Nghiên cứu thiết kế máy đo sâu hồi tiếp âm

Đầu dò siêu âm không được làm nóng bởi điều này sẽ phá huỷ tính chất áp điện của vật liệu do tăng nhiệt độ của nó trên nhiệt độ curie và trở về các lưỡng cực với sự xắp xếp Nếu các phiến

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

Người hướng dẫn khoa học : TS nguyễn nam quân

Hà Nội 2007

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ LuËn v¨n ®−îc nghiªn cøu víi tinh thÇn nghiªm tóc vµ ®−îc sù h−íng dÉn tËn t×nh cña thÇy, TS nguyÔn nam qu©n Nh÷ng b¸o c¸o trong bµi LuËn v¨n th¹c sÜ nµy lµ hoµn toµn trung thùc C¸c b¶n thiÕt kÕ phôc vô nghiªn cøu hoµn toµn lµ do t«i thùc hiÖn T«i xin hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ nh÷ng b¸o c¸o cña m×nh

Häc viªn thùc hiÖn

NG¤ XU¢N TH¾NG

môc lôc

Trang

1.7.3 C¸c líp phèi hîp (Matching Layers) 26 1.8 ¦u nh−îc ®iÓm cña sãng siªu ©m trong c«ng t¸c ®o s©u 27Ch−¬ng 2 - kh¸i qu¸t c¸c C¤NG NGHÖ DïNG TRONG 28

thiÕt kÕ m¹ch chøc n¨ng

2.1.1 C«ng nghÖ ASIC (Application Specific Standard Product) 28 2.1.2 C«ng nghÖ PLD ( Programmable Logic Devices) 28 2.1.3 ¦u nh−îc ®iÓm gi÷a c«ng nghÖ ASIC vµ PLD 28 2.1.4 Mét sè lo¹i thiÕt bÞ logic lËp tr×nh ®−îc 29

2.1.5 C¸c c«ng cô chñ yÕu cho thiÕt bÞ kh¶ tr×nh 30 2.1.6 C¸c c«ng nghÖ lËp tr×nh cho phÇn cøng 31 2.1.6.1 Ph−¬ng ph¸p liªn kÕt d¹ng cÇu ch× (Bipolar fusiable 31 link)

2.1.6.2 Ph−¬ng ph¸p anifuse 31 2.1.6.3 Ph−¬ng ph¸p dùa trªn bé nhí SRAM 31 2.2 ThiÕt kÕ m¹ch chøc n¨ng sö dông vi ®iÒu khiÓn PIC 31 2.2.1 Giíi thiÖu vi ®iÒu khiÓn PIC cña h·ng Microchip 31 2.2.2 CÊu tróc vi ®iÒu khiÓn 16F84 32 2.2.3 LËp tr×nh cho vi ®iÒu khiÓn PIC 34 2.2.3.1 LËp tr×nh dïng ng«n ng÷ c¬ së Assembly 34 2.2.3.2 LËp tr×nh dïng ng«n ng÷ bËc cao C 42 2.2.3.3 N¹p tÖp tin m· m¸y vµo vi ®iÒu khiÓn 42 2.3 ThiÕt kÕ m¹ch sö dông thiÕt bÞ FPGA 43

2.3.1 Giíi thiÖu 43

2.3.2.1 Cyclone: The Lowest-Cost FPGA Ever 43 2.3.2.2 Stratix Devices: New Levels of System Integration 44

Ch−¬ng 3 - khèi xö l ý tÝn hiÖu trung t©m 58

3.1.2 B¶ng m· ®iÒu khiÓn hiÓn thÞ LCD 60

Chương 4 - khối thu phát tín hiệu siêu âm 84 4.1 Bộ chuyển đổi tín hiệu Điện - Siêu âm (Transducer) 84 4.2 Mạch Điều chế - Giải điều chế tín hiệu điện 88 4.2.1 Mạch điều khiển tín hiệu phát 88 4.2.2 Mạch khuyếch đại công suất phát 91

4.2.3.1 Mạch lọc thông giải tần số 50kHz 93 4.2.3.2 Mạch lọc thông giải tần số 200kHz 94 4.2.4 Mạch giải tần 50kHz/200kHz 95

Phụ lục: Bản vẽ thiết kế các mạch chức năng 102

Danh môc c¸c k ý hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

ASIC Application Specific Standard Product

CPLD Complex Programmable logic Deviecs DCM Digital Clock Manager

DSC Digital Signal Controller

DSP Digital Signal Processing

FIFO First In First Out

FPGA Field Programmable Gate Array

HDL Hardward Discription Languages

MIPs Mega Instruction Per second

OFDM Orthogonal Frequency Division Modulation

PLD Programmable Logic Devices

PMCD Phase Matched Clock Divider

PRF Pulse Repetition Frequency

PROM Programmable Read Only Memory

SPL Spatial Pulse Length

SPLD Simple Programmable Logic Devices

VHDL Very high speed intergrate circuit Hardware Description

Language VHSIC Very High Speed Intergrated Circuit

danh môc c¸c b¶ng Trang

B¶ng 2.3 C¸c thiÕt bÞ FPGA dßng Vitex 45B¶ng 2.4 Linh kiÖn Spartan-3/3L FPGA 45B¶ng 3.1 B¶ng m· t−¬ng øng víi k ý tù hiÓn thÞ 59B¶ng 3.2 B¶ng m· lÖnh ®iÓu khiÓn LCD 59

danh mục các hình vẽ, đồ thị TrangHình 1 Mô phỏng công nghệ đo sâu, dò cá 13Hình 2 Mô hình hệ thống quét địa hình đáy biển dùng thiết bị

Hình 2.4 Sơ đồ vòng lệnh trong vi điều khiển PIC 33Hình 3.1 Khối điều khiển hiện thị LCD và giao tiếp phím 58Hình 3.2 Màn hình hiển thị LCD16x2(44780) 58Hình 3.3 Mạch Điều khiển-Tính toán độ sâu 68

