2 

Cách tiếp cận

thiết kế cơ điện tử

Rolf  Isermann

Darmstadt University of Technology

2.1.... Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử. 2-1

2.2.... Chức năng của các hệ cơ điện tử. 2-3

2.3.... Các phương pháp tích hợp. 2-5

2.4.... Các hệ thống xử lý thông tin (Kiến trúc cơ bản và các thỏa hiệp phần cứng/phần mềm)2-6

2.5..... Quy trình thiết kế đồng thời cho các hệ cơ điện tử. 2-10

2.1         Lịch sử phát triển và định nghĩa hệ cơ điện tử

Trong một số lĩnh vực kỹ thuật, người ta đã thực hiện việc kết hợp các sản phẩm hoặc các quy trình sản xuất với điện tử. Đặc biệt với các hệ cơ khí được phát triển từ năm 1980. Những hệ thống này đã chuyển từ hệ cơ-điện với các phần điện và cơ khí riêng rẽ sang hệ cơ-điện tích hợp với các bộ cảm biến, các cơ cấu chấp hành, các mạch vi điện tử số. Những hệ thống tích hợp này, như thấy trên bảng 2.1, được gọi là các hệ cơ điện tử (mechatronics systems), với sự kết hợp giữa từ CƠ (MECHAnics) và từ ĐIỆN TỬ (elecTRONICS).

Thuật ngữ “cơ điện tử” lần đầu tiên được đưa ra bởi một kỹ sư người Nhật vào năm 1969 [1], với những định nghĩa ban đầu do [2] và [3] đưa ra. Trong [4], người ta đã đưa ra một định nghĩa tổng quát như sau: “Cơ điện tử là sự tích hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển thông minh bằng máy tính trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp”[5].

Tất cả những định nghĩa này đều có điểm chung là coi cơ điện tử như một lĩnh vực liên ngành trong đó những ngành dưới đây đóng vai trò như nhau (xem hình 2.1):

–       Cơ khí (các thành phần cơ khí, máy móc, cơ khí chính xác);

–       Điện tử (vi điện tử, điện tử công suất, công nghệ cảm biến và cơ cấu chấp hành);

–       Công nghệ thông tin (lý thuyết hệ thống, tự động hóa, công nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).

Một số bài báo đã mô tả sự phát triển của cơ điện tử; xem [5-8]. Nội dung chi tiết về những vấn đề chung nhất được đưa ra trong các tạp chí [4,9,10]; các tuyển tập của hội thảo đầu tiên [11-15] và các ấn phẩm [16-19].

Hình 2.2 biểu thị sơ đồ tổng quát về một quá trình cơ khí hiện đại giống như máy phát năng lượng. Dòng năng lượng sơ cấp đi vào trong máy, sau đó hoặc được dùng trực tiếp cho bộ phận tiêu thụ năng lượng như trường hợp của bộ biến đổi năng lượng hoặc được chuyển thành dạng năng lượng khác như trường hợp của máy chuyển đổi năng lượng. Dạng năng lượng có thể là điện năng, cơ năng (thế năng hoặc động năng, thuỷ lực, khí nén), hóa năng hay nhiệt năng. Các máy

BẢNG 2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống cơ học, điện và điện tử

hầu hết được đặc trưng bởi dòng năng lượng liên tục hoặc tuần hoàn (lặp lại). Đối với các quá trình cơ khí khác, như các thành phần cơ khí hoặc các thiết bị cơ khí chính xác, dòng năng lượng không liên tục là điển hình.

Nhìn chung dòng năng lượng là sản phẩm của dòng suy rộng và thế (khả năng). Thông tin về trạng thái của quá trình cơ khí có thể nhận được bằng các dòng suy rộng đo được (dòng tốc độ, khối lượng, thể tích) hoặc dòng điện hay thế (lực, áp suất, nhiệt độ, điện áp). Cùng với những biến tham chiếu, các biến đo là các đầu vào của dòng thông tin thông qua các điện tử số tạo ra các biến điều khiển cho cơ cấu chấp hành hoặc các biến giám sát trên màn hình.

HÌNH 2.1 Cơ điện tử: sự tích hợp của nhiều chuyên ngành khác nhau

Hình 2.2 Quá trình cơ khí và việc xử lý thông tin phát triển hướng tới các hệ Cơ điện tử

Việc thêm và tích hợp dòng thông tin phản hồi với dòng năng lượng cấp thẳng trong hệ cơ khí ban đầu là một đặc trưng của nhiều hệ cơ điện tử. Sự phát triển này đã tác động ngay đến quá trình thiết kế các hệ cơ khí. Các hệ cơ điện tử có thể được chia nhỏ thành:

–       Các hệ cơ điện tử

–       Các thiết bị cơ điện tử

–       Các phương tiện cơ điện tử

–       Cơ điện tử chính xác

–       Vi cơ điện tử

Điều này cho thấy sự tích hợp với điện tử diễn ra trong nhiều dạng hệ kỹ thuật. Trong một vài trường hợp, thành phần cơ khí của quá trình được ghép đôi với một phần điện, nhiệt, nhiệt động, hoá hay xử lý thông tin. Điều này đặc biệt đúng với các bộ biến đổi năng lượng mà ở đó, ngoài dạng năng lượng cơ khí, còn có các dạng năng lượng khác. Như vậy, các hệ cơ điện tử theo nghĩa rộng bao gồm cả quá trình cơ khí và phi cơ khí. Tuy nhiên, các thành phần cơ khí thông thường nắm vai trò chủ đạo trong hệ thống.

Do một dòng năng lượng phụ được dùng để thay đổi các đặc tính cố định của các hệ thống cơ khí thụ động trước kia thông qua điều khiển phản hồi và điều khiển cấp thẳng, nên những hệ thống này đôi khi còn được gọi là hệ thống cơ khí chủ động.

2.2         Chức năng của các hệ cơ điện tử

Hệ cơ điện tử cho phép nâng cấp nhiều chức năng cũ và tạo ra các chức năng mới. Vấn đề này sẽ được bàn tới bằng việc xem xét một số ví dụ.

Sự phân chia chức năng giữa cơ khí và điện tử

Trong thiết kế hệ thống cơ điện tử, sự tác động qua lại của các phần cơ khí và điện tử nhằm thực hiện các chức năng là điều rất quan trọng. So với việc thực hiện các chức năng cơ khí đơn thuần, việc sử dụng các bộ khuyếch đại và cơ cấu chấp hành với dòng năng lượng điện phụ đã mang đến sự đơn giản hóa đáng kể cho các thiết bị như đồng hồ đeo tay, máy chữ và camera. Một sự đơn giản hóa đáng kể khác trong hệ thống cơ khí bắt nguồn từ việc đưa máy vi tính kết nối với các động cơ điện phân quyền, như có thể thấy từ máy chữ điện tử, máy khâu, hệ thống điều khiển đa trục và bộ số tự động.

Việc thiết kế các cấu trúc gọn nhẹ dẫn đến hệ thống đàn hồi có độ tắt dần yếu do vật liệu. Thiết bị giảm chấn điện tử nhờ các cảm biến vị trí, tốc độ, hoặc dao động và phản hồi điện tử có thể được thực hiện với lợi thế mở rộng của một thiết bị giảm chấn có khả năng điều khiển thông qua các thuật toán. Ví dụ như bộ xích truyền động đàn hồi của ô tô với các thuật toán giảm chấn trong động cơ điện tử, robot đàn hồi, hệ thống thuỷ lực, cần cẩu, và cấu trúc không gian (ví dụ với bánh đà).

Việc thêm vào điều khiển vị trí, tốc độ, hoặc lực theo vòng kín không chỉ dẫn đến sự theo dõi chính xác các biến tham chiếu mà còn dẫn đến một ứng xử xấp xỉ tuyến tính, thậm chí ngay cả khi hệ thống cơ khí có các ứng xử tác động phi tuyến. Bằng việc loại bỏ ràng buộc của sự tuyến tính hoá về mặt cơ khí, việc xây dựng và sản xuất có thể được giảm nhẹ. Ví dụ như các cơ cấu chấp hành cơ điện và khí nén cơ học đơn giản cùng các van lưu lượng với điều khiển điện tử.

Với việc tạo ra các biến tham chiếu khả trình mềm dẻo, khả năng thích nghi của hệ thống cơ khí phi tuyến có thể được cải thiện. Điều này đã được dùng cho việc điều khiển các đặc tính bàn đạp trong phần điện tử của động cơ ô tô, điều khiển từ xacủa ô tô và máy bay trong việc phát triển máy xúc chấp hành thuỷ lực và việc điều khiển công suất điện.

