1
2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. TRẦN XUÂN TÙY
ĐÀO MINH ĐỨC
Phản Biện 1:PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC.
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MẠNG
Phản Biện 2:TS. TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC.
VI ĐIỀU KHIỂN PIC
Chuyên ngành : SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Mã số : 60.52.60 Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc
sĩ kỹ thuật họp tại ñại học Đà Nẵng vào ngày 5 tháng 12 năm 2011
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Đà Nẵng – Năm 2011
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- Trung tâm Thông tin tư liệu, Đại học Đà Nẵng.
3
4
MỞ ĐẦU sống sinh hoạt hằng ngày. Các vi ñiều khiển có thể ñược sử dụng
trong các hệ thống DCS, với rất nhiều tính năng ñiều khiển hệ thống
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI dễ dàng.Vì vậy, mụch ñích của ñề tài “THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÔ
Hiện nay trước sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ ñiện tử, HÌNH MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC’’ v phục vụ công tác ñào tạo tại
nano, sản xuất chip cũng như công nghệ phần mềm, nhiều thiết bị nhà trường.
mới ra ñời hoặc các thiết bị cũ ñược cải tiến với những chức năng 3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
mới làm cho các hệ thống ñiều khiển tự ñộng chuyển dần từ hệ ñiều Phạm vi:
khiển tập trung sang hệ ñiều khiển không tập trung hoặc hệ ñiều - Thiết kế, chế tạo mô hình mạng PIC.
khiển phân tán (DCS = distributed control systems). - Thiết kế phần mềm ñiều khiển mạng PIC.
PLC và DCS ra ñời không cách xa nhau nhiều. PLC chuyên sâu về Nội dung nghiên cứu:
ñiều khiển Lôgic rời rạc thì DCS lại thiên về ñiều khiển quá trình. - Thiết kế các Môñun phần cứng.
Ứng dụng của DCS thường dành cho các nhà máy xí nghiệp lớn, cho - Thiết kế phần mềm ñiều khiển.
nên dùng ñiều khiển tập trung sẽ tốn kém cả về ñầu tư ban ñầu và giá - Chế tạo và lắp ráp mô hình
trị bảo trì vận hành. Vì vậy, các hệ DCS ñã ứng dụng phương thức 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
ñiều khiển phân tán thay vì ñiều khiển tập trung như PLC. Đề tài nghiên cứu ñược thực hiện theo phương pháp kết hợp
Đặc ñiểm chính của của 1 hệ thống DCS là: giữa lý thuyết và thực nghiệm. Cụ thể như sau:
+ Điều khiển quá trình – PID, Cascade PID, Ratio Control, - Nghiên cứu các tài liệu liên quan nhằm tổng hợp chọn
FeedFoward. phương án và thiết kế mạng PIC: phần cứng giao tiếp với các thiết bị
+ Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus, Profibus, Device Net ngoại vi, ñiều khiển và lập trình.
+ Dự phòng nóng (Redundancy). - Chế tạo mô hình ñể kiểm chứng các kết quả.
+ Nạp chương trình khi hệ thống ñang chạy. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN
Đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN Góp phần thúc ñẩy việc xây dựng các mô hình phục vụ cho công tác
PIC’’ nhằm mô phỏng một hệ thống DCS nhỏ, phục vụ cho công tác ñào tạo sinh viên, cho thấy thực tiễn mạng DCS hoạt ñộng như thế
giảng dạy. Đây là một hướng nghiên cứu mới có thể áp dụng cho các nào.
nhà máy sản xuất quy mô nhỏ.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, vi ñiều khiển phát triển rất với công nghệ hiện ñại,
ứng dụng của vi ñiều khiển ñược dùng nhiều trong sản xuất và ñời
5
6
CHƯƠNG 1 - Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn.
TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG DCS
1.1.1. Tổng quan các giải pháp ñiều khiển 1.1.2.2 Mô hình phân cấp a) Cấp chấp hành b) Cấp ñiều khiển c) Cấp ñiều khiển giám sát
1.1.1.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng ñiều khiển
Khi xây dựng một giải pháp ñiều khiển, ta phải quan tâm 1.1.2.3 Cấu trúc ñiều khiển a), Điều khiển tập trung
tới qui mô và ñặc thù của lĩnh vực ứng dụng.
