Khóa luận Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng/tần số dùng MC68HC11

Mục Lục

Lời mở đầu 1

Chương 1 CẢM BIẾN VÀ THU THẬP DỮLIỆU NHỜCẢM BIẾN 3

1.1. Tổng quan vềcảm 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. Tếbào quang dẫn 5

1.2.2.2. Photodiode 6

1.2.2.3. Phototransistor 8

1.2.2.4. Cảm biến quang phát xạ9

1.3. Cảm biến ánh sáng/ tần số9

1.3.1. Sơ đồkhối của một bộcảm biến ánh sáng/ tần số10

1.3.2. Sơ đồnguyên lý 10

1.4. Thu thập dữliệu nhờcảm 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 XỬLÝ TÍN HIỆU TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH 16

2.1. Chuyển đổi các đại lượng vật lý khác sang miền tần số16

2.2. Phương pháp thu thập dữliệu cho hệthống cảm biến đa kênh 16

2.2.1. Phương pháp thu thập dữliệu với kênh chia sẻthời gian 16

2.2.2. Thu thập dữliệu với kênh chia sẻkhông gian 17

2.3. Các phương pháp chuyển đổi tần sốsang 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 xửlý tín hiệu trong cảm biến thông minh / tần số29

2.4.1. Toán tửcộng và trừ30

2.4.2. Bộnhân và bộchia 31

2.4.3. Toán tửvi phân và tích phân 32

2.4.4. Một ứng dụng các toán tử33

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 HỆVI ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ LOẠI VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11

CỦA MOTOROLA 35

3.1. Các bộvi điều khiển và các bộxửlý nhúng 35

3.1.1. Bộvi điều khiển so với bộvi xửlý phổthông 35

3.1.2. Các bộvi điều khiển cho các hệthống nhúng 35

3.1.3. Lựa chọn một bộvi điều khiển 38

3.2. Tổng quan vềMC68HC11E 39

3.2.1. Đặc trưng của họvi 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. Bộvi xửlý trung tâm 49

