nghiên cứu phát triển module cpu cho thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh datacom
Post on 29-Jul-2015
64 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Nghiên cứu phát triển module CPU
cho thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh DATACOM
Researching and developing module CPU for a multi-chanel
data collection device DATACOM
Nguyễn Đăng Chung, Thái Quang Vinh, Phạm Ngọc Minh, Chu Ngọc Liêm,
Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Thành Long, Châu Văn Tú
Phòng Công nghệ tự động hóa - Viện Công nghệ thông tin
18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội
Tel : 0437563558 e-Mail: chungnd.auto@gmail.com
Tóm tắt Ngày nay, vấn đề quan trắc môi trường không khí
đang đặt ra cấp bách nhằm cung cấp đánh giá về chất
lượng môi trường không khí của từng vùng trọng
điểm như khu dân cư, khu công nghiệp. Do đó, cần
thiết phải xây dựng mạng lưới quan trắc môi trường
khí các điểm đo cố định trên phạm vi rộng, ứng dụng
công nghệ nhúng, công nghệ định vị GPS, công nghệ
bản đồ số và truyền dữ liệu trực tuyến qua mạng điện
thoại di động theo chuẩn GSM/GPRS với độ tin cậy,
ổn định, cập nhật thông tin tức thời. Do đó, chúng tôi
đề xuất giải pháp ứng dụng thu thập dữ liệu môi
trường không khí CO, CO2, CH4, NOx, SO2, tín hiệu
báo cháy, báo khói, định vị bằng GPS và truyền thông
không dây qua mạng điện thoại di động GSM/GPRS
về trung tâm giám sát. Bài báo này trình bày việc
nghiên cứu thiết kế module CPU cho thiết bị thu thập
dữ liệu đa kênh DATACOM phục vụ cho giải pháp
ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường khí.
Abstract Nowadays, the problem of air environment monitorin
is urgently needed solving to provide the quality
assessment of the air enviroment of key regions such
as residential districts and industrial zones. Hence, it
is necessary to develope an environmental monitoring
network ultilizing the embedded technology, the
GPS positioning technology, and the digital
map technology for fixed points on a large area.
Moreover, the mobile network based on
the GSM / GPRS standard is ultilized for online
data communications because of its high reliability,
stability, and instantly updating information.
Therefore, we proposed a multi-channel data
acquisition device DATACOM that is used for
collecting and mornitoring the parameters of the air
environment such as CO, CO2, CH4, NOx, SO2, fire
and smoke signals. This device ultilizes the GPS
positioning and the wireless communication based on
the GSM / GPRS mobile network for sending data to
the monitoring center. In this paper, the research and
design the CPU module for the multi-channel data
acquisition device DATACOM is presented.
Chữ viết tắt
GSM Global System for Mobile Communications
GPRS General Packet Radio Service
GPS Global Positioning System
CPU Central Processing Unit
DI/O Digital Input/Output
AI Analog Input
ADC Analog Digital Converter
DAC Digital Analog Converter
CRC Cyclic Redundancy Code
UART Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter
SPI Serial Peripheral Interface
1. Mở đầu
Môi trường là tất cả những gì có xung quanh ta, cho
ta cơ sở để sống và phát triển. Quan trắc môi trường
không khí là việc theo dõi thường xuyên chất lượng
không khí với các trọng tâm, trọng điểm hợp lý nhằm
phục vụ các hoạt động bảo vệ môi trường không khí
và phát triển bền vững. Các mục tiêu cụ thể của quan
trắc môi trường không khí gồm:
Cung cấp các đánh giá về diễn biến chất lượng môi trường không khí phục vụ việc xây dựng báo cáo hiện trạng.
Cung cấp các đánh giá về diễn biến chất lượng môi trường không khí của từng vùng trọng điểm được quan trắc để phục vụ các yêu cầu tức thời của các cấp quản lý về bảo vệ môi trường.
Cảnh báo kịp thời các diễn biến bất thường hay các nguy cơ ô nhiễm, suy thoái môi trường không khí.
Xây dựng cơ sở dữ liệu về chất lượng môi trường không khí phục vụ việc lưu trữ, cung cấp và trao đổi thông tin trong phạm yêu cầu.