Hình 3.5 Mạch thu thập dữ liệu định vị 79Hình 3.6 Mạch truyền dữ liệu định vị, dữ liệu đo sâu 81Hình 4.1 Cảm biến siêu âm dùng trong không khí 84

Hình 4.9 Mạch lọc thông dải tần số 50kHz 93Hình 4.10 Đặc tuyến vào/ra của bộ lọc 50kHz 94Hình 4.11 Mạch lọc thông dải tần số 200kHz 94Hình 4.12 Đặc tuyến vào/ra của bộ lọc 200kHz 95Hình 4.13 Mạch giải tần 50kHz/200kHz 96Hình 5.1 Mạch chuyển đổi điện áp AC/DC-DC 97Hình 5.2 Mạch chuyển đổi điện áp DC-12VDC 98Hình 5.3 Mạch chuyển đổi điện áp 12VDC-5VDC 98

số một được sử dụng

nghiên cứu, khai thác

trong môi trường nước

đơn giản nhất của ứng

dụng kỹ thuật siêu âm

2) Công nghệ quét địa hình đáy biển: Mô hình này là một ứng dụng cao hơn

mô hình một chùm sóng, nó sử dụng một bộ Transducer nhiều chùm tia để khảo sát nhiều điểm tại một thời điểm Hiện nay số tia cực đại tích hợp trên một Transducer là 256 tia Đ−ợc ứng dụng trong công tác khảo sát địa hình

đáy biển, và lập bản đồ địa hình đáy biển độ phân giải cao

2.a) Chùm sóng siêu âm của thiết bị Multibeam

2.b) Hình ảnh địa hình thu được từ thiết bị quét Multibeam

2.c) Hệ thống Multibeam của hãng ATLAS Hình 2 Mô hình hệ thống quét địa hình đáy biển dùng thiết bị Multibeam

3) Công nghệ định vị ngầm: Mô hình phổ biến sử phổ biến sử dụng công

nghệ này là sử dụng nhiều (thường là 4) trạm thu phát, dựa vào đó xác định

được khoảng cách từ vật thể (thợ lặn hoặc robot) tới các trạm đó Bộ phận xử

l ý căn cứ vào các thông số này xác định đ−ợc vị trí hiện tại của vật thể cần

định vị

Hình 3 Mô hình hệ

thống định vị ngầm

ở nước ta công tác đo sâu hoàn toàn sử dụng các thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài, các tổ chức nghiên cứu về công nghệ sử dụng sóng siêu âm thì chưa thể hiện tương xứng với vai trò của mình Trong phạm vi đề tài này, em tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật thiết kế mạch chức năng dùng trong máy đo sâu sử dụng sóng siêu âm dùng Transducer hai tần của hãng FURUNO Mục đích chính là nắm được nguyên l ý hoạt động của thiết bị này, thiết kế mạch mạch chức năng điều khiển hoạt động của các bộ phận chính trong máy đo sâu Từ đó đưa ra những khả năng có thể phát triển công nghệ, ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi công nghệ cao hơn như quét địa hình,

định vị ngầm

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Nam Quân đã định hướng, hướng dẫn em thực hiện nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này Xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên trong thời gian thực hiện bản luận văn Em kính mong sẽ được thầy TS Nguyễn Nam Quân, cũng như các thầy, các bạn đồng nghiệp quan tâm đến lĩnh vực sử dụng sóng siêu âm luôn luôn giúp đỡ, động viên trong những nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 - nguyên l ý sử dụng sóng siêu âm

trong công tác đo khoảng cách 1.1 L ý thuyết chung về sóng siêu âm

Âm thanh là năng lượng cơ học được truyền qua môi trường Các thay đổi tuần hoàn dưới áp lực của môi trường (khí, lỏng, rắn) được tạo ra bởi các lực tác động lên các phân tử, khiến chúng dao động quanh vị trí cân bằng của chúng Âm thanh mà tai người có thể phát hiện được dao động trong khoảng

từ 20Hz đến 20000Hz Sóng cơ có tần số dưới 20Hz gọi là hạ âm, sóng cơ có tần số lớn hơn 20000Hz gọi là sóng siêu âm

Sóng âm lan truyền trong môi trường đồng nhất với một vận tốc nhất

c ; β suất đàn hồi, ρ tỷ khối của môi trường (1.1)

Nếu đo được khoảng thời gian truyền âm là τ ta sẽ tính được quãng đường

sóng âm đã truyền: s = c.τ

Trong công tác đo khoảng cách nói chung, và đo sâu nói riêng, người ta

đo được khoảng thời gian sóng âm lan truyền từ khi phát tới khi nhận được tín hiệu âm phản hồi Như vậy trong khoảng thời gian đó sóng âm đã lan truyền một quãng đường bằng hai lần khoảng cách từ nguồn âm tới điềm đích Do đó khoản cách, hay độ sâu sẽ là: d=s/2=c.τ/2 (1.2)

