Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển đa năng trên cơ sở công nghệ PSoC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.39 MB, 84 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
VŨ VĂN LIỆU
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA
NĂNG TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ PSoC
Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
Ts. Nguyễn Văn Hòa
Hà Nội – Năm 2011
Luận văn thạc sỹ khoa học
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG ..................................10
1.1
Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng .................................................10
1.2
Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại Việt nam........................10
1.3
Đánh giá các sản phẩm đã có......................................................................12
1.4
Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng ....................................................12
1.4.1 Bộ điều khiển đa năng có thể thay đổi cấu hình .................................12
1.4.2 Bộ điều khiển đa năng có thể thực hiện giao tiếp người và máy ........13
1.4.3 Bộ điều khiển đa năng xử lý được nhiều loại tín hiệu vào/ ra ............13
1.4.4 Tín hiệu ra của bộ điều khiển đa năng ................................................16
1.4.5 Bộ điều khiển đa năng thực hiện được các cấu trúc điều khiển và luật
điều khiển đa dạng..........................................................................................16
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PSoC ..........................19
2.1
Cấu trúc chi tiết bên trong chip PSoC .........................................................19
2.1.1 Bộ vi xử lý – CPU ..............................................................................20
2.1.2 Ngắt và các bộ điều khiển ngắt ...........................................................21
2.1.3 Các cổng vào ra đa chức năng.............................................................22
2.1.4 Các bộ dao động..................................................................................23
2.1.5 Sleep And Watchdog...........................................................................25
2.2
Hệ chương trình tự động thiết kế chip và Ngôn ngữ lập trình Assembler và
C của PSoC ...........................................................................................................28
2.2.1 Tạo một dự án trong PSoC DESIGNER .............................................29
2.2.2 Quản lý dự án ......................................................................................31
2.2.3 Thiết kế cấu hình chip PSoC ...............................................................32
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG ............38
3.1
Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID ..............................................................38
3.2
Thiết kế phần cứng bộ điều khiển đa năng..................................................40
2
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
3.2.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển đa năng .......................................................40
3.2.2 Lựa chọn chip xử lý trung tâm ............................................................41
3.2.3 Thiết kế mạch giao tiếp người và máy trong mạch đa năng ...............45
3.2.4 Thiết kế mạch đọc tín hiệu vào dòng- áp liên tục và hiển thị LCD ....46
3.2.5 Thiết kế mạch truyền thông với máy tính ...........................................49
3.2.6 Thiết kế mạch đo nhiệt độ với bộ điều khiển đa năng ........................51
3.3
Sơ đồ phần cứng mạch điều khiển đa năng .................................................55
3.4
Thiết kế phần mềm chức năng cho bộ điều .................................................56
3.4.1 Sơ đồ cấu trúc các chương trình bộ điều khiển đa năng .....................56
3.4.2 Menu chính..........................................................................................56
3.4.3 Menu chọn tín hiệu vào ra của bộ điều khiển .....................................57
3.4.4 Menu chọn luật điều khiển và tham số bộ điều khiển.........................58
3.4.5 Lưu đồ khối một số hàm trong chương trình ......................................59
3.4.6 Chương trình phần mềm bộ điều khiển đa năng .................................65
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG TRONG ĐO VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG ..............................................................................66
4.1
Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ ..............................................................66
4.2
Mô hình hóa hệ thống, lựa chọn luật điều khiển và xác định các tham số..67
4.2.1 Mô hình hóa hệ thống..........................................................................67
4.2.2 Lựa chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển ..................69
4.3
Một số hình ảnh ứng dụng bộ điều khiển đa năng trong điều khiển lò nhiệt
72
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .................73
5.1
Kết luận và Kiến nghị..................................................................................73
5.2
Tài liệu tham khảo .......................................................................................75
5.3
Phụ lục .........................................................................................................76
3
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Các bộ điều khiển đa năng của hãng OMRON .......................................11
Bảng 2. 1: Các thanh ghi của CPU: ..........................................................................20
Bảng 2. 2: Các thanh ghi của bộ điều khiển ngắt......................................................21
Bảng 2. 3: Các thanh ghi cấu hình cổng vào ra đa chức năng ..................................22
Bảng 2. 4: Các thanh ghi của Sleep và watchdog .....................................................25
