Nghiên cứu, thiết kế, xây dựng các thí nghiệm đo lường trên cơ sở vi hệ thống

Nguyễn thu hà

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
đo lường và các hệ thống điều khiển

ngành : đo lường và các hệ thống điều khiển

Nghiên cứu, thiết kế, Xây dựng các thí
nghiệm đo lường trên cơ sở vi hệ thống

Nguyễn Thu hà
2005 - 2007
Hà Nội
2007

hà nội 2007


Mục lục
Lời nói đầu

Chương 1 : ứng dụng các vi hệ thống- giai đoạn

phát triển mới của kỹ thuật đo lường

1.1- Khái niệm về vi hệ thống.
1.1.1- Chức năng

1.1.2- Cơ cấu của vi hệ thống

1.1.3- Các công nghệ dùng trong vi hệ thống

1.2-Phân loại các vi hệ thống

1.3- Phương hướng ứng dụng vi hệ thống ở nước ta.
1.4- Mục tiêu của bản luận văn.

Chương 2: Giới thiệu những khả năng nổi trội của các vi hệ
thống thương phẩm

1
3

4
5
6
6
10
11
12
13

2.1- Các chức năng của một hệ thống thông tin đo lường- điều

13

2.2- Những khả năng nổi trội của các vi hệ thống thương phẩm

15

khiển.

2.2.1- Vi hệ thống biến đổi chuyên dụng họ ADE 77xx.
2.2.2- Vi hệ thống lập trình

2.2.3- Vi hệ thống truyền tin
2.2.4- Vi cảm biến.

Chương 3: Các khả năng ứng dụng của vi hệ thống thu thập số

liệu điện để xây dựng các thí nghiệm về đo các đại lượng điện

3.1- Các vi hệ thống biến đổi điện chuyên dụng của Analog Device.

3.2- Khảo sát tính năng, tác dụng của ADE7753 để xây dựng các
bài thí nghiệm đo các đại lượng điện.
3.2.1- Sơ đồ cấu trúc của ADE7753

15
16
19
21
26
26
27
27

3.2.2- Các tính năng của ADE7753.

3.2.3- Các khả năng nổi trội của ADE7753 ứng dụng đo các đại
lượng điện.

3.3.3.1-Đo dòng điện hiệu dụng (I RMS )
3.3.3.2-Đo điện áp hiệu dụng (U RMS )
3.3.3.3-Đo công suất tác dụng P

3.3.3.4-Đo công suất phản kháng Q
3.3.3.5-Đo công suất biểu kiến S
3.3.3.6-Đo năng lượng

3.3.3.7-Đo thông số R-L-C của mạch điện
3.3.3.8-Đo nhiệt độ

3.3.3.9-Đo hệ số công suất

3.3.3.10- Đo tần số (T) và đo chu kỳ (f)

Chương 4: Các bài hướng dẫn thí nghiệm ứng dụng vi hệ thống.
4.1- Bài hướng dẫn thí nghiệm đo dòng diện
4.2- Bài hướng dẫn thí nghiệm đo Điện áp

4.3-Bài hướng dẫn thí nghiệm đo công suất và năng lượng
4.4- Bài hướng dẫn thí nghiệm đo điện trở

4.5- Bài thí nghiệm đo điện cảm và điện dung
4.6- Bài thí nghiệm đo từ

Chương 5: Kết luận và triển vọng
Tài liệu tham khảo

29
31
31
33
34
35
37
38
40
40
41
41
42
42
52
61
68
74
79
85
87


- 1 --------------------------------------------------------------------------------------------Lời mở đầu

Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, trong lĩnh vực đo lường

kháI niệm về đo lường cá nhân ( Personal Instrumentation) ra đời từ khi có P
cùng với khái niệm về đo lường ảo( Virtual Instrumentation).

Cấu trúc của đo lường ảo gồm một DAQ và máy tính. Cùng với sự phát

triển của các công nghệ vi gia công: OPS, Biosystem đã hình thành và phát
triển các vi hệ thống dưới dạng vi mạch.

Ngày nay, việc phối hợp các vi hệ thống thương phẩm với các vi xử lý và

máy tính cá nhân cho phép xây dựng một phòng thí nghiệm về đo lường với ý
tưởng sau:

Máy tính cá nhân chịu trách nhiệm xử lý số liệu và điều khiển, MCU

chịu trách nhiệm kết nối, tổ chức thu thập số liệu đo lường,.vi hệ thống biến
đổi điện chịu trách nhiệm cho một hệ thu thập số liệu chất lượng cao, các vi

cảm biến biến đổi các đại lượng cần đo thành các đại lượng điện, vi hệ thống

truyền tin cho phép giảI quyết vấn đề đo và điêù khiển phân bố một cách hợp
lý.