1.2 Nguồn phát sóng siêu âm

1.2.1 Sự liên kết lưỡng cực

Không có gì trong tự nhiên có thể phù hợp để truyền năng lượng siêu âm

ở phạm vi tàn số KHz đến MHz Do vậy, cần có các đầu dò Cấu trúc của thiết

bị loại này dựa trên hiện tượng đầu tiên được nghiên cứu bởi Pierre và Marie Curie và gọi là hiệu ứng áp điện Hiệu ứng này thường được thấy ở các vật liệu kết tinh có hai cực (các vùng cực âm và dương) ở mỗi phần tử Các phân tử

lưỡng cực có cực âm ở một đầu và cực dương ở một đầu Trong cấu trúc mạng lưới tinh thể thông thường, các lưỡng cực được xắp xếp ngẫu nhiên không thể

cố định

Nếu vật bị đốt nóng trên một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie, các phân tử

bị tách rời và có thể dịch chuyển tự do Khi cặp các phiến nạp (một cực âm và một cực dương) được đặt thông qua vật liệu, các vùng âm của mỗi phân tử quay về hướng phiến dương và các vùng dương quay về phiến âm (tác dụng nạp ngược, hay kháng nạp) Các vùng âm và dương của các phân tử không xắp xếp trực tiếp với trường điện từ được tạo bởi các phiến do chuyển động nhiệt Nếu vật liệu sau đó được làm lạnh dưới nhiệt độ Curie trong khi các phiến nạp vẫn đặt vào, các phần tử sẽ duy trì định hướng của chúng Đầu dò siêu âm không được làm nóng bởi điều này sẽ phá huỷ tính chất áp điện của vật liệu do tăng nhiệt độ của nó trên nhiệt độ curie và trở về các lưỡng cực với sự xắp xếp

Nếu các phiến đảo cực, các phân tử sẽ vặn ngược lại so với vị trí định hướng, tạo ra sự giảm bề dày tinh thể Sự dịch chuyển thực tế chỉ vài micron, hai mặt trước và sau của chiều phân cực gây ra sự nén và giãn của tinh thể, tạo

ra dao động cơ Khi tinh thể nén và giãn được đặt trên môi trường vật chất, các sóng âm (các dao động cơ) được truyền vào môi trường Do vậy, một điện áp

được đặt qua vật liệu áp điện sẽ tạo ra chuyển động cơ (sóng âm) Trong tinh

thể, hiện tượng này (hiệu ứng áp điện nghịch) cho phép một chùm siêu âm

được tạo ra bởi đầu dò

Cũng như vậy, hiệu ứng áp điện tạo khả năng cho cùng một đầu dò có thể nhận tín hiệu dội siêu âm (sóng áp điện tần số cao) Các sóng siêu âm trở về

do các tương tác với các vật chắn, tới tinh thể và tạo ra các tín hiệu điện Các tín hiệu này được xử lý và hiển thị

1.2.2 Tần số dao động tự nhiên

Nếu một mình, đầu dò cũng rung như một âm thoa Lưu ý rằng nếu một

âm thoa rung 2000Hz nó không thể được đánh 2000 lần mỗi giây để duy trì

âm thanh (mặc dù có thể làm được, đặc biệt với việc tạo sóng liên tục) Thay vào đó, tần số dao động tự nhiên xảy ra mà sóng được truyền đi và về tại một tần số nào đó phụ thuộc vào giao thoa sóng Nếu một tinh thể được treo trong không khí và được tác động bằng một xung điện áp, các sóng siêu âm được tạo ra Một loạt các mặt sóng được tạo ra: hướng về phía trước từ mặt trước, hướng về phía sau vào tinh thể từ mặt trước, vào tinh thể ở mặt sau và ra khỏi tinh thể ở mặt sau Các sóng này trải qua các giao thoa tăng cường và triệt tiêu trong tinh thể, tuỳ vào bề dày tinh thể Sóng siêu âm di chuyển từ một mặt của tinh thể tới mặt kia, trải qua phản xạ giữa hai mặt tinh thể Tinh thể có tần số dao động tự nhiên (như âm thoa) có nghĩa là có liên quan với khoảng cách giữa hai bề mặt này Để có gioa thoa tăng cường của một sóng đơn chuyển từ trước ra sau qua tinh thể, khoảng cách từ mặt này đến mặt kia cần bằng nửa bước sóng Các tinh thể này cực kỳ mỏng

1.2.3 Các vật liệu áp điện

Để thay đổi tần số của đầu dò yêu cầu phải thay đổi bản thân đầu dò Một

đầu dò tần số cao tạo ra bước sóng ngắn có một tinh thể mỏng bằng phẳng Thạch anh là một vật liệu tự nhiên có thể tạo ra để có các tính chất áp điện Nó

là vật liệu được Curie nghiên cứu Thạch anh, gốm được sử dụng trong các đầu

dò siêu âm do tính chất truyền tuyệt vời của nó

1.3 Cấu trúc đầu dò

Hình 1.1 Cấu trúc đầu dò

Thành phần chính của một đầu dò là một tinh thể vật liệu áp điện với các

điện cực ở các mặt đối diện để tạo ra cực thay đổi Các điện cực được tạo thành bởi lớp mạ mỏng bằng vàng hoặc bạc trên bề mặt tinh thể Để nâng cao

sự truyền năng lượng đến và về từ vật thể, lớp phối hợp được đặt ngay sau một trong các điện cự Sự rung tinh thể được loại bỏ nhờ vật liệu hỗ trợ nối tiếp bề mặt điện cực ra khỏi môi trường Toàn bộ tinh thể được lắp ghép, bao gồm các

điện cực, lớp phối hợp và vật liệu hỗ trợ, được chứa trong một lớp vỏ cách điện (thường là loại nhựa nào đó) Lớp vỏ này cũng cung cấp sự hỗ trợ cấu trúc Một bộ cách âm, tạo bởi cao su hoặc bấc, ngăn sự truyền năng lượng siêu âm

vào nó Hình 1.1 là một mặt cắt của đầu dò

Đầu dò rất nhạy với giao thoa điện từ, góp phần vào mức nhiễu (nghĩa là các tín hiệu không tương ứng với các tương tác vật lý của sóng âm) Mức

nhiễu cao ngăn chặn sự phát hiện các tín hiệu dội yếu Để làm giảm bớt giao thoa điện từ, lưới chắn bảo vệ tần số radio bao gồm trụ kim loại rỗng được đặt xung quanh tinh thể và vật liệu đệm và tiếp đất tới mặt điện cực đằng trước Lớp cách điện bao phủ mặt trong của lưới chắn bảo vệ sóng radio để chặn ảnh