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1: Cấu trúc chuẩn hóa các đại lượng đo lường.............................................13
Hình 1. 2: Mô tả một vào ra của hệ thống.................................................................16
Hình 1. 3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển SISO ...............................................................18
Hình 1. 4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ MISO.........................................................18
Hình 1. 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển CASCADE ................................................18
Hình 2. 1: Sơ đồ khối kiến trúc PSoC.......................................................................19
Hình 2. 2: Sơ đồ khối kiến trúc PSoC.......................................................................19
Hình 2. 3: Sơ đồ khối hoạt động của bộ điều khiển..................................................21
Hình 2. 4: Sơ đồ khối của một chân vào ra đa chức năng.........................................23
Hình 2. 5: Tạo bộ dao động ngoài.............................................................................25
Hình 2. 6: Biểu đồ dẫy các sự kiện đánh thức hệ thống............................................26
Hình 2. 7: vWatchdog reset.......................................................................................28
Hình 2. 8: Giao diện Device Edittor .........................................................................31
Hình 2. 9: Giao diện Debuger ...................................................................................32
Hình 2. 10: Kết nối User module với thiết bị ngoại vi..............................................35
Hình 3. 1: Cấu trúc hệ thống điều khiển số...............................................................39
4
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3. 2: Sơ đồ khối các module trong Bộ điều khiển đa năng ..............................40
Hình 3. 3: Sơ đồ chân PSoC 8CY29466 ...................................................................43
Hình 3. 4: Mạch nguyên lý giao tiếp người và máy..................................................45
Hình 3. 5: Mạch giáo tiếp đọc tín hiệu ADC trong PSoC.........................................46
Hình 3. 6: Sơ đồ kết nối Interconect view mạch đọc dữ liệu liên tục.......................48
Hình 3. 7: Mạch giao tiếp PSoC với máy tính ..........................................................49
Hình 3. 8: Sơ đồ kết nối Interconect view mạch truyền dữ liệu với máy tính ..........50
Hình 3. 9: Đường đặc tính nhiệt độ của các cặp nhiệt ..............................................51
Hình 3. 10: Nhiệt điện trở PT100..............................................................................52
Hình 3. 11: Mối quan hệ điện trở phụ thuộc nhiệt độ ...............................................52
Hình 3. 12: Mạch nguyên lý đầu vào đo nhiệt độ .....................................................53
Hình 3. 13: Cấu trúc các module sử dụng đo nhiệt độ..............................................53
Hình 3. 14: Sơ đồ Interconect view mạch đo nhiệt độ..............................................54
Hình 3. 16: Các chế độ hoạt động của bộ điều khiển đa năng..................................56
Hình 4. 1: Sơ đồ khối của mạch điều khiển lò nhiệt .................................................66
Hình 4. 2: Thiết bị cầm tay Tempstick......................................................................67
5
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
MỞ ĐẦU
Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa- hiện đại hóa, một trong
những yếu tố đẩy nhanh tiến trình đó là việc học tâp, nghiên cứu ứng dụng những
thành tựu về công nghệ của thế giới vào điều kiện thực tiễn của Việt nam. Trên thế
giới hiện nay công nghệ thiết kế chế tạo các chip điều khiển đang là hướng phát
triển mới nhất hiện quy tụ vào một số công nghệ là ASIC (Application Specific
Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate Array) và CSoC
(Configurable System on Chip), nhưng nổi trội nên trong đó công nghệ PSoC.
PSoC là một từ viết tắt của cụm từ tiếng anh Programmable System on Chip
nghĩa là hệ thống khả trình trên chíp. Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC cho
phép thay đổi được cấu hình đơn giản bằng cách gán chức năng cho các khối tài
nguyên có sẵn trên chíp. Hơn nữa nó còn có thể kết nối tương đối mềm dẻo các khối
chức năng với nhau hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vào ra. Chính vì vậy
mà PSOC có thể thay thế cho rất nhiều chức năng nền của một số hệ thống cơ bản
chỉ bằng một đơn chíp. Thành phần của chíp PSOC bao gồm các khối ngoại vi số và
tương tự có thể cấu hình được, một số vi xử lý 8 bít, bộ nhớ chương trình (EFROM)
lập trình được và bộ nhớ RAM khá lớn.
Để lập trình hệ thống, người sử dụng được cung cấp một phần mềm lập trình
được. Phần mềm thiết kế được xây dựng trên cơ sở hướng đối tượng với cấu trúc
module hoá. Mỗi khối chức năng là một module mềm. Việc lập trình thông qua một
số thư viện chuẩn. Người lập trình thiết lập cấu hình trên chip chỉ đơn giản bằng
cách muốn chip có những chức năng đó và thả vào khối tài nguyên số hoặc tương
tự, hoặc cả hai tuỳ theo từng chức năng. Việc thiết lập ngắt trên chân nào, loại ngắt
là gì, các chân vào ra được kích hoạt ở chế độ như thế nào đều tuỳ thuộc vào việc
thiết lập của nguời lập trình khi thiết lập và lập trình cho PSOC.
Với khả năng đặt cấu hình mạnh mẽ và phần mềm lập trình linh hoạt, thiết
điều khiển sử dụng công nghệ PSoC có thể được gói trọn trên một chip duy nhất.
Chính vì lí do đó, hãng sản xuất chip nổi tiếng Cypress MicroSystems đã không gọi
6
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
sản phẩm của mình là vi điều khiển (µC) như truyền thống mà gọi là “ Thiết bị
PSoC”, với hy vọng rằng người sử dụng sẽ có được những thiết bị điều khiển có giá
rẻ, kích thước nhỏ gọn, và thiết bị điều khiển PSoC sẽ thay thế được hầu hết các
thiết bị dựa trên vi xử lý hoặc vi điều khiển đã có từ trước tới nay.
