2 Cấu tạo Card điều khiển trên PC/104 sử dụng rãnh ISA

Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



3.2.1 Dùng PIT-8254



a, Sơ đồ nguyên lý



A 21



12

74LS32



7A2



7 74LS688



0



U 4C

7



74LS32



7W R



VC C



5

A1



10



9



A0



1

1

1

1

1

1

1

1



8

7

6

5

4

3

2

1

2



W R

D

D

D

D

D

D

D

D

R



B

B

B

B

B

B

B

B

D



0

1

2

3

4

5

6

7



7414



A2



20



V IAD C 0804

C LKR

C LK

VR EF



U 5C



14



0

H EAD ER 31x2



JP3

JU M PER



3

0

1

2

3

4

5

6

7

D



U 3

V I+



0



D 2

D 1N 4148



7



0

19



0

JP1



R 6

10k



6

R 3

250



R 4



2

3

1

4



0



H EAD ER 4



C 2



0



10k



4

9



150p

VC C



0



7



Q



D

D

D

D

D

D

D

D

7R



10m

C S



8

R 5

10k



C 3



U 6B



4



LM 358

+



0



ST



0



D 1

D 1N 4148



5



1 JP4

2

JU M PER

ST

1 JP5

2

JU M PER



7

0



7C S2

7C S2 1



ST



D 4

D 5



0



VC C



19



8



7C S2



1P=Q



U 7A

74LS08



C 1



AG N D



P



LM 358



3



12



13



74LS32



IN T R



VC C



14

7



G N D



9

8

7

6

5

4

3

2

1

0



6



5



A

A

A

A

A

A

A

A

A

A



5



0



10



0



G1

0 COMP



VC C



U 4D



11



AEN



EN 1

3

2

4

4

5

6

6

8

7

11

8

13

9

15

17

3

5

7

9

12

14

16

18



7A2

U 4B



4



U 6A



7C S1



74LS32



1



A

A

A

A

A

A

A

A



U 1



3



2



VC C



2



7

6

5

4

3

2

1

0



6



D

D

D

D

D

D

D

D



8



1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1



20



0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3



10



A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A



7414



+



0



1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

1



+



7W R

7R D



0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3



U 4A



9



14

13

17



1



1M H z

J1



U 5D

8



-



2

3

4

1

H EAD ER 4

JP2

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B



1k



1k



0

5

8

6



+



Y 1



1

1

1

1



2



7



0



7414



R 2



1



5p



24

11



C LK0

VC C

D 0

G 0

D 1

D 2

O U T0

D 3

C LK1

D 4

C LK2

D 5

G 2

D 6

D 7

8254

A0

G 1

A1

O U T1

R D

O U T2

W R

C S



2



7414



0R 1



VC C



U 2



9

D 0

8

D 1

7

D 2

6

D 3

5

D 4

4

D 5

3

D 6

2

D 7

1

A0

19

A1

20

7R D 22

7W R 23

7C S121



4



3



VC C



0



U 5B

3



-



C 4

2



0



1m



6



U 5A



1



G N D



14



VC C



D 3

R E F 2 5 Z (2 .5 V )



0



Hình 3.4 – Sơ đồ mạch nguyên lý của Card điều khiển dùng PIT-8254

Các linh kiện gồm:

• Các IC giải mã địa chỉ:

+ 74LS688: Là vi mạch so sánh bằng 8 bít họ TTL gồm có 8 đầu vào (P0…P7)

và 8 đầu đặt mức so sánh (Q0…Q7). Khi P = Q thì đầu ra 19 xuống mức thấp.

+ 7414: Là vi mạch gồm có 6 cổng NOT.

+ 74LS32: Là vi mạch gồm có 4 cổng OR hai đầu vào .

Các IC trên được nối với các đường địa chỉ từ A2 đến A9 của PC/104 thông qua

ránh chuẩn ISA có nhiệm vụ giải mã địa chỉ cho hai IC 8254 và ADC0804. Cụ thể, địa

chỉ cơ sở của 8254 là 300h, trong đó địa chỉ của Timer0 là 300h, Timer1 là 301h,

Timer2 là 302h, CWR là 303h; địa chỉ của ADC0804 là 304h.

