Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thời gian thực trên nền PC/104

gành tự động hoá) đã, đang và ngày càng khẳng định vai trò hết sức quan trọng trong cuộc sống con người. Nhờ những thành tựu của ngành tự động hoá, con người không phải tham gia trực tiếp hoặc ít phải tham gia vào những công việc khó khăn, vất vả, độc hại; tốn nhiều công sức, nhiều nhân lực như làm việc trong các nhà máy điện hạt nhân, hầm lò, khai thác… mà sản phẩm tạo ra lại có số lượng và chất lượng vượt trội nhiều lần. Ngành tự động hoá ngày nay đã đạt được những thành tựu lớn. Một nhà máy lớn được điều hành chỉ với một vài người, thậm chí không cần người điều hành, một bóng đèn tự bật sáng khi có người bược vào, một cánh cửa tự mở khi nhận biết người quen.... Tiến tới chúng ta có thể có những người máy có tư duy có thể làm những việc theo ý muốn con người. Những năm về trước, các thiết bị điều khiển (điển hình là rơle cơ, các thiết bị cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các bộ chuyển đổi,… ) đều là các thiết bị tương tự, thực hiện các bài toán điều khiển đơn giản, độ chính xác không cao, độ tin cậy thấp, không có hoặc có rất ít khẳ năng lập trình. Nhờ tiến bộ trong công nghệ sản xuất linh kiện điện tử, công nghệ vi xử lý, mô hình thiết bị công nghiệp, dần dần các thiết bị số ra đời và thay thế các thiết bị tương tự do những ưu việt của chúng. Các thiết bị này có độ chính xác, độ tin cậy cao, có khẳ năng lập trình được, phù hợp với môi trường công nghiệp (chịu được ảnh hưởng của nhiễu: nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ,… làm việc với cường độ cao, độ chính xác và độ tin cậy cao), đáp ứng được các bài toán điều khiển phức tạp với những yêu cầu cao, thực hiện trên những qui mô lớn. Điển hình cho thiết bị số này là PLC (Programmable Logical Controller). Mặc dù máy tính cá nhân (PC) đã có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống, có năng lực bằng nhiều lần các thiết bị khả trình, nhưng sự xuất hiện của chúng với vai trò là thiết bị điều khiển trong công nghiệp rất mờ nhạt và gần như không được đề cập đến trong các bài toán điều khiển. Các PC không đáp ứng được các yêu cầu làm việc trong môi trường công nghiệp. Các nhà thiết kế lúc này chỉ còn biết nuối tiếc với tính năng mở, môi trường phát triển rộng, khả năng lập trình tự do, hiệu năng tính toán cao, tính năng ứng dụng lớn của PC. Không những vậy, xây dựng bài toán điều khiển trên PC kinh tế hơn xây dựng trên các thiết bị khả trình. Một vài năm gần đây, các tiến bộ mới trong kỹ thuật linh kiện điện tử, trong kỹ thuật máy tính, công nghệ phần mềm, công nghệ truyền dẫn dữ liệu (công nghệ bus trường) khiến máy tính có thể thực hiện nhiệm vụ điều khiển dể dàng trong môi trường an toàn mà không phải đặt trực tiếp tại môi trường làm việc như trước đây. Nhờ vậy máy tính đã có thể đáp ứng các yêu cầu làm việc trong công nghiệp. Máy tính cá nhân đang là xu thế được chọn lựa trong điều khiển công nghiệp. Vì những lý do trên, máy tính đã có những loại được thiết kế riêng cho mục đích công nghiệp. PC/104 là loại máy tính điển hình cho mục đích trên. Mọi sinh viên trong Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong quá trình 5 năm học tập của mình, đều phải trải qua ba lần thực tập. Trong đó quan trọng hơn cả là đợt thực tập tốt nghiệp. Sinh viên ngành Điều khiển tự động chúng em không nằm ngoài qui luật đó. Đây là một cơ hội để chúng em kiểm chứng, áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Hơn nữa, nó còn là thời gian chúng em được tiếp xúc với những thiết bị kĩ thuật hiện đại đang được các nhà máy, xí nghiệp, các trung tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi. Nhóm chúng em gồm hai thành viên là Nguyễn Văn Hiến và Nguyễn Mậu Phương, lớp ĐKTĐ1-K44. Đề tài tốt nghiệp mà chúng em đang làm là đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thời gian thực trên nền PC/104” do giảng viên - Tiến sĩ Hoàng Minh Sơn - Bộ môn Điều khiển tự động – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn. Chúng em được thầy Sơn giới thiệu thực tập tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đây là một nơi nghiên cứu, ứng dụng các kĩ thuật Tự động hóa vào sản xuất. Là một phòng thí nghiệm trọng điểm, Phòng thí nghiệm được nhà nước đầu tư các trang thiết bị hiện đại, có đội ngũ cán bộ khoa học có năng lực và trình độ chuyên môn cao. Nhiệm vụ chủ yếu của Phòng thí nghiệm là thực hiện các đề tài khoa học cấp Nhà nước; nghiên cứu, chuyển giao công nghệ cho các công ti trong và ngoài nước. Tại đây, chúng em đã được Thạc sĩ Phạm Quang Đăng – cán bộ của Phòng thí nghiệm – cũng như các thầy. các anh chị trong Phòng thí nghiệm hướng dẫn tận tình. Trong thời gian thực tập, chúng em đã làm được một số việc sau: Tìm hiểu, lắp ráp thành công máy tính PC/104. Khảo sát một đối tượng điều khiển là lò điện trở. Tiến hành thiết kế mạch phần cứng của Card điều khiển lò điện trở. Ngoài ra, chúng em còn được làm quen với các thiết bị, linh kiện thường được sử dụng nhiều trong nghiên cứu cũng như thực tế sản xuất. Qua đó chúng em đã tích luỹ được những kinh nghiệm quí báu cho mình. Nội dung của bản báo cáo thực tập chúng em chia làm bốn phần. Những vấn đề được đề cập đến trong mỗi phần đều tương ứng với những công việc đã làm được trong đợt thực tập này. Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Hoàng Minh Sơn đã tạo cơ hội cho chúng em được thực tập tại một trong những Phòng thí nghiệm hàng đầu của Việt Nam, nơi chúng em có điều kiện tiếp xúc với những thiết bị điều khiển hiện đại nhất hiện nay. Chúng em cảm thấy mình may mắn hơn các bạn khác trong lớp rất nhiều. Đồng thời, chúng em cũng xin cảm ơn sự chỉ bảo, động viên của thầy dành cho trong suốt thời gian qua. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ, nhân viên của Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá, đặc biệt là Thạc sĩ Phạm Quang Đăng. Mặc dù luôn bận rộn với công việc song anh vẫn sắp xếp thời gian hướng dẫn chúng em tận tình. Chúng em biết rằng do sự nôn nóng, sự vụng về và bồng bột của tuổi trẻ mà chúng em đã làm nhiều điều không đúng. Chúng em mong rằng các anh là thế hệ những người đi trước sẽ không để tâm mà thẳng thắn chỉ ra những điều sai trái, cũng như chỉ bảo những điều đúng đắn cho chúng em. Dù đã rất cố gắng trong quá trình thực tập song do hạn chế của bản thân, chúng em không thể không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Nhưng với sự cố gắng học hỏi, tự hoàn thiện mình, đặc biệt cùng với sự chỉ bảo, hướng dẫn của các thầy, các anh trong Phòng thí nghiệm, chúng em tin rằng những thiếu sót đó sẽ sớm được khắc phục. Giới thiệu về PC/104 PC/104 là một họ máy tính được thiết kế theo chuẩn máy tính công nghiệp. Đặc điểm chung của loại máy tính này là có cấu trúc dạng all-in-one (tất cả linh kiện được thiết kế trên một bo mạch) và cấu trúc dạng modul. Các modul ghép nối với PC/104 thông qua khe cắm modul mở rộng (khe cắm này được thiết kế theo chuẩn ISA). Sơ lược về cầu trúc PC/104 Máy tính PC/104 trên Phòng thí nghiệm là loại máy tính do hãng Nagasaki của Đài Loan sản xuất. Có nhiều thế hệ máy tính loại này ứng với tốc độ xử lý cũng như cấu trúc khác nhau. Ta tìm hiểu cầu trúc một thế hệ cụ thể của nó là PC/104-587VL. PC/104 có cấu trúc như các máy tính cá nhân thông thường khác. Điểm khác biệt là nó được xây dựng với cấu trúc để phù hợp với cấu trúc của một thiết bị điều khiển có khả năng làm việc tin cậy hơn, có cấu trúc modul giúp mở rộng các modul điều khiển. PC/104 có trọng lượng nhẹ (0,11kg) và kích thước nhỏ (96×90 mm), hoạt đông ở độ ẩm cho phép là 0% ÷ 95%, nhiệt độ hoạt động 0 ÷ 60 0 C (nhiệt độ dự trữ: -40 ÷ 850C), nguồn cung cấp: 5V ± 5% (thuộc loại nguồn thấp). Cấu hình cơ bản: CPU (Central Processing Unit): NS Geode GX1, 300MHz, thuộc họ xử lý pentium. Chipset NS CS5530A. 16KB cho bộ nhớ lưu trữ dữ liệu trên chip. RAM: Một SDRAM-PC100, 144 chân, dung lượng tử 32MB đến 128MB. Flash Disk: Dạng Modul, tuỳ chọn dung lượng từ 2, 8, 16, 32,… đến 512MB. HDD/FDD: ổ cứng loại Notebook (44 chân cắm), chân cắm theo chuẩn IDE (Integrated Drive Electronics). BIOS: ACPI Bios với 256 KB flash EPROM. Chức năng hiển thị VGA (Video Graphics Array): Bộ nhớ hiển thị chia sẻ từ 1÷4MB cho phép ghép nối với màn hình CRT có độ phân giải đến 1024x768 hoặc TFT LCD. Hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) và CRT (Cathode Ray Tube) có thể làm việc ở cùng một thời điểm hoặc độc lập với nhau. PC104-587VL chỉ làm việc với loại TFT LCD (DSTN LCD không làm việc với PC104-587VL). Các cổng vào ra khác: 1 cổng song song: hỗ trợ chế độ SPP/EPP/ECP 2 cổng nối tiếp: COM1 theo chuẩn RS-232, COM2 theo chuẩn RS232/422/485 2 cổng USB. Cổng PS/2 nối bàn phím, chuột. Bộ định thời ngăn chặn lỗi treo hệ thống Watch-Dog Timer với chu kỳ thiết đặt 0 ÷ 30s. Cài đặt phần cứng Sơ đồ sắp xếp các rãnh trên PC/104 được chỉ rõ ở hình dưới. Trong đó: CN1: điều khiển tín hiệu và nguồn công suất của bộ biến đổi LCD. CN2: bộ nối 18 bit cho giao diện LCD. CN3: bộ nối màn hình CRT. CN4: bộ nối ổ cứng chuẩn IDE. CN5: bộ nối ổ mềm. CN6 & CN8: cổng COM1 & COM2. CN7: cổng song song. CN9: kết nối chuột & bàn phím. J1: bộ nối mạng LAN. J2: đầu cắm loa ngoài. J3: đầu nối cổng USB. J4: phích cắm nguồn. J5: nút khởi động lại. Hình 1.1: Sắp xếp các chân và rãnh cắm của PC/104 J6 & JP1: đầu nối nguồn phụ và Jum thiết lập sử dụng nguồn phụ. BUS1: bộ nối PC/104. LED1: đèn công suất/định thời. DIMM1: rãnh cắm RAM. Thiết lập hệ thống vào ra cơ sở (BIOS) Các thiết lập cơ sở Bios của PC/104 được thiết đặt cấu hình như các máy PC khác. Ở đây ta chỉ xét những vấn đề chung nhất cho việc thiết lập một máy tính thông thường và các vấn đề riêng trong lĩnh vực điều khiển. Quick Boot Trường này thiết đặt việc khởi tạo nhanh hệ thống khi nó được cho phép. Ta chú ý đến một số vấn đề sau: BIOS sẽ không đợi đến 40s nếu tín hiệu READY (sãn sàng) không được nhận từ trình điều khiển IDE, và BIOS sẽ không thiết đặt cấu hình cho trình điều khiển IDE. BIOS sẽ không đợi 0.5s sau khi gửi một tín hiệu RESET đến trình điều khiển IDE. Thiết lập mặc định: Enabled. Thuộc tính tuỳ chọn : Disabled, Enabled. 1st – 3st Boot Divece Trường này xác định nơi mà hệ thống tìm kiếm lựa chọn thiết bị khởi động cho hệ điều hành. Thiết lập mặc định là kiểm tra đĩa cứng (hard disk), tiếp đến kiểm tra ổ mềm (Floppy drive), và cuối cùng là ổ CDROM. Thiết lập tuỳ chọn: Disabled, IDE0-1, IDE0-2, IDE0-3, Floppy, ARMD-FDD, ARM-HDD, CDROM, CSCI và Network. Hỗ trợ chuột PS/2 Chức năng chuột PS/2 là tuỳ chọn. Trước khi đặt cấu hình cho chuột ta phải đảm bào rằng FB2502 hỗ trợ đặc tính này. Thiết đặt Enabled cho phép hề thống dò tìm một chuột cổng PS/2 lúc khởi tạo. Nếu tìm thấy, IRQ12 (ngắt) sẽ được sử dụng chuột cổng PS/2. IRQ12 sẽ được dành cho card mở rộng nếu chuột PS/2 không được tìm thấy. Thiết đặt Disabled sẽ dành IRQ12 cho card mở rộng do đó chuột sẽ không hoạt động được. Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled, Enabled. Thuộc tính mặc định: Enabled. Typematic rate Chức năng này chỉ định tốc độ lặp lại gõ phím khi một phím được nhấn và được giữ. Thuộc tính tuỳ chọn: Fast, Slow. Thuộc tính mặc định: Fast. System keyboard Trường này chỉ định một thông điệp lỗi xuất hiện hay không khi bàn phím không được gắn kết với máy tính. Thuộc tính tuỳ chọn: Absent (không có mặt), Present (có mặt). Thuộc tính mặc định: Absent. Primary Display Trường này chỉ định kiểu màn hình được cài đặt trong hệ thống. Thuộc tính tuỳ chọn: Absent, VGA/EGA, CGA40×25, CGA80×25, và Mono. Thuộc tính mặc định: Absent. Boot To OS2>64 MB Nếu sử dụng hệ điều hành OS2 và RAM hệ thống có dung lượng trên 64 MB, khi đó hãy chọn Yes, trái lại chọn No. Thuộc tính tuỳ chọn: Yes, No. Thuộc tính mặc định : No. Wait for ‘F1’ if Error AMIBIOS gửi thông báo lỗi được cho phép bởi: Press to continue (nhấn F1 để tiếp tục). Nếu trường này thiết đặt là Disabled, AMIBIOS không đợi để ta nhấn phím sau khi xuất hiện một thông điệp lỗi. Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled, Enabled. Thuộc tính mặc định: Disbled. C000, 32k Shadow – E800, 32k shadow Trường này điều khiển vị trí của dung lượng 32KB ROM bắt đầu tại vị trí vùng nhớ được chỉ định bởi bởi người dùng. Nếu không có ROM tương ứng với chỉ định, nó sẽ sử dụng vùng ROM đã được thiết đặt trước bởi hệ thống, vùng này đã được tạo sẵn cho bus cục bộ.Các thiết đặt nay gồm: Disabled: Thiết đặt này sẽ có tác dụng làm cho ROM video không được sao chép vào RAM. Nội dung của ROM video không được đọc hoặc viết từ bộ nhớ cache Enabled: Nội dung của vùng có địa chỉ từ C000h – C7FFFh được viết vào cùng địa chỉ bộ nhớ hệ thống (RAM) để thực thi trên đó nhanh hơn. Cache: Nội dung của vùng ROM đã được thiết đặt trước được viết vào cùng địa chỉ của bộ nhớ hệ thống (RAM) để thực hiện thao tác trên nó nhanh hơn, nếu ROM tương ứng (được chỉ định bởi người dùng) sử dụng ROM (được chỉ định bởi hệ thống). Do đó nội dung RAM có thể được đọc hoặc viết từ bộ nhớ cache. Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled, Enabled, Cache. Thuộc tính mặc định: Disabled. Video Memory Size Trường này chỉ định những dung lượng nhớ cho hiển thị VGA, ta có thể lựa chọn bộ nhớ Video trên VGA. Thuộc tính tuỳ chọn: 1.5 MB, 2.5 MB và 4 MB. Thuộc tính mặc định: 1.5 MB. LCD CRT Section Trường này chỉ định hiển thị VGA sẽ được sử dụng khi hệ thống khởi động. Ta có thể lựa chọn hoặc LCD hoặc CRT khởi tạo trên VGA. Thuộc tính tuỳ chọn: Both, LCD, CRT. Thuộc tính mặc định: CRT. LCD Type Khi sử dụng hiển thị LCD, trường này chỉ định độ phân giải cho các kiểu hiển thị TFT LCD. Thuộc tính tuỳ chọn: 640×480, 800×600, 1024 × 768. Thuộc tính mặc định: 640 × 480. I/O Recovery Time Thời gian khôi phục trạng thái vào ra là một quãng thời gian được đo bằng các xung clock CPU, là thời gian mà hệ thống sẽ trễ sau khi đạt được một yêu cầu vào/ra để thực hiện yêu cầu vào ra tiếp theo. Trường này chỉ định thời gian để đầu vào/ra khôi phục lại cho việc truy nhập vào ra. Thuộc tính tuỳ chọn: No Delay, 2, 4 ,8, 16, 32, 64 and 128 xung. Thuộc tính mặc định: 32 xung. CAS Latency Trường này chỉ định khoảng thời gian trễ giữa tín hiệu CAS (Control Access System - hệ thống truy nhập có điều khiển) và RAS (Random Access Storage -bộ nhớ lưu giữ được truy nhập ngẫu nhiên) của hệ thống SDRAM đồng bộ, truy nhập SDRAM là theo chu kỳ khi mà nó được cài đặt. Thuộc tính tuỳ chọn: 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7. Thuộc tính mặc định: 3. IRC Bit 24 – 27 TIM1 Trường này thiết đặt cho SDRAM, thiết đặt chu kỳ thời gian giữa lệnh làm tươi (refresh) và lệnh ACT/PRE. Thuộc tính tuỳ chọn: 2, 3, 4, 5, 6, 7 và 8. Thuộc tính mặc định: 3. IRAS Bits 20 – 23 TIM1 Trường này thiết đặt cho SDRAM, lựa chọn chu kỳ thời gian giữa lệnh làm tươi (refresh) và lệnh ACT. Thuộc tính tuỳ chọn: 1, 2, 3, 4, 5, 6 và 7. Thuộc tính mặc định: 7. SDRAM Clock Ratio Trường này chỉ định tỷ lệ xung cho SDRAM. Thuộc tính tuỳ chọn: 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, và 4. Thuộc tính mặc định: 3.0. SDRAM Clock Shift Trường này chỉ định xung nhịp của SDRAM thích ứng với cài đặt SDRAM và thời gian duy trì yêu cầu cho việc tương thíc đó. Thuộc tính tuỳ chọn: No Shift, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, và 3.5. Thuộc tính mặc định: 1,5. PCI/PLUG AND PLAY Plug and Plug Aware O/S Thiết đặt yes để cho BIOS biết rằng hệ điều hành có thể quản lý điều hành Plug và Play các thiết bị. Thuộc tính tuỳ chọn: Yes, No. Thuộc tính mặc định: No. PCI Latency Timer Trường này chỉ định sự chọn lựa thích hợp độ trễ (của xung PCI) cho thiết bị PCI được nghép vào bus mở rộng PCI. Thuộc tính tuỳ chọn: 32, 64, 96, 128, 160, 192, 224 và 248. Thuộc tính mặc định: 64. PCI VGA Palette Snoop Khi Enabled (cho phép) được chọn lựa, thiết bị VGA đa nhiệm làm việc trên những bus khác nhau có thể quản lý dữ liệu từ CPU về mỗi thiết đặt cho những thanh ghi bảng màu của các thiết bị video. Bit 5 của thanh ghi lệnh trong không gian cấu hình thiết bị PCI là bit Snoop Palette VGA. Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled: Dữ liệu đọc và ghi bởi CPU chỉ được trực tiếp cho thanh ghi bảng màu thiết bị VGA PCI. Enabled: Dữ liệu đọc và ghi bởi CPU là trực tiếp cho cả thanh ghi bảng màu của thiết bị VGA PCI và thanh ghi bảnh màu thiết bị VGA ISA, cho phép các thanh ghi của cả hai thiết bị trên đồng nhất nhau. Thuộc tính mặc định: Disabled. DMA Channel 0-7 Khi tài nguyên I/O được điều khiển bằng thao tác tay, ta có thể gán DMA của hệ thống bằng những phân loại sau (dựa trên phân loại thiết bị dùng ngắt): Các thiết bị theo chuẩn bus ISA/ESA tương thích đặc điểm kỹ thuật bus AT PC nguyên thuỷ, có yêu cầu ngắt xác định (chẳng hạn như IRQ5 cho COM1). PnP (Plug and Play) phù hợp với chuẩn Plug and Play, hoặc được thiết kế cho kiến trúc bus PCI hoặc ISA. Thuộc tính tuỳ chọn: PnP, ISA/EISA. Thuộc tính mặc định: PnP. IRQ 3-15 Khi tài nguyên I/O được điều khiển bằng thao tác tay, ta có thể gán mỗi ngắt hệ thống theo những phân loại sau, dựa trên phân loại thiết bị dùng ngắt: Các thiết bị theo chuẩn bus ISA/ESA tương thích đặc điểm kỹ thuật bus AT PC nguyên thuỷ, có yêu cầu ngắt xác định (chẳng hạn như IRQ5 cho COM1). PnP (Plug and Play) phù hợp với chuẩn Plug and Play, hoặc được thiết kế cho kiến trúc bus PCI hoặc ISA. Thuộc tính tuỳ chọn: PnP, ISA/EISA. Thuộc tính mặc định: PnP. Resrved Memory Size Ta có thể dự trữ (thiết lập tay) kích thước bộ nhớ cho các card giao diện nào đó nếu cần thiết. Thuộc tính tuỳ chọn: Disbled, 16k, 32k, 64k Thuộc tính mặc định: Disabled Reserved Memory Address Khi Reserved Memory Size (kích thước bộ nhớ dự trữ) được cho phép, chỉ định không gian địa chỉ trong phạm vi C0000 và DC000. Thuộc tính tuỳ chọn: C0000, C4000, C8000, CC000, D0000, D4000, D8000, DC000. Thuộc tính mặc định: C8000. Cài đặt ngoại vi OnBoard FDC Trường này cho phép trình điều khiển ổ mềm điều khiển trên FB2502. Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled, Enabled. Thuộc tính mặc định: Enabled. OnBoard Serial Port 1 Trường này lựa chọn địa chỉ các cổng I/O cho mỗi cổng nối tiếp. Thuộc tính tuỳ chọn: Auto, Disabled, 3F8H/COM1, 2F8H/COM2, và 3E8H/COM3, 2E8H/COM4. Thuộc tính mặc định: 3F8H/COM1. OnBoard Serial Port 2 Trường này lựa chọn địa chỉ cổng vào ra cho mỗi cổng nối tiếp. Thuộc tính mặc định: 2F8H/COM2. OnBoard Parallel Port Trường này lựa chọn địa chỉ cổng vào ra cho cổng song song. Thuộc tính tuỳ chọn: Auto, Disabled, 378, 278, và 3BCH. Thuộc tính mặc định: 378H. Parallel Port Mode Trường này chỉ định chế độ cho cổng song song. ECP (Expanded Capabilities Parallel - cổng song song tương thích mở rộng) và EPP (Ehanced Parallel Port - cổng song song cải tiến) cả hai đều có lược đồ truyền dữ liệu trực tiếp với Bit, có đặc điểm kỹ thuật gắn bó với chuẩn IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) P 1284. Thuộc tính tuỳ chọn: N/A Normal, Bi-Dir, EPP và