Với nhu cầu cần thiết ứng dụng trong thực tế cụ thể là trong giáo dục đào

tạo, dạy nghề tôi đã chọn đề tài này làm luận văn thạc sĩ khoa học.

Mục tiêu của đề tài là xây dựng một phòng thí nghiệm về đo lường các

đại lượng điện trên cơ sở các vi hệ thống thương phẩm cụ thể gồm : máy tính

là trung tâm tính toán, phương tiện lập trình, hiển thị và quản lý số liệu, một
MCU và một bộ biến đổi điện ADE7753

Trong bản luận văn do điều kiện thời gian cũng như điều kiện nghiên cứu

còn hạn chế nên vẫn còn thiếu sót. Rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các
thầy cô và ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp, đồng môn để đề tài sau
này phát triển hơn nữa.

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy giáo, PGS Nguyễn Trọng Quế,

người rất quan tâm và hết lòng chỉ bảo hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 2 ---------------------------------------------------------------------------------------------

đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn Đo

lường & Tin học công nghiệp và các bạn đồng nghiệp, đồng môn đã giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài!

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển

- 3 --------------------------------------------------------------------------------------------chương 1
ứng dụng các vi hệ thống- giai đoạn phát triển mới
của kỹ thuật đo lường

Năm 1986 National Instrument đưa ra kháI niệm về đo lường ảo và tập

trung nghiên cứ u, xây dung các phần mềm tạo ra những phần tử cơ bản để tổ

hợp thành các thiết bị đo ảo có thể hoạt động như các thiết bị đo thực nhờ
những công nghệ phần mềm vi tính..

National Instrument đã xây dung một hệ thống phần mềm khá mạnh,

khá độc đáo như Labview, Labwindown cho phép tạo ra hầu hết các thiết bị

đo hoạt động như các thiết bị đo thực trong thực tế. Cũng trong thời gian ấy

giáo sư Trần Tiến Long- là giáo sư của trường đại học điện lực danh tiếng của
Pháp đưa ra kháI niệm về thiết bị đo cá nhân ( Instrumentation personlle) tức
là dùng phần mềm của máy tính cùng với các thiết bị đầu vào xây dựng các

thiết bị đo theo ý tưởng cá nhân mà không cần đến các phòng thí nghiệm có

quy mô lớn. Tuy nhiên, tại thời điểm đó ý tưởng ấy chưa có điều kiện để thực

thi trên thực tế.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi điện tử , nhiều công

nghệ mới đã ra đời đó là các công nghệ vi hệ thống đã đáp ứng được các yêu

cầu về việc tiểu hình hoá các cảm biến như: công nghệ vi điện tử có chiều sâu
có thể gia công các hốc dầm với kích thước micromet, công nghệ nano gia

công các phần tử với kích thước nano met, công nghệ màng in chọn lọc , công
nghệ màng sinh hoá sinh học.và khả năng chế tạo hàng loạt các phần tử
chức năng tổng hợp đó là các vi cảm biến và vi cảm biến thông minh.

Các vi cảm biến và vi cảm biến thông minh này được tích hợp trên nó

các chức năng của một hệ thống đo lường phức tạp. Ví dụ một phòng thí

nghiệm quang phổ lớn trước kia vói nhiều thiết bị phức tạp thì hiện nay có thể
thay thế bằng một IC với chức năng tương đương bao gồm :

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 4 --------------------------------------------------------------------------------------------- Nguồn sáng.

- Lăng kính quét.

- Photomet chọn lọc ánh sáng.

- Hệ thống DSP xử lý số liệu phức tạp.

- Truyền kết quả lên mạng

Với các DSP mạnh như hiện nay, các bài toán xử lý, phân tích vật chất

trong đo lường được thực hiện dễ dàng trong các phép đo gián tiếp, phép đo
hợp bộ, giảI các phương trình hạng cao nhiều biến số.

Tháng 6 năm 2006 tạp chí IEEE đưa ra kháI niệm Instrumentation-

Microsystem khẳng định vị trí của vi hệ thống trong nghành đo lường hay chế
tạo thiết bị đo. Sự ra đời của vi hệ thống đã tạo ra một bước ngoặt trong sự

phát triển của ngành chế tạo thiết bị đo và mở đầu cho những ứng dụng mới
vào hệ thống thông tin đo lường hiện đại : Tiểu hình hoá, độ chính xác, độ

nhạy cao, giá thành . Các thiết bị đo trên cơ sở vi xử lý của những năm 80

nay đã trở thành hệ thống thông tin đo lường trên cơ sở vi hệ thống. Hiện nay,
vi hệ thống là một hệ thống thông tin đo lường điều khiển đã được tiểu hình
hoá đến kích thước micromet.