- Điều khiển các thiết bị và máy móc ñơn lẻ (công nghiệp và
gia dụng).
- Công nghiệp chế biến, khai thác. - Công nghiệp chế tạo, lắp ráp. - Điều khiển các hệ thống giao thông, vận tải. - Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng (dầu khí,
gas, ñiện. 1.1.1.2 Các hệ thống ñiều khiển công nghiệp
Các giải pháp ñiều khiển công nghiệp chia làm hai ứng
Hình 1.3 Cấu trúc ñiều khiển tập trung với vào/ra tập trung. b) Điều khiển tập trung và vào ra phân tán dụng cơ bản:
- Công nghiệp chế biến, khai thác. - Công nghiệp chế tạo, lắp ráp.
1.1.2. Cấu trúc các hệ thống ñiều khiển giám sát
1.1.2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản
Một hệ thống ñiều khiển giám sát bao gồm các chức năng chính sau: - Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành
ghép nối vào/ra, chuyển ñổi tín hiệu.
- Thiết bị ñiều khiển tự ñộng. - Hệ thống ñiều khiển giám sát.
- Hệ thống truyền thông. Hình 1.4: Cấu trúc ñiều khiển tập trung với vào/ra phân tán. c) Điều khiển phân tán
7
8
- Các trạm ñiều khiển cục bộ.
- Các trạm vận hành.
- Trạm kỹ thuật và công cụ phát triển.
- Hệ thống truyền thông.
Hình 1.5: Cấu trúc ñiều khiển phân tán với vào/ra tập trung. d) Điều khiển phân tán với vào ra phân tán
Hình 1.7 : Cấu hình cơ bản của một hệ ñiều khiển phân tán.
1.1.3.2 Phân loại các hệ DCS
Hình 1.6: Cấu trúc ñiều khiển phân tán với vào ra phân tán.
1.1.3. Các thành phần của hệ thống ñiều khiển phân tán a) Các hệ DCS truyền thống Các hệ này sử dụng các bộ ñiều khiển quá trình ñặc chủng theo kiến trúc riêng của nhà sản xuất. b) Các hệ DCS trên nền PLC Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc ñơn giản theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ không cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chóng thu hút sự chú ý trong giới chuyên
1.1.3.1 Cấu hình cơ bản ngành.
9
10
liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số cổng ñầu vào /ra là 5 với 33 chân.Các ñặc tính ngoại vi bao gồm các chức năng sau:
c) Các hệ DCS trên nền PC Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị ñiều khiển không những ñược bàn tới rộng rãi, mà ñã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần ñây.
1.2. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC
- Timer0: Bộ ñếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. - Timer1: Bộ ñếm 16bit với bộ chia tần số. - Timer2: Bộ ñếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. - Hai bộ ñiều chế ñộ rộng xung 10 bit. - 8 kênh chuyển ñối ADC 10 bit.
1.2.3.2. Sơ ñồ khối của PIC
1.2.1. PIC PIC là viết tắt của “ Programable Intelligent Computer” do hãng Genenral Instrument ñặt tên cho vi ñiều khiển ñầu tiên của họ: PIC 1650 ñược thiết kế ñể dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi ñiều khiển CP 1600.
1.2.2. Kiến trúc PIC Tổ chức phàn cứng của PIC ñược thiết kế theo kiến trúc Havard, ñiểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình.
- Đối với kiến trúc Von- Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do ñó ta có thể tổ chức cân ñối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu.
- Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt. Do ñó trong cùng một thời ñiểm CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ như vậy tốc ñộ xử lý của vi ñiều khiển ñược cải thiện dáng kể.
