NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ
ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC
Mã số: ĐH2015-TN02-09

Chủ nhiệm đề tài: TS. Đỗ Trung Hải

Thái Nguyên, 9/2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ
ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC
Mã số: ĐH2015-TN02-09
Xác nhận của tổ chức chủ trì
KT. HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

TS. Đỗ Trung Hải

Thái Nguyên, 09/2018


DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI
TT
1

Họ và tên
Đỗ Trung Hải

Đơn vị công tác và

Nội dung nghiên cứu cụ thể

Ghi

lĩnh vực chuyên môn

được giao

chú

Khoa Điện, Trường - Xây dựng đề cương chi tiết
Đại học Kỹ thuật của dự án
Công nghiệp

- Thử nghiệm card trong việc
điều khiển một số hệ thống
- Hoàn thiện đề tài

2

Nguyễn

Ngọc Khoa Điện, Trường - Thiết kế phần cứng

Kiên

Đại học Kỹ thuật - Thử nghiệm card trong việc
Công nghiệp
điều khiển một số hệ thống
- Hoàn thiện đề tài

3

Trần Đức Quân

Khoa Điện, Trường - Thiết kế phần cứng
Đại học Kỹ thuật - Lập trình phần mềm cho
Công nghiệp
Matlab
- Lập trình phần mềm cho
card
- Thử nghiệm card trong việc
điều khiển một số hệ thống

iv

ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH
TT

Tên đơn vị
trong và ngoài nước

1

Nội dung phối hợp nghiên cứu

Họ và tên người
đại diện đơn vị

Khoa Điện, ĐH Kỹ Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế

Trưởng Khoa

thuật Công nghiệp phần cứng, lập trình phần mềm,

TS. Đỗ Trung Hải

Thái Nguyên

thử nghiệm hệ thống.


v

MỤC LỤC
THÔNG TIN VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................. x
1. Thông tin chung ........................................................................................ x
2. Mục tiêu .................................................................................................... x
3. Tính mới và sáng tạo ................................................................................. x
4. Kết quả nghiên cứu ................................................................................... x
5. Sản phẩm .................................................................................................. xi
5. 1 Sản phẩm khoa học ............................................................................... xi
5.2 Sản phẩm đào tạo ................................................................................... xi
5.3 Sản phẩm ứng dụng............................................................................... xii
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại
của kết quả nghiên cứu ................................................................................ xii
1. General information ............................................................................... xiii
2. Objective (s) ........................................................................................... xiii
3. Creativeness and innovativeness............................................................ xiii
4. Research results ...................................................................................... xiii
5. Products .................................................................................................. xiv
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of
research results ............................................................................................ xv
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài....................... 2
3. Mục tiêu đề tài........................................................................................... 3
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ................................................................ 4
5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu ................................................... 5
6. Bố cục báo cáo .......................................................................................... 5
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN........................................... 6
1.1 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng .............................................................. 6
1.2 Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho vi xử lý trung tâm .................... 22

CHƯƠNG 2..................................................................................................... 26
XÂY DỰNG TOOLBOX CARD ĐIỀU KHIỂN ........................................... 26
TRONG MATLAB – SIMULINK ................................................................. 26
2.1 Khối cài đặt – CardTNUT Setup .......................................................... 27
2.2 Khối đọc tín hiệu tương tự .................................................................... 28
2.3 Khối xuất tín hiệu tương tự ................................................................... 29
2.4 Khối đọc tín hiệu số .............................................................................. 30
2.5 Khối xuất tín hiệu số ............................................................................. 30


