Nghiên cứu và xây dựng các module thí nghiệm đo lường điều khiển qua mạng

..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CÁC MODULE THÍ NGHIỆM
ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG

HÀ VN PHNG

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
CHUYấN NGNH: O LNG VÀ CÁC HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hµ Néi - 2005


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách Khoa Hµ Néi
-----------------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CÁC MODULE THÍ NGHIỆM
ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG

HÀ VN PHNG

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
CHUYấN NGNH: O LNG VÀ CÁC HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
PGS – TS. PHẠM THỊ NGỌC YẾN

Hµ Néi - 2005


danh mục hình vẽ
Hình 2.1 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng LAN ...........................................6
Hình 2.2 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng internet .......................................8
Hình 2.3 Cấu hình một hệ thống Field Point ..................................................10
Hình 2.4 Sơ đồ khối AT-MIO-16E-10 ................................................................17
Hình 2.5 Thứ tự chân tín hiệu của card AT-MIO-16E-10 ...................................18
Hình 2.6 Bảng công cụ điều khiển ......................................................................22
Hình 2.7 Ví dụ về giao diện mặt trớc một thiết bị ảo ........................................25
Hình 2.7 Bảng các điều khiển cho mặt máy ........................................................26
Hình 2.8 Minh hoạ một block diagram ...............................................................27
Hình 2.9 Mô tả cấu trúc Sequence .......................................................................29
Hình 2.10 Mô tả cấu trúc Case ............................................................................30
Hình 2.11 Mô tả ví dụ sử dụng cấu trúc While loop ...........................................31
Hình 3.1 Quan hệ đặc tính của nhiệt điện trở theo nhiệt độ ................................35
Hình 3.2 Cấu tạo của nhiệt điện trở .....................................................................41
Hình 3.3 Một số nhiệt địên trở bán dẫn ...............................................................43
Hình 3.4 Hiệu ứng Seebeck .................................................................................44
Hình 3.5 Cặp nhiệt loại J .....................................................................................46
Hinh 3.6 Cấu tạo cặp nhiệt điện ..........................................................................46
Hình 3.7 Cặp nhiệt điện loại J với Tref đợc giữ ë 0 0C ........................................49
H×nh 3.8 Vïng chn trong hƯ thèng đo .............................................................50
Hình 3.9 Mạch bù sai số nhiệt độ ........................................................................51
Hình 3.10 Quan hệ giữa ssđ và nhiệt độ ..............................................................52

Hình 3.11 Sơ đồ hoả kế quang học ......................................................................56
Hình 3.12 Sơ đồ hoả kế quang điện .....................................................................57
Hình 3.13 Bộ cảm biến siêu ©m nhiƯt ®é .............................................................59


Hình 3.14 Sơ đồ khối quá trình đo và điều khiển nhiệt độ qua mạng .................62
Hình 3.15 Hộp tuỳ chọn loại cảm biến ................................................................64
Hình 3.16 Công tắc chọn loại nhiệt độ hiển thị ...................................................64
Hình 3.17 Phần hiển thị nhiệt độ .........................................................................65
Hình 3.18 Báo động về sự vợt khoảng nhiệt độ đặt ...........................................65
Hình 3.19 Mặt trớc máy đo nhiệt độ .................................................................66
Hình 3.20 Lập trình theo ngôn ngữ LabVIEW cho thiết bị đo nhiệt độ ..............67
Hình 3.21 Mặt trớc oscilloscope ảo ...................................................................70
Hình 3.22 Phần lập trình cho oscilloscope ảo .....................................................71
Hình 3.23 Mặt trớc thiết bị đo và điều khiển tốc độ ..........................................73
Hình 4.1 Mô hình hệ thống thí nghiệm qua mạng ..............................................75
Hình 4.2 Giao diện trang chủ thí nghiệm đo lờng và điều khiển .......................77
Hình 4.3 Sơ đồ mà chơng trình trang Web thÝ nghiƯm ......................................79
H×nh 4.4 Giao diƯn Web client ............................................................................82
H×nh 5.1 Sơ đồ khối hệ thống vận hành thử ........................................................83
Hình 5.2 Trang Web cđa MICA ..........................................................................84
H×nh 5.3 Trang giíi thiƯu chung .........................................................................85
Hình 5.4 Trang Web thí nghiệm đo nhiệt độ qua mạng .....................................86
Hình 5.5 Trang Web thí nghiệm đo tín hiệu điện áp bằng Oscilloscope. ...........87
Hình 5.6 Trang Web thí nghiệm đo tốc độ .........................................................88
Hình 5.7 Trang Web thí nghiệm ph©n tÝch tÝn hiƯu .............................................89


danh mục các bảng
Bảng 2.1 Thông số khuếch đại và độ chính xác ..................................................13

Bảng 3.1 Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ(Pt100) ............................................37
Bảng 3.2 Sức địên động của cặp nhiệt ngẫu so với thuỷ ngân ............................47
Bảng 3.3 Giới hạn nhiệt độ và các ống bảo vệ ....................................................47
Bảng 3.4 Quan hệ giữa thiết bị đo và nhiệt độ đo với sai số ................................60
Bảng 3.5 Bảng tóm tắt phạm vi hoạt động của các bộ cảm biến nhiệt ................61
Bảng 4.1 Cách lập danh sách và quyền truy nhập của các Web client ................80


