Nghiên cứu thiết kế, xây dựng thiết bị đo nồng độ chì trong môi trường sử dụng công nghệ FPAA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
............XW............

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: ĐO LƯỜNG & CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO
NỒNG ĐỘ CHÌ TRONG MÔI TRƯỜNG SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ FPAA

NGUYỄN HỒNG ĐÔNG

HÀ NỘI - 2010


Danh sách các hình vẽ

Danh sách các hình vẽ
Hình 1.1 : Loại cuvet thường được dùng trong máy đo quang
Hình 1.2 : Phổ hấp thụ ánh sáng
Hình 1.3 : Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo quang
Hình 1.4 : Điện cực chuẩn Calomel (Hg2Cl2)
Hình 1.5 : Điện cực chuẩn Clorua bạc (AgCl)
Hình 1.6 : Điện cực đo và điện cực chuẩn được ghép với nhau trong điện cực đo
PH
Hình 1.7 : Minh hoạ phương pháp sử dụng điện cực màng chọn lọc
Hình 2.1 : Cấu trúc vi mạch AN10E04
Hình 2.2 : Cấu trúc các vi mạch ANx20E04
Hình 2.3 : Cấu trúc các vi mạch ANx21E04
Hình 3.1 : Chuẩn hóa tín hiệu sensor bằng vi mạch FPAA

Hình 3.2 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai
Hình 3.3 : Mạch chuẩn hóa tín hiệu từ cầu đo dùng tensor
Hình 3.4 : Sensor đo di chuyển kiểu biến áp vi sai
Hình 3.5 : Mạch đo cho sensor kiểu biến áp vi sai
Hình 3.6 : Chia khoảng tín hiệu của sensor để xử lý
Hình 3.7 : Sơ đồ khối các thành phần của hệ thống để xử lý tín hiệu
Hình 3.8 : Giải thuật xử lý để làm tăng độ phân giải cho ADC
Hình 3.9 : Quá trình xử lý tín hiệu ra của sensor : chia thành 4 khoảng để tăng độ
phân giải của ADC thêm 2 bit
Hình 3.10 : Mô hình một bộ điều khiển PID
Hình 3.11 : Một bộ điều khiển PID được thực hiện bằng FPAA
Hình 3.12 : Bộ điều khiển mức chất lỏng
Hình 3.13 : Bộ điều khiển PI bằng vi mạch FPAA
Hình 4.1 : Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 4.2 : Giao diện lập trình giữa vi điều khiển ATmega32 và AN220E04
Nguyễn Hồng Đông

vi

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Danh sách các hình vẽ

Hình 4.3 : Kết nối giữa vi điều khiển ATmega32 và LCD
Hình 4.4 : Sơ đồ bàn phím
Hình 4.5 : Sơ đồ nguyên lý mạch bàn phím
Hình 4.6: Sơ đồ khối của DS1307
Hình 4.7: Thanh ghi thời gian của DS1307
Hình 4.8 : DS1307 được kết nối với vi điều khiển theo bus I2C

Hình 4.9 : Sử dụng vi mạch chuyển đổi FT232
Hình 4.10 : Cấu hình xác định khoảng của tín hiệu đầu vào
Hình 4.11: Quá trình xử lý đối với khoảng 1
Hình 4.12 : Quá trình xử lý đối với khoảng 2
Hình 4.13 : Quá trình xử lý đối với khoảng 3
Hình 4.14: Quá trình xử lý đối với khoảng 4
Hình 4.15 : Quá trình xử lý PT100
Hình 4.16 : Quá trình xử lý tín hiệu trong vi mạch FPAA
Hình 4.17 : Bảng Look-up Table dùng để tuyến tính hoá tín hiệu
Hình 4.18 : Lưu đồ thuật toán của chương trình chính
Hình 4.19 : Giao diện chính của chương trình
Hình 4.20 : Dữ liệu thu thập được từ thiết bị

Nguyễn Hồng Đông

vii

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Mục lục

Mục lục
CHƯƠNG I: TÁC HẠI CỦA CHÌ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ.........................................................................................................1
I.1.Tổng quan về chì (Pb)...............................................................................................1
I.1.1.Tác hại của chì……………………………………………………………………...1
I.1.2.Các nguồn gốc phát sinh chì trong cuộc sống………………………………….2
I.2.Một số phương pháp đo nồng độ chì……………………………………………3
I.2.1.Phương pháp trắc quang…………………………………………………………..3

I.2.1.1.Định luật Lambe-Beer………………………………………………………3
I.2.1.2.Phổ hấp thụ…………………………………………………………………...4
I.2.1.3.Tính chất của mật độ quang………………………………………………..4
I.2.1.4.Sơ đồ thiết bị đo quang……………………………………………………..5
I.2.2.Phương pháp dùng điện cực màng chọn lọc ion………………………………6
I.2.2.1.Lý thuyết chung……………………………………………………………...6
I.2.2.2.Điện cực chuẩn………………………………………………………………7
I.2.2.3.Điện cực đo…………………………………………………………………..8
I.2.2.4.Đo nồng độ Pb2+ bằng phương pháp điện cực màng lựa chọn ion……9
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPAA……………………….11
II.1.Quá trình phát triển của công nghệ FPAA………………………………….11
II.2.Các thế hệ vi mạch FPAA………………………………………………………14
II.2.1.FPAA thế hệ thứ nhất- AN10E04……………………………………………..14
II.2.2.FPAA thế hệ thứ hai…………………………………………………………….16
II.2.2.1.AN120E04 và AN220E04………………………………………………..17
II.2.2.2.AN121E04 và AN221E04………………………………………………..20
II.3. Giới thiệu phần mềm thiết kế AnadigmDesigner®2……………………..21
CHƯƠNG III: CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA……..23
III.1.Chuẩn hóa tín hiệu sensor…………………………………………………….24
III.2.Mạch đo dùng tensor…………………………………………………………..27
Nguyễn Hồng Đông