vi

2.6 Khối xuất tín hiệu PWM ....................................................................... 31
2.7 Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder ...................................... 32
2.8 Khối xuất tín hiệu điều khiền động cơ servo một chiều ....................... 33
2.9 Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits...................... 33
2.10 Khối ghép nối module điều khiển 32 servo ........................................ 34
2.11 Khối giao tiếp nối tiếp ......................................................................... 35
2.12 Khối bộ điều khiển PID online ........................................................... 35
2.13 Khối cài đặt tham số bộ điều khiển PID trên Card ............................. 36
CHƯƠNG 3..................................................................................................... 38
KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN ......................................................... 38
3.1 Sử dụng Card trong điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều ..... 38
3.2 Sử dụng Card trong điều khiển hệ chuyển động robot nhện (Spider
Robot) .......................................................................................................... 41
3.3 Hệ thống điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ............................ 50
3.4 Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt ................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 59
1. Kết luận ................................................................................................... 59
2. Kiến nghị ................................................................................................. 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 60
Tiếng Việt.................................................................................................... 60
Tiếng Anh.................................................................................................... 60


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Mô hình khối mạch điều khiển ............................................... 7
Hình 1. 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3............................................................ 9
Hình 1. 3 Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm ............................................. 11
Hình 1. 4 Mạch khuếch đại vi sai ......................................................... 12
Hình 1. 5 Mạch khuếch đại đảo ............................................................ 12
Hình 1. 6 Mạch khuếch đại không đảo ................................................. 13
Hình 1. 7 Mạch khuếch đại lặp lại ........................................................ 13
Hình 1. 8 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tương tự ...................... 14
Hình 1. 9 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tương tự....................... 16
Hình 1. 10 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số ...................... 17
Hình 1. 11 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi ..................................... 18
Hình 1. 12 Mạch điều khiển trung tâm ................................................. 19
Hình 1. 13 Mặt trước mạch xử lý tín hiệu tương tự.............................. 19
Hình 1. 14 Mặt sau mạch xử lý tín hiệu tương tự ................................. 20
Hình 1. 15 Mặt trước mạch xử lý tín hiệu số ........................................ 20
Hình 1. 16 Mặt sau mạch xử lý tín hiệu số ........................................... 21
Hình 1. 17 Card điều khiển sau khi lắp ráp .......................................... 21
Hình 1. 18 Giao diện phần mềm Atmel Studio .................................... 22
Hình 1. 19 Lưu đồ thuật toán chương trình chính ................................ 23
Hình 1. 20 Lưu đồ thuật toán chương trình con xử lý dữ liệu từ
Simulink .......................................................................................................... 24

Hình 2. 1 Thư viện CardTNUT được cài vào Simulink ....................... 27
Hình 2. 2 Khối CardTNUT Setup ......................................................... 27
Hình 2. 3 Khối đọc tín hiệu tương tự .................................................... 28
Hình 2. 4 Khối xuất tín hiệu tương tự................................................... 29
Hình 2. 5 Khối đọc tín hiệu số .............................................................. 30


viii

Hình 2. 6 Khối xuất tín hiệu số ............................................................. 30
Hình 2. 7 Khối xuất tín hiệu PWM ....................................................... 31
Hình 2. 8 Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder ...................... 32
Hình 2. 9 Khối điều khiền động cơ....................................................... 33
Hình 2. 10 Khối điều khiển module 16PWM ....................................... 33
Hình 2. 11 Khối điều khiển module 32RC SERVO ............................. 34
Hình 2. 12 Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp .............................................. 35
Hình 2. 13 Khối PID online .................................................................. 35
Hình 2. 14 Khối cài đặt tham số PID .................................................... 36
Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều ............ 38
Hình 3. 2 Mô hình hệ truyền động động cơ một chiều ......................... 39
Hình 3. 3 Cấu trúc điều khiển hệ thống động cơ một chiều trên
Simulink .......................................................................................................... 40
Hình 3. 4 Đáp ứng tốc độ hệ truyền động động cơ một chiều.............. 40
Hình 3. 5 Hình vẽ mô tả robot nhện ..................................................... 41
Hình 3. 6 Lưu đồ thuật toán động tác Đứng tại vị trí cơ bản................ 43
Hình 3. 7 Lưu đồ thuật toán động tác Tiến ........................................... 45
Hình 3. 8 Lưu đồ thuật toán động tác Quay trái ................................... 46
Hình 3. 9 Lưu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải .......... 48
Hình 3. 10 Giao diện điều khiển Robot nhện ....................................... 48
Hình 3. 11 Cấu trúc điều khiển Robot nhện trên Simulink .................. 49

