Luận văn tốt nghiệp: Điều khiển máy khoan mạch in CNC dùng động cơ bước

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
I _ KHÁI QUÁT VẤN ĐỀ
Hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính điện tử là một tập hợp
các thiết bị và phụ kiện liên quan. Để nắm được hết các nguyên lý hoạt động
và cấu tạo của chúng rõ ràng là một vệc khơng đơn giản. Thậm chí ngay cả
tên gọi của một số bộ phận trong hệ thống cũng gây phiền hà cho người sử
dụng. Trước những tiến bộ như vũ bảo của ngành công nghiệp ngày nay và
nhu cầu ứng dụng máy tính vào mọi lĩnh vực, hệ thống điều khiển tự động
ngày càng được phát triển một cách hồn hảo và có độ chính xác cao.
Hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển máy khoan bằng máy tính
được thực hiện cũng giống như các loại giao tiếp khác. Dữ liệu được chứa
trong bộ nhớ của máy tính, sau đó được xuất ra qua cổng giao tiếp nối tiếp
đưa đến máy khoan để điều khiển động cơ định vị đúng vị trí cần khoan, và
cứ thế hết vị trí này đến vị trí khác đến khi nào mà máy tính gởi lệnh dừng thì
động cơ khơng hoạt động nữa. Khi ấy hệ thống khoan mạch in hồn thành.

II_ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài chỉ giới hạn trong vòng 6
tuần, với vốn kiến thức và việc tìm hiểu về hệ thống điều khiển và cơ cấu cấu
tạo, cũng như các bộ phận chi tiết trong hệ thống điều khiển còn hạn chế, luận
văn này chỉ thực hiện trong phạm vi ứng dụng phần mềm Pal-El để khoan
mạch in bao gồm các phần sau:
Phần I

: Cơ sở lý thuyết về giao tiếp
Giao tiếp với máy tính
Giới thiệu về chuẩn RS-232

Phần II
: Các khái niệm về máy điều khiển theo
chương trình số
Đại cương về điều khiển theo chương trình số
Truyền động bằng động cơ bước
Phần III
: Phần mềm
Ứng dụng phần mềm PAL-El để khoan mạch in

III _ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Dựa trên tài liệu và thiết bị điều khiển, đặt biệt máy khoan có sẵn, cũng
như phần mền điều khiển được dịch từ tài liệu PAL_EP ….. để viết một
chương trình ứng dụng thực tế đơn giản nhằm góp phần phong phú thêm cho
việc hiểu biết về lĩnh vực này đồng thời có thể mở rộng và định hướng cho
những đề tài sau


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG I

GIAO TIẾP MÁY TÍNH
I _ CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÁY TÍNH

Trải qua một thời gian dài từ phát minh đầu tiên ra máy tính cho đến
nay, máy tính đã khơng ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ. Tuy
nhiên hầu hết máy tính đang phổ biến hiện nay đều có nguồn gốc xuất phát từ
họ PC (Personal Computer). Đầu tiên là kiểu máy PCXT do hãng IBM chế
tạo với bộ xử lý (CPU) 8088 của hãng Intel. Đây là hệ thống xử lý dữ liệu 16
bit nhưng dùng bus dữ liệu 8 bit.
Tiếp theo đó là máy AT ra đời với bộ xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn
chip 8088 của máy PC XT. Nó có khả năng tạo ra bộ nhớ ảo, đa nhiệm vụ, tốc
độ nhanh, độ tin cậy cao và dùng bus dữ liệu 16 bit. Đa nhiệm (Multitasking)
là khả năng thực hiện một lúc nhiều nhiệm vụ:
- Vừa in một tài liệu
- Vừa tính tốn một phép tính
Cơng việc này thực hiện được nhờ hốn chuyển nhanh theo sự theo dõi
của CPU đến các chương trình mà nó đang nắm quyền điều khiển .Việc này
được thực hiện ngay bên trong CPU cộng với một vài giúp đỡ của hệ điều
hành.Bộ nhớ ảo (Virtull Memory) cho phép máy tính làm việc với một bộ nhớ
dường như lớn hơn nhiều so với bộ nhớ vật lý hiện có: Cơng việc này thực
hiện được nhờ một phần mềm và sự thiết kế phần cứng cực kỳ tinh xảo.
Ngày nay các máy AT 386, 486, Pentium dùng chip CPU lần lượt là
80386, 80486, P5 là kết quả của trình độ kỹ thuật và cơng nghệ hiện đại.
Chương trình một bộ nhớ lớn hơn tổ tiên là : 8088 hay 80286 cùng với nhiều
chức năng mới, thêm nữa là tốc độ vi xử lý không ngừng được nâng cao độ
rộng của data bus cũng mở rộng lên 32bit rồi 64 bit với Pentium.

II _ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VÀO RA:
1. Vào ra điều khiển bằng chương trình:
Thiết bị ngoai vi điều ghép với Bus hệ thống vi xử lý thơng qua các
phần thích ứng về cơng nghệ chế tạo và logic. Thích ứng về cơng nghệ chế
tạo là điều chỉnh mức công nghệ sản xuất thiết bị ngoại vi và công nghệ sản
xuất của mạch trong hệ vi xử lý. Thích ứng về Logic là nhiệm vụ tạo tín hiệu

điều khiển ngoại vi tín hiệu trên bus hệ thống.
Trong hệ vi xử lý một vùng nhớ dùng làm nơi chứa địa chỉ cổng vào ra
và CPU xuất hoặc nhập dữ liệu từ các cổng vào ra này các lệnh xuất nhập
In/Out Lúc này cổng vào ra được xem như thanh ghi ngồi, chúng được viết
vào hoặc đọc ra như ô nhớ Ram qua hai lệnh trên. Để phân biệt hướng xuất
hoặc nhập dữ liệu từ cổng vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển đọc hoặc


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

viết. Để phân biệt vùng nhớ với thiết bị vào ra CPU phát ra tín hiệu điều khiển
IO/M. Khi có các lệnh này thì các lệnh In/Out mới có tác dụng.
Ngồi các lệnh qui chiếu bộ nhớ, cũng như khả năng trao đổi dữ liệu
giữa thiết bị ngoại vi và hệ vi xử lý. Lúc đó vào ra được gán như một địa chỉ ô
nhớ của bộ nhớ. Các thanh ghi liên quan tới cổng vào ra được xem như ngăn
nhớ. Khi bộ vi xử lý gọi địa chỉ và xung điều khiển đọc hay viết bộ nhớ
không cần xác định nơi gởi là bộ nhớ hay thiết bị vào ra. Nó chỉ hỏi nơi gởi
dữ liệu vào trong khoảng thời gian cho phép. Bộ logic bên ngồi sẽ giải mã địa
chỉ kết hợp với xung MR, MW, để chọn thiết bị mà không phân biệt ngăn nhớ
hay thiết bị vào ra.

2. Vào ra điều khiển bằng ngắt:
Với phương pháp điều khiển vào ra bằng chương trình, CPU phải liên
tục kiểm tra trạng thái của thiết bị ngoại vi đến khi sẵn sàng, đó là sự lãng phí
thời gian của CPU và chương trình dài và phức tạp. Khi bộ vi xử lý có nhiều
thiết bị ngoại vi CPU khơng đáp ứng u cầu của chúng. Có thể đáp ứng yêu
cầu ngoại vi nhanh chóng và khơng theo trình tự như định trước nhờ cơ cấu
ngắt CPU.