Với sự gia tăng về số lượng của các bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành, khoá chuyển mạch và các thiết bị điều khiển, các kết nối dây và điện sẽ tăng. Điều đó ảnh hưởng đến độ tin cậy, chi phí, trọng lượng và kích thước. Vì vậy, sự phát triển các hệ thống bus, hệ thống giắc cắm hợp lý, hệ thống điện tử tái cấu hình và dự phòng là những thách thức đặt ra cho các nhà thiết kế.

Cải thiện các thuộc tính hoạt động của hệ thống

Bằng việc ứng dụng điều khiển phản hồi chủ động, độ chính xác đạt được không chỉ thông qua độ chính xác cơ khí cao của một thành phần cơ khí được điều khiển cấp thẳng một cách thụ động mà còn thông qua việc so sánh một biến tham chiếu được lập trình với một biến điều khiển đo được. Vì vậy, độ chính xác cơ khí trong thiết kế và sản xuất có thể giảm một phần và người ta có thể sử dụng các kết cấu đơn giản hơn cho ổ trục hoặc khe trượt. Một khía cạnh quan trọng là việc bù ma sát biến thiên theo thời gian và ma sát lớn hơn gọi là bù ma sát thích nghi [13, 20]. Ngoài ra, một ma sát lớn hơn của khe hở có thể được chấp nhận vì thường bù ma sát dễ hơn bù khe hở.

Điều khiển dựa trên mô hình và thích nghi cho phép mở rộng phạm vi hoạt động hơn so với điều khiển cố định với những thực hiện không mong muốn (nguy hiểm do không ổn định hoặc ứng xử không nhanh nhạy). Sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và bền vững cho phép mở rộng phạm vi hoạt động cho điều khiển dòng, lực, tốc độ và cho các quá trình như động cơ, phương tiện, máy bay. Khả năng điều khiển tốt hơn cho phép các biến tham chiếu tiến gần hơn tới những ràng buộc (ví dụ như nhiệt độ và áp suất cao hơn để đốt cháy động cơ và tua bin, máy nén với những giới hạn dừng, áp suất và tốc độ cao hơn đối với máy sản xuất giấy và xưởng luyện thép) làm tăng hiệu suất làm việc và tăng lợi nhuận.

Bổ sung những chức năng mới

Hệ thống cơ điện tử cho phép thực hiện những chức năng mà khó có thể thực hiện được nếu không có điện tử số. Trước hết, những đại lượng không thể đo được có thể được tính trên cơ sở các tín hiệu đo được và bị chi phối bởi điều khiển cấp thẳng và điều khiển phản hồi. Chẳng hạn như các biến phụ thuộc vào thời gian như độ trượt của lốp, áp suất bên trong, nhiệt độ, góc trượt và tốc độ cho điều khiển dẫn hướng của phương tiện hoặc các thông số như hệ số tắt dần, độ cứng và lực cản. Việc phỏng theo các thông số như hệ số tắt dần và độ cứng của hệ thống dao động (dựa trên các phép đo dịch chuyển hoặc gia tốc) lại là một ví dụ khác. Việc giám sát và chẩn đoán lỗi trở nên quan trọng hơn với việc gia tăng các tính năng tự động hoá, gia tăng độ phức tạp, và nhu cầu ngày càng cao về độ ổn định và an toàn. Khi đó việc khởi động các bộ phận dự phòng, sự tái cấu hình hệ thống, bảo dưỡng theo yêu cầu và bất kỳ một loạidịch vụ từ xa nào đã làm cho hệ thống trở nên “thông minh” hơn. Bảng 2.2 tóm tắt một số đặc tính của hệ thống cơ điện tử so với hệ thống cơ điện truyền thống.

2.3         Các phương pháp tích hợp

Hình 2.3 chỉ ra sơ đồ tổng quát của một hệ cơ khí-điện tử truyền thống. Những hệ này ra đời dựa trên việc thêm các cảm biến, cơ cấu chấp hành và các bộ điều khiển tương tự hoặc số sẵn có vào các thành phần cơ khí. Hạn chế của cách tiếp cận này là thiếu các cảm biến và cơ cấu chấp hành thích hợp, tuổi thọ không như mong muốn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt (gia tốc, nhiệt độ, ô nhiễm), yêu cầu không gian lớn, yêu cầu dây nối, xử lý dữ liệu tương đối chậm. Nhờ những cải tiến liên tục trong việc thu nhỏ kích thước, tăng độ cứng và khả năng tính toán của các thành phần vi điện tử, người ta có thể chú trọng hơn đến điện tử trong thiết kế hệ cơ điện tử. Người ta có thể hình dung ra nhiều hệ thống tự vận hành như các thiết bị được bọc kín với việc truyền tín hiệu không tiếp xúc hoặc kết nối bus, và vi điện tử bền vững.

Việc tích hợp hệ cơ điện tử có thể được tiến hành thông qua việc tích hợp các thành phần và tích hợp xử lý thông tin.

Bảng 2.2 Các thuộc tính của các hệ thống thiết kế cổ điển và cơ điện tử

HÌNH 2.3 Sơ đồ tổng quát của (lớp) hệ cơ - điện tử

Tích hợp các thành phần (Phần cứng)

Việc tích hợp các thành phần (tích hợp phần cứng) bắt nguồn từ việc thiết kế hệ thống cơ điện tử như một hệ tổng thể và gắn các cảm biến, cơ cấu chấp hành, và vi máy tính vào quá trình cơ khí, như thấy ở hình 2.4. Việc tích hợp về mặt không gian này có thể sẽ giới hạn ở sự tích hợp quá trình cơ khí với bộ cảm biến hoặc quá trình cơ khí với cơ cấu chấp hành. Vi máy tính có thể được tích hợp với cơ cấu chấp hành, quá trình cơ khí hoặc bộ cảm biến hay có thể được sắp xếp ở một vài vị trí khác nhau.

Việc tích hợp bộ cảm biến với máy vi tính sẽ tạo nên bộ cảm biến thông minh, và tích hợp cơ cấu chấp hành với máy vi tính cũng sẽ tạo nên cơ cấu chấp hành thông minh. Đối với những hệ thống lớn hơn, kết nối bus sẽ thay thế dây. Do vậy, có một số khả năng xây dựng hệ thống tích hợp tổng thể bằng việc tích hợp các phần cứng một cách hợp lý.

Tích hợp xử lý thông tin (Phần mềm)

Việc tích hợp xử lý thông tin (tích hợp phần mềm) phần lớn dựa trên các chức năng điều khiển hiện đại. Bên cạnh điều khiển cấp thẳng và điều khiển phản hồi cơ bản, một tác động nữa có thể có thông qua sự hiểu biết về quá trình và việc xử lý thông tin trực tuyến tương ứng, như thấy ở hình 2.4. Điều này đồng nghĩa với việc xử lý các tín hiệu hiện có ở các mức độ cao hơn, bao gồm giải pháp của các nhiệm vụ như giám sát có chẩn đoán lỗi, tối ưu và quản lý tổng thể quá trình. Các giải pháp tương ứng sẽ cho kết quả là các thuật toán thời gian thực phù hợp với các thuộc tính gia công cơ khí được thể hiện bằng các mô hình toán học dưới dạng đặc tuyến tĩnh hoặc các phương trình vi phân. Vì vậy đòi hỏi một cơ sở kiến thức về các phương pháp thiết kế, thu thập thông tin, các mô hình quá trình và các tiêu chuẩn thực hiện. Theo cách này, các phần cơ khí được vận hành theo nhiều cách khác nhau thông qua việc xử lý thông tin ở cấp cao hơn với các thuộc tính thông minh có thể bao gồm cả việc học, vì vậy hình thành việc tích hợp bằng phần mềm thích ứng với quá trình.

2.4         Các hệ thống xử lý thông tin (Kiến trúc cơ bản và các thỏa hiệp phần cứng/phần mềm)

Việc điều khiển các hệ cơ khí thường được thực hiện thông qua cơ cấu chấp hành nhằm thay đổi vị trí, tốc độ, dòng, lực, mômen và điện áp. Các đại lượng đầu ra có thể đo được trực tiếp thường là vị trí, tốc độ, gia tốc, lực và dòng điện.