Hình 3. 12 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện ......... 49
Hình 3. 13 Mô hình robot nhện ............................................................ 50
Hình 3. 14 Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung............................. 50
Hình 3. 15 Cấu tạo robot đi theo quỹ đạo mê cung .............................. 51
Hình 3. 16 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot đi theo quỹ đạo mê cung51
Hình 3. 17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm................................................. 52
Hình 3. 18 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 .................................... 52


ix

Hình 3. 19 Minh họa robot đi theo quỹ đạo mê cung ........................... 53
Hình 3. 20 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung . 53
Hình 3. 21 Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ........... 54
Hình 3. 22 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt ...... 55
Hình 3. 23 Mô hình hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt ................... 56
Hình 3. 24 Cấu trúc điều khiển thiết bị gia nhiệt trên Simulink ........... 56
Hình 3. 25 Đáp ứng nhiệt độ hệ thống.................................................. 57


x

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THÔNG TIN VỀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo card điều khiển số ứng
dụng trong điều khiển thời gian thực
- Mã số: ĐH2015-TN02-09

- Chủ nhiệm đề tài: TS. Đỗ Trung Hải
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái
Nguyên
- Thời gian thực hiện: 10/2015 – 10/2017
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu, thiết kế card có thể nhận được tín hiệu vào dạng tương tự
0-10VDC, 0-20mA và tín hiệu số 0-24VDC; xuất tín hiệu ra dạng tương tự 010VDC, 0-20mA và tín hiệu số, PWM 0-24VDC.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm trên Matlab để thu thập tín hiệu từ
card và xuất tín hiệu điều khiển ra card.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho card để truyền nhận tín hiệu với
Matlab.
- Kiểm nghiệm card trong điều khiển thời gian thực.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo card điều khiển số.
- Xây dựng thư viện Card điều khiển số trong toolbox của MatlabSimmulink.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Tìm hiểu cấu trúc và ngôn ngữ lập trình cho vi xử lý AT91SAM3X8E
của hãng Atmel.


xi

- Nghiên cứu và thiết kế phần cứng.
+ 8 đầu vào tương tự: tín hiệu vào dạng tương tự có thể là đại lượng vật
lý điện áp 0-10v DC hoặc dòng điện 0-20mA.
+ 8 đầu ra tương tự: tín hiệu ra dạng tương tự có thể là đại lượng vật lý
điện áp 0-10v DC hoặc dòng điện 0-20mA.
+ 16 đầu vào số: tín hiệu vào logic với mức điện áp 0-24VDC.
+ 16 đầu ra số: tín hiệu ra logic với mức điện áp 0-24VDC (Trong đó
có 12 đầu ra số xuất tín hiệu PWM 12 bit với mức 0-24VDC).

- Nghiên cứu thuật toán và lập trình cho card điều khiển số để sử dụng
các chức năng phần cứng của card.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm trên Matlab để thu thập tín hiệu từ
card và xuất tín hiệu điều khiển ra card.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho card để truyền nhận tín hiệu
với Matlab.
- Thực nghiệm sử dụng card điều khiển số trong việc điều khiển thời
gian thực một số hệ thống: Hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập;
Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot); Hệ thống điều khiển robot đi theo
quỹ đạo mê cung; Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt.
5. Sản phẩm:
5. 1 Sản phẩm khoa học:
Đỗ Trung Hải, Trần Đức Quân, Trần Gia Khánh, Nguyễn Thị Thu Hiền
(2017), “Thiết kế và ứng dụng card điều khiển số trong điều khiển thời gian
thực”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 162(02), tr. 59-63.
5.2 Sản phẩm đào tạo:
Nguyễn Văn Thành, Mè Tiến Dũng, Lục Thị Mai, Nguyễn Thị Hồng
Anh (2015), Nghiên cứu, thiết kế module tương tự trong card điều khiển thời
gian thực, Đề tài NCKH Sinh viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.