Nhờ tính chất đáp ứng tức thời của vi xử lý khi có yêu cầu ngắt từ thiết
bị ngoại vi do đó các ngắt thường được dùng ở những trường hợp yêu cầu đap
ứng nhanh, thời gian trả lời ngắn, thực hiện ở bất kỳ thời điểm nào. Khi đó
CPU phải chuyển đến chương trình con, u cầu ngắt ở cuối bất kỳ lệnh nào
trong chương trình chính. Các chương trình con phục vụ ngắt có thể lưu trữ
nội dung các thanh ghi và khôi phục lại khi thực hiện xong chương trình phục
vụ ngắt và trước khi trở lại chương trình chính.
Giao tiếp với m tính là trao đổi dữ kiện giữa một máy tính với một
hay nhiều thiết bị ngoại vi.
Theo tiêu chuẩn sản xuất, máy tính giao tiếp với người sử dụng bằng
hai thiết bị:

- Bàn phím để nhập dữ liệu
- Màn hình để hiển thị
Ngồi ra nhà sản xuất cho ta nhiều cách giao tiếp khác thông qua các
port như là các ngõ giao tiếp:
- Giao tiếp qua port com (nối tiếp)
- Giao tiếp qua port Parallel(song song)
Tùy theo trường hợp ứng dụng cụ thể mà chọn cách giao tiếp thích hợp.

III _ PHƯƠNG PHÁP GIAO TIẾP
1. Giao tiếp với máy tính thơng qua slot card:
Bên trong máy tính, ngồi những khe cắm dùng cho card vào - ra, card
màn hình, vẫn cịn những rãnh cắm để trống. Để giao tiếp với máy tính, ta có


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

thể thiết kế card mở rộng để gắn vào khe cắm mở rộng này. Ở máy tính
PC/XT rãnh cắm chỉ có 1 loại với độ rộng 8 bit và tuân theo tiêu chuẩn ISA
(Industry Standard Architecture). Rãnh cắm theo tiêu chuẩn IS có 62 đường
tín hiệu, qua các đường tín hiệu này máy tính có thể giao tiếp dễ dàng với
thiết bị bên ngồi thông qua card mở rộng.
Trên rãnh cắm mở rộng, ngồi 20 đường địa chỉ, 8 đường dữ liệu, còn có
một số đường điều khiển như: RESET , IOR , IOW, AEN, CLK, ... Do đó card
giao tiếp với máy tính qua slot card đơn giản, số bit có thể tăng dễ dàng, giảm
được nhiều linh kiện, tốc độ truyền dữ liệu nhanh (truyền song song). Tuy
nhiên, do khe cắm nằm bên trong máy tính nên khi muốn gắn card giao tiếp
vào thì phải mở nắp ra, điều này gây bất tiện cho người sử dụng.
2. Giao tiếp qua Serial Port (Port COM) :
IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2. Các cổng này giao
tiếp theo tiêu chuẩn RS232. Chúng có thể được nối với một Modem để dùng
cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một máy tính khác. Dữ liệu được
truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được gởi đi nối tiếp
nhau trên 1 đường dây. Do các dữ liệu được truyền đi từng bit một nên tốc độ
truyền chậm, các tốc độ truyền có thể là 300, 600, 1200, 2400, 4800bps,
9600bps, chiều dài dữ liệu có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit và kết hợp với các bit
Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame). Ngồi ra cổng này cịn có các
điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm tra. Cách giao tiếp này cho phép
khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất chậm tốc độ tối đa
là 20kbps.
3. Giao tiếp qua cổng PRINT (Cổng máy in):
IBM PC cho phép sử dụng đến 3 cổng song song có tên là LP1, LP2 và
LP3. Kiểu giao tiếp song song được dùng để truyền dữ liệu giữa máy tính và
máy in. Khác với cách giao tiếp qua Port Com, ở cách giao tiếp này dữ liệu
được truyền song song cùng một lúc 8 bit. Vì thế nó có thể đạt tốc độ cao.
Connector của Port này có 25 chân bao gồm 8 chân dữ liệu và các đường tín
hiệu bắt tay (Handshaking ). Tất cả các đường Data và tín hiệu điều khiển đều

ở mức logic hồn tồn tương thích với mức TTL. Hơn nữa, người lập trình có
thể điều khiển cho phép hoặc khơng cho phép các tín hiệu tạo Interrupt từ ngõ
vào nên việc giao tiếp đơn giản và dễ dàng. Tuy nhiên, giao tiếp với mức
logic TTL nên khoảng cách truyền bị hạn chế so với cách truyền qua Port
Com, đồng thời cáp truyền cũng phức tạp hơn. Đó là nhược điểm của cách
giao tiếp này.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG II

GIỚI THIỆU CHUẨN RS-232C
Vào năm 1960, cùng với sự phát triển mạnh của các thiết bị đầu cuối
máy tính chia sẻ thời gian, các Modem đã được tung ra ngày càng nhiều nhằm
đảm bảo cho các thiết bị đầu cuối có thể dùng các đường điện thoại để thông
tin giữa các máy tính với nhau ở những khoảng cách xa. Modem và các thiêt
bị được dùng để gửi số liệu nối tiếp thường được gọi là thiết bị thông tin số
liệu DCE (Datommunication Equipment). Các thiết bị đầu cuối hoặc máy tính
đang gửi hay nhận số liệu được gọi là các thiết bị đầu số liệu DTE (Data
Terminal Equipment). Nhằm đáp ứng với nhu cầu về tín hiệu và các chuẩn bắt
tay (handshake standards) giữa DTE và DCE, hiệp hội kỹ thuật điện tử EIA đã
đưa ra chuẩn RS-232C. Chuẩn này mô tả chức năng 25 chân tín hiệu và bắt
tay cho việc chuyển dữ liệu nối tiếp. Nó cũng mơ tả các mức điện áp, trở
kháng, tốc độ truyền cực đại và điện dung cực đại cho các đường tín hiệu này.
RS-232 ấn định 25 chân tín hiệu, và quy định các đầu nối DTE phải là
male (đực) và các đầu nối DCE phải là female (cái). Một loại đầu nối đặc biệt
không được cho, nhưng thường dùng nhiều nhất là đầu nối mele DB-25P

(hình 2-1). Ngồi ra, đối với nhiều hệ thống còn dùng loại 9 chân như loại DE9P mele (hình 2-2).

Hình 2-1

Hình 2-2

Được EIA đưa vào năm 1969 để truyền dữ liệu nối tiếp và tín hiệu điều
khiển giữa Modem và thiết bị đầu cuối (hoặc máy tính) với tốc độ truyền tối
đa là 20kbps ở cự ly khoảng 15m. đây là một dạng giao tiếp loại TTL + bộ
kích đường dây khơng cân bằng.
Việc mơ tả chuẩn này được chia làm ba phần: Các đặc điểm kỹ thuật về
điện, mô tả các đường dữ liệu điều khiển và sử dụng bộ kết nối chân ra.