Được sự hướng dẫn của thầy giáo Ts. Nguyễn Văn Hòa, Bộ môn Điều khiển
tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài
“ Nghiên cứu, Chế tạo bộ điều khiển đa năng trên cơ sở công nghệ PSoC ”
với mục đích là:
Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC và tìm hiểu công cụ phần cứng, phần
mềm cho phát triển các chip điều khiển trên cơ sở các chip PSoC
Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển đa năng
Thử nghiệm bộ điều khiển đa năng điều khiển lò nhiệt
CÁC NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHÍNH:
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng
Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại việt nam
-
Thiết bị điều khiển đa năng của hãng OMRON
-
Thiết bị điều khiển đa năng của hãng SIEMENS
Đánh giá các sản phẩm đã có
Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng sử dụng công nghệ PSoC
CHƯƠNG 2 -NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PSoC
Cấu trúc chi tiết bên trong PSoC
-
Bộ vi xử lý- CPU
-
Ngắt và các bộ điều khiển ngắt
7
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
-
Các cổng vào ra đa chức năng
-
Các bộ dao động
-
Chức năng Sleep và Watchdog
Hệ chương trình tự động thiết kế chip và ngôn ngữ lập trình PSoC
-
Tạo một dự án trong thiết kế
-
Quản lý dự án
-
Thiết kế cấu hình chip PSoC
CHƯƠNG 3- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID
Thiết kế phần cứng bộ điều khiển đa năng
-
Sơ đồ khối bộ điều khiển đa năng
-
Lựa chọn chip xử lý trung tâm của bộ điều khiển đa năng
-
Thiết kế mạch giao tiếp người và máy trong mạch đa năng
-
Thiết kế mạch đọc tín hiệu vào là dòng-áp liên tục và hiển thị LCD
-
Thiết kế mạch truyền thông với máy tính qua cổng nối tiếp
-
Thiết kế mạch đo nhiệt độ
Thiết kế các menu chức năng và xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình
-
Thiết kế menu chọn cấu trúc hệ điều khiển
-
Menu chọn tín hiệu vào ra
-
Menu chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển
CHƯƠNG 4- ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG TRONG ĐO VÀ ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT
Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ
-
Sơ đồ khối chức năng mạch điều khiển nhiệt độ
-
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nhiệt độ
Mô hình hóa hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt
-
Mô hình hóa hệ thống
-
Lựa chọn luật điều khiển và xác định tham số điều khiển
8
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
+ Lưu đồ điều khiển PID lò nhiệt
+ Xác định tham số bộ PID
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ
9
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
1.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng
Bộ điều khiển đa năng là gì ?
Hiện nay trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, một bộ điều khiển được
gọi là đa năng nếu nó thỏa mãn được các yêu cầu sau đây:
Sử dụng cho nhiều loại tín hiệu vào và tín hiệu ra khác nhau cho các đối tượng
trong công nghiệp.
Có thể điều khiển nhiều hệ thống khác nhau như hệ SISO, MISO,
CASCADE…
Điều khiển hệ thống có cấu trúc theo nhiều vòng điều khiển, Sử dụng nhiều
luật điều khiển( PID, điều khiển tầng, điều khiển mờ, điều khiển trình tự, điều khiển
thích nghi,…) tùy theo từng loại đối tượng.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng sản xuất
khác nhau. Tuy nhiên, theo các yêu cầu như trên thì hầu hết các sản phẩm này vẫn
chưa đáp ứng đầy đủ, có một vài dòng sản phẩm chủ yếu được dùng để điều khiển
đối tượng thông dụng trong công nghiệp ví dụ như điều khiển nhiệt độ, điều khiển
mức,… không phải là điều khiển đối tượng bất kì, tuy nhiên chúng lại được sản xuất
với mục đích là một thiết bị điều khiển đa năng tích hợp trong các hệ thống lớn như
PLC S7-200/300 của Siemens, CMP1A của Omron, …
1.2 Tổng quan một số thiết bị điều khiển đa năng tại Việt nam
Hiện tại thị trường Viêt nam, một thị trường giàu tiềm năng cho các lĩnh vực
điều khiển tự động hóa của các thiết bị đơn lẻ phục vụ quy mô sản xuất vừa và nhỏ.