xii

Trần Đức Quân (2016), Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều
khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động, báo cáo luận văn thạc
sĩ, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
5.3 Sản phẩm ứng dụng:
Card điều khiển;
Chương trình cho card điều khiển;
Kết quả kiểm chứng điều khiển đối tượng thực sử dụng Matlab và card

điều khiển.
6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang
lại của kết quả nghiên cứu:
Tăng cường năng lực nghiên cứu của nhóm nghiên cứu.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể được phát triển và ứng dụng tại
phòng thí nghiệm - Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Tổ chức chủ trì
KT. HIỆU TRƯỞNG
PHÓ HIỆU TRƯỞNG

Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS. Vũ Ngọc Pi

TS. Đỗ Trung Hải


xiii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
Project title: Research on digital control card and its designing and
manufacturing for applications in real time control.

Code number: ĐH2015-TN02- 09
Coordinator: Dr. Do Trung Hai
Implementing institution: TNU, Thai Nguyen University of Technology
Duration: from October 2015 to October 2017
2. Objective (s):
- Research on card design which is received the input of 0-10VDC, 020mA analog signals and 0-24VDC digital signals; the outputs of the card are
0-10VDC, 0-20mA, 0-24VDC PWM digital signals.
- Design and simulate in Matlab software to collect the signals from the
card and perform control signals on the card.
- Implementation of the card design in real time control.
3. Creativeness and innovativeness:
- Design and manufacture the digital control card
- Programing to set up a Digital Control Card library in MatlabSimmulink toolbox
4. Research results:
-

Study

of

the

structure

and

AT91SAM3X8E processor of Atmel brand.

programming

language

for


xiv

- Study and design the hardware implementation:
+ 8 analog inputs: the range of 0-10VDC or 0-20mA.
+ 8 analog outputs: the range of 0-10VDC or 0-20mA.
+16 digital inputs: the range of 0-24VDC.
+16 digital outputs: the range of 0-24VDC (12 signal outputs deliver
12-bit PWM signal of 0-24VDC).
- Study of algorithms and programmable digital control cards to use the
hardware functions of the card.
- Design and simulate in Matlab software to collect the signals from the
card and perform control signals on the card.
- Experimental results of digital control card for real-time control for
some systems as: Control the DC motor; Spider-robot movement; The robot
control system follows the maze orbit; Heating Device Control System.
5. Products:
Product of project includes :scientific products, training products and
application products as registered in the notes.
5.1 Scientific product:
Do Trung Hai, Tran Duc Quan, Tran Gia Khanh, Nguyen Thi Thu Hien
(2017), “ Design and application of digital control card in real-time control”,
Thai Nguyen University of Science and Technology magazine, part 162 (02),
pp 59-63.
5.2. Academic product:
Nguyen Van Thanh, Me Tien Dung, Luc Thi Mai, Nguyen Thi Hong

Anh (2015), Research, manufacture and testing of real-time controller card in


xv

drive control, Scientific research students of Thai Nguyen University of
Technology.
Tran Duc Quan (2016), Research, manufacture and testing of real-time
controller card in drive control, Subject engineering master’s thesis, Thai
Nguyen University of Technology.
5.3 Application Products:
The control card;
The program for control card;
The verification of real object control using Matlab and card.
6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of
research results:
Strengthening the research ability of the project team
Research results can be developed and applied in Department of
Automation, Faculty of Electrical Engineering, Thai Nguyen University of
Technology.


PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tại các trường đại học, cao đẳng đào tạo về kỹ thuật nhu cầu về thí
nghiệm, thực hành các bài toán từ đơn giản đến phức tạp là cần thiết để góp
phần đạt chuẩn đầu ra của chương trình đào tạo. Trong lĩnh vực điều khiển tự
động hóa để kiểm chứng các thuật toán điều khiển đã thiết kế, ngoài việc
trang bị các modul, mô hình thí nghiệm còn phải có thêm các card điều khiển

hiện đại, đắt tiền. Nguồn kinh phí để đáp ứng cho nhu cầu này lại rất hạn chế
không phải đơn vị nào cũng có thể đáp ứng với số lượng phù hợp với yêu cầu
được.
Mặt khác, trong lĩnh vực điêu khiển và tự động hóa, có rất nhiều thuật
toán điều khiển từ kinh điển đến hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý
khối lượng công việc lớn, tính toán phức tạp. Hiện nay, một phần mềm thông
dụng trong kỹ thuật đó là phần mềm Matlab, trong điều khiển nó là một phần
mềm có khả năng tính toán và thực hiện các thuật toán điều khiển. Vì vậy,
việc kết hợp Matlab và card thu thập dữ liệu sẽ tạo ra bộ điều khiển rất linh
hoạt, có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển trong lĩnh vực kỹ thuật
điều khiển và tự động hóa.
Thông qua việc thực hành, thí nghiệm kiểm chứng các luật điều khiển
giúp người thiết kế thấy được tính đúng đắn của phương pháp xây dựng luật
điều khiển cũng như phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của cấu trúc và tham
số bộ điều khiển đến chất lượng của hệ. Vì vậy đề xuất nghiên cứu thiết kế
chế tạo card có khả năng thu thập dữ liệu và xuất tín hiệu ra đối tượng điều
khiển rất cần thiết.


2. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
2.1 Ngoài nước
Trên thế giới có hãng dSPACE đã thiết kế, chế tạo card điều khiển ứng
dụng cho hệ thống điều khiển tự động:
- dSPACE, DS1103 PPC Controller Board.
- dSPACE, DS1104 R&D Controller Board.
Có nhiều công trình sử dụng card điều khiển đó để thực hiện thuật toán
điều khiển:
- Rios, J.D.; Alanis, A.Y.; Rivera, J.; Hernandez-Gonzalez, M., “Realtime discrete neural identifier for a linear induction motor using a dSPACE
DS1104 board”, Neural Networks (IJCNN), The 2013 International Joint
Conference on, pp 1-6.

- Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A., “Development of threephase photovoltaic inverter using dSPACE DS1104 board”, Research and
Development (SCOReD), 2009 IEEE Student Conference on, pp 242 - 245.
- Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A.; Subiyanto, “Three-phase
photovoltaic grid-connected inverter using dSPACE DS1104 platform”,
Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2011 IEEE Ninth International
Conference on, pp 447 – 451.
- Haizai Peng, Tingting Du, Wei Gu, “Application design of a suntracking system”, Control and Decision Conference (CCDC), 2013 25th
Chinese, pp 5094 - 5098.
- Paez, I.S.D.; Pico, H.O.; Villalobos, M.A.M.; Suarez, J.F.P.,
“Electrical signals parameter estimation using adaptive filtering: A
comparative study”, Transmission and Distribution Conference and
Exposition, Latin America (T&D-LA), 2010 IEEE/PES, pp 745 - 750.


Tuy nhiên, giá thành card điều khiển đó rất cao, khả năng trang bị cho
các trường để thực hành còn rất hạn chế.
2.2 Trong nước
Theo hiểu biết của nhóm tác giả, hiện tại trong nước chưa có đề tài
nghiên cứu về nội dung này. Tuy nhiên, trong nước việc ứng dụng card điều
khiển phục vụ mục đích nghiên cứu là rất nhiều, ở đây đưa ra 3 ví dụ thuộc 3
nhóm Nghiên cứu sinh, thạc sĩ và bài báo khoa học có sử dụng card điều
khiển:
- Lê Thị Thu Hà (2012), Một số giải pháp nâng cao chất lượng hệ
truyền động có khe hở trên cơ sở điều khiển thích nghi, bền vững, Luận án
Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá, Đại học Thái Nguyên.
- Đinh Văn Nghiệp (2009), Nghiên cứu và ứng dụng card điều khiển số
DSP để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động, Luận văn
Thạc sĩ Tự động hoá, Đại học Thái Nguyên.
- Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An (2010), “ Ứng dụng thiết bị xử lý
tín hiệu số trong điều khiển hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện 1

