Chương 3. Giao diện hệ thống, thiết bị và hệ thống điều khiển

3.2 Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử

Đầu vào bộ chuyển đổi/bộ cảm biến

Tất cả các đầu vào của hệ cơ điện tử đều bắt nguồn từ một vài dạng thiết bị cảm biến hoặc truyền thông từ các hệ thống khác. Các cảm biến được giới thiệu ở phần trước và sẽ được trình bày chi tiết hơn ở chương 19. Bộ chuyển đổi, những thiết bị biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thường được đồng nhất với các cảm biến. Các bộ chuyển đổi và các tính chất của chúng sẽ được mô tả đầy đủ ở chương 45. Cảm biến có thể được phân thành hai nhóm tổng quát, chủ động và thụ động. Cảm biến chủ động phát ra tín hiệu để ước tính thuộc tính của môi trường và thiết bị được đo, còn cảm biến thụ động thì không. Ví dụ về vũ khí trong quân sự cho thấy sự khác biệt này là máy bay chiến đấu “vẽ” mục tiêu hoặc bằng radar laser chủ động (LADAR) hoặc bằng cảm biến hồng ngoại tìm kiếm phía trước thụ động (FLIR).

Như đã nêu ở phần giới thiệu, đầu vào của bộ cảm biến thường là một tín hiệu tương tự. Dạng đơn giản nhất của tín hiệu tương tự là mức điện áp (không nhất thiết tuyến tính) có mối liên hệ trực tiếp với điều kiện đầu vào. Dạng thứ hai là tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM), sẽ được giải thích cụ thể hơn ở phần sau của chương này khi bàn về đầu ra của bộ vi điều khiển. Dạng thứ ba là sóng như thấy ở hình 3.3. Dạng tín hiệu này được điều chế về mặt biên độ (hình 3.4) hoặc tần số (hình 3.5) hoặc trong một số trường hợp cả biên độ lẫn tần số. Những thay đổi này phản ánh sự biến đổi của trạng thái được theo dõi.

Có những cảm biến không phát ra tín hiệu tương tự. Một số cảm biến thuộc loại này phát ra sóng hình vuông như thấy ở hình 3.6. Loại sóng này được đưa vào bộ vi điều khiển thông qua tiêu chuẩn truyền thông EIA 232. Sóng hình vuông thể hiện giá trị nhị phân của 0 và 1. Trong trường hợp này, ADC có lẽ được gắn liền bộ cảm biến, làm tăng giá trị cho bộ cảm biến. Một số bộ cảm biến/máy ghi âm thậm chí có thể tạo thư hoặc gói TCP/IP giống như đầu vào. Ví dụ về loại thiết bị này là MobileCorder MV của tập đoàn Yokogawa Hoa kỳ.

HÌNH 3.3 Sóng hình sin

HÌNH 3.4 Điều chế biên độ

HÌNH 3.5 Điều chế tần số

HÌNH 3.6 Sóng vuông

Bộ biến đổi tương tự-số

Các bộ biến đổi tương tự-số (ADC – Analog-to-Digital Converter) cơ bản có thể được phân loại theo hai thông số: dải tín hiệu đầu vào tương tự và dải tín hiệu đầu ra số. Chẳng hạn, xét ADC biến đổi mức điện áp trong khoảng từ 0 – 12 V thành một byte đơn 8 bit. Trong ví dụ này, mỗi số gia nhị phân phản ánh một lượng tăng điện áp tương tự bằng 1/256 của điện áp lớn nhất là 12V. Tuy nhiên, có một sự chênh bất thường trong biến đổi này. Do giá trị 0 tương ứng với 0 V, giá trị 128 tương ứng với một nửa giá trị lớn nhất trong ví dụ này là 6 V nên giá trị thập phân lớn nhất 255 chỉ tương ứng với 255/256 giá trị điện áp tối đa hoặc 11,953125 V. Xem bảng các giá trị tương ứng dưới đây:

ADC được dùng trong bộ vi điều khiển Motorola HC12 sinh ra 10 bit. Mặc dù không hoàn toàn tương thích với một byte dữ liệu, nhưng ADC 10 bit này đã góp phần làm tăng độ phân giải. Với đầu vào từ 0 đến 5 V, độ phân giải thập phân trên mỗi bit với trọng số thấp nhất là 4.88 mV. Nếu ADC có đầu vào 8 bit, thì độ phân giải trên mỗi bit này là 19.5 mV, khác biệt tới 4 lần. Điện áp lớn hơn chẳng hạn từ 0 đến 12 V có thể được cân chỉnh bằng một bộ chia điện áp sao cho phù hợp với dải từ 0 đến 5 V. Điện áp nhỏ hơn có thể được khuyếch đại sao cho phù hợp với toàn bộ biên độ. Một quy trình được gọi là xấp xỉ liên tiếp (sử dụng bộ ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR – Succesive Approximation Register) trong con chíp Motorola) được dùng để xác định giá trị số chính xác.