Kiến trúc điều khiển đa tầng

Việc xử lý thông tin của các tín hiệu đầu vào, đầu ra đo được trực tiếp có thể được tổ chức ở một vài mức như hình 2.5

          Mức 1: Điều khiển ở mức độ thấp cấp thẳng, phản hồi hệ số tắt dần, ổn định và tuyến tính hóa)

          Mức 2: Điều khiển ở mức cao (các chiến lược điều khiển phản hồi cao cấp)

          Mức 3: Giám sát bao gồm cả chẩn đoán lỗi

          Mức 4: Tối ưu hoá, phối hợp (các quá trình)

          Mức 5: Quản lý tổng thể quá trình

Những phương pháp xây dựng hệ cơ điện tử gần đây sử dụng việc xử lý tín hiệu ở mức thấp ví dụ như phản hồi hệ số tắt dần, điều khiển chuyển động hoặc giám sát ở mức giản đơn. Tuy nhiên, xử lý thông tin số cho phép giải quyết nhiều nhiệm vụ như điều khiển thích nghi, điều khiển học,giám sát với chẩn đoán lỗi, quyết định về vấn đề bảo dưỡng hoặc thậm chí về các hoạt động dự phòng, tối ưu hoá về mặt kinh tế và phối hợp các nhiệm vụ. Các nhiệm vụ ở cấp cao hơn đôi khi được gọi ngắn gọn là “quản lý quá trình”.

HÌNH 2.4 Các cách tích hợp trong hệ cơ điện tử

Xử lý tín hiệu riêng biệt

Các phương pháp đã được mô tả có thể áp dụng một phần cho các đại lượng không thể đo được được khôi phục từ các mô hình toán học của quá trình. Theo cách này, có thể điều khiển hệ số tắt dần, ứng suất nhiệt và vật liệu và sự trượt hoặc để giám sát các đại lượng như điện trở, điện dung, nhiệt độ của các thành phần hay các tham số hao mòn và ô nhiễm. Việc xử lý tín hiệu có thể đòi hỏi các bộ lọc riêng biệt để xác định biên độ và tần số dao động, để xác định các đại lượng được tích phân hay đạo hàm, hoặc các bộ quan sát biến trạng thái.

Các hệ điều khiển thích nghi và dựa trên mô hình

Ít nhất ở các mức thấp hơn, việc xử lý thông tin được thực hiện thông qua các thuật toán hoặc các mô-đun phần mềm đơn giản trong các trạng thái thời gian thực. Những thuật toán này bao gồm các thông số có khả năng điều chỉnh tự do, chúng phải được thích ứng với ứng xử tĩnh và động của quá trình. Đối lập với việc điều chỉnh bằng tay thông qua phương pháp thử và sai, việc sử dụng các mô hình toán học cho phép khả năng thích nghi tự động nhanh và chính xác.

HÌNH 2.5 Hệ thống tự động thông minh tiên tiến với nhiều cấp điều khiển, cơ sở hiểu biết,                  cơ chế suy luận và các giao diện

Các mô hình toán học có thể nhận được bằng việc nhận dạng và đánh giá tham số dùng các tín hiệu đầu vào, đầu ra được đo và lấy mẫu. Những phương pháp này không chỉ giới hạn cho các mô hình tuyến tính, mà còn cho phép áp dụng đối với một số lớp của hệ phi tuyến. Nếu các phương pháp đánh giá thông số được kết hợp với các phương pháp thiết kế theo thuật toán điều khiển thích hợp thì sẽ có các hệ điều khiển thích nghi. Chúng có thể được dùng cho việc điều chỉnh bộ điều khiển chính xác cố định hoặc chỉ cho các mục đích đặc biệt [20].

Giám sát và phát hiện lỗi

Với việc tăng số lượng các chức năng tự động, bao gồm các thành phần điện tử, các cảm biến và cơ cấu chấp hành, tăng độ phức tạp, và tăng các yêu cầu về độ tin cậy và an toàn, một bộ giám sát được tích hợp với chẩn đoán lỗi càng trở nên quan trọng hơn. Đây là một đặc tính tự nhiên quan trọng của hệ thống cơ điện tử thông minh. Hình 2.6 cho thấy một quá trình bị tác động bởi lỗi. Các lỗi này chỉ ra độ lệch không cho phép từ các trạng thái thông thường và có thể được sinh ra từ bên ngoài hoặc bên trong. Các lỗi bên ngoài có thể do nguồn cung cấp năng lượng, sự ô nhiễm hoặc va chạm trong khi các lỗi bên trong có thể do sự hao mòn, thiếu sự bôi trơn, hoặc các lỗi cơ cấu chấp hành hoặc cảm biến. Phương pháp phát hiện lỗi truyền thống là kiểm tra giá trị giới hạn của một vài biến có thể đo được. Tuy nhiên, các lỗi sơ khai và không liên tục thường không thể phát hiện ra và việc chẩn đoán lỗi bên trong không thể thực hiện được bằng phương pháp đơn giản này. Các phương pháp phát hiện và chẩn đoán lỗi dựa trên mô hình được phát triển trong những năm gần đây cho phép sớm phát hiện ra những lỗi nhỏ thông qua các tín hiệu đo được thông thường [21]. Dựa trên các tín hiệu đầu vào đo được, U(t), các tín hiệu đầu ra Y(t) và mô hình quá trình, các đặc tính được xác định bằng việc đánh giá các thông số, các quan sát của trạng thái và đầu ra, cũng như các phương trình cân bằng, như thấy ở hình 2.6.

HÌNH 2.6 Sơ đồ phát hiện lỗi dựa trên mô hình

Sau đó,  những số dư này được đem so sánh với những số dư của ứng xử thông thường và với các phương pháp phát hiện thay đổi sẽ nhận được các dấu hiệu giải tích. Khi đó, việc chẩn đoán lỗi sẽ được thực hiện bằng các phương pháp phân loại và lập luận. Chi tiết hơn xem trong [22,23].

Một ưu điểm đáng kể ở đây là cùng một mô hình xử lý có thể được sử dụng cho cả việc thiết kế bộ điều khiển (thích nghi) và phát hiện lỗi. Nói chung, các mô hình thời gian liên tục được ưa dùng hơn nếu việc phát hiện lỗi dựa trên việc đánh giá các thông số hoặc các phương trình cân bằng. Để phát hiện lỗi bằng việc đánh giá trạng thái hoặc phương trình cân bằng, có thể sử dụng mô hình thời gian rời rạc.

Giám sát và chẩn đoán lỗi hiện đại là một cơ sở để cải thiện độ tin cậy và an toàn, việc bảo dưỡng theo trạng thái, khởi động các dự phòng, và việc tái cấu hình.

Các hệ thống thông minh (các nhiệm vụ cơ bản)

Xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử có thể đi từ các chức năng điều khiển đơn giản đến điều khiển thông minh. Đã có rất nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống điều khiển thông minh, xem [24-30]. Một hệ thống điều khiển thông minh có thể được tổ chức giống như hệ chuyên gia trực tuyến,xem hình 2.5, và bao gồm:

–       Các chức năng đa điều khiển (các chức năng quản lý)

–       Cơ sở kiến thức

–       Cơ chế suy luận, và

–       Giao diện truyền thông

Các chức năng điều khiển trực tuyến thường được tổ chức ở dạng đa cấp, như đã mô tả ở trên. Cơ sở kiến thức bao gồm kiến thức để định tính và định lượng. Phần định tính hoạt động với các mô hình giải tích (toán học) của quá trình, các phương pháp đánh giá trạng thái và tham số, phương pháp thiết kế bằng giải tích (ví dụ đối với điều khiển và phát hiện lỗi) và các phương pháp tối ưu hoá một cách định tính. Các mô đun tương tự chứa kiến thức để định lượng(ví dụ, các qui tắc cho tính toán mềm và mờ). Kiến thức nữa là các sự kiện quá khứ trong bộ nhớ và khả năng đoán trước ứng xử. Cuối cùng là có thể bao gồm cả các nhiệm vụ hoặc kế hoạch.

Cơ chế suy luận đưa ra kết luận hoặc bằng lập luận định lượng (ví dụ như các phương pháp Boolean) hoặc bằng lập luận định tính (ví dụ như các phương pháp dự đoán) và đưa ra các quyết định cho các chức năng quản lý.

Truyền thông giữa các mođun khác nhau, một cơ sở dữ liệu quản trị thông tin, và sự tương tác người-máy cần được thiết lập.