1.2.3. Vi ñiều khiển PIC 16F877A Hình 1.12: Sơ ñồ khối của Pic 16F877A.
1.2.3.3. Tổ chức bộ nhớ
1.2.3.1. Thông số của vi ñiều khiển PIC 16F877A Đây là vi ñiều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có ñộ dài 14 bit, mỗi lệnh ñều ñược thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc ñộ hoạt ñộng tối ña cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14bit, bộ nhớ dữ a) Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình của vi ñiều khiển là bộ nhớ Flash, dung lượng bộ nhớ 8K word( 1word là 14 bit) và ñược phân thành nhiều trang ( từ page0 ñến page 3). Để mã hóa ñược ñịa chỉ
11
12
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MÔ ĐUN GIAO TIẾP THIẾT BỊ NGOẠI VI
2.1. THIẾT KẾ MÔ ĐUN VÀO/RA SỐ
của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ ñếm chương trình có dung lương 13 bit ( PC <12:0>). b) Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu là bộ nhớ EEPROM ñược chia làm 4 bank, mỗi bank có dung lượng 128 byte bao gồm các thanh ghi có chức năng ñặc biệt SFG( Special Funtion Register) nằm ở các vùng ñịa chỉ thấp và các thanh ghi mục ñích chung.
1.2.3.4. Thanh ghi chức năng ñặc biệt
- Thanh ghi STATUS(03H, 83H, 103H, 183H) : thanh ghi
chứa kết quả thực hiện phép toán của khối ALU.
- Thanh ghi OPTION REG (81H, 181H) : thanh ghi cho phép ñọc và ghi, cho phép ñiều khiển chức năng pull-up của các 2.1.1. Mô ñun vào số Ngày nay, trong các nhà máy công nghiệp người ta thường sử dụng các công tắc, hoặc các cảm biến số, các công tắc hành trình… ñể báo hiệu cho trạng thái làm việc của các thiết bị.Có 2 trạng thái ON/OFF ñối với trạng thái ON báo hiệu cho thiết bị ñược vận hành, trạng thái OFF báo hiệu cho thiết bị dừng.Dựa trên hai trạng thái ON/OFF, ta thiết kế mô ñun vào số với hai mức logic 1 và 0 tương ứng với 2 trạng thái ON/OFF.
5VDC
24VDC
R6
4.7K
chân trong PORTB
R7
- Thanh ghi INTCON (0BH, 8BH, 10BH,18BH) : Thanh ghi cho phép ñọc và ghi, chứa các bit ñiều khiển và các bít cờ hiệu khi Timer0 bị tràn.
U1B
- Thanh ghi PIE1 (8CH) : chứa các bit ñiều khiển các ngắt
VAO_2 VAO_1 VAO_1 VAO_1 VAO_1 VAO_1 VAO_1
1.2K
3
4
1
3
của các khối chức năng ngoại vi.
D5
74HC14
2
4
- Thanh ghi PIR1 ( 0Ch) : chứa cờ ngắt của các khối chức
7 1 8 C P O T P O
IN_2
năng ngoại vi.
Hình 2.1: Sơ ñồ mạch ñầu vào số. - Thanh ghi PIE2 (8DH) : chứa các bit ñiều khiển các ngắt của các khối chức năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM.