chiều kích từ độc lập”, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà nẵng, 4
(39), tr. 317-323
Qua đây, một lần nữa khẳng định việc nghiên cứu thiết kế card thu thập
dữ liệu và kết hợp với phần mềm Matlab có thể thực hiện các thuật toán điều
khiển là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
3. Mục tiêu đề tài
3.1 Mục tiêu chung
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo card điều khiển số dùng để kiểm nghiệm
thuật toán điều khiển


3.2 Mục tiêu cụ thể
- Nghiên cứu, thiết kế card có thể nhận được tín hiệu vào dạng tương tự
0-10VDC, 0-20mA và tín hiệu số 0-24VDC; xuất tín hiệu ra dạng tương tự 010VDC, 0-20mA và tín hiệu số, PWM 0-24VDC.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm trên Matlab để thu thập tín hiệu từ
card và xuất tín hiệu điều khiển ra card.
- Nghiên cứu, xây dựng phần mềm cho card để truyền, nhận tín hiệu
với Matlab.
- Kiểm nghiệm card trong điều khiển thời gian thực.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
4.1 Đối tượng nghiên cứu
- Lý thuyết: Lý thuyết điều khiển tự động.
- Thiết kế phần cứng: Phần cứng thu thập dữ liệu.
- Lập trình phần mềm: Phần mềm thực hiện trao đổi thông tin giữa
phần cứng và Matlab.
4.2 Phạm vi nghiên cứu
- Phân tích, nghiên cứu, thiết kế phần cứng có thể nhận và xuất được tín
hiệu tương tự 0-10VDC, 0-20mA và tín hiệu số 0-24VDC.
- Nghiên cứu, xây dựng chương trình trao đổi thông tin giữa phần cứng
và Matlab.

- Tiến hành thực nghiệm, kiểm chứng trên thiết bị thực.


5. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu
5.1 Cách tiếp cận
Từ card điều khiển đang sử dụng trong thực tế đi phân tích từ đó nghiên
cứu, thiết kế, chế tạo card điều khiển.
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết.
- Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm trên thiết bị thực tế.
6. Bố cục báo cáo
Phần mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài, tổng quan tình hình
nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trong và ngoài nước, mục tiêu của đề tài,
đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài, cách tiếp cận và phương pháp
nghiên cứu.
Chương 1: Trình bày về thiết kế và chế tạo phần cứng cho từng mạch
chức năng của card điều khiển. Trình bày về xây dựng thuật toán và lập trình
cho vi xử lý trung tâm trên card điều khiển.
Chương 2: Trình bày về xây dựng thuật toán lập trình các khối chức
năng trong toolbox trên Matlab/Simulink dành riêng cho card điều khiển.
Chương 3: Trình bày về kết quả kiểm nghiệm card điều khiển trong
ứng dụng điều khiển thời gian thực.
Kết luận và kiến nghị của đề tài.


CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN
1.1 Nghiên cứu, thiết kế phần cứng
1.1.1 Yêu cầu về thiết kế phấn cứng
Một card ứng dụng trong điều khiển thời gian thực trước tiên yêu cầu vi

