếp có tồn tại hay
không tại một đòa chỉ I/O cụ thể. Tổng số cổng nối tiếp hoạt động được phát hiện thấy (0 ÷ 4)
được cất giữ trong byte thiết bò tại đòa chỉ BIOS RAM 40:10h từ các bit 9 ÷ 11.
Quá trình phát nối tiếp
Để phát một byte trên đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả đònh là đã được khởi
sự với tốc độ baud và các phần chọn khung (Frame) nối tiếp thích hợp. Chúng ta cũng giả đònh
rằng các byte sẽ được phát đi trên cổng nối tiếp số 1 (COM1).



1. Trước tiên, xác đònh đòa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word) từ vùng dữ lệu
BIOS tại 40:OH đối với cổng nối tiếp COM1. Nếu trò = 0: Không có cổng nối tiếp hoạt
động nào được gắn ở đây và dó nhiên không có dữ liệu nào được gửi đi.
2. Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS (Request to
Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1).
- DTR thông báo cho thiết bò kết nối biết rằng máy tính đang hoạt động và sẵn sàng để
liên lạc.
- RTS báo cho thiết bò kết nối biết rằng máy tính muốn gửi dữ liệu.
- Hai đường này được kích khởi bằng cách ghi trò 3 thanh ghi MCR (MODEM control
Regester) của UART.
3. Kế đó, kiểm tra hai đường trạng thái CTS (Clear To Send). Những đường này nằm trong
các bit 4 và 5 của thanh ghi MSR (MODEM Status Regester).
- DSR báo cho máy tính biết thiết bò kết nối đã được bật lên và sẵn sàng.
- CTS báo cho máy tính biết rằng thiết bò kết nối đã sẵn sàng đối với dữ liệu.
Các đường trạng thái này nên được kiểm tra trong 2ms hay cho đến khi cả hai đều
chuyển sang mức cao. Khi cả hai đường này đều ở mức cao, thiết bò được kết nối với
cổng nối tiếp đã báo hiệu cho biết nó đã sẵn sàng cho một byte. Một lỗi đáo hạn
(timeout error) được báo hiệu bởi phần mềm nếu một trong hai đường dẫn còn ở mức
thấp lâu hơn khoảng 2ms.
4. Đến đây thiết bò kết nối đã sẵn sàng tiếp nhận một byte, UART phải được kiểm tra xem
liệu thanh ghi chứa dữ liệu phát THR (Transmit Holding Regester) đã sẵn sàng có một byte
chưa. Thanh ghi LSR (Line Status Regester), bit 5, được xác lập lên mức cao khi thanh ghi
chứa dữ liệu này trống rỗng và sẵn sàng cho một byte. Một lần nữa, giống ở bước 3 nếu
thanh ghi THR không thể trở nên hữu dụng trong 2ms, thì phần mềm sẽ báo một lỗi đáo
hạn, và bỏ qua việc phát đi.
5. Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được gửi đến thanh ghi chứa dữ
liệu phát của UART.
6. Sau đó, UART phát byte từ thanh ghi chứa dữ liệu phát vào thanh ghi dòch TSR (từ đây các

bit dữ liệu được dòch ra và gửi đi), và tạo dạng khung nối tiếp.
-



Quá trình nhạân nối tiếp.
Để nhận 1 byte từ đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả đònh như trên (cho cổng
COM3):


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

1. Trước tiên, xác đònh đòa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word) từ vùng dữ liệu
BIOS tại 40:4H đối với cổng nối tiếp COM3. Nếu trò = 0: Không có cổng nối tiếp hoạt động
nào được gắn ở đây và dó nhiên không có dữ liệu nào được gửi đi.
2. Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS (Request to
Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1).
- Điều này thông báo cho thiết bò kết nối biết rằng máy tính đang hoạt động và sẵn sàng
liên lạc. Điều này được thực hiện bằng cách ghi trò 1 các thanh ghi MMC của UART.
3. Kế đó kiểm tra tín hiệu trên đường trạng thái DSR. Tín hiệu này xuất hiện trong bit 5 của
thanh ghi MSR. DSR báo cho máy tính biết rằng thiết bò kết nối đã được bật lên và sẵn
sàng. DSR sẽ được kiểm tra cho đến khi nó lên mức cao hay cho đến khi hết 2ms trước khi
một lỗi đáo hạn được báo hiệu.