I _ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VỀ ĐIỆN CỦA RS232C


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
IN
NUMBERS
FOR 9
PINS
3
2
7
8
6
5
1

4

9

PIN
NUMBERS
FOR 25
PINS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

25

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH
COMMON
NAME

TxD
RxD
RTS
CTS
DSR
GND
CD

RS232C
NAME
AA
BA
BB
CA
CB
CC
AB
CF
SCF
SCB
SBA
ĐB
SBB

DTR

SCA
CD
CG
CE
CH/CI
DA

SIGNAL
DIRECTION
ON DCE
IN
OUT
IN
OUT
OUT
OUT
OUT
OUT
IN
OUT
OUT
OUT
IN
IN
OUT
OUT
IN/OUT
IN

-

Hình 2-3 Qui định về chân của RS232C

Mức điện áp logic của RS-232C là khoảng điện áp giữa +15V và
–
15V. Các đường dữ liệu sử dụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa –5V
và –15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và +15V. tuy nhiên các đường điền
khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng logic dương: gía trị
TRUE = +5V đến +15V và FALSE =-5V đến –15.
Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào bộ thu có
mức nhiễu được giới hạn là 2V. Do vậy ngưỡng lớn nhất của ngõ vào là ±3V
trái lại mức ± 5V là ngưỡng nhỏ nhất với ngõ ra. Ngõ ra bộ kích phát khi
khơng tải có điện áp là ± 25V.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

 Các đặc điểm về điện khác bao gồm
♦ RL (điện trở tải) được nhìn từ bộ kích phát có giá trị từ 3 ÷ 7kΩ.
♦ CL (điện dung tải) được nhìn từ bộ kích phát khơng được vượt q
2500pF.
♦ Để ngăn cản sự dao động quá mức, tốc độ thay đổi (Slew rate ) của
điện áp khơng được vượt qúa 30V/µs.
Đối với các đường điều khiển, thời gian chuyển của tín hiệu (từ TRUE
sang FALSE, hoặc từ FALSE sang TRUE ) không được vượt qúa 1ms. Đối
với các đường dữ liệu, thời gian chuyển (từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1) phải
không vượt qúa 4% thời gian của 1 bit hoặc 1ms.

II _ CÁC ĐƯỜNG DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA RS232
- TxD: Dữ liệu được truyền đi từ Modem trên mạng điện thoại.
- RxD: Dữ liệu được thu bởi Modem trên mạng điện thoại.
 Các đường báo thiết bị sẵn sàng:
- DSR : Để báo rằng Modem đã sẵn sàng.
- DTR : Để báo rằng thiết bị đầu cuối đã sẵn sàng
- Các đường bắt tay bán song công.
- RTS : Để báo rằng thiết bị đầu cuối yêu cầu phát dữ liệu.
- CTS : Modem đáp ứng nhu cầu cần gửi dữ liệu của thiết bị đầu cuối
cho thiết bị đầu cuối có thể sử dụng kênh truyền dữ liệu. Các đường
trạng thái sóng mang và tín hiệu điện thoại:
- CD : Modem báo cho thiết bị đầu cuối biết rằng đã nhận được một sóng
mang hợp lệ từ mạng điện thoại.
- RI : Các Modem tự động trả lời báo rằng đã phát hiện chuông từ mạng
điện thoạïi địa chỉ đầu tiên có thể tới được của cổng nối tiếp được gọi là
địa chỉ cơ bản (Basic Address). Các địa chỉ ghi tiếp theo được đặt tới bằng
việc cộng thêm số thanh ghi đã gặp của bộ UART vào địa chỉ cơ bản.
- Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thông
thường nằm trong khoảng –12 đến +12. Các bit dữ liệu được gửi đảo
ngược lại. Mức điện áp đối với mức High nằm giữa –3V và –12V và mức
Low nằm giữa +3V và +12V. Trên hình 2-4 mơ tả một dịng dữ liệu điển
hình của một byte dữ liệu trên cổng nối tiếp RS-232C.
- Ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp –12V. Một bit khởi động
(Starbit) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ
sẽ đến, trong đó các bit giá trị thấp sẽ được gửi trước tiên. Còn số của các


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

bit thay đổi giữa 5 và 8. Ở cuối của dòng dữ liệu cịn có một bit dừng
(Stopbit) để đặt trở lại trạng thái ngõ ra (-12V).
Starbi
t
+12
LOW V

Stopb
it

D0
D1

-12V
1
1

10
4µS

1
0

0

D3 D4
D5
D5

1
0

D6 D7
D5 D5

HIGH
T

0

T
=1/fBaud
1.04ms

Hình 2-4: Dịng dữ liệu trên cổng RS 232 với tốc độ
9.600 baud
Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp của máy tính PC có thể tóm tắt trong
bảng các địa chỉ sau:
COM 1
COM 2
COM 3
COM 4

(cổng nối tiếp thứ nhất)
(cổng nối tiếp thứ hai)
(cổng nối tiếp thứ ba)
(cổng nối tiếp thứ tư)

Địa chỉ cơ bản = 3F8(Hex)

Địa chỉ cơ bản = 2F8(Hex)
Địa chỉ cơ bản = 3E8(Hex)
Địa chỉ cơ bản = 2E8(Hex)

Cũng như ở cổng máy in, các đường dẫn tín hiệu riêng biệt cũng cho
phép trao đổi qua các địa chỉ trong máy tính PC. Trong trường hợp này, người
ta thường sử dụng những vi mạch có mức độ tích hợp cao để có thể hợp nhất
nhiều chức năng trên một chip. Ở máy tính PC thường có một bộ phát/nhận
khơng đồng bộ vạn năng (gọi tắt là UART: Universal Asnchronous Receiver/
Transmitter) để điều khiển sự trao đổi thông tin giữa máy tính và các thiết bị
ngoại vi. Phổ biến nhất là vi mạch 8250 của hãng NSC hoặc các thế hệ tiếp
theo.
Thông thường với các yêu cầu ứng dụng tốc độ thấp người ta giao tiếp
qua ngõ nối tiếp, nó giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232C và dùng để giao tiếp
giữa máy tính với Modem hoặc Mouse. Ngồi ra cũng có thể dùng giao tiếp
với printer hay plotter nhưng khơng thông dụng lắm bởi tốc độ truyền quá
chậm. Đối với máy AT cho ta hai ngõ giao tiếp COM1 và COM2. Trong một
số card I/O ta có thể có đến 4 cổng COM.
Để giao tiếp nối tiếp với 2 ngõ COM này Bus hệ thống của CPU (Data
Bus và Address Bus) hãng IBM sử dụng hai Chip lập trình của Intel là 8250


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

UART (Universal Asynchronus Receiver Transmitter). Địa chỉ theo bộ nhớ
của hai Chip này là 0040:0000 cho UART của ngõ COM1 và 0040:0002 cho
UART của ngõ COM2 (Địa chỉ logic do hệ điều hành chỉ định) và địa chỉ theo
Port để truy xuất khi sử dụng là 3F8-3FF cho COM1 và 2F8-2FF cho COM2.

Dữ liệu truyền qua cho Port COM dưới dạng nối tiếp từng Bit một,
đơn vị dữ liệu có thể là 5 Bit, 6 Bit hay 1 byte tùy theo sự cài đặt lúc khởi tạo
Port COM. Ngồi ra để truyền dữ liệu qua Port COM còn cần những tham số
sau: Bit mở đầu cho một đơn vị dữ liệu START Bit. STOP Bit (Bit kết thúc).
Parity (Kiểm tra chẵn lẻ). Baud Rate (Tốc độ truyền) tạo thành một Frame
(Khung truyền).
Port COM là một thể khởi tạo bằng BIOS thông qua chức năng 0 của
Interrupt 14, nạp vào thanh ghi DX1 chỉ số chọn kênh (COM1 = 0, COM2
= 1). Thanh ghi AL được nạp vào các tham số của việc truyền dữ liệu.
A L D7

D6

D5

D4

D3

D2

 Bit D0 D1
0 0
0 1
1 0
1 1

: Cho biết độ rộng của dữ liệu
: Dữ liệu có độ rộng 5 Bit
: Dữ liệu có độ rộng 6 Bit

: Dữ liệu có độ rộng 7 Bit
: Dữ liệu có độ rộng 8 Bit.