Mục lục
Chơng 1: Vấn đề thực trạng và hớng nghiên cứu...............................................1
1.1 Vấn đề thực trạng hiện nay ...........................................................................1
1.2 Hớng nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài ....................................................2
Chơng 2: Cơ sở xây dựng phòng thí nghiệm qua mạng ......................................4
2.1 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng LAN ................................................4
2.2 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng internet ............................................6
2.3 Cơ sở xây dựng phòng thí nghiệm qua mạng ..............................................8
2.3.1 Cảm biến đo l−êng ...............................................................................8
2.3.2 HƯ thèng thu thËp vµ xư lý tÝn hiƯu ............................................. ......10
2.3.2.1 HƯ thèng m¹ng Field-Point .................................................. ......10
2.3.2.2 Card thu thËp sè liƯu NI_DAQ ............................................. ......11
2.3.3 Giíi thiƯu vµ tìm hiểu phần mềm LabVIEW .............................. .....19
2.3.3.1 Khái niệm về LabVIEW ..................................................... .......19
2.3.3.2 Cài đặt LabVIEW ................................................................ ......19
2.3.3.3 Các đặc tr−ng cđa LabVIEW .............................................. ......20
2.3.3.4 GhÐp nèi víi thiÕt bÞ ngoại vi .............................................. ......22
2.3.3.5 Một số điều cần biết khi sư dơng LabVIEW ....................... ......22
2.3.3.6 C¸ch thiÕt kÕ mét thiÕt bị ảo bằng LabVIEW ..................... ......24
Chơng 3: Xây dựng module thí nghiệm qua mạng ..................................... .....33
3.1 Xây dựng module đo và điều khiển nhiệt độ qua mạng ..................... ......33
3.1.1 Giới thiệu chung về các phơng pháp đo nhiệt độ ..................... .......33

3.1.2 Một số phơng pháp đo nhiệt độ cơ bản ..................................... ......34
3.1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở ........................................ .........34
3.1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu ..................................... ..........44
3.1.2.3 Cảm biến quang đo nhiệt độ ................................. .....................53


3.1.2.4 Cảm biến siêu âm nhiệt độ ......................................... ...............58
3.1.3 Xây dựng module đo và điều khiển nhiệt độ ......................................62
3.1.3.1 Phân tích nhiệm vụ và tính năng module ....................................62
3.1.3.2 Xây dựng giao diện và lập trình ..................................................64
3.2 Một số module đo lờng và điều khiển khác ............................................67
3.2.1 Xây dựng module đo tín hiệu hiện sóng .............................................67
3.2.2 Xây dựng module đo và điều khiển tốc độ .........................................71
Chơng 4: Xây dựng Web server ........................................................................74
4.1 Ph©n tÝch nhiƯm vơ hƯ thèng ....................................................................74
4.2

X©y dùng Web server ...........................................................................75

4.2.1 NhiƯm vơ vµ giao diƯn web server .....................................................76
4.2.2 Thực hiện lập trình cho Web server ..................................................78
4.3 Xây dựng Web client .................................................................................80
Chơng 5: Thử nghiệm hệ thống và kết quả .......................................................83
5.1 Lắp đặt hệ thống thử nghiệm .....................................................................83
5.2 Kết quả vận hành thử nghiệm hệ thống .....................................................84
5.3 Các vấn ®Ị ch−a gi¶i qut ........................................................................90
5.3.1 Qu¶n lý truy cËp .................................................................................90
5.3.2 Vấn đề bảo mật và an ninh mạng .......................................................90
5.4 Hớng phát triển của đề tài .......................................................................91

4.1.1


4.2

3.1.2.2
3.1.2.3


-1-

Chơng 1:
thực trạng và hớng nghiên cứu
1.1.

Thực trạng hiện nay
Sự phát triển mạnh mẽ và không ngừng với những thành tựu to lớn trong

lĩnh vực thông tin tin học đặc biệt là mạng thông tin, đó là sự hội nhập giữa máy
tính và kỹ thuật truyền tin. Sự bùng nổ về mạng thông tin đà có ảnh hởng sâu
sắc đến hớng nghiên cứu và phát triển của các nhà khoa học cũng nh các hÃng
sản xuất. Hiện nay xu thế ứng dụng mạng thông tin trong việc giám sát, điều
khiển và truyền thông đặc biệt là ứng dụng mạng internet để giám sát và điều
khiển các hệ thống từ xa.Việc sử dụng mạng internet trong giám sát và điều
khiển hệ thống từ xa là bài toán có rất nhiều ứng dụng thực tế đạt hiệu quả cao.
Phòng thí nghiệm qua mạng internet là một trong những hệ quả đang đợc
quan tâm. Theo cách truyền thống thực hiện một bài thí nghiệm cần phải có
những phòng thí nghiệm với các trang thiết bị và việc quản lý trở nên phức tạp.
Mặt khác ngời làm thí nghiệm phải đến tận nơi có phòng thí nghiệm thực hiện
các thao tác và ghi chép các kết quả thí nghiệm theo một lịch trình đà định trớc

dẫn đến những lÃng phí về thời gian và các chí phí chuẩn bị cho bài thí nghiệm
cũng nh các bất tiện khác của việc đi lại không cần thiết... Với phòng thí
nghiệm qua mạng có các thiết bị đo và thu thập số liệu tại hiện trờng và máy
chủ phục vụ việc lu trữ số liệu và chuyển thông tin, ngời làm thí nghiệm có thể
thực hiện đợc bài thí nghiệm mà không cần phải đến tận hiện trờng mà chỉ cần
ngồi tại nhà vào bất cứ lúc nào cũng có thể thực hiện đợc bài thí nghiệm ngay
trên máy tính cá nhân nối mạng và các kết quả đợc ghi vào một file nào đó
trong bộ nhớ cđa m¸y tÝnh t ý. Nh− vËy sÏ tiÕt kiƯm đợc thời gian, các chi phí
không cần thiết nh trong cách truyền thống và thực sự phát huy tính tích cực
trong đào tạo từ xa.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thèng ®iỊu khiĨn


-2-

1.2.