Dựa trên những chức năng này của hệ chuyên gia trực tuyến, một hệ thông minh có thể được xây dựng với khả năng “lập mô hình, lập luận và học quá trình cũng như các chức năng tự động hoá của nó trong một khuôn khổ định sẵn và khả năng tự điều khiển để hướng tới mục tiêu nhất định”. Vì vậy, hệ cơ điện tử thông minh có thể được xây dựng từ “những hệ thông minh bậc thấp” [13] như cơ cấu chấp hành thông minh đến “những hệ tương đối thông minh” như phương tiện lái tự động.

Một hệ cơ điện tử thông minh sẽ sửa bộ điều khiển cho hợp với ứng xử gần như phi tuyến (thích nghi), và lưu giữ các thông số điều khiển của nó theo vị trí và tải trọng (học), giám sát tất cả các thành phần liên quan và chẩn đoán lỗi (giám sát) để bảo dưỡng theo yêu cầu hoặc nếu có sự cố xảy ra thì yêu cầu một hoạt động an toàn (các quyết định dựa trên các hoạt động). Trong trường hợp đa thành phần, việc giám sát có thể giúp loại bỏ những thành phần bị lỗi và thực hiện tái cấu hình quá trình được điều khiển.

2.5         Quy trình thiết kế đồng thời cho các hệ cơ điện tử

Việc thiết kế các hệ cơ điện tử đòi hỏi một sự phát triển mang tính hệ thống và việc sử dụng các công cụ thiết kế hiện đại.

Các bước thiết kế

Bảng 2.3 chỉ ra 5 bước phát triển quan trọng đối với các hệ cơ điện tử, bắt đầu từ một hệ cơ khí thuần tuý đến một hệ cơ điện tử tích hợp hoàn chỉnh. Phụ thuộc vào loại hình hệ thống cơ khí, mức độ của các bước phát triển đơn lẻ là khác nhau. Với các thiết bị cơ khí chính xác, người ta có thể

BẢNG 2.3 Các bước thiết kế hệ Cơ điện tử

cho ra đời một hệ cơ điện tử tương đối tích hợp. Ảnh hưởng của điện tử đến các bộ phận cơ khí có thể được như mong muốn, như bộ giảm chấn thích nghi, hệ thống phanh chống bó, và các hộp số tự động. Tuy nhiên, để hoàn chỉnh các máy và phương tiện, trước hết phải chỉ ra các thiết kế cơ điện tử của các bộ phận cấu thành và sau đó từ từ tái thiết kế các  phần trong cấu trúc tổng thể như có thể thấy khi phát triển các máy công cụ, robot, và các phần của phương tiện.

Các công cụ CAD/CAE cần thiết

Việc phát triển các hệ cơ điện tử có sự trợ giúp của máy tính bao gồm:

1.      Mô tả cấu trúc trong giai đoạn phát triển kỹ thuật bằng cách dùng các công cụ CAD và CAE

2.      Xây dựng mô hình nhằm nhận được các mô hình tĩnh và động của quá trình

3.      Chuyển thành mã máy tính để mô phỏng hệ thống

4.      Lập trình và thực thi phần mềm cơ điện tử cuối cùng.

Một số công cụ phần mềm được mô tả trong phần [31]. Có một loạt các công cụ CAD/CAE dùng cho thiết kế cơ khí 2D và 3D, như Auto CAD với kết nối trực tiếp tới CAM (computer-aided manufacturing), và PADS, dùng cho thiết kế bo mạch in, đa lớp. Tuy nhiên, việc mô hình hóa có trợ giúp của máy tính là chưa hoàn hảo. Các ngôn ngữ hướng đối tượng như DYMOLA và MOBILE dùng cho việc mô hình hóa các hệ thống phức tạp được mô tả trong [31-33]. Những ngôn ngữ này dựa trên các phương trình vi phân thường, các phương trình đại số và các hàm rời rạc đã được chỉ ra. Một mô tả gần đây về việc thiết kế hệ điều khiển với sự trợ giúp của máy tính có thể tìm thấy trong [34]. Để mô phỏng hệ thống (và thiết kế bộ điều khiển), có nhiều chương trình khác nhau như ACSL, SIMPACK, MATLAB/SIMULINK, và MATRIX-X. Các kỹ thuật mô phỏng này là các công cụ hữu ích cho thiết kế, chúng cho phép nhà thiết kế nghiên cứu tương tác của các thành phần với sự thay đổi của các thông số thiết kế trước khi đưa vào sản xuất. Nói chung, chúng không thích hợp cho mô phỏng thời gian thực.

Qui trình mô hình hóa

Các mô hình toán học của quá trình cho ứng xử tĩnh và động được yêu cầu cho các bước khác nhau khi thiết kế hệ cơ điện tử như mô phỏng, thiết kế điều khiển, và khôi phục các biến. Hai cách để thu được các mô hình này là mô hình hóa theo lý thuyết dựa trên những nguyên tắc (vật lý) cơ bản và mô hình hóa theo thực nghiệm (nhận dạng) với các biến số đầu vào và đầu ra đo được. Một vấn đề cơ bản trong mô hình lý thuyết của các hệ cơ điện tử là các thành phần bắt nguồn từ nhiều lĩnh vực khác nhau. Ở đó tồn tại một kiến thức riêng biệt cho việc mô hình hóa các mạch điện, các cơ hệ nhiều vật,hoặc các hệ thuỷ lực, và các phần mềm tương ứng. Tuy nhiên, hiện vẫn chưa có được một phương pháp luận với sự trợ giúp của máy tính chung cho việc mô hình hóa và mô phỏng các thành phần của các lĩnh vực khác nhau [35].

Các nguyên tắc cơ bản của việc mô hình hóa theo lý thuyết cho hệ thống có dòng năng lượng đã được biết đến và có thể được thống nhất cho các thành phần của nhiều lĩnh vực khác nhau như điện, cơ khí, và nhiệt (xem [36-41]). Phương pháp luận của việc mô hình hóa trở nên  phức tạp hơn đối với dòng chất lỏng, các quá trình nhiệt động lực học và hoá học.

Một qui trình chung cho việc mô hình hóa theo lý thuyết của các quá trình với tham số tập trung có thể được tóm tắt như sau:

1.    Xác định các dòng

–         Dòng năng lượng (độ dẫn điện, cơ, nhiệt)

–         Dòng năng lượng và dòng vật chất (lỏng, truyền nhiệt, nhiệt động lực, hoá học)

2.    Xác định các yếu tố quá trình: các biểu đồ tiến trình

–         Nguồn, phần tử tiêu thụ (tiêu hao)

–         Các yếu tố tích lũy, các bộ truyền và các bộ biến đổi

3.    Biểu diễn mô hình quá trình dưới dạng biểu đồ

–         Sơ đồ đa cổng (các đầu cuối, dòng, thế, hay các biến chéo và biến xuyên qua (across and through variables))

–         Sơ đồ khối cho dòng tín hiệu

–         Biểu đồ liên kết cho dòng năng lượng

4.    Thiết lập các phương trình cho tất cả các yếu tố quá trình

i.         Các phương trình cân bằng cho yếu tố tích lũy (khối lượng, năng lượng, động lượng)

ii.       Các phương trình cơ bản cho các yếu tố quá trình (nguồn, bộ chuyển đổi, bộ biến đổi)

iii.      Các định luật của các hiện tượng trong các quá trình không thuận nghịch (các hệ tiêu hao: tiêu thụ)

5.    Các phương trình liên kết cho các yếu tố quá trình

–         Phương trình liên tục cho các liên kết song song (định luật nút)

–         Phương trình tương thích cho liên kết chuỗi (định luật mạch kín)

6.    Tính toán mô hình tổng thể của quá trình

–         Thiết lập các biến đầu ra và đầu vào

–         Mô tả không gian trạng thái

–         Mô hình đầu ra/đầu vào (các phương trình vi phân, các hàm truyền)

Một ví dụ với các bước 1 – 3 cho một ô tô điều khiển bằng điện được đưa ra trên hình 2.7. Một phương pháp thống nhất cho các quá trình có dòng năng lượng đã được áp dụng đối với quy trình điện, cơ khí và thuỷ lực có chất lỏng không thể nén được. Bảng 2.4 chỉ ra các biến chéo và biến xuyên qua tổng quát.

BẢNG 2.4 Các biến chéo và biến xuyên qua tổng quát cho các quá trình có dòng năng lượng

HÌNH 2.7 Các sơ đồ khác nhau của một ôtô: (a) Sơ đồ các phần (bản đồ cấu trúc), (b) Sơ đồ dòng năng lượng (được đơn giản hoá), (c) Sơ đồ đa cổng với các dòng và các thế, (d) Sơ đồ tín hiệu dòng cho các cổng.

