Đồ án Các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm

u dòng lớn). Trái ngược với việc xuất ra nối tiếp, việc xuất ra cổng song song với một lệnh cổng đơn giản nhưng cực nhanh, chính vì đăc tính này mà nó được ứng dụng để tạo ra các tín hiệu Analog tần số thấp nhưng với chất lượng cực cao. Bên cạnh đó nó còn được sử dụng để điều khiển những máy móc đơn giản. Để có thể ghép nối máy tính qua cổng song song, ngoài phải biết chính xác địa chỉ của tổng đài, ta còn phải quan tâm đến cổng là loại một hướng hay hai hướng. Sở dĩ ta quan tâm đến điều này bởi vì trong các máy tính đời mới cổng song song có khác hơn so với cổng song song tiêu chuẩn ở trên. Cụ thể là thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển (trong những điêu kiện nhất định) chỉ là Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 27 một hướng, nghĩa là dữ liệu chỉ có thể trao đổi( đọc hoặc ghi) theo một chiều. Chính vì điều này đã gây không mấy hấp dẫn đối với những ứng dụng đo lường, điều khiển. Trước hết để có thể kể đến sự hạn chế đáng kể khi sử dụng cổng song song vào mục đích đo lường bởi vì ta phải đọc các gái trị số đã được biến đổi từ các giá trị ânlog. Tuy nhiên, ta có thể giải quyết được bằng một vài thủ thuật trong phần cứng và phần mềm, cho dù có thể có những hạn chế. Hình 18. Giao diện song song dùng cho một qua trình điều khiển Hình 19. Giao diện song song dùng cho một qua trình điều chỉnh Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 28 Do các máy tính đời mới có cổng song song cho phép trao đổi dữ liệu theo kiểu hai hướng, có nghĩa là có hai thanh ghi một hướng và hai hướng nên có thể tận dụng máy tính cho các ứng dụng đo lường và điều khiển. Tuy vậy, trước khi tiến hành ghép nối ta phải kiểm tra xem cổng song song này có hỗ trợ trao đổi dữ liệu hai hướng hay không. Công việc này chủ yếu xem tài liệu nói về phần cứng. Sau đây ta sẽ lần lượt tìm hiểu về giao diện song song một hướng và hai hướng. 3.1 Giao diện song song một hướng Để xét xem giao diện song song một hướng co những khả năng ứng dụng nào trong đo lường và điều khiển: Hình20.Mô tảgiao diện song song một hướng cho một quá trình điềukhiển Trong cách lắp đặt như hình trên dùng đến 12 đường dẫn lối ra và 5 đường dẫn lối vào. Vì vậy mà có thể hình thành một qua trình điều khiển theo kiểu tỷ lệ qua một bộ biến đổi số/tương tự 8 bit hoăch 12 bit với 5 đường dẫn thông báo trở lại. Ngoài ra có thể sử dụng 4 đường dẫn lối ra là 4 đường dẫn lấy từ thanh ghi điều khiển. Đay thực chát là thủ thuật mang tính kỹ thuật mà ta đã nói ở trên- một bộ chuyển đổi AD theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp nhờ một bộ chuyển đổi DA trong đó ta cần thêm một đường dẫn thông báo trở lại. Nhờ vậy mà ta mô phỏng việc nhập dữ liệu từng phần 8 bit hoặc 12 bit. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 29 3.2Giao diện song song hai hướng ô 25 chân ô 9 chân Tên Viết tắt Chức năng 1 Frame Ground FG Chân này được nối với vỏ bọc kim của dây cáp, với vỏ máy hoặc tiếp đất 2 3 Transmit Data TxD Dữ liệu được gửi từ DCE( máy tính hay thiết bị đầu cuối) tới DTE qua đường dẫn TD 3 2 Recive to data RxG Dữ liệu được gửi từ DCE tới DTE qua RD 4 7 Request to Send RTS DTE đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu 5 8 Clear to Send CTS DCE đặt đường này lên mức hoạt động để thông báo cho DTE biết là nó sẵn sàng nhận dữ liệu 6 6 Data set Ready DSR Tính hoạt động giống với CTS nhưng được kích hoạt bởi DTE khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu 7 5 Signal ground SG Tất cả các tín hiệu được so sánh với đất tín hiệu(GND) 8 1 Data Carrier detect DCD Phát tín hiệu mang dữ liệu 20 4 Data Terminal Ready DTR Tính hoạt động rống với RTS nhưng được kích hoạt bởi Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 30 DCE khi muốn truyền dữ liệu 22 9 Ring Indicate rI Chỉ báo cho DCE đang nhận tín hiệu rung chuông Bảng 4. Bảng các chân và chức năng trên đầu nối 25 chân và 9 chân Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn. Qua chân cắm ra TxD (transmit data), máy tính gửi các dữ kiệu đi, trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được lại được đưa đến chân RxD (Receive Data), còn các đóng vai trò như những tín hiêụ hỗ trợ khi trao đổi thông tin mà thôi. Việc truyền tín hiệu trên chân ra RxD tuỳ thuộc vào đường dẫn TxD. Thông thường, mức tín hiệu nằm trong khoảng giữa từ –12 đến +12v. Các bit dữ liệu được gửi đảo lại. Mức điện áp ra đối mức cao (high) nằm giữa – 3v và -12v, múc thấp(low) nằm giữa –3v và +12v Hình 22. dòng dữ liệu trên cổng nối tiếp RS 232 ở trạng thái tĩnh trên đường dẫn có điện áp -12v. một bit khởi động (Startbit) sẽ mở đầu việc truyền dữ liệu. Tiếp đó là các bit dữ liệi riêng lẻ sẽ được truyền, trong đó các giá trị dữ liệu thấp nhất sẽ được gửi trước tiên. ở cuối dòng dữ liệu có 1 bit dừng (StopBit) đẻ dặt trở lại trạng thái lối ra(- 12v). Tốc độ truỳên dữ liệu được đánh giá bằng tốc độ baud tương ứng với số bit được truyền trong 1 giây. chẳng hạn, tốc độ baud bằng 9600 có nghĩa là có 9600 bit được truyền trong một giây, trong đó có cả bit dữ liệu, bit khởi đầu và bit kết thúc. Chuẩn Rs-232 cho phép truyền tín hiệu trực tiếp trong vòng phạm vi 25m với tốc độ lên tới 19200 baud. Một điều cần lưu ý về khuôn mẫu dạng dữ liệu cần phải được thiết lập như nhau cả bên gửi và bên nhận. Các thông số truyền có thể được thiết lập trong nền hệ điều hành Dó hoặc window. Start Bit +12v -12v Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 31 Điều khiển cổng COM Để tạo điều kiện dể dàng cho việc phối ghép điều khiển đường truyền và truyền dữ liểuten cổng COM với hệ VXL 8086, người ta đã chế tạo vi mạch tổ hợp cỡ lớn có khả năng lập trình được. Đó là vi mạch thu phát không đồng bộ vạn năng (UART-Universal Asyncleronous Receiver/Transmitter) IN8250/16550 và vi mạch thu phát đồng bộ- không đồng bộ vạn năng (usart) 8251A. DLA A2 A1 A0 Thanh ghi 0 0 0 0 RBR, THR 0 0 0 1 IE 1 0 0 0 LSB 1 0 0 1 MSB X 0 1 0 iI X 0 1 1 LCR X 1 0 0 MCR X 1 0 1 LSR X 1 1 0 MSR X 1 1 1 Thanh ghi nháp Bảng 5. Địa chỉ các thanh ghi bên trong vi mạch 8250A Chúng ta có thể truy cập và điều khiển cổng COM bằng phần mềm thông qua các thanh ghi đệm dữ liệu thu (RBR), thanh ghi đệm dữ liệu phát (THR), thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IE), thanh ghi cho số chia phần cao (MSB), thanh ghi điều khiển đường dây (LCR), thanh ghi trạng thái đường truyền(LSR), thanh ghi điều khiển Modem (MCR), thanh ghi trạng thái Modem(MSR) bên trong vi mạch 8250A thông qua địa chỉ cổng. Địa chỉ cổng của thanh ghi cụ thể bằng địa chỉ cổng cơ bản + địa chỉ tương đối trên vi mạch. Cổng Địa chỉ cơ bản COM1 Cổng nối tiếp 1 3F8 COM2 Cổng nối tiếp 2 2F8 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 32 Bảng 6. Địa chỉ cơ bản của cổng COM1 và COM2 Nội dung của các thanh ghi: • Thanh ghi điều khiển đường truyền(LCR): • Thanh ghi đệm dữ liệu phát: Ký tự cần phat phải được ghi vào thanh ghi này khi DLAB = 0 • Thanh ghi đệm dữ liệu thu (RBR): Dữ liệu qua đường truyền đọc đựoc khi DLAP = 0 • Thanh ghi cho phép tạo yêu cầu ngắt (IER): Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 33 • Thanh ghi nhận dạng nguồn yêu cầu ngắt(IR): Các mức yêu tiêngán cho các nguồn gây ngắt được ghi trên hai bit ID2, ID1. thứ tự ưu tiên đựơc mô tả trên bảng sau: Bảng 7. các mức ưu tiên gán cho các nguồn gây ngắt trong 8250A • Thanh ghi điều khiển Mordem(MCR): • Thanh ghi trạng thái Mordem (MSD): ID2 ID1 Mứ c Tên loại ngắt Nguồn gốc ID bị xoá khi 1 1 Trạng thái đường thu Lỗi khung,thu đè, lỗi Parity, giãn đoạn đường truyền lúc thu Đọc LSB 1 0 Đêm thu đầy Đệm thu đầy Đọc RBR 0 1 Đệm giữ phát rỗng Đêm phát giữ rỗng Đọc IIR ghi THR 0 0 Trạng thái Mordem ΔCTR, ΔDSR, ΔRI, ΔRLST Đoc MSR Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 34 • Thanh ghi trạng thái đường dây(LSR): ý nghĩa của các bit trong thanh ghi LSR: + RxDR =1: Đã nhận được một ký tự và để nó trong thanh ghi đệm thu (RBR) > Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi RBR. + OE = 1: Có lỗi Parity. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR. + FE = 1: Có lỗi khung. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR. + BI = 1: Khi có tín hiệu ở đầu vào chân thu ở mức thấp lâu hơn thời gian bình thường. Bit này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi LSR + THRE = 1: Khi ký tự được chuyển từ THR đến TSR. Bít này bị xoá khi CPU đọc thanh ghi THR. + TERE + 1: Khi một ký tự đã được phát đi. Bít này bị xoá khi có một ký tự được chuyển từ THR đến TSR Trong các ứng dụng ghép nối đóng vai trò đăc biệt quan trọng là thanh ghi điều khiển Mordem và thanh ghi trạng thái Mordem vì qua các đường dẫn đó các đường dẫn phụ trợ giao diện được tiếp cận trực tếp. Máy tính truy nhập lên các thanh ghi thông qua địa chỉ của giao diện.Cổng nối tiếp thứ nhất (COM1) sử dụng địa chỉ cơ sở 3F8, như vậy các thanh ghi xếp theo vùng từ 3F8 đến 3FF. Khoảng cách từ một thanh ghi tới địa chỉ cơ sở được gọi là offset. Như vậy, việc xuất ra trực tiếp qua DTR và RST được tiến hành qua địa chỉ 3F8+4 Địa chỉ Bit Chân 3F8+4 0 DTS 1 RTS Bảng 8. chân DTS, DRS tương ứng với các mức Như vậy, đường dẫn RTS cần được đặt lên mức điện áp (enable). Bit 1 được trao đổi qua giá trị bằng số 21=2. Do đó chỉ cần xuất số 2 qua địa chỉ cổng bằng lệnh outprt của thư viện PORT.DLL, còn giá trị 20=1 sẽ được đặt mứctương ứng với đường dẫn DTR và giá trị 3 với cả hai đường dẫn. Tuy nhiên bằng lệnh. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 35 outprt của thư viện PORT.DLL chỉ được thực hiện khi giao diện không thuộcểư lý của window có nghĩa là để thực hiện việc truy cập trực tiếp thì phải loại giao diện ra khỏi hệ thống thông qua Divicce Manager. Phương pháp này chỉ có ý nghĩa khi muốn độc quỳên sử dụng giao diện còn thừa mà hệ thống không sử dụng đến cho các ứng dụngghép nối đơn giản. Còn giải pháp tốt hơn cả cho việc truy cập lên gíao diện nối tiếp mà vẫn chịu sự quản lý của Win dow đó là sử dụng hàm openCom của thư viện DLL, nếu Window cho phép mở giao diện thì nó sẽ thông báo, ngược lại thì nó sẽ thông báo là giao diện đang bận cho phương trình khác. ví dụ: sử dụng cổng COM để phát một xung vuông có tần số 500Hz qua đường dẫn RTS của giao diện : Mã lệnh của chương trình phát xung vuông: Option expicit Private Declare Function outport Lib “port.dll” (By val PortAddress As Integer, By Val portData As Integer) As Integer Private Declare Function Inport Lib “port.dll” (By val PortAddress As Integer) As Integer Dim PortAdd, n As Integer Private Sub Form_Load() PortAdd = 3F8 If OPENCOM (“COM2.9600,N,8,1”) = 0 then Msgbox(“COM2 đang bận”) End Sub Private Sub Form_ Unloand (Cacel as integer) CLOSE COM End Sub Private Sub Command1_Click() Dim n as integer For n=1 to 100 OutPort(portAdd+4,2) Delay T(1) OutPort (PortAdd+4,0) Delay T(1) Next n End Sub Pulic Sub DelayT(dd As Long) J = 0 For i = 1 To dd J = j +1 Next i EndSub Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 36 Chương 3. Ghép nối qua rãnh cắm mở rộng. Khi nghiên cứu về cấu trúc máy tính ta thường đề cập đến các cấu trúc Bus, các đường dẫn Bus như: Bus dữ liệu, Bus điều khiển. .v.v. Các rãnh cắm mở rộng là một dạng thể hiện bằng phần cứng của bus trên bảng mạch chính, trên đó có thể cắm thêm các card mở rộng để thay đổi hoặc nâng cấp cấu hình của máy tính. Chính vì vậy việc nghin cứu, tìm hiểu các dạng bus cũng như các tính năng kỹ thuật của từng loại bus có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng cấp cấu hình máy tính như cắm thêm các card mở rộng chứa bộ điều khiển dùng cho truy cập bộ nhớ, card màn hình, đĩa cứng và đĩa mềm, xuất dữ liệu ra máy in, các cổng modem,vào/ra nối tiếp .v .v. Ngoài ra trong nhiều ứng dụng công nghiệp việc sử dụng máy tính như một hệ thống đo lường, điều khiển số việc tìm hiểu bú máy tính cho các card chuyên dụng chẳng hạn như card chuyển đổi AD?DA ứng dụng trong đo lường, điều khiển công nghiệp. Thông thường, có đến 8 rãnh cắm mở rộng được lắp ráp sẵn trên bản mạch chính tương ứng với 8 kiểu bus mở rộng được sử dụng cho máy tính các nhân. Việc phân loại bú mở rộng thường dựa trên số các bit dữ liệu mà chúng sử lý đồng thời. Đó là các bus: • Bus PC ( còn gọi là ISA 8 bit) • Bus EISA (32 bit) • Bus VESA Local (32 bit) • Bus SCSI (16/32 bit ) • Bus ISA (16 bit) • Bus MCA(32 bit) • Bus PCI (32/64 bit) • Bus PC/MCIA (16 bit) Các loại lớp này ra đời kế tiếp nhau, loại sau luôn được chứng minh là có ưu điểm và phủ định loại trước, đặc biệt là có sự khác nhau về tốc độ truyền. Cụ thể với các bus PC, bus IAS và bus EISA tốc độ truyền dữ liệu được cố định ở tần số 8,33MHz, trong khi bus PCI và bú VESA Local sử dụng đồng hồ đo hệ thống (thông thường là 33Hz hoặc 50Hz). đối với nhiều ứng dụng, bus ISA là phương tiện tốt nhất và tương đối phổ dụng bởi lẻ nó được sử dụng trong một thời gian dài và cho phép truyền một lưu lượng dữ liệu lớn với giá thành tương đối rẻ, độ tin cậy cao. Trong hầu hết các máy tính PC đều có 3 rãnh cắm ISA trên bản mạch chính (Main board), có thể cắm được các card sound, card video... Đặc biệt là các card ghép nối khác nhau dùng cho những mục đích chuyên dụng trong công nghiệp đo lường và điều khiển bằng máy như : card chuyển đổi tương tự-số (A/D), card chuyển đổi số-tương tự ( D/A), card ghép nối mạng, card để tạo ra các cổng ghép nối khác (GPIB, RS-485 v.v..). Chính Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 37 vì lẽ đó trong bản đồ án này,chúng ta sẽ chỉ đi sâu sâu tìm hiểu cấu tạo,tính năng kỹ thuật cũng như những ứng dụng ghép nối với bus ISA. 1. Bus ISA 8 bit (bus PC). Bus ISA 8 bit hay còn được gọi là bus PC là loại bus xuất hiện trên máy tính PC/XT đầu tiên. Loại bus này tận dụng kiế trúc của bộ vi xử lý intel 8088, nên có một bus dữ liệu 8 bit và bus địa chỉ 20 bit. Rãng cắm nối với bus PC có 62 chân cho phép cắm một card mở rộng làm từ tấm mạch in 2 mặt cũng có 62 tiếp điểm. Vì trên bus này có 8 bit dữ liệu nên được gọi là bus IAS 8 bit hay bus PC để phân biệt với bus ISA 16 bit. Vì nó sử dụng một bus địa chỉ 20 bit nên nó có thể định địa chỉ đến một vùng nhớ cực đại đến 1Mbyte tốc độ truyền được cố định ở 4,772727 MHz, như vậy có nhiều nhất là 4.772.727 byte có thể được truyền trong mỗi dây. hướng của tín hiệu được chọn là đi vào nếu tín hiệu đến từ bộ điều khiển Bus PC và đi ra nếu như nó đến từ thiết bị bên ngoài bus, cụ thể là từ card ghép nối mở rộng. Một tín hiệu được xác định là đi vào/đi ra khi tín hiệu đó có thể khi tín hiệu đó có thể bắt nguồn hoặc từ bộ điều khiển bus PC hoặc từ card mở rộng. Như vậy, muốn ghép nối vơis máy tính qua rãnh cắm mở rộng điều quan trọng thiết yếu là phải có trong tay một card mở rộng phục vụ cho mục đích ghép nối Sau đây là một phần mềm cài đặt để chính thức “đăng ký” card mở rộngnày vào trong hệ thống máy tính và như vậy công việc ghép nối coi như được hoàn thành. Với những card chuyên dụng như card âm thanh, card màn hình,card modem thì việc lựa chọngiải pháp mua là tiện lợi nhất vì giá thành rẻ và chất lượng cũng đảm bảo. Tuy nhiên, với những mục đích chuyên dụng chẳng hạn như trong đo lường và điều khiển bằng máy tính trên thực tế ta cần. 2.Bus IAS 16 bit. Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 38 Đây là loại bus được cấu trúc theo tiêu chuẩn công nghiệp (Industry Standard archtecture). Đặc điểm rõ nét của bus này là có thể cho phép cùng một lúc xử lý hoặc trao đổi với 16 bit dữ liẹu. Việc mở rộng thêm một rãnh cắm bổ xung cho phép có được tính tương thích với bus PC, rãng cắm thứ 2thẳng hàng với rãnh cắm PC 8bit, trên đó 8 bit dữ liệu và 4 đưòng dẫn địa chỉ. Như vậy, bus IAS có 16 bit dữ liệu và 24 bit địa chỉ vì thế cho phép nhiều nhất 16 Mbyte bộ nhớ có thể định địa chỉ đựơc, cũng giống như bus PC (bus IAS 8 bit) nó sử dụng tốc độ đồng hồ 8 MHz, như vậy tốc độ truyền dữ liệu cực đại là 2byte trong mỗi chu kỳ giữ nhịp. Các card ISA rát phổ biến với tính năng ưu việt đối với hầu hết các ứng dụng ghép nối. Các ling kiện trên card đều rất rẻ, cho nên thực tế việc ghép nối bằng các card mở rộng rất thuận lợi và đáng tin cậy. Phần II Thực nghiệm Card AT-MIO-16XE-10 Đây là card đa năng, bao gồm: 16 kênh AI, 2 kênh AO, 8 kênh DIO và các mạch đếm, các mạch phát xung. Sơ đồ khối của card thể hiện như hình vẽ 7 Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật viên cntt Đề tài: các phương pháp chuyển đổi ADC và DAC thực nghiệm 39 Hình 7. Sơ đồ khối card AT-MIO-16XE-10