Hớng nghiên cứu và nhiệm vụ của đề tài
Để đáp ứng phần nào nhu cầu thiết thực trên tôi đà chọn đề tài Nghiên

cứu và xây dựng các module thí nghiệm Đo lờng và Điều khiển qua mạng
internet. Đây là một trong những vấn đề cơ bản của phòng thí nghiệm qua
mạng. Phòng thí nghiệm yêu cầu tối thiểu cần có là một hiện trờng phòng thí
nghiệm ở đó có các bộ cảm biến đo các đại lợng, hệ thống thu thập số liệu đo,
Web servers lu trữ số liệu cùng các module Web thí nghiệm tơng ứng và
chuyển chúng để trả lời cho các yêu cầu từ Web client.
Việc xây dựng các module thí nghiệm qua mạng không những đáp ứng
yêu cầu của lý thuyết và mục đích thí nghiệm mà còn đảm bảo tính trực quan của
thí nghiệm. Vì vậy trên mỗi thiết bị của các module thí nghiệm phải có hình ảnh,

các điều khiển, hiển thị ... cũng nh cách sử dụng giống với thiết bị đơn lẻ có
trong thực tế. Điều đó đồng nghĩa với việc yêu cầu một ngôn ngữ lập trình
chuyên dụng để tạo các giao diện trang Web thí nghiệm trên.
Hiện nay, có nhiều ngôn ngữ lập trình của các hÃng phần mềm hỗ trợ
chúng ta tạo ra giao diện một cách dƠ dµng nh−: LabVIEW, Visual Basic,
Visual_Basic.Net ... Nh−ng trong tr−êng hợp để tạo ra các giao diện cho các thiết
bị đo lờng và điều khiển thì ngôn ngữ thích hợp hơn cả là LabVIEW của hÃng
National Instruments vì th viện của ngôn ngữ này đà có sẵn các nút, điều khiển,
các hiển thị... giống với các chi tiết của thiết bị thật. Hơn nữa ngôn ngữ lập trình
đồ hoạ rất thuận tiện, trực quan và giao diện thân thiện với ngời sử dụng. Sự hỗ
trợ cả về phần cứng và phần mềm của hÃng đà tạo nên những sản phẩm chuyên
dụng trong lĩnh vực đo lờng và điều khiển nh: các card thu thập, module thu
thập đợc kết nối với máy tính cùng phần mền đợc tạo ra bởi ngôn ngữ
LabVIEW.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


-3-

Suất phát từ yêu cầu của đề tài và hớng nghiên cứu, nhiệm vụ đặt ra nh
sau:
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình và các thành phần cấu thành phòng
thí nghiệm qua mạng.
- Tìm hiều về các bộ cảm biến sử dụng trong đo lờng.
- Tìm hiểu và nghiên cøu sư dơng vỊ card thu thËp DAQ cđa h·ng
National Instruments cụ thể là loại card AT-MIO-16E-10.
- Tìm hiểu và nghiên cứu ngôn ngữ lập trình LabVIEW của hÃng
National Instruments.
- Nghiên cứu một số phơng pháp đo nhiệt độ cơ bản.

- Xây dựng module thí nghiệm qua mạng để thực hiện các bài thí nghiệm
nh đo nhiệt độ, đo tín hiệu điện áp và mở rộng cho một số module
khác dùng ngôn ngữ LabVIEW.
- Xây dựng Web server cho các bài thí nghiệm dùng ngôn ngữ
LabVIEW.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và HƯ thèng ®iỊu khiĨn


-4-

Chơng 2:
Cơ sở xây dựng phòng thí nghiệm qua mạng
2.1 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng LAN
Khi máy tính đợc ứng dụng trong các công việc đà đánh dấu sự ra đời của
mạng LAN. Mạng LAN gồm các máy tính, các card mạng, môi trờng nối mạng,
các thiết bị điều khiển tải, và các thiết bị ngoại vi. Vì mạng LAN có thể kết nối
tất cả các trạm công tác, các thiết bị ngoại vi, các thiết bị đầu cuối và các thiết bị
khác trong một phạm vi hẹp của một toà nhà hay công sở. Mạng LAN giúp các
nhà quản lý thực hiện việc chia sẻ một cách hiệu quả các tập tin dữ liệu hoặc các
máy in, ngoài ra mạng LAN còn có khả năng cung cấp thông tin liên lạc nh
email, hội nhập dữ liệu và truyền thông tin. Mạng LAN đợc thiết kế để thực
hiện các hoạt động trong miền địa lý giới hạn, cho phép đa truy xuất vào môi
trờng tốc độ cao, cung cấp khả năng kết nối liên tục vào các dịch vụ cục bộ, tạo
ra kết nối vật lý giữa các thiết bị kề nhau và cho phép ngời quản lý điều khiển
mạng cục bộ một cách độc lập. Với những khả năng trên nên hiện nay mạng
LAN thờng đợc sử dụng trong các khu công nghiệp, các công sở, trong các toà
nhà hay trong các trờng học. Và nó không chỉ dừng với những hiệu quả trong
việc quản lý chia sẻ thông tin mà hơn thế nữa LAN đà đợc sử dụng trong các hệ
thống Đo lờng và Điều khiển từ xa, hay các phòng thí nghiệm Đo lờng và Điều

