Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi GHÉP NỐI VÀ ðIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGOẠI VI Người soạn: TS Nguyễn Văn Minh Trí ThS Lâm Tăng ðức Các sinh viên lớp 03SK Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, máy vi tính (MVT) cải tiến, nâng cấp thị trường hố để đạt tốc độ xử lý cực nhanh, giá thành rẻ Trong thập niên qua, MVT ñã ñược áp dụng khắp nơi, thay cho hệ thống cũ nhiều nhược ñiểm ðặc biệt, hệ thống điện, điện cơng nghiệp, MVT ứng dụng ngày nhiều, mang lại nhiều tính ưu việt cho hệ thống Do u cầu phát triển lý thuyết hệ thống có sử dụng MVT mở nhiều lĩnh vực học Một ví dụ cụ thể việc ứng dụng MVT công nghiệp hệ thống ño lường ñiều khiển sử dụng MVT Trong hệ thống này, MVT nhận liệu ño ñạt trạng thái vật lý hệ thống, vi dụ nhiệt ñộ, áp suất, ñiện áp …, tính tốn để đưa định, tín hiệu điều khiển trở lại hệ thống, nhằm đạt ñược yêu cầu ñiều khiển ñề hệ thống Muốn thiết kế, vận hành bảo quản tốt hệ đo-điều khiển cơng nghiệp, người kỹ sư cần nắm vững kỹ thuật máy tính, cách viết chương trình, kỹ thuật ghép nối thiết bị ngoại vi, việc xử lý số liệu, lý thuyết điều khiển số… Mơn học ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi (TBNV) nhằm cung cấp kiến thức việc tìm hiểu, thiết kế mạch ghép nối ngoại vi với MVT Các mạch thiết kế phục vụ cho việc ño lường, ñiều khiển, giao tiếp MVT với MVT, MVT với hệ vi ñiều khiển Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống 1.1.2 Nhiệm vụ ghép nối 1.1.3 Thủ tục trao ñổi liệu máy vi tính 1.2 Giới thiệu số vi mạch dùng ghép nối 1.2.1 Các mạch logic 1.2.2 Các mạch lật 1.2.3 Các mạch ghi ñệm 1.2.4 Các mạch giải mã ñịa 1.2.5 Các mạch truyền liệu CHƯƠNG 2: GHÉP NỐI VÀO RA SONG SONG ðIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH 2.1 Các lệnh vào liệu 2.1.1 Các lệnh vào hợp ngữ 2.1.2 Các lệnh vào Turbo C 2.1.3 Các lệnh vào Turbo Pascal 2.2 Ghép nối song song đơn giản: có hay khơng có ñối thoại 2.2.1 Cửa vào ñơn giản không ñối thoại 2.2.2 Cửa đơn giản khơng đối thoại 2.2.3 Cửa vào đơn giản có đối thoại 2.2.4 Cửa đơn giản có đối thoại 2.3 Ghép nối song song điều khiển chương trình 2.3.1 Sơ đồ khối chức khối 8255A 2.3.2 Các chế ñộ làm việc 8255A 2.3.3 Ghép nối với 8255A 2.3.4 Lập trình cho 8255A CHƯƠNG 3: GHÉP NỐI TRAO ðỔI DỮ LIỆU NỐI TIẾP 3.1 Giới thiệu chung trao ñổi liệu nối tiếp 3.1.1 Yêu cầu trao ñổi liệu nối tiếp 3.1.2 Mạch trao ñổi liệu nối tiếp Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi 3.1.3 Thủ tục trao ñổi liệu nối tiếp 3.2 Mạch thu phát dị vạn UART 8250 3.2.1 Sơ ñồ khối chức khối UART 8250 3.2.2 Ghép nối với UART 8250 3.2.3 Lập trình cho UART 8250 CHƯƠNG 4: GHÉP NỐI ðIỀU KHIỂN NGẮT 4.1 Khái niệm phân loại ngắt 4.1.1 Khái niệm 4.1.2 Phân loại ngắt 4.2 Xử lý ngắt nhiều thiết bị ngoại vi 4.2.1 Cho phép cấm ngắt 4.2.2 Sắp xếp ưu tiên ngắt 4.2.3 Xác ñịnh nguồn gây ngắt 4.2.4 Tạo vector ngắt 4.3 Vi mạch ñiều khiển ngắt 8259A 4.3.1 Sơ ñồ khối chức khối 8259A 