Do đó, chúng tôi đề xuất giải pháp ứng dụng thu thập
dữ liệu môi trường không khí CO, CO2, CH4, NOx,
SO2, tín hiệu báo cháy, báo khói, định vị bằng GPS
và truyền thông không dây qua mạng điện thoại di
động GSM/GPRS về trung tâm giám sát. Trong đó,
chúng tôi đang thực hiện việc thiết kế thiết bị thu thập
110
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
dữ liệu đa kênh DATACOM phục vụ cho giải pháp
ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường khí.
Mod
ule
CPU
Mod
ule
AI
Mod
ule
GPS
Display
Mod
ule
Pow
er
Mod
ule
GSM
Mod
ule
GPRS
Mod
ule
DI/O
H. 1 Cấu trúc hệ thống DATACOM
Thiết bị này có khả năng thu thập số liệu từ các
sensors, điều khiển các cơ cấu chấp hành tự động theo
ý tưởng công nghệ một cách linh hoạt với chuẩn
truyền thông công nghiệp. Khả năng định vị GPS bản
thân cũng như truyền nhận thông tin qua GSM làm
cho DATACOM có tính năng động cao.
Thiết bị DATACOM có khả năng ứng dụng cho giải
pháp điều khiển phân tán trong công nghiệp. Không
chỉ có khả năng phân tán I/O xuống cấp trường tạo
thành một kiến trúc đóng với sensor và cơ cấu chấp
hành, việc điều khiển có thể được phân tán với một
vài module ngoài và remote tới các I/O khác. với khả
năng mở rộng I/O và khả năng truyền thông làm cho
DATACOM trở thành một bộ điều khiển mạnh mẽ
cho các ứng dụng đơn lẻ từ nhỏ đến trung bình.
Chấp hành & cảm biếnĐo lường, truyền động chấp
hành, đóng/cắt
Điều khiểnĐiều khiển, điều chỉnh,
bảo vệ, an toàn, ghi
chép, cảnh giới
Điều khiển giám sátGiám sát, vận hành, chẩn đoán, điều khiển cao
cấp, phối hợp quản lý dữ liệu, lập báo cáo
GPS Satelite
H. 2 Phân cấp chức năng thiết bị
Với giải pháp thiết kế module hóa, nhà tích hợp hệ
thống có thể phân tán I/O xuống cấp trường, kết nối
nhiều bộ điều khiển DATACOM trong hệ thống mạng
điều khiển phân tán.
Do có một cơ cấu điều khiển Logic, bộ điều khiển
DATACOM cung cấp khả năng thiết lập kiến trúc
logic, cách thức tác vụ, và dữ liệu. Hoạt động thông minh, ứng dụng rộng của
DATACOM được xây dựng trên cơ sở module CPU
ES-CPU315. ES-CPU315 là sản phẩm trên nền tảng
dòng chip PSoC với những tính năng về hệ thống cho
phép truy xuất đồng thời tất cả ngoại vi trên board mà
không cần phải thiết lập bất cứ jumper hay thay đổi
phần cứng nào. Mọi thứ đều truy xuất thông qua
firmware, tạo cho kỹ sư lập trình làm việc một cách
dễ dàng.
2. Phần cứng module CPU
H. 3 Kiến trúc hệ thống của PSoC
Lõi xử lý là chip PSoC (Programable System on
Chip) sản phẩm của hãng Cypress, cho phép thay đổi
cấu hình phần cứng đơn giản bằng cách gán chức
năng cho các khối tài nguyên có sẵn trên chip. Kết nối
mềm dẻo các khối chức năng với nhau hoặc giữa các
khối chức năng với các cổng vào ra.
H. 4 Tài nguyên chip PsoC
Với các vi điều khiển 8-bít tiêu chuẩn khi phát triển,
bổ sung thêm các ứng dụng, chúng ta thường cần
thêm các khối ngoại vi như bộ khuếch đại thuật toán,
các bộ lọc, các bộ định thời, mạch logic số, các khối
chuyển đổi AD-DA v.v… Việc thiết lập thêm các
khối ngoại vi là một việc khó khăn, các thành phần
mới sẽ chiếm thêm diện tích, yêu cầu phải được xem
xét cẩn thận trong quá trình thiết kế bản mạch in
(PCB), tăng công suất tiêu thụ v.v… Tất cả các yếu tố
này ảnh hưởng đáng kể đến giá thành và thời gian
phát triển một dự án.
