Giáo trình Thiết kế board giao tiếp - Trần Văn Hùng

n ASCII: 3 characters: Dễ quản lý, kiểm soát sai, hiển thị n Lượng tin lớn => khi trao đổi (với DAS, PLC, GPS, Digi-Oscillocope,) n Header: [tên (bản tin, gói), số thứ tự, ktự bắt tay, ktự đồng bộ, số ktự/byte trong gói,] – không mang tin. n Content: nội dung tin – mang thông tin n Tailer: Mã bắt tay kết thúc, [mã kiểm lỗi] – không mang tin 1.2 Format (tiếp) n Byte số liệu/character/frame: (truyền không đồng bộ, RS-232, RS-485, RS-422): được định dạng thành 1 frame: n 1 start bit = 0 n 5/6/7/8 data bit, D0 first n [parity: Even/odd] n 1/1.5/2 stop bit = 1 CRC16DataPID 8 bits 0 – 1023 bytes 16bits Hình: USB data packet format 71.3 Tốc độ In/Out n Xuất phát từ: Nhu cầu trao đổi thông tin của hệ (tốc độ và khoảng cách) => chọn kiểu truyền thích hợp, có liên quan đến tín hiệu: n Chỉ ra các “bottle_neck”, khắc phục được => xuất hiện các “bottle neck” ở mức độ thấp hơn n Phụ thuộc vào khoảng cách – tích số (k/c và tốc độ) n Nhiễu: theo công thức của Shannon bps = BW log2(1+P/N). Với BW: bandwidth, P/N: tỷ số công suất tín hiệu/nhiễu n Đường truyền: (công nghiệp) cáp đồng trục, cáp quang, wireless,) n Synchronous/Asynchronous n Modulation/Demodulation=>Tốc độ bao nhiêu kbps/kBps? VD: LPT: SPP mode: 50100kBps; RS-232: 2400/4800/9600/19200/bps 1.4 Lỗi và kiểm soát lỗi n Khi trao đổi thông tin thường gây ra lỗi, đặc biệt truyền xa/chuyển đổi tín hiệu. Nhiều phương pháp (hardware, Software) hỗ trợ để kiểm tra: n [Block] check sum – BCC, phần mềm: tính tổng của tất cả các ký tự, các byte. Kết quả có thể lấy 1 byte n VD: ROM BIOS, Ext BIOS started @ chẵn 2K, 2 ô đầu là mã 0x55 và 0xAA, độ dài của mảng ROM là 512 byte; checksum bù 2 sao cho tổng của tất cả các byte và mã checksum luôn bằng zero n CRC, ECC, vi mạch/software – subroutine n Parity, 1 hoặc 2 chiều n Redundancy (RAID), thừa dư 81.5 Bộ lệnh và trả lời n Khi ghép Intelligent Devices (Computerized devices – mouse, KB, Printer, modem, FDC, HDC, RTU) có nhiều tham số, chế độ hoạt động => xây dựng bộ lệnh (command set) và thông tin trả về (response set) n Các câu lệnh phần mềm => bớt tín hiệu và cổng phần cứng n Tập hợp các yêu cầu từ CS – command set n Tập hợp các trả lời, trạng thái – result/response/reaction set n Data down/up n Symtax of command and response (structure and grammar) 1.6 Kịch bản n Liệt kê các trường hợp rồi có thể áp các phép toán xử lý tương ứng để đảm bảo việc ghép nối: không mất tin, thừa tin, quẩn, treo, n Thường xây dựng theo liểu Step List hoặc chart n Timeout n t Hình: Scenario Chart Master Slave ACK ACK NACK 9Ví dụ: giao thức giữa PC và VĐK trong việc trao đổi dữ liệu (U, I, t0,) n Tín hiệu? n Format? n Tốc độ? n Lỗi? n Lệnh và trả lời? n Kịch bản? n . 1.7 Bài tập 1. Viết chương trình giả lập RS-232 2. Viết chương trình để nhập ký tự trên máy tính rồi hiển thị ký tự lên LCD 3. Đo giá trị nhiệt độ (độ ẩm, U, I,) rồi hiển thị lên máy tính (gtrị và dạng biểu đồ). 