4. Kế đó, vùng đêïm nhận được kiểm tra để xem dữ liệu đã nhận được dữ liệu nào chưa. Bit 0
của thanh ghi LSR chứa một cờ hiệu báo dữ liệu đã sẵn sàng. Nó được xét lên 1 khi vùng
đệm có dữ liệu. Nếu cờ báo dữ liệu sẵn sàng không được xét sau 2ms, thì phần mềm sẽ
khai báo một lỗi đáo hạn, và tác vụ bò bỏ qua.

5. Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được đọc từ vùng đệm nhận của
UART.
- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A dòch số liệu trên dây RxD từ bit một. Sau mỗi bit,
thanh ghi thu được so sánh với thanh ghi chứa ký tự SYN. Nếu hai thanh ghi chưa bằng
nhau thì 8251 A dòch bit khác và tiếp tục so sánh cho đến khi hai thanh ghi bằng nhau.
8251 A kết thúc chế độ bất đồng bộ và đưa tín hiệu SYNDET (Synch Detect) để báo
đồng bộ đã hoàn tất.
- Nếu USART được nạp từ điều khiển để làm việc với hai ký tự SYNC, quá trình bất
đồng bộ cũng như trên. Nhưng hai ký tự kế tiếp nhau sẽ được so sánh với hai ký tự
SYNC trước khi đạt được sự đồng bộ. Ở chế độ bất đồng bộ bit chẵn/lẻ sẽ không phải
kiểm tra. USART ở chế độ đuổi bắt đồng bộ với hai điều kiện:
- USART được khởi động ở chế độ đồng bộ.
- USART đã nhận lệnh ở chế độ bất đồng bộ.


Khối phát
Khối này nhận số liệu song song từ đơn vò trung tâm, chèn thêm các thông tin rồi
chuyển sang nối tiếp và gửi ra thân TxD (Transmiter DATA).
- Ở chế độ bất đồng bộ, khối phát chèn thêm bit START, bit kiểm tra chẵn lẻ paraty và
một hay hai bit STOP.
- Trong chế độ đồng bộ, khối phát chèn thêm các ký tự SYNC. Những ký tự đồng bộ này
phải được phát trước khi bản tin bắt đầu. Nếu trong khi phát có khoảng trống giữa hai
ký tự thì USART tự động chèn các ký tự đồng bộ vào.
- Trong cả hai chế độ đồng bộ và bất đồng bộ, quá trình phát chỉ được cho phép khi tín
hiệu TxE (Transmiter Enable) và tín hiệu CTS, ở trạng thái tích cực. Nếu USART được
đặt ở chế độ đồng bộ từ ngoài, chân SYNDET sẽ là cửa vào và nhận tín hiệu để đồng
bộ khi thu.
- Khối phát có thể gửi tín hiệu cắt (BREAK). Đó là một chu kỳ liên tục các bit SPACE
trên đường dây liên tục và đưọc dùng ở chế độ truyền song công để cắt quá trình gửi
thông tin ở đầu cuối.