13
14
NGUON_24VDC
R42
LS1
R40
4.7K
2.2K
5
COMMON
LED
3
D23
R39
OUTPUT_1
4
RA_1
1
3
1 2
220
OPTO
3
R41
2
RELAY
2
4
5VDC
Q1A D468
4.7K
1
D2
DIODE
R3
10K
NGUON_24VDC
J4
PVN1
1
MCLR*/VPP
SCK SDI
1 2
I2C
R46
LS2
R44
4.7K
2.2K
5
SW1
LED
D25
COMMON 3
R43
OUTPUT_2
4
RA_2
1
3
1 2
J3
220
OPTO
6
VAO_1 VAO_2 VAO_3 VAO_4 VAO_5 VAO_6 VAO_7 PGC VAO_8 PGD
2 3 4 5 6 7
33 34 35 36 37 38 39 40
R45
RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREF-/CVREF RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI/C1OUT RA5/AN4/SS*/C2OUT
RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD
5
RELAY
2
4
Q1B D468
SCK SDI
1 2
I2C
4.7K
4
SCK SDI
5VDC
VAO_9 VAO_10 VAO_11 VAO_12 VAO_13 VAO_14 VAO_15 VAO_16
15 16 17 18 23 24 25 26
19 20 21 22 27 28 29 30
C2
RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT
RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7
J5
13
D21
OSC1/CLKIN
C1
8 9 10
DIODE
Y 1 20MHZ
RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7
R38
10K
14
OSC2/CLKOUT
J10
MCLR VSS VDD PGD PGC
1 2 3 4 5
22P
PVN2
11 32
1
12 31 VSS VSS
VDD VDD
MCLR*/VPP
SCK SDI
1 2
I2C
PIC16F877A
NAP_CHIP
SW2
5VDC
J9
RA_1 RA_2 RA_3 RA_4 RA_5 RA_6 RA_7 RA_8
PGC PGD
2 3 4 5 6 7
33 34 35 36 37 38 39 40
RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREF-/CVREF RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI/C1OUT RA5/AN4/SS*/C2OUT
RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD
SCK SDI
1 2
I2C
Hình 2.3: Sơ ñồ mạch ñầu ra số.
SCK SDI
15 16 17 18 23 24 25 26
19 20 21 22 27 28 29 30
C6
RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT
RD0/PSP0 RD1/PSP1 RD2/PSP2 RD3/PSP3 RD4/PSP4 RD5/PSP5 RD6/PSP6 RD7/PSP7
13
J11
OSC1/CLKIN
C5
8 9 10
Y 2 20MHZ
RE0/RD*/AN5 RE1/WR*/AN6 RE2/CS*/AN7
14
OSC2/CLKOUT
MCLR VSS VDD PGD PGC
1 2 3 4 5
22P
11 32
12 31 VSS VSS
VDD VDD
PIC16F877A
NAP_CHIP
5VDC
Hình 2.2: Mạch ñiều khiển ñầu vào số.
Hình 2.4: Sơ ñồ mạch ñiều khiển Môñun ra số. 2.1.2. Mô ñun ra số Để ñiều khiển các thiết bị có trạng thái hoạt ñộng ON/OFF như Van ñiện từ, các Relay, Contactor… người ta chỉ việc cấp nguồn 220 hoặc 24VDC ñể cho các thiết bị hoạt ñộng. Vì vậy dựa trên nguyên lý làm việc ON/OFF ta thiết kế Môñun ra số 8 ngõ ra, có chức năng xuất tín hiệu ñiều khiển trạng thái ON/OFF tương ứng với mức Logic 0 và 1 của vi ñiều khiển.
15
16
2.2. MÔ ĐUN ĐẦU VÀO ANALOG 2.2.2.3. Sơ ñồ khối và nguyên lý làm việc của của ADC
a) Sơ ñồ khối
Hình 2.6: Sơ ñồ khối của ADC.
b) Nguyên lý làm việc của ADC
2.2.1. Tín hiệu Analog Là hàm của 1 hoặc nhiều biến ñộc lập, ñại lượng vật lý theo thời gian như : tiếng nói, nhiệt ñộ… theo thời gian A=f(t,h).Xuất hiện liên tục trong khoảng thời gian từ t0 – t1. Giá trị biến thiên liên tục trong khoảng biên ñộ từ A0- A1. Để ñọc ñược các giá trị cần phải rời rạc hóa các tín hiệu về thời gian và giá trị, dùng thiết bị chuyển ñối ADC tạo ra các tín hiệu số ñể: Trước hết, mạch lấy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời ñiểm khác
nhau ñều và cách ñều nhau (rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian),
giữ cho biên ñộ ñiện áp tại các thời ñiểm lấy mẫu không ñổi trong
- Xử lý và lưu trữ dữ liệu. - Truyền gửi ñi xa. - Tái tạo lại hay tổng hợp lại tín hiệu. quá trình chuyển ñổi tiếp theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu ñược ñưa
2.2.2. Bộ chuyển ñổi ADC tới mạch lượng tử hoá ñể thực hiện làm tròn với biên ñộ chính
xác.Sau mạch lượng tử hoá là mạch mã hoá. Trong mạch mã hoá,
kết quả lượng tử hoá ñược sắp xếp lại theo một quy luật nhất ñịnh
phụ thuộc vào loại mã yêu cẩu tên ñầu ra của bộ chuyển ñổi. c) Phân loại chuyển ñổi ADC
- Phương pháp chuyển ñổi song song: Trong phương pháp 2.2.2.1. Khái niệm Là thiết bị có 2 chức năng:+ Rời rạc hóa tín hiệu theo thời gian.+ Số hóa tín hiệu về biên ñộ(Lượng tử hóa).Phân loại: - Chuyển ñổi trực tiếp: u(t) => code. - Chuyển ñổi gián tiếp: u(t) => ñại lượng trung gian =>
này tín hiệu ñược so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. code.