iii

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Mục lục

III.3.Mạch đo dùng tensor kiểu biến áp vi sai…………………………………..28

III.4.Tăng độ phân giải cho ADC…………………………………………………..30
III.5.Công nghệ FPAA ứng dụng trong các thiết bị điều khiển……………...36
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FPAA…………………………………………………..41
IV.1. Đặt vấn đề……………………………………………………………………….41
IV.2. Các bước thiết kế thiết bị đo nồng độ chì…………………………………42
IV.3. Yêu cầu kỹ thuật của thiết bị………………………………………………..42
IV.4. Thiết kế thiết bị đo nồng độ chì……………………………………………..43
IV.4.1. Sơ đồ khối……………………………………………………………………...43
IV.4.2. Thiết kế phần cứng thiết bị…………………………………………………..43
IV.4.2.1. Giao diện cấu hình giữa vi điều khiển với vi mạch AN220E04….44
IV.4.2.2. Màn hình LCD…………………………………………………………..45
IV.4.2.3. Bàn phím…………………………………………………………………47
IV.4.2.4. Đồng hồ thời gian thực RTC…………………………………………..49
IV.4.2.5. Truyền thông với máy tính…………………………………………….51
IV.4.3. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị…………………………………………………53
IV.4.4. Thiết kế phần mềm……………………………………………………………54
IV.4.4.1. Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị……………………………...54
IV.4.4.2. Thiết kế các khối chức năng trong AN220E04……………………...54
IV.4.4.3. Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển…………………………………..63
IV.4.5. Chương trình thu thập dữ liệu trên máy tính………………………………64
IV.5. Kết quả của quá trình thiết kế………………………………………………65
IV.5.1. Mạch phần cứng……………………………………………………………….65
IV.5.2. Phần mềm thu thập dữ liệu…………………………………………………...66
IV.6. Đánh giá và hướng phát triển của đề tài…………………………………..66
Nguyễn Hồng Đông

iv

Đo lường và các hệ thống Điều khiển

Mục lục

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………...67

Nguyễn Hồng Đông

v

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

CHƯƠNG I :
TÁC HẠI CỦA CHÌ
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ
I.1. TỔNG QUAN VỀ CHÌ (Pb)
I.1.1. Tác hại của chì
Chì (Pb) là một kim loại nặng màu xám xanh có nhiều trong vỏ trái đất. Khi gặp
không khí và nước, một lớp hợp kim được tạo ra, bao che chì khỏi bị gỉ sét, ăn mòn.
Chì (Pb) hiện diện tự nhiên trong môi trường và nhất là qua sự sử dụng chì trong kỹ
nghệ. Trong sản xuất công nghiệp thì chì có vai trò quan trọng. Tuy nhiên đây là
nguyên tố kim loại có tính độc hại cao đối với cơ thể người và sinh vật. Việc nhiễm
độc chì có thể là cấp tính hoặc tích lũy nhiều năm qua chuỗi thức ăn của hệ sinh
thái. Không khí, nước và thực phẩm bị ô nhiễm chì đều rất nguy hiểm cho mọi
người, nhất là trẻ em đang phát triển và động vật. Chì làm sự phát triển của bộ não
trẻ em bị ảnh hưởng, chì ức chế mọi hoạt động của các enzym, không chỉ ở não mà
còn ở các bộ phận tạo máu, nó là tác nhân phá huỷ hồng cầu.

Khi hàm lượng chì trong máu khoảng 0,3 ppm thì nó ngăn cản quá trình sử dụng
oxi để oxi hoá glucoza tạo ra năng lượng cho quá trình sống, do đó làm cho cơ thể
mệt mỏi. Ở nồng độ cao hơn (>0,8 ppm) có thể gây nên thiếu máu do thiếu
hemoglobin. Hàm lượng chì trong máu nằm trong khoảng (0,5 – 0,8 ppm) gây ra sự
rối loạn chức năng của thận và phá huỷ não. Xương là nơi tàng trữ tích tụ chì trong
cơ thể, ở đó chì tương tác với photphat trong xương rồi truyền vào các mô mềm của
cơ thể và thể hiện độc tính của nó. Vì thế tốt nhất là tránh những nơi có chì ở bất kỳ
dạng nào, đồng thời trong dinh dưỡng chú ý dùng các loại thực phẩm có hàm lượng
Pb dưới quy định cho phép, cũng như có đủ Ca và Mg để hạn chế tác động của Pb.
Vì dù chúng ta không muốn thì cũng luôn có một lượng Pb rất nhỏ nhất định vẫn
thâm nhập vào cơ thể của chúng ta qua đường ăn uống và hít thở. Vì thế nên uống

