Thiết kế, chế tạo mô hình mạng vi điều khiển PIC

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐÀO MINH ĐỨC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC Chuyên ngành : SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG Mã số : 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. TRẦN XUÂN TÙY Phản Biện 1:PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC. Phản Biện 2:TS. TRẦN ĐÌNH KHƠI QUỐC. Luận văn sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại đại học Đà Nẵng vào ngày 5 tháng 12 năm 2011 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Thơng tin tư liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay trước sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ điện tử, nano, sản xuất chip cũng như cơng nghệ phần mềm, nhiều thiết bị mới ra đời hoặc các thiết bị cũ được cải tiến với những chức năng mới làm cho các hệ thống điều khiển tự động chuyển dần từ hệ điều khiển tập trung sang hệ điều khiển khơng tập trung hoặc hệ điều khiển phân tán (DCS = distributed control systems). PLC và DCS ra đời khơng cách xa nhau nhiều. PLC chuyên sâu về điều khiển Lơgic rời rạc thì DCS lại thiên về điều khiển quá trình. Ứng dụng của DCS thường dành cho các nhà máy xí nghiệp lớn, cho nên dùng điều khiển tập trung sẽ tốn kém cả về đầu tư ban đầu và giá trị bảo trì vận hành. Vì vậy, các hệ DCS đã ứng dụng phương thức điều khiển phân tán thay vì điều khiển tập trung như PLC. Đặc điểm chính của của 1 hệ thống DCS là: + Điều khiển quá trình – PID, Cascade PID, Ratio Control, FeedFoward. + Điều khiển phân tán qua mạng FieldBus, Profibus, Device Net + Dự phịng nĩng (Redundancy). + Nạp chương trình khi hệ thống đang chạy. Đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC’’ nhằm mơ phỏng một hệ thống DCS nhỏ, phục vụ cho cơng tác giảng dạy. Đây là một hướng nghiên cứu mới cĩ thể áp dụng cho các nhà máy sản xuất quy mơ nhỏ. 2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay, vi điều khiển phát triển rất với cơng nghệ hiện đại, ứng dụng của vi điều khiển được dùng nhiều trong sản xuất và đời 4 sống sinh hoạt hằng ngày. Các vi điều khiển cĩ thể được sử dụng trong các hệ thống DCS, với rất nhiều tính năng điều khiển hệ thống dễ dàng.Vì vậy, mụch đích của đề tài “THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MƠ HÌNH MẠNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC’’ v phục vụ cơng tác đào tạo tại nhà trường. 3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Phạm vi: - Thiết kế, chế tạo mơ hình mạng PIC. - Thiết kế phần mềm điều khiển mạng PIC. Nội dung nghiên cứu: - Thiết kế các Mơđun phần cứng. - Thiết kế phần mềm điều khiển. - Chế tạo và lắp ráp mơ hình 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu các tài liệu liên quan nhằm tổng hợp chọn phương án và thiết kế mạng PIC: phần cứng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, điều khiển và lập trình. - Chế tạo mơ hình để kiểm chứng các kết quả. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỄN Gĩp phần thúc đẩy việc xây dựng các mơ hình phục vụ cho cơng tác đào tạo sinh viên, cho thấy thực tiễn mạng DCS hoạt động như thế nào. 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG DCS 1.1.1. Tổng quan các giải pháp điều khiển 1.1.1.