khiển từ xa trong các trờng học, các viện nghiên cøu.
Theo trun thèng, trong c¸c tr−êng häc, c¸c viƯn nghiƯn cứu khi muốn
làm một thí nghiệm hay đo một đại lợng hoặc một thông số thì ngời ta phải
đến tận nơi phòng thí nghiệm nơi có các thiết bị đo, thiết bị thí nghiệm và thao
tác theo một lịch trình định trớc. Nh vậy phải tốn kém về kinh tế xây dựng
nhiều phòng thí nghiệm cũng nh thời gian chi phí thực hiện thí nghiệm. Mặt
khác, khi có nhiều ngời cần làm thí nghiệm trong cùng thời điểm thì lại đòi hỏi

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


-5-

có nhng trang bị lớn hơn cho phòng thí nghiệm chẳng hạn nh về không gian
phòng thí nghiệm, trang thiết bị và sự quản lý...
Khi mạng LAN đợc ứng dụng trong đo lờng và điều khiển từ xa việc thí
nghiệm đợc cải thiện hơn. Với các cảm biến, card thu thập số liệu và máy tính
đóng vai trò máy chủ đợc đặt tại hiện trờng. Các thông tin về đối tợng đợc
đa về máy chủ và chuyển tới các máy tính khác trong mạng khi có yêu cầu.
Trên client một giao diện đợc thiết lập có hình ảnh và các tính năng giống nh
các thiết bị đơn lẻ trong thực tế hay còn gọi là thiết bị ảo. Thông qua kết nối
mạng LAN mọi ngời trong phạm vị cơ quan đó có thể từ các máy tính cá nhân
truy cập tới thiết bị ảo để quan sát, điều khiển hay làm các thí nghiệm với các đại
lợng hoặc thông số t¹i hiƯn tr−êng. Nh− vËy ng−êi thùc hiƯn viƯc quan sát, đo,
điều khiển hoặc làm thí nghiệm không cần mất nhiều thời gian đi lại và hạn chế
đợc đáng kể kinh phí xây dựng cơ sở hạ tầng nói chung và trang bị phòng thí
nghiệm nói riêng đồng thời các dữ liệu cần thiết của các thông số trên hiện
trờng cũng đợc ghi lại trên máy tính một cách dễ dàng và thuận tiện. Phòng thí
nghiệm đo lờng và điều khiển qua mạng LAN có thể đợc mô tả nh hình_2.1
dới đây:

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


-6-

Hình 2.1_Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng LAN
Một hệ thống đo lờng và điều khiển từ xa theo phơng pháp truyền
thống việc điều khiển truyền dữ liệu rất phức tạp, các đờng truyền đợc
thiết lập theo một giao thức sử dụng mạng LAN thực sự mang lại những lợi
ích rất lớn. Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao và sự đòi hỏi nối liền mọi
khoảng cách cũng nh các yêu cầu hội nhập ngày càng tăng nên mô hình mạng
LAN không thể đáp ứng đợc mà chúng ta cần đến một mạng rộng hơn đó là
mạng internet.
2.2 Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng internet
Khi số lợng máy tính sử dụng trong các hoạt động kinh tế, nghiên cứu
khoa học, công nghiệp và xà hội tăng vọt, các mạng cụ bộ sẽ không thể đáp ứng
đợc nhu cầu sử dụng. Với một hệ thống mạng cụ bộ thì mỗi công ty là một ốc
đảo điện tử. Sự cần thiết trao đổi thông tin hiệu quả và nhanh chóng giữa các
công ty hay các doanh nghiệp có sự cách trở về vật lý trên diện rộng toàn cầu là
tiền ®Ị ®Ĩ m¹ng internet ra ®êi. M¹ng internet nèi liỊn tất cả các máy tính trên

Hà Văn Phơng_Đo lờng và HƯ thèng ®iỊu khiĨn


-7-

toàn thế giới nhờ giao thức internet. Nh vậy thông tin không chỉ đợc chia sẻ
trong một phạm vi cụ bộ mà nó có thể đợc trao đổi, chia sẻ trên toàn cầu.
Với xu thế ứng dụng mạng internet trong quản lý, nghiên cứu khoa học, xÃ

