NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH TRÊN CẢM BIẾN ÁNH SÁNG / TẦN SỐ DÙNG MC68HC11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI – 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học vừa qua

Với tình cảm chân thành, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS.Hồ Văn Sung, người đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm hết sức quí báu trong suốt thời gian vừa qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới CN.Trần Ngọc Quý, các anh chị đang công tác tại Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông, khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá luận

Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những tình cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn thể bạn bè những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Mục Lục

Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN 3

1.1 Tổng quan về cảm biến (sensor) 3

1.2 Cảm biến ánh sáng 4

1.2.1 Ánh sáng và phép đo quang 4

1.2.1.1 Tính chất của ánh sáng 4 1.2.1.2 Đơn vị đo năng lượng quang 4 1.2.2 Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện 5

1.2.2.1 Tế bào quang dẫn 5 1.2.2.2 Photodiode 6 1.2.2.3 Phototransistor 8 1.2.2.4 Cảm biến quang phát xạ 9 1.3 Cảm biến ánh sáng/ tần số 9

1.3.1 Sơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số 10

1.3.2 Sơ đồ nguyên lý 10

1.4 Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến 10

1.5 Cảm biến thông minh 12

1.6 Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số ) 13

Chương 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH 16

2.1 Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số 16

2.2 Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh

16 2.2.1 Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian

16 2.2.2 Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian 17

2.3 Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã 18

2.3.1 Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp 19

2.3.2 Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ) 22

2.3.3 Phương pháp kết hợp hai bộ đếm 28

2.4 Các phép toán xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh / tần số

29 2.4.1 Toán tử cộng và trừ 30

2.4.2 Bộ nhân và bộ chia 31

2.4.3 Toán tử vi phân và tích phân 32

2.4.4 Một ứng dụng các toán tử 33

2.5 Thuật toán thông minh và giao tiếp bus 34

2.5.1 Thuật toán thông minh 34

2.5.2 Giao tiếp bus 34

Chương 3 HỆ VI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11

3.1 Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng 35

3.1.1 Bộ vi điều khiển so với bộ vi xử lý phổ thông 35

3.1.2 Các bộ vi điều khiển cho các hệ thống nhúng 35

3.1.3 Lựa chọn một bộ vi điều khiển 38

3.2 Tổng quan về MC68HC11E 39

3.2.1 Đặc trưng của họ vi điều khiển MC68HC11E 39

3.2.2 Cấu trúc khối MC68HC11E 41

3.2.3 Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 41

3.2.3.1 VDD và VSS 44 3.2.3.2 RESET 45 3.2.3.4 Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)

46 3.2.3.5 STRA/AS và STRB/R/W 46 3.2.3.6 MODA, MODB chân điều khiển chọn mode 46 3.2.4 Bộ vi xử lý trung tâm 49

3.2.4.1 Các thanh ghi của CPU 50 3.2.4.2 Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 51 3.2.4.3 Mã lệnh và toán tử 51 3.2.4.4 Các mode địa chỉ 51

3.3 Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộ cảm biến 51

Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU

KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ

VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 53

4.1 Mạch điện hỗ trợ chức năng tính toán của HC11 53

4.1.1 Thiết kế mạch điện (layout) 53

4.1.2 Sơ đồ khối bảng mạch 54

4.1.3 Miêu tả chung 55

4.1.4 Thiết bị trong EVB, và các thông số 56

4.2 Giới thiệu về C-spy 57

4.2.1 Tổng quan 57

4.2.2 Tiến hành cài đặt và sử dụng 57

4.2.2.1 Cài đặt 57 4.2.2.2 Sử dụng 58 4.3 Chương trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 62

Tóm tắt nội dung đề tài

Nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng / tần số dùng Mc68HC11 Nội dung gồm hai phần:

Phần thứ nhất: nghiên cứu hoạt động của hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh thông minh Phần này được viết trong 3 chương đầu Nội dung mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến ánh sáng / tần số, cấu trúc và hoạt động của chíp MC68HC11 và cách thức xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh Từ đó cung cấp cho ta tư duy để xây dựng hệ thống cảm biến dùng trong hoạt động thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính

Phần thứ hai, chương còn lại báo cáo kết quả và quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến ánh sáng Tổng đề tài khoảng 70 trang

Lời mở đầu

Theo báo cáo của tổ chức cố vấn công nghệ (Intechno Consulting), thị trường cảm biến dùng cho các mục tiêu phi quân sự trên thế giới có lợi nhuận 32.5 tỉ đô la Mỹ vào năm 1998 Năm 2003 con số đó tăng lên 5.3% đạt được 42.2 tỉ đô Dự tính tới năm

2008 con số đó sẽ đạt tới 50 – 51 tỉ đô la Một số người lạc quan hơn lại cho rằng thị trường cảm biến toàn cầu sẽ đạt tới con số 54 tỉ đô la vào năm 2008 Trên thực tế thị phần của cảm biến chiếm 38.9% thị trường linh kiện bán dẫn vào năm 1998 sẽ tăng lên 43% vào năm 2008 Và với sự tiến bộ của công nghệ vi cơ khí (MEMS-technologies), cảm biến thông minh, cảm biến với bus thích nghi, thị phần cảm biến bán dẫn còn tăng hơn nữa và vượt qua cả thị phần các sản phẩm ứng dụng khác, viễn thông hay thị phần máy tính cá nhân

Cảm biến kết hợp với các hệ thống xử lý thông tin, hệ vi xử lý làm cho máy móc thông minh, linh hoạt hơn và nhất là có cảm nhận được với sự thay đổi môi trường, hay xa hơn nữa máy móc cũng có cảm nhận như con người Trong các hệ thống đó, cảm biến đóng vai trò như một kênh thu nhận thông tin từ môi trường ngoài

và phản hồi các thông tin đó về hệ thống bộ não của máy móc để quyết định hành động Để làm cho cảm biến có cảm giác như của con người rất khó, tương đương như việc làm cho bộ não của máy thông minh như não người Tuy nhiên hệ thống ứng dụng đơn giản hơn, hệ thống điều khiển tự động với trợ giúp của cảm biến như là khối thông tin đầu vào, hệ vi xử lý xử lý thông tin và quyết định lối ra là khả thi và được xây dựng rất nhiểu trong thực tế Đơn cử như hệ thống quản lý, điều khiển ánh sáng , nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ PH,… trong nhà kính và dùng trong nông nghiệp sạch mà Ixraen tài trợ cho chính phủ vào hồi đầu năm Hay đơn giản hơn, và dễ thấy hơn như

bộ điều chỉnh nhiệt độ trong các máy điều hoà, hay máy lạnh hiện đại Ngoài ra cảm biến cũng được dùng trong hệ thu thập dữ liệu, lưu trữ thông tin Thông thường hệ thống như vậy kết hợp rất nhiều cảm biến Dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau đưa vào máy tính để liên kết, thống kê và tính toán sử dụng cho mục đích khoa học khác hay để điều khiển trở lại Ví dụ hệ thống thống kê tự động số người ra vào một công ty hay một cửa hàng nào đó trong một tháng

Nhận thức được vai trò to lớn và khả năng ứng dụng tiềm tàng, thầy Hồ Văn

thập dữ liệu nhiều kênh, thông minh dựa trên cảm biến ánh sáng/ tần số dùng họ vi điều khiển MC68HC11” Cụ thể em phải tìm hiểu cấu trúc hoạt động của hệ cảm biến ánh sáng/ tần số, kết hợp cảm biến với hệ vi điều khiển để đánh giá, xử lý kết quả đo (nếu cần) và đưa kết quả ra bộ phận hiển thị (màn hình máy tính, màn hình tinh thể lỏng) hoặc đưa kết quả ra bộ thực thi (mô tơ bước) Do đề tài khá mới, nên người viết chủ yêu phải nghiên cứu lý thuyết bằng tiếng Anh Sau đó có kết hợp với một số bài toán thực hành trên máy nhằm củng cố thêm lý thuyết và cũng có xây dựng được một

số chi tiết phần cứng cần thiết Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:

Chương 1, nghiên cứu nguyên lý chung của cảm biến ánh sáng tần số Các sơ

đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu với sự trợ giúp của máy tính, sơ đồ khối của cảm biến thông minh Ưu điểm của cảm biến với lối ra tần số