1Chương 2: Giao diện Bus n Khái niệm về Bus ghép nối - In/Out Buses n ISA Bus n USB n Philips I2C 2.1 Khái niệm về Bus ghép nối n Là PCB (Printed Circuit Board), Cable (Copper/Optic), Slot, Connector n Nối nhiều thiết bị slave [master], dùng chung: trong một thời điểm chỉ có một talker – 1 hoặc nhiều listener n Bus song song (n bit) hoặc nối tiếp (I2C, USB, Profi,) n IO Buses, Mem, CPU, Local Buses n Thành phần (physical lines/time sharing: n Address n Data n Control/Status/Handshake/datacheck n Power susply 22.2 Industry Small Architecture Bus n ISA, 1984, IBM, PC-104 bus n Để ghép thêm các card/ thiết bị I/O chuẩn với Mother Board, 112Slots, hiện tại các máy thông thường không dùng. n 8/16 bits for data transfers n 4,77=>8,33 MHz/11.1MHz => 2.75MWps/5.5MWps max, DMA 16 n Only 1 BusMaster, CPU hoặc DMAC, w AEN n No data integrity, không kiểm tra parity n Dùng để ghép nối với các thiết bị chậm, kiểu ký tự: keyboard, mouse, 2.2 Industry Small Architecture Bus (tiếp) ( Hình: ISA Bus 32.2 USB Hình: USB logo 2.2 USB (tiếp) n Chia thành nhiều Tiers n Các Tiers nối với các thiết bị: Hub hoặc chức năng n Mỗi Tier có Hub(s) Hình: USB topology 42.2 USB (tiếp) n Chỉ có một USB host (USB controller trong hệ n Devices, có 2 loại n Hub, mở rộng thêm thiết bị nối vào USB n Các thiết bị chức năng JoyStick, KeyBoard, Printer, Digital Camera, n Các thiết bị chuẩn interface USB theo: n USB Protocol n Chuẩn Hđ của USB: config và reset n Communication Standard 2.2 USB (tiếp) n Thông số kỹ thuật: n 1.5Mbps – Low speed moade và 12 Mbps (Revision 1.1) n Nguồn cấp +5V, vài metre n Power management n Revision 2.0: 480Mbps n Ưu điểm: n Tín hiệu vi sai phát/thu, bọc kim, chống nhiễu n CRC Protection đối với data & control fields n Tự phát hiện attach/detach, xác định cấu hình các thiết bị tự động ở mức hệ thống n TimeOut đối với trường hợp mất tin/gói tin lỗi 52.2 USB – connecter (tiếp) 2.2 USB – signal (tiếp) Hình: Signal 62.2 USB – signal (tiếp) Token Packet Format Start-Of-Frame (SOF) Packet Format Data Packet Format Handshake Packet Format 2.3 Philips I2C Bus n Dùng nhiều trong các hệ thống nhúng (embeded system) như: mobil phone, TV, ATM, n Không cần dùng bus interface chip(s), built-in n Intergrated addressing & data transfer, cho phép dùng phần mềm để định cấu hình n Đơn giản để ghép nối, nhiều µC hỗ trợ I2C n Đơn giản tìm lỗi, khoanh cùng lỗi nhanh n Giảm thiểu kích thước: 2 wire serial, không cần dùng các mạch addr decoder và “glue logic”, dùng phần mềm n Truyền đồng bộ, 100Kbps standard mode, 400Kps Fast mode, 3,4Mbps HiSpeed mode 72.3 Philips I2C Bus (tiếp) SCL SDA Device_0 Device_2 Device_4 Device_6 Device_1 Device_3 Device_5 Hình: I2C Topology 2.3 Philips I2C Bus (tiếp) Có thể có nhiều Masters, trong một thời điểm chỉ có 1 Master hoạt động SCL SDA Slave_0 Master_0 Slave_1 Master_1 Slave4 Slave_2 Slave_3 Hình: Configuration with 2 masters 82.3 Philips I2C Bus (tiếp) Hình: Start and stop 2.3 Philips I2C Bus (tiếp) Hình: Data transfer 92.3 Philips I2C Bus (tiếp) Hình: Open collecter 5V 2.3 Philips I2C