hội, hiện nay những vấn đề nghiên cứu và đào tạo từ xa, thơng mại điện tử,
chính phủ điện tử đà và đang đợc quan tâm phát triển. Hiện nay, vấn đề sử dụng
mạng internet vào việc nghiên cứu và đào tạo từ xa đang đợc thế giới nói chung
và Việt Nam nói riêng quan tâm khai thác. Đây là một đề tài khả thi và mang lại
nhiều lợi ích, ý nghĩa khoa học. Trong việc đào tạo từ xa cơ bản cần giải quyết
hai vấn đề cách trao đổi thông tin và phơng cách thực hiện thí nghiệm. Việc
trao đổi thông tin hiện đợc thực hiện nhờ mạng internet, vấn đề cơ bản thứ hai
của đào tạo từ xa thực chất là xây dựng phòng thí nghiệm qua mạng ienternet hay
nói cách khác xây dựng phòng thí nghiệm ảo qua mạng.
Phòng thí nghiệm qua mạng internet thực chất là một hệ thống bao gồm
các thiết bị cảm biến, các card thu thập số liệu tại hiện trờng sau đó đợc đa tới
máy tính chủ cũng đợc đặt tại hiện trờng chuyển các thông tin tới các máy
tính client khi có yêu cầu dới dạng trang Web, ở trang Web này chứa các bài thí
nghiệm và các thiết bị thí nghiệm tơng ứng với các đại lợng đo. Các client có
thể truy cập để quan sát, điều khiển hay làm các thí nghiệm với các đại lợng hay
với các đối tợng trên hiện trờng mà không cần phải đến hiện trờng và không
cần phải quan tâm hiện trờng ở đâu và cách bao xa. Mặc dù vậy mọi thông số,
giá trị các đại lợng đo đợc đều là các giá trị thực tế và biến đổi trên hiện
trờng. Có thể mô tả phòng thí nghiệm qua mạng theo hình 2_2 dới đây:

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


-8-

Hình 2.2_Mô hình phòng thí nghiệm qua mạng internet
ở đây phần thu thập số liệu trên hiện trờng có thể có nhiều cách khác
nhau, mỗi cách đều có những khó khăn và thuận lợi. Một trong những cách đó là
sử dụng mạng field_piont hoặc card thu thập dữ liệu DAQ của National
Instruments (NI), còn giao diện đợc xây dựng nhờ ngôn ngữ LabVIEW cũng

của NI.
2.3 Cơ sở xây dựng phòng thí nghiệm qua mạng
Để xây dựng một phòng thí nghiệm đo lờng và điều khiển qua mạng cần
phải nghiên cứu các vấn đề cơ bản sau:
- Bố trí hiện trờng các đại lợng đo cho từng bài thí nghiệm cụ thể.
- Các thiết bị cảm biến và mạch đo.
- Hệ thống thu thập và xử lý số liệu.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


-9-

- Ngôn ngữ lập trình LabVIEW trong xây dựng các module thí nghiệm qua
mạng.
2.3.1 Bố trí hiện trờng các đại lợng đo và các cảm biến
Trớc hết phải có hiện trờng các đại lợng cần đo tơng ứng với từng bài
thí nghiệm nh: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, lu lợng, nồng độ, lực, dòng điện, điện
áp ... các đại lợng này có thể lấy tại môi trờng tự nhiên hoặc tự tạo ra. Đối với
mỗi đại lợng đo có thể bố trí nhiều loại cảm biến khác nhau để khi thực hiện bài
thí nghiệm ta có thể chọn cảm biến khác nhau làm cho bài thí nghiệm phong phú
và qua đó tìm hiểu đợc nhiều loại cảm biến khác nhau cũng nh việc so sánh
các đặc tính, độ chính xác, u điểm và nhợc điểm giữc các loại cảm biến. Khi
sử dụng mỗi cảm biến lại có một mạch đo riêng, nh vậy mỗi bài thí nghiệm phải
thiết kế nhiều mạch đo khác nhau cho từng trờng hợp sử dụng cảm biến.
Hiện nay, trong lĩnh vực đo lờng và điều khiển tự động có rất nhiều họ
cảm biến khác nhau, mỗi họ lại có nhiều loại khác nhau đợc sử dụng cụ thể
trong những trờng hợp khác nhau, trong thực tế hiện có những loại cảm biến cơ
bản sau:
- Cảm biến quang học

- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến vị trí và di chuyển
- Cảm biến vận tốc và gia tốc
- Cảm biến đo biến dạng
- Cảm biến lực và ứng suất
- Cảm biến đo lu lợng và thể tích chất lỏng, khí và hơi
- Cảm biến áp suất lu chất
- Cảm biến đo chân không
- Cảm biến phát hiện và đo độ ẩm

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thèng ®iỊu khiĨn


- 10 -

- Cảm biến điện hoá và y sinh
- Cảm biến bức xạ hạt nhân
- Cảm biến điện từ
Ngoài ra chúng ta còn có các cảm biến thông minh khác nữa. Tuy nhiên,
các bộ cảm biến đo lờng đều có các đặc trng cơ bản sau:
Hàm truyền là quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể
cho dới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích, y
là tín hiệu điện đáp ứng, thì hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích
thích. Hàm truyền có thể đợc biểu diễn dới dạng tuyến tính, phi tuyến, hàm luỹ
thừa, hàm logarit hoặc hàm mũ.
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đa vào bộ cảm
biến mà sai số không vợt quá ngỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp
ứng phi tuyến ngỡng động của kích thích thờng đợc biểu diễn dexibel, bằng
logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra hoặc tín hiệu vào:
1dB = 10 lg

P2
U
= 20 lg 2
P1
U1

Sai số và độ chính xác của các bộ cảm biến cũng nh các thiết bị đo lờng
khác, ngoài đại lợng cần đo còn chịu ảnh hởng của các yếu tố ngoại cảnh của
môi trờng nên sai số giữa giá trị đo đợc và giá trị thực tức mắc phải sai số tuyệt
đối, sai số tơng đối.
2.3.2 Hệ thống thu thập và xử lý sè liƯu
HƯ thèng thu thËp vµ xư lý sè liƯu là phần kết nối giữa các cảm biến, mạch
đo với các máy tính <các máy tính ở đây là các Server> và các phần mềm ứng
dụng để hoàn tất quá trình thu thập và lu trữ thông tin sẵn sàng chuyển tới các
client có yêu cầu. HÃng National Instruments <NI> đa ra hai giải pháp thu thập
số liệu: sử dụng card thu thập số liệu DAQ hoặc hệ thống mạng Field-Point.
2.3.2.1 Hệ thống mạng Field-Point