Có thể kể ra một vài dòng sản phẩm của các hãng sản xuất lớn trên thế giới như
Omron, Siemens, Delta, ABB, Rockwell,… Ta sẽ xem một vài bộ điều khiển có thể
được xem là đa năng như Bảng 1.1
10
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Bảng 1. 1: Các bộ điều khiển đa năng của hãng OMRON
Thông dụng: nhóm E5CSZ
Nguồn: 100-240 VAC ( 24VDC)
Màn hiển thị số dễ nhìn
Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ
8 chế độ cảnh báo
Kiểu điều khiển:
- ON/OFF
- Hoặc 2 bộ PID có auto-tuning
Đầu ra điều khiển: Một bộ tiếp điểm
thường mở 1A-250VAC
Đa năng: E5AZ/EZ
-
Cao cấp: E5CN
-
11
Nguồn: 100-240 VAC ( 24VDC)
Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ
8 chế độ cảnh báo
Kiểu điều khiển:
ON/OFF
Hoặc 2 bộ PID có auto-tuning
Đầu vào multi-input:
Nhận tín hiệu vào tương tự 0-25mA, 425mA, 0-10V
Nhận đầu vào 0-50mV hoặc cảm biến
nhiệt không tiếp xúc
Đầu ra cảnh báo: bộ tiếp điểm thường
hở 1A-250VAC
Truyền thông RS-485
Các loại đầu vào đa chức năng
Các model có đầu vào nhiệt:
+ Cặp nhiệt: K,J,T,E,L,U,N,R,S hoặc
B
+ Nhiệt điện trở bạch kim: Pt100
+ Cảm biến nhiệt không tiếp xúc.
Model có đầu vào Analog:
+ Đầu vào dòng: 4 đến 20mA hoặc 0
đến 20mA
+ Đầu vào điện áp: 1 đến 5V, 0 đến
5V hoặc 0 đến 10V.
Hiển thị LED 11 thanh, đổi 3 màu, lấy
mẫu 250ms.
Có sẵn cổng giao diện USB (dùng cáp
E58-CIFQ1 USB-Serial để kết nối với
phần mềm CX-Thermo với tốc độ 38.4
kbs trên máy tính mà không cần phải có
module truyền thông).
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
1.3 Đánh giá các sản phẩm đã có
Dựa vào tình hình các sản phẩm thiết bị điều khiển của các hãng phổ biến tại
Việt nam trên ta có thể đưa ra một số nhận xét:
Các sản phẩm hầu hết chỉ là các thiết bị điều khiển với luật điều khiển trạng
thái ON/OFF hoặc PID kinh điển. Không hề có sản phẩm nào theo luật điều khiển
khác
Các sản phẩm đều có khả năng tích hợp với mạng công nghiệp thông qua các
giao thức truyền thông công nghiệp. Sản phẩm ứng dụng trong các mạng công
nghiệp đồng bộ giữa các thiết bị trong toàn hệ thống là hướng đi đúng của các nhà
sản xuất, nhưng các sản phẩm này ứng dụng trọng phạm vi vừa và nhỏ, đòi hỏi yêu
cầu xử lý, giao tiếp linh hoạt thì chức năng giao tiếp mạng thường không sử dụng
hiệu quả, khó khăn trong việc giao tiếp với các thiết bị nhỏ lẻ. Từ đó có thể kết luận
rằng sản phẩm bộ điều khiển cho các ứng dụng nhỏ thường bị bỏ qua không được
quan tâm phát triển.
Đa số các sản phẩm này được ứng dụng cho mục đích là để điều khiển một đối
tượng nhất định( Là nhiệt độ, động cơ AC…) rất ít sản phẩm sử dụng để điều khiển
đối tượng bất kì.
Về giá thành các thiết bị do các hãng sản xuất thường rất cao trong những ứng
dụng nhỏ gây lãng phí chi phí đầu tư của doanh nghiệp, đơn vị sản xuất.
Do đó nếu ta có thể nghiên cứu, chế tạo ra sản phẩm có khả năng điều khiển
một đối tượng bất kì, với chất lượng và giá cả hợp lý thì sản phẩm rất có ý nghĩa
trong sản xuất, nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ trong tự động hóa sản xuất.
1.4 Đề xuất giải pháp bộ điều khiển đa năng
Với những tìm hiểu và đánh giá ở trên ta có thể nghĩ tới việc nghiên cứu, chế
tạo một thiết bị điều khiển đa năng với những yêu cầu sau:
1.4.1 Bộ điều khiển đa năng có thể thay đổi cấu hình
- Cấu hình 1 : 16 kênh đầu vào ADC 12 bit, 8 bit DI, 8 bit DO, cổng điều
khiển truyền thông không đồng bộ UART.
12
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
- Cấu hình 2 : 14 kênh đầu vào ADC 12 bit, 2 kênh DAC 8 bit, 8 bit DI, 8
bit DO, cổng điều khiển truyền thông không đồng bộ UART.
- Cấu hình 3 : 8 bộ Timer/Counter 16 bit.
1.4.2 Bộ điều khiển đa năng có thể thực hiện giao tiếp người và máy
Giao tiếp người và máy với bộ điều khiển đa năng là quá trình:
-
Thu thập kiểm tra trạng thái logic ON/OFF của các biến cần kiểm tra
-
Nhận lệnh điều khiển từ người điều khiển bẳng các bàn phím, nút nhấn,
công tắc start, stop,..