Nguyễn Hồng Đông

-1-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

sữa, ăn nhiều rau xanh, các loại thực phẩm và đồ uống giàu vitamin B1 và vitamin
C thì có lợi cho việc chống lại và hạn chế ảnh hưởng của Pb đối với cơ thể.
Dấu hiệu của ngộ độc chì thường thường xuất hiện rất âm thầm, khó mà sớm
phát giác. Chỉ khi nào chì tích tụ tới mức độ cao, bệnh mới rõ rệt nhưng các triệu
chứng cũng không có gì đặc biệt.
Ở trẻ em, nhiễm độc cấp tính khiến cho các em trở nên cáu kỉnh, kém tập trung,
ói mửa, dáng đi không vững, lên cơn kinh phong. Trường hợp mãn tính, các em có
dấu hiệu chậm trí, hay gây gổ, lên kinh thường xuyên, đau bụng, thiếu máu, suy
nhược cơ bắp, suy thận, đôi khi có thể đưa tới tử vong. Thường thường, trẻ em bị

tác hại của chì trầm trọng hơn ở người trưởng thành, đặc biệt là dưới 6 tuổi vì hệ
thần kinh còn non yếu và khả năng thải độc chất của cơ thể chưa hoàn chỉnh. Một
số em có thể bị nhiễm ngay từ khi còn ở trong lòng mẹ hoặc bú sữa mẹ có hàm
lượng chì cao. Tới khi lớn, các em tiêu thụ thực phẩm có chì, nuốt chì lẫn trong đất,
bụi khi bò chơi trên mặt đất hoặc ăn các mảnh vụn sơn tường nhà cũ.
Khi ngộ độc chì, người lớn hay than phiền đau tê ở đầu ngón chân, tay; bắp thịt
mỏi yếu; nhức đầu, đau bụng, tăng huyết áp, thiếu máu, giảm trí nhớ, thay đổi tâm
trạng, xảy thai, kém sản xuất tinh trùng…Lâu ngày, bệnh trở thành mãn tính, đưa
tới suy thận, tổn thương thần kinh ngoại vi, giảm chức năng não bộ.
I.1.2. Các nguồn gốc phát sinh chì trong cuộc sống
- Sơn nhà
- Đất chung quanh nhà nhiễm chì từ các lớp sơn cũ
- Bụi bậm trong nhà có chì từ sơn tường cũ hoặc đất theo giầy dép mang vào
nhà.
- Đồ chơi trẻ em, xích đu hoặc bàn ghế cũ quét với sơn có nhiều chì.
- Thực phẩm nước uống đựng trong bát đĩa, bình chứa phủ men bóng.
- Rau, trái cây đôi khi có bụi chì bám vào, nên cần được rửa sạch trước khi ăn.
- Rượu whisky sản xuất lậu với máy chưng cất hàn bằng chì cũng có thể có chì.
- Thuốc lá nhả ra một lượng chì đáng kể.
Nguyễn Hồng Đông

-2-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

- Hộp kim loại hàn bằng chì để đựng thực phẩm.
- Trong một vài mỹ phẩm hoặc thuốc nhuộm tóc, keo xịt tóc có hàm lượng chì

khá cao.
-…

I.2.MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ CHÌ
I.2.1. Phương pháp trắc quang
Phương pháp phân tích đo quang là phương pháp phân tích công cụ dựa trên việc
đo những tín hiệu bức xạ điện từ và tương tác của bức xạ điện từ với chất nghiên
cứu. Phương pháp có ưu điểm là tiến hành nhanh, thuận lợi, có độ nhạy cao, độ
chính xác được tới 10-6 mol/l. Tuỳ thuộc vào hàm lượng chất cần xác định mà có độ
chính xác từ 0,2 tới 20%
I.2.1.1. Định luật Lambe-Beer
Khi chiếu một chùm bức xạ đơn sắc (cường độ bức xạ ban đầu là I0) đi qua một
lớp dung dịch có bề dày l và có nồng độ là C, thì sau khi đi qua dung dịch cường độ
bức xạ bị giảm đi (cường độ của bức xạ đi ra khỏi dung dịch là I) do quá trình hấp
thụ, phản xạ, tán xạ....Độ hấp thụ quang của dung dịch tỷ lệ thuận với C và l.
Aλ = lg
% truyền qua : T =

I0
=ε.l.C
I

I
.100(%) Æ Aλ = -lgT
I0

trong đó:
Aλ : Độ hấp thụ
Ε : hệ số hấp thụ mol (lit.mol-1.cm-1). ε đặc trưng cho khả năng hấp thụ ánh
sáng của dung dịch. Phụ thuộc vào bản chất dung dịch và bước sóng λ.

l : bề dày dung dịch (cm)
C : nồng độ dung dịch (mol/l)

Nguyễn Hồng Đông

-3-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

Hình 1.1: Loại cuvet thường được dùng trong máy đo quang
I.2.1.2. Phổ hấp thụ
Dung dịch hấp thụ ánh sáng có tính chất chọn lọc. Đồ thị biểu diễn A = f(λ)
(hoặc ε = f(λ) hoặc lgε = f(λ)) gọi là phổ hấp thụ ánh sáng của dung dịch. Trên phổ
hấp thụ có thể có một hoặc nhiều cực đại, thường thì chất màu có một cực đại. Tại
λmax ta có Amax (hoặc εmax).