hưởng dội lại

Vật liệu đệm (backing material) chỉ ra ở sơ đồ (hình 1.1) tuỳ thuộc vào

đầu dò được thiết kế cho ứng dụng cụ thể

Đối với tạo ảnh, đầu dò gửi chùm siêu âm ngắn (có thể là một chu kỳ) theo sau là một khoảng lặng để nghe tín hiệu dội trở về (dạng nhận) trước khi chùm khác phát đi Nó gọi là một hệ thống xung, và sự thiết kế dựa trên nguyên tắc phạm vi tín hiệu dội Lý tưởng là vật liệu đệm có thể hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra từ mặt trước đầu dò để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể tới vật liệu hỗ trợ), vật liệu đệm cần có trở kháng âm giống hệt với tinh thể Phần sau của vật đệm được làm vát xiên để ngăn chặn sự phản xạ năng lượng âm vào tinh thể Độ nhạy (khả năng phát hiện ra các mặt phản xạ yếu) của đầu dò giảm khi sự làm nhụt tăng (damping)

do có sự làm nhụt sẽ giảm cường độ sóng siêu âm phát ra từ đầu dò

1.3.1 Sự làm nhụt động (dynamic damping)

Sự làm nhụt động (dynamic damping) là một cách làm triệt rung bằng

điện Một xung điện áp với cực tính ngược đặt vào tinh thể ngay tiếp thep xung kích thích Điều này chống lại sự giãn và nén của tinh thể được kích thích bởi xung đầu dò và sự rung bị ngăn chặn

1.3.2 Sóng xung đầu ra

Trong các hệ thống giải tín hiệu dội, đầu dò phải tạm dừng sau khi truyền sóng âm để “nghe” các tín hiệu dội trở về Do tinh thể không thể gửi và nhận

đồng thời, nó cần được tạo xung để truyền sau một thời gian nghe đã trải qua

Bộ đồng bộ chủ gửi một tín hiệu điện tới bộ phát xung hoặc đầu phát để khởi

tạo quá trình Lệnh bắt đầu sẽ được chuyển tới đầu dò để tạo ra chùm siêu âm ngắn Có hai phương pháp mà đầu phát có thể làm việc

ở phương pháp thứ nhất, đầu dò của bộ phát sóng hình sin được mở cổng (gate) để đặt một điện áp xoay chiều nhanh lên tinh thể Nếu cổng được mở với thời gian dài, một sóng liên tục được tạo ra Nếu cổng mở với thời gian ngắn, một xung ngắn được tạo ra

Phương pháp thứ hai sử dụng tụ nạp (một thiết bị chứa điện nạp) Nó phóng điện qua tinh thể áp điện, kích thích tạo ra dao động tại tần số cộng hưởng như đã nói trước Tụ được nạp khi tinh thể chờ tín hiệu dội quay trở lại

Thời gian phóng của tụ, kết hợp với làm nhụt (damping) tinh thể và tần số, xác

định độ dài xung điện (liên quan tới chu kỳ trong chùm xung) Thời gian nạp lại được đặt trùng khớp với thời gian nghe

1.4 Tần số lặp lại xung

Số lần tinh thể rung hoặc kích thích điện trong một giây gọi là tần số lặp

lịa xung (Pulse Repetition Frequency PRF) Do một đầu dò không thể gửi và

nhận siêu âm cùng một lúc, nên tồn tại một giới hạn tương ứng với tốc độ có

thể được phát xung Tần ssố lặp xung cực đại (PRFm) bị giới hạn bởi độ sâu cực đại (R) được lấy mẫu và vận tốc (c) của siêu âm trong môi trường, như

cho bởi công thức:

R

c PRFm

2

Hệ số 2 tính cho khoảng cách tới mặt phân cách và quay về đầu dò Thời

gian (t) cần thiết cho sóng truyền vào độ sâu R được cho:

R = c.t (1.4)

PRF cực đại tỷ lệ nghịch với thời gian truyền:

t t c

c PRFm

2

1

2 =

Số 2t nói lên thời gian đi và về

Công thức (1.3) cho rằng PRFm có thể tăng nếu vận tốc trong môi trường

tăng Đặc biệt vận tốc siêu âm trong môi trường không thay đổi và vận tốc

không thể điều chỉnh Công thức (1.3) cũng chỉ ra rằng PRFm không thể tăng

nếu độ sâu quan tâm tăng Độ sâu là thông số có khả năng thay đổi bởi người vận hành Tuy nhiên khi thiết kế các hệ thống, các nhà sản xuất thường thay

đổi PRF cùng với độ sâu

1.5 Độ dài không gian của xung (Spatial Pulse Length – SPL)

Một cách lý tưởng với mỗi xung, toàn bộ năng lượng siêu âm của tần số tương ứng được hướng vào điểm đích Trong thực tế, xung được bao gồm một dãy các tần số khác được mô tả dưới dạng dải thông Chiều dài của các xung ngắn này có thể được ước lượng và được gọi là độ dài không gian của xung

(SPL) Nó được tính từ bước sóng λ và số chu kỳ (n) trong xung

SPL = λ.n (1.6) Giả thiết rằng đầu dò 3 MHz tạo ra một xung có ba chu kỳ Bước sóng