ECP. Thuộc tính mặc định: Normal. EPP Version Trường này chỉ định phiên bản đặc điểm kỹ thuật cho chế độ cổng song song được sử dụng trong hệ thống mà chưa được cấu hình. Nếu Normal hoặc ECP được chọn, lúc đó trường này hiển thị N/A, nghĩa là không sẵn dùng. Thuộc tính tuỳ chọn: N/A, 1.7, 1.9. Thuộc tính mặc định: N/A. Parallel Port IRQ Trường này chỉ định các ngắt IRQ (Interrupt Request) cho cổng song song. Thuộc tính tuỳ chọn: Auto, N/A, 5, 7. Thuộc tính mặc định: IRQ7 cho cổng song song; IRQ5 cho cổng song song 2. Parallel Port DMA Channel Thuộc tính kênh DMA (Direct Memory Access) với cổng song song chỉ có nếu thiết đặt tuỳ chọn cho phươn thức cổng song song là ECP. Thuộc tính tuỳ chọn: N/A, 1, 3. Thuộc tính mặc định: N/A. Onboard IDE Trường này chỉ định kênh IDE cái mà có thể được áp dụng khi dùng kết nối đĩa cứng IDE (CN3). Thuộc tính tuỳ chọn: Disabled, Enabled. Thuộc tính mặc định: Enabled. Chức năng Watchdog Timer PC/104-VL587 được trang bị một bộ định thời bắt lỗi (watchdog) với chu kỳ time-out lập trình được. Ta có thể dùng chính chương trình của mình để cho bộ đình thời bắt lỗi (watchdog timer). Một khi ta đã cho phép watchdog timer, chương trình sẽ khởi tạo I/O mỗi lần trước khi bộ định thời times out (vượt quá thời gian cho phép). Nếu chương trình của ta bị lỗi để khởi tạo hoặc vô hiệu hoá bộ đinh này trước khi nó bị time-out, nó sẽ tạo ra một tín hiệu reset hệ thống. Chu kỳ time-out có thể lập trình từ 1 đến 255 giây hoặc nhiều phút. Trong đĩa CD-ROM kèm theo bao gồm file giới thiệu về Watch Dog. Trong file này có 3 trương trình thực thi được viết với những mẫu khác nhau. Trong thư mục WATCHDOG hãy tham khảo READ.TXT file. Có thể viết chương trình bằng ngôn ngữ Assembly hoặc C++. Hệ số ứng vơi hằng số time-out của watchdog timer vào khoản 1s. Chu kỳ time-out của watchdog timer nằm trong khoảng hệ số định thời từ 1 đến FF. Nếu ta muốn reset hệ thống của ta khi watchdog times out, bảng sau liệt kê quan hệ giữa các hệ số định thời với các chu kỳ times out: Bảng 1.1 – Quan hệ giữa các thừa số định thời với các chu kì timer out Hệ số định thời Chu kỳ time-out (giây) Chu kỳ time-out (phút) 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 “ “ “ FF FF FF Watchdog Timer Enabled Để cho phép watchdog timer hoạt động. ta phải output ra thừa số định thời cho watchdog. Sau khi cho phép watchdog timer làm việc, chương trình của ta phải viết cùng một hệ số (như khi viết hệ số cho phép watchdog timer làm việc) vào thanh ghi watchdog ít nhất một lần ở mỗi chu kỳ time-out. Ta có thể thay đổi chu kỳ định thời bằng cách viết một hệ số định thời khác vào thanh ghi watchdog tại bất kỳ thời điểm nào, và ta phải khởi tạo watchdog trước chu kỳ time-out mới trong lần khởi tạo tíêp theo. Để biết chi tiết có thể theo dõi các ví dụ trang 48 TL [1]. Để vô hiệu hoá watchdog time hoạt động, đơn giản là viết giá trị 00H vào thanh ghi watchdog Diễn giải cụ thể PC/104-587VL bao gồm một ngăn chứa đồng hồ thời gian thực, nó duy trì thời gian và ngày tháng trong việc bổ xung cất giữ thông tin cấu hình về hệ thống máy tính. Nó bao gồm 14 Byte cho đồng hồ và thanh ghi điều khiển cùng 114 Byte RAM dành cho mục đích chung. Nội dung của mỗi byte trong RAM CMOS được liệt kê dưới đây: Bảng 1.2 - Nội dung các byte trong RAM CMOS Địa chỉ Miêu tả 00 Giây 01 Cảnh báo giây 02 Phút 03 Cảnh báo phút 04 Giờ 05 Cảnh báo giờ 06 Ngày trong tuần 07 Ngày trong tháng 08 Tháng 09 Năm 0A Thanh ghi trạng thái A 0B Thanh ghi trạng thái B 0C Thanh ghi trạng thái C 0D Thanh ghi trạng thái D 0E Byte trạng thái chuẩn đoán 0F Byte trạng thái shutdow 10 Byte loại trình điều khiển cho đĩa mềm, hai lựa chọn là trình điều khiển A và trình điều khiển B 11 Byte loại đĩa được định vị, ổ đĩa C Địa chỉ Miêu tả 12 Byte loại đĩa được định vị, ổ đĩa D 13 Dự trữ 14 Byte thiết bị 15 Byte thấp của bộ nhớ cơ sở 16 Byte cao của bộ nhớ cơ sở 17 Byte thấp của bộ nhớ mở rộng 18 Byte cao của bộ nhớ mở rộng 19-2D Dự trữ 2E-2F 2 Byte kiểm tra tổng cho CMOS 30 Byte thấp của bộ nhớ mở rộng hiện thời 31 Byte cao của bộ nhớ mở rộng hiện thời 32 Byte về thế kỷ (ngày) 33 Các cờ thông tin (thiết đặt trong quá trình nguồn bật) 34-7F Dành cho BIOS hệ thống Bảng 1.3 - Lược đồ RAM CMOS Thanh ghi Miêu tả 00h-10h Chuẩn AT (Advance Technology - kỹ thuật cải tiến) tương thích RCT và các định nghĩa dữ liệu thanh ghi trạng thái 11h-13h Biến đổi 14h Thiết lập về thiết bị: Bit 7-6 Số lượng trình điều khiển ổ mềm: 1 Drive 2 Drive Bit 5-4 Kiểu màn hình: Không CGA (Color Graphics Adapter -bộ thích ứng đồ hoạ màu) hoặc MDA (Monochrome Display Adapter -bộ thích ứng hiển thị đơn sắc) 2 drive: 80×25 và 40×25 CGA Thanh ghi Miêu tả 14h Bit 3 Cho phép hiển thị: 0 Không cho phép 1 Cho phép Bit 2 Cho phép bàn phím: Không cho phép 1 Cho phép Bit 1 Bộ đồng xử lý toán được cài đặt: Absent (không cài đặt) Present (cài đặt) Bit 0 Điều khiển ổ mềm được cài đặt: Disabled (không được cài đặt) 1 Enabled (được cài đặt) 15h Bộ nhớ cơ sở (trong 1 KB tăng thêm), Byte thấp 16h Bộ nhớ cơ sở (trong 1 KB tăng thêm), Byte cao 17h Vùng nhớ tương thích với máy tính IBM (trong 1 KB tăng thêm), Byte thấp 18h Vùng nhớ tương thích với máy tính IBM (trong 1 KB tăng thêm), Byte cao (lớn nhất 15 MB) 19h-2Dh Biến đổi 2Eh Tổng kiểm tra chuẩn RAM CMOS, Byte cao 2Fh Tổng kiểm tra chuẩn RAM CMOS, Byte thấp 30h Vùng nhớ mở rộng tương thích với máy tính IBM, Byte thấp (POST –Power On Sefl Test-Tự kiểm tra nguồn) trong KB tăng thêm 31h Vùng nhớ mở rộng tương thích máy tính IBM, Byte cao (POST) trong KB tăng thêm 32h Byte thế kỷ (lưu trữ về thế kỷ (một trăm năm)) 33h Được dự trữ, không dùng 34h Được dự trữ, không dùng 35h Byte thấp của bộ nhớ mở rộng (POST) trong 64 KB 36h Byte cao của bộ nhớ mở rộng (POST) trong 64 KB 37h-3Dh Biến đổi 3Eh Tổng kiểm tra CMOS mơ rộng, Byte thấp (bao gồm 34h-3Dh) Thanh ghi Miêu tả 3Fh Tổng kiểm tra CMOS mơ rộng, Byte cao (bao gồm 34h-3Dh) Mỗi thiết bị ngoại vi trong hệ thống được gán một tập các địa chỉ cổng I/O, nó trở thành mã căn cước của thiết bị. Tổng cộng có 1K không gian địa chỉ sẵn dùng. Bảng sau liệt kê các địa chỉ cổng vào ra (I/O) được sử dụng trong card CPU công nghiệp này. Bảng 1.4 - Địa chỉ các cổng vào ra Địa chỉ Miêu tả thiết bị 000h-01Fh Điểu khiển DMA #1 020h-03Fh Điều khiển ngắt #1 040h-05Fh Timer (định thời) 060h-06Fh Điểu khiển bàn phím 070h-07Fh Đồng hồ thời gian thực, NMI (Nonmaskable Interrupt) 080h-09Fh Thanh ghi trang DMA 0A0h-0BFh Điều khiển ngắt #2 0C0h-0DFh Điểu khiển DMA #2 0F0h Xoá tín hiệu bận đồng xử lý toán học 0F1h Khởi động lại việc đồng xử lý toán học 1F0h-1F7h Giao diện IDE 2E8h-2EFh Cổng nối tiếp #4 (COM 4) 2F8h-2FFh Cổng nối tiếp #2 (COM 2) 2B0h-2DFh Điều khiển bộ thích ứng đồ hoạ 378h-3FFh Cổng song song #1 (LPT1) 360-36Fh Cổng mạng 3B0h-3FFh Bộ điều hợp màn hình đơn sắc và bộ điều hợp máy in 3C0-3CFh Bộ thích ứng EGA (Enhanced Graphics Adapter) 3D0-3DFh Bộ thích ứng CGA (Color Graphics Adapter) 3F8h-3Efh Cổng nối tiếp #3 (COM 3) 3F0h-3F7h Điều khiển ổ mềm Địa chỉ Miêu tả thiết bị 3F8h-3FFh Cổng nối tiếp #1 (COM 1) Interrupt Request Lines (IRQ) Có tổng cộng 15 mức ngắt sẵn dùng trong Card CPU công nghiệp này. Thiết bị ngoại vi dùng các mức yêu cầu ngắt để thông báo cho CPU dịch vụ mà nó đòi hỏi . Bảng sau thể hiện các IRQ được sử dụng bởi các thiết bị trên Card CPU công nghiệp. Bảng 1.5 – Các chức năng ngắt Mức Chức năng IRQ0 Thời gian hệ thống output IRQ1 Bàn phím IRQ2 Ngắt theo đợt IRQ3 Cổng nối tiếp #2 IRQ4 Cổng nối tiếp #1 IRQ5 Dự trữ IRQ6 Điều khiển ổ mềm IRQ7 Cổng song song #1 IRQ8 Đồng hồ thời gian thực IRQ9 Dự trữ IRQ10 Ethernet (bus cục bộ) IRQ11 Dự trữ IRQ12 Chuột PS2 IRQ13 FPU IRQ14 IDE chính IRQ15 Dự trữ DMA Channel Map Hai thiết bị điều khiển DMA 8327A tương đưong nhau được cung cấp trên bo mạch của CPU PC/104. Mỗi bộ điều khiển là một thiết bị DMA bốn kênh, nó sẽ tạo ra các địa chỉ vùng nhớ và tín hiệu điều khiển cần thiết cho việc truyền thông tin một cách trực tiếp giữa một thiết bị ngoại vi và bộ nhớ. Điều này cho phép truyền thông với tốc độ cao mà ít phải có sự can thiệp của CPU (Central Processing Unit). Hai bộ điều khiển DMA được xếp tầng bên trong để cung cấp bốn kênh DMA cho việc truyền thông các thiết ngoại vi 8-bits (DMA1) và 3 kênh khác cho việc truyền thông các thiết bị ngoại vi 16-bit (DMA2). Kênh 0 DMA2 cung cấp liên kết nối tiếp giữa hai thiết bị DMA 8327A, do đó duy trì sự tương thích với chuẩn PC/AT IBM. Bảng 1.5 - Thông tin hệ thống của các kênh DMA DMA Controller1 DMA Controller2 Channel 0: Space (trống) Channel 4: Dành cho kết nối với bộ điều khiển 1 Channel 1: Dự trữ cho máy tính IBM (Synchronous Data Link Control - điều khiển liên kết dữ liệu đồng bộ) Channel 5: Trống Channel 2: Bộ điều hợp đĩa mềm Channel 6 :Trống Channel 3: Space Channel 7: Trống Các cổng nối tiếp (Serial Ports) Các ACE (Asynchronous Communication Elements ACE1 tới ACE4 – các phần tử truyền thông không đồng bộ) được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu từ song song sang định dạng nối tiếp ở phía bộ truyền và chuyển đổi ngược lại từ dạng nối tiếp sang định dạng song song ở phía bộ nhận. Việc truyền nhận tuân theo trình tự bên truyền và bên thu là một bit start, sau đó là 5 đến 8 bit dữ liệu, một parity bit (bit kiểm tra tính chẵn lẻ - nếu được lập trình), một bit stop, một nửa (chỉ với định dạng 5 bit dữ liệu) hoặc 2 bit stop. Các ACE có thể quản lý số chia từ 1 đến 65535 (16 bit), và tạo ra một xung 16x cho việc điều khiển logic truyền thông nội bộ. Các ACE còn bao gồm cả sự cung cấp việc sử dụng xung 16x trên để điều khiển logic nhận. Trong ACE, cũng bao gồm một khả năng điều khiển MODEM hoàn toàn, và một trình xử lý hệ thống ngắt có thể được biến đổi mềm (phần mềm) cho thời gian máy tính, được yêu cầu để quản lý kết nối truyền thông. Cụ thể về các thanh ghi có trong TL [1] nên trong bản báo cáo này ta không cần phải liệt kê đầy đủ. Bảng 1.6 - Bảng tóm tắt các thanh ghi truy nhập ACE DLAB Địa chỉ cổng Thanh ghi 0 Base + 0 Bộ đệm bên nhận (read) 0 Base + 1 Thanh ghi lưu giữ bộ truyền (write) X Base + 2 Cho phép ngắt X Base + 3 Mã nhận dạng ngắt DLAB Địa chỉ cổng Thanh ghi X Base + 4 Điều khiển dòng lệnh X Base + 5 Điều khiển Modem X Base + 6 Trạng thái đường truyền X Base + 7 Thanh ghi 1 Base + 0 Bộ chốt thực hiện phép chia (byte ít có nghĩa nhất) 1 Base + 1 Bộ chốt thực hiện phép chia (byte có ý nghĩa cao nhất) Ghi chú: DLAB-Divisor Latch Access Bit (mạch chốt bộ chia truy nhập theo bit) Receiver Buffer Register (RBF) – Thanh ghi bộ đệm của thiết bị nhận: Một Byte dữ liệu được nhận (chỉ đọc) Transmitter Holding Register (THR)-thanh ghi quản lý truyền dữ liệu: Một Byte kết nối việc truyền thông (chỉ ghi) Interrupt Enabled Register (IER) - Thanh ghi cho phép ngắt Bit 0: Cho phép ngắt sẵn có trong dữ liệu được nhận (ERBF) Bit 1: Cho phép ngắt đường truyền rỗng (ETHEI) Bit 2: Cho phép ngắt trạng thái đường nhận (ELSI) Bit 3: Cho phép ngắt trạng thái MODEM Bit 4: Phải là 0 Bit 5: Phải là 0 Bit 6: Phải là 0 Bit 7: Phải là 0 Cổng song song (Parallel Ports) Bảng sau cho ta địa chỉ của các thanh ghi cổng song song Bảng 1.7 - Địa chỉ các thanh ghi Địa chỉ cổng Đọc/Ghi Thanh ghi Base + 0 Ghi Đường dữ liệu ra Base + 1 Đọc Đường dữ liệu vào Base + 2 Đọc Bộ đệm trạng thái Base + 3 Ghi Bộ chốt điều khiển Giá trị cụ thể của các thanh ghi có thể tham khảo trong TL [1]. Tìm hiểu về lò điện trở Giới thiệu chung Lò điện trở ta xét có tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá. Xét về mặt điện, lò điện trở là một là một tải thuần trở. Lò điện trở sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V/50Hz, công suất cực đại của lò là 1200W. Xét về mặt điều khiển, lò điện trở là một khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền: Với các tham số K, T được xác định một cách gần đúng theo yêu càu công nghệ. Do điều kiện chưa cho phép nên ta chưa thể tiến hành nhận dạng đối tượng được. Tuy nhiên việc nhận dạng đối tượng không có gì khó khăn cả. Các phương pháp điều khiển lò điện trở Có rất nhiều phương pháp điều khiển lò điện trở, song phổ biến hiện nay có hai phương pháp là điều khiển dùng Rơle và điều khiển dùng Thyristor. Điều khiển dùng Rơle a, Sơ đồ nguyên lý Hình 2.1 – Sơ đồ điều khiển bằng Rơle b, Nguyên lý điều khiển Nguyên tắc của điều khiển dùng Rơle là điều khiển hai vị trí có trễ. Đối tượng là lò điện trở đặt trong môi trường nên luôn toả nhiệt ra môi trường xung quanh. Xét: DQ = Qc - Qt Tương ứng với DP = Pc - Pt Khi muốn tăng nhiệt độ ta tăng Qc, tức là tăng công suất cấp Pc cho lò lớn hơn Pt sao cho DQ > 0. (DP >0) Vậy điều khiển Rơle chính là điều