Hình 1.2: Phổ hấp thụ ánh sáng
I.2.1.3.Tính chất của mật độ quang
Chiếu chùm ánh sáng qua liên tiếp 2 dung dịch :
Tổng độ hấp thụ quang của 2 dung dịch :

AΣ = lg

Nguyễn Hồng Đông

-4-

I0
I2

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

Gọi độ hấp thụ quang của dung dịch 1 là A1, dung dịch 2 là A2 :

AΣ = lg

I 0 .I1
I
I
= lg 0 + lg 1 = A1 + A2
I1.I 2
I1
I2

vậy độ hấp thụ quang có tính chất cộng tính.
Nếu 1 dung dịch có nhiều chất cùng hấp thụ ánh sáng thì

Vì vậy muốn đo Achất phân tích ta phải tìm cách loại bỏ ảnh hưởng của tạp chất
bằng cách chuẩn bị 1 mẫu trắng (dung dịch trống).

I.2.1.4. Sơ đồ thiết bị đo quang :

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý thiết bị đo quang
- Nguồn sáng : cung cấp bức xạ ánh sáng vùng trông thấy thì dùng đèn sợi

đốt vonfram; vùng tử ngoại : dùng đèn hydro, deteri, thuỷ ngân…

Nguyễn Hồng Đông

-5-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

- Hệ tán sắc : hệ tán sắc có nhiệm vụ biến chùm tia đa sắc thành chùm tia
đơn sắc (cung cấp bức xạ đơn sắc). Với các máy thế hệ cũ sử dụng từ 10 tới 12 kính
lọc ánh sáng cho dải phổ hẹp chứ không cho hệ đơn sắc. Các máy hiện đại hơn thì
sử dụng lăng kính để cho ánh sáng đơn sắc. Các máy UV-Vis thế hệ mới sử dụng
cách tử (1200−1800 vạch/mm có khi tới 2400 vạch/mm) có độ phân giải cao từ 1
tới 0,2nm.
- Mẫu phân tích : chất phân tích có thể cho tác dụng với một thuốc thử trong
môi trường thích hợp nhằm tạo phức chất có độ nhạy đảm bảo tính định lượng của
phương pháp. Nếu chất phân tích là chất khí thì phải chứa mẫu vào cuvet đóng kín.
Cuvet dùng cho phổ UV phải là cuvet thạch anh. Cuvet dùng cho phổ Vis có thể là
cuvet nhựa hoặc cuvet thuỷ tinh
- Detector : trong các máy đơn giản dùng tế bào quang điện để chuyển tín
hiệu quang thành tín hiệu điện rồi cho qua bộ khuếch đại hiển thị kết quả đo. Trong
các máy thế hệ mới có độ nhạy cao thường dùng detector dạng ống nhân quang
hoặc loại chuỗi diot (DAD). Detector chuỗi diot thích hợp cho việc đo đồng thời
nhiều cấu tử với nhiều bước sóng khác nhau, thiết bị khá bền.
I.2.2. Phương pháp dùng điện cực màng chọn lọc ion :
I.2.2.1. Lý thuyết chung
Khi nhúng điện cực kim loại vào dung dịch muối của nó, sẽ xảy ra sự phân bố lại

các điện tích, xảy ra hai trường hợp :
-

Các ion dương của kim loại đi vào dung dịch :

M e → M en+ + n.e−
Trong trường hợp này điện cực kim loại sẽ dư electron, do đó điện cực sẽ mang
điện tích âm, còn dung dịch sẽ mang điện tích dương.
-

Các ion kim loại trong dung dịch bám phủ lên bề mặt điện cực kim loại :

M en+ + n.e− → M e
Trong trường hợp này điện cực kim loại sẽ thiếu electron, do đó điện cực sẽ
mang điện tích dương, còn dung dịch sẽ mang điện tích âm.

Nguyễn Hồng Đông

-6-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

Như vậy khi nhúng một điện cực kim loại vào dung dịch muối của nó, một điện
thế ở ranh giới giữa kim loại và dung dịch được hình thành. Trị số của điện thế này
tùy vào bản chất kim loại của điện cực, nồng độ của dung dịch muối, nhiệt độ và vài
yếu tố khác. Trị số này được xác định bằng phương trình Nernst :

E = E0 + 2,303.

RT
lg C (V)
nF

E0 : Hằng số
R : Hằng số R = 8.314 J/K.mol
F : Hằng số Faraday = 96500 coulombs/mol
n : số hoá trị
C : Nồng độ chất cần đo trong dung dịch
T : Nhiệt độ (K)
Để đo điện thế E ta cần có thêm một điện cực chuẩn (còn gọi là điện cực so sánh,
điện cực quy chiếu – Reference Electrodes) có điện thế biết trước và không thay đổi
theo nhiệt độ hay nồng độ của dung dịch.
Điện thế chỉ đo được khi hai điện cực này được nối với mạch đo và cả hai điện
cực được nhúng chìm vào dung dịch để dòng điện được khép kín. Nếu điện cực
chuẩn hoàn toàn khô, mạch điện bị hở, phép đo không thể thực hiện được.
I.2.2.2. Điện cực chuẩn
Một cách lý tưởng, điện cực chuẩn không gây ra bất cứ sự thay đổi nào về hóa
học cho dung dịch cần đo. Nó duy trì một điện thế cố định, không bị ảnh hưởng bởi
dung dịch cần đo. Trong thực tế hai loại điện cực chuẩn thường dùng nhất là điện
cực chuẩn calomel (Hg2Cl2) và điện cực clorua bạc (AgCl).