4.3.2 Cấu trúc hoạt ñộng vi mạch 8259A 4.3.3 Ghép nối với 8259A 4.3.4 Lập trình cho 8259A CHƯƠNG 5: GHÉP NỐI VÀO RA ðIỀU KHIỂN BẰNG DMA 5.1 Khái niệm DMA 5.1.1 Khái niệm DMA 5.1.2 Hoạt ñộng DMAC (DMA Controller) 5.1.3 Các chế ñộ trao ñổi liệu DMA 5.2 Bộ ñiều khiển DMA – 8237A 5.2.1 Sơ ñồ khối chức khối DMAC 8237A 5.2.2 Ghép nối với 8237A hệ vi xử lý 8088 5.2.3 Lập trình cho 8237A CHƯƠNG 6: GHÉP NỐI TƯƠNG TỰ-SỐ VÀ SỐ-TƯƠNG TỰ 6.1 Giới thiệu số mạch khuếch đại thuật tốn 6.1.1 Các tham số mạch khuếch đại thuật tốn 6.1.2 Các sơ ñồ khuếch ñại thuật toán 6.2 Bộ chuyển ñổi số-tương tự DAC 6.2.1 Hoạt ñộng DAC 6.2.2 Các tham số chuyển ñổi DA 6.2.3 Các mạch DAC ñiển hình 6.2.4 Ghép nối với DAC 6.2.5 Lập trình xuất liệu DAC 6.3 Bộ biến ñổi tương tự-số ADC Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi 6.3.1 Nguyên tắc làm việc ADC 6.3.2 Các tham số chuyển ñổi AD 6.3.3 Các phương pháp chuyển ñổi AD 6.3.4 Ghép nối với ADC 6.3.5 Lập trình nhận liệu từ ADC CHƯƠNG 7: ỨNG DỤNG MÁY VI TÍNH TRONG ðO LƯỜNG VÀ ðIỀU KHIỂN 7.1 Giới thiệu cấu trúc máy tính 7.2 Thiết kế mạch ghép nối hệ thống tự động hóa với cổng máy vi tính Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi CHƯƠNG 1: 1.1 CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Máy vi tính hay hệ vi xử lý có cấu trúc chung Phơn Nơi-Man đề xuất gồm khối xử lý trung tâm (CPU), nhớ (M) cửa vào/ra (I/O), hình 1.1 Ngồi ra, MVT cịn cần phải trao đổi liệu mơi trường bên ngồi, ví dụ giao tiếp với người sử dụng qua bàn phím-màn hình, trao đổi liệu với thiết bị ngồi thơng dụng, thiết bị ngồi hệ đo-điều khiển, MVT khác mạng Do ghép nối thiết bị ngoại vi (BGN TBNV) ñược xây dựng, gồm: • BGN thiết bị vào chuẩn bàn phím, chuột… • BGN thiết bị chuẩn hình, máy in… • BGN nhớ ngồi chuẩn ổ cứng, ổ CD-ROM… • BGN với MVT khác mạng nhiều MVT • BGN với hệ vi điều khiển, hệ vi xử lý • BGN hệ ño lường - ñiều khiển: RAM ROM V X L ðường dây liệu ñịa MVT BGN Bàn phím Màn hình BGN Máy in BGN nhớ ngồi BGN Song song /nối tiếp Ổ cứng BGN CD-ROM Song song /nối tiếp BGN Vào/ra BGN Vào/ra Cảm biến ño lường Cơ cấu chấp hành ðường dây ñiều khiển Thiết bị CN MVT /Vi ðK Hình 1.1: Cấu trúc hệ GN trao ñổi liệu tin MVT TBNV Trong đó: VXL viết tắt vi xử lý RAM random-access memory ROM read-only memory BGN ghép nối CD-ROM compact disk read-only memory CN cơng nghiệp ðK điều khiển Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi ðặt biệt hệ ño lường - ñiều khiển, MVT nhận liệu trạng thái vật lý hệ thống (nhiệt ñộ, áp suất, điện áp, dịng điện…) dạng tín hiệu điện, từ đầu dị cảm biến (sensor), chuyển ñổi (tranducer), phát (detector) Và MVT nhận thông tin trạng thái sẵn sàng hay bận thiết bị đo MVT sau đưa tín hiệu chấp nhận trao ñổi liệu với TBNV, thu thập xử lý liệu, tính tốn tín hiệu điều khiển ñưa cấu chấp hành (các van ñóng mở, rơle mạch ñiện, mạch ñộng lực ñiều tốc ñộng ñiện…), hay ñưa thơng số kỹ thuật cho thiết bị Ngồi ra, MVT cịn cần lưu trữ liệu ổ cứng, đĩa compact (CD-ROM) ñể tra cứu lúc cần, hiển thị kết ño dạng bảng số liệu, dạng ñồ thị hay hình vẽ đồ hoạ hình 1.1.2 Nhiệm vụ ghép nối TBNV ñược ghép nối với MVT thơng qua phần thích ứng cơng nghệ thích ứng logic hình 1.2 GN cơng nghệ làm nhiệm vụ điều chỉnh mức tín hiệu cơng nghệ sản xuất TBNV công nghệ sản xuất mạch cấu trúc nên BUS MVT GN logic làm nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển TBNV từ tín hiệu BUS hệ thống Nhiệm vụ BGN phối hợp trao ñổi liệu MVT TBNV Phối hợp mức công suất tín hiệu - Mức tín hiệu MVT thường mức TTL (0V, 5V), TBNV có mức điện thoại (±15V, ±48V) hay mức điện cơng nghiệp (220V/380V) - Cơng suất đường dây MVT nhỏ (cỡ chục mA), công suất cần cho TBNV lớn tùy theo hệ thống Do BGN phải biến đổi ñiện áp khuếch ñại công suất cho phù hợp MVT TBNV Thường dùng vi mạch trạng thái ñể ñưa dữ`liệu ra, ñưa liệu vào Do ñó vi mạch trạng thái trở kháng cao khơng có trao đổi liệu, để lập TBNV với MVT, để khơng tiêu thụ chút cơng suất ñường dây ñể bảo vệ MVT Phối hợp dạng liệu - Dữ liệu trao đổi MVT ln song song dạng số nhị phân, truyền theo bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit - Dữ liệu TBNV song song bit 16 bit, nối tiếp tín hiệu liên tục Do BGN chuyển ñổi dạng liệu cho phù hợp MVT TBNV, ví dụ chuyển đổi từ tín hiệu liên tục sang tín hiệu số Phối hợp tốc ñộ trao ñổi liệu - MVT thường hoạt ñộng với tốc ñộ cao (tần số lên tới hàng trăm MHz) TBNV thường hoạt ñộng chậm nhiều Do BGN nhận lưu liệu từ MVT truyền cho TBNV theo phịp chậm TBNV, giải phóng cho MVT làm nhiệm vụ khác (phục vụ TBNV khác, chạy chương trình xử lý số liệu hay hiển thị hình) Tương tự, BGN nhận liệu TBNV chờ MVT ñọc liệu vào Phối hợp phương thức trao ñổi liệu - Việc đọc/xuất liệu MVT khởi xướng: Khi đó, MVT ñưa lệnh ñiều khiển tới khởi ñộng BGN hay TBNV, MVT ñọc trạng thái TBNV Nếu trạng thái TBNV chưa sẵn sàng, MVT chờ Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi Nếu TBNV trạng thái sẵn sàng, MVT tiến hành ñọc/xuất liệu - Việc ñọc/xuất liệu TBNV khởi xướng: Khi đó, TBNV đưa u cầu trao đổi liệu tới phận xử lý ngắt BGN Nếu có nhiều TBNV ñồng thời ñưa yêu cầu, BGN xếp theo thứ tự ưu tiên ñịnh sẵn, ñưa yêu cầu tới MVT MVT sau nhận tín hiệu u cầu, chuẩn bị đưa tín hiệu xác nhận sẵn sàng trao ñổi ðến lược BGN nhận truyền tín hiệu sẵn sàng đến cho TBNV Sau đó, MVT TBNV trao đổi liệu qua trung gian BGN ñiều khiển MVT số liệu BGN GN GN logic cơng nghệ điều khiển TBNV số liệu Hình 1.2: GN MVT TBNV 1.1.3 Thủ tục trao đổi liệu máy vi tính MVT trao ñổi liệu với TBNV theo hai chế độ: - Chế độ chương trình: Gồm lệnh VÀO, RA CHUYỂN liệu ghi - Chế ñộ truy cập thẳng tới nhớ: BGN lúc ñiều khiển trao ñổi TBNV nhớ qua trung gian BGN Các vào VXL trạng thái trở kháng cao BGN ñiều khiển hoạt ñộng nhớ TBNV, bao gồm: Phát ñịa cho nhớ TBNV Phát lệnh ñọc RD hay ghi WR số liệu Các số liệu ñọc, ghi ñược trao ñổi nhớ TBNV thơng qua ghi đệm BGN Ở chế ñộ trao ñổi liệu theo chương trình, việc thực theo