Trong những trường hợp này, giá trị của biến chéo và biến xuyên qua là năng lượng. Sự thống nhất này cho phép thiết lập công thức cho việc lập mô hình biểu đồ liên kết chuẩn [39]. Tương tự, đối với các quá trình thuỷ lực có chất lỏng nén được và quá trình nhiệt, những biến này được xác định nghĩa để đưa ra năng lượng, như thấy ở bảng 2.4. Tuy nhiên, trong thực tiễn kỹ thuật, người ta không sử dụng dòng khối lượng và dòng nhiệt. Nếu các biến này được sử dụng sẽ dẫn ra những biểu đồ liên kết giả với những định luật đặc biệt, bỏ qua tính đơn giản của các biểu đồ liên kết chuẩn. Biểu đồ liên kết dẫn tới một sự trừu tượng hóa mức cao, ít tính linh hoạt và cần nỗ lực nhiều hơn nữa để tạo ra các thuật toán mô phỏng. Vì vậy, chúng không phải là công cụ lý tưởng cho các hệ cơ điện tử [35]. Tương tự, thiết lập biểu đồ khối với những định nghĩa ban đầu về các khối đầu ra/đầu vào nhân quả là không phù hợp.

Sự phát triển theo mô hình hướng đối tượng là cách mà ở đó các đối tượng với các thiết bị đầu cuối được định nghĩa không với một quan hệ nhân quả trong trạng thái cơ bản này. Sau đó, các biểu đồ đối tượng được mô tả một cách trực quan, nhằm giữ lại một cách hiểu mang tính trực giác về thành phần vật lý cơ bản [43, 44]. Vì vậy, việc lập mô hình lý thuyết cho hệ cơ điện tử với một quy trình đồng nhất, rõ ràng và linh hoạt (từ các thành phần cơ bản thuộc các lĩnh vực khác nhau đến việc mô phỏng) là một thách thức cho sự phát triển xa hơn. Nhiều thành phần cho thấy ứng xử phi tuyến và các tính chất phi tuyến (ma sát và khe hở). Đối với những phần phức tạp hơn của quá trình, các ánh xạ đa chiều (ví dụ như ứng xử của động cơ đốt trong, ứng xử của lốp xe) cần được tích hợp.

Để thẩm định các mô hình lý thuyết, có thể sử dụng một số phương pháp nhận dạng nổi tiếng như phân tích tương quan và đo đáp ứng tần số, hoặc phân tích Fourier và phân tích phổ. Do có một số thông số chưa biết hoặc thay đổi theo thời gian, phương pháp đánh giá thông số có thể được áp dụng cho cả mô hình thời gian liên tục và mô hình với thời gian rời rạc (đặc biệt với các mô hình tuyến tính theo các thông số) [42,45,46]. Để nhận dạng và xấp xỉ đặc các tính phi tuyến, đa chiều, các mạng trí tuệ nhân tạo có thể được triển khai cho các quá trình động lực phi tuyến [47].

Mô phỏng thời gian thực

Mô phỏng thời gian thực được áp dụng ngày càng nhiều trong thiết kế hệ cơ điện tử. Điều này đặc biệt đúng nếu quá trình, phần cứng, phần mềm được phát triển đồng thời nhằm tối thiểu hoá các vòng phát triển lặp cũng như rút ngắn khoảng thời gian đưa sản phẩm ra thị trường. Dựa trên tốc độ tính toán yêu cầu của phương pháp mô phỏng, mô phỏng thời gian thực có thể được phân nhỏ thành:

1.Mô phỏng không với giới hạn thời gian (cứng)

2.Mô phỏng thời gian thực, và

3.Mô phỏng nhanh hơn thời gian thực

Một số ví dụ áp dụng có thể thấy trên hình 2.8. Ở đây, mô phỏng thời gian thực có nghĩa là việc mô phỏng một phần được thực hiện sao cho các tín hiệu đầu ra và đầu vào chỉ ra các giá trị phụ thuộc vào cùng thời gian như thành phần vận hành động lực học trong thực tế. Điều này sẽ trở thành vấn đề đối với các quá trình có động lực học nhanh hơn so với các thuật toán và tốc độ tính toán yêu cầu.

Hình 2.9 thể hiện các loại phương pháp mô phỏng thời gian thực khác nhau. Lý do yêu cầu thời gian thực chủ yếu là do một phần của hệ thống được nghiên cứu không phải là mô phỏng mà là thực. Những trường hợp như vậy có thể được phân biệt như sau:

1.Quá trình thực có thể được vận hành cùng với điều khiển mô phỏng thông qua việc sử dụng phần cứng thay vì phần cứng cuối cùng. Quá trình này còn được gọi là “tạo mẫu điều khiển”.

2.Quá trình mô phỏng có thể được vận hành kết hợp với phần cứng điều khiển thực hay còn gọi là “mô phỏng hardware-in-the-loop”.

3.Quy trình mô phỏng được vận hành với điều khiển mô phỏng trong thời gian thực. Điều này có thể được đòi hỏi nếu không có phần hoàn chỉnh hoặc nếu muốn thực hiện bước thiết kế trước khi tiến hành mô phỏng hardware-in-the-loop.

Mô phỏng Hardware-in-the-Loop

Mô phỏng Hardware-in-the-loop (HIL) được đặc trưng bởi việc vận hành các thành phần thực kết hợp với các thành phần mô phỏng theo thời gian thực. Thường, phần cứng và phần mềm của hệ điều khiển là hệ thống thực như được dùng trong dây chuyền sản xuất. Quá trình được điều khiển (bao gồm các cơ cấu chấp hành, các quá trình vật lý và các cảm biến) có thể bao gồm cả các thành phần được mô phỏng hoặc các thành phần thực, như thấy ở hình 2.10(a). Nói chung, thường  kết hợp thực hiện các trường hợp nêu trên. Thông thường, một số cơ cấu chấp hành là thực còn quá trình và các bộ cảm biến chỉ là mô phỏng. Lý do là cơ cấu chấp hành và phần cứng điều khiển thường là một hệ thống tích hợp con hoặc do cơ cấu chấp hành rất khó được mô hình hoá chính xác và mô phỏng trong khoảng thời gian thực. (Để kết hợp sử dụng các cảm biến thực cùng với

HÌNH 2.8 Phân loại của các phương pháp mô phỏng theo tốc độ và các ví dụ ứng dụng

HÌNH 2.9 Phân loại mô phỏng thời gian thực

quá trình mô phỏng đòi hỏi phải cố gắng thực sự bởi đầu vào cảm biến vật lý không tồn tại mà phải được tạo ra một cách nhân tạo). Để thay đổi hoặc tái thiết kế một số chức năng của phần cứng hoặc phần mềm điều khiển, thiết bị phân dòng có thể được nối với phần cứng điều khiển cơ bản. Do vậy các bộ mô phỏng hardware-in-the-loop cũng bao gồm các chức năng điều khiển được mô phỏng riêng.

Nói chung, những ưu điểm của mô phỏng hardware-in-the-loop là:

–       Thiết kế và thử nghiệm phần cứng, phần mềm điều khiển mà không cần vận hành một quá trình thực nào (“chuyển lĩnh vực xử lý vào phòng thí nghiệm”);

–       Thử nghiệm phần cứng và phần mềm điều khiển ở điều kiện môi trường tới hạn trong phòng thí nghiệm (ví dụ, nhiệt độ cao/thấp, gia tốc lớn và các cú sốc cơ học, thiết bị kích thích, tính tương thích điện từ);

–       Thử nghiệm các tác động của lỗi và tình trạng không mong đợi của cơ cấu chấp hành, cảm biến và máy tính trên toàn bộ hệ thống;

–       Vận hành và thử nghiệm các điều kiện vận hành tới hạn và nguy hiểm;

–       Các thử nghiệm tái sinh, có thể lặp lại thường xuyên ;

–       Vận hành dễ dàng với các giao diện người-máy khác nhau (bộ điều khiển cho buồng tập lái máy bay); và

–       Tiết kiệm chi phí và thời gian.