Nhờ công nghệ vi điện tử và các công nghệ hiện đại khác, giá thành của

các IC vi hệ thống giảm đáng kể. Việc sử dụng, xây dựng các hệ thống đo

lường điều khiển hiện đại trở nên dễ dàng và ít tốn kém đã hình thành một thời
đại mà các nghiên cứu phát triển và ứng dụng nằm trong tầm tay của mọi kỹ
sư đồng thời ý tưởng xây dựng các phòng thí nghiệm cá nhân đã trở thành

hiện thực mở đầu cho thời kỳ nền sản xuất tài hoa thay cho sản xuất linh

hoạt của thời kỳ tư bản phát triển.
1.1- Khái niệm về vi hệ thống.

Vi hệ thống là một hệ tích hợp (IC) các cơ cấu tiểu hình sử dụng các

công nghệ hiện đại để thực hiện các chức năng của một hệ thống thông tin đo
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 5 ---------------------------------------------------------------------------------------------

lường điều khiển hiện đại. Đó là một tích hợp hữu cơ giữa: chức năng, cơ cấu
và công nghệ.

Có thể mô tả quan hệ này trên hình 1.1
Chức năng
Truyền tin
Xử lý

Biến đổi

Thống nhất hoá
Vi điện tử
Vi quang

Quang

Cơ

Hoá

Điện

Cơ cấu

Vi gia công

Công nghệ

Hình 1.1: Quan hệ giữa Chức năng, Công nghệ , Kết cấu trong vi hệ thống
1.1.1- Chức năng

Một kênh đo của một hệ thống thông tin đo lường ( HTTTĐL) có thể

biểu diễn như sau:
Đối
tượng

KC

CĐSC

TNH

A/D

XLSL

Hệ thống
TT

ĐK

Hình 1.2. Các chức năng trong một kênh đo lường
Tín hiệu từ đối tượng được bién đổi thành thông số qua các khâu biến

đổi khác nhau:

KC: Biến đổi kết cấu.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 6 -------------------------------------------------------------------------------------------- CĐSC: Chuyển đổi sơ cấp.

TNH: Bộ biến đổi thống nhất hoá cảm biến và tín hiệu thực hiện bằng
các linh kiện điện tử.

A/D: Bộ biến đổi tương tự /số.

XLSL: Bộ xử lý số liệu được điều khiển bằng các bộ điều khiển trung
tâm MCU hay các bộ xử lý số liệu DSP.

TT: Thông tin kết nối kênh đo với hệ thống.
1.1.2-Cơ cấu của vi hệ thống

Để thực hiện các chức năng trên người ta phối hợp nhiều cơ cấu dựa

trên các hiệu ứng vật lý : cơ cấu cơ khí, điện , điện tử, quang, nhiệt, hoá

Các cơ cấu cơ khí như: dầm đàn hồi, dao động, truyền lực

Các hiệu ứng điện như: hiệu ứng điện từ, áp điện, phân cực, ion hoá
Cơ cấu quang: CCD, grating, ống dẫn quang.

Hiệu ứng nhiệt: nhiệt điện, nhiệt điện trở, bức xạ.

Cơ cấu điện hoá và sinh học: màng chọn lọc ion, sức điện động gavanic, màng
sinh học

Cơ cấu điện từ: Các bộ biến đổi, bộ xử lý trung tâm MCU, bộ xử lý tín hiệu số
DSP.

1.1.3- Các công nghệ dùng trong vi hệ thống
gồm:

Các vi hệ thống được chế tạo dựa trên các công nghệ hiện đại nhất bao
a- Công nghệ vi điện tử.

Công nghệ này ra đời từ những năm 70 của thế kỷ 20 đến nay đã hoàn

thiện đó là công nghệ gia công trên bề mặt gồm:
a1- Tạo lớp

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 7 -------------------------------------------------------------------------------------------- Kết tủa khí bằng phương pháp hàn CVD ( Chemical Vapour

Depositror) hoặc bằng phương pháp vật lý PVD ( Physical Vapour
Depositror).

Oxy hoá nhiệt MOS ( Metal oxyd Silicon)

Phủ ly tâm.

Cấy ion ( SIMOX)

Ghép đĩa và ăn mòn bề mặt BESOL

a2-Tạo hình

Để thực hiện khắc tại vị trí mong muốn, đế wafer cần được che bằng

các mặt nạ khác nhau, gọi là vật liệu che. Chất cảm quang có 2 nhiệm

vụ là tạo không gian bị khắc và giữ lại không gian không bị khắc. Chất
cảm quang này không bị tác dụng bởi vật liệu ăn mòn. Vâtl ieuụ cảm
quang gọi là photoresist. Phương pháp khắc dùng vật liệu cảm quang
với ánh sáng gọi là quang khắc. Trong quá trình quang khắc, đế Si

được tráng bằng máy tráng quay, sau đó được sấy để làm mất dung

môI, qua công đoạn chiếu ánh sáng sử dụng Mask Aligner, in vi mạch

lên đế bán dẫn. Có các loại tạo hình:
Định hình phim quang khắc.
Quang khắc.
Tẩy màng.
a3-Ăn mòn

Các đặc trưng:

Tốc độ ăn mòn .