•



Bộ đếm 8254: Dùng để tạo tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển

Thyristor. 8254 gồm có 3 timer hoạt động độc lập với nhau. Ở đây ta sử dụng

cả 3 timer: Timer0 dùng để tạo xung có tần số thích hợp cung cấp cho các đầu

vào Clock của hai timer còn lại; Timer1 và Timer2 dùng để tạo xung cần thiết

để cung cấp tín hiệu điều khiển cho mạch điều khiển Thyristor.



• Bộ biến đổi Analog/Digital 8 bít ADC0804: Dùng để biến đổi tín hiệu đầu vào

tương tự từ cặp nhiệt qua điện trở tử 0V…5V sang dạng số từ 0…255.

• IC khuếch đại thuật toán LM358: Gồm có hai bộ khuếch đại. Một bộ dùng để

phát hiện sườn lên của tín hiệu điện áp nguồn cấp cho lò điện trở. Bộ còn lại

dùng cho mạch ADC0804.

Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



27



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



Mạch tạo xung dùng tinh thể thạch anh và các chân NOT của 7414, có nhiệm vụ

cung cấp xung Clock cho 8254 hoạt động.



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



G

Vcc

P0

7P=Q

Q0

Q7

P1

P7

Q1

Q6

P2

P6

Q2

Q5

P3

P5

Q3

Q4

G N D 74LS688 P 4



20

19

18

17

16

15

14

13

12

11



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



CS

VCC

RD

C LKR

WR

DB0

C LK

DB1

IN T R

DB2

V I+

DB3

V IDB4

AGND

DB5

VREF

DB6

G N D ADC0804 D B 7



(a)



1

2

3

4



Hình



1

2

3

4

5

6

7



IN A 1

IN A 2

O U TA

IN B 1

IN B 2

O U TB

GND



74LS32



Vcc

IN D 1

IN D 2

O U TD

IN C 1

IN C 2

O U TC



(b)



20

O U T1

+Vcc 19

+

O U T2 6

- 5

-V c c LM358

+



1

2

3

4

5

6

7



20

19

18

17

16

15

14

13

12

11



IN 1

O U T1

IN 2

O U T2

IN 3

O U T3

G N D 7414



Vcc

IN 6

O U T6

IN 5

O U T5

IN 4

O U T4



14

13

12

11

10

9

8



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12



D

D

D

D

D

D

D

D

C

O

G

G



7

VC C

6

W R

5

R D

4

C S

3

A1

2

A0

1

C LK2

0

O U T2

LK0

G 2

U T0

C LK1

0

G 1

(f)

N D 8254 O U T1



20

19

18

17

16

15

14



(c)



2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

1



4

3

2

1

0

9

8

7

6

5

4

3



•

(d)



(e)

3.5 – Sơ đồ chân các linh kiện:

(a)- mạch so sánh 8 bít 74LS688; (b)- mạch biến đổi tương tự/số ADC0804



(c)- mạch OR hai đầu vào 74LS32 (4 bộ); (d)- khuếch đại thuật toán LM358 (2 bộ)

(e)- mạch NOT 7414 (6 bộ); (f)- bộ đếm PIT-8254



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



28



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



b, Nguyên lý hoạt động

Nhiệt độ của lò được nhận biết bởi một cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này biến đổi

nhiệt độ lò từ Tmin đến Tmax sang dòng điện từ 4mA đến 20mA. Tín hiệu này được đưa

vào máy tính thông qua bộ biến đổi tương tự/số ADC0804 cho ta giá trị số từ 0 dến

255. Từ đó ta xác dịnh được nhiệt độ tức thời của lò. Thuật toán điều khiển bằng phần

mềm trong máy tính sẽ so sánh với giá trị đặt và xuất ra tín hiệu điều khiển thích hợp.

Sau khi xử lí, máy tính sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển đến Thyristor thông qua bộ

đếm 8254. Như đã nói ở trên, IC 8254 có 3 timer hoạt động độc lập với nhau. Timer0

có nhiệm vụ điều chế xung có tần số thích hợp từ nguồn xung bên ngoài để cung cấp

cho hai timer còn lại. Timer1 có nhiệm vụ điều khiển một nửa chu kì mở van (điều

khiển một Thyristor), Timer2 điều khiển nửa còn lại.

Mỗi timer của PIT-8254 có 6 chế độ hoạt động:

•



Chế độ 0 (Mode 0: Interrup on Terminal Count): tạo tín hiệu ngắt theo

yêu cầu. Đầu ra Out sẽ phát ra một sườn xung lên khi kết thúc đếm (khi số đếm

bằng 0).



