Đồ án tốt nghiệp Ứng dụng mạng CAN trong thu thập dữ liệu nhiều đầu vào

Đồ án tốt nghiệp Ứng dụng mạng CAN trong thu thập dữ liệu nhiều đầu vào MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 3 1.1. Đặt vấn đề 3 1.1.1. Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu 3 1.1.2. Các chuẩn truyền dữ liệu trong hệ thống thu thập dữ liệu 5 a) Ethernet 5 b) USB 5 c) RS485 5 1.2. Tổng quan về truyền thông CAN 6 1.2.1. Giới thiệu CAN (Controller Area Network) 6 1.2.2. Cơ chế giao tiếp 7 1.2.3. Cấu trúc bản tin 8 1.2.4. Truy cập bus và bảo toàn dữ liệu 10 1.3. Một số ứng dụng của mạng CAN 10 1.3.1. Mạng CAN trong ô tô 10 1.3.2. Mạng CAN trong công nghiệp 11 1.4. Yêu cầu thực tế 11 Kết luận 13 Chương 2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 14 2.1. Cấu hình hệ thống 14 2.1.1. Tổng quan về cấu hình hệ thống 14 2.1.2. Các module đo lường 15 2.1.3. Module trung tâm 16 2.1.4. Máy tính thu thập dữ liệu 16 2.1.5. Các giao thức truyền thông 17 a) Truyền thông CAN 17 b) Truyền thông UART 17 c) Truyền thông USB 17 2.2. Lựa chọn các thiết bị chính 17 2.2.1. Tính chọn các cảm biến 17 a) Cảm biến đo tốc độ động cơ thủy lực 17 b) Cảm biến nhiệt độ 19 c) Cảm biến lưu lượng 19 d) Cảm biến áp suất 21 2.2.2. Lựa chọn vi điều khiển 21 Kết luận 22 Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 23 3.1. Thiết kế nguyên lý 23 3.1.1. Mạch xử lý đo áp suất 23 3.1.2. Mạch xử lý đo nhiệt độ 23 3.1.3. Mạch xử lý đo tốc độ động cơ thủy lực và lưu lượng 24 3.1.4. Khối chuyển đổi CAN 25 3.1.5. Khối hiển thị 26 3.1.6. Khối vi điều khiển 26 3.1.7. Khối nguồn cung cấp cho các module 27 3.2. Thiết kế mạch in 28 3.2.1. Mạch đo lường 28 3.2.2. Hộp trung tâm 29 Kết luận 30 Chương 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 31 4.1. Lập trình cho vi điều khiển 31 4.2. Lập trình phần mềm trên máy tính 36 4.2.1. Giới thiệu phần mềm lập trình CVI 36 4.2.2. Giao diện phần mềm ứng dụng 36 4.2.3. Cấu trúc chương trình 40 Kết luận 41 Chương 5 GHÉP NỐI HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM 42 5.1. Ghép nối hệ thống 42 5.2. Cài đặt hệ thống 45 5.3. Kết quả thử nghiệm 46 Kết luận 50 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG MẠNG CAN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU

NHIỀU ĐẦU VÀO

Trưởng bộ môn : TS Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn : Ths Võ Duy Thành

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hoàng Thạch

Lớp : ĐK & TĐH 7 – K56

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng mạng CAN trong thu thập

dữ liệu nhiều đầu vào do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo ThS Võ

Duy Thành Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danhmục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếuphát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Thạch