khiển công suất trung bình của dòng điện cấp cho nguồn. Một cách trực quan ta có đồ thị quan hệ giữa sông suất và nhiệt độ theo thời gian sau: Dto t T/2 T 2T 0 t Pc to(oC) Hình 2.2 - Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ và công suất cấp Điều khiển Thyristor a, Sơ đồ nguyên lý Hình 2.3 – Sơ đồ điều khiển bằng Thyristor b, Nguyên lý điều khiển Khác với điều khiển dùng Rơle, điều khiển dùng Thyristor là điều khiển công suất cấp vào. Cũng từ công thức: DQ = Qc - Qt Tương ứng với DP = Pc - Pt Nếu như trong phương pháp điều khiển dùng Rơle, DP hoặc âm hoặc dương tuỳ theo việc ta ngắt hay đóng Rơle, thì trong phương pháp này ta điều khiển công suất cấp Pc sao cho DP = 0 khi hệ thống ổn định. Để điều khiển Pc ta điều khiển điện áp cấp vào lò. Muốn vậy ta cần tính toán được góc mở a của Thyristor. Dựa theo công thức tính giá trị trung bình của điện áp cấp cho tải R khi ta điểu chỉnh bằng Thyristor như sau: Với Vậy có thể nói điều khiển dùng Thyristor chính là điều khiển góc mở a của nó. Pc ~ Utb ~ a. Từ đó ta xác định góc mở van thích hợp để đạt được giá trị điện áp trung bình cấp cho tải. Đồ thị của phương pháp này như sau: 0 t G UT1 t a Hình 2.4 - Dạng điện áp ra điều khiển bằng Thyristor Kết luận Trong hai phương pháp trên, phương pháp nào cũng có những ưu nhược điểm của nó. Tuỳ theo yêu cầu của bài toán mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp. Đầu tiên, ta xét phương pháp điều khiển dùng Rơle Ưu điểm: Cấu tạo phần cứng đơn giản. Phần mềm tính toán không có gì khó, có thể dùng các mạch điều khiển analog mà không cần lập trình. Giá cả phải chăng. Nhược điểm: Độ trễ của Rơle ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển. Nếu ta đóng ngắt quá nhanh sẽ dẫn đến tình trạng Rơle không hoạt động, nếu đóng ngắt quá chậm thì sai lệch nhiệt độ sẽ lớn. Nhiệt độ luôn luôn không ổn định mà lúc nào cũng dao động trong một giới hạn Dt nhất định. Đường đặc tính điều khiển không trơn. Do vậy khó cho việc điều khiển các đối tượng có nhiệt độ theo một qui luật nhất định. Chịu ảnh hưởng của nhiễu như: nhiệt độ buồng đốt, nhiệt độ vật nung, nhiệt độ môi trường…sẽ ảnh hưởng đến nhiệt lượng toả Qt. Phương pháp điều khiển dùng Thyristor Ưu điểm: Chất lượng điều khiển tốt hơn phương pháp điều khiển dùng Rơle rất nhiều: Nhiệt độ lò ổn định. Có thể điều khiển nhiệt độ của đối tượng theo một đường cong bất kì với chất lượng tương đối tốt. Có sự cách li về điện. Nhược điểm: Phần mềm tính toán phức tạp hơn phương pháp kia. Do vậy đòi hỏi cấu hình phần cứng tương đối cao. Giá thành đắt hơn phương pháp điều khiển dùng Rơle. Từ các ưu-nhược điểm trên của hai phương pháp ta thấy nếu công việc yêu cầu độ chính xác cao, chất lượng tốt thì ta áp dung phương pháp hai. Còn nếu chất lượng vừa phải thì có thể dùng phương pháp một để tiếc kiệm chi phí. Thực tế trên thị trường hiện nay các mạch điều khiển dùng Rơle hiện rất phổ biến bởi tính phổ dụng của nó. Song, trong khuôn khổ đề tài được giao, chúng em sử dụng phương pháp điều khiển dùng Thyristor. Cấu tạo mạch điều khiển Cấu tạo mạch điều khiển lò điện trở Đặc tính của Thyristor Ta có đường đặc tính mở của Thyristor như sau: V A 0 Idt In Hình 3.1 - Đường đặc tính V – A của Thyristor Từ đó ta thấy để mở Thyristor thì phải cung cấp cho nó một dòng lớn hơn ngưỡng mở của nó trong khoảng thời gian nhỏ. Muốn vậy ta phải tạo ra các xung có độ dốc lớn để mở van. Tín hiệu điều khiển sẽ được đưa qua bộ vi phân rồi vào biến áp xung trước khi nối với đầu điều khiển của Thyristor. Sơ đồ mạch Để điều khiển việc đóng mở các Thyristor ta dùng các biến áp xung. Nguồn cung cấp cho các máy biến áp xung này là xung điều khiển qua bộ vi phân tạo thành các xung nhọn. Trong đó: Mạch vi phân gồm có: 1 tụ C. 1 điện trở. Một máy biến áp xung. Các điot xung 1A loại RU1. C828: transistor loại NPN. Mạch vi phân có tác dụng tạo xung nhọn từ xung chữ nhật đầu vào điều khiển. Xung nhọn này được khuếch đại và tạo sự đồng pha điều khiển 2 Thyristor bời một máy biến áp xung. Đầu ra thứ cáp của máy biến áp xung nối vào đầu vào điều khiển Thyristor. Hình 3.2 - Cấu tạo mạch mở Thyristor. Cấu tạo Card điều khiển trên PC/104 sử dụng rãnh ISA ISA là một chuẩn dùng để giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị khác qua một rãnh cắm 62 chân. Trong chuẩn ISA, đường dữ liệu là 8 bít, 20 bít địa chỉ. Chuẩn này được dùng rất phổ biến trong công nghiệp. PC/104- 587VL chỉ có rãnh cắm ISA. Các modul vào/ra đều được thiết kế theo một chuẩn nhất định. Kích thước của các modul này vừa bằng modul PC/104. Các modul được cắm vào rãnh ISA trên Mainboard PC/104 và có thể cắm chồng lên nhau. Trên Phòng thí nghiệm hiện có một Card điều khiển dùng cho chuẩn này. Card do Đài Loan sản xuất và điều khiển theo nguyên lý đóng/mở Rơle. Với yêu cầu điều khiển Thyristor, chúng em có hai phương án thiết kế Card điều khiển: sử dụng bộ định thời PIT-8254 hoặc dùng bộ biến đổi số/tương tự DAC0808 làm đầu ra điều khiển. Đầu vào phản hồi của cả hai phương án đều dùng bộ biến đổi tương tự/số ADC0804. Kích thước của card tương tự như card hiện có trên Phòng thí nghiệm. PC/104 PIT 8254 (DAC0808) ADC 0804 Các mạch giải mã địa chỉ và các đường dữ liệu, điều khiển. Đầu ra điều khiển Đầu vào phản hồi Phần Card điều khiển Hình 3.3 – Sơ đồ khối Card điều khiển Dùng PIT-8254 a, Sơ đồ nguyên lý Hình 3.4 – Sơ đồ mạch nguyên lý của Card điều khiển dùng PIT-8254 Các linh kiện gồm: Các IC giải mã địa chỉ: + 74LS688: Là vi mạch so sánh bằng 8 bít họ TTL gồm có 8 đầu vào (P0…P7) và 8 đầu đặt mức so sánh (Q0…Q7). Khi P = Q thì đầu ra 19 xuống mức thấp. + 7414: Là vi mạch gồm có 6 cổng NOT. + 74LS32: Là vi mạch gồm có 4 cổng OR hai đầu vào . Các IC trên được nối với các đường địa chỉ từ A2 đến A9 của PC/104 thông qua ránh chuẩn ISA có nhiệm vụ giải mã địa chỉ cho hai IC 8254 và ADC0804. Cụ thể, địa chỉ cơ sở của 8254 là 300h, trong đó địa chỉ của Timer0 là 300h, Timer1 là 301h, Timer2 là 302h, CWR là 303h; địa chỉ của ADC0804 là 304h. Bộ đếm 8254: Dùng để tạo tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển Thyristor. 