2.2.2.2. Nguyên lý cơ bản của chuyển ñổi tương tự Do ñó tất cả các bit ñược xác ñịnh ñồng thời và ñưa ñến ñầu ra.
Tín hiệu tương tự là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, tín - Phương pháp biến ñổi theo mã ñếm:Ở ñây, quá trình so
hiệu số mã hoá là rời rac theo thời gian. Như vậy, nguyên lý chung
của sự chuyển ñổi là:
- Lấy mẫu . sánh ñược thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã ñếm. Kết quả chuyển ñổi ñược xác ñịnh bằng cách ñếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa ñược trong giá trị tín hiệu tương tự cần
- Nhớ mẫu . chuyển ñổi.
- Lượng tử hoá . - Phương pháp biến ñổi nối tiếp theo mã nhị phân:Qúa trình
- Mã hoá . so sánh ñựoc thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị
phân. Các ñơn vị chuẩn dùng ñể so sánh lấy các giá trị giảm dần, do
17
18
ñó các bit ñược xác ñịnh lần lượt từng bit có nghĩa lớn nhất ñến bit 2.3. MÔ ĐUN ĐẦU RA ANALOG
nhỏ nhất.
2.3.1. Bộ chuyển ñổi DAC Chuyển ñổi số -tương tự (DAC) là một khâu không kém phần quan
- Phương pháp biến ñổi song song nối tiếp kết hợp:Trong phương phápnàymỗi bước so sánhcó thể ñược xác ñịnh ñược tối
thiểu là 2 bit ñồng thời.
2.2.3. ADC của PIC 16F877A trọng trong một hệ thống ño lường và ñiều khiển bằng máy tính. Để ñiều khiển một hệ thống như ñiều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lò nhiệt dùng trong công nghiệp haynhư ñiều khiển ñộng cơ ñiện ...
thì máy tính cần phát ra tín hiệu ñiều khiển. Tín hiệu này là tín hiệu số
vì thế trong hâù hết các hệ thống tự ñộng hoá cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tương tự. 2.3.2. Sơ ñồ khối và nguyên lý làm việc
Để lấy ñược tín hiệu tương tự từ tín hiệu số là tín hiệu rời rạc theo
thời gian, tín hiệu này ñược ñưa qua một bộ lọc thông thấp lý tưởng.
Pic 16F887A có 8 ngõ vào Analog, hiệu ñiện thế chuẩn VREF có thể ñược lựa chọn là VDD hoặc VSS hay hiệu ñiện thế chuẩn ñược xác lập trên 2 chân RA2, RA3.Kết quả chuyển ñổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bít số tương ứng ñược lưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL. Khi quá trình chuyển ñổi hoàn tất, kết quả ñược lưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit ADCON0(2) ñược xóa về 0 và cờ ngắt ADIF ñược set.
R77
24VDC
2.2.4. Sơ ñồ mạch Mô ñun ñầu vào Analog
R74
LM358
4
Hình 2.8 : Sơ ñồ khôi phục tín hiệu tương tự.
2
-
INPUT_AD1
1
R76
250
3
2.3.3. Các phương pháp chuyển ñổi số sang tương tự
+
R75
8
U14A
2.3.3.1. Chuyển ñối bằng phương pháp ñấu ñiện trở R – 2R
12
J18
R78
2.3.3.2. Chuyển ñổi bằng phương pháp Shannon – Rack
INPUT_AD
2.3.4. Sơ ñồ mạch ñầu ra Analog
Hình 2.7: Sơ ñồ mạch ñầu vào Analog.