Nguyễn Hồng Đông

-7-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển

Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

Hình 1.4: Điện cực chuẩn Calomel (Hg2Cl2)

Hình 1.5: Điện cực chuẩn Clorua bạc (AgCl)
I.2.2.3. Điện cực đo
Chúng ta biết rằng để thực hiện phép đo điện thế, ngoài điện cực chuẩn ra ta cần
phải có điện cực đo, thường được gọi là điện cực lựa chọn ion (ISE – Ion Selective
Electrodes) hay điện cực chỉ thị (Indicator Electrodes). Ngoài thông số về độ nhạy
ra, đối với các điện cực lựa chọn ion còn có một thông số quan trọng khác đó là ion
Nguyễn Hồng Đông

-8-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

mà điện cực lựa chọn (lựa chọn ion H+, Cu2+, Pb2+, Cd2+, Hg2+, S2-,…). Đối với tất
cả các loại ISE ta đều sử dụng được phương trình Nernst để tính toán.
Thường cả hai điện cực này được ghép chung với nhau thành một điện cực tổng
hợp để thao tác cho đơn giản.

Hình 1.6: Điện cực đo và điện cực chuẩn được ghép với nhau
trong điện cực đo PH
I.2.2.4. Đo nồng độ Pb2+ bằng phương pháp điện cực màng lựa chọn ion
Nguyên tắc: Người ta chế tạo điện cực màng ion chỉ có tác dụng với chì để tạo
ra thế so với điện cực chuẩn và sau đó đo hiệu điện áp trên 2 điện cực và áp dụng

định lý Nernst để suy ra nồng độ chì cần đo.
Cách thực hiện :
Lấy dung dịch mẫu cần đo cho vào bình đựng sau đó cắm 2 điện cực vào
bình. Dùng vôn kế đo hiệu điện thế trên 2 điện cực rồi tính ra nồng độ chì theo công
thức :

E = E0 + 2,303.
Nguyễn Hồng Đông

RT
lg C (V)
nF

-9-

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương I : Tác hại của chì và các phương pháp đo nồng độ chì

E0 : Hằng số
R : Hằng số R = 8.314 J/K.mol
F : Hăng số Faraday = 96500 coulombs/mol
n: số hoá trị
C : Nồng độ chất cần đo trong dung dịch
T : Nhiệt độ (K)
Từ nguyên lý hoạt động của điện cực và định luật Nerst, thay các thông số ta có
công thức tính được điện thế E là:

E = Emea − Eref = E0 + 0.99 ×10−4 × T × lg[ Pb2+ ]

Từ biểu thức này ta thấy rằng điện thế đo được có sự liên hệ tuyến tính với nồng độ
Pb2+. Tuy nhiên sự liên hệ này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy để kết quả đo
được chính xác ta phải có phương pháp loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ.

Hình 1.7: Minh hoạ phương pháp sử dụng điện cực màng chọn lọc

Nguyễn Hồng Đông

- 10 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

CHƯƠNG II :
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FPAA
FPAA ( Field Programmable Analog Array ) là một vi mạch tích hợp có thể lập
trình được để thực hiện nhiều chức năng tương tự khác nhau. Một thành phần rất
quan trọng trong vi mạch FPAA là Configurable Analogue Blocks (CAB). Mỗi
CAB có thể thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu tương tự như là khuếch đại, tích
phân, vi phân, chỉnh lưu, so sánh, lọc bậc hai,..., và bằng cách liên kết các CAB với
nhau ta có thể có được các khối chức năng phức tạp hơn như các bộ lọc bậc cao, các
bộ dao động, các bộ điều chế độ rộng xung,…
Bao quanh ma trận CAB là các phần tử vào/ra analog và một mạng lưới các
đường liên kết khả trình ( tức là có thể thay đổi cấu trúc kết nối ). Ngoài ra mỗi chip
FPAA còn có mạch tạo điện áp tham chiếu có thể lập trình được, nguồn tạo tín hiệu
clock có thể được dùng cho mọi phần tử CAB bất kỳ. Trạng thái cấu hình của vi
mạch FPAA được lập trình và lưu giữ tại một bộ nhớ SRAM on-chip, gọi là bộ nhớ
cấu hình. Bộ nhớ cấu hình SRAM này được nạp nội dung khi cấp nguồn từ một bộ

nhớ PROM nối tiếp ở bên ngoài hoặc có thể từ một hệ vi xử lý kết nối với chip
FPAA. Một khi bộ nhớ cấu hình SRAM đã được nạp nội dung mới thì mọi hoạt
động tiếp theo của FPAA đều tuân theo sự quy định của nội dung này.
Ngoài ra tuỳ vào thế hệ của vi mạch FPAA mà mỗi thế hệ có các đặc điểm riêng,
các thế hệ mới ngày càng có các tính năng mới và càng trở nên mạnh hơn trong các
công việc.

II.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ FPAA.
Trên thực tế mạch điện tử tương tự là một hỗn hợp các phần tử cả thụ động lẫn
tích cực. Các phần tử đó được sắp xếp lại với nhau sao cho có thể thực hiện được
các chức năng mà người thiết kế đặt ra. Thông thường quá trình thiết kế một mạch
điện tử là rất phức tạp trải qua nhiều bước. Chính điều này đã gây rất nhiều khó
khăn cho những người thiết kế mạch điện tử.
Nguyễn Hồng Đông