•



Chế độ 1 (Mode 1) (Programmable Monoflop): phát ra một xung đơn với

thời gian tồn tại biến đổi được. Lối ra Out sẽ chuyển xuống mức thấp khi khởi

phát đếm và duy trì cho đến khi kết thúc đếm thì sẽ nhảy lên mức cao.



•



Chế độ 2 (Mode 2: Rate Generator): phát ra các sóng tỉ lệ. Các xung nhịp

đưa vào bộ đếm được chia bởi giá trị nạp trong thanh ghi bộ đếm. Lối ra sẽ

xuống mức thấp trong một chu kì khi số đếm đạt đến 0, sau đó được nâng lên

mức cao trong một chu kì xung nhịp. Quá trình này cứ tiếp tục như vậymãi.



•



Chế độ 3(Mode 3: Square-Ware Generator): phát ra sóng hình vuông. Chế

độ này tương tự như chế độ 2 nhưng xung điện lối ra là sóng vuông khi giá trị

đếm là chẵn hoặc thêm một chu kì ở mức cao khi giá trị đếm là lẻ.



•



Chế độ 4 (Mode 4: Sortware-Triggered Pulse): tạo ra các xung bằng phần

mềm. Chế độ này giống như chế độ 2 nhưng xung cửa Gate không khởi phát

quá trình đếm mà quá trình đếm được khởi phát bằng lệnh nạp số đếm ban đầu.



•



Chế độ 5 (Mode 5: Hardware-Triggered Pulse): tạo các xung bằng cổng

Gate. Cũng giống như chế độ 2. Chỉ khác khi bộ đếm chưa kết thúc, nếu xung

của xuất hiện những sườn lên thì cứ mỗi lần như vậy bộ đếm lại đếm lại từ giá

trị ban đầu.

Thông tin chi tiết về PIT-8254 được trình bày rất rõ ở [3].



Căn cứ vào yêu cầu của đề tài, ta chọn chế độ 3 cho Timer0, chế độ 1 cho Timer1

và Timer2. Cụ thể như sau:

•



Timer0: Cổng Gate0 được nối với nguồn +5V để Timer0 luôn hoạt động,

chân Clock0 nối với mạch phát xung bên ngoài. Theo yêu cầu công nghệ mà ta

đưa ra số đếm thích hợp. Đầu ra Out0 được nối vào đầu Clock1 và Clock2 để

làm xung nhịp cho hai timer còn lại.



•



Timer1: Chân Clock1 lấy xung nhịp tử chân Out0, chân Gate1 nối với đầu

ra của mạch phát xung đồng bộ với tần số của nguồn xoay chiều bên ngoài. Sau

Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



29



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



khi tính toán thời gian mở van (góc mở) của Thyristor, máy tính sẽ xuất số đếm

ra Timer1, Out1 = 0. Đầu nửa chu kì đầu, Gate1 chuyển trạng thái từ 0 lên 1 và

giữ nguyên cho đến hết nửa chu kì. Khi đó Timer1 bắt đầu hoạt động. Khi số

đếm về 0 thì Out1 = 1 và giữ nguyên cho đến khi Gate1 xuất hiện sườn lên

(đến đầu chu kì sau).

Sơ đồ cụ thể như sau:

Gate1



0



T/2



T



t



2T



Out1

t



UT1



t



α



Hình 3.6 - Giản đồ xung điều khiển T1

•



Timer2: Chân lấy xung nhịp tử chân Out0, chân Gate2 nối với đầu đảo của

Gate1. Sau khi tính toán thời gian mở van (góc mở) của Thyristor, máy tính sẽ

xuất số đếm ra Timer2, Out2 = 0. Đầu nửa chu kì sau, Gate2 chuyển trạng thái

từ 0 lên 1 và giữ nguyên cho đến hết nửa chu kì. Khi đó Timer2 bắt đầu hoạt

động. Khi số đếm về 0 thì Out2 = 1 và giữ nguyên cho đến khi Gate2 xuất hiện

sườn lên (sau một chu kì).