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thèng ®iỊu khiĨn


- 11 -

HÃng National Instruments <NI> đà phát triển một hệ thống mạng thực
hiện thu thập số liệu đo, giám sát và điều khiển thông số quá trình đó là m¹ng
Field-point. HƯ thèng m¹ng Field-point cđa NI cã hai lo¹i Field-point và
Compact Field-point. Với Field-point các thiết bị đợc ghép nối với nhau thể hiện
trên kết nối vật lý và các giao thức truyền thông tơng tự nh các hệ thống mạng
khác, và các thành phần cơ bản của mạng gồm module thu thập, module tín hiệu,

phần điều khiển thực hiện truyền thông qua các cổng RS-232, RS-485, các trạm
có thể kết nối với nhau qua mạng truyền thông nối tiếp hay mạng ethernet.

Hình 2.3_Cấu hình một hệ thống Field - Point
Hệ thống Field-point gồm các module phân tán đặt dới hiện trờng kết
nối với cảm biến, thiết bị chấp hành, trong đó các module đợc kết nối với nhau
và nối với cả hệ thống mạng. Do đợc module hoá nên mạng Field-point đơn
giản, dễ lắp đặt, tham số hoá. Sự đơn giản không chỉ thể hiện ở việc cài đặt hệ
thống, thiết lập cấu hình mà còn thể hiện trong cả lập trình và triển khai cả hệ
thống. Các vấn đề liên quan đến hệ thống thu thập số liệu qua mạng gồm giao
thức mạng, hệ thống thiết bị phần cứng và phần mềm, lập trình tạo giao diện, thu
thập giam sát điều khiển và lu trữ số liệu. Tuy nhiên trong luận văn tôi không đi
sâu nghiên cứu mạng Field-Point, tôi theo hớng sử dụng card DAQ.
2.3.2.2 Card thu thập số liệu NI_DAQ
HÃng NI đà đa ra các loại card thu thập dữ liệu chuyên dụng DAQ,
card thu thập này cho phép chúng ta liên kết giữa tín hiệu bên ngoài và thiết bị ảo

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


- 12 -

để thực hiện đo và hiện kết quả. ở đây chúng ta tìm hiểu card thu thập loại ATE.
Đây là loại card cắm thích ứng nhiều chức năng analog, digital, timing I/O cho
máy tính PC AT và thích ứng với nhiều máy tính khác. Đặc điểm nổi bật cđa hä
card thu thËp nµy lµ:
- Cã 16 vµ 64 đờng tín hiệu vào tơng tự, các đầu vào biến đổi
ADC 12 và 16 bít.
- Đầu ra điện áp từ bộ DAC có độ phân giải 12 hoặc 16 bít.
- Có 8 và 32 đờng tín hiệu vào/ra số tơng thích tín hiệu TTL.

- Định thời tín hiệu vào/ra bởi 2 bộ đếm/định thời 24 bít.
- CARD thu thập ATE có một đặc điểm nữa là rất dễ cấu hình và sử dụng
phần mềm đo lờng .
Ta có thể sử dơng NI-DAQ-PnP bus phèi ghÐp card ATE tíi bus AT I/O.
DAQ-PnP thực hiện cắm và hoạt động với bus ISA ®Ĩ trao ®ỉi trùc tiÕp d÷ liƯu
víi bé nhí (DMA) hay dùng các ngắt, địa chỉ vào ra cơ sở hoàn toàn do phần
mềm định dạng, nó cho phép ta dễ dàng thay đổi cấu hình card ATE mà không
cần phải tháo card khỏi máy tính.
CARD thu thập ATE sử dơng NI-DAQ-STC < system time control > ®Ĩ
®iỊu khiĨn thêi gian hƯ thèng. DAQ-STC chøa 3 nhãm timing ®Ĩ ®iỊu khiển
vào/ra tơng tự và tất cả các chức năng counter/timer. Các nhóm này chứa 7
counter 24 bit và 3 counter 16 bit.
CARD thu thËp ATE cã thĨ phèi ghÐp tíi hƯ thèng SCXI Conditioning eXtentions for Interface> nªn ta cã thể thu thập đợc hơn 3000 tín
hiệu tơng tự <analog signal > từ các máy đo nhiệt độ, RTDs Temperature Device>, các nguồn âm thanh, điện áp, dòng điện và cịng cã thĨ
t¹o ra tÝn hiƯu sè cho viƯc trun thông và điều khiển. SCXI là thiết bị đầu cuối
của họ DAQ nói chung và của card ATE nói riêng.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


- 13 -

Đầu Vào Tơng tự <Analog Input >
Đầu vào của họ card ATE đợc cấu hình bằng phần mềm. Ta có thể cấu
hình đầu vào khác nhau tuỳ theo công việc nhờ phần mềm đà đợc thiết kế để
điều khiển card ATE.
CARD ATE có 3 chế độ đầu vào DIFF