Các chip PSoC có các khối tương tự và số lập trình có
khả năng lập trình được, cho phép việc thiết kế một số
lượng lớn các ngoại vi. Các khối số chứa một số các
khối số nhỏ hơn có khả năng lập trình được có thể
được cấu hình cho các ứng dụng khác nhau. Các khối
tương tự được sử dụng cho việc phát triển các thành
phần tương tự như các bộ so sánh, bộ lọc tương tự,
các chuyển đổi AD-DA.
Sự khác nhau giữa các họ PSoC là số lượng các khối
A/D và số lượng các chân vào ra. Phụ thuộc vào các
họ vi điều khiển, PSoC có thể có từ 4 đến 16 khối số
và từ 3 đến 12 khối tương tự. Bộ công cụ lập trình
đơn giản cùng với các hàm API phong phú làm cho
111
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
người lập trình thuận tiện khi viết chương trình cũng
như kiểm tra bắt lỗi.
ES-CPU315 trang bị khối KeyPad và textLCD tạo sự
linh hoạt trong cấu hình DATACOM hiển thị trực
quan của thiết bị. KeyPad trang bị 6 phím ấn đáp ứng
đầy đủ nhu cầu người dùng, khối KeyPad được xử lý
chống hiện tượng rung phím khi ấn. phím ấn nhạy và
xử lý tốt trong trường hợp bấm nhiều phím cùng lúc.
Chế tạo module rời kết nối với chip PSoC thông qua
cáp.
H. 5 Module phím ấn và màn hình
Bộ tạo thời gian thực (Real-time clock) sử dụng IC
chuyên dụng DS1307 của hãng Dallas Semiconductor
kết nối với chip PSoC giao tiếp theo chuẩn I2C.
DS1307 sử dụng 8 thanh ghi cho chức năng “đồng
hồ” còn lại 56 thanh ghi bỏ trống có thể được dùng
chứa biến tạm như RAM nếu muốn ES-CPU315 thiết
kế cho phép đọc DS1307 hiển thị thời gian lên
textLCD cũng như ghi “cài đặt” thời gian khởi động
“đồng hồ”.
DS1307
Real Time Clock
32.7768KHz
Crystal
Lithium
battery
Key 1
Key 5
Key 4
Key 3
Key 2
Key 6
PSoc
I2C
H. 6 Real Time Clock
Ghép nối thiết bị, trao đổi thông tin là một trong
những vấn đề cơ bản trong bất cứ một giải pháp tự
động hóa nào. Một bộ điều khiển cần được ghép nối
với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Giữa các bộ
điều khiển trong một hệ điều khiển phân tán cũng cần
trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều
khiển cả quá trình sản xuất. Ở một cấp cao hơn các
trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần
được ghép nối và giao tiếp với các bộ điều khiển để
có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và
hệ thống điều khiển.
Chế độ truyền tải không đồng bộ, bên gửi và bên nhận
không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi
được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký tự.
Các ký tự được chuyển đi vào những thời điểm không
đồng đều, vì vậy cần bổ sung hai bit để đánh dấu khởi
đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. Việc đồng bộ hóa được
thực hiện với từng ký tự. Cụ thể với mạch UART
thông dụng dùng bức điện 11 bit, bao gồm 8 bit ký tự,
2 bit khởi đầu cũng như kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi
chẵn lẻ.
H. 7 Nối dây truyền thống (a) và nối dây mạng công
nghiệp (b)
Truyền thông RS485 theo chuẩn modbus kết nối ES-
CPU315 với toàn bộ các modules khác trong
DATACOM bán song công (half-duplex)
Bộ thu phát Bộ thu phát
10101010
H. 8 Truyền thông Half – Duplex
phục vụ việc theo dõi thông số các đầu vào, ra của
toàn bộ thiết bị.
Truyền thông RS485 iso tín hiệu đầu ra được chuẩn
hóa dạng TTL có cách ly quang. Cổng truyền này
được cấp nguồn 5volt riêng và cách ly hoàn toàn với
nguồn của thiết bị, đảm bảo quá áp trên đường truyền
thông không làm ảnh hưởng đến các chức năng khác
của thiết bị. Tốc độ bauds cho phép lên đến 11500
đáp ứng nhu cầu truyền thông tốc độ cao.