-
Cảnh báo trạng thái hoạt động của hệ thống, đèn báo hoạt động, báo
dừng, đèn báo lỗi
1.4.3 Bộ điều khiển đa năng xử lý được nhiều loại tín hiệu vào/ ra
1.4.3.1 Đầu vào là tín hiệu dòng- áp liên tục
Trong lĩnh vực điều khiển các hệ thống công nghiệp, tín hiệu tương tự cần xử
lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng,
khối lượng…Vì vậy cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển các tín hiệu này
về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Thiết bị này được gọi là các đầu đo hay
cảm biến.
Tín hiệu liên
tục chuẩn hóa
Đại lượng cần
đo
Đầu đo
Thiết bị
chuyển đổi
Hình 1. 1: Cấu trúc chuẩn hóa các đại lượng đo lường
Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn. Vì
vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết bị chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn
công nghiệp. Thiết bị này được gọi là các Transmiter.
Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm
biến hoàn chỉnh, thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay chính xác là thiết bị đo và
chuyển đổi đo (Transducer).
Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện áp và chuẩn dòng điện
13
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
- Điện áp : (0 ÷ 10)V, (0 ÷ 5)V, ± 5V…
- Dòng điện : (4 ÷ 20)mA, (0 ÷ 20)mA, ± 10mA…
Bộ điều khiển đa năng được thiết kế có khả năng xử lý các tín hiệu liên tục từ
các thiết bị đo và chuyển đổi đo như trên
1.4.3.2 Đầu vào của bộ điều khiển là nhiệt độ
Nhiệt độ là thành phần chủ yếu trong hệ thống thu thập dữ liệu. Do vậy, nếu
chọn lựa thiết bị đo lường nhiệt độ chính xác ta có thể tiết kiệm chi phí năng lượng,
tăng độ an toàn và giảm thời gian kiểm tra… thiết bị đo lường nhiệt độ thường dùng
là cảm biến nhiệt độ, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, thermistors… là những loại cảm
biến nhiệt độ thông thường. Việc lựa chọn thiết bị để hoạt động chính xác tùy thuộc
và nhiệt độ tối đa, tối thiểu cần đo, độ chính xác và những điều kiện về môi trường.
Ta khảo sát một số đặc điểm của các cảm biết nhiệt độ trên :
Thermocouple( Cặp nhiệt điện)
Ưu điểm :
-
Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất
-
Đơn giản, chi phí rẻ
-
Tầm thay đổi rộng
-
Tầm đo nhiệt rộng
Khuyết điểm :
Phi tuyến
Điện áp cung cấp thấp
Đòi hỏi điện áp tham chiếu
Kém nhạy
RTD( Resistance Temprature Detector)
Ưu điểm
-
Ổn định nhất
-
Chính xác nhất
-
Tuyến tính hơn thermocouple
Khuyết điểm:
14
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
-
Chi phí cao.
-
Phải cấp nguồn dòng.
-
Lượng thay đổi ∆R nhỏ.
-
Điện trở tuyệt đối thấp.
-
Tự gia tăng nhiệt.
Thermistor
Ưu điểm:
-
Ngõ ra có giá trị lớn.
-
Nhanh.
-
Đo hai dây.
Khuyết điểm:
-
Phi tuyến.
-
Giới hạn tầm đo nhiệt.
-
Dễ vỡ.
-
Cần phải cấp nguồn dòng.
-
Tự gia tăng nhiệt.
IC cảm biến
Ưu điểm:
-
Tuyến tính.
-
Ngõ ra có giá trị cao.
-
Rẻ tiền.
Khuyết điểm:
-
Nhiệt độ đo dưới 200 0 C
-
Cần cung cấp nguồn cho cảm biến
15
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Trong nội dung luận văn này, Bộ điều khiển đa năng sử dụng trong công
nghiệp, với dải nhiệt độ đo lớn, độ thay đổi nhỏ nên chúng ta sử dụng loại
Thermocouple và Nhiệt điện trở để đo nhiệt độ
1.4.4 Tín hiệu ra của bộ điều khiển đa năng
Tín hiệu điểu khiển đầu ra của bộ điều khiển đa năng tuân theo các quy luật
điều khiển là :
Rơ le điều khiển 3 vị trí có vòng trễ
Điều khiển độ rộng xung
Điều khiển liên tục theo dòng điện
Điều khiển liên tục theo điện áp
1.4.5 Bộ điều khiển đa năng thực hiện được các cấu trúc điều khiển và
luật điều khiển đa dạng
1.4.5.1 Các cấu trúc điều khiển
Một hệ thống kỹ thuật được mô tả tổng quát như hình 1.2 :
y1(t)
u1(t)
Hệ thống kỹ thuật
...
...
...
...
x1, x2,... ,xn
ur(t)
ys(t)
Hình 1. 2: Mô tả một vào ra của hệ thống
Các tín hiệu vào:
Các tín hiệu vào u1(t), …, ur(t) của hệ thống có được từ các Thiết bị điều khiển
(TBĐK). TBĐK là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra
giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng.