- 11 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin
cùng với những đòi hỏi của thực tế đã làm xuất hiện nhiều phần mềm thiết kế mạch
điện tử trợ giúp rất nhiều cho những người thiết kế mạch điện tử. Trong lĩnh vực
điện tử số, cùng với các phần mềm trợ giúp, người thiết kế mạch điện tử số bây giờ
chỉ cần mô tả chức năng của các mạch điện tử số thông qua một ngôn ngữ lập trình
bậc cao (ví dụ VHDL), sau đó dùng phần mềm trợ giúp thiết kế biên dịch bản mô tả
đó sang dạng chuỗi bit để nạp vào cho các chip vi mạch logic khả trình : PLD,
CPLD hoặc PFGA. Bằng cách đó người thiết kế đã lập trình biến một chip “trắng”

thành một thiết kế điện tử có chức năng tương đương với cả một bảng mạch phức
tạp. Người thiết kế cũng có thể kiểm tra hoạt động của mạch bằng cách chạy mô
phỏng trên máy tính.
Trong lĩnh vực thiết kế điện tử tương tự, người ta cũng đã tạo ra một dòng sản
phẩm đặc biệt gọi là FPAA (Field Programmable Analog Array), tức là mạng lưới
các khối mạch điện tử tương tự có thể lập trình được. Thế hệ đầu tiên của dòng sản
phẩm FPAA được công ty Anadigm® tung vào tháng 9 năm 2000, đó là các vi
mạch AN10E04. Sau đó Anadigm® tiếp tục giới thiệu hệ phát triển dùng cho
FPAA. Đó là bảng vi mạch có tên là AN10DS40, cùng với phần mềm trợ giúp thiết
kế AnadigmDesigm® nhằm giúp các nhà thiết kế kiểm tra và phát triển hoạt của
các hệ thống ứng dụng FPAA. Năm 2002, dòng sản phẩm FPAA thế hệ thứ hai
được tung ra thị trường với chủng loại phong phú hơn nhiều. Đó là các vi mạch
đang được sử dụng phổ biến hiện nay như : AN120E04, AN121E04, AN220E04,
AN221E04 và AN221E02. Cùng với các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai , Anadigm®
tiếp tục đưa ra thị trường công cụ phát triển thế hệ thứ hai gọi là AnadigmVortex.
Công cụ phát triển FPAA thế hệ thứ hai : AnadigmVortex, tích hợp 4 bộ phận cơ
bản :

Nguyễn Hồng Đông

- 12 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

-

AnadigmDesigner®2 : Phần mềm trợ giúp thiết kế cho phép người thiết kế

triển khai, thực hiện thiết kế và thay đổi cấu hình cho các mạch điện tử tương
tự chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn.

-

Thư viện CAM : ( Configurable Analog Module ) chứa các khối chức năng
Analog, người dùng có thể sử dụng các khối chức năng để tạo nên hệ thống
mạch analog hoàn chỉnh.

-

Hệ phát triển : là bảng mạch giúp người thết kế tạo ra các mẫu thử và kiểm
tra hoạt động của mạch trước khi triển khai thực hiện nó.

-

Các vi mạch FPAA.

Với AnadigmVortex, công việc thiết kế chế tạo thiết bị điện tử tương tự trở nên
đơn giản hơn nhiều. Người thiết kế bây giờ chỉ cần thực hiện các công việc sau :
1. Lựa chọn chủng loại chip FPAA dựa trên tính chất của ứng dụng
+AN120E04 và AN121E04 là những vi mạch FPAA bình thường, giá rẻ phù
hợp với những ứng dụng thông thường.
+AN220E04 và AN221E04 là những vi mạch đã được cải tiến cho phép
người dùng có thể thay đổi cấu hình của thiết bị ngay cả khi nó đang vận
hành, đặc biệt AN221E02 là loại chip vừa có thể thay đổi cấu hình động, lại
vừa có giá rẻ. Những vi mạch này phù hợp với những ứng dụng phức tạp
hơn, điều kiện môi trường khắc nghiệt hơn.
2. Sử dụng công cụ AnadigmDesigner®2 để thiết kế mạch analog trên máy
tính. Kết hợp với thư viện CAM, người thiết kế có thể tạo ra hệ thống mạch

điện tử tương tự hoàn chỉnh một cách nhanh chóng. Trong phần mềm thiết
kế này còn có khâu tạo máy phát tín hiệu, có các đầu đo oscilloscope giúp
người thiết kế mô phỏng và kiểm tra hoạt động của mạch trước khi triển khai
thực hiện nó.
3. Nạp cấu hình thiết kế vào chip FPAA thông qua hệ phát triển. Hệ phát triển
FPAA là một bảng mạch trên đó có các slot để cắm chíp FPAA cần lập cấu
hình. Bảng mạch này được nối với máy tính để giúp người thiết kế tạo ra các
Nguyễn Hồng Đông

- 13 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

mạch thử cho các thiết kế điện tử tương tự. Bảng mạch còn có thêm các khối
chức năng mở rộng và các cổng nối I/O cho phép kết nối chip FPAA với các
phần tử khác để tạo nên một hệ thống mạch thử hoàn chỉnh.
Có thể nói rằng công nghệ FPAA của Anadigm® đã mở ra một hướng hoàn toàn
mới trong việc thiết kế các hệ thống mạch điện tử tương tự : tích hợp các hệ thống
thu thập và xử lý tín hiệu analog hoàn chỉnh trong một chip IC duy nhất. Người kỹ
sư thiết kế có thể tích hợp nhiều chức năng của hệ thống trên cùng một chip, đồng
thời có thể lập trình thay đổi cấu hình của thiết bị ngay tại hiện trường, trong khi nó
đang hoạt động. Các sản phẩm FPAA cũng có thể được sử dụng lại nhiều lần cho
nhiều ứng dụng khác nhau nhờ có khả năng thay đổi được cấu hình của chúng. Do
đó sử dụng công nghệ FPAA trong việc thiết kế, chế tạo các mạch điện tử mang lại
rất nhiều lợi ích. Đây là công nghệ mới mà khả năng ứng dụng của nó rất lớn, đặc
biệt là với các bài toán yêu cầu đáp ứng về tốc độ xử lý. Mặt khác do có khả năng
tái lập trình nên có tính linh hoạt cao, đáp ứng được nhiều bài toán khác nhau.