Chương 2, đi sâu vào hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh Các phưong pháp biến thế thành tần số, tần số thành mã, các phương pháp tính toán trên tín hiệu, phương pháp hợp kênh cảm biến tần số

Chương 3, tổng quan về vi điều khiển nhúng, và hoạt động cơ bản của họ vi điều khiển MC68HC11 Lý do lựa chọn họ vi điều khiển cho hoạt động xử lý tín hiệu trong cảm biến

Chương 4, báo cáo quá trình xây dựng thực tế một hệ thống thu thập dữ liệu Bảng mạch điện tử, phần mềm trợ giúp xây dựng một ứng dụng

Mặc dù đã cố găng nhiều, nhưng do trình độ người viết là có hạn nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong sự quan tâm giúp đỡ thêm của thầy cô và bạn bè

Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHỜ CẢM BIẾN

1.1 Tổng quan về cảm biến (sensor)

Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng là các đại lượng cần đo m Việc đo đạc và chuyển các đại lượng nói trên thành các tín hiệu điện là nhiệm vụ của các cảm biến có lối ra là tín hiệu điện

Phương trình toán học:

S = F(m)

Cảm biến được chia làm hai loại:

− Cảm biến tích cực: là loại cảm biến dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi tín hiệu ở dạng năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ ) sang năng lượng điện ( Như hiệu ứng nhiệt điện, áp điện )

− Cảm biến thụ động: thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo ( trong đó kể cả cảm biến ) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể Như vậy vai trò của mạch đo rất quan trọng, đơn giản nó chỉ là bộ phận cấp nguồn, hay phức tạp hơn nó còn tham gia xử lý tín hiệu, lọc nhiễu

Các tiêu chí đánh giá một cảm biến

− Tính trung thực, tính đúng đắn, độ chính xác, sai số

− Độ nhạy tĩnh, độ nhạy động

− Độ tuyến tính

− Độ nhanh, thời gian đáp ứng

Một cảm biến trước khi sử dụng cần được chuẩn Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng cần đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng ( nhiễu ) Chuẩn cảm biến là những công việc đại loại như chuẩn điểm 0, chuẩn mốc thời gian

− Về tính chất hạt ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Đặc điểm quan trọng là tính lượng tử năng lượng của hạt ánh sáng mà ta quen gọi là hạt lượng tử ánh sáng ( photon )

− Chi tiết hơn về tính chất ánh sáng xin tìm hiểu trong các giáo trình vật lý

1.2.1.2 Đơn vị đo năng lượng quang

− Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ được đo bằng jun (J)

− Thông lượng ánh sáng(φ): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oat (W)

L = dI/dAn

− Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tủ bề mặt và diện tích của phần tử đó Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2:

E = dφ/dA

1.2.2 Một vài loại vật liệu và linh kiện chuyển đổi quang - điện

1.2.2.1 Tế bào quang dẫn

Đặc trưng của quang trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ

và phổ của bức xạ đó Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu

Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính Điện trở của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn

Khi sử dụng tế bào quang dẫn một trong những thông số ta cần quan tâm là điện trở tối của nó Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt

độ và tính chất hoá lý của vật liệu quang dẫn Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 104Ω tới 109Ω ở 250C), trong khi đó SbIn, SbAs lại có điện trở tối tương đối nhỏ (từ 10Ω tới 103Ω ở 250C)

Điện trở của cảm biến cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, tuy nhiên khi cường độ chiếu sáng càng cao thì độ nhạy cảm của nó càng giảm

Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:

+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, PbSe

+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hay pha tạp Au, Cu, Sb, In

Đa số các vật liệu trên có phổ làm việc trong vùng hồng ngoại tới tử ngoại

Trong thực tế ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lượng Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt hai trạng thái sáng tối hoặc xung ánh sáng Ứng dụng cụ thể của nó chỉ ra trong hai trường hợp:

+ Điều khiển rơ le: khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm xuống đáng kể đủ cho dòng điện I chảy qua tế bào Dòng điện này được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuyếch đại để điều khiển rơ le ( Hình 1)

Hình 1 Sơ đồ dùng quang trở điều khiển rơ le.

+ Thu tín hiệu quang: tế bào quang dẫn có thể được sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn

sẽ được phản ánh qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang lại sẽ được thể hiện trên xung điện Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật hoặc đo tốc độ quay đĩa

Khi không có điện trường ngoài đặt trên chuyển tiếp, hệ đạt tới trạng thái cân bằng động, tức là tổng độ lớn các dòng hạt tải ( có hai loại dòng hạt tải: dòng khuyếch tán hạt

cơ bản chuyển qua tiếp giáp do chuyển động nhiệt - và dòng trôi của các hạt tải không cơ bản chuyển qua tiếp giáp nhờ điện trường nội ) chuyển qua tiếp giáp bằng không Khi đặt vào chuyển tiếp một thế hiệu ngược Vn ( “- “ vào bán dẫn loại P, “+” vào bán dẫn loại N )

sẽ xuất hiện dòng điện rò ( trôi ) qua tiếp giáp P_N dưới tác động của điện trường trên Khi thế ngược Vn đặt vào đủ lớn, dòng điện trôi lớn hơn đáng kể so với dòng khuyếch tán nên có thể bỏ qua dòng khuyếch tán Dòng điện trôi có một đặc điểm quan trọng là

nó không phụ thuộc nhiều vào điện áp ngược đặt vào, mà phụ thuộc vào mật độ hạt tải không cơ bản sinh ra trong tiếp giáp trong đơn vị thời gian( tất nhiên là thế Vn không đạt tới giá trị thế đánh thủng ) Dĩ nhiên mật độ hạt tải không cơ bản phụ thuộc vào độ

D1 DIODE

+V

V1 5V 12VSPDTRLY1

Quang trở

pha tạp của bán dẫn, điều kiện kích thích sinh ra hạt tải không cơ bản Do đó có thể nói rằng dòng trôi phụ thuộc vào bản chất bán dẫn và yếu tố kích thích chủ yếu

Ta biết rằng, với mỗi loại bán dẫn có một bước sóng ngưỡng λs, khi bước sóng ánh sáng chiếu vào bán dẫn nhỏ hơn giá trị này sẽ sinh ra cặp điên tử lỗ trống mới Do

đó làm mật độ hạt tải không cơ bản tăng Nếu toàn bộ hạt tải không cơ bản (lỗ trống trong bán dẫn loại n và điện tử trong bán dẫn loại p) sinh ra trong tiếp giáp P –N nhanh chóng bị tách ra ngăn cho chúng không tái hợp và đi về hai cực dưới tác dụng của điện trường, thì dòng điện ngược sẽ tỉ lệ với tốc độ sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống Do đó, dòng điện ngược tỉ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào Tuy nhiên điều khác biệt giữa photodiode và diode thông thường là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đi qua một bề dày đáng kể của chất bán dẫn mà tiêu hao năng lượng không nhiều Do đó phiến bán dẫn trong photodiode được dát rất mỏng để ánh sáng tới vùng nghèo một cách hữu hiệu nhất, đồng thời vùng nghèo phải đủ rộng để sự hấp thụ ở đó là cực đại Nói chung, kiểu gì thì năng lượng của ánh sáng cũng bị mất mát nhiều khi qua bề dày bán dẫn, và một phần hạt tải bị tái hợp ngay sau khi sinh ra, do đó hiệu suất của photodiode không thể đạt tới 100%, và có độ nhạy quang nhất định Để tăng hiệu suất

và độ nhạy quang, người ta dùng một cấu trúc đặc biệt là photodiode PIN với lớp Indi

ở giữa tiếp giáp P-N Chi tiết hơn xin xem các giáo trình về quang bán dẫn

Photodiode có hai chế độ hoạt động

+ Chế độ quang dẫn: sơ đồ mắc như hình vẽ 2 Trong chế độ quang dẫn, dòng ngược Ir sẽ tỉ lệ với thông lượng ánh sáng chiếu vào Sụt thế Vr trên tải Rm được lấy làm tín hiệu ra Ở đây diode hoạt động như một cảm biến thụ động.Ưu điểm của sơ đồ

là độ tuyến tính cao, thời gian đáp ứng ngắn và dải thông lớn

+ Chế độ quang thế: sơ đồ được mắc như hình vẽ 3 Trong chế độ này không

có điện áp đặt vào diode Diode hoạt động như bộ chuyển đổi năng lượng tương đương với một máy phát và người ta đo thế hở mạch Voc hoặc đo dòng ngắn mạch Isc Đặc điểm của sơ đồ này là:

Diode hoạt động như một cảm biến tích cực

Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải

Ít nhiễu

Thời gian đáp ứng lớn và giải thông nhỏ

Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ đo logarit

Hình 2 Diode hoạt động ở chế độ quang dẫn.