đầu vào visai, NRSE

<nonreferenced single-ended>, RSE <referenced single-ended>
Đầu vào single-ended sử dụng tới 16 kênh (64 kênh trên AT-MIO64E-3). Đầu vào DIFF sử dụng 8 kênh (32 kênh trên AT-MIO-64E-3). Một kênh
định dạng ở chế độ DIFF sử dụng 2 đờng vào kênh analog. Một đầu nối tới đầu
vào dơng của khuếch đại trên card <PGIA>, đầu còn lại nối vào đầu âm của
PGIA. Một kênh định dạng ở chế ®é RSE sư dơng 1 ®−êng vµo analog nèi vµo
cùc dơng của PGIA, còn đầu âm của PGIA nối đất. Một kênh định dạng ở chế
độ NRSE sử dụng 1 đờng vào cực dơng của PGIA, còn cực âm của PGIA nối
từ đầu vào sence.
Sự phân cực đầu vào và giới hạn đầu vào
Những card nh: AT-MIO-16E-1, AT-MIO-16E-2, AT-MIO-64E-3, ATMIO-16E-10, AT-MIO-16DE-10 là những card có 2 dạng đầu vào riêng biệt đơn
cực <unipolar> và lỡng cực <bipolar>. Unipolar là phần đầu vào điện áp giữa 0 :- VREF. ở đây VREF là điện áp cực dơng. Bipolar là phần đầu vào điện áp giữa
khoảng -VREF/2 -:- +VREF/2.
Các card này có phân cực dạng đơn cực <unipolar> là 10V tức (0V -:- 10V)
và phân cực dạng lỡng cực <bipolar> là 10V tức (-5V-:-5V).
Ta có thể lập trình để giới hạn đầu vào cho một kênh, trên cơ sở đó ta có thể
định dạng từng kênh đầu vào độc lập.
Khuếch đại đặt bằng phần mềm trên những card này làm tăng tính linh ho¹t
cđa chóng bëi ta cã thĨ lùa chän mét cách tơng xứng giữa các khoảng tín hiệu

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


- 14 -

đầu vào và các ADC. Khuếch đại trên card này có hệ số khuếch đại: 0.5; 1; 2; 5;
10; 20; 50; 100 và phù hợp cho nhiều độ lớn khác nhau của các mức tín hiệu. Với
việc đặt hệ số khuếch đại thích hợp ta có thể sử dụng đầy đủ các tính năng của
ADC để đo tín hiệu đầu vào. Bảng 2.1 dới đây là thông số khuếch đại và độ

chính xác:
Bảng 2.1_Thông số khuếch đại và độ chính xác
Định dạng

Hệ số khuyếh

Khoảng đầu

khoảng

đại

vào thực

0V -:- 10v

-5V-:- +5V

Độ chính xác

1.0

0 -:- +10V

2.44mV

2.0

0 -:- +5V

1.22mV

5.0

0 -:- +2V

488.28àV

10.0

0 -:- +1V

244.14µV

20.0

0 -:- +500mV

122.07µV

50.0

0 -:- +200mV

48.83µV

100.0

0 -:- +100mV

24.41µV

0.5

-10 -:- +10V

4.88mV

1.0

-5 -:- +5V

2.44mV

2.0

-2.5 -:- +2.5V

1.22mV

5.0

-1 -:- +1V

488.28µV

10.0

-500 -:- +500mV

244.14µV

20.0

-250 -:- +250mV

122.07µV

50.0

-100 -:- +100mV

48.83àV

100.0

-50 -:- +50mV

24.41àV

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiÓn


- 15 -

Chú ý khi lựa chọn nhóm đầu vào là sự phân chia đầu vào và giới hạn đo ta
chọn dựa trên tín hiệu tới. Một khoảng vào rộng cã thĨ thÝch øng víi mét sù biÕn
thiªn tÝn hiƯu lớn. Ta thờng lấy khoảng đo ở dạng lỡng cực <bipolar> khi ta
không chắc chắn tín hiệu không âm nếu không thì sẽ bị lỗi. Chỉ dùng khoảng đo
ở dạng đơn cực <unipolar> khi chắc chắn rằng tín hiệu không âm.

Đầu ra tơng tự
Sự lựa chọn chuẩn đầu ra analog c¸c card AT-MIO-16E-1, AT-MIO-16E2, AT-MIO-64E-3, AT-MIO-16E-10, AT-MIO-16DE-10 cung cÊp cho ta 2 kênh
đầu ra điện áp dạng analog tại kết nối vào/ra <I/O connector>. Ta có thể chọn
điện áp chuẩn và giới hạn cho đầu ra tơng tự bằng phần mềm. Điện áp chuẩn có
thể lấy ở trong hoặc ngoài và khoảng có thể là kiểu lỡmg cực <bipolar> hoặc
kiểu ®¬n cùc <unipolar>.
Ta xÐt vỊ CARD AT-MIO-16E-10: lùa chän chn đầu ra tơng tự thì ta
có thể nối DAC tới nguồn điện áp chuẩn 10V bên trong card ATE hoặc tới
nguồn điện áp chuẩn bên ngoài tại chân nối vào/ra < I/O connetor >, tín hiệu này
nên để ở khoảng -10V -:- +10V, và ta không cần nhất thiết phải định dạng 2 kênh
theo cùng một chế độ.
Sự lựa chọn phân cực đầu ra tơng tự card nối tiếp AT-MIO-16E-10 và
một số card khác có thể định dạng cho mỗi kênh đầu ra tơng tự theo dạng lỡng
cực <bipolar> hoặc theo dạng đơn cực <unipolar>:
- Unipolar thì điện áp tại đầu ra tơng tự là khoảng từ 0 -:- Vref.
- Bipolar thì điện áp tại đầu ra tơng tự là khoảng -Vref-:-+Vref.
Trong đó Vref là điện áp chuẩn sử dụng cho DAC ở các đầu ra tơng tự,
và có thể là +10V nếu là nguồn trên card hoặc -10V -:- +10V nếu là đợc cung
cấp từ 1 nguồn bên ngoài. Tất nhiên ta không cần định dạng các kênh giống
nhau.