Bus – một số chip(tiếp) n Atmega, PIC, n EEPROM, RAM, n RTC, 10 Bài tập chương 2 1. Viết chương trình giả lập I2C 1Chương 3: Digital Interface n Parallel Interface n Serial Interface 3.1 Parallel - principle n In/Out nhiều bit đồng thời, tốc độ nhanh nhưng khoảng cách gần n Một đầu IO n Output Port: latched Output (chốt ra), D-Flip-Flops n Unlatched In Input 23.1 Parallel - principle n D Flip – Flop (HC373, 374) n Là một dãy những phần tử cơ bản của dãy n D – data, lưu trữ một bit số liệu n 4/6/8 D flip-flop => tạo ra 4/6/8 bits register, nhiều register đóng trong một chip là SRAM 3.1 Parallel – principle D Flip – Flop n Output: n Q - ứng với giá trị data input vào thời điểm có clock n /Q – đảo của Q. n Input n Data bit: 1 hoặc 0 n Clock, thường là sườn lên, ghi nhận giá trị của data và lưu lại cho tới khi có bít số liệu khác ghi đè lên n [Có th. có] clear – xóa; Preset – đặt trước n Có 2 lo.i: Transparent (HC373) và Master- n Slave (HC374) 33.1 Parallel – principle D Flip – Flop n Write pin: bit 0 or 1, clock = ↑ n Write bit 0: D flip-flop => Q = 0; /Q = 1 => gate = 1 => R(ds) MOSFET = ON => pin = 0 n Write bit 1 D flip-flop => Q = 1; /Q = 0 => gate = 0 => R(ds) MOSFET = OFF => pin = 1 n Read pin: (Input line– out “1” firstly) ReadPin = 0 (!) => open 3 state lower buffer => 1/0 from pin => data bus (i) n ReadLatch (Reading bit out previously): ReadLatch = 0 (!) => open 3 state higher buffer => 1/0 from pin => data bus (i) 3.1 Parallel - principle n Ứng dụng ghép nối LED, DAC, Data U38 74LS374 D03 D14 D27 D38 D413 D514 D6 17 D718 OE 1 CLK11 Q0 2 Q1 5 Q2 6 Q3 9 Q4 12 Q5 15 Q6 16 Q7 19 74LS02 2 3 1 +5V IOW CS Strobe 43.1 Parallel - principle n Ứng dụng ghép nối LED, DAC, ADC, 3.1 Parallel - principle n Latched Input Port n Unlatched Inport n Latched Inport 53.1 Parallel - principle n Output Port 3.1 Parallel - principle n Ghép nối PPI 8255 với PC qua ISA bus n Addr: 300h-303h, Mode 0 all, PA & PC In, PB Out 63.1 Parallel - principle n Một cổng IO n Cổng có tín hiệu bắt tay/trạng thái n Cổng ra đơn giản có chốt (74HC 374/373/273,) n Cổng vào đơn giản ko chốt (74244, 74245,) n Cổng vào có chốt n Cổng có tín hiệu bắt tay/trạng thái n Gủi một packet ra ngoại vi, cần đồng bộ giữa hai phía n Peripheral chỉ đọc bộ đệm cổng khi có số liệu. 3.1 Parallel - LPT n Data port n Out port: Gửi một byte ra cổng n Mov dx, 378h n Mov al, solieu n Out dx, al n In port: Đọc giá trị ở cổng n Mov dx, 378h n In al, dx n Control Outport, chỉ dùng 4 bit: b0b3 n Gủi 4 bit n Mov, dx, 37Ah n Mov al, control n Out dx, al 73.1 Parallel - LPT n Control Outport, chỉ dùng 4 bit: b0b3 n Đọc 4 bit n Out dx, al n Mov, dx, 37Ah n Out al, dx n Status Port: chỉ đọc trạng thái, unlatched n Mov dx, 378h n In al, dx 3.1 Parallel - LED n LED: Light Emitting Diode n Color: n Red, Green, Yellow, n Amber, R+G n Infra Red, UV n LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation n Blue, Cyan ... n Symbol & characteristics 83.1 Parallel - LED n Package and Applications: n Single point, status of devices n 7 segment/ 16 segment, Arabian digit, char n Matrix 8x8 / 16 x 16, character box, graphics modules n Ðộ sáng: Indoor, Outdoor (super light) and semioutdoor. Độ sáng phụ thuộc vào từng loại pha tạp, từ150mcd (normal) đến 7000mcd (super light) n Đặc tính LED: là diode phân cực thuận, tùy pha tạp =>cho nhiều màu khác nhau và điện áp thuận tư: 1.5V..2.1V và 3.2.. 