Thiết kế hộp đen cho thiết bị giao thông, cập nhật trên máy tính

Lời nói đầu Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay việc sử dụng các vi điều khiển trong các hệ thống điện tử rất phổ biến cả về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết b

Lời nói đầu

Trong sự phát triển của kỹ thuật điện tử ngày nay việc sử dụng các vi điều khiển trong các hệ thống điện tử rất phổ biến cả về số lượng các ứng dụng của nó trên nhiều thiết bị điện tử từ dân dụng cho đến chuyên dụng, trong nhiều lĩnh vực như

đo lường, điều khiển,…Nhờ vào ưu điểm của nó và cùng với sự phát triển kỹ thuật

số với nền tảng là các mạch logic số dựa trên sự kết hợp của các cổng logic cơ bản

mà ngày nay đã được tích hợp trong các IC số Việc sử dụng màn hình máy tính để hiển thị thông tin nhằm mục đích điều khiển, giám sát,lấy thông tin tại các đối tượng cần khai thác

Trên cơ sở những kiến thức đã được học trong môn học kỹ thuật vi xử lý và điện

tử số Em được giao đề tài: “Thiết kế hộp đen cho thiết bị giao thông, cập nhật trên máy tính” Mục đích là tìm hiểu sâu hơn về vi điều khiển và lĩnh vực kỹ

thuật số để có thể nâng cao kiến thức của mình

Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của em còn rất nhiều sai sót, hạn chế Mặc dù đã cố gắng phần nào thiết kế và tính toán một cách chi tiết các mạch, các thông số nhưng đôi khi còn mang tính lý thuyết,chưa thực tế Em mong có sự góp ý và sửa chữa để đề tài này có tính khả thi hơn về cả phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật

Chương 1:Tổng quan về hộp đen trên ôtô

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, hầu hết các phương tiện giao thông quan trọng đều đã được lắp hộp đen như: máy bay (đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước), các tàu đường sắt cao tốc, vệ tinh, tàu ngầm lò phản ứng hạt nhân… nhằm

hỗ trợ cảnh sát điều tra khi tai nạn xảy ra và để người ta có thể giám sát được hành trình của xe trong quá trình vận hành, định vị trí, tốc độ, khoảng cách dịch chuyển, trạng thái lắp mở động cơ, thiết bị điều hòa, đóng mở cửa, trạng thái xăng dầu

Thời gian gần đây, hàng loạt những vụ tai nạn giao thông đường bộ do ôtô gây

ra thường hết sức thảm khốc, làm thiệt hại lớn về người và tài sản, đặc biệt là những vụ tai nạn do ôtô khách gây ra hậu quả nặng nề hơn vì số người thương vong lớn, để lại nỗi đau mất mát và hậu quả lâu dài cho nhiều gia đình và xã hội Trước thực trạng đó, việc áp dụng rộng rãi hộp đen trong quản lý xe khách là một yêu cầu bức thiết góp phần giảm thiểu những tai nạn này

Hộp đen thực chất chỉ là một thiết bị ghi nhận diễn biến hành trình, nguyên tắc là thu nhận các tín hiệu từ các cảm biến: tốc độ, áp suất, nhiệt độ, mức, góc trục quay, để xử lý, đưa ra các chỉ thị cảnh báo trên đèn, còi, đồng hồ, hoặc điều khiển các

cơ cấu chấp hành: cuộn dây van điện từ, kim phun nhiên liệu,

Nó được kết cấu khá bền vững, chịu được va đập với áp lực cao, không bị phá hủy

vì nhiệt và không thấm nước, nhất là khó can thiệp từ bên ngoài để điều chỉnh hoặc làm sai lệch các thông số đã ghi Kết cấu của hộp đen được thiết kế tùy thuộc vào mục đích sử dụng và đặc điểm về môi trường, không gian lắp đặt, do vậy hộp đen

có hình thức, cấu trúc phức tạp, mức độ tinh xảo và tên gọi có thể khác nhau và tất nhiên là giá thành cũng khác nhau

1.2 Cấu tạo của hộp đen

Hình 1.1 : Hình dáng bên ngoài của hộp đenHộp đen được thiết kế đặc biệt giúp nó chịu được va đập (3.400 Gs), sức ép (227kg/6,5cm2), nhiệt độ (1.1000 C), nước muối (dưới đáy biển) 24-30 ngày không

gỉ, không hư hại

Hình 1.2: Cấu tạo bên trong của hộp đen

Trong rất nhiều vụ tai nạn máy bay, thiết bị duy nhất còn hoạt động được chính là phần lõi của hai hộp đen được thiết kế có thể chống va đập cực mạnh (CSMU) CSMU có hình trụ được đặt bên trong các hộp đen Đây là phần còn nguyên vẹn cho dù những bộ phận khác của hộp đen bị hư hại trong tai nạn vì được thiết kế để chịu được nhiệt độ cực lớn và va đập có lực ép hàng tấn Để đảm bảo độ bền hộp