Hình 3 Chế độ quang thế của diode.

1.2.2.3 Phototransistor

Phototranzito là loại tranzito NPN mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược ( Hình 4a )

Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực ngược) Trong khi đó sự chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (Vbe

= 0.6 -0.7V)

Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó sẽ hoạt động giống photodiode ở chế

độ quang dẫn với dòng ngược

β là hệ số khuyếch đại dòng của tranzito khi mắc Emitor chung

Như vậy có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiode và một tranzito (hình 4b) Photodiode cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khuyếch đại β Các điện tử và lỗ trống sinh ra trong vùng bazơ sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C

Hình 4 PhotoNPN và sơ đồ tương đương.

Phototranzito có thể dùng làm chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính Ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiode là cho phép điều khiển trực tiếp dòng chảy qua tương đối lớn Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dầu nó có ưu điểm

là cho độ khuyếch đại, nhưng người ta vẫn thích dùng photodiode hơn bởi vì photodiode có độ tuyến tính tốt hơn

1.2.2.4 Cảm biến quang phát xạ

Trong loại cảm biến này , sự biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện thực hiện được nhờ hiện tượng quang phát xạ điện tử (e-) ra khỏi vật liệu photocatot (bia chắn bức xạ ánh sáng) Số lượng các điện tử phát xạ tỉ lệ với số photon chiếu vào photocatot Các điện tử tạo thành dòng catot, sau đó có thể:

− Thu gom trực tiếp bằng anot (tế bào quang điện chân không)

− Ion hoá chất khí ( đèn ion khí )

− Phát xạ thứ cấp kèm theo sự khuyếch đại dòng thứ cấp (nhân quang)

Nói chung nhược điểm của loại cảm biến này là công suất tiêu thụ lớn, hiệu suất lượng tử thấp, cồng kềnh nên ngày nay ít được dùng

1.3 Cảm biến ánh sáng/ tần số

Cảm biến ánh sáng/tần số là cảm biến ánh sáng có lối ra tín hiệu là tần số tỉ lệ

D1

R2 1k

Q2 NPN

R1 1k

Q1

a) b)

Ir

phần chức năng Phần thứ nhất có chức năng chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện

cơ bản như dòng điện, điện áp ( một trong các linh kiện trên ) Phần thứ hai có nhiệm

vụ gia công, xử lý các tín hiệu đã thu được sau đó chuyển sang tín hiệu dao động điện

1.3.1 Sơ đồ khối của một bộ cảm biến ánh sáng/ tần số

Hình 5 Sơ đồ khối cảm biến ánh sáng/tần số

1.3.2 Sơ đồ nguyên lý

Vctr

C2 33pF R2

R8 5k 40%

C1 0.01uF

Gnd Trg Out Rst Ctl Thr Dis Vcc

U3 555

+

U4 OPAMP5

+V V3 -12V

+V

V2 12V

R6 5k 40%

+ U2

OPAMP5

+ U1

OPAMP5

R9 1k

R7 4.7k R5

1k

R4 1k

R1 5.7k

Hình 6 Sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến ánh sáng/ tần số

Từ sơ đồ nguyên lý ta thấy rằng:

Chu kỳ dao động bằng thời gian nạp và phóng của tụ từ mức 1.66V cho dến Vctr và phóng từ mức Vctr xuống mức 1.66V

1.4 Thu thập dữ liệu nhờ cảm biến

Cụm từ “thu thập dữ liệu (data acquision)” được định nghĩa: là quá trình tập hợp, đo lường các tín hiệu điện từ các bộ chuyển đổi, cảm biến và đưa vào máy tính để

xử lý Như vậy xử lý và biểu diễn thông tin từ đối tượng là nhiệm vụ chính của hệ thống thu thập dữ liệu dựa trên sự trợ giúp của máy tính Hệ thống thu thập dữ liệu cần đưa được thông tin xác thực vào máy tính Máy tính có nhiệm vụ liên kết các tham số

để thống kê, tính toán và biễu diễn thông tin dưới dạng thân thiện với người dùng Như vậy để đảm bảo hoạt động của hệ thống, trước khi thiết kế hệ thống phải đảm bảo giao tiếp giữa khối cảm biến và máy tính Có nghĩa là ta phải thiết kế thêm khối giao diện bus giữa chúng Do máy tính chỉ làm việc với tín hiệu số, thông tin trước khi đưa vào máy tính phải chuyển sang định dạng số Yêu cầu này phải trả giá bằng sai số lượng tử hoá khi chuyển đổi sang dạng số

Một hệ thống như vậy có sơ đồ khối như sau

Hình 7 Sơ đồ khối một hệ thu thập dữ liệu

Thông thường ta tích hợp 4 khối đầu vào một bộ gọi là bộ cảm biến tích hợp Khối đầu tiên là các yếu tố cảm biến (nhạy cảm với tham số cần đo) như trở , cảm kháng, tranzito, vật liệu áp điện (Phần 1, 2, 3) có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu điện bám theo tín hiệu gốc (VD: xung ánh sáng) Tín hiệu lối ra của cảm biến thường mang theo

cả ồn, nhiễu Do đó, khối xử lý và tương thích tín hiệu có nhiệm vụ khuyếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc thích hợp để giảm những đặc tính không lý tưởng của cảm biến Trong một số trường hợp, một hệ thống nhiều cảm biến được tích hợp trên một chíp Trong trường hợp đó khối phải làm thêm nhiệm vụ của bộ tương thích tín hiệu (như chuyển đổi dải tần, chuyển đổi điện áp thành tần số ), bộ hợp kênh Dữ liệu trước khi đưa vào máy tính cần định dạng dưới dạng số Do đó nhiệm vụ của khối thứ

ba là biến đổi định dạng tín hiệu khác thành mã số nhị phân nối tiếp hoặc song song Chức năng này được thực hiện bởi các bộ ADC (analog to digital convertor) hay bộ FDC (frequency to digital convertor) Hệ thống đa cảm biến thực tế thường có cấu hình hình sao, trong đó mối bộ cảm biến được nối tới một bộ hợp kênh số Tuy nhiên khi hệ thông có số lượng quá lớn cảm biến, tổng chiều dài cáp nối và số lượng các bộ

Thành phần

cảm biến

Phần xử lý và tương thích tín hiệu

Chuyển đổi A/D Giao

diện bus

Máy tính

nhân là rất lớn Giải pháp tối ưu cho trường hợp này là tổ chức bus và một giao thức giao tiếp bus kết nối giữa hệ cảm biến và máy tính Dữ liệu được mã hoá trước khi truyền

1.5 Cảm biến thông minh

Nhờ có các hệ thống cảm biến tích hợp, công việc thu thập dữ liệu đã có mức

độ tin cậy khá cao Tuy nhiên công việc xử lý hoàn toàn thực hiện bằng phần cứng, không thực sự mềm dẻo, tính thích nghi không lớn Khối lượng công việc xử lý của máy tính khá nhiều Để giảm thiểu những nhược điểm đó ta dùng một cấu trúc cảm biến gọi là cảm biến thông minh Cấu trúc một cảm biến thông minh được chỉ ra trong hình vẽ (hình 8 )

Hình 8 Sơ đồ một cảm biến thông minh

So sánh với sơ đồ bộ cảm biến tích hợp, bộ cảm biến thông minh dùng một hệ

vi điều khiển thay thế nhiệm vụ của khối giao tiếp bus, khối mã hoá nhị phân và khối

xử lý tín hiệu Vi điều khiển có nhiệm vụ xử lý tại chỗ thông tin được đưa trực tiếp từ cảm biến Do đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả công việc lên rất nhiều Quá trình

xử lý ở đây có thể độc lập và song song với máy tính, đây là một xu hướng công nghệ trong thiết kế thiết bị ngoại vi phần cứng máy tính Quá trình xử lý được thực hiện bằng phần mềm