Các phương pháp để TBĐK tạo ra tín hiệu điều khiển bao gồm:
-
Điều khiển theo chương trình: là tín hiệu điều khiển được tạo ra từ
chương trình định sẵn trong TBĐK.
16
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
-
Phương thức bù nhiễu: Tín hiệu điều khiển hình thành khi xuất hiện
nhiễu loạn tác động vào hệ thống. Tín hiệu điều khiển này phát ra nhằm
bù lại sự tác động của nhiễu giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều
chỉnh không đổi
-
Điều khiển theo sai lệch: Đây là phương pháp điều khiển phổ biến nhất
trong các hệ thống, tín hiệu điều khiển được hình thành do có sự sai lệch
giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều chỉnh.
Các tín hiệu ra:
Tín hiệu ra của hệ thống y1(t), …, ys(t) là kết quả thu được khi tác động tín
hiệu điều khiển lên đối tượng điều khiển ( ĐTĐK).
Những dạng mô tả hệ thống công nghiệp phổ biến:
Trong các hệ thống công nghiệp hiện đại ngày này một hệ thống được mô tả
thành những dạng cơ bản như:
-
Hệ thống chỉ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra gọi là SISO( Chữ
viết tắt Single Input- Single Output)
-
Hệ thống có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra gọi là MIMO ( Chữ
viết tắt Multil Input- Multil Output).
Thay đổi đi một chút ta sẽ có thêm các mô hình khác như:
-
Mô hình nhiều tín hiệu vào một tín hiệu ra gọi là MISO( Multil InputSingle Output)
-
Mô hình một tín hiệu vào nhiều tín hiệu ra gọi là SIMO( Single InputMultil Output).
Kết luận:
Từ việc khảo sát các phương pháp để TBĐK tạo ra tín hiệu điều khiển trong
các hệ thống công nghiệp. Bộ điều khiển đa năng xây dựng một số cấu trúc hệ điều
khiển như hình
Hệ thống SISO
17
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
U1(t)
e(t)
TBĐ K
-
Y1(t)
u(t)
ĐTĐK
Hình 1. 3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển SISO
Hệ thống MISO ( Có tác động của nhiễu và bù nhiễu)
Z1(t)
TBB
U1(t)
e(t)
-
Y1(t)
u(t)
ĐTĐK
TBĐ K
Hình 1. 4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ MISO
Hệ CASCADE( Ghép nối nhiều vòng điều khiển)
X(t)
X1(t)
-
Wm1(p)
Y1(t)
Wm2(p)
u(t)
W1 (p)
Y(t)
W2 (p)
Hình 1. 5: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển CASCADE
1.4.5.2 Các luật điều khiển
Bộ điều khiển đa năng điều khiển được nhiều vòng điều khiển, sử dụng
phương pháp điều khiển kinh điển theo luật tỷ lệ P, tỷ lệ tích phân PI, PD, PID
18
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ PSoC
2.1
Cấu trúc chi tiết bên trong chip PSoC
Cấu trúc bên trong PSoC được trình bày như hình 2.1 bao gồm:
-
Cấu trúc vi xử lý
-
Hệ thống khối vào ra số
-
Hệ thống khối vào ra tương tự
-
Một số khối tái nguyên bổ xung khác
Hình 2. 1: Sơ đồ khối kiến trúc PSoC
19
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
2.1.1 Bộ vi xử lý – CPU
Có 5 thanh ghi điều khiển hoạt động chính của CPU. Những thanh ghi này bị
tác động bởi những lệnh khác nhau. Người sử dụng có thể truy cập trực tiếp vào các
thanh ghi này thông qua không gian bộ nhớ các thanh ghi. Các thanh ghi của CPU
được cho trong bảng 2.1:
Bảng 2. 1: Các thanh ghi của CPU:
Thanh ghi
Mã gợi nhớ
Flags (Thanh ghi cờ)
CPU_F
Program Counter (Thanh ghi đếm chương trình )
CPU_PC
Accumulator (Thanh ghi chứa)
CPU_A
Stack Pointer (Thanh ghi con trỏ)
CPU_SP
Index (Thanh ghi chỉ số)
CPU_X
Bộ đếm chương trình là một thanh ghi 16 bit (CPU_PC): Nó cho phép người
lập trình truy cập trực tiếp vào toàn bộ không gian bộ nhớ chương trình trên chíp
(16 kbytes đối với thành viên lớn nhất).
Thanh ghi chứa (Accumulator): Là một thanh ghi đa mục đích, nó thường
được sử dụng để lưu giữ kết quả của bất cứ một lệnh nào sử dụng chế độ địa chỉ
nguồn.
Thanh ghi chỉ số được dùng để lưu giữ giá trị Offset (độ lệch) trong chế độ
địa chỉ chỉ số. Tiêu biểu là nó được dùng để địa chỉ một khối dữ liệu bên trong
không gian nhớ dữ liệu.