II.2 CÁC THẾ HỆ VI MẠCH FPAA
II.2.1. FPAA thế hệ thứ nhất- AN10E04
Các chip FPAA thế hệ đầu tiên được hãng Anadigm® chế tạo và tung ra thị
trường vào 9-2000, được gọi là AN10E04. Về mặt cấu trúc, mỗi chip AN10E04
chứa một ma trận 4 × 5 gồm 20 khối analog có thể thay đổi được cấu hình gọi là
CAB ( Configurable Analog Block). Chip AN10E04 được đóng vỏ kiểu QFP (Quad
Flat Pack), có 80 chân, kích thước 14x14mm, làm việc với nguồn cung cấp DC 5V.
Hình vẽ dưới đây biểu diễn cấu trúc tổng thể của AN10E04 dưới dạng sơ đồ
khối :

Nguyễn Hồng Đông

- 14 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

Hình 2.1 : Cấu trúc vi mạch AN10E04

Bao bọc quanh ma trận CAB này là 13 phần tử vào/ra analog và một mạng lưới
các đường liên kết khả trình. Mỗi chip AN10E04 còn có một bộ tạo nguồn điện áp
chuẩn (reference) khả trình 8-bit, người thiết kế có thể lập trình để thay đổi mức
điện áp ra của nguồn reference này. Ngoài ra, AN10E04 còn có bộ tạo tín hiệu
clock, lấy từ một máy phát chủ có tần số cực đại cỡ 20MHz. Tần số của tín hiệu
clock dùng cho mạch được lập trình bằng cách thay đổi hệ số chia tần của một bộ
chia on-chip. Cả nguồn điện áp reference và nguồn tín hiệu clock đều có thể được
dùng cho mọi phần tử CAB bất kỳ trong mạng lưới của AN10E04.

Trạng thái cấu hình của chip AN10E04 được lập trình và lưu giữ tại một bộ nhớ
SRAM on-chip, gọi là bộ nhớ cấu hình. Bộ nhớ cấu hình SRAM này được nạp nội
dung khi cấp nguồn từ một bộ nhớ PROM nối tiếp ở bên ngoài, hoặc có thể từ cổng

Nguyễn Hồng Đông

- 15 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

giao diện của một hệ vi xử lý kết nối với chip AN10E04. Nội dung của bộ nhớ cấu
hình được tạo ra trong quá trình thiết kế mạch nhờ phần mềm thiết kế
AnadigmDesigner®. Khi hoạt động, mạch logic tạo cấu hình và thanh ghi dịch
trong chip sẽ quy định chức năng cho các CAB theo nội dung của bộ nhớ.
Các khối chức năng xử lý tín hiệu thông thường như khuếch đại, chỉnh lưu, tích
phân, so sánh, lọc bậc hai… đều có thể được thực hiện bằng cách dùng chỉ một
phần tử CAB. Các khối chức năng phức tạp hơn, ví dụ như bộ lọc bậc cao, các bộ
dao động, các bộ điều chế độ rộng xung,… có thể được thực hiện bằng cách dùng
hai hay nhiều phần tử CAB.
Ta có thể tóm tắt các đặc điểm chính của vi mạch AN10E04 như sau :
-

Gồm một ma trận gồm 20 CAB

-

13 khối vào/ra analog.

-

Bộ tạo điện áp chuẩn 8-bit có thể lập trình được.

-

Bộ tạo clock có thể lập trình.

-

Có thể nạp cấu hình bằng bộ nhớ PROM nối tiếp hoặc bằng hệ vi xử lý.

Nói chung các vi mạch AN10E04 là các vi mạch FPAA giá rẻ, phù hợp với các
ứng dụng nhỏ thông thường. Từ cuối năm 2002, Anadigm® đã thay thế các vi mạch
AN10E04 bằng các nhóm vi mạch thứ hai có nhiều tính năng phong phú hơn.
II.2.2. FPAA thế hệ thứ hai
Các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai của Anadigm bắt đầu được tung ra thị trường
từ tháng 8 năm 2002. Hiện nay các nhóm vi mạch FPAA được sử dụng phổ biến là :
AN120E04, AN121E04, AN220E04, AN221E04 và AN221E02.
Trong số đó, các nhóm AN120E04, AN121E04 được sản xuất với số lượng rất
lớn, có giá thành rẻ phù hợp với các ứng dụng đại trà, yêu cầu tích hợp nhiều chức
năng analog trên một chip. AN220E04 và AN221E04 là những vi mạch đã được cải
tiến cho phép cho phép người thiết kế có thể thay đổi cấu hình động, tức là có thể
thay đổi chức năng của thiết bị ngay cả khi nó đang vận hành. Còn AN221E02 là
nhóm vi mạch FPAA có thể thay đổi cấu hình động, lại vừa có giá rẻ. Đặc điểm
Nguyễn Hồng Đông