Chọn lọc ăn mòn.
Lệch cạnh.

Độ di hướng.

Độ ăn mòn dưới.
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 8 --------------------------------------------------------------------------------------------Phản ứng ăn mòn của hoá chất trên Si thay đổi theo từng mặt và khác
nhau ở mỗi loại vật liệu bao gồm ăn mòn đơn hướng và ăn mòn dị

hướng. Để gia tăng hướng ăn mòn trong ăn mòn đơn hướng người ta

dùng phương pháp ăn mòn bằng ion hoạt tính. Để thành ăn mòn thẳng

đứng có thể dùng hai loại ion, một loại ăn mòn bề đáy và một loại bảo
vệ cho thành, cách ăn mòn này được thực hiện trong môI trường khô

nên gọi là ăn mòn khô. Trong khi đó, KOH hay TMAS cũng có thể ăn
mòn Si theo nhiều hướng khác nhau tạo ra thành nghiêng, cachs ăn
mòn nmày thực hiện trong dung môI ướt nên gọi là ăn mòn ướt.
a4-Cấy tạp chất

Có thể cấy thêm tạp chất bằng nhiều phương pháp:
Khuếch tán nhiệt.

Cấy ion.

Hoạt hoá tạp chất.
b-Công nghệ vi gia công( Micromachinning).

Công nghệ vi gia công có mục tiêu chế tạo bằng các công nghệ như
công nghệ vi điện tử nhưng có chiều sâu tạo ra các hốc cơ cấu đàn

hồi, các cơ cấu quay và các công nghệ khác như: vi gia công khối, vi

gia công bề mặt, vi gia công bề mặt phối hợp với công nghệ khối và vi
gia công LIGA.

b1-Vi gia công khối

Các bộ biến đổi kết cấu chế tạo trên cơ sở công nghệ

chính xác thường rất đắt và phức tạp. Công nghệ vi gia công đơn
giản hơn, giá thành hạ, nó gồm các công nghệ sau:
Quang khắc 2 mặt.

Ăn mòn dị hướng.

Ăn mòn khô.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 9 -------------------------------------------------------------------------------------------- Ghép đĩa.

Xử lý thuỷ tinh.

b2-Vi gia công bề mặt dùng lớp hi sinh

Dùng trong việc chế tạo các cơ cấu tẻo hoặc quay tự do, chi tiết
treo có nhiều khoảng trống.

b3-Vi gia công gần bề mặt
Gồm các công nghệ sau:




SCREAM( Single Crystal Reative and Metalisation).
SEMPLE-SIMPLE( Silicon Micromachining by

Plasma Etchung)

SIMOX- SIMOX( Separation of Implanting of



BSM-SOI( Black Silicon on Insulator).

Oxygen)

b4-Vi gia công LIGA ( Ligatography Galvanoforming
Abforming)

Gồm 3 bước xử lý:






Quang khắc chiều sâu.

Mạ điện hoá.

Đúc chi tiết.

c- Công nghệ vi quang( OPS).

Gồm các công nghệ chế tạo các cơ cấu vi quang:

CCR tạo ra lưới điôt quang trong các camera và quang phổ.
Công nghệ chế tạo cách tử.

Công nghệ hàn nối dây dẫn quang
d-Công nghệ chế tạo màng mỏng chọn lọc ion và màng polime.

Nguyên tắc chung của các màng này có tính nhạy cảm sinh học với
các ion.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 10 --------------------------------------------------------------------------------------------e- Công nghệ nano
1.2-Phân loại các vi hệ thống

Bằng việc tích hợp các công nghệ ;Vi điện tử, vi gia công, vi quang,

màng chọn lọc ion, màng nhạy cảm sinh học trên một chip người ta đã xây

dựng được khá nhiều loại vi hệ thống và có thể phân loại như sau:
1.2.1- Vi hệ thống chuyên dụng.

Là vi hệ thống chuyên một chức năng nào đó như:

Vi hệ thống biến đỏi đại lượng điện.

Vi hệ thống truyền tin.
1.2.2- Vi cảm biến

Hình thành trong quá trình ứng dụng công nghệ vi điện tử có

chiều sâu để chế tạo các chi tiết cơ khí, các màng ion chọn lọc, các màng nhạy
cảm sinh họcKết hợp việc xử lý tín hiệu và số liệu chất lượng cao, người ta

cấy thêm các vi cơ cấu và hệ truyền tin để tạo ra các vi cảm biến như:
Vi cảm biến trực tiếp.