3.2.4.1. Các thanh ghi của CPU 50

3.2.4.2. Kiểu dữliệu dùng trong CPU 51

3.2.4.3. Mã lệnh và toán tử51

3.2.4.4. Các mode địa chỉ51

3.2.5 Kết luận 51

3.3. Lựa chọn vi điều khiển MC68HC11 cho bộcảm biến 51

Chương 4 XÂY DỰNG THỰC TẾHỆTHỐNG THU THẬP DỮLIỆU NHIỀU

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

VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 53

4.1. Mạch điện hỗtrợchức năng tính toán của HC11 53

4.1.1. Thiết kếmạch điện (layout) 53

4.1.2. Sơ đồkhối bảng mạch 54

4.1.3. Miêu tảchung 55

4.1.4. Thiết bịtrong EVB, và các thông số56

4.2. Giới thiệu vềC-spy 57

4.2.1. Tổng quan 57

4.2.2. Tiến hành cài đặt và sửdụng 57

4.2.2.1. Cài đặt 57

4.2.2.2. Sửdụng 58

4.3. Chương trình điều khiển và kết quảthực nghiệm 62

pdf77 trang | Chia sẻ: lethao | Ngày: 26/02/2013 | Lượt xem: 1035 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Khóa luận Nghiên cứu và thiết kế hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng/tần số dùng MC68HC11, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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 ∂q = ± 1/Nx = ± 1/ To . fx Song sai số tuyệt đối ∆q không được vượt quá giá trị ±1 xung đếm, phân phối theo luật tam giác sau: 0 ,at –1 > ∆q >1 w(∆q) = 1+∆q , at –1 ≤∆q≤0 (2.4) 1-∆q , at 0 ≤∆q≤1 Kỳ vọng toán học M(∆q) =0 Hàm phân phối D = 1/6 Độ lệch ∂(∆q) = ±√D = ±1/√6 (2.5) Thời điểm ban đầu của việc đo có thể được đồng bộ với bộ chuyển đổi tần số nhưng ở thời điểm cuối của phép đo thì không thể đồng bộ được. Lỗi lượng tử cho trường hợp này được đưa ra từ phương trình (2.2) nếu ∆t1 =0 thì lỗi lượng tử được theo phương trình sau đây: ∂q = - 1/ (To . fx) ∆t1 ∆t2 To’ Nx To Tx t t t Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 27 - 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: ∂q = ±1/2To.fx Trong trường hợp này, phân phối toán học của nhiễu lượng tử ở dạng như sau 0 at –0.5> ∆q> 0,5 W(∆q)= 1 at –0,5 ≤∆q≤0,5 (2.6) Với W(∆q) =0 ; D = ½; ∂(∆q) = ± √D = ±1/2. √3 (2.7) Luật phân phối trong phương trình (2.4)và (2.6) thỏa mãn nếu khoảng thời gian τ của xung fx thỏa mãn điều kiện τ ≤ Txmin, một mặt nào đó luật símpón đã chuyển đổi từ luật phân phối ảnh hưởng xấu thành một dạng duy nhất và giá trị lỗi ∆q 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: ∆q = ± fo = ± 1/T0 Trong một chừng mực nào đó tổng tuyệt đối của lỗi trong chuyển đổi tần số sang mã dựa trên phương pháp đếm trực tiếp có thể được tính toán trực tiếp như sau ∆max = ±(∂ret . fx + 1/T0) Lỗi do bộ chuyển đổi tần số thành mã ở viết dưới dạng phần trăm là Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 28 - ∂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 T0 ∆t1 ∆t2 t t t Tx Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 29 - 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 : Tx = Nx .To (2.9) Dưới đây là tổng lỗi lượng tử mà nguyên nhân là do mất đồng bộ Tx = (Nx -1) To + ∆t1 + ( To - ∆t2 ) = Nx. To +∆t1 - ∆t2 = Nx. To ±∆q Vì vậy luật phân phối lỗi W (∆t1) và W (∆t2) có xác suất ngang nhau và không đối xứng với xác suất 1/To và M (∆t1) = 0,5 T0 M (∆t2) = -0,5 T0 Lỗi lượng tử ngẫu nhiên ∆q được xác định tùy theo dạng luật phân phối lỗi ngẫu nhiên ∆t1 và ∆t1.Giá trị lỗi lớn nhất là ∆qmax = ± T0. Nó được phân phối tùy theo luật phân phối tam giác W (∆q) kỳ vọng toán học bằng không: M (∆q) = M (∆t1) +M (∆t2) =0 Và hàm phân phối D(∆t1) = D(∆t2) = D (∆t) = To2/12 Bởi vì luật phân phối đối xứng W(∆q) sai số bình phương căn xảy ra đồng thời với độ lệch chuẩn. ∂(∆q) =√[∂2(∆t1) + ∂2(∆t2 )] = √[To2/12 + To2/12] = ±To/√6. Bằng cách đồng bộ tần số tương ứng fo nếu khoảng chuyển đổi ban đầu Tx có thể cho ∆t1= 0. Tuy nhiên không thể đồng bộ cuối khoảng Tx theo cách tương tự được 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 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 30 - 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 W(∆q) = 0 tại –0,5T0 >∆q > 0,5 To 1/T tại –0,5T0 ≤∆q ≤ 0,5 To Với W(∆q) = 0; D = To./12 ; ∂(∆q) = ± √∆ = ± To/2√3 Và độ lệch chuẩn trùng khớp với gía trị ∂(∆q) chúng ta chú ý rằng lỗi được phân phối tùy theo dạng luật ở mỗi lần đo,với những giá trị liên tục được thay bởi các giá trị rời rạc . 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). Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 31 - 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 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 32 - 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. ∂q = 100.fx/(n.f0) Nhiễu lượng tử có thể giảm bằng cách tăng tần số đo fo hoặc tăng n của các chu kỳ chuyển đổi Tx . Giới hạn của lỗi liên quan đến bộ chuyển đổi tần số sang mã dựa trên phương pháp đếm gián tiếp là : ∂max = ±(∂ref + 1/fo.Txn + ∂lỗi đồng bộ /n) trong đó ∂lỗi đồng bộ 1,4.