Vi điều khiển cũng có thể giao tiếp với các thiết bị khác bằng giao diện chuẩn Trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển hỗ trợ giao diện bus I2C hai dây ứng dụng nhiều trong truyền thông khoảng cách ngắn, hay chuẩn RS232 cho giao tiếp ở khoảng cách tương đối dài

Mặc dầu vậy, sự khác nhau cơ bản giữa một bộ cảm biến thông minh và bộ cảm biến tích hợp là khả năng xử lý thông minh của các mạch vòng xử lý dữ liệu nhúng Đó là các chức năng tự chuẩn đoán, tự nhận dạng, tự thích nghi Do đó cảm biến thông minh có thêm những chức năng mới mà cảm biến tích hợp không thể có được ví dụ như khả năng tự điều chỉnh thang đo, tốc độ đo, mức độ tiêu thụ năng lượng, điều chỉnh công suất phát Bởi vì khả năng thích ứng và chức năng đo đạc, xử

Phần cảm biến

Phần tương thích tín hiệu

Vi điều khiển Máy tính

lý đạt được với độ chính xác cao, tốc độ và công suất tiêu thụ ít, nên đôi khi người ta gọi cảm biến thông minh là bộ chuyển đổi thông minh

Ngày nay nhờ sự phát triển của công nghệ thiết kế vi mạch cỡ lớn, người ta có thể tích hợp cả phần cảm biến và vi điều khiển trên cùng một vi mạch Nhờ đó giá thành, kích thước của một cảm biến giảm đi rất nhiều Một ví dụ cho cảm biến thông minh tích hợp là cảm biến ánh sáng TSL230/235/250 của Texas Instruments Nó là loại cảm biến ánh sáng, thông minh có khả năng lập trình được được tích hợp trong một khối duy nhất như là bộ phận chuyển đổi ánh sáng sang tần số Tín hiệu lối ra là xung vuông [tần số 1-1MHz] tỉ lệ với độ chói của ánh sáng khả kiến và vùng hồng ngoại ngắn Nhằm cung cấp cho cảm biến có khả năng lập trình thay đổi độ nhạy cảm lối vào và độ lớn lối ra Giải pháp công nghệ hữu hiệu và đơn giản nhất là chuyển đổi các lối vào trong ma trận 100 con photodiode khác nhau Để giảm giá thành sản phẩm, một bộ vi điều khiển giá rẻ với tần số giới hạn, có chức năng chuyển đổi tần số sang

mã nhằm cung cấp khả năng thay đổi tỷ lệ xích lối ra Tuỳ chọn này chia các xung có

độ rộng cố định, hay các xung vuông cho 2, 10, 100 lần Nhờ đó ánh sáng với cường

độ từ 0.001 tới 100000 µW/am2 có thể được đo trực tiếp mà không cần thông qua bất

kỳ bộ lọc nào Việc tích hợp các bộ chuyển đổi trên một chíp có ưu điểm giảm được nhiễu từ những nguồn bên ngoài, tối thiểu hoá ồn, giảm thiểu dòng rò Từ đó, tần số lối ra được miễn nhiễu một cách triệt để ngay cả khi truyền tới một bộ phận khác rất

xa nằm trong hệ thống

1.6 Ưu điểm của cảm biến lối ra tần số ( gọi tắt là cảm biến tần số )

Ở trên, ta nhắc nhiều tới cảm biến có lối ra tần số ( thuật ngữ tiếng Anh là Quasi-digital sensor ) Và trên thực tế, cảm biến lối ra tần số cũng rất được ưa chuộng

Đó bởi vì cảm biến có lối ra tần số có một số ưu điểm chính so với cảm biến có lối ra tương tự và lối ra số như sau:

1) Miễn nhiễm cao với nhiễu

Với cảm biến tần số ta có thể đạt tới độ chính xác cao hơn so với cảm biến tương tự được chuyển đổi sang mã Nguyên nhân do đặc trưng của tín hiệu tần số ít bị ảnh hưởng của ồn nhiệt so với tín hiệu tương tự Tín hiệu tần số có thể truyền với khoảng cách xa hơn so với tín hiệu tương tự và số Định dạng của tín hiệu tần số tương

tự như là tín hiệu số dưới dạng nối tiếp, do đó những ưu điểm mà tín hiệu tần số có thể đạt được đều có mặt trong định dạng tín hiệu tần số Hơn nữa, so với tín hiệu số, tín

hiệu tần số chỉ cần truyền với hai dây mà không cần phải đồng bộ Do đó cảm biến lối

ra tần số dùng nhiều trong môi trường có nhiễu cao

2) Công suất tín hiệu cao

Thông thường tín hiệu của cảm biến được chia ra làm 6 nhóm năng lượng: điện năng, nhiệt năng, cơ năng, năng lượng hoá học, năng lượng phóng xạ và năng lượng từ Năng lượng điện đang được dùng nhiều nhất hiện nay Do đó, đa số các thiết

kế tập trung chế tạo cảm biến, các bộ chuyển đổi năng lượng tín hiệu từ các dạng khác sang năng lượng điện Tín hiệu thu được từ các cảm biến có công suất rất nhỏ Trước khi tín hiệu được truyền đi, người ta phải đem khuyêch đại cho đủ công suất phát Sự sai sót trong quá trình này là không thể bù đắp bằng các mạch hay giải thuật xử lý tín hiệu Điều này dược khắc phục tối đa nhờ các cảm biến trong miền tần số Với các loại cảm biến này, công suất tín hiệu ra là phụ thuộc vào công suất của các máy phát dao động Với máy phát dao động có công suất cao, công suất tín hiệu cũng cao

ít ảnh hưởng hơn bởi các tín hiệu ký sinh, tín hiệu ồn nhiệt…

5) Giao diện truyền thông đơn giản

Các yêu tố, sức điện động ký sinh, trở kháng tức thời, nhiễu xuyên kênh trong hợp kênh cảm biến tương tự làm nảy sinh nhu cầu bù lỗi Tuy nhiên với các cảm biến tần số , tín hiệu tần số không nhạy cảm với các yếu tố trên Do đó các bộ hợp kênh tần

số được đơn giản hoá rất nhiều nhưng vẫn cho được kết quả đáng tôn trọng

6) Dễ dàng lấy tích phân và mã hoá

Việc lấy tích phân tín hiệu tần số trong miền thời gian khá là đơn giản và dễ dàng thực hiện Người ta chỉ cần thêm một bộ đếm xung thì có thể thực hiên được tích phân vô hạn trong miền thời gian Do đó tín hiệu tần số có thể xử lý bằng các bộ vi điều khiển mà không cần thêm mạch giao diện nào

Tất cả những lý do nêu trên làm cho các thiết kế cảm biến làm việc trong miền tần số có được hiệu suất cao Trên thực tế nó được sử dụng rất rộng rãi

Chương 2

XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH

Trong chương một ta đã tìm hiểu cấu trúc khối phần cứng một hệ thống thu thập dữ liệu dùng cảm biến thông minh là như thế nào Tuy nhiên những kiến thứ đó chỉ như cái vỏ bề ngoài của hệ thống Cái quan trọng hơn đó là ta phải xem xét hệ thống đó xử lý những tín hiệu thu được như thế nào? Chương này cung cấp cho chúng

ta cái nhìn tổng quan về các phương pháp xử lý tín hiệu trong một bộ cảm biến thông minh Để từ đó ta có thể xây dựng nên một con cảm biến thông minh có những tính chất cần thiết như ta yêu cầu

Việc xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh bao gồm một dải làm việc rất rộng Thông tin đầu vào xử lý có thể chỉ là những tham số cực kỳ cơ bản như điện thế, cường độ dòng điện, hay dưới dạng một xung có độ rộng nào đó Lối vào ở đây có thể

có một, hay nhiều kênh với những đại lượng điện có thể khác nhau, dải làm việc có thể gần tương đồng cũng có thể hoàn toàn trái ngược nhau Trong khi đó lối ra phải là những thông tin số, tần số và phải được mã hoá dưới dạng nhất định, đồng nhất để có thể giao tiếp với máy tính Do đó, nhằm trình bày một cách rõ ràng và khái quát nhất ta chia công viêc xử lý trong cảm biến thành những khối nhỏ hơn được liệt kê sau:

2.1 Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số

Ngoại trừ một số lượng lớn cảm biến có tín hiệu lối ra là tần số, cũng còn có lượng không nhỏ cảm biến khác có thông tin lối ra không phải là tín hiệu tần số như điện thế, dòng điện, trở kháng lối ra Ví dụ như các cảm biến nhiệt, cảm biến điện thế Vì vậy cần thiết phải có bộ chuyển đổi những tín hiệu này sang thông tin dưới dạng tần số khi cần sử dụng tham biến tần số như một lối vào Một bộ chuyển đổi như vậy cần phải đáp ứng những yêu cầu sau

− Có hàm truyền đạt tuyến tính và ổn định, chính xác

− Phạm vi dải tần đủ rộng, chế tạo dễ dàng và đơn giản

Trong các bộ tạo dao động phụ thuộc tham số nào đó, thì bộ dao động điều khiển bởi điện thế là dễ dàng thực hiện nhất và cũng có cấu tạo đơn giản nhất Các thông số khác như cường độ dòng điện, hay trở kháng v.v cũng dễ dàng được chuyển

sang thông số điện áp Vì vậy các bộ chuyển đổi từ điện áp sang tần số chiếm số lượng cực lớn trong loại thiết bị chuyển đổi các thông số khác sang tần số Về nguyên lý và thiết kế mạch chuyển đổi điện áp sang tần số được giới thiệu nhiều trong các giáo trình

kỹ thuật mạch điện tử và kỹ thuật số Ở đây người viết không có tham vọng trình bày vấn đề đó trong luận văn này

2.2 Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống cảm biến đa kênh

Một hệ thống cảm biến dùng trong đo lường, điều khiển hiện đại có thể được xây dựng bằng nhiều cách khác nhau Một hệ thống máy tính trung tâm được kết nối tới một số lối vào (cảm biến) và một số thiết bị lối ra (bộ thực thi - actuator) Trong các hệ thống như vậy, cảm biến tần số được sử dụng để nhận thông tin và xử lý các quan hệ đo lường

Có hai phương pháp thu thập dữ liệu truyền thống dùng nhiều trong các hệ thống đo lường và điều khiển tự động hiện đại, đó là:

− Phương pháp sử dụng kênh phân chia theo thời gian, dựa trên hợp kênh cảm biến và chia sẻ thời gian thu thập dữ liệu cho mỗi cảm biến

− Phương pháp sử dụng kênh phân chia theo không gian, thông tin từ các cảm biến được đưa vào máy tính đồng thời gian

2.2.1 Phương pháp thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ thời gian

Đa số hệ thống thu thập thông tin tần số với kênh chia sẻ thời gian có cấu hình chung như hình vẽ

Trong các hệ thống này, lối ra tần số của các cảm biến f1, f2, …, fn được nối tới

bộ chuyển đổi tần số sang mã nhờ sự trợ giúp của bộ hợp kênh số, điều khiển bởi một

vi điều khiển Bộ chuyển đổi tần số sang mã chuyển đổi tần số fx sang mã nhị phân, ví

dụ theo phương pháp đếm trực tiếp chu kỳ thời gian Tx = 1/fx trong thời gian cửa Tq

(lượng tử hoá theo thời gian), hoặc theo phương pháp gián tiếp bằng cách đếm số lần xuất hiện xung f0 trong chu kỳ thời gian Tx hoặc nTx Trong các hệ thống thu thập dữ liệu hiên đại, tần số lối ra cảm biến có thể thực hiện chuyển đổi trực tiếp sang mã mà không cần thêm bất cứ cấu hình phần cứng nào

Ngay sau khi qua bộ chuyển đổi tần số thành mã, mã nhị phân đưa vào vi điều khiển dưới dạng một dãy dữ liệu Nếu cần, các tín hiệu có thể được xử lý bằng vi điều khiển hay các bộ DSP (ví dụ như: tuyến tính hoá, đồng nhất hoá, thay đổi hệ số khuyếch đại v.v.).Dữ liệu được đưa vào máy tính (qua hệ thống Bus, cổng vào ra hay

bộ nhớ truy cập trực tiếp) để xử lý ở một mức cao hơn Kết quả sau khi xử lý bằng máy tính có thể được hiển thị hay sử dụng để điều khiển hệ thống

Hình 9 Hệ thống thu thập dữ liệu phân kênh theo thời gian.

Chu kỳ truy cập cảm biến được đồng bộ bởi phần mềm của vi điều khiển Chu

kỳ đó tuỳ thuộc vào nhiệm vụ riêng biệt của từng cảm biến Trong các hệ thống thu thập dữ liệu theo tần số, chu kỳ truy cập vào bộ chuyển đổi có thể tính theo phương trình:

τ0 = n.(Tq +τdelay1 + τdelay2),

với:

− Tq là lượng tử hoá thời gian của bộ chuyển đổi tần số sang mã

− τdelay1 là thời gian trễ giữa lệch kết thúc bộ chuyển đổi của cảm biến trước

đó với lệnh truy cập vào cảm biến tiếp theo

− τdelay2 là thời gian trễ từ ngay sau khi cảm biến được kết nối tới khi bộ chuyển đổi tần số được khởi tạo

− n là số lượng cảm biến có trong hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh

Giá trị τ0, và thời gian trễ phụ thuộc vào phương pháp đo lường các đại lượng thông tin, phương pháp phân chia và các thiết bị điện tử đang được sử dụng Với các giá trị Tq, τdelay1, τdelay2, đặt trước chu kỳ thời gian truy cập một bộ chuyền đổi chỉ có thể thay đổi khi thay đổi n

2.2.2 Thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian

Hệ thống thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ không gian có cấu hình chung như hình vẽ

F/#

fn

f2

f1

Hình 10 Hệ thống thu thập dữ liệu với kênh chia sẻ theo không gian

Trong các hệ thống như vậy, hệ gồm n bộ chuyển đổi tần số sang mã được kết nối tới một hệ vi điều khiển (MP-multiprocessor:hệ đa xử lý) có n lối vào Phương pháp này có thể đo đồng thời nhiều tần số trên nhờ các bộ chuyển đổi tần số sang mã với các kênh lối ra độc lập Vi điều khiển sẽ khởi động đồng thời cả n bộ chuyển đổi

và kết quả phép đo sẽ được đưa ra ở cuối giai đoạn xử lý Điều này kéo theo sự tồn tại của một số phương thức giao tiếp giữa bộ chuyển đổi tần số sang mã và vi điều khiển,

ví như: pooling (hỏi lần lượt), iterrupt (ngắt), DMA (direct memory access – truy cập

bộ nhớ trực tiếp) Với khả năng làm việc đồng thời n lối vào cảm biến, nên tốc độ, hiệu quả công việc của phương pháp tăng lên n lần Tuy nhiên nó hạn chế bởi giá thành phần cứng

2.3 Các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã

Các tín hiệu tần số cần chuyển sang mã nhị phân trước khi đem vào xử lý bằng

vi điều khiển Phương pháp chuyển đổi tần số sang mã được xem là đơn giản so với chuyển đổi các đại lượng khác Tuy nhiên vì nó có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của cảm biến như độ chính xác, thời gian chuyển đổi và công suất tiêu thụ, vả lại để ổn định những thông số này cũng không là đơn giản Do đó các phương pháp chuyển đổi tần số sang mã không ngừng được quan tâm và phát triển Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi tần số sang mã, tuy nhiên các phương pháp thông dụng nhât là:

− Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp, đếm số xung fx trung bình trong chu kỳ thời gian T0 = 1/f0 của xung chuẩn Phương pháp này thích hợp cho tín hiệu tần số cao

DAQ board

− Phương pháp đếm gián tiếp, đếm số xung chuẩn f0 trong chu kỳ xung tín hiệu Tx Phương pháp này thích hợp cho tín hiệu tần số thấp

− Phương pháp biến tần sang mã dựa vào biến đổi Fourier rời rạc

− Phương pháp chuyển độ dịch pha thành mã

Hai phuơng pháp đầu tiên được thực hiện bằng thiết bị phần cứng, hai phương pháp sau thực hiện với sự trợ giúp của vi điều khiển.Do tính đơn giản, và khả năng ứng dụng thực tế nên ta chỉ tìm hiểu sâu về hai phương pháp đầu tiên

2.3.1 Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp

Phương pháp đếm này được trình bày trên sơ đồ nguyên lý sau, được dùng khá phổ biến trong kỹ nghệ nhằm chuyển đổi lối ra của bộ cảm biến thành một đại lượng

số Mạch yêu cầu phải reset bộ đếm trước khi sử dụng Thao tác reset được thực hiện trước mỗi chu kỳ đo, cung cấp bởi thiêt bị ngoài và không đươc biểu diễn vào sơ đồ

Hình11 Sơ đồ khối đơn giản của phương pháp đếm chuẩn trực tiếp

Phương pháp này đếm số chu kỳ Tx xuất hiện trong thời gian của xung cửa T0.