Vi cảm biến gián tiếp.
1.2.3- Vi hệ thống lập trình được.

Năm 2003 đã ra đời hệ thống PsoC ( Programmable System on

Chip) đây là một hướng mới của vi hệ thống, làm giảm nhẹ việc gia

công phần cứng trong lắp ráp linh kiện điện tử. Các linh kiện hoặc khối
chức năng điện tử có thể thay đổi cấu hình để đáp ứng công việc của

một hay nhiều kênh đo như: đổi nối đầu vào, lấy mẫu và lưu giữ( S&H),

PGA, ADC, xử lý số liệu, tổ chức truyền tin theo các chuẩn hiện trường
khác nhau. Với các vi hệ thống này ta có thể hy vọng cùng với phần

mềm của hệ đo lường ảo xây dựng các dụng cụ đo hay hệ thống khác
nhau có cùng chung một cấu tạo phần cứng.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển

- 11 --------------------------------------------------------------------------------------------1.2.4- Vi hệ thống truyền tin

Hiện nay có hai hệ thống truyền tin thông dụng trong công

nghiệp :

- PLC ( Power Line Communication): dùng đường dây tảI điện làm
phương tiện truyền tin.

- OMS ( Object Mobile System): Hệ truyền tin không dây. Trong các
hệ OMS thông dụng nhất là Bluetooth.

1.3- Phương hướng ứng dụng vi hệ thống ở nước ta.

Các công nghệ để chế tạo vi hệ thống rất đắt tiền vì thế ở nước ta không

đặt thành vấn đề chế tạo khi công nghệ linh kiện điện tử còn rất thấp trong khi

việc ứng dụng các vi hệ thống để xây dựng các thiết bị đo có tính năng nổi trội
, giá thành hạ và phạm vi rất phong phú. Do đó trong giai đoạn hiện nay của

nước ta việc ứng dụng các vi hệ thống để xây dựng các thiết bị đo là cần thiết
cho đất nước làm giảm bớt giá thành, giảm nhập khẩu thiết bị, tạo điều kiện
chủ động hơn trong việc sản xuất thiết bị.

Có thể ví dụ cụ thể: Trên cơ sở hệ ADE7753 và ADE7754 cùng với các

vi hệ thống truyền tin như Power bus và Bluetooth ta có thể xây dựng các hệ

thu thập số liệu sau với giá thành rất thấp so với việc nhập khẩu thiết bị trước

đó:

Hệ thu thập số liệu trạm biến áp không người .( hệ ADE7754 + MCU+
OMS).

Hệ thu thập số liệu trạm phân phối điện năng 110/220KV ( hệ
ADE7754 + MCU+ Power bus).

Công tơ số một pha (ADE7757- Động cơ bước).

Hệ ARM nhiều công tơ ( n ADE7757+MCU +Bluetooth).

Hệ thu thập số đo công tơ nhiều giá ( n ADE7757+MCU).

Hệ đo/ghi dòng và công suất trên lưới hạ áp.( ADE7753+MCU+ PLC).
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 12 -------------------------------------------------------------------------------------------- Đo dòng điện và công suất ở lưới điện trung và cao áp.
(ADE7753+MCU +Bluetooth).

Đo / ghi dòng điện và công suất, theo dõi biểu đồ năng lượng của một
thiết bị, một hệ thống.( ADE7753+MCU +Bluetooth).

Hệ đo biến dạng và dao động ký.( Tem+ADE7753+MCU +Bluetooth).
Hệ đo mô men các thiết bị quay(Tem+ADE7753+MCU +Bluetooth).
Hệ đo nhiệt độ (ADE7753+MCU).

Đo áp suất(ADE7753+MCU +Bluetooth).
Đo điện trở(ADE7753+MCU)

1.4- Mục tiêu của bản luận văn.

Khả năng ứng dụng của các vi hệ thống trong kỹ thuật đo rất rộng rãi, tuy

nhiên khuôn khổ bản luận văn chỉ hạn chế ở mục tiêu sau:

ứng dụng một loại vi hệ thống chuyên dụng xây dựng các thí nghiệm về đo

lường các đại lượng điện .

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 13 ---------------------------------------------------------------------------------------------

Chương 2

Giới thiệu những khả năng nổi trội của cáC vi hệ thống.
Thương phẩm
2.1- Các chức năng của một hệ thống thông tin đo lường- điều khiển.

Cấu trúc của một hệ thống thông tin đo lường- điều khiển được biểu

diễn bằng sơ đồ khối hình 2.1
Đối

tượng
1

CB

DAQ

XLSL

TT

Đối
tượng
2

ĐK

Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thông tin đo lường-điều khiển
Trong đó:

CB: bộ cảm biến..