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu 3

1.1.2 Các chuẩn truyền dữ liệu trong hệ thống thu thập dữ liệu 5

a) Ethernet 5

b) USB 5

c) RS485 5

1.2 Tổng quan về truyền thông CAN 6

1.2.1 Giới thiệu CAN (Controller Area Network) 6

1.2.2 Cơ chế giao tiếp 7

1.2.3 Cấu trúc bản tin 8

1.2.4 Truy cập bus và bảo toàn dữ liệu 10

1.3 Một số ứng dụng của mạng CAN 10

1.3.1 Mạng CAN trong ô tô 10

1.3.2 Mạng CAN trong công nghiệp 11

1.4 Yêu cầu thực tế 11

Kết luận 13

Chương 2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 14

2.1 Cấu hình hệ thống 14

2.1.1 Tổng quan về cấu hình hệ thống 14

2.1.2 Các module đo lường 15

2.1.3 Module trung tâm 16

2.1.4 Máy tính thu thập dữ liệu 16

2.1.5 Các giao thức truyền thông 17

2.2 Lựa chọn các thiết bị chính 17

2.2.1 Tính chọn các cảm biến 17

a) Cảm biến đo tốc độ động cơ thủy lực 17

b) Cảm biến nhiệt độ 19

c) Cảm biến lưu lượng 19

d) Cảm biến áp suất 21

2.2.2 Lựa chọn vi điều khiển 21

Kết luận 22

Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 23

3.1 Thiết kế nguyên lý 23

3.1.1 Mạch xử lý đo áp suất 23

3.1.2 Mạch xử lý đo nhiệt độ 23

3.1.3 Mạch xử lý đo tốc độ động cơ thủy lực và lưu lượng 24

3.1.4 Khối chuyển đổi CAN 25

3.1.5 Khối hiển thị 26

3.1.6 Khối vi điều khiển 26

3.1.7 Khối nguồn cung cấp cho các module 27

3.2 Thiết kế mạch in 28

3.2.1 Mạch đo lường 28

3.2.2 Hộp trung tâm 29

Kết luận 30

Chương 4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 31

4.1 Lập trình cho vi điều khiển 31

4.2 Lập trình phần mềm trên máy tính 36

4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình CVI 36

4.2.2 Giao diện phần mềm ứng dụng 36

4.2.3 Cấu trúc chương trình 40

Kết luận 41

Chương 5 GHÉP NỐI HỆ THỐNG VÀ THỬ NGHIỆM 42

5.1 Ghép nối hệ thống 42

5.2 Cài đặt hệ thống 45

5.3 Kết quả thử nghiệm 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53

DANH MỤC

Hình 1.1 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng tập trung 3

Hình 1.2 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng phân tán 3

Hình 1.3 Ghép nối trong mạng CAN 6

Hình 1.4 Các lớp giao tiếp 7

Hình 1.5 Cấu trúc khung dữ liệu CAN 9

Hình 1.6 Mạng CAN trong ô tô 10

Hình 1.7 Máy thử vạn năng các cụm thủy lực MH-100 12

Hình 1.8 Bản hiển thị số liệu 12

YHình 2.1 Cấu hình hệ thống 14

Hình 2.2 Sơ đồ khối của các module đo lường 15

Hình 2.3 Sơ đồ khối của module trung tâm 16

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đếm xung 18

Hình 2.5 Cảm biến tiệm cận 18

Hình 2.6 Sơ đồ ngõ ra điều khiển 19

Hình 2.7 Cảm biến nhiệt độ PT100 19

Hình 2.8 Cảm biến lưu lượng 19

Hình 2.9 Tín hiệu từ cảm biến lưu lượng 20

Hình 2.10 Đặc tính của cảm biến lưu lượng dòng cao FM 20

Hình 2.11 Đặc tính của cảm biến lưu lượng dòng thấp FM1 và FM2 20

Hình 2.12 Cảm biến áp suất 21

Hình 2.13 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F25K80 22

YHình 3.1 Mạch xử lý đo áp suất ………

23 Hình 3.2 Mạch xử lý đo nhiệt độ 24

Danh mục hình vẽ

Hình 3.4 Khối chuyển đổi CAN 25

Hình 3.5 Khối hiển thị 26

Hình 3.6 Khối vi điều khiển 27

Hình 3.7 Module chuyển đổi UART/USB 27

Hình 3.8 Nguồn công nghiệp 28

Hình 3.9 Khối nguồn trên mạch 28

Hình 3.10 Mặt trước của mạch đo lường 28

Hình 3.11 Mặt sau của mạch đo lường 29

Hình 3.12 Hộp trung tâm 29

YHình 4.1 Lưu đồ chương trình cho vi điều khiển……… ………

31 Hình 4.2 Lưu đồ khi xảy ra ngắt CAN 32

Hình 4.3 Panel chính 36

Hình 4.4 Panel in ấn 37

Hình 4.5 Mẫu phiếu kiểm tra 39

Hình 4.6 Cấu trúc chương trình trên máy tính 40

YHình 5.1 Vị trí gắn cảm biến tiệm cận… …… ……… …………

42 Hình 5.2 Vị trí gắn cảm biến nhiệt độ PT100 42

Hình 5.3 Vị trí các cảm biến áp suất và mạch đo lường 43

Hình 5.4 Mặt trước của bản hiển thị 43

Hình 5.5 Mặt sau của bản hiển thị 44

Hình 5.6 Kết nối các dây tại hộp trung tâm 44

Hình 5.7 Kết nối các dây tại máy tính 44

Hình 5.8 Thử nghiệm hệ thống 46

Hình 5.9 Các giá trị ban đầu trên bản hiển thị 47

Hình 5.11 Kết quả thử nghiệm đường ống có lưu lượng cao FM 48

Hình 5.12 Kết quả thử nghiệm đường ống có lưu lượng thấp FM1 48

Hình 5.13 Kết quả thử nghiệm đường ống có lưu lượng thấp FM2 49

Hình 5.14 Kết quả thử nghiệm hệ thống phụ 50

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆ

Bảng 4.1 Chú giải bản tin UART 33

Bảng 4.2 Bản tin CAN 35

YBảng 5.1 DIP Switch………

……… 45

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DAQ Data acquisition Thu thập dữ liệu

CAN Controller Area Network Mạng điều khiển vùng

ADC Analog to digital converter Bộ chuyển đổi tương tự sang sốUSB Universal Serial Bus Mạng tuần tự đa dụng

UART Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter Truyền nhận nối tiếp khôngđồng bộMCU Micro-Controller Unit Vi điều khiển

LLC Logical Link Control Điều khiển logic liên kết

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trườngCRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra mã dư vòng

RTR Remote Transmission Request Yêu cầu truyền xa

MSB Most Significant Bit Bit có trọng số cao nhất

LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

IC Integrated circuit Vi mạch tích hợp

IDE Integreted Development

Environment Môi trường phát triển tích hợp

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Để theo dõi, giám sát được toàn bộ quá trình sản xuất trong nhà máy côngnghiệp, các dữ liệu về quá trình cần phải được thu thập liên tục Một hệ thống thu thập

dữ liệu được xây dựng để đảm nhiệm vai trò đó trong nhà máy

Các công nghệ bus trường phát triển giúp cho việc thu thập dữ liệu trở nên dễdàng hơn vì đã thay thế cách nối điểm – điểm cổ điển giữa các thiết bị trong côngnghiệp Hiện nay đã có rất nhiều mạng truyền thông được xây dựng như Ethernet,USB, RS485, CAN, PROFIBUS, Modbus Vấn đề đặt ra khi xây dựng một hệ thốngthu thập dữ liệu là lựa chọn mạng truyền thông nào để phù hợp với yêu cầu và nhiệm

vụ của ứng dụng thực tế

Mạng CAN ban đầu được sử dụng trong ô tô Vì tốc độ truyền dẫn tương đốicao ở khoảng cách ngắn cũng như ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật khác mà mạngCAN cũng đã được ứng dụng trong công nghiệp Do đó việc nghiên cứu ứng dụngmạng CAN vào trong hệ thống thu thập dữ liệu rất đáng được quan tâm

Đồ án được trình bày gồm 5 chương

Chương 1 giới thiệu tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu Các đường truyền

dữ liệu được trình bày với ưu điểm và nhược điểm riêng Mạng CAN được ứng dụng

cụ thể vào đối tượng là máy thử vạn năng các cụm thủy lực MH-100

Chương 2 xây dựng cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính Phần nàyđưa ra một cách nhìn tổng quan về hệ thống Các module đo lường giao tiếp vớimodule trung tâm thông qua mạng truyền thông CAN

Chương 3 trình bày thiết kế phần cứng Các mạch đo lường tốc độ, nhiệt độ, lưulượng, áp suất, mạch vi điều khiển, mạch truyền thông, mạch nguồn được xây dựng

Chương 4 thiết kế phần mềm cho vi điều khiển và phần mềm giao diện giám sáttrên máy tính

Chương 5 ghép nối hệ thống và thử nghiệm Các kết quả đã đạt được chứng tỏrằng mạng CAN hoàn toàn áp dụng được vào hệ thống thu thập dữ liệu

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS Võ Duy Thành đã tận tình hướngdẫn, giúp đỡ em tìm hiểu, hoàn thành đồ án Những kiến thức, kinh nghiệm mà thầytruyền đạt đã giúp em tránh khỏi những sai lầm không đáng có.