 Bit D2
0
1

: Cho biết số Stop Bit.
: Sử dụng một bit Stop
: Sử dụng hai bit Stop

 Bit D3 D4
0 0
1 1
0 1
1 0

:
:
:
:
:

 Bit D5D6D7 :
0 0 0 :
0 0 1 :
0 1 0 :
0 1 1 :
1 0 0 :
1 0 1 :

1 1 0 :
1 1 1 :

D1

D0

Các Bit parity (chẵn lẻ)
Khơng kiểm tra tính Parity
Khơng kiểm tra tính Parity
Odd (lẻ)
Even (chẵn)
Cho biết tốc độ truyền (Baud Rate)
Tốc độ truyền 110bps (bit per second)
Tốc độ truyền 150bps (bit per second)
Tốc độ truyền 300bps (bit per second)
Tốc độ truyền 600bps (bit per second)
Tốc độ truyền 1200bps (bit per second)
Tốc độ truyền 2400bps (bit per second)
Tốc độ truyền 4800bps (bit per second)
Tốc độ truyền 9600bps (bit per second)


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

III _ MODEM RỖNG CỦA RS232C
Mặc dù chuẩn RS_232C của EIA được dành riêng để áp dụng kết nối
giữa Modem với thiết bị đầu cuối, nhưng một thuê bao của RS_232C cũng

thường được sử dụng khi hai thiết bị đầu cuối được nối với nhau, hoặc một
máy tính và một máy in mà không sử dụng các Modem.
Trong những trường hợp như vậy, các đường TxD và RxD phải được
đặt chéo nhau và các đường điều khiển cần thiết phải được đặt ở TRUE hoặc
phải được tráo đổi thích hợp bên trong cáp kết nối. Sự nối lắp cáp của
RS232C mà có sự tráo đổi đường dây được gọi là Modem rỗng (null Modem).
Cáp như vậy thích hợp để nối trực tiếp 2 thiết bị DTE qua các port
RS232C. Hai sơ đồ có thể kết nối lẫn nhau được trình bày trong hính 2-5 và
hình 2-6 chú ý rằng trong trường hợp đơn giản nhất chỉ cần kết nối 4 dây lẫn
nhau, trong thực tế 2 đường dây đất (SIG GND 0 và CHAS GND) thường
được kết hợp lại, mặc dù điều này khơng được đề cập tới.

IV _ CÁC IC KÍCH PHÁT VÀ THU CỦA RS232C
Nhờ tính phổ biến của giao tiếp, người ta đã chế tạo các IC kích phát và
thu. Hai vi mạch như vậy được Motorola sản xuất là IC kích phát MC 1488 có
dạng vỏ vng. Và MC 1489.Mỗi IC kích phát 1488 nhận một tín hiệu mức
TTL và chuyển thành tín hiệu ở ngõ ra tương thích với mức điện áp của
RS232C. IC 1489 phát hiện các mức vào của RS232C và chuyển chúng thành
các ngõ ra có mức TTL.

V _ MINH HỌA THƠNG TIN NỐI TIẾP BẤT ĐỒNG BỘ
Đối với các máy PC, các cổng liên lạc nối tiếp (serial port) còn được
gọi là các cổng COM. Hồn tồn có thể sử dụng các cổng này để kết nối máy
PC với các máy tính khác, với các Modem, các máy in, máy vẽ, các thiết bị
điều khiển, mouse, mạng …
Tất cả các máy tính PC có khả năng làm việc tối đa là 4 cổng nối tiếp
khi sử dụng các card giao tiếp I/O chuẩn. Các cổng nối tiếp thường được thiết
kế theo các qui định RS-232 theo các yêu cầu về điện và về tín hiệu. BIOS chỉ
hỗ trợ các cổng nối tiếp RS-232C. Còn các chuẩn khác như: RS-422, BiSync,
SDLC, IEEE-488 (GPIB),… cần phải có các trình điều khiển thiết bị bổ sung

để hỗ trợ.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

TxD

2

RxD

3
20
6

DTE A

TxD

4
5
8

2

RxD

3

DTR

DTR

DSR

DSR

RTS

RTS

CTS

CTS

CD

CD

20
6
4

DTE B

5
8

SIGNAL GND
1

7

7

1

CHAS GND

HÌNH 2-5

Tốc độ tối độ của cổng nối tiếp tùy thuộc vào bộ phát tốc độ Baud
trong card giao tiếp cổng nối tiếp, phần mềm BIOS, và hệ thống có thể thực
hiện chương trình BIOS nối tiếp nhanh đến mức nào. Ngồi ra, nếu hệ thống
đang xử lý chương trình khác có độ ưu tiên cao hơn thì tốc độ tin cậy có thể bị
suy giảm đáng kể.
Hoạt động của cổng nối tiếp chủ yếu cũng được xử lý bởi 1 chip
UART. Các thiết kế ban đầu đã sử dụng một chip NS-8250. Các thiết bị sau
này chuyển sang một phiên bản CMOS, chip 1650, có chức năng hoạt động
giống như 8250. Một số thiết bị mới sử dụng chip 16550 hay các biến thể
khác nhằm bổ sung thêm việc đệm dữ liệu để giảm bớt gánh nặng cho CPU.
Một phần của BIOS hệ thống (ngắt 14 h) cung cấp các dịch vụ để liên
lạc với các card giao tiếp nối tiếp.
Giống như các cổng song song, POST (Power on Self Test- chương
trình của BIOS tự kiểm tra cấu hình hệ thống khi bật máy) kiểm tra xem liệu
một cổng nối tiếp có được gắn vào hệ thống khơng, và ghi lại các địa chỉ I/O
của các cổng hoạt động trong vùng dữ liệu của BIOS. Tất cả các hệ thống đến
4 cổng nối tiếp, BIOS không hỗ trợ các cổng bổ sung thêm khác.

Để truy suất phần cứng của một cổng nối tiếp, cần đọc một trong 4 từ
(word) trong vùng dữ liệu BIOS chứa địa chỉ I/O cơ sở đối với 4 cổng nối tiếp
có thể có.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Ví dụ: Để truy suất cổng nối tiếp số 2, trước tiên phải đọc địa chỉ cổng
I/O cơ sở từ vùng dữ liệu BIOS. Điều này có nghĩa là một cởng nối tiếp
khơng có địa chỉ cổng I/O cố định.
2
3

TxD

TxD

RxD
DTR

20

DTR

DSR
RTS

RTS

5 CTS

CTS

4

CTS

8
1

3
20

DSR

6
DTE A

2

RxD

CD

CD
SIGNAL GND

7

6
4

DTE B

5
8
7

1

CHAS GND
(optional)
HÌNH 2-6

a. Lưạ chọn cổng COM
Mỗi cổng nối tiếp sử dụng 8 byte của bộ nhớ máy PC và một ngắt phần
cứng đặc biệt. Việc sử dụng các địa chỉ bộ nhớ và ngăùt phần cứng này là
điều quan trọng đối với người lập các chương trình liên lạc và các chương
trình điều khiển thiết bị đối với các thiết bị nối tiếp.
Bảng sau mô tả các địa chỉ bộ nhớ và các ngắt phần cứng đối với 4
cổng nối tiếp chuẩn cho các máy tính tương thích với máy tính PC. Thơng tin
quan trọng nhất ở đây là địa chỉ cơ sở, là địa chỉ bộ nhớ đầu tiên trong mỗi
cổng COM (vùng đệm phát/thu – Transmit/ Receive Buffer) địa chỉ của
đường yêu cầu ngắt (IRQ) đối với mỗi cổng.
Một thiết bị nối tiếp chỉ có thể sử dụng một địa chỉ cổng COM. Khi cài
đặt một Modem nội trong máy PC, hay bất kỳ thiết bị nào khác sử dụng cổng
nối tiếp cho giao diện của nó, trước tiên phải đảm bảo rằng đã xác lập nó đối
với một cổng COM (bao gồm địa chỉ và số IRQ).