DAQ: bộ thu thập dữ liệu.

XLSL: bộ xử lý số liệu.

ĐK: bộ điều khiển.
TT : hệ truyền tin.

Các thông tin của đối tượng 1 được đưa qua một hoặc nhiều cảm biến

để thực hiện chức năng biến đổi các tín hiệu đo lường thành các tín hiệu điện.

Tín hiệu điện được đưa qua một bộ thu thập DAQ và biến đổi thành số

liệu cho các vi xử lý.

Đối tượng 2 có thể là môi trường, con người hoặc các hệ thống khác.

Tuỳ vào mối quan hệ giữa đối tượng 1 và đối tượng 2 mà bộ xử lý số liệu đưa
ra các thông tin phù hợp đồng thời các thông tin này cũng được phản hồi để
tác động trở lại đối tượng cần nghiên cứu.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 14 ---------------------------------------------------------------------------------------------

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tiểu hình hoá

trong việc gia công chế tạo các thiết bị đã biến các phần tử trong hệ thống
thông tin đo lường- điều khiển thành các vi cảm biến, các bộ vi xử lý MCU

hoặc DSP, các vi hệ thống truyền tin gọn nhẹ tích hợp nhiều chức năng trên

một vi mạch nhỏ thay cho cấu trúc cồng kềnh của hệ thống thông tin đo lường
trên

Ví dụ:

DS1820 l sensor bán dẫn dùng đo nhiệt độ của hãng DALLAS

Semiconductor.

- Giới hạn đo: từ -550C từ 1250C với sai số 0.5 độ trong dải -10ữ850C.

- Nguồn cung cấp từ 3.0V đến 5.5V. DS18B20 có thể nhận được nguông trực

tiếp từ đường dữ liệu ( nguồn ký sinh Parasite power), mà không cần
n nguồn cung cấp từ ngoài

- DS1820 đo nhiệ độ mối trường với đầu vào là analog, đầu ra là digital.

- DS18B20 giao tiếp truyền thông qua một dây dữ liệu với vi xử lý trung

tâm.

- Mỗi DS18B20 có một mã 64-bit được lưu trong ROM onboard.
- Thời gian biến đổi nhiệt độ ( 12 bit ) lớn nhất là 750ms.

- Có đèn định vị các thiết bị có nhiệt độ nằm ngoài giới hạn lập trình.

- Có thể giao tiếp truyền nhận dữ liệu với bộ vi xử lý trung tâm
Sơ đồ khối của DS 18B20

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển

Hình 2.2


- 15 ---------------------------------------------------------------------------------------------

2.2- Những khả năng nổi trội của các vi hệ thống thương phẩm
2.2.1- Vi hệ thống biến đổi chuyên dụng họ ADE 77xx.
Họ vi hệ thống ADE77xx (Analog Devices Energy) của hãng Analog Devices ra đời năm 1999 là một họ vi hệ thống chuyên
dụng, đa năng, có tính năng vượt trội trong đo lường. Đến nay họ vi hệ thống đo các đại lượng điện của Analog Devices đã có nhiều loại:
ADE7750, ADE7751, ADE7753, ADE7754, ADE7755, ADE7756, ADE7757, ADE7758, ADE7761, ADE7763,...

Vi hệ thống ADE77xx được tích hợp các ADC có độ chính xác cao, tốc

độ lớn của Analog Devices, với các hàm xử lý số tín hiệu (DSP) hiện đại của

Texas Instrument, cho phép thực hiện các phép biến đổi tương tự số, lọc số
thông thấp, thông cao, phép nhân, tích phân số, khuếch đại đảm bảo cho hệ

thống đạt chính xác 0,1% trong dải thang đo 1:1000. Với các ưu điểm trên có

thể coi ADE như một DAQ chính xác, hiện đại. Bên cạnh đó ADE có khả
năng thu thập các thông tin về giá trị hiệu dụng, giá trị tức thời của các đại

lượng cơ bản trong đo lường như dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công
suất cos và các thông số R, L, C của các phần tử mạch điện với độ chính xác

tương đối. Đó là điều mà không một hệ thống đo nào khi lắp bằng mạch rời có

thể đạt được. Với độ chính xác mà vi hệ thống đạt được, nó ngang bằng với độ

chính xác của dụng cụ đo mẫu trước đây. Ngoài ra ADE được thiết kế ứng

dụng cho cả mạng một pha và ba pha.