Trong quá trình thực hiện đồ án, do kinh nghiệm thực tế còn thiếu, thời gian hạnchế nên chưa thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý củathầy, cô

Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Thạch

Lời nói đầu

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập dữ liệu

Thu thập dữ liệu (data acquisition – DAQ) là quá trình đo lường một đại lượngđiện hoặc vật lý như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất… cùng với một máy tính Hệthống thu thập dữ liệu có 2 dạng cấu hình

 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng tập trung bao gồm các cảm biến, một thiết bịthu thập dữ liệu tập trung với nhiều đầu vào và một máy tính với chươngtrình phần mềm

Hình 1.1 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng tập trung

Tín hiệu từ các cảm biến sẽ được truyền đến thiết bị thu thập dữ liệu và được xử

lý Sau đó các kết quả sẽ được truyền lên máy tính thông qua đường truyền dữ liệu

Hình 1.2 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng phân tán

 Cấu hình thu thập dữ liệu dạng phân tán bao gồm các module đo lường (cócảm biến cùng với thiết bị thu thập dữ liệu để đo lường và hiển thị dữ liệu),một module trung tâm để nhận thông tin từ các module đo lường thông quađường truyền dữ liệu, sau đó hiển thị và lưu trữ dữ liệu.

Cảm biến là một thiết bị chuyển đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện có thể

đo được Đầu vào của cảm biến có thể là nhiệt độ, áp suất, lưu lượng… Đầu ra củacảm biến có thể là điện áp, dòng điện, điện trở …

Thiết bị thu thập dữ liệu là thành phần trung gian giữa các cảm biến và máytính Chức năng chính là số hóa các tín hiệu được đưa đến từ cảm biến, vì thế máy tínhmới có thể hiểu được Các thành phần chính bao gồm xử lý tín hiệu, ADC (analog todigital converter – chuyển đổi tương tự sang số) và đường truyền dữ liệu Một số thiết

bị thu thập dữ liệu còn có thêm các thành phần khác như bộ đếm, bộ phát xung

Tín hiệu từ các cảm biến đưa về có thể bị nhiễu hoặc quá nguy hiểm nếu đo trựctiếp Mạch xử lý tín hiệu có chức năng biến đổi tín hiệu sang dạng phù hợp với đầuvào của ADC Mạch đó có thể có chức năng khuếch đại hoặc suy giảm, lọc và cách lytín hiệu Một số thiết bị thu thập dữ liệu có mạch xử lý tín hiệu được thiết kế để đo vớicác loại cảm biến đặc trưng

Các tín hiệu tương tự từ các cảm biến phải được chuyển đổi sang dạng số trướckhi chúng được đưa vào thiết bị số như máy tính Trong quá trình hoạt động, một tínhiệu tương tự liên tục thay đổi theo thời gian và bộ ADC lấy mẫu tín hiệu theo tốc độ

đã định trước Các mẫu đó được truyền đến máy tính qua đường truyền dữ liệu Tạimáy tính, tín hiệu được xây dựng lại từ các mẫu thu thập được trong phần mềm

Các thiết bị thu thập dữ liệu kết nối đến máy tính qua một cổng kết nối Cácđường truyền dữ liệu bao gồm USB, PCI, RS485, Ethernet và gần đây là đường truyềnkhông dây Wi-fi

Một máy tính với chương trình phần mềm điều khiển sự hoạt động của thiết bịthu thập dữ liệu và dùng để xử lý, hiển thị và lưu trữ dữ liệu Các kiểu máy tính khácnhau được dùng trong các ứng dụng khác nhau Một máy tính để bàn có thể được dùngtrong phòng thí nghiệm, một máy tính xách tay có thể được dùng ở hiện trường vì tínhlinh động của nó hoặc một máy tính công nghiệp có thể được dùng trong nhà máy sảnxuất vì độ bền của nó Phần mềm trên máy tính gồm driver và phần mềm ứng dụng

Lời nói đầu

cứng ở mức độ thấp và chương trình ở mức độ thanh ghi Phần mềm ứng dụng tạo sự

dễ dàng và trực quan trong giao tiếp giữa máy tính và người dùng ở việc thu thập,phân tích và hiển thị dữ liệu đo lường Phần mềm ứng dụng có các ứng dụng được xâydựng từ trước với chức năng đã được xác định và một môi trường lập trình để xâydựng các ứng dụng với chức năng tùy chỉnh

1.1.2 Các chuẩn truyền dữ liệu trong hệ thống thu thập dữ liệu

Khi hệ thống thu thập dữ liệu có hàng trăm thiết bị thu thập dữ liệu thì việc lựachọn chuẩn truyền dữ liệu phù hợp với ứng dụng có thể gặp khó khăn Mỗi chuẩn cócác ưu điểm và nhược điểm khác nhau Dưới đây là một số chuẩn truyền dữ liệuthường dùng

a) Ethernet

Ethernet là đường truyền chính của hầu như mọi tổ chức mạng trên thế giới.Ethernet là một đường truyền lý tưởng trong việc đo lường phân tán hoặc di động ởkhoảng cách xa Một cáp Ethernet đơn có thể dài đến 100m trước khi cần một bộ chia(hub), bộ chuyển mạch (switch) hoặc bộ lặp (repeater)

Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vìvậy có thể dùng các giao thức khác nhau ở phía trên Do đó, mỗi nhà cung cấp sảnphẩm có thể thực hiện giao thức riêng Vì vậy, nếu thiết bị bị hỏng thì phải mua đúngthiết bị có giao thức đó thì mới giao tiếp được trong mạng

b) USB

USB (Universal Serial Bus) ban đầu được thiết kế để kết nối các thiết bị ngoại

vi, như bàn phím, chuột với máy tính Hiện nay, USB đã được sử dụng vào nhiều ứngdụng khác, trong đó bao gồm đo lường và tự động hóa USB là một giải pháp rẻ và dễdùng khi kết nối các thiết bị thu thập dữ liệu với máy tính Tuy nhiên, khoảng cáchtruyền của USB ngắn (5m đối với USB 2.0)

c) RS485

RS485 sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa 2 dây dẫn A, B đểtruyền dữ liệu RS485 có thể ghép nối được 32 trạm được định địa chỉ Trong một thờiđiểm chỉ có một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu Chiều dài dâydẫn và tốc độ truyền dẫn có sự ràng buộc lẫn nhau

RS485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điệnhọc Do đó, RS485 có nhược điểm là khó kết nối giữa các thiết bị khác hãng sản xuất,phát sinh nhiều lỗi không mong muốn.

