Bài giảng Thiết kế board giao tiếp (Interface Board Design) - Trần Văn Hùng

w 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 hiệu và đo n Chuyển đổi gián tiếp: u(t) => time (đại lượng trung gian) => code n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code n Chuyển đổi phi tuyến: CODE (TP3057 – Mitel hay AC’97 Intel) 18 4.3 Analog to Digital Convertors n Chuyển đổi gián tiếp: Tích phân hai sườn dốc n u(t) => Time Interval/f/T => code n Chậm, rẻ tiền ($s), độ phân ly và chính xác cao n Dùng trong đo lường, thu thập số liệu trong công nghiệp không cần nhanh, loại được nhiễu n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code n Nhanh, độ phân ly thấp hơn [đắt tiền], dùng để thu thập và xử lý tín hiệu biến thiên nhanh n Chuyển đổi kiểu xấp xỉ liên tiếp: 10k 10MSps n Chuyển đổi song song: 10M 500 MSps 4.3 Analog to Digital Convertors n Chuyển đổi gián tiếp: Tích phân hai sườn dốc n u(t) => Time Interval/f/T => code n Chậm, rẻ tiền ($s), độ phân ly và chính xác cao n Dùng trong đo lường, thu thập số liệu trong công nghiệp không cần nhanh, loại được nhiễu n Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code n Nhanh, độ phân ly thấp hơn [đắt tiền], dùng để thu thập và xử lý tín hiệu biến thiên nhanh n Chuyển đổi kiểu xấp xỉ liên tiếp: 10k 10MSps n Chuyển đổi song song: 10M 500 MSps 19 4.3 Analog to Digital Convertors n Ðịnh lý lấy mẫu Shannon - Kochennicov: Tín hiệu u(t) liên tục, trong nó có chứa thành phần fmax, (năng lượng của tín hiệu fmax = 0) thì có thể khôi phục lại tín hiệu không bị sai từ những giá trị gián đoạn, với điều kiện: fSAMPLE >= 2fMAX n Định lý này có tính pháp lý n Để kỹ sư hiểu số mẫu tối thiểu bao nhiêu là đủ, không quá dày => lãng phí (tốc độ ADC, thời gian xử lý, bộ nhớ); lấy thưa thì sẽ bị sai 4.3 Analog to Digital Convertors n Dual Slope Integration ADC: 20 4.3 Analog to Digital Convertors n Successive Approximation ADC: 4.3 Analog to Digital Convertors n Successive Approximation ADC, ICs: n ICL 7107 n In: -2V..2V, Out: -1999 => 1999, 4.000 counts 12 bit, n LED 7 Seg drive directly w current soursers for display n Converssion time: 20..40ms n ICL 7135 n Inp: -0.2V +02.V ho.c -2V..+2V, 40.000 count > 15bit, Out: -19999 => +19999, 400 ms converssion time n De-Multiplexed Out BCD for 5 digits of 7 Seg, scanned n ICL 7109, w REF & Clock n Inp: -2V..+2V, Out: 12 bin + pole, 8/16 bit interface to CS 21 4.3 Analog to Digital Convertors n Interfacing to the ICL - 7135 ADC: 4.3 Analog to Digital Convertors n Successive Approximation ADC: 22 Bài tập 1. Viết chương trình tạo các tín hiệu cơ bản (vuông, răng cưa, sin, tam giác,) 2. Giả lập DAC bằng phần mềm. 3. Thiết kế mạch đo nhiệt độ 4. 1Chương 6: Bàn phím n Keypad n Keyboard 6.1 Keypad – bàn phím 4x4 S932 K3 S921 K5 S934 S922 S924 S902 S913 S933 S901 K2 S911 S903 S914 K6 K7 S904 K0 K4 S912 S931 K1 S923 26.1 Keypad – bàn phím 4x4 n Đọc bàn phím n Quét vòng? n Sử dụng ngắt? n Chống rung n Kiểm tra thời gian của bit trạng thái (0 or 1) đủ “dài” n Dùng tụ để lọc nhiễu đầu vào 6.1 Keypad – bàn phím 4x4 36.1 Keypad – bàn phím 4x4 #define keypad_out PORTA #define keypad_in PINA flash char row[4] = {0xEF, 0xDF, 0xBF, 0x7F}; DDRA = 0xF0; for(i=0; i<4; i++) { keypad_out = row[i]; key = keypad_in & 0x0F; if(key!=0x0F) break; } if(i<4) key *= (i+1); else key = 0; 6.1 Keypad – bàn phím 4x4 46.1 Keypad – Resistor matrix & ADC If the key "5" is pressed, a voltage divider gets active: * 1 k + 820 Ω = 1,82k to ground, * 3,3 k + 680 Ω + 180 Ω = 4,16k to plus. At an operating voltage of 5 Volt a divided voltage of: 5 * 1,82 / (1,82 + 4,16) = 1,522 Volt 6.2 Keyboard – PC Keyboard AT keyboard goàm moät ma traän lôùn caùc phím, taát caû ñöôïc giaùm saùt bôûi moät boä xöû lyù on-board. Boä xöû lyù khaùc bieät nhau töø baøn phím naøy ñeán baøn phím khaùc( chip thoâng duïng goàm 8048, 8049, 6868 vaø 6805) nhöng taát chuùng cô baûn laøm gioáng moät vieäc : Giaùm saùt nhöõng phím ñöôïc nhaán / thaû vaø gôûi döõ lieäu töông xöùng tôùi maùy chuû. Boä xöû lyù naøy chaêm soùc taát caû döõ lieäu ra vaø ñeäm baát cöù döõ lieäu naøo vaøo boä ñeäm 16-byte cuûa noù neáu caàn. Taát caû vieäc giao tieáp giöõa maùy chuû vaø baøn phím duøng PS/2 protocol. 56.2 Keyboard – PC Keyboard 6.2 Keyboard – PC Keyboard n The keyboard sends data to the host in 11-bit words n Contain a ‘0’ start bit, followed by 8-bits of scan code (LSB first), followed by an odd parity bit and terminated with a ‘1’ stop bit. n The keyboard generates 11 clock transitions (at around 20 - 30KHz) when the data is sent, and data is valid on the falling edge of the clock. 66.2 Keyboard – PC Keyboard Keyboard to Host Host to Keyboard