Nghiên cứu phát triển và chế tạo một số hệ thống nhúng tiên tiến trong thiết bị đo lường

Chủ nhiệm đề tài PGS.TS. Thái Quang Vinh
Đơn vị thực hiện Viện Công nghệ Thông tin
Thời gian thực hiện 2006 - 2007
Tổng kinh phí 350 triệu đồng
Nội dung đề tài

Mục tiêu
Nắm bắt các hướng phát triển mới trong hệ thống nhúng:

  • Công cụ nhúng, các thiết bị nhúng, các vấn đề điều khiển thời gian thực cho các ứng dụng nhúng;
  • Lựa chọn công nghệ DSP TMS320C3X, PC104 để xây dựng các hệ thống nhúng tiêu chuẩn, đa năng;
  • Lựa chọn đo một số thông số môi trường, khí thải công nghiệp, xây dựng thiết bị tiền xử lý và lưu trữ, kết xuất on-line nhằm phục vụ bài toán phân tích, đánh giá, quản lý cho từng ứng dụng cụ thể.

Nội dung nghiên cứu

  • Lựa chọn các hệ DSP tiêu chuẩn dạng DSK kit trên cơ sở CPU họ TMS320VC33 của Texas Instruments với các chức năng vào ra logic và analog đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng đề ra để xây dựng thiết bị nhúng phục vụ các bài toán đo lường điều khiển.
  • Lựa chọn công nghệ nhúng PC104 họ PCM-3370 của Hãng Advantech với các bộ xử lý ULV Celeron 650 MHz cùng modul vào/ra PCM3718HO - modun thu thập số liệu đa năng hiệu quả cao và màn hình cảm ứng Phynon 7” để xây dựng thiết bị đo và xử lý dữ liệu đa năng MDA104S.
  • Khai thác tập modun chương trình mẫu và cơ bản của phần mền Block Diagram và RIDE của hãng Hyperception phục vụ cho xử lý tín hiệu số để chuyển đổi và xây dựng các modun phần mềm đo lường và điều khiển thông qua thiết kế đồ họa, tích hợp các modun cơ bản để thực hiện các thuật toán mẫu trong đo lường và điều khiển.
  • Xây dựng quy trình nhúng trực tiếp, thông qua các kết nối các cổng giao tiếp tiêu chuẩn, các file đối tượng tạo ra từ thiết kế đồ họa vào các hệ DSP tiêu chuẩn đã lựa chọn (hiện tại là hệ DSK TMS320VC33).
  • Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và xử lý dữ liệu đa năng MDA104S trên cơ sở công nghệ nhúng PC104 và xây dựng phần mềm công cụ nhúng MDA Soft chạy trên nền hệ điều hành Window 9X/2000/XP, đảm bảo khả năng xây dựng đa dạng các chương trình nhúng thời gian thực phục vụ các bài toán đo lường, giám sát, thu thập, xử lý số liệu và điều khiển.
  • Thực nghiệm xây dựng các thiết bị đo và tiền xử lý các thông số môi trường khí thải công nghiệp trên cơ sở công nghệ vi điều khiển họ µC 8051 và sensor nhập ngoại. Hiện tại đang thực hiện đo thực nghiệm khí CH4 sử dụng đầu đo NAP-100AP và đo khí CO sử dụng đầu đo NAP-701 của Nhật Bản và đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường. Thực hiện trao đổi dữ liệu giữa PC và thiết bị đo thông số môi trường khí qua đường truyền RS232 và kết xuất dữ liệu đo vào MSExcel on-line và off-line cung cấp dữ liệu cho các thuật xử lý, phân tích và đánh giá.
Kết quả đạt được

1.    Đã nghiên cứu các hệ DSP tiêu chuẩn được xây dựng dưới các dạng DSK kit bao gồm bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320C3X, TMS320C67XX và các mạch giao tiếp vào ra analog với các biến đổi ADC, DAC tốc độ lấy mẫu cao (từ 8 - 48 Khz), độ phân giải 14 bít (TLC32040) hoặc 16 bit (Audio Codec PCM3003).

  • Các hệ DSP tiêu chuẩn đảm bảo khả năng thực hiện các phép tính logic và số học, thực hiện biến đổi tín hiệu tương tự sang số và ngược lại, thực hiện vào ra logic. Bộ nhớ on-chip 34 Kword, bộ nhớ mở rộng 252 Kword và bộ nhớ Flash 512Kx8 (mở rộng đến 512Kx32). Ngoài ra có giao diện sử dụng Compact Flash trong trường hợp hệ DSP hoạt động độc lập để lưu trữ dữ liệu. Vùng nhớ Flash dùng để nhận các chương trình nhúng từ các phần mềm công cụ lập trình thông qua các cổng truyền nối tiếp, cổng song song hoặc USB.
  • Nghiên cứu phần mềm công cụ nhúng trên cơ sở phần mềm xử lý tín hiệu số BLOCK DIAGRAM và RIED (Hyperception), sử dụng phương pháp thiết kế đồ họa, xây dựng biểu đồ khối các hàm với các kết nối tương ứng nhằm tạo ra các file ứng dụng khác nhau với mã đối tượng có thể chạy trên hệ DSP tiêu chuẩn trong thời gian thực. Đồng thời xây dựng quy trình nhúng trực tiếp file đối tượng được tạo ra từ thiết kế đồ họa trên vào các hệ DSP tiêu chuẩn trên các board mạch DSKc3X hoặc DSKc67XX đã được kết nối.
  • Thiết kế cấu trúc các modun thuật toán mẫu đảm bảo thiết kế thuật toán cho các bài toán đo và điều khiển trong công nghiệp. Trên cơ sở đó từng bước xây dựng các khối chương trình cơ bản bằng các công cụ assembler/linker của họ DSP TMS320c3X, TMS320c67XX và bổ xung vào thư viện hàm DSP, hoặc bằng chính các công cụ đồ họa thông qua kết nối các hàm cơ bản khác.