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng một giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới qui mơ và đặc thù của lĩnh vực ứng dụng. - Điều khiển các thiết bị và máy mĩc đơn lẻ (cơng nghiệp và gia dụng). - Cơng nghiệp chế biến, khai thác. - Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp. - Điều khiển các hệ thống giao thơng, vận tải. - Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng (dầu khí, gas, điện. 1.1.1.2 Các hệ thống điều khiển cơng nghiệp Các giải pháp điều khiển cơng nghiệp chia làm hai ứng dụng cơ bản: - Cơng nghiệp chế biến, khai thác. - Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp. 1.1.2. Cấu trúc các hệ thống điều khiển giám sát 1.1.2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản Một hệ thống điều khiển giám sát bao gồm các chức năng chính sau: - Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành ghép nối vào/ra, chuyển đổi tín hiệu. - Thiết bị điều khiển tự động. - Hệ thống điều khiển giám sát. - Hệ thống truyền thơng. 6 - Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an tồn. 1.1.2.2 Mơ hình phân cấp a) Cấp chấp hành b) Cấp điều khiển c) Cấp điều khiển giám sát 1.1.2.3 Cấu trúc điều khiển a), Điều khiển tập trung Hình 1.3 Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung. b) Điều khiển tập trung và vào ra phân tán Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán. c) Điều khiển phân tán 7 Hình 1.5: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung. d) Điều khiển phân tán với vào ra phân tán Hình 1.6: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào ra phân tán. 1.1.3. Các thành phần của hệ thống điều khiển phân tán 1.1.3.1 Cấu hình cơ bản 8 - Các trạm điều khiển cục bộ. - Các trạm vận hành. - Trạm kỹ thuật và cơng cụ phát triển. - Hệ thống truyền thơng. Hình 1.7 : Cấu hình cơ bản của một hệ điều khiển phân tán. 1.1.3.2 Phân loại các hệ DCS a) Các hệ DCS truyền thống Các hệ này sử dụng các bộ điều khiển quá trình đặc chủng theo kiến trúc riêng của nhà sản xuất. b) Các hệ DCS trên nền PLC Với cấu trúc ghép nối vào/ra linh hoạt, nguyên tắc làm việc đơn giản theo chu kì, khả năng lập trình và lưu trữ chương trình trong bộ nhớ khơng cần can thiệp trực tiếp tới phần cứng, PLC nhanh chĩng thu hút sự chú ý trong giới chuyên ngành. 9 c) Các hệ DCS trên nền PC Giải pháp sử dụng máy tính cá nhân (PC) trực tiếp làm thiết bị điều khiển khơng những được bàn tới rộng rãi, mà đã trở thành thực tế phổ biến trong những năm gần đây. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 1.2.1. PIC PIC là viết tắt của “ Programable Intelligent Computer” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC 1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP 1600. 1.2.2. Kiến trúc PIC Tổ chức phàn cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard, điểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. - Đối với kiến trúc Von- Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đĩ ta cĩ thể tổ chức cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. - Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt. Do đĩ trong cùng một thời điểm CPU cĩ thể tương tác với cả hai bộ nhớ như vậy tốc độ xử lý của vi điều khiển được cải thiện dáng kể. 1.2.3. Vi điều khiển PIC 16F877A 1.2.3.1. Thơng số của vi điều khiển PIC 16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh cĩ độ dài 14 bit, mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14bit, bộ nhớ dữ 10 liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số cổng đầu vào /ra là 5 với 33 chân.Các đặc tính ngoại vi bao gồm các chức năng sau: - Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. - Timer1: Bộ đếm 16bit với bộ chia tần số. - Timer2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. - Hai bộ điều chế độ rộng xung 10 bit. - 8 kênh chuyển đối ADC 10 bit. 1.2.3.2. Sơ đồ khối của PIC Hình 1.12: Sơ đồ khối của Pic 16F877A. 1.2.3.3. Tổ chức bộ nhớ a) Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển là bộ nhớ Flash, dung lượng bộ nhớ 8K word( 1word là 14 bit) và được phân thành nhiều trang ( từ page0 đến page 3). Để mã hĩa được địa chỉ 11 của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình cĩ dung lương 13 bit ( PC ). b) Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu là bộ nhớ EEPROM được chia làm 4 bank, mỗi bank cĩ dung lượng 128 byte bao gồm các thanh ghi cĩ chức năng đặc biệt SFG( Special Funtion Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung. 1.2.3.4. Thanh ghi chức năng đặc biệt - Thanh ghi STATUS(03H, 83H, 103H, 183H) : thanh ghi chứa kết quả thực hiện phép tốn của khối ALU. - Thanh ghi OPTION REG (81H, 181H) : thanh ghi cho phép đọc và ghi, cho phép điều khiển chức năng pull-up của các chân trong PORTB - Thanh ghi INTCON (0BH, 8BH, 10BH,18BH) : Thanh ghi cho phép đọc và ghi, chứa các bit điều khiển và các bít cờ hiệu khi Timer0 bị tràn. - Thanh ghi PIE1 (8CH) : chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức năng ngoại vi. - Thanh ghi PIR1 ( 0Ch) : chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi. - Thanh ghi PIE2 (8DH) : chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM. 12 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MƠ ĐUN GIAO TIẾP THIẾT BỊ NGOẠI VI 2.1. THIẾT KẾ MƠ ĐUN VÀO/RA SỐ 2.1.1. Mơ đun vào số Ngày nay, trong các nhà máy cơng nghiệp người ta thường sử dụng các cơng tắc, hoặc các cảm biến số, các cơng tắc hành trình… để báo hiệu cho trạng thái làm việc của các thiết bị.Cĩ 2 trạng thái ON/OFF đối với trạng thái ON báo hiệu cho thiết bị được vận hành, trạng thái OFF báo hiệu cho thiết bị dừng.Dựa trên hai trạng thái ON/OFF, ta thiết kế mơ đun vào số với hai mức logic 1 và 0 tương ứng với 2 trạng thái ON/OFF. Hình 2.1: Sơ đồ mạch đầu vào số. 1 2 3 4 O P T O P C 8 1 7 R6 4.7K D5 3 4 U1B 74HC14 VAO_1 R7 1.2K 24VDC 5VDC 2 IN_2 13 Hình 2.2: Mạch điều khiển đầu vào số. 2.1.2. Mơ đun ra số Để điều khiển các thiết bị cĩ trạng thái hoạt động ON/OFF như Van điện từ, các Relay, Contactor… người ta chỉ việc cấp nguồn 220 hoặc 24VDC để cho các thiết bị hoạt động. Vì vậy dựa trên nguyên lý làm việc ON/OFF ta thiết kế Mơđun ra số 8 ngõ ra, cĩ chức năng xuất tín hiệu điều khiển trạng thái ON/OFF tương ứng với mức Logic 0 và 1 của vi điều khiển. RA0/AN02 RA1/AN13 RA2/AN2/VREF-/CVREF4 RA3/AN3/VREF+5 RA4/T0CKI/C1OUT6 RA5/AN4/SS*/C2OUT7 RB0/INT 33 RB1 34 RB2 35 RB3/PGM 36 RB4 37 RB5 38 RB6/PGC 39 RB7/PGD 40 RC0/T1OSO/T1CKI15 RC1/T1OSI/CCP216 RC2/CCP117 RC3/SCK/SCL18 RC4/SDI/SDA23 RC5/SDO24 RC6/TX/CK25 RC7/RX/DT26 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 RD5/PSP5 28 RD6/PSP6 29 RD7/PSP7 30 OSC1/CLKIN13 OSC2/CLKOUT14 VDD 32 VDD 11 VSS31 VSS12 MCLR*/VPP1 RE0/RD*/AN5 8 RE1/WR*/AN6 9 RE2/CS*/AN7 10 PVN1 PIC16F877A 1 2 J3 I2C 1 2 J4 I2C C1 22P C2 Y1 20MHZ SW1 1 2 3 4 5 J5 NAP_CHIP D2 