đen, nhà sản xuất phải tiến hành thử nghiệm đặc biệt tỉ mỉ đối với bộ phận lõi CSMU Nếu các nhà điều tra có thứ này trong tay họ sẽ lấy lại được các thông tin

họ cần Những thử nghiệm của nhà sản xuất đối với phần lõi hộp đen thường là thử

va đập cực mạnh giống một vụ tai nạn thực sự, thử lửa, thử ngập sâu dưới đáy biển

có độ muối cao hay ngâm trong chất lỏng có nhiều hóa chất Thông thường hộp đen có thể chịu được nhiệt độ cao tới 1.100 độ C trong 30 phút liên tục và ngâm dưới độ sâu lên tới 6.100 mét trong 30 ngày

1.3 Nguyên lý hoạt động của hộp đen

Khi hộp đen được lắp trên máy bay, Trên mối chiếc máy bay đều có hai thiết bị cùng được gọi là hộp đen gồm Máy ghi âm buồng lái (CVR) và Máy ghi dữ liệu chuyến bay (FDR) Cả hai đều hoạt động từ nguồn điện lấy từ máy phát sản sinh điện từ động cơ máy bay

Hình 1.3: Máy ghi âm buồng lái

a.Máy ghi âm buồng lái (CVR)

Tất cả các máy bay thương mại ngày nay đều có các microphone gắn trong buồng lái, nhằm lưu lại mọi liên lạc và trao đổi của phi hành đoàn Các microphone này cũng được thiết kế để bắt được mọi tiếng động khác trong buồng lái như tiếng bật công tắc, gõ cửa Thông thường mỗi buồng lái máy bay có 4 microphones được gắn trong tai nghe của cơ trưởng, tai nghe của phi công phụ lái, tai nghe của thành

viên thứ ba phi hành đoàn và gắn tại trung tâm buồng lái, nơi có thể ghi lại các tín hiệu báo động và những âm thanh khác Mỗi chiếc microphone này nối trực tiếp tới hộp đen CVR Mọi âm thanh trong buồng lái đều được các microphone này thu lại và chuyển tới CVR, nơi tiến hành mã hóa và lưu trữ Hầu hết các CVR sử dụng công nghệ băng từ có thể ghi lại 30 phút âm thanh, khi nào hết lại ghi lại từ đầu

Do đó chúng luôn ghi lại 30 phút trao đổi cuối cùng trong buồng lái trước khi tai nạn xảy ra Trong khi đó, hộp đen CVR sử dụng công nghệ thể rắn có thể ghi được tới 2 tiếng âm thanh

b.Máy ghi dữ liệu chuyến bay (FDR)

Chiếc hộp đen thứ hai trên máy bay này được thiết kế để ghi lại nhiều dữ liệu hoạt động từ các hệ thống vận hành trên máy bay Có các cảm biến điện tử được nối từ nhiều vị trí trên máy bay tới thiết bị thu nhận dữ liệu chuyến bay Từ đây dữ liệu tiếp tục được chuyển về hộp đen FDR lưu trữ Bất cứ công tắc nào trên máy bay được bật hoặc tắt cũng đều được FDR ghi lại Tại Mỹ, Cơ quan quản lý hành không liên bang (FAA) của nước này quy định máy bay thương mại phải ghi lại tối thiểu 11 tới 29 thông số của chuyến bay tùy quy mô chở khách của máy bay Các hộp đen FDR dùng công nghệ băng từ có thể ghi tối đa 100 thông số, trong khi FDR dùng công nghệ thể rắn có thể ghi lại hơn 700 thông số Công nghệ thể rắn có thể lưu nhiều thông số hơn vì chúng cho phép dữ liệu được truyền nhanh hơn FDR thể rắn có thể lưu tới 25 tiếng dữ liệu chuyến bay và mỗi thông số đều cho phép các nhà điều tra có thêm đầu mối để xác định nguyên nhân tai nạn.Những thông số chính của chuyến bay mà hầu hết các FDR đều phải ghi lại gồm thời gian bay, áp suất, tốc độ bay, gia tốc thẳng đứng, ví trí các bộ phận cánh và lưu lượng của nhiên liệu