được xác định từ công thức

mm m

s c

s m f

c

513 , 0 10

13 , 5 / 10 3

đo

1.5.1 Thời gian phát xung (Pulse Duration – PD)

Thời gian phát xung (PD), hoặc độ dài xung theo thời gian, là thời gian

của một xung phát ra hoàn toàn Nó miêu tả thời gian thực tế mà đầu dò phát

ra xung siêu âm Một định nghĩa thông dụng hơn là thời gian trôi qua từ khi

khởi tạo xung tới điểm thấp hơn 20 dB so với biên độ áp xuất đỉnh-đỉnh của

sóng Một định nghĩa khác là số nửa chu kỳ mà biên độ đỉnh lớn hơn 25%

biên độ cực đại của xung ảnh hưởng của vật liệu đệm làm giảm xung được chỉ

định bởi thông số này

Độ phân giải dọc, và do đó tạo khả năng nhận ra các cấu trúc bề mặt, phụ

thuộc vào PD (hoặc độ dài không gian của xung SPL) PD được tính bằng tích

của số chu kỳ trong xung (n) và chu kỳ (t) của sóng

PD = n.t (1.7)

1.5.2 Hệ số lấp đầy (Duty Factor – DP)

Một máy thông thường với thời gian phát xung 1à và PRF 1kHz chỉ

truyền 0,1% thời gian của nó Nghĩa là phần lớn thời gian của nó 99,9% dùng

ở trạng thái nhận Hệ số lấp đầy (DF) là phần thời gian mà đầu đo hoạt động

tích cực và được tính bằng tỷ số giữa thời gian phát xung và chu kỳ lặp lai

Cả DP và PRF được biểu diễn trong các đơn vị s hoặc ms nhưng DF

không có đơn vị Nó là tỷ lệ thời gian phát xung trên thời gian giữa hai xung

Nó rất quan trọng trong việc xác định một vài thông số cường độ sử dụng để

tính toán các ảnh hưởng sinh học thay đổi

Q- Hệ số cơ

Hệ số cơ điện (k) miêu tả hiệu quả % của đầu dò chuyển kích thích điện

từ bộ phát sang năng lượng siêu âm và năng lượng siêu âm nhận được sang

các tín hiệu điện Hệ số truyền (h) chỉ ra phần năng lượng điện đựoc chuyển

đổi thành năng lượng âm Phần năng lượng tín hiệu dội trở về được chuyển

sang năng lượng điện là hệ số nhận (g) Tích của hệ số truyền và hệ số nhận

tạo ra hệ số ghép cơ điện

k = h.g (1.9) Các tính chất cơ và điện của đầu dò được đặc trưng bởi hằng số điện môi

(ε), và cũng liên quan tới hệ số truyền và nhận Hằng số điện môi miêu tả biến

dạng (chuyển động) mà tinh thể phải chịu khi điện áp đặt vào nó và điện áp tạo ra khi nó bị biến dạng Hai điều kiện được thiết lập để đánh giá hằng số

điện môi: chuyển động không hạn chế và bị hạn chế Điều này tương ứng với tinh thể ở trạng thái tự do và tinh thể được đặt trong đầu dò gắn với vật liệu bề mặt và hỗ trợ Hằng số điện môi cao được mong muốn trong quá trình nhận với các tần số thấp do có độ nhiễu điện nhỏ từ dây cáp và các đầu dò khuyếch

đại nhận Trong thực tế, hằng số điện môi cao cần hơn là hệ số nhận cao

Trở kháng âm (z) của tinh thể được định nghĩa bằng tích vận tốc và tỉ

khối, ảnh hưởng đến năng lượng sóng truyền qua mặt phân cách môi trường -

tinh thể Giá trị z của môi trường và tinh thể giống nhau làm tăng việc truyền

siêu âm vào môi trường Hệ số cơ (Q) đặc trưng cho đáp ứng tần số của đầu

dò Đó là vấn đề quan tâm chính khi lựa chọn cho mỗi ứng dụng riêng

1.7 Độ nhạy

Độ nhạy, mặc dù không được định nghĩa một cách chính thức, miêu tả khả năng của một hệ thống siêu âm có thể phân biệt các vật phản xạ yếu với các thuộc tính âm gần như giống nhau tại một vị trí trong môi trường Tất cả các hệ số của đầu dò đã đề cập ở trên đều ảnh hưởng đến độ nhậy Các xem

xét khác, thêm vào các hệ số đầu dò, ảnh hưởng đến độ nhạy của một hệ thống siêu âm

1.7.1 Các hiệu suất chuyển đổi

Trong các hệ số của đầu dò, các hiệu suất chuyển đổi (năng lượng điện sang năng lượng âm và ngược lại) là quan trọng nhất, nó chỉ ra độ nhạy của

đầu dò Với xấp xỉ đầu tiên, độ nhạy đầu dò được cho bởi tích của hệ số truyền và hệ số nhận Một đầu dò chuyển 100% năng lượng điện sang năng lượng âm, nhưng chỉ 1% năng lượng âm sang năng lượng điện, sử dụng 1% của năng lượng sẵn có Nếu hệ số truyền và hệ số nhận đều là 0,25; có 6,25% (0.25 x 0.25 x 100%) năng lượng sẵn có được sử dụng Trường hợp sau cho phép phát hiện các tín hiệu yếu; độ nhạy tăng bởi mộy đầu dò có hệ số ghép cơ điện cao

1.7.2 Trở kháng mạch

Phối hợp trở kháng của đầu dò tới bộ phát xung và bộ nhận cũng ảnh hưởnh tới độ nhạy Không phối hợp trở kháng điện tại bộ phát xung làm giảm lượng năng lượng điện phát tới đầu dò trong mạch máy phát, do đó tạo ra xung siêu âm cường độ yếu Nếu không phối hợp trở kháng tại đầu nhận của đầu

dò, năng lượng điện được phản xạ vào đầu dò và tín hiệu yếu hơn được xử lý Một lần nữa độ nhạy của hệ thống giảm Không phối hợp trở kháng điện cũng gây ra giảm giá trị của độ phân giải dọc do tạo ra chiều dài xung lớn hơn Phối hợp trở kháng phụ thuộc một phần vào hằng số điện môi