COM1

COM2

COM3

COM4

Mô tả


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
IRQ4
3F8

IRQ3
2F8

IRQ4
3E8

IRQ3
2E8

3F9

2F9

3E9

2E9

3FA
3FB
3FC
3FD
3FE

2FA
2FB
2FC
2FD
2FE

3EA
3EB
3EC
3ED
3EE

2EA
2EB
2EC
2ED
2EE

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH
Interrupt Request Line
Transmit/Receive Buffer và LSB of the
Divisor Latch

Interrupt Enable Register và MSB of the
Divisor Latch
Interrupt Identification Registers
Line Control Register
Modem Control Register
Line Status Register
Modem Status Register

b. Hoạt động của cổng nối tiếp.
 Sự khởi động của BIOS.
Sau khi bật máy (hay Reset máy), chương trình POST kiểm tra xem liệu
có bất kỳ cổng nối tiếp nào được cài đặt hay không. POST khảo sát nhóm
cổng I/O: 3F8 ÷ 3FEh. Để phát hiện một cổng hoạt động, thanh ghi IIR
(Interrupt Identification Register) được đọc từ cổng 3FAh hay 2FAh. Nếu tất
cả các bit từ 3÷ 7 của thanh ghi IIR đều là 0, thì POST xem như cổng nối tiếp
có hoạt động.
Một khi đã xác định được nhóm cổng I/O nối tiếp có hoạt động, địa chỉ
cổng I/O cơ sở được lưu trữ trong vị trí BIOS RAM cổng nối tiếp chưa sử
dụng thấp nhất. Có 4 từ được dành trong RAM bắt đầu tại địa chỉ 40:0h để
chứa địa chỉ I/O của cổng nối tiếp có hoạt động. Nhiều POST của các hãng
cung cấp máy sẽ không bao giờ kiểm tra các cổng COM3 và COM4, vì IPM
khơng định nghĩa một địa chỉ cổng chuẩn cho các cổng này.
Nói chung, hầu hết các hệ thống chỉ kiểm tra có 2 cổng. Tuy nhiên, các
hệ thống cùng họ mới hơn thường kiểm tra 4 địa chỉ cổng có thể có. Các hệ
thống MCA kiểm tra 8 địa chỉ cổng nối tiếp khác nhau có thể có trong một lần
thử để tìm ra 4 cổng nối tiếp có hoạt động.
Thứ tự kiểm tra

Hầu hết hệ

Thứ 1
Thứ 2
Thứ 3
Thứ 4
Thứ 5
Thứ 6
Thứ 7
Thứ 8

3F8
2F8
Không
Không
Không
Không
Không
Không

Một số hệ thống
AT và EISA
3F8
2F8
Không
Không
Không
Không
Không
Không

Các hệ thống

MCA
3F8
2F8
3220h
3228h
4220h
4228h
5220h
5228h


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Bảng trên mơ tả thứ tự theo đó các BIOS sẽ tìm kiếm các cổng hoạt
động. Chỉ cổng I/O cơ sở đối với mỗi nhóm được hiển thị trong bảng này.
Trên hệ thống MCA, một khi 4 cổng đã được tìm thấy, các cổng khác không
được kiểm tra nữa.
Khi hồn tất các công việc kiểm tra POST nối tiếp, các địa chỉ cổng nối
tiếp được cất giữ. Điều này thường tạo ra một trong 4 trường hợp được mô tả
trong bảng sau:
Địa chỉ
RAM

Cổng
nối tiếp

Trường hợp 1
Địa chỉ I/O

Trường hợp 2
Địa chỉ I/O

Trường hợp 3
Địa chỉ I/O

Trường hợp 4
Địa chỉ I/O

40:0h
40:2h
40:4h
40:6h

1
2
3
4

3F8
2F8
0
0

3F8
0
0
0

2F8
0
0
0

0
0
0
0



Các kết quả POST có thể có về việc phát hiện cổng nối tiếp.
-

Trường hợp 1: Mô tả POST phát hiện 2 cổng nối tiếp.
Trường hợp 2 và 3 : Cho thấy chỉ có một cổng nối tiếp được phát hiện.
Trường hợp 4: Cho thấy không phát hiện được cổng nối tiếp nào.

Các phép thử này khơng khẳng định liệu có một thiết bị nối tiếp thực sự
được nối với cổng I/O hay không. Phép thử chỉ kiểm tra xem liệu phần cứng
cổng nối tiếp có tồn tại hay khơng tại một địa chỉ I/O cụ thể. Tổng số cổng nối
tiếp hoạt động được phát hiện thấy (0 ÷ 4) được cất giữ trong byte thiết bị tại
địa chỉ BIOS RAM 40:10h từ các bit 9 ÷ 11.
Q trình phát nối tiếp
Để phát một byte trên đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả định là
đã được khởi sự với tốc độ baud và các phần chọn khung (Frame) nối tiếp
thích hợp. Chúng ta cũng giả định rằng các byte sẽ được phát đi trên cổng nối
tiếp số 1 (COM1).


1. Trước tiên, xác định địa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word)
từ vùng dữ lệu BIOS tại 40:OH đối với cổng nối tiếp COM1. Nếu trị = 0:
Khơng có cổng nối tiếp hoạt động nào được gắn ở đây và dĩ nhiên khơng
có dữ liệu nào được gửi đi.
2. Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS
(Request to Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1).
- DTR thông báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính đang hoạt động
và sẵn sàng để liên lạc.
- RTS báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính muốn gửi dữ liệu.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

- Hai đường này được kích khởi bằng cách ghi trị 3 thanh ghi MCR
(MODEM control Regester) của UART.
3. Kế đó, kiểm tra hai đường trạng thái CTS (Clear To Send). Những đường
này nằm trong các bit 4 và 5 của thanh ghi MSR (MODEM Status
Regester).
- DSR báo cho máy tính biết thiết bị kết nối đã được bật lên và sẵn sàng.
- CTS báo cho máy tính biết rằng thiết bị kết nối đã sẵn sàng đối với dữ
liệu.
- Các đường trạng thái này nên được kiểm tra trong 2ms hay cho đến khi
cả hai đều chuyển sang mức cao. Khi cả hai đường này đều ở mức cao,
thiết bị được kết nối với cổng nối tiếp đã báo hiệu cho biết nó đã sẵn
sàng cho một byte. Một lỗi đáo hạn (timeout error) được báo hiệu bởi
phần mềm nếu một trong hai đường dẫn còn ở mức thấp lâu hơn
khoảng 2ms.