Giắc cắm
RS-485
Cách ly
UART
Chip PSoC
Giao diện với vi
mạch thiết bị
Nguồn
SD
Memory
24Vdc
5Vdc
BUS
Vi mạch thiết bị
H. 9 Truyền thông RS485 iso
Bộ nhớ mở rộng, thẻ nhớ SD (Secure Digital Card)
giao tiếp với chip PSoC theo chuẩn truyền SPI. Thẻ
nhớ SD dùng nguồn nuôi 3,3volt sẵn có từ module
Power Supply cấp sang thông qua đường truyền Back
Place, kết nối giữa mạch điều khiển (5volt) và SD
thực hiện gián tiếp thông qua cầu chia áp điện trở.
Thẻ SD lưu trữ dữ liệu khi mất tín hiệu kết nối GPS
sẵn sàng cập nhật lại dữ liệu khi GPS hoạt động trở
lại.
112
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
3. Phần mềm module CPU 3.1 Khối chức năng
Các khối chức năng định nghĩa chức năng và đặc tính
của module ES-CPU315 với các tham số đầu vào và
đầu ra của các khối chức năng được liên kết với nhau
qua đường bus, tạo ra cấu trúc của chương trình ứng
dụng. Việc thực hiện mỗi khối chức năng được lập
lịch một cách chính xác. Chương trình ứng dụng bao
gồm nhiều khối chức năng bao gồm:
Chương trình xử lý vòng quét chính của CPU.
Giao diện với module vào tương tự AI.
Giao diện với module vào/ra số DI/DO.
Giao diện với module thu GPS.
Giao diện với module truyền thông không dây
GSM/GPRS.
Giao diện với module cảm biến.
Khối mở rộng hiển thị (View Objects) màn hình
textLCD có tập tham số được định nghĩa trước để sử
dụng tạo giao diện người dùng.
3.2 Trao đổi dữ liệu tuần hoàn
Trao đổi dữ liệu giữa trạm chủ (CPU) và các trạm tớ
(AI, DI/0,…) gán cho nó được thực hiện tự động theo
một trình tự đã qui định sẵn. Khi đặt cấu hình hệ
thống bus, người sử dụng định nghĩa các trạm tớ cho
thiết bị, qui định các trạm tớ tham gia và các trạm tớ
không tham gia trao đổi dữ liệu tuần hoàn.
Trước khi thực hiện trao đổi dữ liệu tuần hoàn, trạm
chủ chuyền thông tin cấu hình và các tham số đã được
đặt xuống các trạm tớ. Mỗi trạm tớ sẽ kiểm tra các
thông tin về kiểu thiết bị, khuôn dạng và chiều dài dữ
liệu, số lượng các đầu vào/ra. Chỉ khi thông tin cấu
hình đúng với cấu hình thực của thiết bị và các tham
số hợp lệ thì nó mới bắt đầu thực hiện trao đổi dữ liệu
tuần hoàn với trạm chủ.
Trong mỗi chu kỳ, trạm chủ đọc các thông tin đầu vào
lần lượt từ các trạm tớ lên bộ nhớ đệm cũng như đưa
các thông tin đầu ra từ bộ nhớ đệm xuống lần lượt các
trạm tớ theo một trình tự qui định sẵn trong danh sách
(polling list). Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn
chủ/tớ được minh họa như hình bên dưới.
Dữ liệu đầu ra
Dữ liệu đầu ra
Dữ liệu đầu vào
Dữ liệu đầu ra
Slave 1
Slave 2
Slave n
Dữ liệu đầu vào
Dữ liệu đầu vào
Dan
h s
ách
hỏ
i tu
ần t
ự
Yêu cầu
Đáp ứngDữ liệu đầu ra
Dữ liệu đầu vàoSlave 1
Yêu cầu
Đáp ứngDữ liệu đầu ra
Dữ liệu đầu vàoSlave n
Master
H. 10 Nguyên tắc trao đổi dữ liệu tuần hoàn Master/Slave
Với mỗi trạm tớ, trạm chủ gửi một khung yêu cầu và
chờ đợi một khung đáp ứng (bức điện trả lời hoặc xác
nhận). Thời gian trạm chủ cần để xử lý một lượt danh
sách hỏi tuần tự chính là chu kỳ bus. Đương nhiên,
chu kỳ bus cần phải nhỏ hơn chu kỳ vòng quét của
chương trình điều khiển.