Họ vi hệ thống ADE77xx đều dựa trên 2 định nghĩa về đo giá trị hiệu

dụng:

U rms =

1 2
u (t )dt
T 0
T



U rms =

1 n 2
ui
n i =1

(2.1)

Trong đó: u(t) là giá trị tức thời

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển

- 16 --------------------------------------------------------------------------------------------Và công suất tác dụng P:
P=

1
p (t )dt
T 0
T



P=

1 n
pi
n i =1

(2.2)

Với giá trị tức thời của công suất: p(t) = u.i

Để đảm bảo tính chính xác, chất lượng cao, Analog Devices đã sử dụng

các biện pháp sau:
-

Điện áp vào được khuyếch đại bằng phần mềm, sau đó vào ADC chính

-

Để đảm bảo sai số 0,1% của toàn bộ hệ thống, độ chính xác của ADC ít

xác cao, tốc độ nhanh (24 bit, 900kS/s).

nhất phải đạt 0,01% tức tối thiểu 100ppm, như vậy điện áp mẫu U ref của
ADC phải đạt 0,003% tức 30ppm.
-

Giá trị mẫu có tính ổn định rất cao (30ppm) nhờ có bù nhiệt độ cho U ref

-

Analog Devices đã bố trí đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở đặt trong vi

và được bù bằng phần mềm.

mạch và bù nhiệt độ bằng phần mềm.
2.2.2- Vi hệ thống lập trình

Các vi hệ thống lập trình được chế tạo từ ý tưởng tạo ra được những hệ

thống không cần nhiều ngoại vi như:

- Khuếch đại thuật toán, khuếch đại đo lường đảo hay không đảo.
- Lọc, phát tín hiệu.
- Nguồn ổn áp.
- ADC-DAC.

- Đếm, định thời.

- Các phép tính toán

- Khối truyền tin.

PSoC là từ viết tắt của Programable System On Chip hệ thống lập trình

được trên một chíp là một hướng đI mới trong sự phát triển vi điều khiển.
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 17 ---------------------------------------------------------------------------------------------

Ngoài bộ vi xử lý 8 bit, PSoC được tích hợp thêm các khối số và khối tương tự

có thể lập trình được mà với chúng có thể tạo nên một số lượng lớn các ngoại
vi. Các khối số có thể đựoc lập trình để thực hiện các choc năng số như Timer,

Counter, UART, PWM hoặc kết hợp với các khối tương tự để thực hiện một số
choc năng. Các khối tương tự được cấu hình để thực hiện các chức năng như
các bộ lọc tương tự, bộ so sánh, các bộ khuếch đại đo lường đảo và không đảo,

ADC, DACCó nhiu họ PSoC khác nhau và có số lượng khối số, khối

tương tự khác nhau, số lượng chân vào ra cũng khác nhau, tuỳ yêu cầu từng
project mà chọn loại thích hợp.

Việc tích hợp rất nhiều ngoại vi bên trong một chíp đó giúp người ta thực

hiện những project lớn một cách đơn giản hơn và đỡ tốn kém. Người ta có thể
thực hiện một project phức tạp chỉ trên một chíp đơn với PSoC, thu gọn mạch,

giảm năng lượng tiêu thụ, giảm thời gian và công sức lắp đặt, giảm chi phí và
cũng có nghĩa là giảm giá thành sản phẩm.

Ngoi ưu điểm trên PSoC còn có bộ CPU hỗ trợ một tập lệnh rất phong

phú, không chỉ lập trình được các khối số và tương tự để thành các choc năng

cần thiết mà còn có thể lập trình được cả nguồn xung clock, nguồn điện áp

chuẩn, có thể lập trình phần cứng trên phần mềm PSoC Designer rất trực quan

Ngoài ra, một ưu điểm nổi bật của PSoC mà không vi điều khiển nào có được
là khả năng tự cấu hình động, tức là có thể cấu hình lại hệ thống trong lúc
đang chạy chương trình.

Một số đặc điểm nổi bật của PSoC là các khối số và khối tương tự lập

trình được có thể cấu hình để thực hiện các chức năng:

o Các bộ ADC độ phân giảI lên tới 14 bit, nhiều loại khác nhau.
o DAC có độ phân giảI lên tới 9 bit.

o Bộ khuếch đại, bộ lọc, bộ so sáng khả trình.

o Bộ Timer, Counter 8 bit, 16 bit, 24 bit, 32 bit.
o Bộ điều chế độ rộng xung.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 18 --------------------------------------------------------------------------------------------o Các mdul CRC.

o UART song công.

o I2C cấu hình chủ hoặc khách tốc độ lên tới 400kHz
o Bộ vi xử lý hỗ trợ một tập lệnh phong phú

o Bộ vi xử lý có tốc độ lên tới 24MHz, có thể chọn lựa được từ nhiều giá
trị

khác nhau.

o Bộ nhân cứng 8x8, kết quả được lưu trữ trong thanh chứa 32 bit.

o Có thể tạo ngắt trên bất kỳ chân vào /ra nào

o Trên bất kỳ chân nào coe thể chọn lựa các chế độ : Pull up, pull down,
High Z, Strong hoặc Open drain.

o Có thể hoạt đọng ở điện áp 5V hoặc 3.3V hoặc với nguồn điện áp thấp
là1V

o 16K bộ nhớ khả trình.
o 256 byte RAM.

o Phần mềm PSoC Desiger để cấu hình và lập trình trực quan, dễ sử
dụng.