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


- 16 -

Sù lùa chän kho¶ng theo kiĨu l−ìng cùc <bipolar> cho DAC cã nghÜa lµ
bÊt cø sè liƯu nµo đợc viết tới ADC đó sẽ đợc biến đổi thành 2 dạng và giá trị
dữ liệu viết tới kênh đầu ra tơng tự có thể là âm hoặc dơng, còn nếu chọn
khoảng theo kiểu đơn cực <unipolar> thì dữ liệu sẽ đợc định dạng ở kiểu nhị

phân <binary> chế độ vào thẳng nhị phân giá trị dữ liệu đợc viết tới kênh ra
tơng tự sẽ dơng.
Vào ra số
CARD ATE chứa 8 đờng vào/ ra số <digital I/O> phục vụ cho các
mục đích sử dụng. Ta có thể định dạng mỗi đờng là đờng vào hoặc
đờng ra bằng phần mềm. AT-MIO-16DE-10 có thêm 24 đờng DIO đợc
định dạng nh là 3 cổng 8-bit PA<0..7>, PB<0..7>, PC<0..7>, ta có thể
định dạng mỗi cổng cho cả yêu cầu vào và ra trong những kết nối khác
nhau với một vài khả năng giao tiếp có bắt tay, ở trạng thái khởi động và
reset hệ thống thì các cổng vào ra số ở trạng thái cao trở.
Các tín hiệu xung điều khiển các bộ đếm 0 và1 trên card đợc nối tới
DIO6 và DIO7, nên ta có thể sử dụng DIO6 và DIO7 là đầu vào xung đếm.
ấn định đờng tín hiệu thời gian
DAQ-STC cung cÊp mét giao diƯn rÊt linh ho¹t cho viƯc nèi các tín hiệu
thời gian tới các card khác hoặc mạch ngoµi. CARD ATE sư dơng bus phèi ghÐp
hƯ thèng thêi gian thùc RTSI <real-time system interface> cho viƯc kÕt nèi
nh÷ng tín hiệu thời gian giữa các card và các đầu vào chức năng có thể lập trình
<PFI> trên thiết bị tại kết nối vào ra <I/O connector> để nối tới mạch ngoài.
Những đầu nối này đợc thiết kế để cho phép card ATE có thể là điều khiển hay
là đối tợng điều khiển của card khác và thiết bị khác.
Trong DAQ-STC cã 13 tÝn hiƯu thêi gian, nh÷ng tÝn hiƯu thời gian này có
thể đợc điều khiển bởi một nguồn bên ngoài hoặc có thể đợc điều khiển bởi

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển


- 17 -

các tín hiệu đợc tạo ra bên trong của DAQ-STC. Những sự lựa chọn này đợc
thực hiện hoàn toàn bằng phần mềm.

PFI <Programmable Function Inputs> có 10 đờng PFI là những chân đa
chức năng <signal routing multiplexer>, có thể là tín hiệu thời gian, và phần
mềm có thể chọn 1 trong các PFIs nh timer bên ngoài cho tín hiệu thời gian, và
điều quan trọng là phải nhớ rằng bất kì một PFI nào cũng có thể sử dụng nh là
một đầu vào cuả bất kì một tín hiƯu thêi gian nµo vµ bé dån tÝn hiƯu thêi gian cã
thĨ sư dơng ®ång thêi PFI gièng nhau. Sù hài hoà linh hoạt này làm giảm việc
phải thay đổi nối vật lí tới I/O connecter khi làm các ứng dụng khác. Ta cũng có
thể cho phép từng chân PFI thực hiện đa ra tín hiệu thời gian bên trong.
CARD và đồng hồ RTSI có nhiều chức năng đợc thực hiện bởi card ATE
đòi hỏi một tần số thời gian cơ sở để tạo những tín hiệu cần thiết cho viƯc ®iỊu
khiĨn A/D, cËp nhËt DAC, tÝn hiƯu hƯ thèng tại I/O connetor. Một card ATE có
thể sử dụng tần số trong 20MHz hoặc một tần số cơ sở đợc cung cÊp qua bus
RTSI.
RTSI trigger Cã 7 ®−êng RTSI trigger trªn bus RTSI cung cÊp mét kÕt nèi
bªn trong rÊt linh hoạt và hoà hợp cho bất kì card ATE nào cần chia sẻ bus RTSI.
Những đờng điều khiển này cã thĨ ®iỊu khiĨn 1 trong 8 tÝn hiƯu thêi gian đến
bus RTSI và có thể nhận 1 trong những tín hiệu thời gian này. Hình 2.4 dới đây
mô tả sơ đồ khối của card thu thập tín hiệu AT-MIO-16E-10

Hà Văn Phơng_Đo lờng và Hệ thống điều khiển