Thạc Sĩ Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP/IP

MỞ ĐẦU

Ngày nay, các thiết bị điện tử và tự động hóa có mặt ở khắp nơi, chúng ta dễ dàng bắt gặp trong tất cả các lĩnh vực, từ những ứng dụng đặc biệt trong công nghiệp cho đến những sản phẩm dân dụng.
Ban đầu, việc giám sát từ xa thông qua một hệ thống gồm các phần tử nối với nhau bằng dây dẫn với các chuẩn truyền thông phổ biến như RS-232, RS-485 và các chuẩn công nghiệp như ProfiBus. Tuy nhiên, việc mở rộng phạm vi điều khiển (tức số lượng các phần tử) của mô hình này khá khó khăn, và đặc biệt là khoảng cách điều khiển thì rất hạn chế.
Sự ra đời của công nghệ truyền thông với giao thức TCP/IP đã làm thay đổi hoàn toàn suy nghĩ cũng như phạm vi ứng dụng của thiết bị giám sát từ xa. Mô hình mạng phổ biến đó là mạng nội bộ LAN (Local Area Network) và mạng diện rộng WAN (Wide Area Network), gọi chung là mạng Ethernet đã cho phép mở rộng dễ dàng phạm vi giám sát và quy mô của hệ thống. Không những thế, trong mạng Ethernet, có thể gắn nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau có cùng giao tiếp thông qua cổng truyền thông ethernet như máy tính, máy in, camera, do đó, việc vận hành và giám sát trở nên cực kỳ dễ dàng.
Với đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP/IP‟‟ tôi mong xây dựng các hệ thống điều khiển, giám sát với quy mô mạng lớn hơn.
Được sự chỉ bảo và hướng dẫn tận tình của PGS.TS Đỗ Xuân Tiến đến nay tôi

đã hoàn thành xong đề tài.

Kính mong được sự chỉ bảo và đóng góp từ phía người đọc!


MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 01

Mục lục 02

Danh mục các bảng 05

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 06

MỞ ĐẦU 08

CHưƠNG 1 - KHÁT QUÁT CHUNG VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 09

1.1. Khái niệm về vi điều khiển 09

1.2. Các vi điều khiển thông dụng 09

1.3. Các thế hệ vi xử lý 12

1.4. Sơ đồ khối của vi xử lý 13

1.4.1. Đơn vị xử lý trung tâm CPU 14

1.1.4.2. Bộ nhớ 15

1.4.3. Cổng vào/ra song song 15

1.4.4. Cổng vào/ra nối tiếp 15

1.4.5. Bộ đếm/Bộ định thời 16

1.5. Nguyên lý hoạt động của một vi xử lý 18

CHưƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TCP/IP 23

2.1. Mạng và giao thức 23

2.1.1. Mạng (Mạng máy tính) 23

2.1.2 . Giao thức TCP/IP 24

2.2. Mạng cục bộ LAN và công nghệ Ethernet 29

2.2.1. Mạng cục bộ LAN 29

2.2.2. Công nghệ Ethernet 30

2.3. Hệ thống tên/địa chỉ 31

CHưƠNG 3 - KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG 35


3.1. Sơ đồ khối hệ thống 35

3.2. Vi mạch truyền thông ethernet 36

3.3. Vi mạch điều khiển (vi xử lý) 40

3.3.1. Sơ đồ các chân PIC16F87X 42

3.3.2. Sự tổ chức bộ nhớ PIC16F877. 43

3.3.3. Truy xuất bộ nhớ 44

3.3.4. Truy xuất các cổng vào ra 44

3.3.5. Các Bộ Timer của chip 46

3.3.6. Bộ chuyển đổi tương tự sang số 51

3.3.7. Các ngắt của PIC16F877 52

3.4. Các vi mạch phụ trợ khác 52

3.4.1. Màn hình LCD 16 ký tự, 2 dòng 52

3.4.2. Vi mạch chuyển đổi mức MAX232 53

3.4.3. Vi mạch ổn áp 3V3 – LD1117S33 54

3.4.4. Biến áp mạng 55

3.4.5. Các linh kiện khác 55

3.5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 55

3.6. Vẽ mạch in trên sơ đồ nguyên lý 57

CHưƠNG 4 - LẬP TRÌNH CHO HỆ THỐNG 58

4.1. Phần mềm lập trình và biên dịch CCS 58

4.1.1. Tổng quan về CCS 58

4.1.2. Giới thiệu về CCS 58

4.1.3. Tạo PROJECT đầu tiên trong CCS 59

4.1.3.1. Tab General 61

4.1.3.2. Tab Communications 62

4.1.3.3. Tab SPI and LCD 62

4.1.3.4. Tab Timer 63


4.1.3.5. Tab Analog 63

4.1.3.6. Tab Other 64

4.1.3.7. Tab Interrupts và Tab Driver 65

4.2. Lưu đồ thuật toán và chương trình 66

4.2.1. Mô hình điều khiển của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa 66

4.2.2. Lưu đồ thuật toán 67

4.2.3. Chương trình cho vi xử lý 68

KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79


DANH MỤC CÁC BẢNG



Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của LCD

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật phần phát của MAX232

Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật phần thu của MAX232


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Sơ đồ khối của một vi xử lý Hình 1.2. Xử lý lệnh theo kiểu tuần tự Hình 1.3. Xử lý lệnh theo kiểu đường ống
Hình 2.1. Mô hình tổng quát của mạng Internet

Hình 2.2. Ki ến trúc TCP/IP

Hình 2.3. Mô tả khái quát về bộ giao thức TCP/IP. Hình 2.4. Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP Hình 2.5. Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP
Hình 2.6. Cấu trúc mạng hình sao Hình 2.7. Cấu trúc mạng hình tuyến Hình 2.8. Cấu trúc mạng dạng vòng Hình 2.9. Cấu trúc khung tin Ethernet
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển và giám sát thông qua mạng Ethernet

Hình 3.2. Sơ đồ khối vi mạch giao tiếp ethernet ENC28J60

Hình 3.3. Sơ đồ ghép nối ENC28J60 với vi xử lý

Hình 3.4. Quá trình đọc thanh ghi điều khiển Ethernet Hình 3.5. Quá trình đọc thanh ghi điều khiển MAC Hình 3.6. Quá trình ghi vào thanh ghi lệnh
Hình 3.7. Quá trình ghi vào bộ đệm lệnh

Hình 3.8. Quá trình ghi vào lệnh của hệ thống Hình 3.9. Sơ đồ chân vi mạch PIC16F87X Hình 3.10. Màn hình LCD
Hình 3.11. Sơ đồ khối chức năng LCD

Hình 3.12. Sơ đồ mạch áp dụng điển hình của MAX232

Hình 3.13. Sơ đồ mạch áp dụng điển hình của LD1117S33

Hình 3.14. Sơ đồ chân của biến áp mạng


Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Hình 4.1. Tạo file mới trong PCW compiler Hình 4.2. Lưu file vào thư mục có sẵn
Hình 4.3. Tab General

Hình 4.4. Tab Communications Hình 4.5. Tab SPI and LCD Hình 4.6. Tab Timer
Hình 4.7. Tab Analog Hình 4.8. Tab Other Hình 4.9. Tab Interrupts
Hình 4.10. Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát từ xa thông qua mạng LAN

Hình 4.11. Lưu đồ thuật toán của hệ thống