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

3.6 Điều khiển số dùng vi xử lý

Toán học dấu phẩy tĩnh

Nhìn chung, các bộ vi xử lý trong một bộ điều khiển nhúng thường rất nhỏ so với một máy tính cá nhân hoặc một trạm máy tính. Việc thêm vào chức năng xử lý dưới dạng bộ xử lý dấu phẩy động và RAM hoặc ROM bổ sung không phải lúc nào cũng là sự lựa chọn đúng đắn. Điều này có nghĩa là đôi khi các chức năng toán học phức tạp cần thiết cho hệ thống điều khiển không phải lúc nào cũng sẵn có. Tuy nhiên, các giá trị sẽ được đo và được tính, mặc dù là các số thực, đôi khi cũng thuộc một miền giá trị hợp logic. Vì vậy, tồn tại của một dạng số học đặc biệt, nhờ đó bộ vi điều khiển có thể sử dụng các số nguyên thay thế cho số dấu phẩy động để tính toán các giá trị giả thực.

Hiện có một vài dạng phép toán dấu phẩy tĩnh đang được sử dụng. Dạng đơn giản nhất dựa trên lũy thừa của 2, giống như các số nguyên thông thường trong hệ nhị phân. Tuy nhiên, một dấu phẩy nhị phân ảo được chèn vào số nguyên cho phép lưu trữ xấp xỉ của các giá trị thực như số nguyên. Một số nguyên không âm 8 bit chuẩn được trình bày dưới đây cùng với các giá trị thập phân tương đương.

Giả sử có một dấu phẩy nhị phân ảo được chèn vào giữa hai phần của một byte. Lúc này sẽ có 4 bit nằm ở phía bên tay trái của dấu phẩy nhị phân tương ứng với các số mũ dương chuẩn của 2, và 4 bit bên tay phải dấu phẩy nhị phân tương ứng với số mũ âm của 2. Con số tương tự lúc này sẽ đại diện cho một số thực trong hệ thập phân.

Rõ ràng là phương pháp này đã bộc lộ những nhược điểm nhất định. Cách giải bất kỳ số dấu phẩy tĩnh nào cũng đều bị giới hạn ở luỹ thừa của 2 gắn với bit có trọng số thấp nhất ở bên tay phải, trong trường hợp này là 2^-4 hoặc 1/16 hoặc 0.0625. Đôi khi làm tròn là rất cần thiết. Do vị trí của dấu phẩy nhị phân ảo này phải được thường xuyên duy trì khi thực hiện tính toán, nên có một sự thoả hiệp để làm giảm tính phức tạp. Tuy nhiên, thời gian xử lý và các dữ liệu được lưu trong bộ nhớ thường khắc phục được những thoả hiệp này, vì thế toán học dấu phẩy tĩnh lại trở nên rất hữu ích.

Hiệu chuẩn

Phạm vi hiệu chuẩn một hệ thống đôi khi là vấn đề rất quan trọng, không thấy rõ trước được khi thiết kế một hệ cơ điện tử. Việc sử dụng các giá trị hiệu chuẩn là các giá trị số và logic lưu trong EEPROM hoặc ROM, sẽ tạo tính linh hoạt khi hiệu chỉnh và vận hành hệ thống. Ví dụ, nếu các tốc độ thạch anh của bộ vi xử lý khác nhau được dùng trong một hệ cơ điện tử và các giá trị thời gian thực là cần thiết, thì một hệ số hiệu chỉnh của số chu kỳ xung đồng hồ trên mili giây được lưu giữ sẽ cho phép thực hiện việc tính toán này. Vì vậy, các giá trị hiệu chuẩn thường được dùng như một hệ số khuyếch đại, nó được nhân với một số đầu vào nào đó để sinh ra đầu ra được cân chỉnh.

Như đã trình bày ở trên, việc hiệu chuẩn thường được dùng khi kiểm tra hệ cơ điện tử để thay đổi “cảm nhận” của sản phẩm. Một bộ điều khiển có thể dùng một tập các giá trị hiệu chuẩn cho RPM của động cơ, tải trọng động cơ và tốc độ xe để quyết định khi nào dịch chuyển các bánh răng. Điều này thường được thực hiện với các hiện tượng trễ vì các điểm xê dịch chuyển từ bánh răng thứ hai sang bánh răng thứ ba cũng như từ bánh răng thứ ba sang bánh răng thứ hai có thể khác nhau.