Skip to content
Bạn đang ở: Trang chủ Đào tạo Đào tạo thạc sĩ Giáo trình & bài giảng Tin học Vật lý - Bài 1 Hệ đo và Điều khiển
Tin học Vật lý - Bài 1 Hệ đo và Điều khiển In Email
Viết bởi Vu Anh Minh   
Thứ ba, 10 Tháng 3 2009 03:49

  Trong quá trình đo các thông số của các thí nghiệm vật lý, hoá học hay sinh học,... (các đại lượng trong tự nhiên), Người ta thường biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện nhờ các bộ cảm biến (sensor) để tận dụng được các tính năng ưu việt của các tín hiệu điện ( phát, truyền, thu nhận và xử lý một cách thuận tiện). Các tín hiệu từ bộ cảm biến ( đặc trưng cho thông tin) được truyền vào các bộ thu thập thông tin rồi được mã hoá và truyền qua kênh thông tin, sau đó được thu nhận lại, giải mã và xử lý để tái tạo lại các dạng tín hiệu gốc cung cấp các thông tin về diễn biến của hiện tượng cần đo. Quá trình biến đổi, mã hoá, truyền tin lại bị ảnh hưởng của các phần tử nhiễu (tạp âm) từ môi trường ảnh hưởng làm tín hiệu kém trung thực. Do đó quá trình xử lý tín hiệu cần thiết để khôi phục lại dạng gần nhất của tín hiệu gốc ban đầu.

MỞ ĐẦU : HỆ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

1/ TÍN HIỆU :

Trong quá trình đo các thông số của các thí nghiệm vật lý, hoá học hay sinh học,... (các đại lượng trong tự nhiên), Người ta thường biến đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện nhờ các bộ cảm biến (sensor) để tận dụng được các tính năng ưu việt của các tín hiệu điện ( phát, truyền, thu nhận và xử lý một cách thuận tiện). Các tín hiệu từ bộ cảm biến ( đặc trưng cho thông tin) được truyền vào các bộ thu thập thông tin rồi được mã hoá và truyền qua kênh thông tin, sau đó được thu nhận lại, giải mã và xử lý để tái tạo lại các dạng tín hiệu gốc cung cấp các thông tin về diễn biến của hiện tượng cần đo. Quá trình biến đổi, mã hoá, truyền tin lại bị ảnh hưởng của các phần tử nhiễu (tạp âm) từ môi trường ảnh hưởng làm tín hiệu kém trung thực. Do đó quá trình xử lý tín hiệu cần thiết để khôi phục lại dạng gần nhất của tín hiệu gốc ban đầu.

 

Trước đây các tín hiệu thường được xử lý bằng kỹ thuật tương tự (analog). Nhưng ngày nay việc phát triển của các máy tính cá nhân (PC) khiến cho việc áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số ngày càng được sử dụng rộng rãi.(DSP). Kỹ thuật xử lý số cho phép thực hiện những công việc xử lý phức tạp nhất mà vẫn đảm bảo được tính mềm dẻo cao nhất (điều mà kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự không thể làm được).

 

Tín hiệu : Là biểu hiện vật lý của thông tin (information). các thông tin xuất hiện từ một quá trình nào đó trong tự nhiên. Các thông số của tín hiệu có thể thay đổi theo thời gian và nhiều đại lượng khác.

 

Tín hiệu có thể là các đại lượng vật lý không điện ( áp suất, nhiệt độ, độ sáng, từ thông, độ pH) và cũng có thể là các đại lượng điện ( hiệu thế mV ở hai đầu cặp nhiệt điện,... ). Nhưng để thực hiện được các kỹ thuật xử lý số người ta phải biến đổi tín hiệu từ các đại lượng không điện thành các đại lượng điện trong khi tiến hành quá trình đo. vì thế ở đây ta coi rằng tín hiệu là tín hiệu điện.

 

Tín hiệu liên tục : Là tín hiệu mà sự thay đổi của nó theo thời gian và biên độ là liên tục
Tín hiệu rời rạc : Là tín hiệu mà biên độ của nó chỉ xác định trong những khoảng thời gian xác định.
 
Các tín hiệu tác dụng vào đầu vào và đầu ra của thiết bị đo tuỳ thuộc vào đặc tính của tín hiệu mà có thể chia thành bốn loại như sau :
 
- Tín hiệu tương tự (analog signal) : Là tín hiệu liên tục cả về biên độ lẫn thời gian.
- Tín hiệu được lượng tử hoá (Quantified Signal) : Là tín hiệu liên tục theo thời gian nhưng biên độ được lượng tử hoá.
- Tín hiệu rời rạc (Discrete Time Signal) : Là tín hiệu được lấy rời rạc theo thời gian nhưng biên độ vẫn giữ liên tục. Hàm tín hiệu chỉ có giá trị xác định ở những thời điểm xác định. Ta có thể thu nhận được tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự (sampling). Vì vậy tín hiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu được lấy mẫu (sampled signal).
- Tín hiệu số (Digital Signal) : Là tín hiệu lấy rời rạc theo thời gian và biên độ cũng được lượng tử hoá.