4. Đến đây thiết bị kết nối đã sẵn sàng tiếp nhận một byte, UART phải được
kiểm tra xem liệu thanh ghi chứa dữ liệu phát THR (Transmit Holding
Regester) đã sẵn sàng có một byte chưa. Thanh ghi LSR (Line Status
Regester), bit 5, được xác lập lên mức cao khi thanh ghi chứa dữ liệu này
trống rỗng và sẵn sàng cho một byte. Một lần nữa, giống ở bước 3 nếu
thanh ghi THR không thể trở nên hữu dụng trong 2ms, thì phần mềm sẽ
báo một lỗi đáo hạn, và bỏ qua việc phát đi.
5. Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được gửi đến
thanh ghi chứa dữ liệu phát của UART.
6. Sau đó, UART phát byte từ thanh ghi chứa dữ liệu phát vào thanh ghi dịch
TSR (từ đây các bit dữ liệu được dịch ra và gửi đi), và tạo dạng khung nối
tiếp.
Quá trình nhạân nối tiếp.
Để nhận 1 byte từ đường dây kết nối nối tiếp, cổng được giả định như trên
(cho cổng COM3):
1. Trước tiên, xác định địa chỉ cơ sở cổng I/O bằng cách đọc một từ (Word)
từ vùng dữ liệu BIOS tại 40:4H đối với cổng nối tiếp COM3. Nếu trị = 0:
Khơng có cổng nối tiếp hoạt động nào được gắn ở đây và dĩ nhiên khơng
có dữ liệu nào được gửi đi.
2. Hai đường điều khiển MODEM là DTR (DATA Terminal Ready) và RTS
(Request to Send) được xác lập lên mức cao (DTR = 1, RTS = 1).
- Điều này thông báo cho thiết bị kết nối biết rằng máy tính đang hoạt
động và sẵn sàng liên lạc. Điều này được thực hiện bằng cách ghi trị 1
các thanh ghi MMC của UART.
3. Kế đó kiểm tra tín hiệu trên đường trạng thái DSR. Tín hiệu này xuất hiện
trong bit 5 của thanh ghi MSR. DSR báo cho máy tính biết rằng thiết bị kết



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

nối đã được bật lên và sẵn sàng. DSR sẽ được kiểm tra cho đến khi nó lên
mức cao hay cho đến khi hết 2ms trước khi một lỗi đáo hạn được báo hiệu.
4. Kế đó, vùng đêïm nhận được kiểm tra để xem dữ liệu đã nhận được dữ liệu
nào chưa. Bit 0 của thanh ghi LSR chứa một cờ hiệu báo dữ liệu đã sẵn
sàng. Nó được xét lên 1 khi vùng đệm có dữ liệu. Nếu cờ báo dữ liệu sẵn
sàng khơng được xét sau 2ms, thì phần mềm sẽ khai báo một lỗi đáo hạn,
và tác vụ bị bỏ qua.
5. Nếu cho đến bây giờ chưa xảy ra việc đáo hạn, byte có thể được đọc từ
vùng đệm nhận của UART.
- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A dịch số liệu trên dây RxD từ bit một.
Sau mỗi bit, thanh ghi thu được so sánh với thanh ghi chứa ký tự SYN.
Nếu hai thanh ghi chưa bằng nhau thì 8251 A dịch bit khác và tiếp tục
so sánh cho đến khi hai thanh ghi bằng nhau. 8251 A kết thúc chế độ
bất đồng bộ và đưa tín hiệu SYNDET (Synch Detect) để báo đồng bộ
đã hồn tất.
- Nếu USART được nạp từ điều khiển để làm việc với hai ký tự SYNC,
quá trình bất đồng bộ cũng như trên. Nhưng hai ký tự kế tiếp nhau sẽ
được so sánh với hai ký tự SYNC trước khi đạt được sự đồng bộ. Ở chế
độ bất đồng bộ bit chẵn/lẻ sẽ không phải kiểm tra. USART ở chế độ
đuổi bắt đồng bộ với hai điều kiện:
- USART được khởi động ở chế độ đồng bộ.
- USART đã nhận lệnh ở chế độ bất đồng bộ.


Khối phát
Khối này nhận số liệu song song từ đơn vị trung tâm, chèn thêm các
thông tin rồi chuyển sang nối tiếp và gửi ra thân TxD (Transmiter DATA).

- Ở chế độ bất đồng bộ, khối phát chèn thêm bit START, bit kiểm tra
chẵn lẻ paraty và một hay hai bit STOP.
- Trong chế độ đồng bộ, khối phát chèn thêm các ký tự SYNC. Những ký
tự đồng bộ này phải được phát trước khi bản tin bắt đầu. Nếu trong khi
phát có khoảng trống giữa hai ký tự thì USART tự động chèn các ký tự
đồng bộ vào.
- Trong cả hai chế độ đồng bộ và bất đồng bộ, quá trình phát chỉ được
cho phép khi tín hiệu TxE (Transmiter Enable) và tín hiệu CTS, ở trạng
thái tích cực. Nếu USART được đặt ở chế độ đồng bộ từ ngồi, chân
SYNDET sẽ là cửa vào và nhận tín hiệu để đồng bộ khi thu.
- Khối phát có thể gửi tín hiệu cắt (BREAK). Đó là một chu kỳ liên tục
các bit SPACE trên đường dây liên tục và đưọc dùng ở chế độ truyền
song công để cắt q trình gửi thơng tin ở đầu cuối.
- USART sẽ gửi tín hiệu cắt liên tục nếu bit D3 của byte lệnh được thiết
lập


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Khối điều khiển Modem
Khối này tạo và nhận tín hiệu RTS (Request to Send).
♦ Ngồi ra, cịn có các tín hiệu ra DTR (Data Terminel Ready) và tín hiệu
vào DSR (Data Set Ready). Đó là những tín hiệu vạn năng.
♦ Tín hiệu DTR điều khiển bởi bit D2 bởi byte lệnh.
♦ Tín hiệu DSR thể hiện ở bit D7 của thanh ghi trạng thái.
♦ USART khơng định nghĩa các tín hiệu này một cách cứng ngắc. Thơng
thường:
- Tín hiệu DTR qua Modem để chỉ rằng thiết bị đầu cuối sẵn sàng truyền.

- DSR là tín hiệu từ Modem để chỉ trạng thái sẵn sàng liên lạc.




Khối điều khiển vào/ra
Logic điều khiển đọc/ghi giải mã các tín hiệu điều khiển từ Bus điều
khiển của đơn vị trung tâm thành những tín hiệu đều khiển các cổng dẫn số
liệu đến Bus nội của USART.
Bảng sau cho biết sự liên quan giữ các tín hiệu CE, C/D\ RD\



CE

C/D\

RD\

WR\

0
0
0
0
1

0
1
0

1
x

0
0
1
1
x

1
1
0
0
x

Ý Nghĩa
CPU đọc số liệu từ USART
CPU đọc trạng thái từ USART
CPU ghi số liệu vào USART
CPU ghi lệnh vào USART
Bus của USART ở trạng thái trở kháng cao

Khối thu
Khối thu nhận dữ liệu nối tiếp ở chân RxD và chuyển thành số liệu
song song (P/PC). Trước khi bộ thu làm việc, bit D2 trong Command world
của byte lệnh phải ở trạng thái cho phép. Nếu bit này không được lập, bộ
thu sẽ khơng tạo ra tín hiệu RxRDI.
- Trong chế độ bất đồng bộ, 8251 A kiểm tra mức điện áp của đầu vào
RxD. Khi có thay đổi mức logic từ 1 xuống 0, 8251 A khởi động bộ
đếm thời gian trong khối thu khi đặt thời gian ½ bit, 8251 A kích mẫu

đầu vào RxD. Tại thời điểm này có 2 trường hợp xảy ra:
- Nếu đầu vào RxD có mức logic cao thì sự thay đổi từ 1 xuống 0 ở RxD
trước lúc kích mẫu là do nhiễu hay khối thu đã khởi động bộ đếm trong
khi nhận bit số liệu. Như vậy có sai 8251 bỏ lệnh đang thực hiện và
chuẩn bị ký tự mới.
- Nếu đầu vào RxD có mức logic thấp trong thời điểm kích mẫu. 8251
tiếp tục kích mẫu để nhận giá trị của các bit số liệu, bit kiểm tra chẵn lẻ
và các bit dừng. Sau đó, 8251 tách các bit khung và chuyển số liệu qua


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Bus trong đến thanh ghi đệm số liệu thu. Tín hiệu RxRDI được tạo ra
để báo cho trung tâm biết số liệu thu đã sẵn sàng.
- Trong chế độ đồng bộ, khối thu kích mẫu các bit số liệu của ký tự rồi
đưa đến đệm số liệu thu và lập cờ RxRDI. Vì bộ thu nhóm một số bit
thành ký tự nên được xác định bit số liệu đầu tiên là cần thiết. Để đồng
bộ giữa bộ thu và bộ phát, nếu có trống trong dãy ký tự thì 8251 tự
động chèn ký tự SYNC vào. Quá trình đồng bộ được thực hiện trong
quá trình bất đồng bộ.