Ethernet và RS485 đều có nhược điểm là khó kết nối giữa các thiết bị khác hãngsản xuất USB thì chỉ truyền được ở khoảng cách ngắn Sau quá trình tìm hiểu vànghiên cứu, đồ án nhận thấy mạng CAN có thể khắc phục được các nhược điểm đó.Mạng CAN ban đầu được sử dụng trong ô tô Vì tốc độ truyền dẫn tương đối cao cũngnhư ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật khác mà mạng CAN cũng đã được ứng dụngtrong công nghiệp

1.2 Tổng quan về truyền thông CAN

1.2.1 Giới thiệu CAN (Controller Area Network)

Controller Area Network (CAN) là giao tiếp hỗ trợ mạnh cho những hệ thốngđiều khiển thời gian thực phân tán với các đặc tính nổi bật như:

 Các thông điệp có mức ưu tiên khác nhau

 Đảm bảo về thời gian trễ

 Tính linh hoạt của cấu hình

 Sự thu nhận đa điểm có đồng bộ về thời gian

 Tính bền vững của dữ liệu khi mở rộng hệ thống

 Phát hiện và báo hiệu lỗi

Công nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn giản, giảm tối thiểu hiệntượng sự dội tín hiệu, sự truyền dữ liệu thực hiện nhờ cặp dây truyền tín hiệu vi sai, cónghĩa là thực hiện đo sự khác nhau giữa hai đường (CAN_H và CAN_L) Đường dâybus kết thúc bằng điện trở 120Ω (thấp nhất là 108Ω và tối đa là 132Ω) ở mỗi đầu đểtránh hiện tượng phản xạ lại tín hiệu trên đường truyền Mỗi MCU được nối chung vào

hệ thống mạng CAN

Lời nói đầu

Hình 1.3 Ghép nối trong mạng CAN

Mỗi mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các nút mạng (Nodes) Mỗi mộtnút mạng có thể giao tiếp với bất cứ nút nào khác trong mạng Việc giao tiếp thực hiệntruyền đi và nhận lại các gói dữ liệu (Message) Mỗi một loại gói dữ liệu trong CANđược gán cho một mã căn cước (ID) tùy theo mức độ ưu tiên của gói dữ liệu đó MạngCAN có thể có vài nút nhận gói dữ liệu và cùng thực hiện một nhiệm vụ Hệ thốngđiều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở, dễ dàng thay đổi mà không cầnthiết kế lại toàn bộ hệ thống Muốn trao đổi thành công dữ liệu trên mạng CAN cácphần tử kết nối với mạng cần phải được cài đặt tốc độ giống nhau

ID của gói dữ liệu phụ thuộc vào mức ưu tiên của nó Điều này cho phép phântích thời gian đáp ứng của từng gói dữ liệu Ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế hệthống nhúng thời gian thực

Giao thức CAN thực thi trong hai lớp là lớp vật lý (Physical Layer) và lớp liênkết dữ liệu (Data Link Layer)

Hình 1.4 Các lớp giao tiếp

Lớp vật lý (Physical Layer) định nghĩa cách biểu diễn / thu nhận bit 0 bit 1,cách định thời và đồng bộ hóa.

Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) được chia thành 2 lớp nhỏ là LogicalLink Control (LLC) và Medium Access Control (MAC) : định nghĩa khung truyền vànhững nguyên tắc phân xử để tránh trường hợp cả hai master cùng truyền đồng thời

Ngoài ra, chuẩn CAN còn định nghĩa nhiều cơ chế khác để kiểm tra lỗi, xử lýlỗi … cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi chia làm 4 loại lỗi: Bit Error, CRC Error, FrameError, ACK Error

1.2.2 Cơ chế giao tiếp

Đặc trưng của CAN là phương pháp định địa chỉ và giao tiếp hướng đối tượng,trong khi hầu hết các hệ thống truyền thông khác đều giao tiếp dựa vào địa chỉ cáctrạm Mỗi thông tin trao đổi trong mạng được coi như một đối tượng và được gán một

mã số căn cước ID Thông tin được gửi lên mạng theo kiểu truyền thông báo với các

độ dài khác nhau

Các thông báo không gửi tới một địa chỉ nhất định mà bất cứ trạm nào cũng cóthể nhận theo yêu cầu Nội dung mỗi thông báo được các trạm phân biệt qua một mãcăn cước Mã căn cước không nói lên địa chỉ đích của thông báo mà chỉ biểu diễn ýnghĩa của dữ liệu thông báo Vì thế mỗi trạm trên mạng có thể tự quyết định tiếp nhận

và xử lý thông báo hay không tiếp nhận thông báo qua phương thức lọc thông báo, nhờvậy nhiều trạm có thể nhận đồng thời nhiều thông báo và có các phản ứng khác nhau

Một trạm có thể yêu cầu trạm khác gửi dữ liệu bằng cách gửi một khung yêucầu dữ liệu Trạm có khả năng cung cấp nội dung thông tin đó sẽ gửi trả lại một khung

dữ liệu DATA frame có cùng mã căn cước tới khung yêu cầu

Bên cạnh những tính năng đơn giản, cơ chế giao tiếp hướng đối tượng ở CANmang lại tính linh hoạt và tính nhất quán dữ liệu của hệ thống Một trạm CAN khôngcần biết thông tin cấu hình hệ thống (ví dụ địa chỉ trạm), nên việc bổ sung hay bỏ đimột trạm không đòi hỏi bất cứ một sự thay đổi nào về phần cứng hay phần mềm ở cáctrạm khác Trong mạng CAN, có thể chắc chắn rằng một thông báo hoặc được tất cảcác trạm quan tâm tiếp nhận đồng thời hoặc không được trạm nào tiếp nhận Tính nhấtquán dữ liệu được đảm bảo qua các phương pháp gửi đồng loạt và xử lý lỗi

1.2.3 Cấu trúc bản tin

Lời nói đầu

 Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm truyền tới cáctrạm nhận

 Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) được gửi từ trạm yêu cầutruyền dữ liệu với cùng mã căn cước