19
20
2.3.4.1. Mạch khuếch ñại ñiện áp CHƯƠNG 3
8
AD_OUT
3
+
1
2
-
100K
10K
100
4
THIẾT KẾ VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH
0.1UF
LM358
3.1. GIỚI THIỆU MẠNG CÔNG NGHIỆP
10K
3.1.1. Mạng công nghiệp
47
Mạng công nghiệp hay mạng truyền thông công nghiệp là một khái
J40
niệm chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, ñược
1 2
sử dụng ñể ghép nối các thiết bị công nghiệp.
OUTPUT_AD
3.1.2. Phân loại của hệ thống mạng công nghiệp
Cấp cao nhât là cấp Quan lý, cấp thấp nhất là Chấp hành,
càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn ñòi hỏi
Hình 2.11 : Sơ ñồ mạch khuếch ñại ñiện áp. yêu cấu cao hơn về ñộ nhạy và thời gian ñáp ứng. Một chức năng ở
trên ñược thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, không ñòi hỏi
2.3.4.2. Mạch chuyển áp thành dòng thời gian ñáp ứng nhanh như cấp dưới, nhưng lượng thông tin cần
U20A
8
R143
trao ñổi và xử lý lớn hơn nhiều.
AD_OUT
3
+
1
R146
2
-
100K
3.1.3. Cấu trúc Master/Slaver
10K
4
LM358
C19 0.1UF
Trong cấu trúc chủ/tớ, một trạm chủ (Master) có trách nhiệm
10K
R147
chủ ñộng phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slaver).
Các trạm tớ ñóng vai trò bị ñộng, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi
R142
100K
R149
R151
tín hiệu ñi khi có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi
8
10K
10K
tuần tự (polling) theo chu kỳ ñể kiểm soát toàn bộ hoạt ñộng giao tiếp
5
R141
100
+
7
6
-
của cả hệ thống.
LM358
10k
10k
4
R148
3.2. GIỚI THIỆU MSSP TRONG VI ĐIỀU KHIỂN PIC
R145
47
J40
100K
3.2.1. SPI
1 2
Chuẩn giao tiếp SPI cho phép truyền nhận ñồng bộ. Ta cần
OUTPUT_AD
sữ dụng 4 pin cho chuẩn giao tiếp này
Hình 2.12: Sơ ñồ mạch tạo dòng ñiện. - RC5/SDO: ngõ ra dữ liệu dạng nối tiếp (Serial Data output).
21
22
- RC4/SDI/SDA: ngõ vào dữ liệu dạng nối tiếp (Serial Data
Input). Đây là một dạng khác của MSSP. Chuẩn giao tiếp I2C cũng có hai chế ñộ Master, Slave và cũng ñược kết nối với ngắt. I2C sẽ
- RC3/SCK/SCL: xung ñồng bộ nối tiếp (Serial Clock). sử dụng 2 pin ñể truyền nhận dữ liệu:
- RA5/AN4/SS/C2OUT: chọn ñối tượng giao tiếp (Serial Select)
khi giao tiếp ở chế ñộ Slave mode.
3.2.1.1. SPI Master Mode
Ở chế ñộ Master mode, vi ñiều khiển có quyền ấn ñịnh thời
- RC3/SCK/SCL:chân truyền dẫn xung clock. - RC4/SDI/SDA: chân truyền dẫn dữ liệu.Các khối cơ bản trong sơ ñồ khối của I2C không có nhiều khác biệt so với SPI. Tuy nhiên I2C còn có thêm khối phát hiện bit Start và bit Stop của dữ liệu (Start and Stop bit detect) và khối xác ñịnh ñịa chỉ (Match ñiểm trao ñổi dữ liệu (và ñối tượng trao ñổi dữ liệu nếu cần) vì nó ñiều
khiển xung clock ñồng bộ. Dữ liệu sẽ ñược truyền nhận ngay thời detect).