Sơ đồ cụ thể như sau:

Gate2



T/2

Out2



T



2T



t



t



UT2



T/2



t



α



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



30



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



Hình 3.7 - Giản đồ xung điều khiển T2

Tuy nhiên, như trên đã thấy, trong nửa chi kì đầu Timer1 hoạt động, Timer2 luôn

có Out2 = 1 và ngược lại. Muốn tạo được xung ra theo ý muốn ta phải cho hai đầu

Out1 và Out2 qua một bộ AND. Đầu ra của bộ AND này mới là xung điều khiển cuối

cùng.



Out1



1



Out2



2



A N D



3



Out



Hình 3.8 - Đầu ra của mạch điều khiển

Cuối cùng ta được xung có dạng sau:

Gate1



Gate2

0



T/2



2T



T



t



Out1

t



Out2



Out

T1



T2



T1



T2



UR

α



t

T1



T2



T1



T2



Hình 3.9 - Giản đồ toàn bộ quá trình điều khiển dùng PIT8254



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



31



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



3.2.2 Dùng DAC0808



a, Sơ đồ nguyên lí

Nguyên lý hoạt động của mạch này không khác mạch dùng PIT8254 lắm. Đầu vào

phản hồi không đổi. Chỉ có đầu ra điều khiển ta thay PIT8254 bằng DAC0808. Đây là

một mạch biến đổi số/tương tự phổ biến.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10



O

Q

D

D

Q

Q

D

D

Q

G



E

0

0

1

1

2

2

3

3

N D



2

1

1

1

1

1

1

1

1

1



VC C

Q 7

D 7

D 6

Q 6

Q 5

D 5

D 4

Q 4

LE



0

9

8

7

6

5

4

3

2

1



1

2

3

4

5

6

7

8



74LS373



NC

COMP

IO U T

VRVVR+

IO U T

V+

D7

D0

D6

D1

D5

D2

D 4 D AC 0808 D 3



(a)



16

15

14

13

12

11

10

9



( b)



Hình 3.10 – Sơ đồ chân vi mạch 74LS373 (a) và DAC0808 (b)

Trên sơ đồ nguyên lí, ta chỉ việc thay PIT8254 bằng bộ đệm dữ liệu 74LS373 và

DAC0808 như sau:



AEN 11

7C S 1



LE

O E



0

1

2

3

4

5

6

7



2

5

6

9

1

1

1

1



2

5

6

9



Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q



R 2

1kR 1

74LS373



1k



0

1

2

3

4

5

6

7



12

11

10

9

8

7

6

5

14

15



D

D

D

D

D

D

D

D



0

1

2

3

4

5

6

7



IO U T



VR +

VR -



IO U T



4

2



2

3



- LM 358

+



1



O u t1



C O M P



16

C 1

0 .1 m F



D AC 0808

3



10



Q 0

Q 1

Q 2

Q 3

Q 4

Q 5

Q 6

Q 7

+VC C



8



13

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q



4



0

1

2

3

4

5

6

7



V+



D

D

D

D

D

D

D

D



V-



1

1

1

1



3

4

7

8

3

4

7

8



VC C



0

1

2

3

4

5

6

7



G N D



D

D

D

D

D

D

D

D



R 3

5k

VC C



VC C



20



VC C



-V C C



Hình 3.11 – Sơ đồ mạch nguyên lý của Card điều khiển dùng DAC0808



b, Nguyên lý hoạt động

Phần phản hồi không có gì khác mạch dùng PIT8254. Ở đây có sự khác biệt về

thuật toán điều khiển. Sau khi nhận giá trị phản hồi, phần mềm điều khiển sẽ so sánh

với giá trị đặt và tính toán thời gian mở van sau đó xuất tín hiệu điều khiển ra

DAC0808. Cái khác biệt chính ở đây là nếu như tín hiệu điều khiển ở mạch trên đưa ra



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



32



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



số đếm đến các timer của 8254 thì tín hiệu điều khiển ở đây tỉ lệ nghịch với góc (thời

gian) mở van. Sau khi qua DAC0808 là tín hiệu tương tự có giá trị điện áp từ 0…5V.