DIODE R3 10K 5VDC VAO_1 VAO_2 VAO_3 VAO_4 VAO_5 VAO_6 VAO_7 PGC VAO_8 PGD VAO_9 VAO_10 VAO_11 VAO_12 VAO_13 VAO_14 VAO_15 VAO_16 SCK SDI 5VDC MCLR VSS VDD PGD PGC SCK SDI SCK SDI 14 Hình 2.3: Sơ đồ mạch đầu ra số. Hình 2.4: Sơ đồ mạch điều khiển Mơđun ra số. R39 220 RA_1 R40 4.7K R41 4.7K D23 R42 2.2K LED R43 220 RA_2 R44 4.7K R45 4.7K D25 R46 2.2K LED OUTPUT_2 NGUON_24VDC COMMON 3 5 4 1 2 LS2 RELAY 6 4 5 Q1B D468 1 2 3 4 OPTO OUTPUT_1 COMMON NGUON_24VDC 3 5 4 1 2 LS1 RELAY 3 1 2 Q1A D468 1 2 3 4 OPTO RA0/AN02 RA1/AN13 RA2/AN2/VREF-/CVREF4 RA3/AN3/VREF+5 RA4/T0CKI/C1OUT6 RA5/AN4/SS*/C2OUT7 RB0/INT 33 RB1 34 RB2 35 RB3/PGM 36 RB4 37 RB5 38 RB6/PGC 39 RB7/PGD 40 RC0/T1OSO/T1CKI15 RC1/T1OSI/CCP216 RC2/CCP117 RC3/SCK/SCL18 RC4/SDI/SDA23 RC5/SDO24 RC6/TX/CK25 RC7/RX/DT26 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 RD5/PSP5 28 RD6/PSP6 29 RD7/PSP7 30 OSC1/CLKIN13 OSC2/CLKOUT14 VDD 32 VDD 11 VSS31 VSS12 MCLR*/VPP1 RE0/RD*/AN5 8 RE1/WR*/AN6 9 RE2/CS*/AN7 10 PVN2 PIC16F877A 1 2 J9 I2C 1 2 J10 I2C C5 22P C6 Y2 20MHZ SW2 1 2 3 4 5 J11 NAP_CHIP D21 DIODE R38 10K 5VDC RA_1 RA_2 RA_3 RA_4 RA_5 RA_6 PGCRA_7 PGDRA_8 SCK SDI 5VDC MCLR VSS VDD PGD PGC SCK SDI SCK SDI 15 2.2. MƠ ĐUN ĐẦU VÀO ANALOG 2.2.1. Tín hiệu Analog Là hàm của 1 hoặc nhiều biến độc lập, đại lượng vật lý theo thời gian như : tiếng nĩi, nhiệt độ… theo thời gian A=f(t,h).Xuất hiện liên tục trong khoảng thời gian từ t0 – t1. Giá trị biến thiên liên tục trong khoảng biên độ từ A0- A1. Để đọc được các giá trị cần phải rời rạc hĩa các tín hiệu về thời gian và giá trị, dùng thiết bị chuyển đối ADC tạo ra các tín hiệu số để: - Xử lý và lưu trữ dữ liệu. - Truyền gửi đi xa. - Tái tạo lại hay tổng hợp lại tín hiệu. 2.2.2. Bộ chuyển đổi ADC 2.2.2.1. Khái niệm Là thiết bị cĩ 2 chức năng:+ Rời rạc hĩa tín hiệu theo thời gian.+ Số hĩa tín hiệu về biên độ(Lượng tử hĩa).Phân loại: - Chuyển đổi trực tiếp: u(t) => code. - Chuyển đổi gián tiếp: u(t) => đại lượng trung gian => code. 2.2.2.2. Nguyên lý cơ bản của chuyển đổi tương tự Tín hiệu tương tự là tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hố là rời rac theo thời gian. Như vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là: - Lấy mẫu . - Nhớ mẫu . - Lượng tử hố . - Mã hố . 16 2.2.2.3. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc của của ADC a) Sơ đồ khối Hình 2.6: Sơ đồ khối của ADC. b) Nguyên lý làm việc của ADC Trước hết, mạch lấy mẫu tín hiệu tương tự tại các thời điểm khác nhau đều và cách đều nhau (rời rạc hố tín hiệu về mặt thời gian), giữ cho biên độ điện áp tại các thời điểm lấy mẫu khơng đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo. Tín hiệu ra mạch lấy mẫu được đưa tới mạch lượng tử hố để thực hiện làm trịn với biên độ chính xác.Sau mạch lượng tử hố là mạch mã hố. Trong mạch mã hố, kết quả lượng tử hố được sắp xếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cẩu tên đầu ra của bộ chuyển đổi. c) Phân loại chuyển đổi ADC - Phương pháp chuyển đổi song song: Trong phương pháp này tín hiệu được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn. Do đĩ tất cả các bit được xác định đồng thời và đưa đến đầu ra. - Phương pháp biến đổi theo mã đếm:Ở đây, quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm. Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn cĩ thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi. - Phương pháp biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân:Qúa trình so sánh đựoc thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân. Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần, do 17 đĩ các bit được xác định lần lượt từng bit cĩ nghĩa lớn nhất đến bit nhỏ nhất. - Phương pháp biến đổi song song nối tiếp kết hợp:Trong phương phápnàymỗi bước so sánhcĩ thể được xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời. 2.2.3. ADC của PIC 16F877A Pic 16F887A cĩ 8 ngõ vào Analog, hiệu điện thế chuẩn VREF cĩ thể được lựa chọn là VDD hoặc VSS hay hiệu điện thế chuẩn được xác lập trên 2 chân RA2, RA3.Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bít số tương ứng được lưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL. Khi quá trình chuyển đổi hồn tất, kết quả được lưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit ADCON0(2) được xĩa về 0 và cờ ngắt ADIF được set. 2.2.4. Sơ đồ mạch Mơ đun đầu vào Analog Hình 2.7: Sơ đồ mạch đầu vào Analog. 3 2 1 8 4 - + U14A LM358R74 R75 R76 250 R77 R78 12 J18 INPUT_AD 24VDC INPUT_AD1 18 2.3. MƠ ĐUN ĐẦU RA ANALOG 2.3.1. Bộ chuyển đổi DAC Chuyển đổi số -tương tự (DAC) là một khâu khơng kém phần quan trọng trong một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính. Để điều khiển một hệ thống như điều khiển tăng, giảm ổn nhiệt của một lị nhiệt dùng trong cơng nghiệp haynhư điều khiển động cơ điện ... thì máy tính cần phát ra tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này là tín hiệu số vì thế trong hâù hết các hệ thống tự động hố cần phải chuyển tín hiệu này thành tín hiệu tương tự. 2.3.2. Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc Để lấy được tín hiệu tương tự từ tín hiệu số là tín hiệu rời rạc theo thời gian, tín hiệu này được đưa qua một bộ lọc thơng thấp lý tưởng. Hình 2.8 : Sơ đồ khơi phục tín hiệu tương tự. 2.3.3. Các phương pháp chuyển đổi số sang tương tự 2.3.3.1. Chuyển đối bằng phương pháp đấu điện trở R – 2R 2.3.3.2. Chuyển đổi bằng phương pháp Shannon – Rack 2.3.4. Sơ đồ mạch đầu ra Analog 19 2.3.4.1. Mạch khuếch đại điện áp Hình 2.11 : Sơ đồ mạch khuếch đại điện áp. 2.3.4.2. Mạch chuyển áp thành dịng Hình 2.12: Sơ đồ mạch tạo dịng điện. 100 3 2 1 8 4 - + LM358 100K 0.1UF 47 10K 10K 1 2 J40 OUTPUT_AD AD_OUT R145 47 R146 10K R14710K 1 2 J40 OUTPUT_AD 5 6 7 8 4 - + LM358 R148 100K AD_OUT R149 10K 10k R151 10K 10k R141 100 R142 100K 3 2 1 8 4 - + U20A LM358 R143 100K C19 0.1UF 20 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH 3.1. GIỚI THIỆU MẠNG CƠNG NGHIỆP 3.1.1. Mạng cơng nghiệp Mạng cơng nghiệp hay mạng truyền thơng cơng nghiệp là một khái niệm chỉ các hệ thống mạng truyền thơng số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị cơng nghiệp. 3.1.2. Phân loại của hệ thống mạng cơng nghiệp Cấp cao nhât là cấp Quan lý, cấp thấp nhất là Chấp hành, càng ở cấp dưới thì các chức năng càng mang tính cơ bản hơn địi hỏi yêu cấu cao hơn về độ nhạy và thời gian đáp ứng. Một chức năng ở trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, khơng địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh như cấp dưới, nhưng lượng thơng tin cần trao đổi và xử lý lớn hơn nhiều. 3.1.3. Cấu trúc Master/Slaver Trong cấu trúc chủ/tớ, một trạm chủ (Master) cĩ trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slaver). Các trạm tớ đĩng vai trị bị động, chỉ cĩ quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi cĩ yêu cầu. Trạm chủ cĩ thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm sốt tồn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống. 3.2. GIỚI THIỆU MSSP TRONG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 3.2.1. SPI Chuẩn giao tiếp SPI cho phép truyền nhận đồng bộ. Ta cần sữ dụng 4 pin cho chuẩn giao tiếp này - RC5/SDO: ngõ ra dữ liệu dạng nối tiếp (Serial Data output). 21 - RC4/SDI/SDA: ngõ vào dữ liệu dạng nối tiếp (Serial Data Input). - RC3/SCK/SCL: xung đồng bộ nối tiếp (Serial Clock). - RA5/AN4/SS/C2OUT: chọn đối tượng giao tiếp (Serial Select) khi giao tiếp ở chế độ Slave mode. 3.2.1.1. SPI Master Mode Ở chế độ Master mode, vi điều khiển cĩ quyền ấn định thời điểm trao đổi dữ liệu (và đối tượng trao đổi dữ liệu nếu cần) vì nĩ điều khiển xung clock đồng bộ. Dữ liệu sẽ được truyền nhận ngay thời điểm dữ liệu được đưa vào thanh ghi SSPBUF. Nếu chỉ cần nhận dữ liệu, ta cĩ thể ấn định chân SDO là ngõ vào (set bit TRISC). Dữ liệu sẽ được dịch vào thanh ghi SSPSR theo một tốc độ được định sẵn cho xung clock đồng bộ. Sau khi nhận được một byte dữ liệu hồn chỉnh, byte dữ liệu sẽ được đưa dào thanh ghi SSPBUF, bit BF được set và ngắt xảy ra.. 3.2.1.2. SPI Slaver Mode Ở chế độ này SPI sẽ truyền và nhận dữ liệu khi cĩ xung đồng bộ xuất hiện ở chân SCK. Khi truyền nhận xong bit dữ liệu cuối cùng, cờ ngắt SSPIF sẽ được set. Slave mode hoạt động ngay cả khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep, và ngắt truyền nhận cho phép “đánh thức” vi điều khiển. Khi chỉ cần nhận dữ liệu, ta cĩ thể ấn định RC5/SDO là ngõ vào (set bit TRISC). Slave mode cho phép sự tác động của chân điều khiển RA5/A4/SS/C2OUT(SSPCON =0100). Khi chân RA5/A4/SS/C2 ở mức thấp, chân RC5/SDO được cho phép xuất dữ liệu và khi RA5/A4/SS/C2OUT ở mức cao, dữ liệu ra ở chân RC5/SDO bị khĩa, đồng thời SPI được reset (bộ đếm bit dữ liệu được gán giá trị 0). 3.2.2. I2C 22 Đây là một dạng khác của MSSP. Chuẩn giao tiếp I2C cũng cĩ hai chế độ Master, Slave và cũng được kết nối với ngắt. I2C sẽ sử dụng 2 pin để truyền nhận dữ liệu: - RC3/SCK/SCL:chân truyền dẫn xung clock. - RC4/SDI/SDA: chân truyền dẫn dữ liệu.Các khối cơ bản trong sơ đồ khối của I2C khơng cĩ nhiều khác biệt so với SPI. Tuy nhiên I2C cịn cĩ thêm khối phát hiện bit Start và bit Stop của dữ liệu (Start and Stop bit detect) và khối xác định địa chỉ (Match detect). 3.2.2.1. I2C Slaver Mode 3.2.2.2. I2C Master Mode 3.3. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁC MƠ ĐUN 3.3.1. Chương trình điều khiển Mơ đun Vào/Ra số 3.3.1.1. Chương trình điều khiển của Mơ đun Vào số Nhiệm vụ của vi điều khiển Slaver đọc giá trị từ 2 cổng Port B, D sau đĩ lưu dữ liệu. Kiểm tra xem Master cĩ yêu cầu truyền dữ liệu thì truyền dữ liệu đã lưu lên cho Master. 3.3.1.2. Chương trình điều khiển của Mơ đun Ra số Nhiệm vụ của vi điều khiển Slaver kiểm tra xem Master cĩ gửi dữ liệu khơng.Nếu cĩ lưu giá trị Master truyền đến , sau đĩ xuất ra Port B. 3.3.2. Chương trình điều khiển của Mơ đun Vào Analog Nhiệm vụ vi điều khiển Slaver là đọc tín hiệu Analog từ các chân Port A, sau đĩ lưu giá trị. Kiểm tra Master cĩ yêu cầu gửi dữ liệu khơng, nếu cĩ truyền dữ liệu đã lưu đến Master. 