ñiểm dữ liệu ñược ñưa vào thanh ghi SSPBUF. Nếu chỉ cần nhận dữ 3.2.2.1. I2C Slaver Mode
liệu, ta có thể ấn ñịnh chân SDO là ngõ vào (set bit TRISC<5>). Dữ 3.2.2.2. I2C Master Mode
3.3. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC MÔ ĐUN liệu sẽ ñược dịch vào thanh ghi SSPSR theo một tốc ñộ ñược ñịnh sẵn
cho xung clock ñồng bộ. Sau khi nhận ñược một byte dữ liệu hoàn chỉnh, 3.3.1. Chương trình ñiều khiển Mô ñun Vào/Ra số
byte dữ liệu sẽ ñược ñưa dào thanh ghi SSPBUF, bit BF ñược set và ngắt 3.3.1.1. Chương trình ñiều khiển của Mô ñun Vào số
Nhiệm vụ của vi ñiều khiển Slaver ñọc giá trị từ 2 cổng Port xảy ra..
3.2.1.2. SPI Slaver Mode B, D sau ñó lưu dữ liệu. Kiểm tra xem Master có yêu cầu truyền dữ
Ở chế ñộ này SPI sẽ truyền và nhận dữ liệu khi có xung ñồng liệu thì truyền dữ liệu ñã lưu lên cho Master.
3.3.1.2. Chương trình ñiều khiển của Mô ñun Ra số bộ xuất hiện ở chân SCK. Khi truyền nhận xong bit dữ liệu cuối cùng,
cờ ngắt SSPIF sẽ ñược set. Slave mode hoạt ñộng ngay cả khi vi ñiều Nhiệm vụ của vi ñiều khiển Slaver kiểm tra xem Master có
khiển ñang ở chế ñộ sleep, và ngắt truyền nhận cho phép “ñánh thức” vi gửi dữ liệu không.Nếu có lưu giá trị Master truyền ñến , sau ñó xuất
ñiều khiển. Khi chỉ cần nhận dữ liệu, ta có thể ấn ñịnh RC5/SDO là ngõ ra Port B.
vào (set bit TRISC<5>). Slave mode cho phép sự tác ñộng của chân ñiều 3.3.2. Chương trình ñiều khiển của Mô ñun Vào Analog
khiển RA5/A4/SS/C2OUT(SSPCON<3:0> =0100). Khi chân Nhiệm vụ vi ñiều khiển Slaver là ñọc tín hiệu Analog từ các
RA5/A4/SS/C2 ở mức thấp, chân RC5/SDO ñược cho phép xuất dữ liệu chân Port A, sau ñó lưu giá trị. Kiểm tra Master có yêu cầu gửi dữ
và khi RA5/A4/SS/C2OUT ở mức cao, dữ liệu ra ở chân RC5/SDO bị liệu không, nếu có truyền dữ liệu ñã lưu ñến Master.
khóa, ñồng thời SPI ñược reset (bộ ñếm bit dữ liệu ñược gán giá trị 0). 3.3.3. Chương trình ñiều khiển của Mô ñun Ra Analog
3.2.2. I2C
23
24
Nhiệm vụ của vi ñiều khiển Slaver kiểm tra xem Master có
gửi dữ liệu không.Nếu có lưu giá trị Master truyền ñến , sau ñó xuất
ra 2chân tạo xung.
3.3.4. Chương trình ñiều khiển của Mô ñun Master
Nhiệm vụ của Master là ñọc giá trị của các Slaver và Máy
tính truyền về, sau ñó xử lý và truyền ñến Slaver và Máy tính. Master
giao tiếp với các Slaver bằng chuẩn giao tiếp I2C, giao tiếp với máy
tính theo chuẩn RS232.