- 16 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

chung của các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai là tất cả chúng đều được đóng vỏ kiểu
QFP-44 chân và được nuôi bằng nguồn điện áp DC 5V.
Về bản chất, các vi mạch FPAA thế hệ thứ hai này cũng gồm các phần tử cơ bản
là CAB. Mỗi CAB đều chứa các phần tử op-amp làm việc với các tín hiệu vào/ra
analog có dạng vi sai, nhưng khi cần thiết cũng có thể chuyển thành dạng tín hiệu
đơn so đất (single-ended). Giải thông tín hiệu của các FPAA là từ DC tới 2MHz.
Các vi mạch FPAA làm việc với khả năng chống nhiễu cao. Hệ số tín hiệu/nhiễu
(SNR) lớn, 80dB đối với toàn bộ giải thông và 100 dB đối với một giải hẹp (âm tần).
Hệ số triệt nhiễu giao thoa giữa các phần tử trong mạch là trên 70dB. Sai lệch
(offset) điện áp DC ở lối vào rất nhỏ, dưới 100 µ V.Các vi mạch FPAA có thể thực
hiện các phép tạo hàm, hoặc hiệu chỉnh tính phi tuyến cho các sensor thông qua
việc sử dụng một bảng tra LUT ( Look-Up Table ).
II.2.2.1.AN120E04 và AN220E04
Đây là hai nhóm sản phẩm đầu tiên của thế hệ FPAA thứ hai do Anadigm chế
tạo. Về mặt cấu trúc chúng hoàn toàn giống nhau. Cấu trúc của các bộ phận trong
các vi mạch này như hình vẽ:

Nguyễn Hồng Đông

- 17 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

Hình 2.2 : Cấu trúc các vi mạch ANx20E04

Mỗi vi mạch ANx20E04 gồm có 4 khối CAB ở giữa, sắp xếp theo ma trận 2x2.
Xung quanh ma trận CAB là mạng lưới các đường kết nối có thể lập trình được. Tất
cả các phần tử CAB đều có thể liên kết với bảng tra LUT để có thể thực hiện các
phép biến đổi phi tuyến tuỳ ý. Có nguồn tạo điện áp reference để tạo mức điện áp
nền VMR, và các điện áp chuẩn dùng cho các CAB.
Các tín hiệu vào analog được đưa tới ma trận CAB thông qua bốn phần tử mạch
vào, là các Input Cell từ 1 đến 4. Trong đó, phần tử mạch vào thứ tư (Input Cell 4)
có thêm một khâu dồn kênh (MUX) cho phép chọn nối một trong bốn nguồn tín
hiệu vào khác nhau. Các tín hiệu ra analog được đưa từ ma trận CAB ra ngoài thông
qua hai phần tử mạch ra là các Output Cell 1 và 2. Tất cả các lối vào và ra analog
của FPAA đều sử dụng tín hiệu vi sai.
Nguyễn Hồng Đông

- 18 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển


Chương II : Tổng quan về công nghệ FPAA

Phần digital của FPAA gồm có một bảng tra LUT dạng bộ nhớ 256 byte, một
giao diện lập trình (Configurable Interface) qua đó có thể thay đổi cấu hình cho
FPAA, và một thanh ghi xấp xỉ dần SAR (Successive Approximation Register) 8 bit
có thể dùng cho các ứng dụng cần có biến đổi ADC. Việc trao đổi thông tin cấu
hình giữa FPAA và bên ngoài được thực hiện thông qua một chuẩn truyền nối tiếp
SPI. Tín hiệu nhịp clock dùng cho FPAA có thể được đưa vào từ một máy phát
clock ngoài qua chân DCLK, cũng có thể được một máy phát clock on-chip tạo ra

bằng cách nối thêm một tinh thể thạch anh có cộng hưởng nối tiếp tại chân DCLK.
Hoạt động của tất cả các bộ phận trong FPAA gồm CABs, clock, mạng lưới, các
đường kết nối, các phần tử mạch vào/ra analog đều được điều khiển bởi nội dung
của bộ nhớ cấu hình SRAM on-chip. Bên cạnh mỗi bit SRAM cấu hình luôn có một
bit SRAM ẩn (shadow SRAM) tương ứng với nó. Khi lập trình cho các vi mạch
FPAA, các dữ liệu trước hết được đưa vào bộ nhớ SRAM ẩn và chỉ sau khi việc lập
trình kết thúc thì nội dung của bộ nhớ SRAM ẩn mới được copy vào bộ nhớ SRAM
cấu hình để quy định hoạt động của chip.
Sự khác biệt cơ bản giữa giữa AN120E04 và AN220E04 là ở khả năng thay đổi
cấu hình động. Trên thực tế, cả hai loại vi mạch FPAA này đều có thể được lập
trình để thay đổi cấu hình mạch bao nhiêu lần cũng đuợc. Tuy vậy, khi muốn thay
đổi cấu hình cho AN120E04 người thiết kế phải reset lại hệ thống. Còn đối với
AN220E04 thì không cần phải như vậy, cấu hình của thiết bị dùng AN220E04 có
thể được thay đổi ngay cả khi nó đang hoạt động. Điều này có được là nhờ giao
diện lập trình của AN220E04 vẫn có thể tiếp nhận thông tin để cập nhật bộ nhớ
SRAM mà không gây ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị.

Nguyễn Hồng Đông

- 19 -

Đo lường và các hệ thống Điều khiển