2.    Thiết kế và xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu đa năng MDA104S trên cơ sở công nghệ nhúng PC 104 họ PCM-3370.

 

  • Hệ thống đo và xử lý số liệu đa năng MDA104S được thiết kế nhằm mục tiêu sử dụng như một thiết bị đo lường và thu thập số liệu độc lập nhiều chức năng hoặc như một thiết bị đo xa đầu cuối nằm trong mạng MDA-SCADA phục vụ cho mạng đo và điều khiển trên diện rộng.
  • Thiết kế chế tạo hệ phần mềm công cụ nhúng MDA-Soft
  • Phần mềm công cụ nhúng MDA-Soft chạy trên hệ điều hành Window 9x/2000/XP đảm bảo môi trường thiết kế và nhúng các thuật toán khác nhau cho hệ MDA104S nhằm giải quyết các bài toán giám sát, thu thập và xử lý số liệu thông minh, giao diện thân thiện trong nhiều ứng dụng thực tiễn công nghiệp, quan trắc môi trường, khí thải độc hại…. Hệ phần mềm công cụ nhúng bao gồm 3 modun phần mềm sau: MDARun, MDATool và MDAView.
  • Modul MDARun: làm modul phần mềm chạy trên MDA104S có các chức năng tổ chức đọc/ghi dữ liệu qua các cổng DI/DO/AI/AO, tổ chức truyền thông với máy chủ qua các giao diện chuẩn, điều khiển các chế độ cảm ứng Touch Screen, quản lý dữ liệu vùng nhớ hệ thống Tag database.
  • Modul MDATool dùng để tạo màn hình giao diện vận hành trên thiết bị MDARun chạy.
  • Modul MDAView: Phần mềm hỗ trợ xây dựng hệ SCADA, DCS trên máy chủ nhằm giám sát và thu thập dữ liệu từ xa với các chức năng truyền thông với MDA104S qua các giao diện chuẩn, quản lý Tag database và lưu giữ cơ sở dữ liệu Data log, thiết kế giao diện giám sát và thu thập dữ liệu trên máy chủ với một số đối tượng cơ bản Button/Text/Led/Chart Runtime/Image, Chạy các phần mềm thời gian thực.

3.    Nghiên cứu thử nghiệm đo các thông số môi trường:

  • Khí Hydrocacbon (HC)
  • Khí Cabonmonoxit CO
  • Độ ẩm
  • Nhiệt độ

Trên cơ sở công nghệ vi xử lý và các đầu đo nhập ngoại.

Mục tiêu của đề tài là xây dựng các thiết bị tiền xử lý các số liệu đo trên cơ sở công nghệ vi xử lý đối với các thông số môi trường cơ bản sử dụng các sensor nhập ngoại và tạo các file dữ liệu đo làm cơ sở phân tích, đánh giá và lưu trữ quản lý trên các thiết bị nhúng nói trên, phục vụ cho các bài toán môi trường, khí thải công nghiệp.

  • Đã thiết kế thiết bị đo đơn thông số và đa thông số trên cơ sở công nghệ nhúng vi điều khiển họ 8051 với đầu đo ngoại NAP-100AP (Nhật Bản) thực hiện các phép đo thử nghiệm khí methane CH4, khí CO, độ ẩm và nhiệt độ môi trường.
  • Xây dựng chương trình đo CH4, khí CO, độ ẩm và nhiệt độ môi trường, hiển thị kết quả 7 segment cùng giao diện với PC qua RS232 truyền số liệu đo, lưu trữ và kết xuất với MSExcel on-line.
  • Các tín hiệu đo đều được xử lý lọc bằng bộ lọc số xây dựng trên hệ nhúng DSP tiêu chuẩn dạng DSK kit trên cơ sở CPU họ TMS320VC33.
Sản phẩm

Sản phẩm khoa học

  • Hệ thống nhúng trên cơ sở DSP TM320VC33 cùng với phần mềm công cụ nhúng dựa trên cơ sở phần mềm xử lý tín hiệu số Block Diagram và RIDE với các đặc tính sau:
  • Tốc độ xử lý 150 MFLOPS, xử lý dấu phẩy động 40 bit, số nguyên 32 bit, bộ nhớ 1Mbit SRAM on- chip, bộ nhớ 512Kx8, ADC và DAC tích hợp trong bộ AIC PCM3003 có khoảng động biến đổi 16 bit với tốc độ lấy mẫu có thể thay đổi từ 8KHz đến 48KHz.
  • Hệ thống nhúng và xử lý dữ liệu đa năng MDA104S trên cơ sở công nghệ nhúng PC104 họ PCM-3370 cùng phần mềm công cụ nhúng MDASoft.
  • Hệ thiết bị đo các thông số môi trường khí hydrocacbon CH4, khí Cabonmonoxit CO, độ ẩm và nhiệt độ môi trường trên cơ sở công nghệ vi điều khiển họ µC 8051 và sensor nhập ngoại NAP-100AP, NAP-701 của Nhật Bản, sensor đo độ ẩm HM1500 và sensor đo nhiệt độ LM35 cùng phần mềm truyền dữ liệu qua RS 232 tới hệ thống nhúng MDA104S và kết xuất dữ liệu vào MSExcel off-line và on-line.

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".