xử lý trung tâm trên card phải có khả năng tính toán nhanh, dung lượng bộ
nhớ lớn. Bên cạnh đó, card điều khiển cũng phải có khả năng giao tiếp với
nhiều đối tượng và thiết bị cảm biến khác nhau, hiển thị các tham số chế độ
hoạt động đồng thời có khả năng giao tiếp với máy tính thực hiện chức năng
điều khiển, giám sát. Trên cơ sở đó việc thiết kế card điều khiển trong đề tài
được nghiên cứu thiết kế với yêu cầu sau:
- Card có thể nhận/xuất các tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện áp 010VDC, 0-20mA;
- Card có thể nhận/xuất các tín hiệu số có mức điện áp 0/24VDC, cho
phép thu thập các giá trị logic, đếm xung, nhận tín hiệu ngắt từ bên ngoài và
xuất tín hiệu báo trạng thái, tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM (Pulsewidth modulation);
- Card có chức năng giao tiếp với máy tính, ở đề tài này giao tiếp với
máy tính qua phần mềm Matlab:
- Card có chức năng hiện thị chế độ hoạt động, hoặc thông số, trạng
thái;
- Card có khả năng mở rộng các chân vào/ra cho phép kết nối một số
module chức năng khác…


1.1.2 Cấu trúc card điều khiển
Máy tính

Đầu ra

Đầu vào
số

Khối vi xử
lý trung tâm

Đầu vào

tương tự

số

Đầu ra
tương tự

Cài đặt
tham số

Hiển thị
(Led,…)

Hình 1. 1 Mô hình khối mạch điều khiển

1.1.2.1 Khối vi xử lý trung tâm
Khối vi xử lý trung tâm là trái tim của card điều khiển, có nhiệm vụ
quản lý, giám sát, điều khiển hoạt động toàn bộ các module sử dụng trong
card có nghĩa là việc điều khiển hoạt động trong hệ thống được thực hiện nhờ
vi xử lý trung tâm. Để đáp ứng yêu cầu đó, vi xử lý trung tâm được chọn là vi
xử lý AT91SAM3X8E do hãng Atmel chế tạo sản xuất dựa trên bộ xử lý
ARM Cortex-M3 (Advanced RISC Machine).
Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một
loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC (Reduced Instructions Set
Computer - Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) được sử dụng rộng rãi trong
các thiết kế nhúng. Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM,
điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên
thế giới. CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại
điện tử, từ thiết bị cầm tay cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính, các hệ

thống điều khiển. Một nhánh nổi tiếng của họ ARM là các vi xử
lý Xscale của Intel.
Đặc điểm Bộ vi xử lý Cortex-M3
- Hiệu suất cao: Trung tâm của bộ vi xử lý Cortex-M3 là một lõi có cấu
trúc đường ống tiên tiến 3 tầng Instruction Fetch, Instruction Decode và
Instruction Execute, dựa trên kiến trúc Harvard, kết hợp nhiều tính năng mới
mạnh mẽ như suy đoán việc rẽ nhánh, phép nhân được thực thi trong một chu
kỳ và phép chia được thực hiện bằng phần cứng tạo nên một hiệu năng vượt
trội. Khi gặp một lệnh nhánh, tầng decode chứa một chỉ thị nạp lệnh suy đoán
có thể dẫn đến việc thực thi nhanh hơn. Bộ xử lý nạp lệnh dự định rẽ nhánh
trong giai đoạn giải mã. Sau đó, trong giai đoạn thực thi, việc rẽ nhánh được
giải quyết và bộ vi xử lý sẽ phân tích xem đâu là lệnh thực thi kế tiếp. Nếu
việc rẽ nhánh không được chọn thì lệnh tiếp theo đã sẵn sàng. Còn nếu việc rẽ
nhánh được chọn thì lệnh rẽ nhánh đó cũng đã sẵn sàng ngay lập tức, hạn chế
thời gian rỗi chỉ còn một chu kỳ.
- Dễ sử dụng, phát triển ứng dụng nhanh chóng, hiệu quả: Tiêu chí
quan trọng trong việc lựa chọn bộ vi xử lý là giảm thời gian và chi phí phát
sinh, đặc biệt là khả năng phát triển ứng dụng phải thật nhanh chóng và đơn
giản. Bộ vi xử lý Cortex-M3 được thiết kế để đáp ứng mục tiêu trên. Người
lập trình không cần phải viết bất kì mã hợp ngữ nào (assembler code) hoặc
cần phải có kiến thức sâu về kiến trúc để tạo ra một ứng dụng đơn giản.
- Giảm chi phí và năng lượng tiêu thụ: Bộ vi xử lý được thiết kế trên
một diện tích nhỏ sẽ giảm chi phí đáng kể. Bộ vi xử lý Cortex-M3 thực hiện
điều này bằng cách cài đặt các lõi ARM nhỏ nhất từ trước đến nay, chỉ với
33.000 cổng (cổng có thể là NAND hoặc NOR… tuỳ vào công nghệ sản xuất)
trong lõi trung tâm (0.18um G) và bằng cách kết hợp hiệu quả, chặt chẽ các
thành phần trong hệ thống vi xử lý. Bộ nhớ được tối giản bằng cách cài đặt bộ

