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