 Khung lỗi (ERROR FRAME) được gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi

 Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) được sử dụng nhằm tạo một khoảngcách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu trongtrường hợp một trạm bị quá tải

Các khung dữ liệu và yêu cầu dữ liệu có thể sử dụng ở cả dạng khung chuẩn vàdạng khung mở rộng Giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu cần một khoảng ítnhất là 3 bit lặn để phân biệt, được gọi là INTERFRAME SPACE Trong trường hợpquá tải khoảng cách này sẽ lớn hơn bình thường

Mỗi khung dữ liệu có thể mang từ 0 đến 8 byte dữ liệu sử dụng Chuẩn CANkhông quy định giao thức các dịch vụ trên lớp 2, do đó việc diễn giải vùng dữ liệu nàythuộc toàn quyền người sử dụng

Hình 1.5 Cấu trúc khung dữ liệu CAN

Khởi đầu khung là một bit trội và đánh dấu khởi đầu của một khung dữ liệuhoặc khung yêu cầu dữ liệu Tất cả các trạm sẽ phải đồng bộ hóa dựa vào bit khởi đầunày

Ô phân xử được sử dụng là mức ưu tiên của bản tin, quyết định quyền truy nhậpbus khi có nhiều thông báo được gửi đi đồng thời Ô phân xử có chiều dài 12 bit với

hoặc 29 bit Bit cuối cùng của ô phân xử là bit RTR (Remote Transmission Request),dùng để phân biệt giữa khung dữ liệu (bit trội) và khung yêu cầu dữ liệu (bit lặn).

Ô điều khiển dài 6 bit, trong đó 4 bit cuối mã hóa chiều dài dữ liệu (bit trội =0,bit lặn =1) Tùy theo dạng khung là chuẩn hay mở rộng mà ý nghĩa hai bit còn lại khácnhau một chút

Ô dữ liệu có chiều dài từ 0-8 byte, trong đó mỗi byte được truyền đi theo thứ tự

từ bit có trọng số cao nhất (MSB) đến bit có trọng số thấp nhất (LSB)

Ô kiểm soát lỗi CRC bao gồm 15 bit được tính theo phương pháp CRC và 1 bitlặn phân cách Dãy bit đầu vào để tính bao gồm bit khởi đầu khung, ô phân xử, ô điềukhiển và ô dữ liệu, với đa thức phát:

G=X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1

Ô xác nhận ACK (Acknowlegment) gồm cả 2 bit, được phát đi là các bit lặn.Mỗi trạm nhận được bức điện phải kiểm tra mã CRC, nếu đúng sẽ phát chồng lên mộtbit trội trong thời gian nhận được bit ACK đầu tiên (ACK slot) Kết thúc khung đượcđánh dấu bằng 7 bit lặn

1.2.4 Truy cập bus và bảo toàn dữ liệu

CAN sử dụng phương pháp truy nhập môi trường CSMA/CA, tức là điều khiểnphân kênh theo từng bit Phương pháp phân mức ưu tiên truy nhập bus theo tính cấpthiết của nội dung thông báo Mức ưu tiên này phải được đặt cố định, trước khi hệthống đi vào vận hành Thực tế mã căn cước không những mang ý nghĩa của dữ liệutrong thông báo, mà còn đồng thời được sử dụng là mức ưu tiên Khi có nhiều trạmđồng thời gửi thông báo, việc xung đột trên đường truyền sẽ được phân xử dựa theotừng bit của mã căn cước Mỗi bộ thu phát đều phải so sánh mức tín hiệu gửi đi vớimức tín hiệu quan sát được trên bus Nếu hai mức tín hiệu có hai trang thái logic giốngnhau thì trạm có quyền phát bit tiếp theo, trường hợp ngược lại sẽ phải ngừng lại ngaylập tức

Nhằm đảm bảo mức an toàn tối đa trong truyền dẫn dữ liệu, mỗi trạm CAN đều

sử dụng kết hợp nhiều biện pháp để tự kiểm tra, phát hiện và báo lỗi

1.3 Một số ứng dụng của mạng CAN

1.3.1 Mạng CAN trong ô tô

Lời nói đầu

Mạng CAN ra đời nhằm giải quyết vấn đề truyền tin giữa các thiết bị trong ô tô.CAN đã được tạo ra vào năm 1984 bởi Robert Bosch Corp với dự đoán áp dụng nótrong tương lai trên các thiết bị điện tử trong máy bay Các ứng dụng sản xuất đầu tiên

là vào năm 1992 ở một số mô hình xe Mercedes-Benz Hiện nay, hầu hết các ô tô đềudùng mạng CAN để truyền thông giữa các thiết bị

Hình 1.6 Mạng CAN trong ô tô

Trong những chiếc xe hơi đời mới thường có một mạng CAN tốc độ cao (highspeed) dùng để điều khiển động cơ và phanh … một mạng CAN tốc độ thấp (lowspeed) dùng để điều khiển những thiết bị khác như đèn, gương, hệ thống âm thanh, hệthống điều hòa… Mạng CAN trên ô tô giúp cho việc chuẩn đoán lỗi dễ dàng hơn.Người dùng cần có máy chuẩn đoán để đọc mã lỗi và dữ liệu của hệ thống

1.3.2 Mạng CAN trong công nghiệp

Mạng CAN đã được sử dụng như một mạng cấp trường trong môi trường tựđộng hóa chủ yếu là nhờ vào giá thành rẻ của các bộ điều khiển, bộ xử lý CAN

Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu là các hệ thống điều khiển chuyển động, cácdây chuyền lắp ráp và xử lý nguyên liệu Ví dụ, các thiết bị được nối mạng có thể làcác khối cảm biến đa kênh, cảm biến thông minh, van khí nén, bộ đọc mã vạch, cơ cấutruyền động và giao diện vận hành

1.4 Yêu cầu thực tế

Trung tâm sửa chửa ô tô công nghệ cao thị trấn Đông Anh là một đơn vị chuyênlàm về xe ô tô và hiện tại đang sở hữu Máy thử vạn năng các cụm thủy lực MH-100

Các đặc tính của máy:

 Có khả năng thử nghiệm đa dạng các thành phần thủy lực của các nhà sảnxuất khác nhau.