nhớ không thẳng hàng (unaligned), thao tác bit dễ dàng với kĩ thuật bit
banding.

Hình 1. 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3

- Tích hợp khả năng dò lỗi và theo vết trong lập trình: Công nghệ gỡ lỗi
của bộ vi xử lý Cortex-M3 được cài đặt trong chính phần cứng của nó (kết
hợp với một vài thành phần khác) giúp gỡ lỗi nhanh hơn với các tính năng
trace & profiling, breakpoints, watchpoints và bản vá lỗi giúp rút ngắn thời
gian phát triển ứng dụng. Ngoài ra, bộ vi xử lý còn cung cấp một mức nhìn
cao hơn vào hệ thống thông qua cổng JTAG truyền thống hoặc cổng SWD
(Serial Wire Debug) chỉ sử dụng 2 đường tín hiệu, thích hợp cho các thiết bị
có kiểu đóng gói nhỏ gọn.
Thông số vi xử lý AT91SAM3X8E
Một lõi 32-bit, cho phép hoạt động trên 4 byte dữ liệu rộng trong một
xung nhịp CPU duy nhất.
Điện áp hoạt động:

3.3V (1.6 ÷ 3.6V)

Số đầu vào/ra:

103

Đầu ra PWM:

12 (12bits)


Đầu vào tương tự

12 (12bits)

Đầu ra tương tự

2 (DAC, 12bits)

Dòng điện vào/ra số

130 mA

Bộ nhớ chương trình (Flash)

512 KB

Tần số xung hoạt động

84 MHz

Truyền thông:

USB, USARTs, SPIs, I2C (TWIs)

Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm như hình 1.3.
1.1.2.2 Khối xử lý tín hiệu tương tự
Khối xử lý tín hiệu tương tự gồm hai phần: mạch nhận tín hiệu tương
tự, và mạch xuất tín hiệu tương tự. Các tín hiệu tương tự này được xử lý bằng
phương pháp số. Khối ADC của AT91SAM3X8E có độ phân giải 12bits, có
khả năng nhận điện áp từ 0÷3.3V, đặc biệt hỗ trợ DMA giúp tăng tốc độ trích
mẫu ADC lên đến 80Msps, có khả năng nhận tín hiệu tương tự lên đến

42Mhz.
DMA (Direct memory access) là một kỹ thuật chuyển dữ liệu từ bộ nhớ
đến ngoại vi hoặc từ ngoại vi đến bộ nhớ mà không yêu cầu đến sự thực thi
của CPU, có nghĩa là CPU sẽ hoàn toàn độc lập với ngoại vi được hỗ trợ
DMA mà vẫn đảm bảo ngoại vi thực hiện công việc được giao, tùy vào từng
loại ngoại vi mà DMA có sự hỗ trợ khác nhau.
Để có thể xử lý được tín hiệu tương tự dạng điện áp 0÷10VDC (hoặc
tín hiệu dòng điện 0÷20mA) cần phải sử dụng các mạch khuếch đại chuẩn hóa
thành tín hiệu điện áp 00÷3.3V đưa vào AT91SAM3X8E.
Một số mạch khuếch đại tín hiệu dùng khuếch đại thuật toán:
- Mạch khuếch đại vi sai: