Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển

iển và xử lý tín hiệu trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển rađa tên lửa, thay thế cho các module chức năng của hệ vi xử lý PC/104 phải nhập ngoại. Module DAS thiết kế mới có 4 cấu hình cho phép người sử dụng lựa chọn: - Cấu hình 1 : 16 kênh đầu vào ADC 12 bit, 8 bit DI, 8 bit DO, cổng điều khiển truyền thông không đồng bộ UART. - Cấu hình 2 : 14 kênh đầu vào ADC 12 bit, 2 kênh DAC 8 bit, 8 bit DI, 8 bit DO, cổng điều khiển truyền thông không đồng bộ UART. - Cấu hình 3 : 8 bộ Timer/Counter 16 bit. - Cấu hình 4 : Các bộ điều khiển truyền thông (truyền/nhận dữ liệu) nối tiếp. Thành phần chức năng Module được thiết kế giao diện với hệ thống bus ISA của hệ vi xử lý PC/104. Module thu thập dữ liệu DAS thiết kế với 4 cấu hình khác nhau nhưng chúng đều có chung cấu trúc phần cứng. Mỗi cấu hình chỉ khác nhau về thiết lập cấu hình và chương trình trình điều khiển cho vi mạch điều khiển PSoC CY8C27643 và chức năng, địa chỉ của các thanh ghi được xây dựng trên chip FPGA EPF8282ALC-4. Sơ đồ nguyên lý phần cứng được mô tả trên hình 1. Address bus Data bus RD WR Address bus 50-pin connectors ADC data DI / DO DA outputs AD inputs PC/104 BUS FPGA EPF8282ALC-84 PSoC 2X CY8C27643 BUFFER Decode Select Config - Sơ đồ nguyên lý phần cứng module DAS PC/104 73 Thành phần chức năng và cấu trúc phần cứng của module DAS bao gồm : - Khối giải mã địa chỉ. - Khối các thanh ghi đọc/viết. - Khối đệm dữ liệu vào/ra. - Khối điều khiển các tín hiệu vào/ra số. - Khối thiết lập cấu hình. - Khối cổng truyền thông UART. Khối giải mã địa chỉ (Address Decode) Thành phần chức năng của khối giải mã địa chỉ bao gồm khối giải mã địa chỉ cơ sở và khối giải mã địa chỉ các thanh ghi vào/ra. Khối giải mã địa chỉ cơ sở bao gồm bộ thiết lập địa chỉ cơ sở cho module trên SW8 và vi mạch giải mã địa chỉ 74LS682. Khối các thanh ghi đọc/viết Hệ thống các thanh ghi được xây dựng trên chip EPF8282ALC-4 có chức năng đệm, chốt dữ liệu và các tín hiệu điều khiển module. Tuỳ theo mỗi cấu hình, hệ thống các thanh ghi sẽ được sử dụng hoạt động theo các nguyên lý khác nhau. Mỗi thanh ghi được thiết kế với độ rộng 8 bit. Các thanh ghi đọc được xây dựng trên cơ sở các bộ đệm dữ liệu 8 bit. Các thanh ghi viết được xây dựng trên các bộ chốt dữ liệu. Các thanh ghi chỉ đọc R0, R1 được định nghĩa là các thanh ghi dữ liệu, dùng để đọc trạng thái chế độ làm việc và dữ liệu của các bộ biến đổi ADC trong các cấu hình 1 và 2. Thanh ghi R2 định nghĩa là thanh ghi trạng thái, dùng để đọc trạng thái hoạt động của các bộ biến đổi ADC. Thanh ghi R7 là thanh ghi 8 bit dữ liệu vào số. Đầu ra các thanh ghi đọc được nối vào chung bus dữ liệu, qua bộ đệm dữ liệu để đọc vào bus dữ liệu PC/104. Các thanh ghi viết được xây dựng trên các bộ chốt dữ liệu, có chức năng đưa các tín hiệu điều khiển, dữ liệu đến từ bus dữ liệu PC/104 tới chip PSoC-1 và PSoC-2. Các tín hiệu này sẽ điều khiển và nạp dữ liệu cho các khối chức năng xây dựng trên các chip CY8C27643. Khối đệm dữ liệu vào/ra (BUFFER) Chức năng của bộ đệm dữ liệu vào/ra là điều khiển đệm dữ liệu vào/ra với bus dữ liệu của hệ vi xử lý PC/104. Tùy theo lệnh đọc (RD) hay ghi (WR) dữ liệu từ PC/104 với các thanh ghi của module, khối tạo tín hiệu điều khiển sẽ tạo ra tín hiệu DK với mức tích cực thấp, kết hợp với lệnh RD, sẽ cho phép vi mạch 74LS245 làm việc, điều khiển và đệm dữ liệu vào hay ra. Bộ đệm dữ liệu vào ra được xây dựng trên vi mạch 74HC245. Điều khiển luồng dữ liệu vào/ra bằng tín hiệu RD của bus PC/104 và tín hiệu điều khiển được tạo ra từ chip EPF8282ALC-4. Khi có lệnh đọc dữ liệu (inport) từ một thanh ghi, địa chỉ thanh ghi đó sẽ được giải mã đưa tới cho phép bộ đệm tương ứng, dữ liệu đầu vào bộ đệm thanh 74 ghi được đưa vào bus chung của bộ đệm dữ liệu. Đồng thời tín hiệu DK=0 được đưa tới cho phép bộ đệm làm việc. Lệnh RD=0 (tạo ra bởi lệnh đọc) được đưa tới điều khiển cho phép đọc dữ liệu vào bus PC/104. Khi có lệnh viết dữ liệu (outport) vào một thanh ghi, tín hiệu DK=0 được tạo ra cho phép bộ đệm làm việc, tín hiệu RD=1 cho phép dữ liệu đi từ bus PC/104 vào bus chung. Địa chỉ thanh ghi sẽ được giải mã đưa tới cho phép bộ chốt dữ liệu tương ứng để chốt dữ liệu. Khối vào/ra dữ liệu số Khối vào/ra dữ liệu số được thiết kế hai đường bus 8 bit số vào (IP) và 8 bit số ra (OP). Bus 8 bit IP và 8 bit OP được đệm trên hai thanh ghi xây dựng trên vi mạch EPF8282ALC-4 có địa chỉ BaseAddr+7. Nguyên tắc làm việc của khối vào/ra dữ liệu số như sau : Khi có lệnh viết dữ liệu ra từ CPU của hệ vi xử lý PC/104 : outport(BaseAddr+7,A); trong đó : BaseAddr+7 là địa chỉ thanh ghi W7. A là giá trị cần ghi ra. Dữ liệu A có độ dài 8 bit từ bus PC/104 được đưa tới bộ đệm bus 74LS245, tới bộ đệm bus LS245 khi đó có tín hiệu RD ở mức cao, cho phép điều khiển đưa dữ liệu A tới thanh ghi W7. Đồng thời mạch giải mã địa chỉ thanh ghi tạo ra tín hiệu W7 với mức thấp đưa tới thanh ghi W7 để điều khiển đưa dữ liệu A ra ngoài qua JP1. Khi có lệnh đọc dữ liệu vào từ CPU của hệ vi xử lý PC/104 : inport(BaseAddr+7); thì mạch giải mã địa chỉ thanh ghi sẽ tạo tín hiệu R7 với mức thấp cho phép thanh ghi R7 đệm dữ liệu lấy vào từ ngoài qua JP1 và đưa tới bộ đệm bus 74LS245. Cho phép dữ liệu qua bộ đệm tới bus dữ liệu của PC/104. Khối Truyền nhận dữ liệu nối tiếp Tx và Rx Được xây dựng trên vi mạch PSoC-1 thực hiện giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác theo chuẩn bus UART. Các module Tx và Rx là các module truyền thông không đồng bộ 8 bit giao tiếp trên hai đường Rx và Tx. Kiểu dữ liệu truyền/nhận có cấu trúc như sau: Start Data Data Data Data Data Data Data Parity Stop b. Các cấu hình có thể lựa chọn Cho phép người sử dụng thiết lập các tín hiệu điều khiển cho phép lựa chọn các cấu hình khác nhau. Hai tín hiệu điều khiển Prog1 và Prog2 thiết lập 75 trên J_Prg được đưa đến các chip PSoC nhận biết, tuỳ thuộc vào giá trị của hai tín hiệu điều khiển này, các chip PSoC sẽ tự động thay đổi theo cấu hình phù hợp. Tùy theo mỗi cấu hình, module thu thập dữ liệu DAS sẽ có nguyên lý và nguyên tắc hoạt động khác nhau. Với cùng một phần cứng chung nhưng các chương trình điều khiển viết cho các chip ASIC và PSoC sẽ khác nhau tương ứng cho mỗi cấu hình. Việc lựa chọn cấu hình được thực hiện trên jump J_Prog. Bằng hai tín hiệu Prog1 và Prog2 thiết lập trên J_Prog sẽ cho ta lựa chọn 1 trong 4 cấu hình : Cấu hình Prog2 Prog1 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 0 1 Hai bit điều khiển cho phép lựa chọn cấu hình Prog1 và Prog2 được đưa tới 2 chip PSoC CY8C27643 PS1 và PS2. Với khả năng tự động thay đổi cấu hình (Dynamic reconfig) của chip PSoC, chương trình điều khiển sẽ tự động lựa chọn cấu hình phần cứng cho chip PSoC tương ứng với cấu hình được lựa chọn, đồng thời sẽ tạo ra các tín hiệu điều khiển chip EPF8282ALC-4 hoạt động theo đúng cấu hình đó. Vì mỗi cấu hình có chức năng khác nhau nên các chip PSoC ngoài việc có cấu hình phần cứng khác nhau, chúng cũng có chương trình phần mềm điều khiển riêng đối với mỗi cấu hình cụ thể. Cấu hình 1 : Bài toán đặt ra đối với cấu hình này là thiết kế một module có chức năng thu thập 16 kênh tín hiệu tương tự đầu vào, thực hiện biến đổi ADC với độ phân giải 12 bit, có 8 đường tín hiệu vào số IP, 8 đường tín hiệu ra số OP, cổng truyền thông không đồng bộ UART. 76 Sơ đồ khối của module với cấu hình này được trình bày trên hình 1 Trong cấu hình 1 của mỗi chip PSoC bao gồm 2 bộ dồn kênh AMUX4, 2 bộ điều khiển hệ số khuếch đại PGA và 2 bộ biến đổi ADC 12 bit. Riêng trong cấu hình 1 của chip PS1 có thiết kế khối cổng truyền thông UART. Cấu hình 2 : Cấu hình 2 được thiết kế có các chức năng sau : - 14 kênh đầu vào ADC, độ phân giải 12 bit. - 2 kênh DAC. - 8 bit DI, 8 bit DO. - Cổng truyền thông UART. 16 Analog Input PC/104 BUS MUX & PGA 12 bits A/D Converter Control & Status Regs Data Regs Buffer Address Decode UART Ports 8DI & 8DO - Sơ đồ khối module thu thập dữ liệu cấu hình 1 77 Thành phần cấu tạo của cấu hình này được biểu diễn trên hình: Khối dồn kênh MUX : Gồm 4 bộ dồn kênh xây dựng trên 2 chip PoPSC CY8C27643 : - AMUX1 và AMUX2 nằm trên chip PS1 thực hiện dồn các kênh AD0 đến AD3 và AD4 đến AD7. - AMUX3 và AMUX4 nằm trên chip PS2 thực hiện dồn các kênh AD8 đến AD11 và AD12, AD13. Cấu hình 3 : Cấu hình 3 có các chức năng sau : - 8 bộ đếm Counter/Timer chia làm hai cặp, mỗi cặp bốn bộ Counter/Timer mắc nối tiếp với nguồn clock cho các khối đầu tiên là 48MHz. Mỗi cặp bốn bộ Counter/Timer được xây dựng trên một chip. 14 Analog Input PC/104 BUS MUX & PGA 12 bits A/D Converter Control & Status Regs Data Regs Buffer Address decode UART Ports - Sơ đồ khối module thu thập dữ liệu cấu hình 2 DAC 8DI & 8DO 78 - 8 bit DI, 8 bit DO. Thành phần cấu tạo của cấu hình này được biểu diễn trên hình sau: Trong cấu hình này, trong chip PS1 xây dựng 4 bộ đếm Counter 16 bit với các tham số sau: Counter1 : Vị trí = Xây dựng trên các block DBB00 và DBB01 Clock = Row_0_Output_0 Enable = High CompareType = Compare Less Than InterruptType = Terminal Count ClockSync = Unsynchronized Output = Row_0_Output_0 -> GlobalOutEven_0 -> P0[0] Outputs PC/104 BUS 4 bộ Counter/Timer 16 bit Control & Status Regs Data Regs Bufer Address decode I2C & UART Ports 8DI & 8DO - Sơ đồ khối module thu thập dữ liệu cấu hình 2 DAC 79 Counter2 : Vị trí = Xây dựng trên các block DCB02 và DCB03 Clock = SysClk*2 (48MHz) Enable = High CompareType = Compare Less Than InterruptType = Terminal Count ClockSync = Unsynchronized Output = Row_0_Output_1 -> GlobalOutEven_1 -> P0[1] DCB03 -> Row_0_Braodcast -> Row_1_Broadcast. Counter3 : Vị trí = Xây dựng trên các block DBB10 và DBB11 Clock = Row_1_Broadcast Enable = High CompareType = Compare Less Than InterruptType = Terminal Count ClockSync = Unsynchronized Output = Row_1_Output_0 -> GlobalOutEven_4 -> P0[4] Counter4 : Vị trí = Xây dựng trên các block DBB10 và DBB11 Clock = Row_1_Output_0 Enable = High CompareType = Compare Less Than InterruptType = Terminal Count ClockSync = Unsynchronized Output = Row_1_Output_1 -> GlobalOutEven_5 -> P0[5] Các tham số Period và CompareValue của các bộ đếm được chương trình điều khiển nhận vào từ các thanh ghi. Việc thiết kế các bộ đếm với cấu hình như trên, ta có được 4 bộ đếm có khả năng lập trình mắc nối tiếp nhau với tín hiệu clock chuẩn cho bộ đếm thứ nhất là 48MHz. Với cấu hình này, module có khả năng tạo ra 4 tín hiệu đầu ra tương ứng với các đầu ra của từng bộ đếm. 80 Cấu hình 4 : Cấu hình 4 có các chức năng sau : - 4 bộ truyền dữ liệu nối tiếp Tx1, Tx2, Tx3, Tx4. - 4 bộ nhận dữ liệu nối tiếp Rx1, Rx2, Rx3, Rx4. Các bộ Tx1, Tx2, Rx1 và Rx2 được xây dựng trên chip PS1. Các bộ Tx3, Tx4, Rx3, Rx4 được xây dựng trên chip PS2. Các bộ CLK1 và CLK2 đóng vai trò tạo tín hiệu clock cho các bộ Tx1, Rx1 và Tx2, Rx2. Bằng việc lập trình quá trình nạp tham số cho các bộ đếm CLK1 và CLK2 ta có thể điều khiển được tần số truyền/ nhận dữ liệu của các bộ truyền/nhận Tx và Rx. Các bộ truyền/nhận dữ liệu nối tiếp thiết kế trong cấu hình này có thể điều khiển thay đổi tốc độ truyền/nhận dữ liệu với các tốc độ 38400, 19200, 9600 và 4800 baud. Đồng thời có thể điều khiển được kiểu dữ liệu truyền (các tham số odd, even, parity). 81 Sơ đồ mạch in của module thu thập dữ liệu PC/104: mặt trên Sơ đồ mạch in của module thu thập dữ liệu PC/104: mặt dưới 82 Module thu thập dữ liệu có khả năng tái cấu hình của đề tài đã được ứng dụng nhiều trong quân sự và là module PC/104 có khả năng tái cấu hình đầu tiên trên thế giới. Sản phẩm này cũng đã được Hội đồng khoa học của Viện kỹ thuật quân sự phòng không không quân đánh giá đạt chất lượng tốt. 2.3.2.4 Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình Khái quát về bộ lọc α-β Bộ lọc α-β của đề tài thiết kế chế tạo được mô tả bằng phương trình ma trận sai phân sau : ( ) ( ) ( ) , z/ α xˆ xˆ β1/ Tα1α1 xˆ xˆ k 11/kk 11/kk k/k k/k ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −− −−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −− −− TT ββ && (1) Nếu không tính đến tất cả các yêu tố yêu cầu về đánh giá tối ưu ở chế độ quá trình quá độ mà chỉ xét ở chế độ xác lập khi đó hệ phương trình thuật lọc α- β viết cho hệ rời rạc (1) tương ứng với hệ liên tục tuyến tính có dạng : Module DAS-PC/104 83 )2( )ˆ(xˆ )ˆ(xˆxˆ 112 1121 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −= −+= xy xy α β & & Trong đó các tham số không đổi α và β được chọn sao cho bảo đảm đạt được hệ số lọc tạp âm và đồng thời duy trì được tốc độ phản ứng cần thiết đối với những chuyển động không mong muốn của đối tượng bám sát. Các sai số của thiết bị bám α-β ở chế độ xác lập được quy định bằng tín hiệu tạp và tín hiệu tiền định. Phân tích chi tiết đã chỉ ra rằng những ảnh hưởng của tạp đo có thể được giảm bằng cách lựa chọn các giá trị của hệ số α và β nhỏ. Mặt khác, để giảm các sai số tiền định thì những giá trị của các hệ số α và β cần phải đạt lớn. Trong các hệ thống thực, các tín hiệu đưa tới đầu vào được biểu diễn bằng tổng các hàm tiền định phụ thuộc vào thời gian và các quá trình tạp. Tín hiệu tương ứng trên đầu ra của thiết bị bám có sai số, với giá trị trung bình (nhỏ) của nó được xác định trên cơ sở thành phần tín hiệu tiền định đầu vào, còn phương sai được xác định bằng chất lượng lọc hay là mức độ khuếch đại của thành phần tạp. Như vậy để thoả mãn những yêu cầu trái ngược nhau đảm bảo là phẳng tốt nhất tín hiệu tạp (bộ lọc tinh, phản ứng chậm của hệ thống, thời gian tĩnh lớn hay dải tần số hẹp) và theo dõi chính xác cơ động của mục tiêu hay khả năng phản ứng tức thời (bộ lọc thô, phản ứng nhanh của hệ thống, thời gian tĩnh nhỏ hay dải tần số rộng) ta phải lựa chọn các tiêu chuẩn thỏa hiệp. Có nghĩa là đối với mỗi cặp giá trị của tham số α, β việc làm phẳng tín hiệu tạp cần phải lớn nhất tương ứng với tốc độ phản ứng của hệ thống cho trước và ngược lại. Các tham số α, β nằm trong vùng α từ 0÷1, β từ 0÷2 được coi là tối ưu đối với thiết bị bám α - β khi phải thoả mãn hai yêu cầu trái ngược nêu trên a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình Module được thiết kế giao diện với hệ thống bus ISA của hệ PC/104. Module FILTER được thiết kế cho 4 cấu hình khác nhau nhưng chúng đều có chung cấu trúc phần cứng. Mỗi cấu hình chỉ khác nhau về thiết lập cấu hình và chương trình trình điều khiển cho vi mạch điều khiển PSoC CY8C27643 và chức năng, địa chỉ của các thanh ghi được xây dựng trên chip EPF10KALC-84. Thành phần chức năng và cấu trúc phần cứng của module FILTER bao gồm : - Khối giải mã địa chỉ. - Khối các thanh ghi đọc. - Khối các thanh ghi viết. - Khối đệm dữ liệu vào/ra. - Khối lựa chọn chương trình. - Khối biến đổi số liệu. - Khối thực hiện thuật lọc α-β. 84 Sơ đồ cấu trúc phần cứng của module Filter được mô tả như trên hình sau: Khối giải mã địa chỉ (Address Decode) Khối giải mã địa chỉ có chức năng thực hiện việc thiết lập địa chỉ cơ sở cho module và giải mã địa chỉ các thanh ghi đọc và thanh ghi viết sử dụng trong các chương trình lọc số liệu khác nhau. Thành phần chức năng của khối giải mã địa chỉ bao gồm khối giải mã địa chỉ cơ sở và khối giải mã địa chỉ các thanh ghi đọc/viết. Khối giải mã địa chỉ cơ sở bao gồm bộ thiết lập địa chỉ cơ sở cho module trên switch DIP8 SW1 và vi mạch giải mã địa chỉ 74LS682. Khối giải mã các thanh ghi đọc/viết được thiết kế trong vi mạch EPF10K10LC84-3. Khối các thanh ghi đọc/viết Hệ thống các thanh ghi được xây dựng trên chip EPF10K10LC84-3 có chức năng như các bộ đệm và chốt dữ liệu vào/ra. Các thanh ghi đọc thực hiện đệm dữ liệu đầu vào hoặc các tín hiệu trạng thái. Các thanh ghi viết thực hiện chức năng chốt dữ liệu ra hoặc các tín hiệu điều khiển quá trình hoạt động của module. Tuỳ theo mỗi chương trình, hệ thống các thanh ghi sẽ được sử dụng hoạt động theo các nguyên lý khác nhau. Mỗi thanh ghi được đọc hoặc viết thiết kế với độ rộng 8 bit. 50-pin connector 50-pin connectors Address bus Data bus RD WR Address bus Data PC/104 BUS FPGA EPF10K10LC84-3 PSoC CY8C27643 BUFFER Decode Select Config - Sơ đồ cấu trúc phần cứng module FILTER Data BUFFER BUFF ER 85 Trong module Filter sử dụng 3 thanh ghi đọc R0, R2, R4 và 3 thanh ghi viết W0, W2, W4. Các thanh ghi đọc R0, R2 được định nghĩa là các thanh ghi đọc dữ liệu, dùng để đọc 16 bit dữ liệu vào module. Dữ liệu vào module có thể được đưa tới từ ngoại vi bên ngoài qua cáp vào JP1 hoặc được đưa tới từ bus ISA của PC/104 CPU. Dữ liệu vào lọc có độ rộng 16 bit chia làm 2 byte, byte dữ liệu thấp và byte dữ liệu cao. Byte dữ liệu thấp được đưa tới thanh ghi R0, byte dữ liệu cao được đưa tới thanh ghi R2. Thanh ghi R4 định nghĩa là thanh ghi trạng thái, dùng để đọc trạng thái hoạt động của các bộ lọc. Trong mỗi chương trình lọc khác nhau, các bit dữ liệu của thanh ghi này có ý nghĩa khác nhau. Các thanh ghi viết được xây dựng trên cơ sở các bộ chốt dữ liệu, có chức năng đưa các tín hiệu điều khiển, dữ liệu đến từ bus dữ liệu PC/104 tới chip PSoC. Các tín hiệu này dùng để điều khiển và nạp dữ liệu cho các khối chức năng xây dựng trên chip CY8C27643. Các thanh ghi W0 và W2 là các thanh ghi chốt dữ liệu ra sau khi lọc, trong đó W0 dùng cho byte dữ liệu thấp, W1 dùng cho byte dữ liệu cao. Thanh ghi W4 là thanh ghi điều khiển, có chức năng điều khiển toàn bộ quá trình nhận dữ liệu, nạp các tham số cho bộ lọc và điều khiển xuất dữ liệu ra đồng bộ với các thiết bị ngoại vi. Khối đệm dữ liệu vào/ra (BUFFER) Chức năng của bộ đệm dữ liệu vào/ra là điều khiển đệm dữ liệu vào/ra với bus dữ liệu của hệ PC/104. Tùy theo lệnh đọc (RD) hay ghi (WR) dữ liệu từ PC/104 với các thanh ghi của module, khối tạo tín hiệu điều khiển sẽ tạo ra tín hiệu DK với mức tích cực thấp, kết hợp với lệnh RD, sẽ cho phép vi mạch 74LS245 làm việc, điều khiển và đệm dữ liệu vào hay ra. Bộ đệm dữ liệu vào ra được xây dựng trên vi mạch 74HC245. Điều khiển luồng dữ liệu vào/ra bằng tín hiệu RD của bus PC/104 và tín hiệu điều khiển được tạo ra từ chip EPF10KALC-84. Khối biến đổi số liệu Khối biến đổi số liệu được xây dựng trong chip FPGA EPF10KLC84-3 có chức năng biến đổi vị trí xung Ready-XMT so với xung DB thành dữ liệu số có độ dài 16 bit. Điều khiển quá trình biến đổi này là xung điều khiển ENA. Trong thời gian có xung ENA (ENA=1). Khoảng lệch thời gian T0 giữa xung R-XMT và xung DB được biến đổi thành dữ liệu số 16 bit. Tần số clock biến đổi là dao động 20MHz. Sai số biến đổi là 1LSB, tương ứng với độ giữ chậm 0.05µs. Kết thúc xung ENA (ENA=1), đầu ra bộ biến đổi có dữ liệu cùng tín hiệu “dữ liệu sẵn sàng” DK3=1, thông báo cho bộ lọc α - β sẵn sàng đọc dữ liệu. Khối lọc α - β Thực hiện bằng phần chương trình tính toán trong chip PSoC CY8C27643. 86 b. Các cấu hình có thể lựa chọn Cho phép người sử dụng thiết lập các tín hiệu điều khiển cho phép lựa chọn các cấu hình lọc khác nhau. Các tín hiệu điều khiển Prog1, Prog2 và Prog3 được thiết lập trên J_Prg hoặc điều khiển bởi thiết bị bên ngoài, được đưa đến các chip PSoC nhận biết, tùy thuộc vào giá trị của hai tín hiệu điều khiển này, các chip PSoC sẽ tự động thay đổi cấu hình lọc tương ứng phù hợp với bài toán đặt ra. Cấu hình 1 : Nguyên tắc hoạt động của module Filter hoạt động trong cấu hình 1 là : - Dữ liệu vào 16 bit được lấy từ ngoại vi qua cáp vào JP1. - Các hệ số lọc α, β được nạp cố định trong chip CY8C27643 hoặc điều khiển nạp từ CPU. - Thực hiện thuật lọc α-β. - Dữ liệu ra 16 bit được đưa ra ngoại vi qua cáp JP2 hoặc đọc vào PC/104 CPU qua ISA. - Các tín hiệu điều khiển quá trình lọc số ENA và DB được điều khiển bởi ngoại vi hoặc từ CPU. - Tín hiệu thông báo trạng thái với thiết bị ngoại vi READY. Trong chương trình 1 của module FILTER, dữ liệu số 16 bit đầu vào được đưa tới module từ ngoại vi qua JP1. Dữ liệu vào 16 bit được đưa tới hai bộ đệm 8 bit. Dữ liệu số vào 16 bit được lọc theo thuật lọc α-β trong chip CY8C27643. Quá trình lọc số được điều khiển bởi các tín hiệu ENA và SYNC. Sau khi thực hiện lọc xong, chip PSoC tạo tín hiệu READY thông báo cho phép ngoại vi đọc dữ liệu ra. Tín hiệu READY được đưa qua cáp đầu ra JP2. Khi READY=1, ngoại vi có thể thực hiện việc đọc dữ liệu. Trong trường hợp dữ liệu được đọc bởi PC/104 CPU, quá trình thực hiện như sau : - Đọc byte thấp bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R0. - Đọc byte cao bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R2. Chương trình lọc được thực hiện theo chu trình liên tục, được đồng bộ bằng xung đồng bộ tích phân SYNC. Sau mỗi quá trình, có thể reset tham số đầu ra bộ tích phân bằng các tín hiệu RESETA và RESETB. Cấu hình 2 : Nguyên tắc hoạt động của module Filter hoạt động trong cấu hình 2 là: - Dữ liệu vào 16 bit được lấy từ PC/104 CPU. - Các hệ số lọc α, β được định sẵn trong module. - Thực hiện thuật lọc α-β. - Dữ liệu 16 bit được đọc vào PC/104 CPU qua bus ISA hoặc đưa ra ghép nối với thiết bị ngoại vi. 87 Trong chương trình 2 của module FILTER, dữ liệu số 16 bit được đưa tới module từ PC/104 CPU. Quá trình ghi dữ liệu được thực hiện theo thứ tự sau : - Ghi lệnh điều khiển thông báo cho module nhận dữ liệu vào 16 bit bằng việc ghi lệnh điều khiển vào thanh ghi điều khiển W4. - Ghi giá trị byte thấp vào thanh ghi dữ liệu W0. - Ghi giá trị byte cao vào thanh ghi dữ liệu W2. Dữ liệu số vào được lọc theo thuật lọc α-β trong chip CY8C27643. Quá trình lọc số được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển được đưa tới cổng P4[]. Sau khi thực hiện xong, chip PSoC tạo tín hiệu READY thông báo cho phép đọc dữ liệu ra. Tín hiệu READY được đưa tới thanh ghi trạng thái R7. Quá trình đọc dữ liệu vào CPU được thực hiện theo thứ tự sau : - Đọc byte thấp bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R0. - Đọc byte cao bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R2. Cấu hình 3 : - Dữ liệu có dạng xung thời gian lấy từ ngoại vi qua cáp vào JP1. - Các hệ số lọc α, β được nạp cố định trong chip CY8C27643. - Thực hiện thuật lọc α-β. - Dữ liệu ra 16 bit được đưa vào PC/104 CPU hoặc đưa tới ngoại vi. Tín hiệu vào dạng xung sau khi được phối hợp mức được đưa tới bộ biến đổi số xây dựng trong chip EPFP10KALC-84. Bộ biến đổi số thực hiện việc biến đổi giá trị thời gian T0 thành dữ liệu số 16 bit. Dữ liệu 16 bit được đưa tới hai thanh ghi WC0 (byte thấp) và WC2 (byte cao). Đồng thời, tại thời điểm xung MT sẽ tạo ra tín hiệu cho phép WC0 và WC2 làm việc để đưa dữ liệu số tới các cổng P0 và P1của chip PSoC CY8C27643. - Các hệ số α, β được nạp cố định trong chip CY8C27643. Quá trình lọc số theo thuật lọc α-β được thực hiện trong chip PSoC và được điều khiển bởi lệnh điều khiển từ CPU trong thanh ghi điều khiển W4 đưa tới cổng P4[]. Sau khi thực hiện xong, chip PSoC tạo tín hiệu READY thông báo cho phép đọc dữ liệu ra. Tín hiệu READY được đưa tới thanh ghi trạng thái R4. Quá trình đọc dữ liệu vào CPU được thực hiện theo thứ tự sau : - Đọc byte thấp bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R0. - Đọc byte cao bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R2. Cấu hình 4 : - Dữ liệu có dạng xung thời gian lấy từ ngoại vi qua cáp vào JP1. - Các hệ số lọc α, β được điều khiển từ PC/104 CPU. - Thực hiện thuật lọc α-β. - Dữ liệu ra 16 bit được đưa vào PC/104 CPU. Tín hiệu vào dạng xung sau khi được phối hợp mức được đưa tới bộ biến đổi số xây dựng trong chip EPFP10KALC-84. Bộ biến đổi số thực hiện việc biến đổi giá trị thời gian T0 thành dữ liệu số 16 bit. Dữ liệu 16 bit được đưa tới 88 hai thanh ghi WC0 (byte thấp) và WC2 (byte cao). Đồng thời, tại thời điểm xung MT sẽ tạo ra tín hiệu cho phép WC0 và WC2 làm việc để đưa dữ liệu số tới các cổng P0 và P1 của chip PSoC CY8C27643. Các hệ số α, β được nạp từ CPU PC/104. Việc nạp α, β được thực hiện như sau : - Ghi lệnh điều khiển cho phép nạp hệ số α và β vào thanh ghi W4. Khi đó PSoC ngừng nhận dữ liệu từ các thanh ghi dữ liệu. - Tín hiệu READY=0. - Nạp giá trị α qua thanh ghi W0. - Nạp giá trị β qua thanh ghi W2. - Lệnh READY=1 báo đã nạp α, β và tiếp tục cho phép dữ liệu vào. Quá trình lọc số theo thuật lọc α-β được thực hiện trong chip PSoC và được điều khiển bởi lệnh điều khiển từ CPU trong thanh ghi điều khiển W4 đưa tới cổng P4[]. Sau khi thực hiện xong, chip PSoC tạo tín hiệu READY thông báo cho phép đọc dữ liệu ra. Tín hiệu READY được đưa tới thanh ghi trạng thái R4. Quá trình đọc dữ liệu vào CPU được thực hiện theo thứ tự sau : - Đọc byte thấp bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R0. - Đọc byte cao bằng việc truy xuất thanh ghi dữ liệu R2. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình đã được thiết kế chế tạo và áp dụng thử nghiệm ở Viện kỹ thuật Phòng không không quân. Sơ đồ mạch in và card α-β PC/104 được mô tả trong các hình dưới. 89 Sơ đồ mạch in của Module lọc α -β PC/104: mặt trên Sơ đồ mạch in của Module lọc α -β PC/104: mặt dưới 90 KẾT LUẬN Với việc thiết kế module FILTER có các chương trình khác nhau cho phép người sử dụng thực hiện lọc dữ liệu số 16 bit hoặc lọc tín hiệu vị trí xung radar theo thuật lọc α-β. Với các chương trình trên, module FILTER có khả năng phối ghép trực tiếp với các module ngoại vi khác, hoặc phối ghép với hệ thống có điều khiển bởi hệ PC/104. Module cũng có thể thực hiện các bài toán lọc phức hợp đối với các đối tượng đặc thù có nhiều kiểu dữ liệu khác nhau như dữ liệu số có độ dài khác nhau, dữ liệu dạng xung thời gian, dữ liệu liên tục… Xuất phát từ yêu cầu thực tế trong lĩnh vực lọc và xử lý số, module FILTER được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật đo lường và xử lý tín hiệu số, đặc biệt là các hệ thống đo lường điều khiển sử dụng công nghệ PC/104. Module lọc α-β PC/104 cũng đã được Hội đồng khoa học Viện kỹ thuật quân sự PKKQ đánh giá cho kết quả tốt. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình 91 2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo, điều khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC Thư viện chương trình mẫu bao gồm các chương trình và ví dụ cơ bản nhất cho phát triển các chip đo điều khiển chuyên dụng trên công nghệ PSoC. Đề tài đã phát triển và tập hợp các module chương trình và các ví dụ sau trong thư viện này bao gồm: Hiển thị và trình bày trên LCD Điều khiển và hiển thị giá trị analog sử dụng DAC Đo và hiển thị các giá trị analog voltage sử dụng ADC, DAC Điều khiển, hiển thị và chỉ thị các hệ thống nút bấm Điều khiển các đầu digital input/output Truyền thông ghép nối máy tính thông qua RS-232 Truyền thông ghép nối máy tính thông qua mạng RS-485 Ứng dụng bộ đếm Mạch cung cấp dòng hằng ứng dụng chuyển đổi DAC và Module Scblock Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương THDP-1 Phối ghép màn hình đồ họa Graphic LCD Bộ đo và truyền tín hiệu nhiệt độ PT100 Transducer sử dụng công nghệ tạo chip PSoC Sau đây là phần mô tả toám tắt chức năng cơ bản của các module chương trình trên: HIỂN THỊ VÀ TRÌNH BÀY TRÊN LCD Yêu cầu của chương trình Giúp người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng điều khiển hiển thị và trình bày trên màn hình LCD. Ví dụ này sẽ thực hiện: + In dòng chữ “PSoC Welcome” tại hàng 0, cột 5 trong màn hình LCD. + In ra dòng chữ “Welcome to Department for Robotics and Automation Technology” cuốn trên LCD trên hàng 1. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng ĐIỀU KHIỂN VÀ HIỂN THỊ GIÁ TRỊ ANALOG SỬ DỤNG DAC Mục đích của chương trình Hỗ trợ người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng điều khiển và hiển thị giá trị analog sử dụng DAC. Ví dụ này cần thực hiện: 92 + in dòng chữ “Convert DAC” tại hàng 0, cột 1 trong màn hình LCD. + in ra dòng chữ “DAC: Input “ trên LCD tại hàng 1, với Input là giá trị số vào nằm trong dải từ 0-510 ( giá trị Input là giá trị số được tăng dần khi đến 510, nó lại bị reset về 0, quá trình này cứ lặp lại), điện áp ra(0-5V) trên chân P0[3] của chíp PSoC. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng ĐO VÀ HIỂN THỊ CÁC GIÁ TRỊ ANALOG VOLTAGE SỬ DỤNG ADC, DAC Mục đích của chương trình Hỗ trợ người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng đo và hiển thị các giá trị analog voltage sử dụng ADC, DAC. Ví dụ này cần thực hiện: + in ra dòng chữ “ADCO: OutADC “ trên hàng 1 của LCD, với OutADC là giá trị số ra của bộ biến đổi A/D, điện áp vào của bộ chuyển đổi được cung cấp tại chân P0[1] của chíp Psoc qua khâu khuếch đại PGA. + in ra dòng chữ “DACI: InDAC “ trên hàng 2 của LCD, với InDAC là giá trị số vào nằm trong dải từ 0-510, điện áp ra(0-5V) trên chân P0[3] của chíp Psoc. +Giá trị số đầu ra của bộ ADC chính là đầu vào số của bộ chuyển đổi DAC. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng ĐIỀU KHIỂN, HIỂN THỊ VÀ CHỈ THỊ CÁC HỆ THỐNG NÚT BẤM Mục đích của chương trình Hỗ trợ người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng điều khiển, hiển thị và chỉ thị các hệ thống nút bấm. Ví dụ này cần thực hiện: +Khi ấn nút 1 thi hiển thị “Button 1” trên dòng 1 trong màn hình LCD. Khi ấn thêm lần nữa, dòng chữ bị xoá. + tương tự cho nút thứ 2, nhưng ký tự “Button 2” hiển thị trên dòng 2 của LCD Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng 93 ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐẦU DIGITAL INPUT/OUTPUT Mục đích của chương trình Hỗ trợ người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng điều khiển các đầu Digital Input/Output. Ví dụ này cần thực hiện: + In dòng chữ “Test Digital In/Out” tại vị trí (0,0) của màn hình LCD. + Với các đầu Digital Input/Output, cần lập trình để nếu DI nào on/off thì DO cũng có trạng thái tượng tự. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng TRUYỀN THÔNG GHÉP NỐI MÁY TÍNH THÔNG QUA RS-232 Mục đích của chương trình Giúp người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng truyền thông ghép nối máy tính thông RS-232. Ví dụ này sẽ thực hiện: + in dòng chữ “Welcome” tại hàng 0, cột 1 trong màn hình LCD. + Thực hiện chức năng truyền/nhận với máy tính PC qua cổng RS-232. - RS-232 được đặt với cấu hình: tốc độ 9600baud, no parity, 1 stop bít - In ra dòng chữ “.. ” trên LCD trên hàng 1, với “.. ” là chuỗi nhận về khi trên PC gửi xuống, chuỗi ký tự nhận được sẽ được gửi trở lại máy tính PC. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng TRUYỀN THÔNG GHÉP NỐI MÁY TÍNH THÔNG QUA MẠNG RS-485 Mục đích Giúp người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng truyền thông ghép nối máy tính thông qua mạng RS-485. Ví dụ này sẽ thực hiện: + In dòng chữ “WelCome RS-485” tại hàng 0, cột 1 trong màn hình LCD. + Thực hiện chức năng truyền/nhận với máy tính PC qua mạng RS-485. - RS-232 được đặt với cấu hình: tốc độ 9600baud, 1 stop bít - In ra dòng chữ “.. ” trên LCD trên hàng 1, với “.. ” là chuỗi nhận về khi trên PC gửi xuống, gửi trở lại máy tính PC 1 chuỗi mới. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng Lưu ý: trước khi sử dụng ví dụ này nên đọc kỹ ví dụ 6. 94 ỨNG DỤNG BỘ ĐẾM Mục đích Giúp người sử dụng lập trình cho chíp PSoC để thực hiện chức năng điều khiển, ứng dụng bộ đếm. Ví dụ này sẽ thực hiện: + Hiển thị trên màn hình LCD dòng chữ “Using Counter” trên hàng 1. + Sử dụng bộ đếm counter với xung đầu vào, đọc số đếm của counter(dải giá trị từ 0-16), ứng với số đếm đưa ra tổ hợp các đèn trên DO[] sáng. Để thực hiện ví dụ này, người sử dụng cần làm theo các bước sau: - Tạo lập 1 project mới - Lựa chọn thiết bị sử dụng theo yêu cầu của bài toán đặt ra. - Lập trình cho ứng dụng Mạch cung cấp dòng hằng ứng dụng chuyển đổi DAC và Module SCBLOCK Mục đích Giúp cho người sử dụng tạo được nguồn dòng ổn định cho các hệ thống đo lường. Mạch cung cấp dòng hằng có nhiệm vụ cung cấp một dòng điện ổn định cho tải. Mạch này thường được sử dụng trong các mạch cảm biến, các mạch truyền tín hiệu từ cảm biến tới các thiết bị đích, ..vv. Trong hình vẽ là một ứng dụng tiêu biểu của mạch cung cấp dòng hằng. Một bộ chuyển đổi có trở kháng thay đổi từ 0 ÷ 300 Ω tùy theo sự thay đổi của đại lượng đo, được cung cấp một nguồn dòng có trị số ổn định là 4 mA. Mạch cấp dòng hằng ứng dụng PSoC Sơ đồ mạch Mạch cấp dòng hằng ứng dụng PSoC có sơ đồ nguyên lý như sau: Trong mạch sử dụng một bộ khuếch đại vi sai, điện áp ra của nó được mô tả bởi phương trình: ( )out load setV K V V= − (1) Một ví dụ ứng dụng của mạch cấp dòng hằng Mạch phát nguồn dòng trong PSoC 95 Do trở kháng vào của bộ khuếch đại vi sai rất lớn, nên dòng chạy qua Rload coi như bằng với dòng chạy qua Rset và bằng: out loadset set V Vi R −= (2) Thay phương trình (1) vào phương trình (2) ta được: ( 1) .load setset set K V K Vi R − −= (3) Nếu cho K = 1 thì phương trình 3 trở thành: Khi ứng dụng PSoC, nguồn Vset được thay bằng nguồn được cung cấp bởi một bộ chuyển đổi DAC, bằng cách này, ta dễ dàng thay đổi được điện áp đặt một cách khá chính xác, qua đó có thể đặt được dòng điện cấp cho tải một cách khá chính xác. THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ ĐIỂM SƯƠNG Mục tiêu Giới thiệu một giải pháp thiết kế tổng thể thiết bị đo dùng PSoC. Giải pháp cho thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm và điểm sương bao gồm: a. Lựa chọn công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) của hãng Cypress Micro System làm công nghệ chủ chốt để phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương. PSoC có khả năng xử lý hỗn hợp dữ liệu tương tự và số. Nó cho ta khả năng phát triển các sản phẩm mới nhanh, dễ dàng mở rộng các chức năng mới sau này. Công nghệ này cho nhiều giải pháp lựa chọn và hỗ trợ cho đa dạng ứng dụng từ đo lường, xử lý, điều khiển, truyền thông, kết nối mạng trên cùng một chip với giá thành thấp. b. Lựa chọn chip sensor SHTxx của hãng SENSIRION. Đây là chip có các chỉ tiêu kỹ thuật và giá cả phù hợp. Nguyên lý hoạt động 4 công tắc CT để đặt địa chỉ 485 cho thiết bị. Máy tính PC có thể lấy số liệu cực đại 16 thiết bị THDP-1 qua chuẩn RS485 để xử lý, hiển thị, lưu trữ.v…v. Tốc độ truyền của RS485 là 9600 baud, do Counter BaudRate làm Clock cho tốc độ của khối chức năng Phát và Nhận: Rx và Tx. Chip MAX485 để chuyển đổi mức tín hiệu của chuẩn 485 (Xem hình 2). set set set Vi R = − 96 PHỐI GHẾP PSOC VỚI MÀN HÌNH ĐỒ HỌA GRAPHIC COG LCD Mục tiêu: Chương trình mẫu phối ghép PSoC với màn hình COG Màn hình COG (Chip On Glass) là lọai màn hình tiết kiệm năng lượng dùng cho các thiết bị cầm tay. Ở Việt nam chưa có đơn vị nào nghiên cứu phát triển các sản phẩm sử dụng công nghệ này. Đa số chỉ sử dung các màn hình LCD bình thường có dòng tiêu thụ lớn. Màn hình COG ở ví dụ này là lọai có chip điều khiển S6B1713. Việc phối ghép COG với PSoC được tiến hành qua phối ghép với chip S6B1713 Chip S6B1713 là chip điều khiển LSI cho hệ thống màn hình đồ hoạ tinh thể lỏng. Nó bao gồm 65 hàng và 132 cột. Chip này cũng được kết nối thẳng với microprocessor, có thể kết nối nối tiếp hoặc song song, và dữ liệu được chứa trên Display Data RAM (có sẵn trong chip – và là mảng hai chiều 65x132). S6B1713 cung cấp chế độ hiển thị rất linh hoạt do có sự tương ứng 1 -1 giữa các bít dữ liệu trên DDRAM và các pixel trên màn hình LCD. chip này cũng thực hiện quá trình đọc và ghi dữ liệu không cần có clock ngoài, do đó làm giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ. Thêm vào đó, vì hệ thống chứa cả mạch cung cấp năng lượng cần thiết để cung cấp cho bộ phận tinh thể lỏng, chúng ta có thể chế tạo được hệ thống với số thành phần ít nhất. S¬ ®å m¹ch ®iÖn tö cña thiÕt bÞ PSoc Cy8c26443 CPU RAM FLASH Va` PhÇn MÒm Counter Timer LCDLcD 8x2 §K(3) Data(4) +5V CT Tx8 Counter BaudRate Rx8 MAX 485 SHT1x 97 Một số đặc tính của Chip S6B1713: Giao tiếp với bộ vi xử lý: Với đặc tính mềm dẻo của mình S6B1713 có thể kết nối trực tiếp với vi điều khiển theo hai chiều 8 bit song song hoặc nối tiếp. Riêng với kết nối theo kiểu tuần tự thì chỉ có thể giao tiếp theo một chiều (chỉ viết). Tập lệnh đa dạng, có thể Reset cả bằng phần cứng và bằng phần mềm. Các mạch analog được xây dựng trong Chip: - Mạch tạo dao động - Mạch chuyển đổi điện áp - Mạch biến đổi điện áp ( có thể đẩy điện áp VDD lên gấp 2, 3, 4, 5 tùy cách ghép nối) - Mạch điều chỉnh điện áp (hệ số nhiệt độ: -0.05%/°C, -0.2%/°C) - Mạch theo dõi điện áp Dải điện áp làm việc: - Nguồn cung cấp từ: 2.4 đến 3.6 V - Có thể đẩy điện áp lên để cung cấp cho LCD họat động (VLCD = V0 - VSS): 4.0 đến 15.0 V Tiêu thụ điện thấp: - 70 uA Thiết kế ghép nối giữa màn hình đồ họa LCD và PSoC: Miêu tả chức năng của các chân COG LCD: Chân I/O Chức năng CS1B (chip select) I Dữ liệu và lệnh vào ra chỉ có hiệu lực khi chân CS1B ở mức “L” RESETB I Chân đầu vào Reset, khi RESETB=L thì việc khởi tạo đã được thực hiện xong. RS I Thanh ghi lựa chọn chân đầu vào: RS = "H": DB0 - DB7 dùng để hiển thị dữ liệu lên màn hình LCD. RS = "L": DB0 - DB7 dùng để chứa các Byte điều khiển. RW_WR I Tín hiệu đọc và viết dữ liệu, hiển thị và điều khiển lên LCD. E_RD I Tín hiệu điều khiển trạng thái đọc hoặc viết dữ liệu lên LCD. DB7-DB0 I/O 8 bit dữ liệu được kết nối trực tiếp với 8 chân của vi xử lý. 98 Sơ đồ nguyên lý kết nối giữa COG LCD và PSoC 1uF 1uF VCC 3.3uF VCC 3.3uF - CY8C27443 PSoC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 P0.7 P0.5 P0.3 P0.1 P2.7 P2.5 P2.3 P2.1 SMP P1.7 P1.5 P1.3 P1.1 VSS VCC P0.6 P0.4 P0.2 P0.0 P2.6 P2.4 P2.2 P2.0 XRES P1.6 P1.4 P1.2 P1.0 1uF 1uF P0.0 COG LCD GRAPHICS 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 26 27 28 29 CS1B RESETB RS RW_WR E_RD D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 MI VSS VDD VOUT C3+ C3- C1+ c1- C2+ C2- V0 V1 V2 V3 V4 VSS P0.6 P0.5 + 3.3uF P0.3 3.3uF VCC P0.7 P0.1 100K 1uF P1.7 P0.4 - P0.2 P1.6 P1.5 470 ohm 99 Thiết kế phần mềm điều khiển LCD: Kết nối giữa LCD và các vi xử lý nói chung dược thực hiện theo ba cách khác nhau trong đó có một nối tiếp và hai kết nối song song. Việc xác định kiểu kết nối như thế nào được thể hiện bởi giá trị của các chân thông qua hình đưới đây. Ở sơ đồ ghép nối trên ta nhận thấy CS1B và MI được ghép với mức thấp. Do đó LCD sẽ hoạt động ở chế độ MPU series. Và kiểu giao tiếp của nó với PSoC là giao tiếp song song. Để làm việc với LCD chúng ta cần thay đổi trạng thái của ba bit điều khiển: RS, RESETB, và RW_WR. Khi đó nó có thể thực hiện được các chức năng đọc dữ liệu từ DDRAM vào PSoC, ghi dữ liệu 8 bit lên DDRAM để hiển thị, đọc trạng thái của các thanh ghi điều khiển, và cuối cùng là có thể viết lệnh lên các thanh ghi. Đối với các chức năng này thì hai chức năng viết dữ liệu hiển thị và viết cấu hình tới các thanh ghi để thiết lập chế độ hoạt động cho LCD là quan trọng nhất. Tạo phông hiển thị cho màn hình COG LCD: Sau khi đã thiết lập cấu hình xong cho LCD, thì một vấn đề không kém phần quan trọng đó là tạo phông cho LCD. Do LCD được thiết kế theo kiểu ma trận điểm 132 cột và 65 hàng, được chia thành 8 trang, mỗi trang lại bao gồm 8 dòng. Do đó chúng ta có thể tạo các ký tự cũng như tạo các biểu tượng với kích thước bất kỳ một cách dễ dàng bằng việc sử dụng phần mềm LcdProgram. Phần mềm này được thiết kế theo ma trận điểm bao gồm 128 cột và 64 dòng. Để tạo ra các phông như mong muốn chúng ta chỉ cần sử dụng chuột trái để kích lên từng ô nhỏ trong chương trình (mỗi ô tương ứng với một bit). Sau đó chúng ta nhấn nút với nhãn là 8051 để lấy các mã số thực tương ứng của biểu tượng đó. BỘ ĐO VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU NHIỆT ĐỘ PT100 TRANSDUCER SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TẠO CHIP PSoC Mục tiêu: Ví dụ phối ghép nhiệt điện trở PT100 với PSoC Cảm biến nhiệt điện trở (RTD) thường dùng trong công nghiệp là loại được chế tạo từ platinum. Điện trở của loại vật liệu này có độ ổn định và chính xác cao, có đáp ứng gần tuyến tính trong giải rộng (-2000C ÷ 8500C). Nhiệt điện trở Platinum không đòi hỏi các cáp dẫn truyền đặc biệt, không cần các đầu tham chiếu lạnh (cold junction reference). Các loại nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiêp được mô tả trong bảng sau: Tên RTD Chất Liệu Điểm chuẩn 100 PT50 PT100 PT130 PT1000 Cu100 Ni100 Platinum Platinum Platinum Platinum Copper Nickel 50 ở 0ºC 100 ở 0ºC 130 ở 0ºC 1000 ở 0ºC 100 ở 0ºC 100 ở 0ºC Các loại RTD thông dụng Phương pháp đo nhiệt độ dùng PT100 và PSoC Phương pháp đo 2 dây: Hình bên giới thiệu nguyên lí đo hai dây dùng PSoC. Khi đặt vào hai đầu cầu phân áp Rref và RTD điện áp Vref+ và Vref- sẽ có một dòng chạy qua cầu phân áp. Sử dụng một ADC để đo các điểm V0, V1, và V2 thông qua một bộ khuyếch đại đệm PGA 1:1. Ta có dòng qua hai điện trở là đồng nhất, do đó: RTDref R VV R VV 2110 −=− (1) Như vậy RRTD hoàn toàn được xác định: refRTD RVV VVR 10 21 − −= (2) Tuy nhiên với phương pháp này cần chú ý tới điện trở dây dẫn của RTD, khi lắp đặt vào hiện trường cần đo chính xác điện trở dây dẫn, sau đó hiệu chỉnh lại giá trị thực của RTD. Phương pháp này không tự bù được điện trở đường dây. Phương pháp đo 4 dây: Để khắc phục sai số do dây dẫn gây ra ta có thể dùng phương pháp đo 4 dây như hình bên: Cũng tương tự như phương pháp đo hai dây, ta sử dụng ADC và đệm khuyếch đại PGA 1:1, và cấp áp Vref+ và Vref- vào nhánh cầu phân áp trên. Với Ra, Rb, Rc, và Rd là điện trở dây nối tới nhiệt điện trở RTD. Đo bốn dây Đo 2 dây 101 Điện trở của Rc và Rd sẽ không ảnh hưởng tới phép đo nhiều lắm, nếu trở kháng đầu vào của ADC đủ lớn, coi như không có dòng chạy qua thì phép đo áp không bị ảnh hưởng của điện trở dây dẫn. Các điểm đo V0, V1, V2 và V3 được thực hiện lúc đó ta cũng có: RTDref R VV R VV 3210 −=− (3) Như vậy RRTD được tính: refRTD RVV VVR 10 23 − −= (4) Trên kết quả tính toán không xuất hiện Ra và Rb, như vậy kết quả đo sẽ tự loại trừ được ảnh hưởng của điện trở đường dây. Để tăng độ chính xác và ổn định cho thiêt bị, cần kết hợp thêm các bộ lọc số liệu để lọc các giá trị nhiễu. Các chức năng khác của PT100 Transducer. PT100 Transducer sử dụng đường truyền RS485 để truyền thông, có thể ghép tối đa 32 đầu đo, độ xa tối đa 1200m theo chuẩn RS485. Địa chỉ được cài đặt bằng các switch địa chỉ. Phần mềm của bộ PT100Transducer. + Đo nhiệt độ giải rộng: -50 ÷ 600. + Lọc các số liệu nhiễu. + Tự xác định địa chỉ theo cài đặt của người sử dụng. + Truyền số liệu đo được qua mạng RS 485 khi có lệnh. + Tự khởi động lại khi máy bị treo do nhiễu hoặc lỗi. Sơ đồ nguyên lí : PT100 Transducer chế tạo theo công nghệ tạo chíp chuyên dụng PSoC 102 Sơ đồ nguyên lí PT100 Transducer 103 Kết quả thực nghiệm Bộ đo và truyền số liệu nhiệt độ PT100 Transducer đã được chế tạo và chạy thử nghiệm. Và đã đem lại một số kết quả nhất định. Thiết bị được ghép nối thành mạng, lập ra nhiều điểm đo khác nhau và đưa vào đo trong môi trường nhiệt độ thử nghiệm. Kết quả thu được khá khả quan với độ chính xác là ± 10C. Tuy nhiên, thiết bị cần được kiểm nghiệm thực tế nhiều hơn để đảm bảo được các tiêu trí khác như độ bền, độ ổn định và khả năng chống nhiễu… Hình trên giới thiệu thiết bị PT100 Transducer được chế tạo và hiện đang được đưa vào ứng dụng điều khiển tháp chưng cất tinh dầu 18m tại công ty Tinh Dầu và các sản phẩm tự nhiên thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt nam. Với phương pháp đo sử dụng công nghệ PSoC, vấn đề đo nhiệt độ được đơn giản hoá rất nhiều, giá cả giảm xuống. Bộ PT100 Transmitter này rất thuận tiện để đưa vào sử dụng trong công nghiêp. Những cấu hình chúng tôi đưa ra ở đây là đơn giản nhất và giảm thiểu về giá thành. Tuy nhiên, chúng tôi hoàn toàn có thể đáp ứng các nhu cầu mở rộng thêm tuỳ theo yêu cầu sử dụng của khách hàng như: hiển thị giá trị nhiệt độ tại chỗ bằng LCD, đo đa kênh trên một thiết bị. Mọi yêu cầu xin liên hệ về địa chỉ trên. 2. 4. Đánh giá kết quả thu được Đề tài đã triển khai các nội dung đặt ra đúng tiến độ và đã hoàn thành các sản phẩm đạt các chỉ tiêu đặt ra. Các sản phẩm của đề tài đều sử dụng công nghệ cao kết hợp với các giải pháp, thiết kế của các cán bộ nghiên cứu tham gia đề tài tạo ra các sản phẩm mới. Việc chế tạo mẫu thử nghiệm dựa vào các cơ sở chế tạo mạch in, cơ khí trong nước. Công việc tích hợp hệ thống và phát triển phần mềm, đo đạc, kiểm tra, thử nghiệm các sản phẩm do các cán bộ triển khai đề tài thực hiện, các sản phẩm đều được đưa đi đánh giá và kiểm tra chất lượng ở các hội đồng khoa học hoặc tại Cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng Nhà nước. Các kết quả đánh giá đều đạt các yêu cầu đặt ra. So với các sản phẩm nhập ngoại các chỉ tiêu chất lượng không thua kém. Về các công nghệ sử dụng trong các sản phẩm của đề tài đều là các công nghệ cao như công nghệ tạo chip chuyên dung PSoC, công nghệ lập trình thời gian thực, các chip vi mạch chuyên dụng. Các công nghệ này có tính ổn định cao. Tuy nhiên để có một sản phẩm hoàn chỉnh có thể thương mại hoá được cần phải tiếp tục đầu tư để chuyển các sản phẩm mẫu được sản xuất trong phòng thí nghiệm ra quy trình sản xuất công nghiệp. Vấn đề này đề tài đang đi tìm các nhà Thiết bị PT100 Transmitter 104 đầu tư có khả năng kinh tế để đưa sản phẩm vào sản xuất hang loạt và chịu rủi ro trên thị trường. So với phương án nhập công nghệ các giải pháp và sản phẩm của đề tài có thể mang lại lợi ích cả về kinh tế và đảm bảo sự phát triển của sản phẩm lâu dài. Đề tài đã tạo ra các sản phẩm có các giải pháp mới mẻ. Sản phẩm hệ thống kiểm sóat vào ra dung thẻ RFID AC-200 đã được các Hội đồng xét tặng Cúp vàng Techmart2005 tại thành phố Hồ Chí Minh và đọat giải thưởng Công nghệ Thông Tin 2005 Quả cầu vàng tại Hà nội. Đề tài đã đưa được công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào Việt Nam. Hiện nay công nghệ này đã và đang được rất nhiều cơ sở nghiên cứu, đào tạo và sản xuất triển khai. Đề tài đã tổ chức nhiều hội thảo, seminar về công nghệ PSoC tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài cũng đã đào tạo được nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp theo công nghệ PSoC và các vấn đề liên quan đến các nghiên cứu của đề tài. Về triển khai ứng dụng thực tế đã ký được 3 hợp đồng với tổng kinh phí trên 200 triệu đồng cho ứng dụng PSoC trong thiết kế và chế tạo các bộ nguồn DC- AC. Qua quá trình triển khai thực hiện, đề tài đã mở rộng hợp tác khoa học công nghệ với Singapore, 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các nội dung đã đề ra ban đầu với chất lượng tốt. Đã công bố nhiều kết quả nghiên cứu ở các tạp chí và hội nghị quốc gia . Đã đưa được công nghệ mới PSoC vào Việt Nam. Đã tạo ra được các sản phẩm mới áp dụng công nghệ cao. Có sản phẩm đã đoạt giải quốc gia và đã triển khai được một số hợp đồng áp dụng các sản phẩm của đề tài vào sản xuất. Kiến nghị: 1. Hỗ trợ để đưa một số sản phẩm sau của đề tài sang dạng dự án sản xuất thử nghiệm: - Các sản phẩm kiểm soát dùng thẻ RFID: AC-200; WT1000… - Thiết bị điều khiển máy lạnh - Module thu thập dữ liệu đa năng có khả năng tái cấu hình DAS PC/104 Các sản phẩm này đều có chất lượng không thua kém các sản phẩm nhập ngoại, nhưng có giá thành chỉ bằng 60-70%. 2. Tiếp tục cho triển khai một số đề tài nghiên cứu về thông minh hóa các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp có thị trường lớn mang thươg hiệu Việt nam có khả năng cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới 3. Cần có chính sách phát triển công nghiệp chế tạo các thiết bị đo lường thông minh ở nước ta vì nhu cầu to lớn của xã hội cũng như tính khả thi của hướng này. 105 4. LỜI CẢM ƠN Chủ nhiệm đề tài KC.03.20 xin chân thành cảm ơn các tổ chức và cá nhân sau đã giúp đỡ thiết thực và hiệu quả trong quá trình thực hiện đề tài. - Bộ khoa học và Công nghệ đã cấp kinh phí và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho đề tài triển khai hoàn thành đề tài. - Ban chủ nhiệm chương trình KC.03 đã thường xuyên theo dõi, kiểm tra đôn đốc và hỗ trợ các công việc triển khai các nội dung chi tiết của đề tài. - Viện Công nghệ thông tin đã tạo các điều kiện thuận lợi và hỗ trợ về nguồn nhân lực trong vấn đề triển khai các nội dung và quản lý tài chính giúp cho đề tài đạt được các kết quả đặt ra. - Toàn thể các cán bộ tham gia thực hiện đề tài đã có nhiều nỗ lực và chung sức nghiên cứu để có thể đưa được các công nghệ mới, phương pháp mới vào các sản phẩm mới của đề tài. Thành quả của đề tài là kết quả của tập thể nghiên cứu cùng nhau hợp tác trong các năm qua.