Khối đệm vào ra
- Khối đệm vào ra chứa: Thanh ghi trạng thái, thanh ghi số liệu thu
(thanh ghi đệm số liệu thu), thanh ghi số liệu phát và lệnh (thanh ghi
đệm số liệu phát và lệnh).
- Như vậy, chỉ có một thanh ghi chứa thơng tin chuyển từ đơn vị trung
tâm vào USART. Thông tin này bao gồm số liệu và lệnh, do vậy phải có

sự phân chia thời gian giữa lệnh và số liệu. Lệnh phải được gửi trước số
liệu. Trước khi gửi số liệu vào USART. Đơn vị trung tâm phải kiểm tra
tín hiệu sẵn sàng phát TxRDI. Nếu gửi thông tin khi TxRDI ở trạng thái
chưa sẵn sàng số liệu chuyển đi có thể sai


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

CHƯƠNG I

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO
CHƯƠNG TRÌNH SỐ
I _ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ
Ở máy thơng thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi
vận tốc của các bộ phận máy điều khiển được thực hiện bằng tay. Với cách
điều khiển này thời gian phụ thuộc khá lớn, nên không thể nâng cao năng suất
lao động.
Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều
khiển. Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương
pháp gia công tự động với việc tự động hóa q trình điều khiển. Đặc điểm
của loại máy tự động này là rút ngắn thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị
sản xuất quá dài (thời gian thiết kế và chế tạo,thời gian điều chỉnh máy …).
Nhược điểm này không đáng kể, nếu sản xuất với khối lượng lớn. Trái lại với
lượng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động trở
nên khơng kinh tế. Do đó cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm
bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công từ loại chi tiết này sang chi tiết khác
được nhanh. Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theo chương
trình.

Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều
khiển (tín hiệu ra) được thay đổi theo một qui luật trước. Nói cách khác, trên máy điều
khiển theo chương trình, thứ tự, giá trị của các chuyển động cũng như thứ tự đóng mở các
bộ phận máy, đóng mở hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay mũi khoan… Điều được thực
hiện đúng theo một chương trình đã vạch sẵn. Các cơ cấu mang chương trình này được đặt
vào thiết bị điều khiển, và sẽ làm tự động theo chương trình đã cho.
Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các dấu tì, bằng hệ thống cam, bằng
mẫu ghép hình … Ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển theo chương trình
phi số. Nếu các chương trình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi hệ
điều khiển theo chương trình số.
Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa
một cơ cấu di động từ vị trí này đến vị trí khác bằng một lệnh. Sự dịch chuyển ấy có thể là
lượng di động thẳng (hoặc một góc quay theo các bậc tự do).
Trong nhiều trường hợp, phương pháp điều khiển theo chương trình số được thiết
kế tự động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị trí khác, ta gọi là "điều khiển
theo điểm". Nhưng ta cũng dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng cách giữa các điểm di
động kế tiếp nhau và sẽ đạt đến một quá trình điều khiển quỹ đạo gọi là điều khiển theo
đường.
Phương pháp điều khiển theo chương trình số có thể dùng để di động bất kỳ một
cơ cấu nào được truyền động bằng động cơ. Phạm vi sử dụng nó rất rộng, nhưng chủ yếu là
tự động hóa máy công cụ.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Vì chương trình số có thể tiến hành cách xa máy và máy có hệ thống đo lường
riêng, nên hệ thống điều khiển này có thể điều khiển một cách dể dàng và nhanh chóng.
Hệ thống điều khiển theo chương trình số cịn được gọi tắt là hệ thống NC

(Numerical Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC. Như
thế: Máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc tồn phần với các lệnh
được thể hiện bằng dạng tín hiệu là các chữ số được ghi trên băng từ, đĩa từ hoặc phim…
Bước phát triển cao của máy điều khiển theo chương trình số là sự ra đời của trung
tâm gia công CNC. Vậy trung tâm gia công là một loại máy điều khiển theo chương trình
số có cơ cấu tự động để thực hiện nhiều loại nguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi
tiết, với sự trợ giúp của máy tính điện tử.
CNC có thể phân thành 2 loại: Loại dùng để gia cơng có dạng thân hộp tấm, loại
gia cơng chi tiết tròn xoay.

II _ ĐẶC ĐIỂM CỦA CNC
-

Tập trung ngun cơng cao độ.
Có cơ cấu cấp dao tự động với dung lượng lớn.
Phần lớn CNC thường có bàn máy phụ và đồ gá.
Đạt được độ chính xác cao ở nguyên công tinh.
Các CNC thường dùng hệ thống điều khiển theo đường.

III _ HỆ TOẠ ĐỘ MÁY
Các điểm mà trong khi gia cơng được xác định trong một chương trình để mơ tả vị
trí của các điểm náy trong vùng làm việc, ta dùng hệ tọa độ. Nó bao gồm ba trục vng góc
với nhau cũng cắt nhau tại điểm gốc 0.
Với hệ toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông qua các tọa độ
của nó. Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo xác định, thơng thường nó khơng thể thay đổi.

Hình 1-1 : Hệ tọa độ vng góc trên máy
- Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị. Trên máy khoan nằm song song với bàn
máy ( bàn kẹp chi tiết).
- Trục Y là trục thứ 2 trong mặt phẳng định vị. Trên máy khoan nó nằm trên mặt máy và

vng góc với bàn máy.
- Trục Z ln ln trùng với trục truyền động chính. Trục này được nhà chế tạo xác
định. Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến mũi khoan. Điều đó có nghĩa
là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, mũi khoan sẽ đi tới bề mặt chi tiết.
Để xác định nhanh chiều của các trục,
dùng luật bàn tay phải(Hình 1-1): Ta đặt
ngón giữa bàn tay phải theo chiều của
trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ về chiều của

Hình 1-2: Xác định nhanh chiều
trục tọa độ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

trục x và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều
Hệ toạ độ cơ bản được gắn liền với
của trục Y.
chi tiết.
Bởi vậy khi lập trình ta phải ln ln xuất phát từ chổ xác định chi tiết đứng n cịn
mũi khoan thì chuyển động. Điều đó có nghiã là:
Khi khoan rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhưng để đơn giản hơn cho việc lập
trình hãy quan niệm là chi tiết đứng n cịn mũi khoan thì dịch chuyển. Ta gọi đó là
chuyển động tương đối của mũi khoan.
Để mô tả đường dịch chuyển của mũi khoan (dữ liệu tọa độ) trên một số máy CNC có
cả hai khả năng.
a) Dùng toạ độ Đề_Cac :
Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề Các, ta đưa ra khoảng cách đo song song với trục từ một

điểm tới một điểm khác.
Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương (+) phía trước. Các
khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm (-) phía trước.


Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức:
♦ Đo tuyệt đối:
Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ một điểm cố
định trong vùng làm việc. Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định mũi khoan
phải dịch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối.
♦ Đo theo chuổi kích thước:

Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra tọa độ các điểm đích
tính từ các điểm dừng lại của mũi khoan sau một lổ khoan được khoan. Nghĩa
là trong mỗi chuyển động đều đưa ra số liệu của mũi khoan cần được dịch
chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ.
b) Dùng tọa độ cực :
Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ tọa độ cực, ta đưa ra vị trí của một điểm thơng qua
khoảng cách và góc so với một trục cơ sở.
Các tọa độ cực chỉ có thể đo trên một mặt phẳng chính. Trong phạm vi của một hệ tọa
độ cực có 3 mặt phẳng chính. Từ 3 trục x, y và z của hệ thống sẽ có 3 mặt kẹp, đó là: Mặt
x/y, mặt x/z, mặt y/z.