1.2/ CÁC HỆ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

Khi nối máy tính với một hệ thống đo, điều khiển hay với một thí nghiệm vật lý, hoá học cần biến đổi các tín hiệu lối ra của các bộ cảm biến cho phù hợp với lối vào máy tính. Các quá trình chuyển đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số yêu cầu các bộ chuyển đổi tương tự số (AD). Bước tiếp theo thường liên quan đến việc điều kiện hoá các tín hiệu sinh ra bởi cảm biến. Máy tính cũng có thể thực hiện chức năng điều khiển. Theo nghĩa của hai chức năng này ( đo và điều khiển), máy tính có thể tham gia (tương tác) với một tiến trình nào đó : Bằng việc lập trình chính xác, máy tính có thể điều khiển một tiến trình trên cơ sở thu nhận và xử lý các tín hiệu phản hồi từ tiến trình đó.
 
Ngày nay có thể sử dụng các thiết bị khác nhau cho mục đích này :
- Thiết bị ghép nối theo giao diện RS 232
- Các board thu thập số liệu cắm thêm
- Thiết bị giao diện IEEE-488
- Thiết bị VXI
Với các ứng dụng khác nhau các thiết bị ghép nối khác nhau được sử dụng, tất nhiên là cũng có sự khác biệt về đặc tính và giá thành giữa các thiết bị khác nhau.
Các thiết bị đơn giản như cặp nhiệt điện, đồng hồ đo tốc độ, thiết bị tự ghi dữ liệu có thể được thực hiện qua ghép nối RS-232. Chuẩn ghép nối nối tiếp này được sử dụng khi cần
nối thiết bị ngoại vi với máy tính qua một khoảng cách dài. Ghép nối nối tiếp truyền dữ liệu từng bít một qua một đường dây tín hiệu tới một máy tính khác. Do đầu cắm RS-232 hầu như là chuẩn cho tất cả các máy tính PC vì vậy không cần thêm các phần cứng bổ xung. Về nguồn gốc, RS-232 được thiết kế để nối các máy tính (hay thiết bị đầu cuối) với các MODEM ( nối với đường điện thoại).

Cuộc cách mạng các bộ chuyển đổi tương tự số và các thiết bị điều kiện hoá tín hiệu khiến cho các board thu thập dữ liệu cắm thêm trở nên phổ biến. Giả sử với yêu cầu đo với giải điện áp từ -5v đến +5V độ chính xác yêu cầu là không lớn hơn 1 : Board thu thập dữ liệu 2048 bít là một sự lựa chọn tự nhiên. Trên một board thường tích hợp nhiều chức năng : chuyển đổi AD, chuyển đổi DA, vào ra I/O, các hoạt động đếm, định thời gian. Các board thu thập dữ liệu cắm thêm cung cấp nhiều khả năng mềm dẻo hơn so với một thiết bị đơn độc.

Giao diện ghép nối IEEE- 488 còn được biết đến như GPIB (Bus ghép nối mục đích chung) thiết kế cho việc sử dụng với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu cao (cỡ 1MByte/giây). IEEE – 488 định nghĩa cả các liên kết phần cứng lẫn giao thức lệnh để kết nối thiết bị. Đa số các thiết bị như các giao động ký nhớ và các máy phát chức năng đều có giao diện IEEE-488 đi kèm.

BUS VXI ra đời năm 1987, là một mặt bằng phát triển cho các ứng dụng thời gian thực tốc độ cao. Một trong các phương án khả thi là các máy tính nhúng trong các khung VXI (frame). CPU, thiết bị đo và bộ nhớ cũng tích hợp luôn trong các khung VXI và ghép nối trực tiếp qua các BUS VXI 32 bít. Tốc độ truyền dữ liệu cực đại cỡ 20MByte / giây.

Để liên lạc giữa các máy tính và thiết bị ngoại vi người ta thực hiện các nghi thức móc nối (handshaking).

Nhằm mục đích hỗ trợ cho việc điều kiện hoá tín hiệu , các thiết bị đặc biệt (gọi là front-end) được sử dụng kết hợp với các board thu thập dữ liệu nhằm cách ly máy tính với thiết bị đo (về mặt điện để tránh hỏng hóc). Các thiết bị front-end này thường sẵn có nguồn cung cấp, bộ khuyếch đại ( hai bộ khuyếch đại với các lối vào vi sai ) và các bộ lọc thấp ( hai bộ). Nhiều đầu nối 2mm nối với card ghép nối.

 

Trong các kết nối song song hai chiều giữa thiết bị đo và máy tính. Các máy tính thông thường không có sẵn các cổng kết nối song song như vậy. Tuy nhiên người ta có thể sử dụng các bộ tiếp hợp riêng trên các khe cắm mở rộng,Ví dụ như các board ghép nối UIA/UIB thực hiện các kênh I/O hai chiều, chuyển đổi AD và một vài chức năng bổ xung khác. ( phòng thí nghiệm máy tính – Trung tâm ITIMS)

Card ghép nối UIA/UIB hỗ trợ nhiều khả năng đo, nó có bốn lối vào tín hiệu tương tự.

 

 

Lần cập nhật cuối ( Thứ hai, 22 Tháng 3 2010 17:57 )
 

Tiếng Việt (Việt Nam)   English (United States)


Thời khóa biểu
Lịch làm việc học viên ITIMS

Lịch công tác ĐHBKHN
Lịch công tác ĐHBKHN


Hội cựu học viên

Thăm dò ý kiến

Theo bạn, Việt Nam cần đầu tư vào lĩnh vực nào dưới đây để tăng tốc độ phát triển?