3.5V. n TriColor: Red – Green – Blue => PWM driving => Fullcolor 16,7M colors (3 byte) 3.1 Parallel - LED 93.1 Parallel - LED n Tính toán mạch điều khiển LEDs: n LED sáng tĩnh – sáng liên tục – Static Mode: n Chọn độ sáng tương đối n Dòng thuận I, tư 10 đến 20mA n Điện áp thuận U, từ 1.6 đến 3.4V n Tính R1 = (Vcc – U)/I. Ví dụ: Vcc=5V, Chọn RLI = 2 => IF=20mA => UF= 2V => R = (Vcc – UF)/20mA = 150 Ohm 3.1 Parallel - LED LED chế độ quét, Scan Mode: n Mạch điện tử sẽ điều khiển sáng 1 nhóm phần tử trong toàn bộ bảng ở một khoảng thời gian (ms), rồi điều khiển nhóm phần tử tiếp theo cho đến hết vòng. Với điều kiện phải thực hiện 50=>120 frames/second n Tùy thuộc độ sáng và môi trường (in/outdoor) => thiết kế độ rỗng (duty cycle) của từng phần tử. Thường được chon là 1, ½, ¼, 1/8 và 1/16 10 3.1 Parallel - LED n Tính toán mạch: cũng giống như cách tính mạch sáng tĩnh, thường chọn độ sáng từ 2cd=>5cd. n Chú ý: n Hệ số sáng có thể chọn là: 1, ½, ¼, 1/8 và 1/16 độ sáng yêu cầu và dùng LED outdoor n Độ an toàn, tuổi thọ LED, giá trị giới hạn của IF , đến mức nào đó – nói chung LED sẽ không sáng thêm khi IF>50mA n Góc bố trí ngược sáng/thuận sáng n View angle 3.1 Parallel - LED Kết nối LED n 7406, ULN 2003... Open Collector n Inverter Buffer: upto 30V, 50-500mA; n Transistor npn: C945 – khi outport = 1 => LED sáng n Transistor pnp: A564, n khi outport=0 => LED n Môtl số outport cho phép drive trực tiếp, sink/sourse upto 40mA R 11 3.1 Parallel - LED Kết nối LED 3.1 Parallel – LED (7 seg) LED 7 đoạn, màu, kích thước, CA/CC? 12 3.1 Parallel - LED (7 seg) n Kết nối 3.1 Parallel - LED (7 seg) n Điều khiển LED 13 3.1 Parallel - LED (7 seg) n Có 4 LED (32 pins) n Điều khiển chế độ quét – chỉ 01 LED sáng trong một thời điểm => giảm thiểu phần cứng, tăng tính mềm dẻo của hiển thị - dùng phần mềm điều khiển, không dùng Ics BCD/7 seg n Muốn sáng (0, 1, 9) => gửi mã 7 thanh qua các anodes n Muốn sáng LED nào, điều khiển ON Anode LED đó trong một thời gian t và là duy nhất n Tính t: theo số LED và 50÷100 fps 3.1 Parallel – LED (Matrix) Màu, số màu, kích thước? 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 14 3.1 Parallel – LED (Matrix) n Có 8 hàng, 8 cột n Điều khiển chế độ quét – chỉ 01 LED sáng trong một thời điểm, dùng 74138 để chọn hàng 3.1 Parallel – LED (Matrix) n Kết nối LED 15 3.1 Parallel – LED (Matrix) void Shift_Right(void) { char tmp; tmp = Row_00[numLED-1] & 0x01; for(i=(numLED-1); i>0; i--) { if(Row_00[i-1] & 0x01) Row_00[i] = (Row_00[i]>>1) | 0x80; else Row_00[i] = (Row_00[i]>>1) & 0x7F; } if(tmp) Row_00[0] = (Row_00[0]>>1) | 0x80; else Row_00[0] = (Row_00[0]>>1) & 0x7F; } 3.1 Parallel – LED (Matrix) void Shift_Right(void) { char tmp; tmp = Row_00[row][numLED-1] & 0x01; for(i=(numLED-1); i>0; i--) { if(Row_00[row][i-1] & 0x01) Row_00[row][i] = (Row_00[row][i]>>1) | 0x80; else Row_00[row][i] = (Row_00[row][i]>>1); } if(tmp) Row_00[row][0] = (Row_00[row][0]>>1) | 0x80; else Row_00[row][0] = Row_00[row][0]>>1; } 16 3.1 Parallel – LED (Matrix) #define LED_SCK PORTD.5 #define LED_RCK PORTD.6 #define LED_data PORTD.7 #define TIME_595 20 void Out_74595(char data) { char i; LED_RCK = 0; for(i=0; i<8; i++) { LED_SCK = 0; LED_data = (data & 0x01); data = data>>1; delay_us(TIME_595); LED_SCK = 1; delay_us(TIME_595); } LED_RCK = 1; } 3.1 Parallel – LED (LCD) 17 3.1 Parallel – LED (LCD) n Công nghệ LCD Liquid Crystal Display, hiện text/graphics n Độ phân giải n 1 line x 16 character box, 5x7 (7x9) dot matrix/character box n 2 line x 16 character box n 4 line x 20 character box n Graphics (64 x 128) hoÆc (128 x 256) dot graphics – font down loadable, color (16/4096/64K/16,7M). n ASCII, 128 characters/ set, 8 user fonts or APA: All Points Addressable - graphics n Back light: Công suất tiêu thụ nhỏ n Dùng cho các hệ nhỏ, mang xách, máy đo, (Embedded Systems) 3.1 Parallel – LED (LCD) 18 3.1 Parallel – LED (LCD) 3.1 Parallel – LED (LCD) Read/Write LCD information n 4 line x 20 column LCD => 80 char boxes n Write Addr Reg first (RS=0) n Write Data Reg after (RS=1) n MSB = 1 Address > 7Fh => control registers n Ví dụ một chu kỳ đọc/ghi LCD panel – 8 bit bus: n E = 0 n Phát địa chỉ tạo Chip Select và chọn Reg n Tạo tín hiệu R/W n E = 1, delay for 1 µs or more n E = 0 n Data out n Disabling Addr, data, R/W n E = 1. 19 3.1 Parallel – Encoder 3.1 Parallel – Encoder n Dùng để ghép nối, đo lường dịch chuyển cơ học: chiều dài, vận tốc, (cđ thẳng và quay), gia tốc, định vị, robot n Công nghệ vật liệu từ - nam châm vĩnh cửu hoặc quang – hồng ngoại/laser n Độ phân ly cao: upto 224 , chịu shock,.. n Tốc độ upto 10k rpm, mômen cảm downto 10-3Nm n Output: các xung lệch nhau 900 (incremental), n bits (absolute) n Tín hiệu ra TTL hoặc vi sai (truyền đi xa) n Manufacturers: Tamagawa Seiki, Hewlett-Packard, Epson... 20 3.1 Parallel – Encoder 3.2 Serial in/out - Principle n Thông tin trong Hệ VXL/Máy tính: byte, word (//) n Khi truyền đi “xa” : serialize - byte => bit stream => lên đường truyền=> bit stream => byte (deserialize): giảm thiết bị thu phát và đường truyền n => Giảm chi chi phí, kích thước vs tốc độ chậm n Mô hình dưới: Central System UART/ SIO Modem Coupler/ Trans- Receive Trans Line 21 3.2 Serial in/out - Principle Serial ports: n Nhiệm vụ/ chức năng n Vào ra nối tiếp: biến đổi byte => dòng bit [thêm start/ stop/ parity] gửi lên đường truyền; dòng bit => byte, loại các bit không mang tin, kiểm tra lỗi thu. n Ghép nối với hệ trung tâm: các bus/tín hiệu addr, data, control bằng các phương pháp polling, Interrupt hoặc DMA (ít) n Ghép nối với đường truyền [via modem]: TxD, RxD n Ghép nối modem: qua các tín hiệu bắt tay /RTS, /CTS, /DSR, /DTR, /CD, /RI (low active signals) n Ví dụ: UART 8250, 16450, 16550A (Intel, NS...), ACIA 6850 Motorola, USART 8251 - Intel 3.2 Serial in/out - Principle Modem: n Là thiết bị biến đổi bit (0/1) thành tín hiệu vật lý,phù hợp với môi trường truyền xa (Điều chế - Modulation) và ngược lại (giải điều chế- Demoulation) n Ví dụ: Converter/ driver: n Maxim 232/ ICL 232 (232 modem): TTL EIA 232, Single end, so với Gnd: n -3V .. -15 V '1' n +3V .. +15 V '0‘ n Đơn giản, 100feet @ 9600 bps, dễ bị nhiễu n Thường dùng để ghép nối các thiết bị thông minh, gần: máy thí nghiệm, máy đo lường, Switching system, PLC, 22 3.2 Serial in/out - Principle n Max 485/ SN 75 116 TI ... (485/422 modem): Vi sai - Differential, so điện áp giữa 2 dây tín hiệu với nhau. Mỗi tín hiệu gồm 2 dây a và b – 7576/75176/75116 n [V(a) - V(b)] > 100 mV..5V => '1' n [V(a) - V(b)] '0' n 5000feet @ 1Mbps, thực tế có thể lên tới vài km, giảm tốc độ n Thường dùng trong công nghiệp n Current Sourcer – Nguồn dòng điện: 0 và 20 mA [hoặc 20 và 60 mA] n Chịu nhiễu tốt n Truyền đi xa, tùy thuộc vào R của dây dẫn n Thường có cách ly quang học 3.2 Serial in/out - Principle n RS 485 Bus 23 3.2 Serial in/out - Principle n ASK: Amplitude Shift Keying n FSK: Frequency Shift Keying n PSK: Phase Shift Keying 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin đồng bộ và không đồng bộ n Thông tin thường được đóng gói thành các gói tin - package. => packets n Đồng bộ: n Trong 1 packet: byte - byte, bit - bit, không có dấu hiệu phân cách. n Tốc độ truyền do sender: clock (cùng với data) hoặc xuất hiện lần đầu tại đầu gói tin (sync. character). n Tốc độ cao, khó, tỉ lệ bit không mang tin nhỏ, truyền gần LAN 24 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin không đồng bộ: Asynchronous Comm. n Mỗi ký tự/byte đều có 1 sườn/xung đồng bộ (start). n Clock của phía thu và phát có thể lệch nhau khoảng: 3-6% n Ví dụ: 10 bit format 8, n, 1; T: time of frame; t: time of bit, ΔT: thời gian lệch giữa Tphát và Tthu. n Δ T < 1/2 t (5%). n Có khoảng trống gữa 2 byte/ký tự n data, 1 PE, 2 stop 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin không đồng bộ: Asynchronous Comm. n Tỷ lệ các bit không mang tin lớn (start, stop, parity,), lên đến 33% (ví dụ: : format 1 start, 8 data, 1PE, 2 stop) n Đơn giản, dễ lập trinh, dễ ghép nối n Đặc biệt được chấp nhận rộng rãi: Thiết bị ngoại vi thông minh, đo lường điều khiển, modem, 25 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin không đồng bộ: Asynchronous Comm. Talker Litsener S1 S2 S1 S2 Simplex Half duplex [Full] duplex 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin không đồng bộ: Asynchronous Comm. 26 3.2 Serial in/out - Principle n Truyền tin không đồng bộ: Asynchronous Comm. Bài tập 1. Thiết kế mạch điều khiển 6 x LED 7 đoạn 2. Thiết kế mạch điều khiển 4 LED ma trận 8x8 3. Đo khoảng dịch chuyển, vận tốc (encoder) 1Chương 4: Analog Interface n Analog Signal Interface Overview n Analog Electronics - Conditioner n Digital to Analog Converters n Analog to Digital Converters 4.1 Analog Signal Interface Overview n Là một hàm của 1 (hoặc nhiều) biến độc lập, đại lượng vật lý theo thời gian: như tiếng nói, nhiệt độ,theo thời gian: A = f(t, h) n Xuất hiện liên tục trong khoảng thời gian t0 => t1 n Giá trị biến thiên liên tục trong khoảng biên độ từ A0 => A1, có thể đa trị. A A0 t0 t1 t A1 0 24.1 Analog Signal Interface Overview 4.1 Analog Signal Interface Overview n Trong thực tế: Rời rạc hóa n Trong Máy tính số, thông tin thu về: n Rời rạc hóa về thời gian n Rời rạc hóa về giá trị n => Để máy tính thu thập, cần phải “rời rạc hóa” các tín hiệu về thời gian và giá trị, dùng thiết bị chuyển đổi ADC tạo ra các tín hiệu số, để: n Xử lý, cất vào kho số liệu n Truyền đi xa n Tái tạo lại hay tổng hợp tín hiệu: Dùng thiết bị DAC tạo lại các tín hiệu analog 34.1 Analog Signal Interface Overview Đối tượng vật lý, công nghệ ADC DAC CPU, Mem Storage ... ... 4.1 Analog Signal Interface Overview 44.1 Analog Signal Interface Overview n Process: n Là các quá trình công nghệ như: dây chuyền làm giấy; phối-trộn-nghiền-nung => sản xuất cement; dây chuyền luyện-nung-cán thép; sản xuất-trộn phân bón NPK, các nhà máy điện, n Sensors: n Là vật liệu/thiết bị dùng để chuyển đổi các đại lượng vật lý không điện tử (T, Ph,) thành tín hiệu điện (u, I, R, f) n Vật liệu: do đặc tính tự nhiên của vật chất – ví dụ Pt100, cặp nhiệt điện, n Thiết bị: Có sự gia công, chế tác – ví dụ LM35, n Conditioners: n Vì tín hiệu từ Sensors rất nhỏ, có thể có nhiễu và phi tuyến => có mạch điện từ analog để xử lý tín hiệu: khuếch đại, lọc nhiễu, bù phi tuyến, cho phù hợp. 4.1 Analog Signal Interface Overview n MUX: analog multiplexer n Trích mẫu và giữ - Sample & Hold n ADC: analog to digital convertor: n Central system: hệ nhúng/MT: n DAC: digital to analog convertor n Mạch điện tử analog n Actuators: Cơ cấu chấp hành 54.2 Analog Electronics - Conditioner n Operational Amplifiers - OpAmps – khuếch đại thuật toán để tạo các bọ conditioners – chuẩn hóa tín hiệu n Analog Switches & Analog Multiplexers n Reference Voltage Sourcers – nguồn áp chuẩn n Sample & Hold – Trích mẫu và giữ n Converssion Errors – Sai số chuyển đổi n 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Là vi mạch khuếch đại, xử lý tín hiệu từ 0Hz n Tín hiệu gồm: n 2 chân tín hiệu Inv.Inp và Non Inv.Inp n Chân output n Nguồn cấp: +Vcc, -Vcc (GND) n Chỉnh offset n Có thêm chân nối tụ để bù tần số 64.2 Analog Electronics - OPAMP n Xử lý tín hiệu DC (0Hx up) n Hệ số khuếch đại lớn, từ kiloMegaand even more n Trở vào lớn vài KΩ đến 1012Ω, trở ra nhỏ, tốt cho các mạch ghép nối analog, phối hợp trở kháng. E1 r1 E2 r2 LOADRin 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Comparator 74.2 Analog Electronics - OPAMP n NON Inverting Amp 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Inverting Amp 84.2 Analog Electronics - OPAMP n Adder (Mixer) 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Differential 94.2 Analog Electronics - OPAMP n Instrumentation 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Integrator 10 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Differentiator 4.2 Analog Electronics - OPAMP n Follower Uout = Uin 11 4.2 Analog Electronics - OPAMP n I/U converter 4.2 Analog Electronics - OPAMP Một số lưu ý khi dùng n Hệ số khuếch đại chọn tùy thuộc các mạch: n Mạch kđ thông thường (đảo dấu và không đảo dấu: vài lần đến 10 lần), nếu hệ số khuếch đại lớn thì nhiều tầng => ổn định và dễ dàng kiểm soát. n Mạch khuếch đại vi sai (Differential apmlifier): từ 10 => 50 lần, vào vi sai – ra vi sai (Instrumentation Ampl): 30 => 100 lần n Chọn hệ số khuếch đại càng lớn: n Băng thông giảm bấy nhiêu lần n Điện trở vào giảm bấy nhiêu lần n Độ ổn định của mạch giảm: trôi zero theo thời gian, nhiệt độ, 12 4.3 Digital to Analog Converters n Digital to Analog: số => tín hiệu dòng điện/điện áp, liên tục về thời gian, rời rạc về giá trị. n Phân loại: n Công nghệ chế tạo n Số bit (reslution) n Thời gian chuyển đổi 10s ns .. 100s ns, n Cấu trúc: Built-in latched – ghép nối trực tiếp với bus/unlatched cần có out-port, bus 8 hay 16 bit n Signed – điện áp ra 2 dấu hoặc unsnigned – điên áp ra 1 dấu 4.3 Digital to Analog Converters n Ứng dụng n Tổng hợp tín hiệu n Đàn Organ n Phát tín hiệu chuẩn n Voice chip n VGA/SVGA: RAM-DAC n Tái tạo: Âm thanh số, MP3, CD, n Ghép nối giữa các hệ thống (PC, PLC, ) => bộ điều khiển analog, tạo ra các Setpoint n Bộ nhân tín hiệu analog – 4 góc: nhân hệ số với Uin thay cho Uref 13 4.3 Digital to Analog Converters n Nguyên lý cấu trúc và hoạt động 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC: n Là phương pháp dùng lưới điện trở R-2R chia cây nhị phân dòng điện n Đơn giản n Chính xác cao n Chuyển đổi nhanh n Rẻ n Trên thị trường dùng phương pháp này 14 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC: n Mạng R-2R nối kiểu cây nhị phân n Khi bi = 0 or 1 => ki R or L, Non Inv.Inp of OpAmp grounded => Inv. Inp = #0V => ki luôn đóng xuống đất bất kể bi = x 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC: n Nếu muốn thay đổi giá trị? n Ví dụ: Uref = 5,12V, n = 10 => Uout = ? 15 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC: Tạo các tín hiệu cơ bản 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC: Sóng điều chế 16 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC, tham khảo n Tra cứu các vi mạch DAC: (pdf files) n www.national.com/product/interface/ad-da n DAC0808 - single pole, 8 bit, 100ns n DAC0800 - signed voltage output, 8 bit, 100ns n DAC0832 - latched 8 bit dac - bus interface directly, n DAC1210 - latched 12 bit dac – 8/16 bit bus interface directly, 200ns 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC 17 4.3 Digital to Analog Converters R-2R Ladder DAC 4.3 Analog to Digital Convertors n Là thiết bị có hai chức năng (lượng tử hóa): n Rời rạc hóa tín hiệu về thời gian n Rời rạc hóa tín hiệu về biên độ n Phân loại: n Theo từng ứng dụng: ADC để xử lý tín h