Nếu khi xảy ra tai nạn thì Sau khi tìm thấy hộp đen, người ta sẽ bảo vệ nó trong môi trường mà từ đó chúng được tìm ra cho đến khi được tháo rời để khôi phục để tránh bị thiệt hại thêm Sau khi đưa đến phòng thí nghiệm, các nhà khoa học tải các

dữ liệu từ hai bộ phận của hộp đen và cố gắng tái tạo các dữ kiện của tai nạn Quá trình này có thể chỉ mất vài chục phút nếu hộp đen còn nguyên vẹn nhưng cũng có thể mất vài tuần hoặc vài tháng để hoàn thành Các nhà sản xuất hộp đen thường cung cấp cho nhà điều tra hệ thống đọc hộp đen và các phần mềm khôi phục cần thiết để phân tích đầy đủ các số liệu lấy từ chúng.

Chương 2: Vi điều khiển 8051 và các vi mạch phụ trợ

2.1.Tổng quan về vi điều khiển

2.1.1 Cấu trúc chung của họ vi điều khiển 8051

Hình 2.1: Cấu trúc chung của họ vi điều khiển 8051

Trong phần này chúng ta nghiên cứu các thanh ghi chính của 8051 và trình bày cách sử dụng với các lệnh đơn giản MOV và ADD

Các thanh ghi

Trong CPU các thanh ghi được dùng để lưu cất thông tin tạm thời, những thông tin này có thể là một byte dữ liệu cần được sử lý hoặc là một địa chỉ đến dữ liệu cần được nạp Phần lớn các thanh ghi của 8051 là các thanh ghi 8 bit Trong 8051 chỉ có một kiểu dữ liệu: Loại 8 bit, 8 bit của một thanh ghi được trình bày như sau:

Với MSB là bit có giá trị cao nhất D7 cho đến LSB là bit có giá trị thấp nhất D0 (MSB -Most Sigfican bit và LSB - Leart Significant Bit) Với một kiểu dữ liệu 8 bit thì bất kỳ dữ liệu nào lớn hơn 8 bit đều phải được chia thành các khúc 8 bit trước khi được xử lý Vì có một số lượng lớn các thanh ghi trong 8051 ta sẽ tập trung vào một số thanh ghi công dụng chung đặc biệt trong các chương kế tiếp Các thanh ghi được sử dụng rộng rãi nhất của 8051 là A (thanh ghi tích luỹ), B,

R0 - R7, DPTR (con trỏ dữ liệu) và PC (bộ đếm chương trình) Tất cả các dữ liệu trên đều là thanh ghi 8 bit trừ DPTR và PC là 16 bit Thanh ghi tích luỹ A được sử dụng cho tất cả mọi phép toán số học và lôgíc.

• Mô tả chân của 8051:

Mặc dù các thành viên của họ 8051 (ví dụ 8751, 89C51, DS5000) Tuy nhiên, vì hầu hết các nhà phát triển chính sử dụng chíp đóng vỏ 40 chân với hai hàng chân DIP nên ta chỉ tập chung mô tả phiên bản này

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí chân của 8051

Trên hình là sơ đồ bố trí chân của 8051 Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân

dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi cổng có 8 chân Các chân còn lại được dành cho nguồn VCC, đất GND, các chân giao động XTAL1 và XTAL2 tái lập RST cho phép chốt địa chỉ ALE truy cập được địa chỉ ngoài EA , cho phép cất chương trìnhSEN

Trong 8 chân này thì 6 chân VCC , GND, XTAL1, XTAL2, RST và EA được các

họ 8031 và 8051 sử dụng Hay nói cách khác là chúng phải được nối để cho hệ thống làm việc mà không cần biết bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 hay 8031 Còn hai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống dựa trên

8031

Các chế độ đánh địa chỉ của 8051

Các chế độ đánh địa chỉ khác nhau của bộ vi xử lý được xác định như nó được thiết kế và do vậy người lập trình không thể đánh địa chỉ khác nhau là:

1 tức thời 2 Theo thanh ghi 3 Trực tiếp

4 gián tiếp qua thanh ghi 5 Theo chỉ số

Đặc điểm chính của họ vi xử lý 8051:

- 4k byte ROM, 128k byte RAM

- 4 port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian nhớ chương trình ngoài

- 64k byte không gian nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý bit ( thao tác trên các bit riêng rẽ )