3.4. GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH
3.4.1. Giới thiệu giao tiếp cổng nối tiếp
3.4.1.1. Cấu trúc cổng nối tiếp
3.4.1.2. Truyền thông giữa hai nút
3.4.2. Giao tiếp nối tiếp USART
3.4.2.1. USART
3.4.2.2. USART bất ñồng bộ
Hình 3.36: Mạng vi ñiều khiển PIC. 3.4.2.3. USART ñồng bộ
3.5.4. Mô hình mô phỏng 3.5. KẾT LUẬN
3.5.4.1. Nguyên lý hoạt ñộng 3.5.1. Mô ñun vào/ ra số
3.5.4.2. Kết nối với các Mô ñun ñiều khiển 3.5.1.1. Mô ñun vào số
3.5.4.3. Lưu ñồ thuật toán 3.5.1.2. Mô ñun ra số
3.5.4.4. Kết quả ñạt ñược ñối với mô hình mô phỏng 3.5.2. Mô ñun vào/ ra Analog
3.5.2.1. Mô ñun vào Analog
3.5.2.2. Mô ñun ra Analog
3.5.3. Mô ñun Master và Giao diện ñiều khiển
3.5.3.1. Mô ñun Master
3.5.3.2. Giao diện ñiều khiển
3.5.3.3. Kết nối thiết bị ngoại vi
26
25
2. PHẠM VI ỨNG DỤNG KẾT LUẬN
1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
Sau khi thiết kế chế tạo, mô hình mạng vi ñiều khiển
Pic ñạt ñược một số kết quả sau:
+ Mô ñun vào / ra số giao tiếp thành công với các
Với kết quả nghiên cứu ñược, ñề tài mở ra hướng ứng dụng vào trong các xí nghiệp vừa và nhỏ. Khi áp dụng ñề tài vào thực tiễn sản xuất sẽ góp phần giảm ñáng kể chi phí ñầu tư. Đề tài có thể ứng dụng cho việc ñiều khiển và giám sát nhiệt ñộ trong sản xuất.
thiết bị ñiều khiển ON/OFF . Trong mô hình mô phỏng ñã giao tiếp
với các công tắc và các ñèn Led hiển thị. Vì vậy , khi áp dụng vào
thực tế trong sản xuất Mô ñun này sẽ giao tiếp và ñiều khiển ñược
Ngoài ra ñề tài có thể làm mô hình dạy học vi ñiều khiển cho sinh viên, với mô hình này sinh viên sẽ có hình dung ñược kiến thức mình học ñược áp dụng trong thực tế.
3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN các thiết bị như Van ñiện từ, cảm biến, công tắc hành trình…
Để ñề tài phát triển hoàn thiện hơn, cần áp dụng các
vi ñiều khiển ñời mới hơn. Với các chip vi ñiều khiển mói như AMR
thì nhiều chức năng ñược cải thiện lên, có thể giao tiếp qua mạng + Mô ñun vào Analog kết nối ñược với cảm biến nhiệt 4 - 20 mA cho ñộ sai số so với thực tế là 1-20C. Với Mô ñun này bảo vệ chống nhiễu chưa tốt nên cho sai số do nhiễu. Vì vậy, ñể
áp dụng vào thực tế cần phải tăng khả năng chống nhiếu ñể giảm Profibus ñây là hướng ñi mới.
thiểu sai số so với thực tế. Ngoài ra ñể tăng khả năng xử lý tín hiệu tương tự có thể sử
+ Mô ñun ra Analog khi kết nối với mô hình mô dụng các loại chíp chuyên về xử lý tín hiệu tương tự, qua ñó làm tăng
phỏng ñiều khiển ñộ sáng của Led với khoãng ñiều chình là giá trị ñộ chính xác và ñộ ổn ñịnh.
10bit ( 0-10VDC). Khi áp dụng mô ñun vào thực tế có thể dùng ñể
giao tiếp biến tần ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ
+ Giao tiếp với máy tính ñể giám sát và ñiều khiển
thiết bị ngoại vi.
Đối với mô hình mô phỏng mạng vi ñiều khiển, mô hình ñã
thực hiện ñúng chu trình và thông qua máy tính có thể ñiều chỉnh
hoạt ñộng của mô hình. Tuy nhiên, thời gian ñáp ứng còn chậm cần
phải tăng khả năng ñáp ứng so với thời gian thực.