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 19 ---------------------------------------------------------------------------------------------

H×nh 2.3- CÊu h×nh cña PSoC

---------------------------------------------------------------------------------------------NguyÔn Thu Hµ

Ngµnh: §o l­êng vµ HÖ thèng ®iÒu khiÓn


- 20 --------------------------------------------------------------------------------------------2.2.3- Vi hệ thống truyền tin

Hai hệ truyền tin thông dụng là PLC và OMS

Với hệ PLC, điển hình là phương thức truyền tin Power bus đã được

dùng rộng rãI bằng cách dùng đường dây tảI điện làm phương tiện truyền
thông mặc dù có một vài điểm hạn chế. Tuy nhiên xu thế mới gần đây các hệ

truyền tin OMS, điển hình là vi hệ thống truyền tin Bluetooth đang được ứng

dụng do có các ưu điểm nổi trội như:

- Bluetooth dùng để kết nối và truyền tin dữ liệu nhanh, đồng bộ trên

đường truyền không dây giữa các thiết bị, máy tính, điện thoại, PDA, Laptop,
máy in, máy scan,...

- Bluetooth là vi hệ thống tạo nên sự kết nối vật lý giữa 2 hay nhiều thiết bị

đầu cuối với nhau hình thành mạng không dây để chia sẻ nguồn thông tin, dữ
liêu.

- Giao

thức làm

việc

của

Bluetooth

theo

nguyên

tắc

chủ/tớ

(masters/slaves), theo kiểu điểm - nhiều điểm (function of the type point to

multiple point).

- Bluetooth có thể ghép nối phần cứng với các thiết bị thông qua đường bus

RS232, RS485, USB,...

Hình 2.4 - Bluetooth wireless LAN
---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 21 -------------------------------------------------------------------------------------------- Khái quát về các lớp giao thức truyền tin của Bluetooth:

Hình
2.5

Có 3 chế độ bảo bảo mật chính:
- Mode 1: No Security

- Mode 2: Application/Service based (L2CAP)

- Mode 3: Link-layer (PIN authentication/MAC address
ecurity/encryption).

Có 4 chế độ quản lý:

- Active Mode
- Sniff Mode

- Hold Mode

- Park Mode.

Có hai kiểu kết nối là:

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển


- 22 --------------------------------------------------------------------------------------------- Đồng bộ (SCO)

- Không đồng bộ (ACL).

Các đặc tính kỹ thuật:
-

Bluetooth sử dụng sóng radio để kết nối và truyền tin trong vùng không

gian với khoảng cách bán kính 10 m, có thể đến 100 m.

- Tốc độ truyền tin nhanh từ 1 Mbps đến 10 Mbps.
2.2.4- Vi cảm biến.

Sản phẩm đầu tiên trong công nghệ chế tạo cảm biến là cảm biến cơ

được sản xuất vào năm 1962 dựa trên phát minh về hiệu ứng áp trở của vật

liệu bán dẫn. Sau đó các sản phẩm về cảm biến không chỉ dừng ở lĩnh vực cơ

học mà còn trên các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác như quang học, thuỷ

động học mà cụ thể là những chuyên ngành mới như vi cơ, vi quang, vi lưu,

sau đó các công nghệ này được tổng hợp chế tạo ra các linh kiện rất nhỏ về
kích thước nhưng khả năng rất rộng, không hạn chế trong các lĩnh vực khác
nhau như cơ, điện,

MEMS là sự tích hợp của các phần tử cơ ( mechanical element), cảm

biến, bộ thừa hành, với các phần tử điện trên một nền Silicon bằng công nghệ

vi chế tạo ( micro-fabrication tech). Trong khi những thành phần có thuộc tính
điện tử được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp như CMOS, BIBOLAR,

BICMOS, thì những thành phần vi cơ phù hợp đó là cắt đi có chọn lựa những

phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị
cơ và cơ điện.

MEMS hứa hẹn cách mạng hoá các loại sản phẩm bằng cách mang các

yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền silicon cơ bản theo công nghệ vi cơ,

bằng cáh tạo ra các hệ thống trên chíp hoàn chỉnh. MEMS là một công nghệ

cho phép phát triển các sản phẩm thông minh sử dụng khả năng tính toán của
các phần tử vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi thừa hành có khả năng

---------------------------------------------------------------------------------------------Nguyễn Thu Hà

Ngành: Đo lường và Hệ thống điều khiển