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

- Nhân /chia trong 4 µs

2.2 Giới thiệu về encoder

a.Tổng quát về encoder

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder ( encoder tuyệt đối ) và incremental ( encoder tương đối ) Đối với loại encoder tuyệt đối thì tín hiệu ta

nhận được, chỉ rõ ràng vị trí của encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm cũng biết chính xác vị trí của encoder Còn đối với encoder tương đối thì loại này chỉ có

1, 2, hoặc 3 vòng lỗ Ta có thể hình dung như thế này, nếu bây giờ ta đục thêm một

lỗ trên một cái đĩa quay thì cứ mỗi lần quay được 1 vòng ta sẽ nhận được tín hiệu

và ta biết được đĩa quay được 1 vòng Nếu bây giờ trên đĩa đó có nhiều lỗ hơn thì

ta sẽ có được những thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng tùy theo số lỗ nằm trên encoder

Hình 2.3 Đĩa encoder.

b, Nguyên lý hoạt động của encoder

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder

Hinh 2.4 Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder.

a Với encoder tuyệt đối

Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học như sau:

Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành

4 phần bằng nhau Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng

Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được

độ chính xác đến 1/(2n) vòng

Thế làm sao để xác định 2n trạng thái này của đĩa encoder?

Ta xét hình sau:

Hình 2.5 Đĩa encoder có 2 vòng đĩa

Ở hình trên ta thấy rằng ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau Như vậy chúng ta cần 2 đèn led

để phát xuyên qua 2 lỗ, và 2 đèn thu

Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất ( trong cùng ), đèn đọc đang nằm ở hai vị trí có lỗ

hở thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1 Và ở vòng lỗ thứ 2, thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị là 0 Như vậy với đĩa có 10 vòng, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng

Hình 2.6 Đĩa encoder 8 vòng

b Encoder tương đối

Nhận thấy một điều rằng, encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó, việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này không có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công

chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước giới hạn này.

Hoạt động của encoder tương đối bằng cách tăng lên 1 đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung

Hình 2.7 Encoder tương đối.

Ta thấy cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết 1 vòng Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết 1 vòng Để giải quyết vấn đề này, ta đưa thêm vào 1 lỗ định vị để đếm số vòng

đã quay của encoder Như vậy, cho dù có lệch xung mà chúng ta vẫn thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị này thì chúng ta vẫn biết là encoder đã bị đếm sai

ở đâu Nếu vì một rung động nào đó mà chúng ta không thấy encoder qua lỗ định

vị, vậy thì từ số xung, và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder

Hình 2.8 Encoder có lỗ định vị.

Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết encoder đang xoay theo chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu encoder cũng chỉ là các xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau Chính vì vậy, người ta đặt thêm một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị như hình sau

c, Thuật toán đo tốc độ động cơ

Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo bên trong của encoder.

Thuật toán đơn giản mà được dùng rất phổ biến là ngắt thời gian để đếm xung từ encoder cụ thể như sau :

+ Tạo một module thời gian ở đây là timer 16 có thời gian là 0.01s, module Cou ter 8 đếm xung từ 0 đến 255 (Nó đếm lần lượt từ 0 đến 255 và đến 255 thì lại trở về chu kì mới)

+ Sử dụng ngắt timer 16 (Có nghĩa là cứ 0.01s là chương trình lại xẩy ra ngắt 1 lần) Trong hàm ngắt chúng ta xử lý số liệu mà số xung từ encoder được đưa

về vi điều khiển Vì Couter nó chỉ đếm được từ 0 đến 255 để bao gồm cả trường hợp trong 0.01s mà số xung nó lớn hơn 255 (Hay 0.01s nó được được trên 255 xung) Do đó chúng ta cần phải có 2 giá trị đếm của couter : Giá trị đếm mới (newcount), giá trị đếm cũ (oldcount)

* Giá trị đếm cũ = Giá trị đếm mới:

* Khởi tạo cho newcount = 255 - giá trị xung đếm

* Nếu mà giá trị oldcount > newcount thì giá trị xung cuối cùng là : count =

2.3 Giao tiếp VĐK với máy tính thông qua cổng RS232

Bộ vi điều khiển AT89S51 có khả năng giao tiếp với thiết bị ngoại vi qua cổng nối tiếp Vấn đề này duy nhất khi giao tiếp với máy tính là mức logic ở bộ vi điều khiển và cổng COM của máy tính khác với nhau

So sánh điện áp ở các mức logic giữa RS232C và TTL