ba phương pháp sau (hình 1.3): - ðồng hay khơng đối thoại - Khơng đồng hay có đối thoại - Ngắt chương trình Trao đổi đồng bộ: Sau khởi động TBNV, MVT khơng cần quan tâm tới TBNV có sẵn sàng trao đổi liệu hay khơng mà đưa ln lệnh trao đổi liệu Do TBNV phải ln sẵn sàng trao đổi liệu Phương pháp trao đổi liệu có ưu điểm nhanh, khơng tốn thời gian chờ đợi Tuy nhiên có nhược điểm thiếu tin cậy, đơi bị liệu có cố làm TBNV chưa sẵn sàng trao ñổi Trao ñổi khơng đồng bộ: Trình tự trao đổi diễn sau: - MVT đưa tín hiệu điều khiển tới BGN - MVT chờ kiểm tra trạng thái sẵn sàng trao đổi TBNV Nếu chưa sẵn sàng đọc kiểm tra lại trạng thái Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi - MVT trao ñổi liệu với TBNV ñã sẵn sàng Phương pháp thường dùng tốc độ trao đổi liệu TBNV chậm so với MVT Phương pháp trao đổi liệu có ưu điểm tin cậy, lại tốn thời gian sử dụng MVT Trao đổi theo ngắt chương trình: Phương pháp khắc phục nhược điểm phương pháp Trình tự sau: - MVT ñang thực chuỗi lệnh chương trình - TBNV có u cầu trao đổi liệu, gởi tín hiệu u cầu trao ñổi (yêu cầu ngắt INTR ) - MVT ñưa tín hiệu chấp nhận (xác nhận ngắt – INTA) - Chương trình bị ngắt, MVT chuyển sang chương trình phục vụ ngắt, tức chương trình trao đổi liệu cho TBNV u cầu - Chương trình lại tiếp tục thực chỗ bị ngắt Chương trình Trao đổi liệu Chương trình Chương trình Chưa TBNV sẵn sàng ? Ngắt Trao đổi liệu Rồi Trao ñổi liệu a) ðồng b) Khơng đồng c) Ngắt chương trình Hình 1.3 : Trao đổi liệu theo chương trình Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi 1.2 Giới thiệu số vi mạch dùng ghép nối Thông thường BGN có chốt liệu, đệm trạng thái ñể nối với BUS mạch lật tạo tín hiệu đối thoại 1.2.1 Các mạch logic Mạch AND Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y - SN7408 Bảng trạng thái 14 13 12 11 10 - SN7409 A B Y L L L H L L L H L H H H 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Mạch OR - SN7432 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 1A 1B 1Y Mạch NOT - SN7404: - SN7405 - SN7406 2A 2B 2Y GND Bảng trạng thái A B Y L L L H L H L H H H H H Vcc 6A 6Y 5A 5Y 4A 4Y 14 13 12 11 10 Bảng trạng thái: A L H Y H L 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND Mạch EX-OR - SN74136 Vcc 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND Giảng viên: Nguyễn Văn Minh Trí Bảng trạng thái A L H L H B L L H H Y L H H L 10 ... máy vi tính Giảng vi? ?n: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối điều khiển thiết bị ngoại vi CHƯƠNG 1: 1.1 CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu trúc hệ thống Máy vi. .. với MVT, MVT với hệ vi ñiều khiển Giảng vi? ?n: Nguyễn Văn Minh Trí Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI 1.1 Giới thiệu chung... Giảng vi? ?n: Nguyễn Văn Minh Trí 16 Tài liệu mơn học: Ghép nối ñiều khiển thiết bị ngoại vi CHƯƠNG 2: GHÉP NỐI VÀO RA SONG SONG ðIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH 2.1 Các lệnh vào liệu 2.1.1 Các lệnh vào