HÌNH 2.10 Mô phỏng thời gian thực: Cấu trúc lai. (a) Mô phỏng Hardware-in-the-loop;                   (b) tạo mẫu điều khiển

Tạo mẫu điều khiển

Để thiết kế và thử nghiệm các hệ cơ điện tử phức tạp cũng như các thuật toán của chúng dưới sức ép thời gian thực, việc mô phỏng các bộ điều khiển theo thời gian thực kết hợp với phần cứng (ví dụ như các bộ xử lý tín hiệu có sẵn) thay vì với phần cứng thật (ví dụ như ASICS) có thể được thực hiện. Sau đó, quá trình, cơ cấu chấp hành và cảm biến sau đó có thể là thực. Đây được gọi là tạo mẫu điều khiển (hình 2.10(b)). Tuy nhiên, các phần của quá trình, hoặc cơ cấu chấp hành có thể được mô phỏng, dẫn đến sự kết hợp giữa mô phỏng HIL và việc tạo mẫu điều khiển. Ưu điểm của sự kết hợp này là:

–       Những phát triển ban đầu của phương pháp xử lý tín hiệu, các mô hình quá trình và cấu trúc hệ thống điều khiển bao gồm các thuật toán có phần mềm cao cấp và phần cứng với tính năng cao có sẵn;

–       Thử nghiệm quy trình xử lý tín hiệu và hệ thống điều khiển kết hợp với các thiết kế cơ cấu chấp hành, các phần của quá trình và cảm biến để tạo ra tác dụng hỗ trợ lẫn nhau;

–       Giảm các mô hình và thuật toán nhằm giảm giá thành sản phẩm;

–       Xác định các thông số kỹ thuật cho phần mềm và phần cứng cuối cùng

          Một số ưu điểm của mô phỏng HIL cũng có giá trị cho việc tạo mẫu điều khiển. Một số tham khảo về mô phỏng thời gian thực là [48,49].

Tài liệu tham khảo

[1]          Kyura, N. and Oho, H., Mechatronics—an industrial perspective. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1(1):10–15.

[2]           Schweitzer, G., Mechatronik-Aufgaben und Lösungen. VDI-Berichte Nr. 787. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1989.

[3]          Ovaska, S. J., Electronics and information technology in high range elevator systems. Mechatronics, 2(1):89–99, 1992.

[4]          IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1996.

[5]          Harashima, F., Tomizuka, M., and Fukuda, T., Mechatronics—“What is it, why and how?” An editorial. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1(1):1–4, 1996.

[6]          Schweitzer, G., Mechatronics—a concept with examples in active magnetic bearings. Mechatronics,2(1):65–74, 1992.

[7]          Gausemeier, J., Brexel, D., Frank, Th., and Humpert, A., Integrated product development. In Third Conf. Mechatronics and Robotics, Paderborn, Germany, Okt. 4–6, 1995. Teubner, Stuttgart, 1995.

[8]          Isermann, R., Modeling and design methodology for mechatronic systems. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1(1):16–28, 1996.

[9]          Mechatronics: An International Journal. Aims and Scope. Pergamon Press, Oxford, 1991.

[10]      Mechatronics Systems Engineering: International Journal on Design and Application of Integrated Electromechanical Systems. Kluwer Academic Publishers, Nethol, 1993.

[11]      IEE, Mechatronics: Designing intelligent machines. In Proc. IEE-Int. Conf. 12–13 Sep., Univ. of Cambridge, 1990.

[12]      Hiller, M. (ed.), Second Conf. Mechatronics and Robotics. September 27–29, Duisburg/Moers, Germany, 1993. Moers, IMECH, 1993.

[13]      Isermann, R. (ed.), Integrierte mechanisch elektroni-sche Systeme. March 2–3, Darmstadt, Germany, 1993. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 12 Nr. 179. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1993.

[14]      Lückel, J. (ed.), Third Conf. Mechatronics and Robotics, Paderborn, Germany, Oct. 4–6, 1995. Teubner, Stuttgart, 1995.

[15]      Kaynak, O., Özkan, M., Bekiroglu, N., and Tunay, I. (eds.), Recent advances in mechatronics. In Proc. Int. Conf. Recent Advances in Mechatronics, August 14–16, 1995,

[16]      Istanbul, Turkey. Kitaura, K., Industrial mechatronics. New East Business Ltd., in Japanese, 1991.

[17]      Bradley, D. A., Dawson, D., Burd, D., and Loader, A. J., Mechatronics-Electronics in Products and Processes. Chapman and Hall, London, 1991.

[18]      McConaill, P. A., Drews, P., and Robrock, K. H., Mechatronics and Robotics I. IOS-Press, Amsterdam, 1991.

[19]      Isermann, R., Mechatronische Systeme. Springer, Berlin, 1999.

[20]      Isermann, R., Lachmann, K. H., and Matko, D., Adaptive Control Systems, Prentice-Hall, London, 1992.

[21]      Isermann, R., Supervision, fault detection and fault diagnosis methods—advanced methods and applications. In Proc. XIV IMEKO World Congress, Vol. 1, pp. 1–28, Tampere, Finland, 1997.

[22]      Isermann, R., Supervision, fault detection and fault diagnosis methods—an introduction, special section on supervision, fault detection and diagnosis. Control Engineering Practice, 5(5):639–652, 1997.

[23]      Isermann, R. (ed.), Special section on supervision, fault detection and diagnosis. Control Engineering Practice, 5(5):1997. ©2002 CRC Press LLC

[24]      Saridis, G. N., Self Organizing Control of Stochastic Systems. Marcel Dekker, New York, 1977.

[25]      Saridis, G. N. and Valavanis, K. P., Analytical design of intelligent machines. Automatica, 24:123–133, 1988.

[26]      Åström, K. J., Intelligent control. In Proc. European Control Conf., Grenoble, 1991.

[27]      White, D. A. and Sofge, D. A. (eds.), Handbook of Intelligent Control. Van Norstrad, Reinhold, New York, 1992.

[28]      Antaklis, P., Defining intelligent control. IEEE Control Systems, Vol. June: 4–66, 1994.

[29]      Gupta, M. M. and Sinha, N. K., Intelligent Control Systems. IEEE-Press, New York, 1996.

[30]      Harris, C. J. (ed.), Advances in Intelligent Control. Taylor & Francis, London, 1994.

[31]      Otter, M. and Gruebel, G., Direct physical modeling and automatic code generation for mechatronics simulation. In Proc. 2nd Conf. Mechatronics and Robotics, Duisburg, Sep. 27–29, IMECH, Moers, 1993.

[32]      Elmquist, H., Object-oriented modeling and automatic formula manipulation in Dymola, Scandin. Simul. Society SIMS, June, Kongsberg, 1993.

[33]      Hiller, M., Modelling, simulation and control design for large and heavy manipulators. In Proc. Int. Conf. Recent Advances in Mechatronics. 1:78–85, Istanbul, Turkey, 1995.

[34]      James, J., Cellier, F., Pang, G., Gray, J., and Mattson, S. E., The state of computer-aided control system design (CACSD). IEEE Transactions on Control Systems, Special Issue, April 6–7 (1995).

[35]      Otter, M. and Elmqvist, H., Energy flow modeling of mechatronic systems via object diagrams. In Proc. 2nd MATHMOD, Vienna, 705–710, 1997.

[36]      Paynter, H. M., Analysis and Design of Engineering Systems. MIT Press, Cambridge, 1961.

[37]      MacFarlane, A. G. J., Engineering Systems Analysis. G. G. Harrop, Cambridge, 1964.

[38]      Wellstead, P. E., Introduction to Physical System Modelling. Academic Press, London, 1979.

[39]      Karnopp, D. C., Margolis, D. L., and Rosenberg, R. C., System Dynamics. A Unified Approach. J. Wiley, New York, 1990.

[40]      Cellier, F. E., Continuous System Modelling. Springer, Berlin, 1991.

[41]      Gawtrop, F. E. and Smith, L., Metamodelling: Bond Graphs and Dynamic Systems. Prentice-Hall, London, 1996.

[42]      Eykhoff, P., System Identification. John Wiley & Sons, London, 1974.

[43]      Elmqvist, H., A structured model language for large continuous systems. Ph.D. Dissertation, Report CODEN: LUTFD2/(TFRT-1015) Dept. of Aut. Control, Lund Institute of Technology, Sweden, 1978.

[44]      Elmqvist, H. and Mattson, S. E., Simulator for dynamical systems using graphics and equations for modeling. IEEE Control Systems Magazine, 9(1):53–58, 1989.

[45]      Isermann, R., Identifikation dynamischer Systeme. 2nd Ed., Vol. 1 and 2. Springer, Berlin, 1992.

[46]      Ljung, L., System Identification: Theory for the User. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1987.