 Máy thử nghiệm này có khả năng cung cấp liên tục một lượng lớn dầu ở ápsuất lớn nhất là 41,2MPa

 Dòng thủy lực được tách biệt đến 2 hệ thống Một hệ thống bao gồm mộtbơm chính và một động cơ chính để truyền động cho bệ thử, hệ thống cònlại cung cấp các thành phần cho việc thử nghiệm Các hệ thống có thùngchứa dầu riêng, ngăn ngừa sự hòa trộn dầu, các hạt bẩn đến bể dầu chính từcác thành phần thử nghiệm Đây là một cải tiến nhằm đảm bảo bệ thử bềnhơn

 Hoạt động an toàn khi vị trí hoạt động không gây cản trở sự quay của trụcđộng cơ thủy lực

 Một bộ điều khiển áp suất thủy lực để thử nghiệm các thành phần được gắntrên bệ thử Hai hệ thống có thể hoạt động với áp suất dưới 14,7MPa

 Các bộ điều khiển servo điện được gắn trên bệ thử để thử nghiệm các thànhphần thủy lực với kiểu van servo điện

 Giúp sửa chữa lại chính xác các thành phần thủy lực

Máy được thiết kế để kiểm tra về các thành phần thủy lực

 Bơm (hiệu suất bơm, nhiệt độ, áp suất, lỗ rò rỉ)

 Động cơ

 Xi lanh (chức năng, rò rỉ dầu bên ngoài và bên trong, áp suất)

 Van (chức năng, rò rỉ dầu bên ngoài và bên trong, áp suất, độ sụt áp suất)

 Bộ truyền (chức năng ly hợp, rò rỉ dầu, cài đặt các vị trí)

 Chuyển đổi mô men (rò rỉ dầu)

Máy đã được Nhật Bản sản xuất từ lâu (năm 1979), trải qua quá trình sử dụng,các thiết bị hư hỏng dần Do vậy cần nâng cấp, thay thế

Lời nói đầu

Hình 1.7 Máy thử vạn năng các cụm thủy lực MH-100

Hình 1.8 Bản hiển thị số liệu

Yêu cầu cụ thể do trung tâm đưa ra gồm:

 Đo tốc độ động cơ thủy lực: 0-2500rpm (vòng trên phút)

 Đo nhiệt độ dầu: 0-120 oC

 Đo áp suất đường ống:

- 3 đường ống: 0-500 bar = 0-500 kg/cm2

- 1 đường ống: 0-100 bar = 0-100 kg/cm2

 Đo lưu lượng:

- 1 đường ống: 0-500 lpm (lít trên phút), đã có cảm biến lưu lượng gắn tại bệmáy (ký hiệu trên máy là FM), đặc tính ra của cảm biến: 400 Hz – 400 lpm;

100 Hz – 100 lpm

- 2 đường ống: 0-200 lpm, đã có cảm biến lưu lượng gắn tại bệ máy (ký hiệutrên máy là FM1 và FM2), đặc tính ra của cảm biến: 800 Hz – 160 lpm; 200

Hz – 40 lpm Trong một thời điểm chỉ đo FM1 hoặc FM2

Cảm biến lưu lượng dạng máy phát, khi lưu lượng lớn thì điện áp ra lớn và tần

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

Chương 2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ LỰA CHỌN CÁC

THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Cấu hình hệ thống

2.1.1 Tổng quan về cấu hình hệ thống

Hình 2.1 Cấu hình hệ thống.

Hệ thống được xây dựng bao gồm các module đo lường, module trung tâm vàmáy tính Theo yêu cầu đặt ra, các module đo lường bao gồm:

 Module đo tốc độ động cơ thủy lực (HYDRAULIC MOTOR RPM)

 Module đo nhiệt độ dầu (TANK TEMPERATURE)

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

 Module đo lưu lượng FM1 – FM2 (LOW FLOW METER)

 Module đo áp suất dòng cao (HIGH FLOW PRESSURE)

 Module đo áp suất dòng thấp (LOW FLOW PRESSURE)

 Module đo áp suất đầu ra (FLOW OUT PRESSURE)

 Module đo áp suất hệ thống phụ (AUXILIARY SYSTEM PRESSURE)Các tên tiếng Anh được ghi như trên bản hiển thị của bệ máy Việc ghi như vậytạo nên sự thống nhất trong toàn bộ quá trình thực hiện và người vận hành máy saunày sẽ dễ dàng quan sát hơn

Các module đo lường sẽ thực hiện đo với các đại lượng tương ứng Sau đó xử lý

và truyền về trung tâm qua mạng CAN Tại mỗi module sẽ có led 7 thanh hiển thị giátrị của các đại lượng tương ứng

Vì máy tính chưa hỗ trợ cổng kết nối truyền thông CAN nên nhất thiết hệ thốngcần có một module trung tâm để nhận dữ liệu từ các module đo lường và truyền lênmáy tính Máy tính sẽ hiển thị các thông số trên giao diện giám sát

Cấu hình được xây dựng này có ưu điểm là ít dây vì truyền thông theo kiểu bus,

dễ dàng mở rộng hệ thống (chỉ cần thêm nút CAN)

2.1.2 Các module đo lường

Hình 2.2 Sơ đồ khối của các module đo lường

Các module đo lường sẽ có cảm biến để đo các đại lượng tương ứng Tín hiệu

từ cảm biến được đưa qua phần xử lý tín hiệu rồi vào vi điều khiển Vi điều khiển tiếpnhận tín hiệu đó và xử lý Sau đó hiển thị kết quả lên khối led 7 thanh và đồng thờitruyền kết quả đó về trung tâm qua truyền thông CAN Khối nguồn nuôi cho module

2.1.3 Module trung tâm

Hình 2.3 Sơ đồ khối của module trung tâm

Module trung tâm có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ các module đo lường và truyền

dữ liệu đó lên máy tính Module trung tâm gồm các khối truyền thông CAN, khối viđiều khiển, khối chuyển đổi UART/USB và khối nguồn

Khối truyền thông CAN dùng để giao tiếp với các module đo lường Khối này

sẽ chuyển đổi các tín hiệu trên mạng CAN sang dạng tín hiệu phù hợp với vi điềukhiển và ngược lại

Do vi điều khiển có tích hợp truyền thông UART ở trong nên module trung tâmchỉ cần thêm khối chuyển đổi UART/USB để đảm bảo kết nối được với máy tính

Khối nguồn nuôi cho module sẽ được thiết kế cụ thể khi biết nhu cầu sử dụngcủa các thiết bị, linh kiện