- USART sẽ gửi tín hiệu cắt liên tục nếu bit D3 của byte lệnh được thiết lập


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP




SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Khối điều khiển Modem
Khối này tạo và nhận tín hiệu RTS (Request to Send).
♦ Ngoài ra, còn có các tín hiệu ra DTR (Data Terminel Ready) và tín hiệu vào DSR (Data
Set Ready). Đó là những tín hiệu vạn năng.
♦ Tín hiệu DTR điều khiển bởi bit D2 bởi byte lệnh.
♦ Tín hiệu DSR thể hiện ở bit D7 của thanh ghi trạng thái.
♦ USART không đònh nghóa các tín hiệu này một cách cứng ngắc. Thông thường:
Tín hiệu DTR qua Modem để chỉ rằng thiết bò đầu cuối sẵn sàng truyền.
DSR là tín hiệu từ Modem để chỉ trạng thái sẵn sàng liên lạc.
Khối điều khiển vào/ra
Logic điều khiển đọc/ghi giải mã các tín hiệu điều khiển từ Bus điều khiển của đơn vò
trung tâm thành những tín hiệu đều khiển các cổng dẫn số liệu đến Bus nội của USART.
Bảng sau cho biết sự liên quan giữ các tín hiệu CE, C/D\ RD\
CE
0
0
0
0
1





C/D\
0
1
0
1
x

RD\
0
0
1
1
x

WR\
1
1
0
0
x

Ý Nghóa
CPU đọc số liệu từ USART
CPU đọc trạng thái từ USART
CPU ghi số liệu vào USART
CPU ghi lệnh vào USART

Bus của USART ở trạng thái trở kháng cao

Khối thu
Khối thu nhận dữ liệu nối tiếp ở chân RxD và chuyển thành số liệu song song (P/PC).
Trước khi bộ thu làm việc, bit D2 trong Command world của byte lệnh phải ở trạng thái cho
phép. Nếu bit này không được lập, bộ thu sẽ không tạo ra tín hiệu RxRDI.
- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A kiểm tra mức điện áp của đầu vào RxD. Khi có thay
đổi mức logic từ 1 xuống 0, 8251 A khởi động bộ đếm thời gian trong khối thu khi đặt
thời gian ½ bit, 8251 A kích mẫu đầu vào RxD. Tại thời điểm này có 2 trường hợp xảy
ra:
- Nếu đầu vào RxD có mức logic cao thì sự thay đổi từ 1 xuống 0 ở RxD trước lúc kích
mẫu là do nhiễu hay khối thu đã khởi động bộ đếm trong khi nhận bit số liệu. Như vậy
có sai 8251 bỏ lệnh đang thực hiện và chuẩn bò ký tự mới.
- Nếu đầu vào RxD có mức logic thấp trong thời điểm kích mẫu. 8251 tiếp tục kích mẫu
để nhận giá trò của các bit số liệu, bit kiểm tra chẵn lẻ và các bit dừng. Sau đó, 8251
tách các bit khung và chuyển số liệu qua Bus trong đến thanh ghi đệm số liệu thu. Tín
hiệu RxRDI được tạo ra để báo cho trung tâm biết số liệu thu đã sẵn sàng.
- Trong chế độ đồng bộ, khối thu kích mẫu các bit số liệu của ký tự rồi đưa đến đệm số
liệu thu và lập cờ RxRDI. Vì bộ thu nhóm một số bit thành ký tự nên được xác đònh bit
số liệu đầu tiên là cần thiết. Để đồng bộ giữa bộ thu và bộ phát, nếu có trống trong dãy
ký tự thì 8251 tự động chèn ký tự SYNC vào. Quá trình đồng bộ được thực hiện trong
quá trình bất đồng bộ.
Khối đệm vào ra
- Khối đệm vào ra chứa: Thanh ghi trạng thái, thanh ghi số liệu thu (thanh ghi đệm số
liệu thu), thanh ghi số liệu phát và lệnh (thanh ghi đệm số liệu phát và lệnh).


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
-

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Như vậy, chỉ có một thanh ghi chứa thông tin chuyển từ đơn vò trung tâm vào USART.
Thông tin này bao gồm số liệu và lệnh, do vậy phải có sự phân chia thời gian giữa lệnh
và số liệu. Lệnh phải được gửi trước số liệu. Trước khi gửi số liệu vào USART. Đơn vò
trung tâm phải kiểm tra tín hiệu sẵn sàng phát TxRDI. Nếu gửi thông tin khi TxRDI ở
trạng thái chưa sẵn sàng số liệu chuyển đi có thể sai