[47]      Isermann, R., Ernst, S., and Nelles, O., Identification with dynamic neural networks—architectures, comparisons, applications—Plenary. In Proc. IFAC Symp. System Identification (SYSID’97), Vol. 3, pp. 997–1022, Fukuoka, Japan, 1997.

[48]      Hanselmann, H., Hardware-in-the-loop simulation as a standard approach for development, customization, and production test, SAE 930207, 1993.

[49]      Isermann, R., Schaffnit, J., and Sinsel, S., Hardware-in-the-loop simulation for the design and testing of engine control systems. Control Engineering Practice, 7(7):643–653, 1999.

3 

Giao diện hệ thống, thiết bị

và hệ thống điều khiển

Rick Homkes

Purdue University

3.1.... Giới thiệu. 3-1

3.2.... Các tín hiệu đầu vào của hệ cơ điện tử. 3-3

3.3.... Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử. 3-5

3.4.... Xử lý tín hiệu. 3-7

3.5.... Điều khiển dùng vi xử lý. 3-8

3.6.... Điều khiển số dùng vi xử lý. 3-9

3.7.... Điều khiển vào-ra của bộ vi xử lý. 3-10

3.8.... Điều khiển bằng phần mềm.. 3-12

3.9.... Kiểm thử và thiết bị3-14

3.10.. Tóm tắt3-15

3.1         Giới thiệu

Mục đích của chương này là nhằm giới thiệu một số vấn đề liên quan đến một hệ cơ điện tử. Mở đầu là tổng quan về các hệ cơ điện tử và các tín hiệu đầu vào và đầu ra của một hệ cơ điện tử. Tiếp theo sẽ giới thiệu về các đặc trưng đầu vào và ra của bộ vi xử lý. Phần mềm, thường ít được chú ý tới trong hệ cơ điện tử, sẽ được trình bày ngắn gọn bằng việc nhấn mạnh các khái niệm kỹ thuật phần mềm. Chương này cũng bao gồm một phần nhỏ về kiểm thử và thiết bị kiểm thử.

Hệ cơ điện tử

Hình 3.1 chỉ ra một hệ cơ điện tử điển hình với các thành phần cơ khí, điện và máy tính. Quá trình thu thập dữ liệu hệ thống bắt đầu với việc đo một đại lượng vật lý bằng một cảm biến. Cảm biến có khả năng tạo ra một số dạng tín hiệu, thường là một tín hiệu tương tự dưới dạng mức điện áp hoặc dạng sóng. Tín hiệu tương tự này được truyền đến bộ biến đổi tương tự-số (ADC). Thông thường, bằng việc sử dụng xấp xỉ liên tiếp, ADC sẽ ánh xạ tín hiệu đầu vào tương tự sang tín hiệu đầu ra số. Giá trị số này bao gồm một tập các giá trị nhị phân gọi là bit (thường được biểu diễn bằng các số 0 và 1). Tập các bit biểu diễn số cơ số 10 hoặc cơ số 16 có thể được dùng cho bộ vi điều khiển. Bộ vi điều khiển bao gồm một bộ vi xử lý cộng thêm bộ nhớ và các thiết bị phụ trợ khác. Chương trình trong bộ vi xử lý sử dụng giá trị số này cùng với các đầu vào khác và giá trị được tải trước được gọi là giá trị chuẩn để xác định các lệnh đầu ra. Giống như đầu vào của bộ vi xử lý, những đầu ra này có dạng số và có thể được biểu diễn bằng một tập các bit. Sau đó bộ biến đổi số-tương tự (DAC) thường được sử dụng để chuyển đổi giá trị số thành một tín hiệu tương tự. Tín hiệu tương tự dùng cho một cơ cấu chấp hành để điều khiển một thiết bị vật lý hoặc tác động lên môi trường vật lý. Sau đó, bộ cảm biến sẽ thực hiện các phép đo mới và quy trình được lặp lại, như vậy một vòng lặp điều khiển phản hồi đã được hoàn thành. Thời gian cho toàn bộ quá trình vận hành này được đồng bộ hoá bằng việc sử dụng xung đồng hồ.

Ví dụ về thiết bị dân dụng/văn phòng

Một ví dụ về hệ cơ điện tử là hệ thống sưởi ấm hoặc làm lạnh thông thường ở các gia đình hoặc công sở. Những hệ thống đơn giản sử dụng một bộ điều chỉnh nhiệt lưỡng kim với các tiếp điểm điều khiển một chuyển mạch thuỷ ngân dùng để bật, tắt lò sưởi hoặc máy điều hoà. Hệ thống điều hòa hiện đại cũng sử dụng những thành phần cơ bản này cùng với các thành phần khác và điều khiển bằng chương trình máy tính. Bộ cảm biến nhiệt độ sẽ theo dõi môi trường vật lý và đưa ra mức điện áp như thể hiện ở hình 3.2 (mặc dù nói chung trên thực tế nó không hoàn toàn là một chức năng đơn giản như vậy).

HÌNH 3.1 Hệ thống điều khiển vi xử lý

HÌNH 3.2 Mức điện áp

Sau khi ADC thực hiện bước biến đổi, bộ vi điều khiển dùng các dữ liệu nhiệt độ được số hoá cùng với một bộ tạo xung đồng hồ 24 giờ và mức nhiệt độ người sử dụng yêu cầu để phát ra các tín hiệu điều khiển số. Tín hiệu này sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành, thường là một bộ ngắt điện đơn giản trong ví dụ này.

Tiếp theo, bộ ngắt điện sẽ điều khiển động cơ để bật tắt thiết bị sưởi ấm hoặc làm lạnh. Các phép đo mới được thực hiện và chu trình được lặp lại. Mặc dù không phải là một sản phẩm cơ điện tử tầm cỡ như một máy ghi, nhưng nó là một hệ thống cơ điện tử bởi nó có sự kết hợp giữa các thành phần cơ khí, điện và máy tính. Hệ thống này cũng có thể kết hợp thêm một số đặc tính. Nếu nhiệt độ đo được rất cao, ví dụ 80oC, thì hoả hoạn rất có thể xảy ra. Vì thế không phải là một ý kiến hay nếu bật quạt gió hoặc đổ thêm ôxi vào lửa. Thay vào đó, hệ thống cần đặt chuông báo động hoặc sử dụng thiết bị truyền thông dữ liệu để cảnh báo hoả hoạn. Nhờ có điều khiển bằng máy tính này mà hệ thống được coi là “thông minh” ít nhất là so với những hệ thống được điều khiển dựa trên bộ ngắt mạch bằng thuỷ ngân kiểu cũ.

Ví dụ về ô tô

Ví dụ thứ hai là hệ thống phanh chống bó (ABS) ở nhiều phương tiện. Mục đích của loại hệ thống này là nhằm ngăn chặn việc khóa cứng một bánh xe, và như vậy sẽ tránh cho lái xe mất khả năng điều khiển hướng lái do bị trượt. Trong trường hợp này, các cảm biến được gắn với mỗi bánh xe để xác định vận tốc góc của các bánh. Các dữ liệu này, có thể là dạng sóng hoặc điện áp biến đổi theo thời gian, được truyền tới bộ vi điều khiển cùng với dữ liệu từ các cảm biến báo cáo về các đầu vào như vị trí phanh bàn đạp, tốc độ xe và độ lệch hướng. Sau quá trình biến đổi của ADC hoặc chương trình lưu giữ đầu vào thành một giá trị số, chương trình của bộ vi xử lý sẽ xác định hành động cần thiết. Đây chính là điểm khiến cho hướng phát triển giao diện người-máy tính (HCI) hoặc giao diện người-máy (HMI) trở thành hiện thực bằng việc tính đến “cảm nhận” của hệ thống đối với người sử dụng. Việc hiệu chuẩn hệ thống có thể điều chỉnh những phản ứng của người lái trong khi cho xe dừng lại bằng cách điều khiển phanh thông qua cơ cấu chấp hành. Có hai điều quan trọng cần lưu ý trong ví dụ này. Thứ nhất, cuối cùng xe cũng sẽ bị dừng lại do thuỷ lực tác động lên má phanh để giữ trống tang và roto – một chức năng hoàn toàn cơ học. Thứ hai, mặc dù ABS là một “sản phẩm thông minh”nhưng không phải là một thiết bị độc lập. Nó là một phần của hệ thống lớn hơn với nhiều bộ vi điều khiển hoạt động cùng nhau thông qua mạng dữ liệu.