2.1.4 Máy tính thu thập dữ liệu

Máy tính sẽ hiển thị kết quả đo thông qua màn hình giám sát Các kết quả đo sẽđược lưu trữ lại trên máy tính và in ra khi cần thiết

Với khối lượng công việc như vậy thì máy tính không yêu cầu cấu hình cao Dovậy, máy tính được lựa chọn là Dell Optiplex 78 có cấu hình:

 CPU: Core 2 Duo E8400 tốc độ 3.0GHz

 Ram: 4GB ddr3 có khả năng lên 16GB

 Ổ cứng: 500Gb tốc độ cao 7200rpm

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

 Ổ đĩa DVD: Có ổ đĩa DVDRW(đọc và ghi)

 Card đồ họa: Intel HD Graphic 4500 GMA dung lượng 1GB

 Màn hình: Dell chính hãng 18.5inch phân giản HD

 Cổng kết nối: USB 2.0

Ngoài ra, hệ thống còn có máy in để phục vụ công việc in kết quả của các lầnkiểm tra

2.1.5 Các giao thức truyền thông

a) Truyền thông CAN

Đối với yêu cầu được đặt ra, mạng CAN gồm có 9 nút Luồng dữ liệu chỉ cómột chiều là từ module đo lường đến module trung tâm Do đó, việc lập trình chomạng CAN sẽ không phức tạp nhiều

b) Truyền thông UART

Truyền thông UART được tích hợp trong hầu hết các vi điều khiển Việc lậptrình dễ dàng Tốc độ truyền thấp nên cần chú ý tính toán khi lập trình

c) Truyền thông USB

USB (Universal Serial Bus) là một bus nối tiếp Tốc độ truyền cao lên đến480Mbps (USB-2.0) Khoảng cách truyền ngắn (5m với USB 2.0) Do vậy, moduletrung tâm cần đặt gần máy tính để đảm bảo truyền dữ liệu được tốt

2.2 Lựa chọn các thiết bị chính

2.2.1 Tính chọn các cảm biến

a) Cảm biến đo tốc độ động cơ thủy lực

Đo tốc độ động cơ thủy lực với yêu cầu đo trong dải 0-2500rpm Đồ án sử dụngphương pháp đếm xung đo tốc độ quay vì có độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, thựchiện được dưới dạng số, kết cấu đơn giản và độ tin cậy cao

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đếm xung.

Để có thể thực hiện được phương pháp đếm xung thì một đĩa răng được gắn vàotrục động cơ thủy lực và dùng cảm biến tiệm cận để phát hiện đỉnh răng từ đĩa răng khiđộng cơ quay Các cảm biến tiệm cận có đặc điểm: nếu tần số đáp ứng lớn, khoảngcách phát hiện lớn thì kích thước lớn; nếu kích thước nhỏ thì khoảng cách phát hiệnnhỏ Do đó, để cân bằng giữa các tiêu chí đó thì đồ án lựa chọn cảm biến AutonicsPR08-2DN của Hàn Quốc với đặc điểm:

 Khoảng cách phát hiện 2mm, tần số đáp ứng 800Hz, đường kính 8mm

 Được cải tiến chống nhiễu thông qua IC được thiết kế riêng biệt

 Có mạch bảo vệ chống nối ngược cực, bảo vệ quá áp bên trong

 Tuổi thọ dài, độ tin cậy cao với cách hoạt động đơn giản

 Có thể kiểm tra tình trạng hoạt động bởi chỉ thị LED đỏ

 Cấu trúc bảo vệ chống thấm nước IP67

Hình 2.5 Cảm biến tiệm cận

Giới hạn về tần số của cảm biến tiệm cận là 800Hz Tốc độ lớn nhất cần đo là

2500 rpm ≈ 41,67 vòng/s Do đó, giới hạn số răng của đĩa răng là 800/(2500/60)=19,2

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

Hình 2.6 Sơ đồ ngõ ra điều khiển

Cảm biến tiệm cận PR08-2DN có ngõ ra dạng NPN nên phần mạch đo cần nốitrở treo lên nguồn

b) Cảm biến nhiệt độ

Đo nhiệt độ với yêu cầu đo trong dải 0 – 120 độ C, loại có ren để có thể gắn vàothùng dầu Đồ án lựa chọn cảm biến PT100 WZP-187, dải đo -200 oC đến 420 oC,đường kính 7mm, chiều dài đầu dò 100mm, chiều dài dây 2000mm

Hình 2.7 Cảm biến nhiệt độ PT100

Cảm biến có đặc tính phi tuyến nên cần chú ý khi thiết kế mạch và lập trình

c) Cảm biến lưu lượng

Hình 2.8 Cảm biến lưu lượng.

Các cảm biến lưu lượng đã có sẵn tại bệ máy Đó là sản phẩm của hãng tech, Inc Tín hiệu ra của cảm biến lưu lượng được đo bằng osilloscope (Hình 2.9).Cảm biến lưu lượng có dạng kiểu máy phát, tín hiệu ra dạng sin có tần số và biên độđiện áp phụ thuộc vào lưu lượng chảy qua Lưu lượng chảy qua càng lớn thì tần sốcàng lớn, biên độ điện áp càng lớn

Flo-Hình 2.9 Tín hiệu từ cảm biến lưu lượng

Đặc tính của các cảm biến lưu lượng trên bệ máy được trình bày trên Hình 2.10

và Hình 2.11 Cảm biến lưu lượng dòng cao FM có hệ số k=400/400=1

Hình 2.10 Đặc tính của cảm biến lưu lượng dòng cao FM

Cảm biến lưu lượng dòng thấp FM1 và FM2 có hệ số k=800/160=5

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

Hình 2.11 Đặc tính của cảm biến lưu lượng dòng thấp FM1 và FM2

Yêu cầu đo áp suất 1 đường ống với dải đo 0-100 bar Đồ án lựa chọn cảm biến

áp suất 100 bar Sensys series M5256 Thông số kỹ thuật:

Ngõ ra của cảm biến được chuẩn hóa về 4-20mA Do đó, tín hiệu có thể truyềnđược đi xa, ít bị ảnh hưởng của nhiễu, có thể phân biệt được khi nào bị đứt dây hoặcgiá trị của áp suất bằng 0.