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG I
ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO
CHƯƠNG TRÌNH SỐ
I _ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ
Ở máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ
phận máy điều khiển được thực hiện bằng tay. Với cách điều khiển này thời gian phụ thuộc khá
lớn, nên không thể nâng cao năng suất lao động.
Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển. Trong sản
xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự
động hóa quá trình điều khiển. Đặc điểm của loại máy tự động này là rút ngắn thời gian phụ,
nhưng thời gian chuẩn bò sản xuất quá dài (thời gian thiết kế và chế tạo,thời gian điều chỉnh
máy …). Nhược điểm này không đáng kể, nếu sản xuất với khối lượng lớn. Trái lại với lượng
sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động trở nên không kinh tế. Do đó
cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công từ
loại chi tiết này sang chi tiết khác được nhanh. Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển
theo chương trình.
Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều khiển

(tín hiệu ra) được thay đổi theo một qui luật trước. Nói cách khác, trên máy điều khiển theo
chương trình, thứ tự, giá trò của các chuyển động cũng như thứ tự đóng mở các bộ phận máy,
đóng mở hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay mũi khoan… Điều được thực hiện đúng theo một
chương trình đã vạch sẵn. Các cơ cấu mang chương trình này được đặt vào thiết bò điều khiển,
và sẽ làm tự động theo chương trình đã cho.
Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các dấu tì, bằng hệ thống cam, bằng mẫu
ghép hình … Ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển theo chương trình phi số.
Nếu các chương trình được biểu thò bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi hệ điều khiển
theo chương trình số.
Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa một cơ
cấu di động từ vò trí này đến vò trí khác bằng một lệnh. Sự dòch chuyển ấy có thể là lượng di
động thẳng (hoặc một góc quay theo các bậc tự do).
Trong nhiều trường hợp, phương pháp điều khiển theo chương trình số được thiết kế tự
động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vò trí này đến vò trí khác, ta gọi là " điều khiển theo
điểm". Nhưng ta cũng dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng cách giữa các điểm di động kế tiếp
nhau và sẽ đạt đến một quá trình điều khiển quỹ đạo gọi là điều khiển theo đường.
Phương pháp điều khiển theo chương trình số có thể dùng để di động bất kỳ một cơ cấu
nào được truyền động bằng động cơ. Phạm vi sử dụng nó rất rộng, nhưng chủ yếu là tự động
hóa máy công cụ.
Vì chương trình số có thể tiến hành cách xa máy và máy có hệ thống đo lường riêng,
nên hệ thống điều khiển này có thể điều khiển một cách dể dàng và nhanh chóng.
Hệ thống điều khiển theo chương trình số còn được gọi tắt là hệ thống NC (Numerical
Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC. Như thế: Máy NC là loại
máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với các lệnh được thể hiện bằng
dạng tín hiệu là các chữ số được ghi trên băng từ, đóa từ hoặc phim…
Bước phát triển cao của máy điều khiển theo chương trình số là sự ra đời của trung tâm
gia công CNC. Vậy trung tâm gia công là một loại máy điều khiển theo chương trình số có cơ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

cấu tự động để thực hiện nhiều loại nguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi tiết, với sự trợ
giúp của máy tính điện tử.
CNC có thể phân thành 2 loại: Loại dùng để gia công có dạng thân hộp tấm, loại gia
công chi tiết tròn xoay.

-

II _ ĐẶC ĐIỂM CỦA CNC
Tập trung nguyên công cao độ.
Có cơ cấu cấp dao tự động với dung lượng lớn.
Phần lớn CNC thường có bàn máy phụ và đồ gá.
Đạt được độ chính xác cao ở nguyên công tinh.
Các CNC thường dùng hệ thống điều khiển theo đường.

III _ HỆ TOẠ ĐỘ MÁY
Các điểm mà trong khi gia công được xác đònh trong một chương trình để mô tả vò trí
của các điểm náy trong vùng làm việc, ta dùng hệ tọa độ. Nó bao gồm ba trục vuông góc với
nhau cũng cắt nhau tại điểm gốc 0.
Với hệ toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác đònh thông qua các tọa độ của
nó. Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo xác đònh, thông thường nó không thể thay đổi.