Thanh ghi con trỏ Stack (Stack Pointer) lưu giữ địa chỉ của đỉnh ngăn Stack
trong không gian dữ liệu. Nó bị tác động bởi những lệnh như là PUSH, POP,
LCALL, RETI và RET. Nói chung là tất cả những lệnh có liên quan đến Stack của
phần mềm nó cũng có thể ảnh hưởng bởi lệnh SWAP và lệnh ADD.
Thanh ghi cờ (Flags): Có ba bit trạng thái: bit cờ không –Zero Flag bit [1];
bit cờ nhớ – Carry Flag bit[2]; bit Supervisory State [3]. Bít cho phép ngắt toàn
cục- Global Interrupt Enable bit[0] được dùng để cho phép hoặc cấm toàn bộ các
ngắt. Các cờ trên bị ảnh hưởng bởi lệnh toán học, những lệnh logic vv…
20
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
2.1.2 Ngắt và các bộ điều khiển ngắt
Các thanh ghi điều khiển ngắt
Bảng 2. 2: Các thanh ghi của bộ điều khiển ngắt
Mô tả cấu trúc của bộ điều khiển ngắt
Hình 2. 2: Sơ đồ khối hoạt động của bộ điều khiển
- Interrupt Source: Nguồn ngắt (bộ định thời, các chân vào ra đa chức năng)
- Interrupt Taken or INT_CLRx Write: Thi hành ngắt hoặc xoá ngắt
- INT_MSKx: Lập mặt nạ che ngắt
- Post Interrupt: Thông báo ngắt
- Pending Interrupt: Ngắt chờ
- Priority Encoder: Bộ mã hoá mức ưu tiên của ngắt
- GIE(CPU_F[0]): Cho phép ngắt toàn cục (Global Interrupt Enable)
- Interrupt Request: Yêu cầu ngắt
21
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
2.1.3 Các cổng vào ra đa chức năng
Cổng vào ra đa chức năng cung cấp cho CPU một giao diện với bên ngoài.
Chúng đòi hỏi một số lượng lớn thanh ghi cấu hình để hỗ trợ cho nhiều hoạt động
vào/ ra bao gồm cả số và tương tự.
Bảng 2. 3: Các thanh ghi cấu hình cổng vào ra đa chức năng
Address
Name
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
7
6
5
4
3
2
1
0
Access
0,xxh
PRTxDR
Data Registor (Thanh ghi dữ liệu )
RW:00
0,xxh
PRTxIE
Bit Interrupt Enable (Bit cho phép ngắt)
RW:00
0,xxh
PRTxGS
Globol Select (Lựa chọn toàn cục)
RW:00
0,xxh
PRTxDM2 Driver Mode 2 (Thanh ghi hoạt động chế độ 2)
RW:FF
1,xxh
PRTxDM0 Driver Mode 0 (Thanh ghi hoạt động chế độ 0)
RW:00
1,xxh
PRTxDM1 Driver Mode 1 (Thanh ghi hoạt động chế độ 1)
RW:FF
1,xxh
PRTxIC0
Interrupt Control 0 (Thanh ghi điều khiển ngắt 0)
RW:00
1,xxh
PRTxIC1
Interrupt Control 1 (Thanh ghi điều khiển ngắt 1)
RW:00
Các cổng vào đa chức năng đều có độ rộng là 8 bit/1cổng. Mỗi một cổng
vào/ra bao gồm 8 khối GPIO giống hệt nhau. Mỗi một khối GPIO đều được kết nối
với bit có số thứ tự tương ứng trong địa chỉ và thanh ghi. Bởi vậy, những thanh ghi
trong bảng 2.3 thực sự chỉ dành cho một cổng (bao gồm 8 khối GPIO). Trong đó
thì vị trí của các bit sẽ chỉ rõ là khối GPIO nào trong 8 khối được điều khiển với
cổng vào ra.
22
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Mỗi một khối GPIO có thể được sử dụng cho những kiểu vào ra sau:
- Vào ra số (Vào ra số điều khiển bởi phần mềm).
- Vào ra toàn cục (Vào ra cho các khối PSoC số).
- Vào ra tương tự (Vào ra cho các khố PSoC tương tự).
Hình 2. 3: Sơ đồ khối của một chân vào ra đa chức năng
2.1.4 Các bộ dao động.
Bộ tạo dao động chính bên trong (IMO-Internal Main Oscillator)
Đầu ra của bộ IM0 có 2 loại, một loại là SYSCLK có thể là nguồn xung nhịp
24MHz ở bên trong hay nguồn xung nhịp bên ngoài, một loại là SYSCLK2x có tần
số xung nhịp gấp đôi SYSCLK. Khi không có đầu vào chính xác cao từ bộ dao
động thạch anh 32KHz thì độ chính xác của nguồn xung nhịp 24/48MHz ở bên
trong sẽ là +/- 2,5% đối với giải nhiệt độ và hai mức điện áp hoạt động (3.3V+/0.3V và 5.0V+/- 5%). Không cần thêm một thành phần bên ngoài nào để đạt được
mức độ chính xác này.