8254 gồm có 3 timer hoạt động độc lập với nhau. Ở đây ta sử dụng cả 3 timer: Timer0 dùng để tạo xung có tần số thích hợp cung cấp cho các đầu vào Clock của hai timer còn lại; Timer1 và Timer2 dùng để tạo xung cần thiết để cung cấp tín hiệu điều khiển cho mạch điều khiển Thyristor. Bộ biến đổi Analog/Digital 8 bít ADC0804: Dùng để biến đổi tín hiệu đầu vào tương tự từ cặp nhiệt qua điện trở tử 0V…5V sang dạng số từ 0…255. IC khuếch đại thuật toán LM358: Gồm có hai bộ khuếch đại. Một bộ dùng để phát hiện sườn lên của tín hiệu điện áp nguồn cấp cho lò điện trở. Bộ còn lại dùng cho mạch ADC0804. Mạch tạo xung dùng tinh thể thạch anh và các chân NOT của 7414, có nhiệm vụ cung cấp xung Clock cho 8254 hoạt động. (a) (b) (c) (d) (f) (e) Hình 3.5 – Sơ đồ chân các linh kiện: (a)- mạch so sánh 8 bít 74LS688; (b)- mạch biến đổi tương tự/số ADC0804 (c)- mạch OR hai đầu vào 74LS32 (4 bộ); (d)- khuếch đại thuật toán LM358 (2 bộ) (e)- mạch NOT 7414 (6 bộ); (f)- bộ đếm PIT-8254 b, Nguyên lý hoạt động Nhiệt độ của lò được nhận biết bởi một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này biến đổi nhiệt độ lò từ Tmin đến Tmax sang dòng điện từ 4mA đến 20mA. Tín hiệu này được đưa vào máy tính thông qua bộ biến đổi tương tự/số ADC0804 cho ta giá trị số từ 0 dến 255. Từ đó ta xác dịnh được nhiệt độ tức thời của lò. Thuật toán điều khiển bằng phần mềm trong máy tính sẽ so sánh với giá trị đặt và xuất ra tín hiệu điều khiển thích hợp. Sau khi xử lí, máy tính sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển đến Thyristor thông qua bộ đếm 8254. Như đã nói ở trên, IC 8254 có 3 timer hoạt động độc lập với nhau. Timer0 có nhiệm vụ điều chế xung có tần số thích hợp từ nguồn xung bên ngoài để cung cấp cho hai timer còn lại. Timer1 có nhiệm vụ điều khiển một nửa chu kì mở van (điều khiển một Thyristor), Timer2 điều khiển nửa còn lại. Mỗi timer của PIT-8254 có 6 chế độ hoạt động: Chế độ 0 (Mode 0: Interrup on Terminal Count): tạo tín hiệu ngắt theo yêu cầu. Đầu ra Out sẽ phát ra một sườn xung lên khi kết thúc đếm (khi số đếm bằng 0). Chế độ 1 (Mode 1) (Programmable Monoflop): phát ra một xung đơn với thời gian tồn tại biến đổi được. Lối ra Out sẽ chuyển xuống mức thấp khi khởi phát đếm và duy trì cho đến khi kết thúc đếm thì sẽ nhảy lên mức cao. Chế độ 2 (Mode 2: Rate Generator): phát ra các sóng tỉ lệ. Các xung nhịp đưa vào bộ đếm được chia bởi giá trị nạp trong thanh ghi bộ đếm. Lối ra sẽ xuống mức thấp trong một chu kì khi số đếm đạt đến 0, sau đó được nâng lên mức cao trong một chu kì xung nhịp. Quá trình này cứ tiếp tục như vậymãi. Chế độ 3(Mode 3: Square-Ware Generator): phát ra sóng hình vuông. Chế độ này tương tự như chế độ 2 nhưng xung điện lối ra là sóng vuông khi giá trị đếm là chẵn hoặc thêm một chu kì ở mức cao khi giá trị đếm là lẻ. Chế độ 4 (Mode 4: Sortware-Triggered Pulse): tạo ra các xung bằng phần mềm. Chế độ này giống như chế độ 2 nhưng xung cửa Gate không khởi phát quá trình đếm mà quá trình đếm được khởi phát bằng lệnh nạp số đếm ban đầu. Chế độ 5 (Mode 5: Hardware-Triggered Pulse): tạo các xung bằng cổng Gate. Cũng giống như chế độ 2. Chỉ khác khi bộ đếm chưa kết thúc, nếu xung của xuất hiện những sườn lên thì cứ mỗi lần như vậy bộ đếm lại đếm lại từ giá trị ban đầu. Thông tin chi tiết về PIT-8254 được trình bày rất rõ ở [3]. Căn cứ vào yêu cầu của đề tài, ta chọn chế độ 3 cho Timer0, chế độ 1 cho Timer1 và Timer2. Cụ thể như sau: Timer0: Cổng Gate0 được nối với nguồn +5V để Timer0 luôn hoạt động, chân Clock0 nối với mạch phát xung bên ngoài. Theo yêu cầu công nghệ mà ta đưa ra số đếm thích hợp. Đầu ra Out0 được nối vào đầu Clock1 và Clock2 để làm xung nhịp cho hai timer còn lại. Timer1: Chân Clock1 lấy xung nhịp tử chân Out0, chân Gate1 nối với đầu ra của mạch phát xung đồng bộ với tần số của nguồn xoay chiều bên ngoài. Sau khi tính toán thời gian mở van (góc mở) của Thyristor, máy tính sẽ xuất số đếm ra Timer1, Out1 = 0. Đầu nửa chu kì đầu, Gate1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 và giữ nguyên cho đến hết nửa chu kì. Khi đó Timer1 bắt đầu hoạt động. Khi số đếm về 0 thì Out1 = 1 và giữ nguyên cho đến khi Gate1 xuất hiện sườn lên (đến đầu chu kì sau). Sơ đồ cụ thể như sau: T/2 T 2T 0 t t Gate1 Out1 UT1 t a Hình 3.6 - Giản đồ xung điều khiển T1 Timer2: Chân lấy xung nhịp tử chân Out0, chân Gate2 nối với đầu đảo của Gate1. Sau khi tính toán thời gian mở van (góc mở) của Thyristor, máy tính sẽ xuất số đếm ra Timer2, Out2 = 0. Đầu nửa chu kì sau, Gate2 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 và giữ nguyên cho đến hết nửa chu kì. Khi đó Timer2 bắt đầu hoạt động. Khi số đếm về 0 thì Out2 = 1 và giữ nguyên cho đến khi Gate2 xuất hiện sườn lên (sau một chu kì). Sơ đồ cụ thể như sau: T 2T T/2 t t Gate2 Out2 UT2 t T/2 a Hình 3.7 - Giản đồ xung điều khiển T2 Tuy nhiên, như trên đã thấy, trong nửa chi kì đầu Timer1 hoạt động, Timer2 luôn có Out2 = 1 và ngược lại. Muốn tạo được xung ra theo ý muốn ta phải cho hai đầu Out1 và Out2 qua một bộ AND. Đầu ra của bộ AND này mới là xung điều khiển cuối cùng. Hình 3.8 - Đầu ra của mạch điều khiển Cuối cùng ta được xung có dạng sau: T/2 T 0 t t Gate2 Out1 Out2 t a Out 2T T1 T2 T1 T2 UR T1 T2 T1 T2 Gate1 Hình 3.9 - Giản đồ toàn bộ quá trình điều khiển dùng PIT8254 Dùng DAC0808 a, Sơ đồ nguyên lí Nguyên lý hoạt động của mạch này không khác mạch dùng PIT8254 lắm. Đầu vào phản hồi không đổi. Chỉ có đầu ra điều khiển ta thay PIT8254 bằng DAC0808. Đây là một mạch biến đổi số/tương tự phổ biến. (a) ( b) Hình 3.10 – Sơ đồ chân vi mạch 74LS373 (a) và DAC0808 (b) Trên sơ đồ nguyên lí, ta chỉ việc thay PIT8254 bằng bộ đệm dữ liệu 74LS373 và DAC0808 như sau: Hình 3.11 – Sơ đồ mạch nguyên lý của Card điều khiển dùng DAC0808 b, Nguyên lý hoạt động Phần phản hồi không có gì khác mạch dùng PIT8254. Ở đây có sự khác biệt về thuật toán điều khiển. Sau khi nhận giá trị phản hồi, phần mềm điều khiển sẽ so sánh với giá trị đặt và tính toán thời gian mở van sau đó xuất tín hiệu điều khiển ra DAC0808. Cái khác biệt chính ở đây là nếu như tín hiệu điều khiển ở mạch trên đưa ra số đếm đến các timer của 8254 thì tín hiệu điều khiển ở đây tỉ lệ nghịch với góc (thời gian) mở van. Sau khi qua DAC0808 là tín hiệu tương tự có giá trị điện áp từ 0…5V. Tín hiệu này được đưa qua bộ so sánh với xung răng cưa có chu kì bằng ½ chu kì của điện áp xuay chiều nguồn được tạo bởi mạch: Hình 3.12 – Sơ đồ mạch so sánh tín hiệu điện áp điều khiển Từ đây ta có đầu ra đến điều khiển Thyristor. Giản đồ xung như