Những điểm quan trọng trong một hệ tọa độ cực
♦ Điểm chuẩn : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ máy.
♦ Điểm 0 chi tiết : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ chi tiết, nó được giữ cố định cho một
chi tiết.
♦ Điểm 0 lập trình : Là điểm gốc 0 từ đó xác định các dữ liệu cập nhật trong một
chương trình. Điểm này có thể thay đổi thơng qua lệch dịch chuyển điểm 0.

IV _ CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN
Phù hợp với yêu cầu đa dạng trong thực tế, người ta phân biệt hệ điều khiển theo ba
mức điều khiển khác nhau :
- Điều khiển theo điểm.
- Điều khiển theo đoạn.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

- Điều khiển theo đường.
1. Điều khiển theo điểm:
Là hệ thống điều khiển khơng có mối
mũi khoan hoặc chi tiết vào ví trí yêu
quan hệ hàm số (vô hàm) giữa các chuyển
cầu. Hệ thống này không kiểm tra theo
động dọc theo trục tọa độ. Nhiệm vụ chủ yếu
qũi đạo, vận tốc, mà kiểm tra theo vị trí
của hệ thống điều khiển là định vị chính xác
định vị.
Điển hình nhất của hệ thống này là điều khiển để khoan lỗ tức là cần điều khiển chuyển
động tương đối giữa dao và phôi đến từng điểm xác định. Chẳng hạn từ điểm A(X 1,Y1 ),
B(X2,Y2 ). Đặc điểm của loại điều khiển này là trong q trình điều khiển mũi khoan khơng
làm việc. Q trình gia công chỉ được tiến hành theo bất cứ tọa độ nào: Có thể trước tiên
theo tọa độ X, sau đó theo Y hoặc ngược lại, hoặc đồng thời thực hiện cùng một lúc trên
Y

y2

y1

B
A

X
x1

x2

Hình 1-3: Sơ đồ điều khiển
theo điểm
hai trục với vận tốc lớn nhất .
2. Điều khiểu theo đoạn :
Cũng giống như hệ thống điều khiển
theo điểm, tức là khơng có quan hệ hàm
số giữa các chuyển động theo tọa độ.
Điểm khác là khi định vị, mũi khoan làm
việc nên không thể định vị theo một

đường bất kỳ, mà thông thường phải
theo hướng song song với một trục tọa
độ.

Thí dụ :
Khi khoan cạnh song song với trục tọa độ được xác định bởi các điểm (X 1,Y1) và
(X2,Y2) thì phải di động bàn máy (hoặc mũi khoan) theo tọa độ Y. Trong lúc đó bàn trượt


Y

y2
y1

X

x1

x2

Hình 1-4: Sơ đồ điều khiển theo
đoạn
theo hướng X phải đứng yên. Chỉ sau khi khoan xong các điểm song song với trục Y rồi
mới tiến hành định vị các điểm song song với trục X.


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển theo điểm và theo đoạn khơng khác nhau.
Do đó, ta có thể thực hiện hệ thống này theo sơ đồ sau.
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo điểm và đoạn khởi đầu bằng các số liệu về
hình dáng và số liệu cơng nghệ chi tiết gia công. Hai số liệu ấy tạo thành dữ liệu gia cơng.
Thơng qua q trình lập trình, nhờ cơ cấu ghi mã hiệu, các dữ liệu gia cơng được biến
thành các mã hiệu ghi vào chương trình. Chương trình này bao gồm tất cả mọi tín hiệu cần
thiết cho việc điều khiển các cơ cấu của máy.
Những khâu kể trên có thể thực hiện ở bất cứ nơi nào, tách xa khởi máy, nên gọi là
phần xử lý dữ liệu bên ngồi. Dữ liệu gia công cũng có thể đưa trực tiếp vào bảng điều
khiển số đặt trên máy (như máy NC đơn giản) hoặc truy nhập trực tiếp vào máy tính trung
tâm như ở hệ thống CNC. Các khâu kế tiếp của xích điều khiển điều đặt bên trong máy,

nên gọi là phần xử lý dữ liệu bên trong.
Khâu đầu tiên của phần xử lý dữ liệu bên trong là cơ cấu đọc. Vì chương trình ghi
các dữ liệu gia công dưới dạng mã hiệu, nên phải qua cơ cấu giải mã để biến mã hiệu thành
những tín hiệu điều khiển: Tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động.
Tín hiệu khởi
động
códáng
nhiệm vụ đóng ngắt các
cấu
tác nghệ
động, nên ta khơng đề
Số liệu
hình
Sốcơ
liệu
cơng
cập đến trong sơ đồ cấu trúc. Cịn tín hiệu hành trình là những trị số đã được xác định để
định vị bàn máy theo tọa độ X-Y. Tín hiệu hành trình cần đưa qua cơ cấu chuyển đổi, nhằm
tạo nên những tín hiệu giống nhau để
cấu so sánh.
Dữđưa
liệuvào
giacơ
cơng
Cơ cấu so sánh có hai tín hiệu vào: một tín hiệu là những trị số xác định từ chương
trình đưa đến gọi là giá trị cần, một tín hiệu là những trị số thực tế từ thiết bị đo hành trình
của bàn máy đưa đến gọi là giá trịLập
thực.
Qua cơ
cấu so sánh, nếu hai gía trị chênh lệch

chương
trình
nhau, sẽ tạo nên một tín hiệu sai lệch. Qua cơ cấu khuếch đại, tín hiệu sai lệch làm khởi
động động cơ (động cơ quay bàn máy) để bù sai số. Khi đạt đến vị trí đã định, giá trị cần
và giá trị thực bằng nhau, tín hiệu saiCơ
lệch
cấusẽghi
bằng
mãkhơng,
hiệu cơ cấu khởi động dừng.
hiệu
C

Bên ngoài

h
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC
Xử lý dữ liệu
HỆ THỐNG ĐIỀUươ KHIỂN THEO
ĐIỂM VÀCơ
ĐOẠN
Bên trong
cấu đọc n
g

Thiết bị
đo hành
trình

Y

Bàn máy
C

C
t
ơ
r
ì
T
nc
ínấ
h
hiệu
C
u
ơhàn
cấu
g
chuy
hi
ển
trìn
ã
đổi
Thiết
h i bị
đo hành
trình m
ã

Bàn máy
X

T
ín
hiệ
u
kh
ởi
độn
ơ
gcấu
so
ơ
sán
cấu
h
Động cơ điều khiển
khu
ếch
đại

C
C


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SVTH : NGUYỄN THỊ CHÍNH

Cơ cấu khuếch đại
Động cơ điều khiển

Hệ thống điều khiển vừa mô tả trên là hệ thống kín. Để tạo nên hệ thống kín thơng
thường rất tốn kém. Vì thế, người ta đang cố gắng để tạo nên một hệ thống điều khiển đơn
giản hơn.
Thí dụ như hệ thống dùng cơ cấu ngắt. Ở đây, các tín hiệu khởi động điều khiển
trực tiếp các động cơ điều khiển, chứ khơng phải tìm hiệu số sai lệch của cơ cấu so sánh
sau khi được khuếch đại. Việc so sánh tín hiệu cần với tín hiệu thực cũng được tiến hành
như trên. Nhưng khi có sai lệch nó sẽ tác động động cơ ngắt, làm dừng động cơ điều khiển.