√(Vnhiễu do lối vào)2 + (Vnhiễu trong tín hiệu)2 s.Tx s là tốc độ dòng (v/s) ở điểm đồng bộ. Với những xung vuông mà khoảng thời gian kéo dài xung không lớn hơn 0,5To thì lỗi đồng cân bằng tới 0 Khi đo trong khoảng thời gian hoặc trong khoảng kéo dài xung thì lỗi tổng được đưa ra theo phương trình sau ∂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 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 33 - 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 pháp đếm gián tiếp là phương pháp không có độ dư thừa thời gian chuyển đổi tuy N1 N2 Tx t t t t t t t To ∆t1 ∆t2 Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 34 - 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 S Bộ đếm 2 1 2 fx “N” “0” Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 35 - 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. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 36 - 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: F(t) = k.[F1(t) + F1(t)] Trong đó: F1(t) = k.x1(t), F2 (t) = k.x1(t) là tín hiệu dưới dạng các xung, k là hằng số. Tương tự, lối ra bộ trừ cũng là xung tần số cho bởi phương trình. F(t) = k.[F1(t) - F1(t)] Tần số được xác định trong hai phương trình đầu tùy theo phương pháp đếm. Phương trình tổng tuyệt đối của hai thành phần tần số được xây dựng theo giải thuật chuyển đổi: fx = fx1 + fx2 = f0 ( 2 2 N N x + 1 1 N N x ) Tổng tuyệt đối của hai chu kỳ Tx = Tx1 + Tx2 = T0 ( 2 2 N N x + 1 1 N N x ) Bộ cộng (trừ) thường được sử dụng trong các thành phần của bộ nhân hoặc bộ chia. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 37 - 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 fxout = km .fx1 Ở đây km là hệ số nhân tần, nếu km nhỏ hơn, ta có bộ nhân tần có chức năng của bộ chia. Dải làm việc của bộ nhân, hay dải thông là đặc tính xác định bằng mối quan hệ giữa tần số làm việc tối đa và tối thiểu. D = min max fxi fxi 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. Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 38 - − 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) (Vm.cos wt)2 = 2 1 V2m . cos2wt + 2 1 V2m (Vm.cos wt)3 = 4 1 V3m . cos3wt + 4 1 V3m. coswt Thành phần một chiều do bình phương được loại bỏ một cách thích hợp. Bộ nhân cũng hỗ trợ việc kết nối nhiều tầng mà không hạn chế về mặt giải tần . − Còn đối với lối vào là xung dạng chữ nhật thì bộ nhân tần dễ dàng thực hiện một cách đơn giản. 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. Ft = a. dt tdF )(1 Ở đây F1(t) = k x(t) là tần số xung lối vào; dt tdF )(1 là vi phân bậc 1 của F1(t). Trong trường hợp lý tưởng phương trình đạo hàm của một số hàm theo thời gian có thể được viết như sau Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Lâm Hữu Thực Khoá luận tốt nghiệp - 39 - Ft(ideal) = t tFttF t ∆ −∆+ →∆ )()(. 1 0 lim = dt tdF )(1 Trong thực tế ∆ t không tiến đến 0 nhưng nó được cố định tại một giá trị nhỏ τ∆ , giá trị này là rất nhỏ khi so sánh với chu kỳ Tx trong trường hợp này ta có thể viết như sau: F(t) = τ∆ −∆+ )()(. 1 tFttF = τ∆ ∆ )(1 tF = k. dt tdF )(1 Tính tích phân xung tần số được quy về việc đếm xung nhờ các bộ đếm hai hướng. Việc thực thi chúng có thể tính toán nhờ phần mềm trong vi điều khiển. Khả năng của bộ tích phân này hạn chế bởi dung lượng bộ nhớ. Số lượng xung tích được bởi bộ đếm có thể được biểu diễn theo phương trình sau. N(τ ) = dttF∫τ 0 )( 2.4.4. Một ứng dụng các toán tử − Đồng nhất tín hiêu tần số: Trong hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh, nhiều cảm biến các lối ra cẩm biến có thể có nhiều tần số dùng để biểu diễn thông tin. Thông thường dải tần số lối ra từ khoảng vài Hz tới vài MHz. Trong một dải rộng như vậy, để biến đổi thẳng sang mã, hay xử lý trực tiếp tại vi điều khiển là rất khó khăn. Thông thường trước khi đem vào xử lý, tín hiệu tần số phải qua bộ đồng nhất tần số để quy tất cả tín hiệu về dải tần duy nhất. Bộ đồng nhât tần số như vậy có thể xây dựng từ các phần tử cơ sở là các bộ nhân tín hiệu tần số và có thể đạt được độ chính xác cao, tốc độ lớn, tin cậy và ổn định trong một dải rộng. Ta biểu diễn hệ thống như vậy bằng sơ đồ sau: Hình 16. Sơ đồ khối đơn giản bộ đồng nhất tần số. Km fx fo Điều khiển Đại học Công Nghệ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfNghiên cứu và thiết kế hệ thống thu nhập và xử lý dữ liệu nhiều kênh, thông minh trên cảm biến ánh sáng-tần số dùng MC68HC11.pdf