2.2.2 Lựa chọn vi điều khiển

Nếu mỗi module mà thiết kế một mạch riêng thì sẽ tốn thời gian và chi phí Docác module đều có vài khối là như nhau Vì vậy giải pháp được đưa ra là giữ các khốigiống nhau, kết hợp các khối khác nhau trên cùng một mạch in Như vậy, vi điều khiểncần có các đầu vào ra và đặc điểm như sau:

 4 đầu vào số để chọn chức năng

 1 đầu vào số để đo xung

 1 đầu vào tương tự để đo nhiệt độ

 1 đầu vào tương tự để đo áp suất

 8 đầu ra số để điều khiển led 7 thanh

 Hỗ trợ truyền thông CAN, UART

Đồ án lựa chọn vi điều khiển PIC18F25K80

Hình 2.13 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F25K80

Vi điều khiển PIC18F25K80 có 28 chân, tốc độ hoạt động lên đến 64MHz

Chương 2 Cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết bị chính

Chương 2 đã hoàn thành việc xây dựng cấu hình hệ thống và lựa chọn các thiết

bị chính Đây là chương nền tảng giúp định hình về hệ thống Từ đó xác định đượckhối lượng công việc cần phải thực hiện Các thiết bị chính được lựa chọn đảm bảo đạtcác yêu cầu về kỹ thuật và đem lại hiệu quả kinh tế

Việc triển khai hệ thống sẽ được trình bày trong chương 3 và chương 4

Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Các module phần cứng được thiết kế có cấu trúc như nhau và lựa chọn chứcnăng thông qua dip switch Việc thiết kế như vậy sẽ giảm được thời gian và chi phí

3.1 Thiết kế nguyên lý

3.1.1 Mạch xử lý đo áp suất

Các cảm biến áp suất đã lựa chọn có đầu ra chuẩn 4-20mA Vi điều khiểnkhông thể trực tiếp xử lý tín hiệu đó Vì vậy, đồ án thiết kế mạch chuyển đổi dòngsang áp để có thể đưa vào ADC trong vi điều khiển

Hình 3.1 Mạch xử lý đo áp suất

Dải dòng điện 4-20mA chảy qua điện trở 150Ω tạo ra dải điện áp 0.6-3V Tínhiệu điện áp đó qua mạch lọc RC để giảm nhiễu Diode zener ghim điện áp ở mức 5Vnếu điện áp bị quá để bảo vệ đầu vào của vi điều khiển Mạch lặp điện áp có tác dụngphối hợp trở kháng, trở vào lớn, trở ra nhỏ để đảm bảo vi điều khiển đọc được đúng tínhiệu điện áp Mạch lặp điện áp sử dụng IC LM358

Nguồn cung cấp cho cảm biến với chuẩn đầu ra 4-20mA yêu cầu từ 9-30VDC

Vì vậy, đồ án lựa chọn nguồn 12VDC để cấp cho cảm biến

Với điện trở 150Ω thì công suất đầu ra lớn nhất của cảm biến cần có được tínhnhư sau P=150*0.022=0.06 W nhỏ hơn 2W là giới hạn công suất đầu ra của cảm biến.Như vậy với điện trở 150Ω đã đảm bảo về mặt công suất đầu ra của cảm biến

Chương 3 Thiết kế phần cứng

PT100 là cảm biến nhiệt độ có điện trở thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ.Đối với ứng dụng này, kết quả đo nhiệt độ không yêu cầu độ chính xác cao Vì thế ýtưởng được đưa ra là thiết kế nguồn dòng qua cảm biến Khi đó điện áp trên cảm biến

sẽ thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ

Đồ án lựa chọn nguồn dòng 1mA vì nếu dùng dòng lớn thì sẽ sinh nhiệt, làmđiện trở tăng dẫn tới kết quả bị sai Việc tạo nguồn dòng 1mA sử dụng IC LM334, cấutrúc mạch được thiết kế theo datasheet của IC LM334

Tại 120oC, điện trở của cảm biến là 146.06Ω Khi đó điện áp trên cảm biến là0.14606V Mà điện áp tham chiếu của module ADC trong vi điều khiển là 5V, lớn hơnnhiều so với điện áp ra của cảm biến Do đó đồ án thiết kế thêm mạch khuếch đại tínhiệu IC khuếch đại được sử dụng là LM358 Hệ số khuếch đại nhỏ hơn 5/0.14606 ≈34.2 và từ các linh kiện có trên thị trường, đồ án xây dựng mạch khuếch đại có hệ số là28

Tốc độ động cơ thủy lực được đo bằng cảm biến tiệm cận, kết quả trả về là tần

số dạng xung vuông Cảm biến lưu lượng trả về kết quả là tần số theo dạng sin

Vì kết quả trả về của hai cảm biến đều là tần số nên ý tưởng được đưa ra là thiết

kế mạch so sánh để đưa tín hiệu đó đến chân vào số của vi điều khiển

Đầu ra cảm biến tiện cận là xung vuông với mức 0 là 0V, mức 1 là 12V Vì vậy,giá trị điện áp so sánh để phát hiện được xung là nằm ở trong 2 ngưỡng đó Trong đồ

án, giá trị điện áp so sánh chọn là 2V

Đầu ra cảm biến lưu lượng là dạng sin nên khi đo lưu lượng thì giá trị điện áp

so sánh là 0V

Do đó biến trở VR1 được dùng để điều chỉnh giá trị điện áp so sánh

Trong trường hợp đo tốc độ động cơ thủy lực, tín hiệu cảm biến tiệm cận đưa về

sẽ được nối vào cả 3 chân của đầu nối Sensor1 Trong trường hợp đo lưu lượng, tínhiệu cảm biến lưu lượng đưa về sẽ được nối vào chân 2, 3 của đầu nối Sensor1

Hình 3.3 Mạch xử lý đo tốc độ động cơ thủy lực và lưu lượng

Jumper 3 dùng để chuyển đổi đo giữa đầu ra cảm biến là loại PNP hoặc NPN.Đối với cảm biến có đầu ra là loại NPN thì nối 1 và 2, đối với cảm biến có đầu ra làloại PNP thì nối 2 và 3 Với cảm biến đã lựa chọn thì đầu ra là loại NPN nên khi càiđặt cho mạch thì cần nối 1 và 2

IC 74HC14 dùng để chỉnh xung đưa vào vi điều khiển

3.1.4 Khối chuyển đổi CAN