Hình 1-1 : Hệ tọa độ vuông góc trên máy
- Trục X là trục chính trong mặt phẳng đònh vò. Trên máy khoan nằm song song với bàn máy
( bàn kẹp chi tiết).
- Trục Y là trục thứ 2 trong mặt phẳng đònh vò. Trên máy khoan nó nằm trên mặt máy và
vuông góc với bàn máy.
- Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính. Trục này được nhà chế tạo xác đònh.

Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến mũi khoan. Điều đó có nghóa là trong
chuyển động theo chiều âm của trục Z, mũi khoan sẽ đi tới bề mặt chi tiết.
Để xác đònh nhanh chiều của các trục,
dùng luật bàn tay phải(Hình 1-1): Ta đặt
ngón giữa bàn tay phải theo chiều của trục
Z thì ngón tay cái sẽ trỏ về chiều của trục
x và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều của trục
Y.
Hệ toạ độ cơ bản được gắn liền với chi
tiết.

Hình 1-2: Xác đònh nhanh
chiều trục tọa độ

Bởi vậy khi lập trình ta phải luôn luôn xuất phát từ chổ xác đònh chi tiết đứng yên còn mũi
khoan thì chuyển động. Điều đó có nghiã là:


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Khi khoan rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhưng để đơn giản hơn cho việc lập trình
hãy quan niệm là chi tiết đứng yên còn mũi khoan thì dòch chuyển. Ta gọi đó là chuyển động
tương đối của mũi khoan.
Để mô tả đường dòch chuyển của mũi khoan (dữ liệu tọa độ) trên một số máy CNC có cả hai
khả năng.
a) Dùng toạ độ Đề_Cac :
Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề Các, ta đưa ra khoảng cách đo song song với trục từ một điểm
tới một điểm khác.

Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương (+) phía trước. Các
khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm (-) phía trước.
Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức:
♦ Đo tuyệt đối:
Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ một điểm cố đònh
trong vùng làm việc. Nghóa là trong mỗi chuyển động đều xác đònh mũi khoan phải
dòch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối.
♦ Đo theo chuổi kích thước:
Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ các
điểm dừng lại của mũi khoan sau một lổ khoan được khoan. Nghóa là trong mỗi chuyển động
đều đưa ra số liệu của mũi khoan cần được dòch chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo
từng trục toạ độ.


b) Dùng tọa độ cực :
Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ tọa độ cực, ta đưa ra vò trí của một điểm thông qua khoảng
cách và góc so với một trục cơ sở.
Các tọa độ cực chỉ có thể đo trên một mặt phẳng chính. Trong phạm vi của một hệ tọa độ
cực có 3 mặt phẳng chính. Từ 3 trục x, y và z của hệ thống sẽ có 3 mặt kẹp, đó là: Mặt x/y, mặt
x/z, mặt y/z.


Những điểm quan trọng trong một hệ tọa độ cực
♦ Điểm chuẩn : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ máy.
♦ Điểm 0 chi tiết : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ chi tiết, nó được giữ cố đònh cho một chi
tiết.
♦ Điểm 0 lập trình : Là điểm gốc 0 từ đó xác đònh các dữ liệu cập nhật trong một chương
trình. Điểm này có thể thay đổi thông qua lệch dòch chuyển điểm 0.

IV _ CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN

Phù hợp với yêu cầu đa dạng trong thực tế, người ta phân biệt hệ điều khiển theo ba
mức điều khiển khác nhau :
- Điều khiển theo điểm.
- Điều khiển theo đoạn.
- Điều khiển theo đường.
1. Điều khiển theo điểm:


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Là hệ thống điều khiển không có mối quan
khoan hoặc chi tiết vào ví trí yêu cầu. Hệ
hệ hàm số (vô hàm) giữa các chuyển động dọc
thống này không kiểm tra theo qũi đạo, vận
theo trục tọa độ. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ
tốc, mà kiểm tra theo vò trí đònh vò.
thống điều khiển là đònh vò chính xác mũi
Điển hình nhất của hệ thống này là điều khiển để khoan lỗ tức là cần điều khiển chuyển
động tương đối giữa dao và phôi đến từng điểm xác đònh. Chẳng hạn từ điểm A(X1,Y1 ),
B(X2,Y2 ). Đặc điểm của loại điều khiển này là trong quá trình điều khiển mũi khoan không
làm việc. Quá trình gia công chỉ được tiến hành theo bất cứ tọa độ nào: Có thể trước tiên theo
tọa độ X, sau đó theo Y hoặc ngược lại, hoặc đồng thời thực hiện cùng một lúc trên hai trục với
vận tốc lớn nhất .
Y

y2

B

A

y1
x1

X

x2

Hình 1-3: Sơ đồ điều khiển
theo điểm
2. Điều khiểu theo đoạn :
Cũng giống như hệ thống điều khiển
theo điểm, tức là không có quan hệ hàm số
giữa các chuyển động theo tọa độ. Điểm
khác là khi đònh vò, mũi khoan làm việc

nên không thể đònh vò theo một đường bất
kỳ, mà thông thường phải theo hướng song
song với một trục tọa độ.

Thí dụ :
Khi khoan cạnh song song với trục tọa độ được xác đònh bởi các điểm (X 1,Y1) và
(X2,Y2) thì phải di động bàn máy (hoặc mũi khoan) theo tọa độ Y. Trong lúc đó bàn trượt theo
hướng X phải đứng yên. Chỉ sau khi khoan xong các điểm song song với trục Y rồi mới tiến


Y
y2
y1

X

x1

x2

Hình 1-4: Sơ đồ điều khiển
theo đoạn
hành đònh vò các điểm song song với trục X.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển theo điểm và theo đoạn không khác nhau. Do
đó, ta có thể thực hiện hệ thống này theo sơ đồ sau.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo điểm và đoạn khởi đầu bằng các số liệu về
hình dáng và số liệu công nghệ chi tiết gia công. Hai số liệu ấy tạo thành dữ liệu gia công.
Thông qua quá trình lập trình, nhờ cơ cấu ghi mã hiệu, các dữ liệu gia công được biến thành
các mã hiệu ghi vào chương trình. Chương trình này bao gồm tất cả mọi tín hiệu cần thiết cho
việc điều khiển các cơ cấu của máy.
Những khâu kể trên có thể thực hiện ở bất cứ nơi nào, tách xa khởi máy, nên gọi là
phần xử lý dữ liệu bên ngoài. Dữ liệu gia công cũng có thể đưa trực tiếp vào bảng điều khiển
số đặt trên máy (như máy NC đơn giản) hoặc truy nhập trực tiếp vào máy tính trung tâm như ở
hệ thống CNC. Các khâu kế tiếp của xích điều khiển điều đặt bên trong máy, nên gọi là phần
xử lý dữ liệu bên trong.
Khâu đầu tiên của phần xử lý dữ liệu bên trong là cơ cấu đọc. Vì chương trình ghi các
dữ liệu gia công dưới dạng mã hiệu, nên phải qua cơ cấu giải mã để biến mã hiệu thành những

tín hiệu điều khiển: Tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động.
Tín hiệu khởi động có nhiệm vụ đóng ngắt các cơ cấu tác động, nên ta không đề cập
đến trong sơ đồ cấu trúc. Còn tín hiệu hành trình là những trò số đã được xác đònh để đònh vò
liệu hình
dán
Số liệ
g nghệ
bàn máy theo tọa Số
độ X-Y.
Tín hiệ
u ghành trình cần đưa qua
cơucấcô
u nchuyể
n đổi, nhằm tạo nên
những tín hiệu giống nhau để đưa vào cơ cấu so sánh.
Cơ cấu so sánh có hai tín hiệu vào: một tín hiệu là những trò số xác đònh từ chương trình
u gia
côsố
ngthực tế từ thiết bò đo hành trình của bàn
đưa đến gọi là giá trò cần, một tín hiệDữ
u làliệ
nhữ
ng trò
máy đưa đến gọi là giá trò thực. Qua cơ cấu so sánh, nếu hai gía trò chênh lệch nhau, sẽ tạo nên
một tín hiệu sai lệch. Qua cơ cấu khuế
chp đạ
i, tín hiệ
u sai lệch làm khởi động động cơ (động cơ
Lậ
chương

trình
quay bàn máy) để bù sai số. Khi đạt đến vò trí đã đònh, giá trò cần và giá trò thực bằng nhau, tín
hiệu sai lệch sẽ bằng không, cơ cấu khởi động dừng.

Cơ cấu ghi mã hiệu
hiệu

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC
C M VÀ ĐOẠN
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỂ

Bên ngoài
Xử lý dữ liệu

Cơ cấu đọc

Bên trong

Thiết bò
đo hành
trình

h
ư
ơ
n
g

C

tơ
r
T
c
ínì
na
hiệ
C
á
uh
ơ u
hàn
cấu
h
chuy
g
trìn
Thiế
t
ểni bò
h nh
đo đổ
hà
ia
trình
õ
i
m

Y

Bàn máy

C
ơ

Bàn máy
a
õ
X

T
ín
hiệ
u
kh
ởi
ơ
độ
cấu
ng
so
ơ
sán
cấu
Động cơ điều khiểhn
kh
uế
ch
đại

C
C


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Cơ cấu khuếch đại
Động cơ điều khiển

Hệ thống điều khiển vừa mô tả trên là hệ thống kín. Để tạo nên hệ thống kín thông
thường rất tốn kém. Vì thế, người ta đang cố gắng để tạo nên một hệ thống điều khiển đơn giản
hơn.
Thí dụ như hệ thống dùng cơ cấu ngắt. Ở đây, các tín hiệu khởi động điều khiển trực
tiếp các động cơ điều khiển, chứ không phải tìm hiệu số sai lệch của cơ cấu so sánh sau khi
được khuếch đại. Việc so sánh tín hiệu cần với tín hiệu thực cũng được tiến hành như trên.
Nhưng khi có sai lệch nó sẽ tác động động cơ ngắt, làm dừng động cơ điều khiển.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG II
TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ BƯỚC
I _ CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC
Động cơ bước được phân thành ba loại chủ yếu sau :
1. Động cơ nam châm vónh cửu : Hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng và thường được

chế tạo có cực móng. Động cơ này có góc bước thay đổi từ 6 0÷ 450 trong chế độ điều khiển
bước đủ, mômen hãm từ 0,5 ÷ 25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làm việc
lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz.


Hình 2-1: Cấu tạo động cơ bước vónh cửu

1 và 2) Hai nửa Stator có dạng cực móng được từ hóa với cực N và S xen kẻ nhau; 3)
Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiển lưỡng cực) được đặt ở bên
trong hai nửa stator; 4)Rotor nam châm vónh cửu có các cực từ xen kẻ.
2. Động cơ bước có từ trở thay đổi : Hay còn gọi là động cơ phản kháng. Kiểu động cơ này
có góc nằm trong giới hạn từ 1,8 0 ÷ 300 trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen hãm từ 1÷
50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện
không tải là 20 Khz. Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực βs. Cuộn dây pha (2)
được quấn trên 2 hoặc 4 răng đối xứng nhau, roto của động cơ cũng được chế tạo thành
dạng răng có bước cực βr.

Hình 2-2 :Cấu tạo động cơ bước có từ trở thay đổi
1) Stato được chế tạo thành dạng răng; 2) Cuộn dây pha; 3) Roto có từ trữ thay đổi được chế tạo
thành dạng răng.

C


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

3. Động cơ bước hổn hợp :
Hay còn gọi là động cơ bước cảm

ứng, có góc bước thay đổi trong khoảng 0,36
- 150 trong chế độ bước đủ, mômen hãm từ 3
- 1000 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 40
khz. Trong các loại động cơ bước kể trên thì
động cơ bước hổn hợp được sử dụng nhiều
hơn cả. Vì loại động cơ này kết hợp các ưu
điểm của hai loại động cơ trên đó là: Động
cơ nam châm vónh Cửu với dạng cực móng,
và động cơ có từ trở thay đổi.
Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hổn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm
vónh cữu và động cơ bước có từ trở thay đổi. Phần Stato được cấu tạo hoàn toàn giống Stator
của động cơ bước có từ trở thay đổi. Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi
cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây (h.2-3) hoặc được quấn thành 2 cuộn dây (h.2-4) đặt
xen kẻ nhau để hình thành lên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là
răng của Roto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto.
♦ Động cơ hổn hợp cũng được chế tạo với 2, 4 và 5 pha, động cơ 2 và 4 pha thường cho góc
bước từ αs = 0,90 - 150 cò động cơ 5 pha thường có có góc bước từ αs = 0,180 - 0,270 .

♦ Bước răng của Roto được xác đònh bằng biểu thức sau:

2π 360 0
βr =
=
Zr
Zr
Trong đó: Zr là số răng của Roto

1)
2)
3)

4)

Quá trình điều
khiển bước đủ.

Hình 2-4: Cấu tạo động c

C

Hai pha điều khiển lưỡng cực
Stator dạng rănc/vò
g. ng
Cuộn dây pha điều khiển lưỡng cực.
Hai vành răng ngoài của rotor. Nam
châm vónh cửu được


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

♦ Góc bước của động cơ là tỷ số giữa bước răng βr và số pha m của động cơ khi cuộn dây
được điều khiển lưỡng cực :

αs =

βr
m

♦ Động cơ hổn hợp có tần số bước và độ phân giải cao, có mômen quay và mômen hãm lớn.

♦ Trong chế tạo động cơ bước ngoài ba loại chính kể trên, để có góc bước thay rất nhỏ người
ta còn chế tạo động cơ bước từ trở thay đổi có nhiều tầng, kết cấu của loại này được trình
bày ở hình .
♦ Loại động cơ này thường được chế tạo 2, 3,
răng của 3 Stato được đặt lệch nhau 1/3
4 tầng trình bầy kết cấu của động cơ bước
bước răng.
từ trở thay đổi có ba tầng. Trong mỗi tầng
♦ Góc lệch giữa hai tầng kề nhau được
số răng của Stato và Roto giống nhau. Vò trí
xác đònh bằng biểu thức sau:
răng của 3 Stato được đặt giống nhau và
βr 360 0
φ
=
=
được cố đònh trên trục Roto, nhưng vò trí
m Zrm
Nếu Roto có Zr = 12 răng thì góc lệch nhau giữa hai tầng kề nhau là 10 0
♦ Khi có một xung dòng điện điều khiển đặt vào tầng 1 thì răng của Roto và Stato đối đỉnh
nhau (vì từ thông chỉ khép kín tại vò trí có từ trở nhỏ nhất). Lúc này răng của Roto và Stato
ở tầng 2 lệch nhau 1 góc là 100, còn răng của Roto và Stato ở tầng 3 lệch nhau là 20 0. Cắt
xung dòng điện điều khiển vào tầng 1 và các xung dòng điện điều khiển vào tầng thì Roto
của tầng 2 quay một góc 10 0 để đỉnh răng của Roto trùng với đỉnh răng của stato ở tầng 2,
lúc này răng của Roto và Stato của tầng 3 lệch nhau một góc là 10 0 so với tầng 2. Quá trình
điều khiển tiếp tục cho tới khi trở lại tầng 1. Cuối cùng ta có quá trình điều khiển theo trình
tự 1-2-3-1
II _ ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ hoạt động dưới tác dụng của các xung rời
rạc và kế tiếp nhau. Khi một xung dòng điện hoặc điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của

động cơ bước, thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất đònh, và được gọi là
bước của động cơ, khi các xung dòng điện đặt vào cuộn dây phần ứng liên tục thì roto sẽ quay
liên tục.

Trang

C