23
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Có một lựa chọn để chốt pha của bộ dao động bên trong này sang bộ dao
động thạch anh bên ngoài. Vì thế việc lựa chọn thạch anh và độ chính xác của nó
quyết định tính chính xác của bộ dao động ngoài. Bộ dao động thạch anh bên ngoài
cần phải ổn định trước khi chốt tần số dao động của bộ dao động chính bên trong
vào nguồn xung nhịp này.
Bộ IMO có thể được khoá khi sử dụng nguồn xung nhịp bên ngoài. Bởi vậy,
mạch nhân đôi tần số (SYSCLK2x) có thể được ngắt để tiết kiệm năng lượng cho
hệ thống. Lưu ý rằng khi sử dụng nguồn xung nhịp bên ngoài, nếu như SYSCLK2x
được cần đến thì IMO không thể bị khoá.
Bộ dao động tốc độ thấp nội tại (ILO-Internal Low Speed Oscillator)
ILO là bộ phát xung nhịp nội tại tốc thấp 32KHz. Nó có khả năng sinh ra
ngắt để đánh thức chế độ ngủ và reset lại đồng hồ Watchdog. Bộ tạo dao động này
cũng được sử dụng như là một nguồn xung nhịp cho các khối số.
Bộ ILO có thể hoạt động ở ba chế độ: chế độ bình thường, chế độ nguồn
giảm hoặc chế độ tắt (Không sử dụng). Chế độ bình thường tiêu thụ nhiều năng
lượng hơn cho độ chính xác của tần số xung nhịp. Chế độ nguồn giảm luôn luôn
được dùng khi chíp đang ở trạng thái nguồn giảm (nghỉ) và có thể được lựa chọn
khi chíp đang hoạt động, nhưng nó sẽ phát ra một nguồn xung nhịp có độ chính xác
kém hơn so với chế độ bình thường.
Bộ tạo dao dộng thạch anh 32KHz (ECO)
Mạch tạo dao động thạch anh 32 KHZ cho phép người sử dụng thay thế bộ
tạo dao dộng bên trong (ILO) với một bộ tạo dao động bên ngoài với độ chính xác
cao hơn, giá thành thấp và năng lượng tiêu hao ít.
Mạch tạo dao động thạch anh sử dụng một thạch anh rẻ và hai tụ nhỏ là
thành phần bên ngoài. Tất cả các thành phần khác đều nằm trong chíp PSoC. Bộ
dao động thạch anh có thể cấu hình để cung cấp một tham chiếu đến bộ tạo dao
động bên trong (IMO) trong chế độ PLL (Phase Lock Loop) để tạo ra nguồn xung
nhịp hệ thống 24 MHz với độ chính xác cao hơn.
24
Ngành điều khiển và tự động hóa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Chân XTALIN và chân XTALOUT hỗ trợ kết nối với thạch anh 32.768
KHz. Để có thể sử dụng bộ dao động thạch anh bên ngoài thì bit 7 của thanh ghi
điều khiển bộ dao động OSC_CR0 cần phải được đặt =1 (mặc định là 0). (Xem
hình 2-6).
Hình 2. 4: Tạo bộ dao động ngoài
2.1.5 Sleep And Watchdog
Bảng 2. 4: Các thanh ghi của Sleep và watchdog
Mục đích của chế độ nghỉ là để giảm năng lượng tiêu thụ trung bình của hệ
thống đến mức có thể. Hệ thống đi vào chế độ được khởi tạo và điều khiển bởi
chương trình. Trong trạng thái này, CPU được dừng lại ở một biên giới lệnh và bộ
phát xung nhịp 24/48 MHz, modun bộ nhớ Flash và giả band-gap giảm năng lượng
tiêu thụ. Khối PSoC duy nhất còn hoạt động là bộ phát xung nhịp 32KHz (Bên
trong hoặc bên ngoài). Khối PSoC bấm giờ từ sự lựa chọn xung nhịp 32KHz và
mạch theo dõi điện áp cung cấp.
Các khối PSoC tương tự có hai chế độ giảm nguồn được điều khiển bởi vi
chương trình và độc lập với trạng thái nghỉ. Khối Continuous Timer Analog có thể
vẫn hoạt động, từ khi chúng không yêu cầu nguồn xung nhịp. Tuy nhiên, khối
Analog SC sẽ không hoạt động từ lúc nguồn xung nhịp nội tại cung cấp cho chúng
ngừng hoạt động.
Hệ thống có thể chỉ được đánh thức khỏi chế độ nghỉ bằng một yêu cầu ngắt
hoặc sự kiện reset hệ thống. Đồng hồ nghỉ cung cấp những ngắt định kỳ để cho
25
Ngành điều khiển và tự động hóa