Tín hiệu này được đưa qua bộ so sánh với xung răng cưa có chu kì bằng ½ chu kì

của điện áp xuay chiều nguồn được tạo bởi mạch:

8



VC C

R 2

1k



2

3

R 2



- LM 358

+



1



O ut



4



O u t1



1k

O u t2



Hình 3.12 – Sơ đồ mạch so sánh tín hiệu điện áp điều khiển

Từ đây ta có đầu ra đến điều khiển Thyristor. Giản đồ xung như sau:



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



33



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



U∼

Sin-ware



Square-ware



/Square-ware

0



T/2

Out1



2T



T



t



Out2

t



Out

T1



T2



T1



T2



UR

α



t

T1



T2



T1



T2



Hình 3.13 - Giản đồ toàn bộ quá trình điều khiển dùng DAC0808



3.3 Đánh giá, lựa chọn phương án

Hai phương án trên đều có những ưu nhược điểm của nó. Phương án một đơn giản

phần cứng thì lại phức tạp phần mềm. Phương án hai thì ngược lại. Vì lí do phương án

hai đã được ứng dụng nhiều và rất thành công nên chúng em dùng phương án mới để

thử sức mình. Có thể sẽ gặp phải rất nhiểu khó khăn, đặc biệt là vấn đề điều khiển thời

gian thực trên nền Window. Song với sự hướng dẫn của thầy và Phòng thí nghiệm

trọng điểm Tự Động Hoá (nơi chúng em đang thực tập), cụ thể là Thạc sĩ Phạm Quang

Đăng, cùng với sự cố gắng không ngừng của bản thân, chúng em tin là sẽ thành công.

Dù vậy, kết quả có thế nào đi nữa thì qua đó, chúng em sẽ đánh giá được những ưu

nhược điểm chính của PC/104. Từ đó biết được những đối tượng nào, yêu cầu ra sao

thì ta có thể điều khiển được bằng PC/104. Đó mới chính là cái quan trọng.



Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



34



Báo cáo thực tập tốt nghiệp



2. Tìm hiểu về lò điện trở



4 Những việc đã làm được

Trong thời gian thực tập ở Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá, được sự

hướng dẫn tận tình của anh Phạm Quang Đăng và các thầy, các anh chị, chúng em đã

làm được một số việc sau:

• Tìm hiểu, lắp ráp thành công máy tính PC/104.

• Khảo sát một đối tượng điều khiển là lò điện trở.

• Tiến hành thiết kế mạch phần cứng của Card điều khiển lò điện trở.

• Nghiên cứu thư viện lập trình FMOL++.



Cụ thể như sau:

4.1 Tìm hiểu, lắp ráp máy tính PC/104

Chúng em đã làm xong hộp chứa Mainboard và các thiết bị khác.

Vì lí do Phòng thí nghiệm chưa có RAM, ổ cứng, ổ mềm, ổ CDROM nên chúng

em chưa thể cài đặt Hệ điều hành Window2000 (WinNT) và các phần mềm điều khiển

lên được.

Vậy công việc chỉ dừng lại ở việc lắp ráp mà thôi.



4.2 Khảo sát lò điện trở

Lò điện trở đặt tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Tự Động Hoá trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội, được sản xuất bởi Lab-Line Instruments. Inc. Các thông số cơ bản

của lò:

• Điện áp: ∼ 220 ÷ 240V, tần số 50/60Hz.

• Dòng điện: 5A.

• Công suất: 1200W.



4.3 Thiết kế phần cứng cho Card điều khiển lò điện trở

Toàn bộ phần cứng của Card điều khiển như trình bày ở phần 3.2.1 đã thiết kế

xong. Hiện nay chúng em đang chờ Phòng thí nghiệm làm mạch in xong thì sẽ tiến

hành lắp linh kiện và chạy thử.



4.4 Nghiên cứu thư viện lập trình FMOL++

Fmol++ là tên viết tắt của Fundamental Mathematical Object Library. Đây là một

thư viện phần mềm tính toán điều khiển viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ của tác giả

Hoàng Minh Sơn - Bộ môn Điều khiển tự động - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Trong thư viện có chứa các công cụ toán học mạnh để ta có thể tính toán xử lí các bài

toán điều khiển phức tạp. Đề phục vụ cho các bài toán điều khiển, Fmol++ còn cung

cấp cho ta một timer với mức độ ưu tiên cao nhất.

Đặc biệt, thư viện thích hợp cho những ai vốn đã làm việc quen thuộc trên các

phần mềm tính toán như Matlab. Mặc dầu vậy vẫn có những điểm khác biệt như:

Nguyễn Văn Hiến & Nguyễn Mậu Phương – Điều khiển tự động 1 – K44



35