1.7.3 Các lớp phối hợp (Matching Layers)

Phối hợp trở kháng âm của đầu dò tới vật được quét là một hệ số quan trọng có ảnh hưởng đến độ nhạy Không phối hợp trở kháng âm (z) tại một mặt phân cách gây ra một phần phản xạ

Việc đưa vào các vật liệu bề mặt hoặc các lớp phối hợp giữa tinh thể và môi trường nhằm loại trừ một phần vấn đề này Vật liệu bề mặt có trở kháng

âm thích hợp cung cấp sự phối hợp tốt hơn giữa tinh thể và môi trường (nghĩa

là làm giảm không phối hợp trở kháng bằng việc xen một vật liệu với trở kháng âm trung gian giữa tinh thể và môi trường) Việc truyền năng lượng sóng từ tinh thể vào môi trường và ngược lại được tăng cường

Trở kháng âm của lớp phối hợp được chọn để làm giảm lượng phản xạ tại các mặt phân cách tinh thể – lớp phối hợp và lớp phối hợp – môi trường Nó

được thực hiện bằng cách lấy trung bình cộng hoặc trung bình nhân của trở kháng âm của tinh thể và môi trường Trung bình nhân được định nghĩa là hàm loga ngược của trung bình cộng loga của trở kháng âm

1.8 Ưu nhược điểm của sóng siêu âm trong công tác đo sâu

Ưu điểm chính của sóng siêu âm trong công tác đo sâu là suy hao của nó trong môi trường nước là rất nhỏ hơn nhiều lần so với suy hao của sóng điện

từ Vì vậy với trình độ phát triển của khoa học hiện tại thì sóng siêu âm vẫn là lựa chọn số một dùng trong công tác đo sâu và các công tác khảo sát liên quan tới môi trường nước

Nhược điểm chính của sóng siêu âm ứng dụng trong lĩnh vực này là tốc

độ trao đổi thông tin thấp, muốn đạt được chất lượng độ chính xác và phân giải cao đòi hỏi đầu tư, nghiên cứu công nghệ

Chương 2 - khái quát các CÔNG NGHệ DùNG TRONG

thiết kế mạch chức năng 2.1 Giới thiệu

2.1.1 Công nghệ ASIC (Application Specific Standard Product)

Đây là công nghệ thiết kế mạch bằng một con chip được thiết kế trước theo chức năng nào đó với các kết nối cố định hoặc có sự kết hợp một số linh kiện và con chip với các đường kết nối cố định

2.1.2 Công nghệ PLD ( Programmable Logic Devices)

Trong một thiết bị lôgic khả trình (PLD-Programmable Logic devices) thì phần mềm quyết định làm thế nào để nối các nhóm của các transistors (gates) hoặc các nhóm các cổng (gates) với nhau theo một cách nào đó để đạt được chức năng mang muốn PLD có thể lập trình theo 3 cách:

- Nối các cổng được liiên kết vật l ý bằng cách cắt đứt các đường(fuse)

- Nối các cổng bằng cách làm chảy một số đường (anti-fuse)

- Cách thứ 3 là nối các cổng với nhau bằng cách sử đụng phần mềm điều khiển

Khi một kết nối được tạo, PLD được coi là một mạch do người sử dụng thiết kế Từ đó ta có thể lập được một mạch logic lớn thực hiện một chức năng nào đó bằng cách kết nối các cổng một cách hợp lý

2.1.3 Ưu nhược điểm giữa công nghệ ASIC và PLD

Công nghệ PLD và công nghệ ASIC khác nhau ở một số điểm sau:

- ASIC mất một thời gian dài cho việc thiết kế và chế tạo Trong khi đó PLD tạo ra chỉ nhờ phần mềm nên rất nhanh chóng

- ASIC thường được thiết kế tối ưu cho một chức năng đặc biệt nên thường có tốc cao hơn Nhưng với công nghệ cao ngày càng phát triển thì PLD vừa cho độ linh động cao vừa có tốc độ nhanh và giá thành rẻ

- ASIC có giá thành thường đắt gấp nhiều lần so với công nghệ PLD trong các dự án vừa và nhỏ; đối với các dự án lớn thì ngược lại, ASIC lại

có giá thành rẻ hơn PLD rất nhiều

- Tính linh động ,đa dạng trong chức năng thì PLD hơn hẳn ASIC

2.1.4 Một số loại thiết bị logic lập trình được

-Simple Programmable Logic Devices(SPLD): là một con chíp nhỏ với các cổng nối tiếp hoặc một nhóm các cổng được nối với nhau để làm một chức năng đơn giản

-Complex Programmable logic Deviecs(CPLD): có cấu trúc phức tạp hơn SPLD, nó có thể chứa một vài mạch, mỗi mạch được hiểu như một SPLD -Field Programmable Gate Array(FPGA): có cấu trúc và hoạt động phức tạp hơn CPLD Nó có thể thực hiện những chức năng phức tạp

2.1.4.1 CPLD

CPLD cung cấp cho các nhà thiết kế mạch logic có dung lượng rất lớn để thiết kế những mạch phức tạp chỉ trên một con chip CPLD có thể coi là một tập hợp của các SPLDs

Một SPLD là một nhóm các cổng được nối liền với nhau mà chúng có thẻ lập trình được để thực hiện một chức năng nào đó Được phát triển bắt đầu từ những năm 1970, SPLD là một phần hết sức cơ bản để thiết kế SPLD, PAL, PLA, CPLD chứa các khối SPLD, trong đó mỗi SPLD được coi là một khối logic bao gồm PAL hoặc PLA

Công nghệ CPLD được phát triển cho các ứng dụng sau:

2.1.4.2 FPGA

FPGA-Field Programmable Gate Arrays-Các mảng cổng logic lập trình theo trường-hiện đang trở thành một phần then chốt trong việc thiế kế hệ thống Nhiều nhà sản xuất hiện đang cung cấp rất nhiều cấu trúc và phương pháp xử lý khác nhau Vì vậy, việc lựa chọn một cấu trúc và phương pháp xử

lý để có thể đáp ứng được các yêu cầu về chức năng và ổn định đối với một hệ thống trong thực tế là vấn đề mang tính quyết định