Xung cửa tạo nên từ bộ tạo dao động chuẩn Tovà có mức lôgic cao Khi không có xung

To, mạch ngừng hoạt động, đó là khoảng thời gian dành cho reset Từ đó ta có:

Nx = To/Tx = T0 fx

Từ đây ta thấy nếu To = 1s thì Nx = fx

Trong một số trường hợp chung tần số chuyển đổi được thực hiện theo phương trình sau :

Nx = To fx + (∆t1 - ∆t2)/Tx (2.2)

To = NxTx - ∆t1+ ∆t2 = Nx Tx ± ∆t = NxTx ±∆q (2.3)

Hình12 Giản đồ thời gian của phương pháp đếm trực tiếp

Khoảng ∆t1, ∆t2 có thể thay đổi độc lập với nhau chấp nhận giá trị trong khoảng từ 0 tới Tx, lỗi lượng tử mà nguyên nhân do mất đồng bộ là

Giá trị ∂q có thể giảm nếu dịch xung có tần số fx đi một nửa chu kì, và có ảnh hưởng đến khoảng đầu của To Trong trường hợp này ∆t1 = Tx/2 và lỗi lượng tử được xác định như sau:

tăng lên

Rõ ràng, khi tính toán To tương ứng theo phương trình (2.3) lỗi sẽ lớn nhất nếu tần số thấp hơn giải tần fxmin của bộ chuyển đổi Giải tần của bộ chuyển đổi hạn chế bởi tốc độ tối đa của bộ đếm xung, ví dụ: bộ vi xử lý của intel D87C51AF có tần số đếm là 3MHZ

Cách đo trực tiếp tần số thực chất có hai thành phần lỗi đó là lỗi ∂ret và lỗi lượng tử ∂q

Lỗi tần số ∂ret là lỗi hệ thống do sự thiếu ổn định của máy phát tần số f0, độ lệch tần do mất cân bằng của các tinh thể giao động.Thông thường hệ số thay đổi theo nhiệt khoảng (1- 50).10-6 trong dải nhiệt độ từ -55 tới +125 0C Lỗi này không thể bỏ qua trong đo đạc tần số cao Để giảm lỗi hệ thống, ta sử dụng bộ dao động thạch anh

có ổn nhiệt cho phép giữ giá trị cực đại ∂ret = 10-6 - 10-8 không đổi trong một thời gian dài

Giá trị tổng tuyệt đối lỗi lượng tử cho phép:

∂max = ±(∂ret fx + 1/T0).100

Lỗi lượng tử ∂q phụ thuộc không đáng kể vào tần số chuyển đổi cho tần số trên 10MHZ, nó sẽ lớn khi tần số giảm và sẽ không thể chấp nhận nếu tần số giảm đến dưới mức thấp Ví dụ với tần số fx = 10hz, To=1s lỗi lượng tử là 10% Để đạt được lỗi lượng tử chấp nhận được (ít hơn 0,01%) đối với tần số 10hz, ta sẽ phải tăng thời gian

To lên tới To = 1000s Hoặc là ta phải sử dụng phương pháp bù nhằm làm giảm nhiễu lượng tử:

a) Nhân tần số chuyển đổi fx lên k lần và đo các thành phần tần số phụ fx k điều này làm giảm việc tăng số xung bên ngoài cổng thời gian

b) Sử dụng hàm ước lượng

Trong cả hai cách kết quả là trong một số trường hợp làm tăng phần cứng và tăng vùng chip cho việc thực hiện bộ cộng, bộ nhân tần, tăng thời gian chuyển đổi bằng cách thực thi ước lượng trung bình với sự trợ giúp của vi xử lý

2.3.2 Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ)

Phương pháp đếm gián tiếp là phương pháp cơ bản khác sử dụng cho bộ biến

đổi từ tần số sang mã đây là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn đối với tần số thấp và

cực thấp Theo phương pháp này số lượng xung của tần số cao tương ứng fo được đếm

trong khoảng thời gian Tx hoặc trong khoảng n lần Tx (hình 13)

Hình 13 Giản đồ thời gian phương pháp đo gián tiếp

Như vậy số Nx sẽ được tích lũy trong bộ đếm

Nx = n.Tx/To = n fo/fx (2.8)

n là số chu kì Tx Nx tương ứng với chu kỳ chuyển đổi Bằng cách này ta có thể chuyển xung với độ rộng tp hoặc khoảng kéo dài t giữa xung start và xung stop thành mã

Nx được đếm bởi bộ đếm xác định số chu kỳ To trong khoảng thời gian Tx.Vì vậy giá trị trung bình của Tx tương đương như sau :

vì thế lỗi ∆q vẫn không đổi

Bởi vì, luật phân phối đối xứng W(∆q) được chuyển đổi thành luật phân phối không đối xứng với xác suất 1/To và lỗi có thể tăng hơn

∆qmax =∆t2 = To ; M(∆q) = - 0,5 T0; ∂(∆q) = To/√3

Do xảy ra thành phần lỗi hệ thống –0,5To và độ lệch chuẩn sẽ ít hơn hai lần và lỗi hệ thống ∂(∆q) Thêm vào độ dịch xung tương ứng với 0,5 To ,chúng ta thu đựợc luật phân phối đối xứng như sau

Kết quả của quá trình chuyển đổi tần số cần thiết cho việc tính toán tỷ số

Nfx = 1/Nx

Bằng cách sử dụng vi xử lý, phép toán được thực hiện song song với tiến trình chuyển đổi mà không gặp bất kỳ lỗi nào Kết quả của sự chuyển đổi là các tần số Toàn bộ một số lượng đáng kể các bộ chuyển đổi tức thì đã được phát triển và cũng tương tự với bộ biến đổi ngược lại tương ứng phụ thuộc vào phương pháp single –

cycle (đơn chu kỳ) và bicyclic (hai chu kỳ) đã được đưa ra trong tài liệu tham khảo

Chúng ta sẽ xem xét cụ thể đặc tính khác biệt nhất và kỹ nghệ thực hiện cho việc nâng cao nhất chất lượng thiết bị được xác định bởi đặc tính đo đạc của chúng và được ứng dụng trong bộ chuyển đổi tần thành mã Bộ chuyển đổi dựa trên phương pháp cơ bản single –cycle (đơn chu kỳ) có tốc độ lớn nhất và độ chính xác cao, đựơc thực hiện dựa trên :

− Một bộ tích phân với chức năng biến đổi song song

− Bộ biến đổi mã dựa trên ROM chuyển mã từ NTx thành mã của Nfx

Trong trường hợp đầu việc xấp xỉ một cách độc lập được thực hiện với độ chính xác cao và khá là đơn giản So sánh giữa piecewise-linear (tuyến tính hoá theo đoạn) và piecewise- exponential (mũ hoá theo đoạn) là tương đương Khi số lượng các

bộ đếm mười của bộ tích phân bị thay đổi vì thế tần số lượng tử với chu kỳ Tx cũng sẽ

bị thay đổi liên tục Nó tạo ra giảm ∂(Tx) và độ chính xác tốt hơn Trong đo đạc các tần

số dạng xung vuông lỗi do phương pháp tuyến tính hóa không đáng kể Việc sử dụng

bộ tích phân với tần số thay đổi nhỏ sử dụng phương pháp đo theo rãnh (tracking measuring mode) thay cho phương pháp đo vòng (cyclic mode)

Trong trường hợp thứ hai ở cuối của chu kỳ lượng tử Tx mã Nfx đựợc định dạng bằng cách đọc những xung bộ thu được mã hóa NTx trong bộ mã hoá Sai số do tuyến tính hoá không tồn tại Bởi vì bảng tương ứng NTx → Nfx đựơc tính theo công thức cơ bản sau Nfx = Ns/NTx và mỗi số Nfx được làm tròn

Bộ chuyển đổi sử dụng phương pháp bicyclic (hai chu kỳ) ở bước đầu tiên n chu kỳ được lượng tử hóa.Ở cuối của bước này số lượng xung Nfx được định xứ ở trong bộ đếm Trong bước thứ hai sự chuyển đổi Ntx → Nfx được thực hiện bởi bộ cộng lập lại hoặc bộ trừ

− Ntx dùng cho Ns = Ntx Nfx = const (cộng vào) hoặc Nfx = Ns/Ntx (bộ trừ), ở đây Ns là hằng số bé nhất được quyết định bởi độ chính xác và thời gian chuyển đổi

Ntx → Nfx

− Hai xung tuần tự một dạng với tần số clock không đổi được điều khiển bởi dải động Df = fxmax/fxmin và một dạng khác từ bộ phản hồi số với tần số trung bình được xác định bởi thành phần mã của các số nhị phân Ntx

Trường hợp đầu toán tử nhân và chia không sử dụng, vì vậy để đơn giản hóa mạch điện bộ nhân thay bằng bộ cộng liên tiếp và bộ chia được thay bằng bộ trừ liên tiếp Nfx đưa ra trong cả hai trường hợp quyết định kết quả của việc đo những tần số tức thì trong một hoặc nhiều chu kỳ Tx. Phương pháp này cũng có thể được sử dụng cho việc tạo ra bộ dịch pha, yếu tố thời gian kéo dài xung, ngắt xung để chuyển thành

mã

Trong trường hợp thứ hai khi phản hồi số (phản hồi dương, hoặc âm) sử dụng

bộ tích phân tích phân liên tiếp với chức năng mở rộng để cộng hoặc trừ chuỗi xung clock Một bộ chia tần với bộ phản hồi số được xây dựng với mục đích kết hợp chu kỳ lượng tử và hàm chuyển đổi thời gian Điều này làm giảm những yêu cầu về phần cứng ,bởi vì bộ đếm làm việc đồng thời như một bộ chia tần vì vậy phương pháp này gặp phải lỗi tuyến tính và không tuyến tính

Sử dụng các phương pháp đã được miêu tả đòi hỏi thêm một quá trình xử lý số tín hiệu như vậy làm tăng về mặt phần cứng thiết bị Tuy nhiên việc chuyển từ đo tần

số trung bình thành đo tần số tức thì đó chính là lý do khả dụng Nó giúp tăng tốc độ

và giải động của lỗi giảm ,có thể dùng để đo các đại lượng biến đổi nhanh ví dụ đo độ chấn động, đo áp suất, huyết áp

Thông thường lỗi do bộ chuyển đổi tần số sang mã khi sử dụng phương pháp đếm gián tiếp bởi sự thiếu ổn định của tần số chuẩn, lỗi lượng tử và lỗi đồng bộ do

những nguyên nhân bên trong và nhiễu ở tín hiệu lối vào, nhiễu đồng bộ xẩy ra khi khoảng thời gian bắt đầu hoặc dừng quá sớm hoặc quá muộn Nhiễu xảy ra ở lối vào tín hiệu đo và nhiễu thêm vào ở các lối vào mạch đếm

Nhiễu lượng tử có thể được tính toán tùy theo phương trình dưới đây

∂max = ± (∂ref + 1/fo.Tx +2 ∂lỗi đồng bộ + ∂ lỗi định thời mức đồng bộ)

Trong trường hợp này mức độ lỗi đồng bộ tăng gấp hai lần cho cả xung start

và stop

∂triggerlivel livel timing error =∆Vlevel1/s1.Tx + ∆Vlevel2 /S2.Tx

∂triggerlivel livel timing error = 2∆Vlevel/S.Tx

Lỗi lượng tử do bộ chuyển đổi tần số sang mã sử dụng phương pháp đếm gián tiếp cũng phụ thuộc vào tần số đo fx từ phương trình chỉ ra rằng sự chuyển đổi trong thời gian ngắn là nguyên nhân làm tăng lỗi lượng tử, có thể giảm điều này bằng ba cách sau đây hai trong số ba cách là sử dụng phương pháp chuyển đổi trực tiếp và gián tiếp

Cách đầu yêu cầu một máy phát cao tần Một phương pháp chuyển đổi khác

mà làm giảm lỗi lượng tử nó được gọi là phương pháp nội suy, theo cách này thay cho

só thực được đưa ra trong khoảng thời gian đếm là một phần nhỏ là khoảng thời gian giữa sung hiện tại và xung lúc đầu, cũng như xung đếm sau cùng và xung đếm hiện tại được đặt trong bộ đếm.phương pháp chuyển đổi này được đưa ra trong hình 14

Hình 14 Giản đồ thời gian phương pháp nội suy

Trong giai đoạn đầu đếm xung trong khoảng Tx được làm trễ tới khoảng thời gian ∆t1 và giữa cuối xung Tx và xung đếm trễ một khoảng ∆t2 Nếu có thể đo chính xác ∆t1,∆t2, lỗi lượng tử hoá được loại trừ Nhiệm vụ đo ∆t1,∆t2 có thể được giải quyết theo cách sau đây:

− Trong khoảng thời gian ∆t1 một tụ điện được tích tuyến tính và sau đó phóng điện chậm 1000 lần , khoảng này được điền đầy bởi các xung đếm do đó tính được khoảng N xung Khoảng thời gian Tx được đo bởi tổng tuyệt đối của lỗi lượng tử T’o = To/103 , điều này tương đương với việc tăng tần số fo lên 10 3 lần

− Tốc độ của phương pháp đếm gián tiếp được xác định bởi khoảng Tx và khoảng trễ cho chu kỳ đo tiếp theo có thể được giảm tới hai lần trong trường hợp xung báo hiệu hoặc xung trở về 0 bằng cách dùng hai bộ đếm làm việc luân phiên Phương

N1 N2

Tx

ttttt

t

t

To

∆t1 ∆t2

nhiên khuyết điểm là lỗi lượng tử cao ở tần trung bình và ở tần cao Ví dụ ở tần số chuyển đổi fx= 10khz và tần số tham chiếu f0 = 1Mhz lỗi lượng tử là 1%

2.3.3 Phương pháp kết hợp hai bộ đếm

Việc kết hợp được hai bộ đếm mở rộng được dải tần tín hiệu cần đo Đối với tần số trung bình và tần số cao sử dụng bộ đếm chuẩn trực tiếp, còn đối với tần số thấp

và cực thấp dùng phương pháp đếm gián tiếp

Như vậy sẽ có một ranh giới tần số để chuyển đổi giữa hai phương pháp

đo Nó được quyết định bởi điều kiện lỗi lượng tử cực đại

fxbiên =

To fo

Việc kết hợp này tạo ra một số ưu điểm, nó mở rộng được phạm vi ứng dụng, nhiễu lượng tử được giảm tới mức độ cần thiết

Sơ đồ khối của một bộ chuyển đổi kết hợp chỉ ra như hình vẽ

Hình 15 Sơ đồ khối phương pháp chuyển đổi thích nghi từ tần số sang mã

Để trigơ T hoạt động như một bộ chuyển đổi tần số, trigơ T đồng thời mở cổng AND1 và đóng cổng AND2 Do đó, bộ đếm 2 được xoá về 0 theo mỗi xung tần

số lối vào Số chỉ của bộ đếm 2 tương ứng với khoảng thời gian trong phương pháp chuyển đổi chu kỳ Trong trường hợp này tần số cần chuyển đổi khá cao Vì vậy, trong mỗi chu kỳ của tín hiệu lối vào, bộ đếm được reset về 0 trước khi bộ đếm bị tràn bởi xung tần số chuẩn từ bộ chia tần đưa tới

G Bộ chia

Tần

Khối điều khiển

Bộ đễm 1

R T

Bởi vì không có xung tràn qua từ bộ đếm CT2 trigơ sẽ không thay đổi trạng thái của nó và thiết bị vẫn hoạt động ở phương thức chuyển đổi tần số

Nếu tần số của tín hiệu cần chuyển đổi giảm, bộ đếm CT2 sẽ tràn trong chu

kỳ T1 trước khi reset, trong trường hợp này triggơ nhảy lên mức 1 bởi vì bộ đếm CT2 tràn và thiết bị sẽ chuyển sang phương thức chuyển đổi chu kỳ Do đó, khối điều khiển cho phép truyền tần số tham chiếu tới bộ đếm CT2 trong một hoặc vài chu kỳ Tx Khi triggơ T được chuyển lên mức lôgic 1, cổng AND1 đóng và AND2 mở Xung tiếp theo đặt bộ đếm CT2 tới trạng thái “N” và triggơ trở về 0

Nếu tần số lối vào làm tràn bộ đếm CT2 ở mỗi chu kỳ Tx, mỗi lần như vậy triggơ được chuyển lên “1”, bộ đếm lên “N”, và khối điều khiển sẽ đẩy thiết bi đến phương thức chuyển đổi chu kỳ khác

Bộ đếm CT2 được đặt tới “0” hoặc “N” phụ thuộc vào kết quả của vòng chuyển đổi hiện tại, và phương thức chuyển đổi được đặc trưng bởi đại lượng trễ N Điều đó nhằm loại bỏ trạng thái làm việc không ổn định khi tần số của tín hiệu tiến gần tới tần số chuyển đổi phương pháp fxbiên (tương tự như hiệu ứng ping-pong trong

hệ thống di động tổ ong khi khi máy thu chuyển động zích zắc qua biên của hai vùng phủ sóng)

Vì vậy phụ thuộc vào tần số lối vào, số xung tương ứng hoặc chu kỳ được lưu trong CT1 Trạng thái của triggơ được chỉ ra phương thức chuyển đổi (tần số hay chu kỳ)

Bộ chuyển đổi đã miêu tả, có thể dễ dàng được thực hiện dựa trên một vi xử

lý Tùy theo trạng thái ban đầu mà vi xử lý quyết định tần số biên fxbiên cho mỗi chiều chuyển đổi mode sau khi đã phân tích thông số thực tế để đưa ra quyết định chuyển đổi mode Việc lựa chọn vi xử lý phụ thuộc vào yêu cầu thực hiện và dải hoạt động và các yêu cầu khác nữa về hệ thống Ví dụ như độ chính xác và dải đo phụ thuộc vào khả năng của thiết bị ngoại vi và tốc độ hoạt động phụ thuộc vào vi xử lý

2.4 Các phép toán xử lý tín hiệu trong cảm biến thông minh / tần số

Công nghệ xử lý tín hiệu số được sử dụng rộng rãi bởi vì độ chính xác và khả năng lặp lại mà công nghệ này mang lại Xử lý số được định nghĩa ( theo Texas instruments ) là : “ khoa học biểu diễn tín hiệu bằng dãy số và xử lý chúng ( dãy số )

Xử lý bao gồm cả việc lọc ra những tham số cần quan tâm từ nhứng tín hiệu đầu vào lẫn việc chuyển đổi nó dưới dạng dễ ứng dụng hơn

Xử lý tín hiệu số có những ưu điểm nổi bật

− Trong một số công việc, xử lý số rẻ tiền hơn xử lý tín hiệu tương tự ( như

biến đổi Fourier )

− Hệ thống số ít nhạy cảm với sự biến động của môi trường , các thành phần dung sai Nó có khả năng dự báo chính xác cao, tính lặp lại cao

− Đặc biệt nó có khả năng tái lập trình

Phép toán xử lý tín hiệu cơ bản dùng trong cảm biến thông minh / tần số là cộng, trừ, nhân, chia các tín hiệu xung tần số Chúng ta nghiên cứu thực hiên các toán

tử trên cho phép nâng cao độ chính xác (giảm sai số lượng tử), tăng cường độ ổn định với nhiễu trong các trường hợp chuyển đổi tần số sang mã

2.4.1 Toán tử cộng và trừ

Thông thường trong xử lý tín hiệu tần số cần trừ đi thành phần tần số cho một tần sô khác hoặc cộng hai hay nhiều thành phần tần số với nhau Tín hiệu lối vào bộ cộng dưới dạng các chuỗi xung liên tục với tần số Fi(t), tương ứng với những giá trị tức thì xi(t), bộ tổng sẽ biến đổi thành chuỗi xung mới với tần số F(t) có dạng theo phương trình sau:

1

N

N x

) Tổng tuyệt đối của hai chu kỳ

2.4.2 Bộ nhân và bộ chia

Trong lĩnh vực đo đạc tần số bộ nhân tần đóng vai trò như một bộ khuyếch đại biên độ của tín hiệu Chúng sẽ làm tăng độ nhạy của thiết bị đo và mở rộng dải đo trong vùng tín hiệu nhỏ Đồng thời chúng cải thiện bộ chuyển đổi từ tần số sang mã theo hai hướng sau Thứ thất giúp tăng tốc độ cho phép giảm nhiễu lượng tử, thứ hai

có thể giảm thời gian đo đạc, vì vậy sử dụng trong thiết bị đo để điều khiển nhiều đại lượng biến đổi chậm, hoặc giảm giải động của nhiễu bằng cách đo các đại lượng biến đổi nhanh Cuối cùng bộ nhân tần có thể sử dụng cho việc đồng nhất tín hiệu, cho phép với các thiết bị đo được sử dụng với cảm biến với những tần số lối ra khác nhau được đồng nhất về cùng một tần số Tiếp theo đây chúng ta sẽ xem xét một cách chi tiết hơn

Mặc dù trên thực tế bộ nhân tần đã được biết và sử dụng ở trong các công nghệ radio và đo lường học (pha và thời gian) trước đó một thời gian dài Sự xuất hiện

kỹ nghệ đo tần số với yêu cầu đặc biệt không chỉ mang lại cho chúng ta nhiều bộ nhân mới mà nó còn tạo ra nhiều vấn đề mới cần giải quyết

Bộ nhân tần là một bộ chuyển đổi những giao động điện ở lối vào với tần số fxi

thành những giao động ở lối ra và với tần số trung bình

Tương tự, log2 của nó log2D là dải thông tính theo Octave, hay lgD là dải thông tính bằng Decac

Đặc trưng cơ bản của bộ nhân là hệ số nhân, tốc độ và phạm vi dải tần của nó

Bộ nhân tần có hệ số nhân tần lớn, tốc độ cao, và dải tần càng rộng càng tốt Các yêu cầu này là mâu thuẫn với nhau Thực tế, nếu ta tăng km thì giảm phạm vi tần số làm việc Mặt khác nếu ta mở rộng dải thông thì phải giảm tốc độ làm việc

Dạng xung lối vào và lối ra của bộ nhân tần có sự khác biệt rất lớn Nếu dạng xung lối vào không như mong muốn, có thể phải dùng thêm bộ tạo dạng xung Sau đây

là một vài điểm đặc biệt khi nhân tín hiệu có dạng xung khác nhau

− Nếu tín hiệu cảm biến có dạng răng cưa, khi đó bộ đếm sẽ được thiết lập ở một số mức bởi điện áp lối vào Sườn không đổi của điện áp răng cưa và mức kích hoạt không đổi làm cho bộ nhân không phù hợp khi làm việc trong một giải tần rộng Bởi vì sự xắp xếp các xung theo thời gian là không đồng nhất, có một số thành phần lệch khỏi vị trí thông thường Nguyên nhân là do sự thay đổi biên độ của xung răng cưa Còn đối với những tín hiệu vào không phải là dạng xung răng cưa thì hệ thống có thể đạt được xung lối ra với một giải tần rộng

Sử dụng lối vào dạng dạng xung tam giác cân xứng, bộ nhân được thực hiện bằng cách liên tục lập lại việc chỉnh lưu dạng sóng Thành phần một chiều được trừ đi khỏi tín hiệu lối vào, tiếp theo là tinh chỉnh dạng sóng Sau cùng chúng ta đạt được điện áp tam giác song có tần số gấp đôi

− Đối với tín hiệu lối vào dạng hình sin, bộ nhân với bộ mã hóa không gian được thực hiện nhờ bộ chuyển đổi tín hiệu không tuyến tính (ví dụ: nhân chập bình phương, hoặc nhân chập bậc 3)

2.4.3 Toán tử vi phân và tích phân

Các bộ vi phân và tích phân thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động, vi phân là một trong những toán tử khó nhất Thông thừơng nó được biểu diễn theo cách sau đây