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

3.4 Xử lý tín hiệu

Xử lý tín hiệu là việc thay đổi một tín hiệu để nó có ích hơn đối với một hệ thống. Tất nhiên, hai dạng sửa đổi tín hiệu quan trọng là sự biến đổi giữa tín hiệu tương tự và số, như mô tả ở hai phần trước. Các dạng sửa đổi tín hiệu khác được nêu ngắn gọn dưới đây, và sẽ được giới thiệu cụ thể hơn ở các chương 46 và 47.

Tốc độ lấy mẫu

Tốc độ để các mẫu dữ liệu nhận được rõ ràng là tốc độ mà hệ cơ điện tử có thể phát hiện ra một sự thay đổi trạng thái. Tuy nhiên, có một vài vấn đề cần lưu ý. Ví dụ, đáp ứng của bộ cảm biến có thể bị hạn chế về mặt thời gian hoặc phạm vi. Ngoài ra cũng phải có thời gian cần thiết để chuyển đổi tín hiệu thành dạng có thể dùng được bởi bộ vi xử lý, gọi là thời gian chuyển đổi từ A sang D. Một vấn đề đáng lưu ý nữa là tần số của tín hiệu được lấy mẫu. Đối với việc số hoá giọng nói, tốc độ lấy mẫu thường dùng là 8000 mẫu trên một giây. Đây là kết quả của định lý Nyquist. Định lý này cho rằng muốn chính xác thì tốc độ lấy mẫu ít nhất phải gấp hai lần tần số lớn nhất được đo. Vì vậy tốc độ 8000 mẫu trên giây sẽ là tốt nhất để biến đổi giọng nói người trên hệ thống điện thoại tương tự có tần số cao nhất xấp xỉ 3400 Hz. Một điều cuối cùng nữa là tốc độ đồng hồ của bộ vi xử lý cũng phải được cân nhắc đến. Nếu ADC và DCA cùng nằm trên một bo mạch như bộ vi xử lý thì chúng thường dùng chung một chiếc đồng hồ. Tuy nhiên, đồng hồ của bộ vi xử lý có thể lại quá nhanh đối với ADC và DCA. Trong trường hợp này, bộ cân chỉnh lại được dùng để chia tần số đồng hồ thành mức có thể sử dụng được cho ADC và DAC.

HÌNH 3.9 Bộ lọc thông thấp

Lọc

Lọc là làm suy giảm (giảm bớt) tần số nào đó của tín hiệu. Quá trình này có thể loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu và xử lý đường truyền để giúp chuyển tải dữ liệu tốt hơn. Bộ lọc có thể được phân chia thành bộ lọc tương tự và số. Bộ lọc tương tự lại được chia nhỏ thành dạng chủ động và dạng thụ động. Trong khi bộ lọc tương tự thụ động sử dụng điện trở, tụ điện và điện cảm thì bộ lọc tương tự chủ động dùng bộ khuyếch đại thuật toán với phần điện cảm và tụ điện. Bộ lọc số có thể được thực hiện bằng phần cứng và/hoặc phần mềm. Phần mềm sẽ tạo cho các bộ lọc số có tính năng dễ dàng thay đổi hơn. Chương 29 sẽ giải thích đầy đủ hơn về bộ lọc số.

Các bộ lọc cũng có thể được phân biệt dựa trên các loại tần số bị ảnh hưởng.

1. Bộ lọc thông thấp cho phép tập hợp các tần số thấp hơn đi qua, còn những tần số cao sẽ bị làm suy giảm. Xem ví dụ đơn giản về bộ lọc này ở hình 3.9.
2. Ngược lại với bộ lọc thông thấp là bộ lọc thông cao lọc dải tần số thấp hơn trong khi cho phép tần số cao hơn đi qua.
3. Bộ lọc thông dải cho phép một dải tần số nhất định đi qua còn tất cả những dải khác sẽ bị làm suy giảm.
4. Bộ lọc ngăn dải chỉ chặn một dải tần số nhất định trong khi vẫn cho phép tất cả các dải tần số khác đi qua.

Bộ lọc có rất nhiều loại và được ứng dụng trong nhiều trường hợp khác nhau. Ví dụ, William Ribbens trong ấn phẩm Understanding Automotive Electronics (Newnes 1998) của mình đã mô tả bộ lọc thông thấp dùng phần mềm (đôi khi còn gọi là bộ lọc trễ) để lấy trung bình 60 mẫu mức dầu cuối cùng trong thùng trong khoảng 1 giây. Các dữ liệu được lọc sau đó được hiển thị thay cho sự nhiều loạn của đồng hồ đo trên xe. Dạng lọc này làm giảm sự dao động lớn và nhanh trong đồng hồ đo lượng nhiên liệu do sự dập dềnh của bề mặt nhiên liệu và vì vậy sẽ cho giá trị chính xác hơn.

Bo mạch thu thập dữ liệu

Có một kiểu bo mạch đặc biệt để cắm vào một khe trong máy tính cá nhân để bàn để có thể sử dụng cho nhiều nhiệm vụ kể trên. Nó được gọi là bo mạch thu thập dữ liệu (bo mạch DAQ). Kiểu bo mạch này có thể tạo ra các tín hiệu đầu vào tương tự và đa thành phần đa đầu vào trên một bus đơn để truyền đến máy tính. Nó cũng có thể được dùng kèm với phần cứng/phần mềm xử lý tín hiệu và ADC. Một số thiết bị có thể truy cập trực tiếp bộ nhớ (DMA), cho phép thiết bị ghi dữ liệu trực tiếp vào bộ nhớ máy tính mà không cần dùng đến bộ vi xử lý. Trong khi máy tính cá nhân để bàn không được coi là một bộ phận của hệ cơ điện tử thì bo mạch DAQ lại rất hữu ích cho việc đo đạc.