Thiết bị logic lập trình được phát minh lần đầu tiên vào cuối thập 1970 và ngay lập tức đã trở lên phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn Ngoài khả năng lập thình đa dạng, công nghệ này còn có thời gian sản xuất nhỏ nên có khả năng cạnh tranh thương mại rất lớn Hơn nữa, việc thiết kế với nó khá dễ dàng và nó có khả năng lập trình lại nhiều lần

Sử dụng sản phẩm FPGA ( Field Programmble Gate Array) hoặc CPLD (Complex Programmable Logic Devices) thì có thể tối thiểu hoá được các công đoạn thiết kế Các mạch số đều có thể được thực hiện và lắp ráp trên máy

vi tính thông thường Các phần mềm mô phỏng phần cứng HDL (Hardward Discription Languages) như ABEL, VHDL, Verilog, schematic cho phép thiết kế và mô phỏng hoạt động của mạch bằng chương trình Các chương trình mô phỏng cho phép xác định lỗi một cách dễ dàng và đầu ra của chương trình là một file bitstream để có thể download vào FPGA hoặc CPLD

2.1.5 Các công cụ chủ yếu cho thiết bị khả trình

- Cần có PROM (Programmable Read Only Memory) trong PLD bởi nó chứa chương trình cho PLD Chương trình được lưu lại ngay cả khi mất nguồn nuôi

- Phần mềm lập trình cho PLD

- Các hướng dẫn phục vụ cho người phát triển

- Khả năng lập trình lại cấu hình cho thiết bị

Thế hệ PLD mới được công ty Xilinx phát triển có kết hợp hệ thống trên chip được biết như là thế hệ FPGA Nó được kết hợp những mạch đặc biệt cùng với rất nhiều cổng để tạo nên những thiết bị truyền thông có chức năng

đặc biệt

2.1.6 Các công nghệ lập trình cho phần cứng

2.1.6.1 Phương pháp liên kết dạng cầu chì (Bipolar fusiable link)

Đây là liên kết mà ban đầu nó được kết nối : Khi cần cắt đứt thì tương tự như hoạt động của cầu chì thì ta chỉ việc cho cường độ dòng điện lớn đi qua liên kết thì liên kết sẽ bị cắt đứt Nhược điểm của phương pháp này là nó làm cho kích thước thiệt bị lớn Độ tích hợp không cao do kích thước của liên kết lớn

2.1.6.2 Phương pháp anifuse

Ngược lại với phương pháp liên kết dạng cầu trì ban đầu liên kết được để

hở mạch Khi cần đóng kết nối thì ta sẽ cung cấp một điện thế cao để làm nóng chảy và làm cho đóng mạch Ưu điểm của phương pháp này là liên kết

có kích thước nhỏ, vì vậy độ tích hợp sẽ cao, kích thước thiết bị sẽ không lớn Nhưng nó có khuyết điểm là cần có một hiệu điện thế cao, điều này không thích hợp lắm với các thiết bị logic

2.1.6.3 Phương pháp dựa trên bộ nhớ SRAM

Phương pháp này sử dụng SRAM để điều khiển khoá transistor

Việc đóng hay mở trasistor là do các giá trị lưu giữ trong bộ nhớ SRAM Phương pháp dựa trên công nghệ CMOS là chính

2.2 Thiết kế mạch chức năng sử dụng vi điều khiển PIC

2.2.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC của h∙ng Microchip

Phân loại theo chức năng thì hãng Microchip có hai loại chính là Microcontroller (MCUs) và Digital Signal Controller (DSC)-dsPIC Theo lược

đồ dưới đây, PIC10, PIC12, PIC16, PIC18, PIC24F, PIC24H đều thuộc dòng MCUs; dsPIC30, dsPIC33 thuộc dòng DSC

Phân loại theo bus dữ liệu thì PIC được chia thành hai loại: PIC 8 bit dữ liệu, đó là PIC10, PIC12, PIC16, PIC18, loại này câu lệnh gồm 14 bit; PIC 16 bit dữ liệu: PIC24, PIC30, PIC33, loại này câu lệnh gồm 24 bit

Tốc độ xử l ý cao nhất đạt được đối với vi điều khiển PIC hiện nay là 40 MIPs (dsPIC33)

Hình 2.1 Lược đồ các dòng PIC của Microchip

2.2.2 Cấu trúc vi điều khiển 16F84

Trước tiên xin nói tới cấu trúc của PIC-16F84 thuộc lớp vi điều khiển 8 bit trong kiến trúc RISC-Reduced Instruction Set Computer PIC-16F84 dùng

8 bít bus dữ liệu, và 14 bít bus lệnh riêng biệt, cho phép tất cả các câu lệnh

được truyền trên chỉ một từ mã lệnh Với đặc điểm này PIC-116F84 cũng

được gọi là vi điều khiển có kiến trúc Harvard

Hình 2.2 Kiến trúc Harvard và kiến trúc von-Neumann

Bộ nhớ chương trình

1024 từ chế tạo theo công

nghệ bộ nhớ flash, có thể

ghi lại nhiều lần thích hợp

cho việc nâng cấp phần

mềm điều khiển

Bộ nhớ lưu chữ gồm

68 byte RAM, dùng để ghi

dữ liệu tạm thời trong khi

dữ thông tin trong khi mất

điện trong thời gian rất dài,

đặc biệt bộ nhớ này cũng

có thể ghi lại nhiều lần

Hình2.3 Sơ đồ khối PIC 16F84

Hình 2.4 Sơ đồ vòng lệnh

Hai cổng vào/ra PORTA, PORTB thực hiện các chức năng vào/ra giữa PIC và các thiết bị ngoại vi