3.3.3. Chương trình điều khiển của Mơ đun Ra Analog 23 Nhiệm vụ của vi điều khiển Slaver kiểm tra xem Master cĩ gửi dữ liệu khơng.Nếu cĩ lưu giá trị Master truyền đến , sau đĩ xuất ra 2chân tạo xung. 3.3.4. Chương trình điều khiển của Mơ đun Master Nhiệm vụ của Master là đọc giá trị của các Slaver và Máy tính truyền về, sau đĩ xử lý và truyền đến Slaver và Máy tính. Master giao tiếp với các Slaver bằng chuẩn giao tiếp I2C, giao tiếp với máy tính theo chuẩn RS232. 3.4. GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH 3.4.1. Giới thiệu giao tiếp cổng nối tiếp 3.4.1.1. Cấu trúc cổng nối tiếp 3.4.1.2. Truyền thơng giữa hai nút 3.4.2. Giao tiếp nối tiếp USART 3.4.2.1. USART 3.4.2.2. USART bất đồng bộ 3.4.2.3. USART đồng bộ 3.5. KẾT LUẬN 3.5.1. Mơ đun vào/ ra số 3.5.1.1. Mơ đun vào số 3.5.1.2. Mơ đun ra số 3.5.2. Mơ đun vào/ ra Analog 3.5.2.1. Mơ đun vào Analog 3.5.2.2. Mơ đun ra Analog 3.5.3. Mơ đun Master và Giao diện điều khiển 3.5.3.1. Mơ đun Master 3.5.3.2. Giao diện điều khiển 3.5.3.3. Kết nối thiết bị ngoại vi 24 Hình 3.36: Mạng vi điều khiển PIC. 3.5.4. Mơ hình mơ phỏng 3.5.4.1. Nguyên lý hoạt động 3.5.4.2. Kết nối với các Mơ đun điều khiển 3.5.4.3. Lưu đồ thuật tốn 3.5.4.4. Kết quả đạt được đối với mơ hình mơ phỏng 25 KẾT LUẬN 1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI Sau khi thiết kế chế tạo, mơ hình mạng vi điều khiển Pic đạt được một số kết quả sau: + Mơ đun vào / ra số giao tiếp thành cơng với các thiết bị điều khiển ON/OFF . Trong mơ hình mơ phỏng đã giao tiếp với các cơng tắc và các đèn Led hiển thị. Vì vậy , khi áp dụng vào thực tế trong sản xuất Mơ đun này sẽ giao tiếp và điều khiển được các thiết bị như Van điện từ, cảm biến, cơng tắc hành trình… + Mơ đun vào Analog kết nối được với cảm biến nhiệt 4 - 20 mA cho độ sai số so với thực tế là 1-20C. Với Mơ đun này bảo vệ chống nhiễu chưa tốt nên cho sai số do nhiễu. Vì vậy, để áp dụng vào thực tế cần phải tăng khả năng chống nhiếu để giảm thiểu sai số so với thực tế. + Mơ đun ra Analog khi kết nối với mơ hình mơ phỏng điều khiển độ sáng của Led với khỗng điều chình là giá trị 10bit ( 0-10VDC). Khi áp dụng mơ đun vào thực tế cĩ thể dùng để giao tiếp biến tần điều khiển tốc độ động cơ + Giao tiếp với máy tính để giám sát và điều khiển thiết bị ngoại vi. Đối với mơ hình mơ phỏng mạng vi điều khiển, mơ hình đã thực hiện đúng chu trình và thơng qua máy tính cĩ thể điều chỉnh hoạt động của mơ hình. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng cịn chậm cần phải tăng khả năng đáp ứng so với thời gian thực. 26 2. PHẠM VI ỨNG DỤNG Với kết quả nghiên cứu được, đề tài mở ra hướng ứng dụng vào trong các xí nghiệp vừa và nhỏ. Khi áp dụng đề tài vào thực tiễn sản xuất sẽ gĩp phần giảm đáng kể chi phí đầu tư. Đề tài cĩ thể ứng dụng cho việc điều khiển và giám sát nhiệt độ trong sản xuất. Ngồi ra đề tài cĩ thể làm mơ hình dạy học vi điều khiển cho sinh viên, với mơ hình này sinh viên sẽ cĩ hình dung được kiến thức mình học được áp dụng trong thực tế. 3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để đề tài phát triển hồn thiện hơn, cần áp dụng các vi điều khiển đời mới hơn. Với các chip vi điều khiển mĩi như AMR thì nhiều chức năng được cải thiện lên, cĩ thể giao tiếp qua mạng Profibus đây là hướng đi mới. Ngồi ra để tăng khả năng xử lý tín hiệu tương tự cĩ thể sử dụng các loại chíp chuyên về xử lý tín hiệu tương tự, qua đĩ làm tăng độ chính xác và độ ổn định.