sau: T/2 T 0 t t /Square-ware Out1 t a Out 2T T1 T2 T1 T2 UR T1 T2 T1 T2 U~ Square-ware Sin-ware Out2 Hình 3.13 - Giản đồ toàn bộ quá trình điều khiển dùng DAC0808 Đánh giá, lựa chọn phương án Hai phương án trên đều có những ưu nhược điểm của nó. Phương án một đơn giản phần cứng thì lại phức tạp phần mềm. Phương án hai thì ngược lại. Vì lí do phương án hai đã được ứng dụng nhiều và rất thành công nên chúng em dùng phương án mới để thử sức mình. Có thể sẽ gặp phải rất nhiểu khó khăn, đặc biệt là vấn đề điều khiển thời gian thực trên nền Window. Song với sự hướng dẫn của thầy và Phòng thí nghiệm trọng điểm Tự Động Hoá (nơi chúng em đang thực tập), cụ thể là Thạc sĩ Phạm Quang Đăng, cùng với sự cố gắng không ngừng của bản thân, chúng em tin là sẽ thành công. Dù vậy, kết quả có thế nào đi nữa thì qua đó, chúng em sẽ đánh giá được những ưu nhược điểm chính của PC/104. Từ đó biết được những đối tượng nào, yêu cầu ra sao thì ta có thể điều khiển được bằng PC/104. Đó mới chính là cái quan trọng. Những việc đã làm được Trong thời gian thực tập ở Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá, được sự hướng dẫn tận tình của anh Phạm Quang Đăng và các thầy, các anh chị, chúng em đã làm được một số việc sau: Tìm hiểu, lắp ráp thành công máy tính PC/104. Khảo sát một đối tượng điều khiển là lò điện trở. Tiến hành thiết kế mạch phần cứng của Card điều khiển lò điện trở. Nghiên cứu thư viện lập trình FMOL++. Cụ thể như sau: Tìm hiểu, lắp ráp máy tính PC/104 Chúng em đã làm xong hộp chứa Mainboard và các thiết bị khác. Vì lí do Phòng thí nghiệm chưa có RAM, ổ cứng, ổ mềm, ổ CDROM nên chúng em chưa thể cài đặt Hệ điều hành Window2000 (WinNT) và các phần mềm điều khiển lên được. Vậy công việc chỉ dừng lại ở việc lắp ráp mà thôi. Khảo sát lò điện trở Lò điện trở đặt tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sản xuất bởi Lab-Line Instruments. Inc. Các thông số cơ bản của lò: Điện áp: ~ 220 ÷ 240V, tần số 50/60Hz. Dòng điện: 5A. Công suất: 1200W. Thiết kế phần cứng cho Card điều khiển lò điện trở Toàn bộ phần cứng của Card điều khiển như trình bày ở phần 3.2.1 đã thiết kế xong. Hiện nay chúng em đang chờ Phòng thí nghiệm làm mạch in xong thì sẽ tiến hành lắp linh kiện và chạy thử. Nghiên cứu thư viện lập trình FMOL++ Fmol++ là tên viết tắt của Fundamental Mathematical Object Library. Đây là một thư viện phần mềm tính toán điều khiển viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ của tác giả Hoàng Minh Sơn - Bộ môn Điều khiển tự động - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong thư viện có chứa các công cụ toán học mạnh để ta có thể tính toán xử lí các bài toán điều khiển phức tạp. Đề phục vụ cho các bài toán điều khiển, Fmol++ còn cung cấp cho ta một timer với mức độ ưu tiên cao nhất. Đặc biệt, thư viện thích hợp cho những ai vốn đã làm việc quen thuộc trên các phần mềm tính toán như Matlab. Mặc dầu vậy vẫn có những điểm khác biệt như: Ma trận, vector, đa thức, phân số đều được xây dựng với cấu trúc tổng quát (các khuôn mẫu lớp), có tính khả chuyển cao, có khả năng tự quản lý bộ nhớ. Ngoài ra thư viện còn xây dựng các hàm truy nhập từng phần tử, truy nhập một số phần tử trong ma trận, trong vector, trong đa thức, truy nhập vector hàng, vector cột trong ma trận làm tăng đáng kể hiệu năng tính toán. Các phép tính số học cơ bản như +, - , x, ÷, … trong Fmol++ phải được thực hiện theo đúng qui định về kiểu dữ liệu. Trong thư viện có định nghĩa các khuôn hình lớp, các khuôn hình hàm thích hợp cho các ứng dụng cụ thể (tính năng mở của thư viện). Fmol++ là thư viện lập trình trên máy tính, được xây dựng với mã sử dụng lại thuận tiện và là giải pháp kinh tế cho các bài toán điều khiển sử dụng lại mã do pham vi và bản quyền của các phần mềm chuyên dụng như Matlab, Matrix. Những khác biệt trên làm cho Fmol++ chặt chẽ hơn các phần mềm khác rất nhiều lần. Đây chính là một điểm mạnh của nó. Vì vậy, đối với các bài toán điều khiển mà độ chính xác của nó yêu cầu cao thì Fmol++ là một sự lựa chọn thích hợp. Phụ lục: Sơ đồ mạch nguyên lý Card điều khiển Tài liệu tham khảo [1] PC/104 User’s Manual: Website: http:// www.nagasaki.com.tw. [2] Bài tập lớn Hệ thống điều khiển số: Nguyễn Mậu Phương ĐKTĐ1-K44-ĐHBK, 6/2003. [3] Kĩ thuật Vi xử lí: Văn Thế Minh – NXB Giáo dục, 1997. [4] Đo lường và điều khiển bằng máy tính: Ngô Diên Tập -NXB Khoa học và Kĩ thuật, 1999. [5] Nguyên lý phần cứng và kĩ thuật ghép nối máy vi tính: Trần Quang Vinh-NXB Giáo dục, 1997. [6] Fundamental Mathematical Object Library: Hoàng Minh Sơn.. Mục lục Lời nói đầu…………………………..……………………………..……………2 Mục lục…………….………………………………………………..…………..4 Giới thiệu về PC/104………………...………..……………………..……...5 Sơ lược về cấu trúc PC/104………..…….………………………..…...5 Cài đặt phần cứng………………….….……………………………....5 Thiết lập hệ thống vào ra cơ sở……….………………………………6 Các thiết lập cơ sở…………..……………………………………...….6 Cài đặt ngoại vi……………..………………………………………...10 Chức năng Watchdog-Timer…………..…………………………….12 Tìm hiều lò điện trở…………………………..………...…………….........21 Giới thiệu chung…...………………………………………………....21 Các phương pháp điều khiển lò điện trở……………...…………....21 Điều khiển dùng Rơle……………….……………………………......21 Sơ đồ nguyên lý…………..……………………………….....21 Nguyên lý điều khiển…….…………….………………….....21 Điều khiển Thyristor…..…………………..……………………...….22 Sơ đồ nguyên lý………………..…………………………….22 Nguyên lí điều khiển……………….………………………..22 Kết luận……………..….…………………………………………..…24 Cấu tạo mạch điều khiển……………………………….………………….25 Cấu tạo mạch điều khiển lò điện trở……….……...……………..…25 Đặc tính của Thyristor……..…..…………………………………….25 Sơ đồ mạch…………………………..…………………………….....25 Cấu tạo Card điều khiển trên PC/104 sử dụng rãnh ISA……....….26 Dùng PIT8254…….....…………………………………………...…..27 Sơ đồ nguyên lý………..…………………………………….27 Nguyên lý hoạt động………….……………………………..29 Dùng DAC0808……..…………………………………………..……32 Sơ đồ nguyên lý………………..………………………….....32 Nguyên lý hoạt động……………….……………….……….32 Đánh giá, lựa chọn phương án……….………….…………..………34 Những việc đã làm được…………………………………..………..……...35 Tìm hiểu, lắp ráp máy PC/104…….……………………………..….35 Khảo sát lò điện trở…………….……….…………………..………..35 Thiết kế phần cứng cho Card điều khiển lò điện trở………………35 Nghiên cứu thư viện lập trình toán học Fmol++……….…….....….35 Tài liệu tham khảo……,……………………………….………………………37