Mười năm thanh ghi chức năng đặc biệt thực hiện giám sát trạng thái và

điều khiển hoạt động của PIC Chu kỳ vòng lệnh của PIC-16F84 bằng 4 lần chu kỳ xung dao động thạch anh ngoài

2.2.3 Lập trình cho vi điều khiển PIC

2.2.3.1 Lập trình dùng ngôn ngữ cơ sở Assembly

Trước tiên dùng một hệ soạn thảo văn bản bất kỳ để soạn thảo một tệp tin lệnh điều khiển PIC rồi lưu tập tin đó dưới dạng file.asm Mặc dù có thể soạn thảo trên bất kỳ hệ soạn thảo nào, nhưng chúng ta nên soạn thảo trong môi trường có thể nhận dạng các câu lệnh và chú dẫn, ví dụ như MPLAB

Để có thể nạp những câu lệnh vừa soạn thảo vào vi điều khiển, chúng ta cần một chương trình dịch từ mã lệnh sang mã máy, tạo thành tệp tin định dạng file.hex Có thể tải phần mềm MPLAB miễn phí tại htp:/www.mirochip.com Sau khi dùng phần mềm này biên dich tệp tin vừa soạn thảo ta sẽ nhận được tệp tin file.hex, đó chính là tệp tin ta cần để nạp vào

vi điều khiển

Các câu lệnh dùng trong vi điều khiển PIC:

ADDLW: cộng một giá trị 8 bít vào thanh ghi W

Cấu trúc: ADDLW L (L là hằng số)

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: cờ C trong thanh ghi trạng thái STATUS sẽ được thiết lập là

1 nếu thanh ghi W tràn

ADDWF: céng hai thanh ghi W vµ f

CÊu tróc: ADDWF f,d

Vßng lÖnh: 1 chu kú lÖnh

Gi¸ trÞ cê: khi gi¸ trÞ thanh ghi trµn, cê C ®−îc thiÕt lËp lµ 1

ANDLW: thùc hiÖn phÐp to¸n AND gi÷a thanh ghi W víi hµng sè

Giá trị cờ: không thay đổi

BSF: thiết lập giá trị 1 một bít trên thanh ghi f

Cấu trúc: BSF f,b

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không thay đổi

BTFSC: kiểm tra bit trên thanh ghi, nếu bằng

0 thì bỏ qua câu lệnh sau câu lệnh này Cấu trúc: BTFSC f,b

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không thay đổi

BTFSS: kiểm tra bit trên thanh ghi, nếu bằng

1 thì bỏ qua câu lênh sau câu lệnh này Cấu trúc: BTFSS f,b

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không thay đổi

CALL: lời gọi hàm

Cấu trúc: CALL k

Vòng lệnh: 2 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không thay đổi

CLRF: xoá toàn bộ thanh ghi f

Cấu trúc: CLRF f

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: thiết lập cờ Z giá trị 1

CLRW: xoá thanh ghi W

Cấu trúc: CLRW

Vòng lệnh: 1 chu kỳ vòng lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1

CLRWDT: khởi tạo giá trị bộ đếm watchdog

Cấu trúc: CLRWDT

Vòng lệnh: một chu kỳ vòng lệnh

Giá trị cờ: cờ TO, và PD thiết lập 1

COMF: hàm lấy phần bù của thanh ghi f

Cấu trúc: COMF f,d

Vòn lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1 nếu kết quả bằng 0

DECF: giảm giá trị thanh ghi f một đơn vị

Cấu trúc: DECF f,d

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1 nếu kết quả bằng 0

DCFSZ: giảm giá trị f một đơn vị, bỏ qua lệnh

tiếp theo nếu kết quả là 0

Cấu trúc: DCFSZ f,d

Vòng lệnh: 1 chu kỳ vòng lệnh, nếu có

nhảy lệnh thì là 2 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không thay đổi

GOTO: nhảy tới một vị trí trong bộ nhớ chương

trình

Cấu trúc: GOTO k

Vòng lệnh: 2 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: không đổi

INCF: tăng giá trị thanh ghi f một đơn vị

Cấu trúc: INCF f,d

Vòng lệnh: 1 chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1 nếu kết quả bằng 0

INCFSZ: tăng giá trị cờ f lên một đơn vị, bỏ

qua lệnh tiếp theo nếu kết quả bằng 0

IORLW: thực hiện phép toán OR giữa thanh

ghi W và hằng số L

Cấu trúc: IORLW L

Vòng lệnh: 1 chu kỳ

lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1 nếu kết quả là 0

IORWF: thực hiện phép toán OR giữa W và

thanh ghi f

Cấu trúc: IORWF f,d

Vòng lệnh: 1chu kỳ lệnh

Giá trị cờ: cờ Z thiết lập 1 nếu kết quả là 0

MOVF: chuyển giá trị thanh ghi f

Giá trị cờ: không thay đổi

MOVWF: truyền giá trị thanh ghi W sang

Giá trị cờ: không thay đổi

RETLW: trả về giá trị k vào thanh ghi W từ

Gi¸ trÞ cê: (C=1,Z=0) nÕu kÕt qu¶ lµ

d−¬ng, (C=1, Z=1) nÕu kÕt qu¶ b»ng 0, (C=0,Z=0) nÕu kÕt qu¶ lµ ©m

SUBWF: trõ thanh ghi f cho thanh ghi W

CÊu tróc: SUBWF f,d

Vßng lÖnh: 1 chu kú

Gi¸ trÞ cê: (C=1, Z=0) nÕu kÕt qu¶ lµ d−¬ng, (C=1, Z=1) nÕu kÕt qu¶ b»ng 0, (C=0, Z=0) nÕu kÕt qu¶ lµ ©m