Mô hình DATACOM hỗ trợ cấu trúc kiểu module của
các thành viên. Mỗi module được xếp một số thứ tự
khe cắm bắt đầu từ 1, riêng module có số thứ tự khe
cắm 0 phục vụ việc truy nhập toàn bộ dữ liệu của thiết
bị. Toàn bộ dữ liệu vào/ra của các module được
chuyển chung trong một khối dữ liệu sử dụng của
trạm tớ. Bên trạm tớ sử dụng cảnh giới (watchdog) để
giám sát việc giao tiếp với trạm chủ và sẽ đặt đầu ra
về một giá trị an toàn, nếu nội trong một khoảng thời
gian qui định không có dữ liệu từ trạm chủ đưa
xuống.
3.3 Vòng quét của chương trình
ES-CPU315 thực hiện các công việc (bao gồm cả
chương trình điều khiển) theo chu trình lặp. Mỗi vòng
lặp được gọi là một vòng quét (scancycle). Mỗi vòng
quét được bắt đầu bằng việc chuyển dữ liệu từ các
cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn
thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét,
chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh
kết thúc.
Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn
chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra
số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn xử lý các
yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái
của ES-CPU315.
Thời gian cần thiết để cho ES-CPU315 thực hiện
được một vòng quét được gọi là thời gian vòng quét
(Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức
là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện
trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét
được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện
nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được
thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông. Trong
vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối
tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều
khiển đến đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng
bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian
vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương
trình điều khiển trong ES-CPU315. Thời gian vòng
quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình
càng cao.
Programming
Device
User
Program
Data
Storage
Input/Output
System
Input
Table
Output
Table
Output
Devieces
Input
Devices
H. 11 Vòng quét chương trình của CPU
113
Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011
VCCA-2011
Linh hoạt xử lý ngắt, chương trình của các khối ngắt
sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín
hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các chương trình này
có thể thực hiện tại mọi vòng quét chứ không phải bị
gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương
trình. Chẳng hạn một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi
ES-CPU315 đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm
tra nội bộ, ES-CPU315 sẽ tạm dừng công việc truyền
thông, kiểm tra, để thực hiện ngắt như vậy, thời gian
vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt
xuất hiện trong vòng quét. Do đó để nâng cao tính
thời gian thực cho chương trình điều khiển, nên viết
chương trình xử lý ngắt ngắn và đủ. Tại thời điểm
thực hiện lệnh vào/ra, lệnh không làm việc trực tiếp
với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của
cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa
bộ đêm ảo với ngoại vi do chương trình chính ES-
CPU315 quản lý.
4. Kết luận Đặc trưng của ES-CPU315 là khả năng có thể lập
trình được, thiết kế cho phép ES-CPU315 hoạt động
trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền
vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp,
thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng
nâng cấp các thiết bị ngoại vi mở rộng số lượng đầu
vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nhu cầu.
Hệ điều khiển dùng ES-CPU315 có những ưu điểm
như sau:
Giảm số lượng lớn dây nối.
Công suất tiêu thụ của ES-CPU315 rất thấp .
Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho
công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng.
Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng
thiết bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không
cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu
thêm bớt các thiết bị vào, ra.
Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển
rất nhanh dẫn đến tăng cao tốc độ giám sát, điều
khiển.
Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
Dung lượng bộ nhớ đủ lớn để có thể chứa được
những chương trình phức tạp.
Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác
như: máy tính, nối mạng, các Module mở rộng.
Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
Giá thành cạnh tranh.
Sự ra đời của ES-CPU315 sẽ làm phong phú thêm họ
các thiết bị điều khiển hệ thống cũng như tạo thêm sự
lựa chọn cho các nhà thiết kế, tích hợp hệ thống khi
nghĩ đến thiết kế phần giám sát điều khiển cho một hệ
thống hoạt động tự động.
Tài liệu tham khảo
[1] Andrew S.Tanenbaum: Computer Networks. 3th
Edition, Prentice-Hall. 1998.
[2] Siemens: SIMATIC NET – Industrial Communication
Networks. Siemens AG. 1998
[3] Modicon Modbus Protocol Reference guide PI-MBUS-
300. Rev. J. Modicon. Inc. (Schenider Automation).
1996.
[4] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[5] http://embedded.com.vn
[6] http://www.cypress.com
114
top related