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:

Nhị phân

Thập phân

Điện áp

0000 0000

0

0.0

0000 0001

1

0.00390625

1000 0000

128

6.0

1111 1111

255

11.953125

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.

3.3         Các tín hiệu đầu ra của hệ cơ điện tử

Bộ biến đổi số-tương tự

Lệnh đầu ra của bộ vi điều khiển là một giá trị nhị phân dưới dạng bit, byte (8 bit) hoặc từ (16 bit). Tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự bằng cách dùng bộ biến đổi số-tương tự (DCA – Digital-to-Analog Converter). Chúng ta hãy xem xét việc biến đổi một giá trị 8 bit thành mức điện áp trong khoảng từ 0 đến 12 V. Bit có trọng số cao nhất của giá trị nhị phân được biến đổi (số thập phân 128) sẽ tạo ra giá trị tương tự bằng một nửa giá trị đầu vào lớn nhất là 6 V. Số tiếp theo sinh ra thêm ¼ tương đương với 3 V, kế đó là thêm 1/8, v.v... Tổng tất cả các giá trị đầu ra đã được cân chỉnh này tương ứng với điện áp tương tự thích hợp. Như đã nêu ở phần trước, giá trị điện áp tối đa của dải là không thể đạt được bởi vì giá trị lớn nhất được sinh ra là 255/256 của

HÌNH 3.7 Đầu ra bước của DAC

HÌNH 3.8 Điều biến độ rộng xung

12V tương đương với 11.953125 V. Độ mịn của tín hiệu phụ thuộc vào số lượng bit DAC chấp nhận và dải đầu ra yêu cầu. Hình 3.7 minh họa hàm bước đã được đơn giản hoá bằng cách dùng đầu vào nhị phân một byte và đầu ra tương tự 12 V.

Đầu ra cơ cấu chấp hành

Giống như bộ cảm biến, cơ cấu chấp hành đã được giới thiệu lần đầu ở phần trước và sẽ được mô tả chi tiết trong chương tiếp theo của cuốn sách này. Ba cơ cấu chấp hành thông thường được xem xét ở phần này là bộ ngắt mạch, nam châm điện có lõi dài, và động cơ. Bộ ngắt mạch là thiết bị trạng thái đơn giản để điều khiển một hoạt động nào đó như bật, tắt lò sưởi. Các loại ngắt mạch bao gồm các rơ-le và các thiết bị ngắt liền khối như đi-ốt, thryisto, tranzito lưỡng cực, tranzito trường (FET và MOSFET). Bộ ngắt mạch có thể được kết hợp với bộ cảm biến, giúp bật, tắt toàn bộ hoặc một chức năng của bộ cảm biến.

Nam châm điện có lõi dài là thiết bị bao gồm lõi sắt chuyển động được. Lõi sắt này được kích hoạt bởi một dòng điện. Sự chuyển động của nó giúp điều khiển dòng thuỷ lực hoặc khí nén. Thiết bị này được ứng dụng rất nhiều trong các hệ thống phanh, trong công nghiệp chất lỏng. Chương sau sẽ giới thiệu cụ thể hơn về cơ cấu chấp hành loại nam châm điện có lõi dài. Động cơ là loại cơ cấu chấp hành cuối cùng sẽ được tóm tắt ở phần này. Dạng cơ cấu chấp hành này có ba loại chính: dòng điện một chiều (DC), dòng điện xoay chiều (AC), và động cơ bước. Động cơ DC có thể được điều khiển bởi điện áp DC cố định hoặc bởi tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM). Trong tín hiệu điều chế độ rộng xung như thấy ở hình 3.8, điện áp lần lượt được bật, tắt khi thay đổi (điều chế) độ rộng của tín hiệu thời gian bật hoặc chu kỳ làm việc. Nhìn chung động cơ AC rẻ hơn động cơ DC nhưng đòi hỏi điều khiển tần số để điều khiển tốc độ quay. Động cơ bước chuyển động bằng cách quay một số độ nhất định để đáp ứng một xung đầu vào.

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.

3.5         Điều khiển dùng vi xử lý

Điều khiển PID

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng thái mong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số. Điều khiển PID thực hiện ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số này. Cách thứ nhất là P (proprotional – tỷ lệ) trong PID. Thuật ngữ này cho biết hoạt động điều khiển của bộ vi điều khiển tỷ lệ với sai số. Nói cách khác, sai số càng lớn thì sự hiệu chỉnh sai số càng cao. Cách thứ hai là I (integral – tích phân) trong PID, để tích phân lỗi theo thời gian, có nghĩa là hiệu chỉnh sai số có tính đến thời gian xảy ra sai số. Nói cách khác, sai số xảy ra trong thời gian càng dài thì sự hiệu chỉnh lỗi càng cao. Cuối cùng là D (derivative – đạo hàm) trong PID, có nghĩa là việc hiệu chỉnh sai số có liên quan đến đạo hàm hoặc thay đổi sai số đối với thời gian. Nói cách khác, sai số thay đổi càng nhanh thì hiệu chỉnh sai số càng lớn. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD, hoặc PID để hiệu chỉnh sai số. Nhìn chung, vấn đề ở đây là “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trị thích hợp trong ba cách nêu trên. Xem chương 31 để biết thêm thông tin về thiết kế bộ điều khiển.

Bộ điều khiển logic khả trình

Bất kỳ một bàn luận nào về các hệ thống điều khiển và điều khiển dùng vi xử lý cũng đều bắt đầu từ dạng điều khiển “cơ điện tử” đầu tiên là bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controllers). PLC là một bộ điều khiển đơn giản nhưng linh hoạt hơn được thiết kế dùng trong các môi trường như nhà máy, xí nghiệp. Đầu vào thường từ các  chuyển mạch như các nút ấn được điều khiển bởi người vận hành máy hoặc các bộ cảm biến vị trí. Các bộ định thời cũng có thể được lập trình trong PLC để vận hành một quy trình nhất định trong các khoảng thời gian định trước. Các đầu ra bao gồm đèn, van solenoit, và động cơ với các giao diện đầu vào-đầu ra được thực hiện bên trong bộ điều khiển. Một ngôn ngữ lập trình đơn giản được sử dụng với PLC được gọi là logic hình thang hoặc ngôn ngữ lập trình hình thang. Logic hình thang là ngôn ngữ trực quan cho biết logic là sự liên kết các khối nối tiếp (AND) và song song (OR). Để biết thêm thông tin, hãy xem Chương 43 và ấn phẩm Programmable Logic Controllers của W. Bolton (Newnes 1996).

Bộ vi xử lý

Giải thích đầy đủ về bộ vi xử lý có thể tìm thấy ở mục 5.8. Ở mục này, chúng ta chỉ cần biết chút ít về các bộ phận cấu thành trong cấu trúc máy tính. RAM (random access memory-bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) là tập hợp các vị trí bộ nhớ, máy tính sử dụng để lưu dữ liệu tạm thời một cách tức thì. Các kênh phát thanh định sẵn do lái xe (hoặc hành khách) lựa chọn trong radio của xe ôtô được lưu ở RAM. Một dòng điện nhỏ có chức năng duy trì những tần số phát sóng được lưu lại này cho nên nếu radio hết pin thì các dữ liệu sẽ bị mất hết. ROM (read only memory - bộ nhớ chỉ đọc) là bộ nhớ tĩnh chứa chương trình để chạy bộ vi điều khiển. Do đó, chương trình lưu trong radio sẽ không bị mất đi khi hết pin. Một số loại ROM bao gồm bộ nhớ ROM xoá và lập trình được (EPROM – erasable programmable ROM), bộ nhớ ROM xoá và lập trình được bằng điện (EEPROM – electrically erasable programmable ROM) và bộ nhớ flash (một dạng mới hơn cả EEPROM). Tất cả những bộ nhớ này sẽ được trình bày ở phần sau của cuốn sách.  Ngoài ra còn có một số nơi lưu trữ dữ liệu đặc biệt trong bộ vi xử lý gọi là thanh ghi. Các thanh ghi là nơi lưu dữ liệu nhanh. Chúng sẽ tạm thời lưu địa chỉ lệnh chương trình đang hoạt động, các giá trị tức thời cần thiết để hoàn thành việc tính toán, các dữ liệu cần cho việc so sánh và các dữ liệu đầu ra, đầu vào. Địa chỉ và các dữ liệu được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác trong RAM, ROM, thanh ghi bằng cách sử dụng bus, và một tập hợp các đường truyền đồng thời đa bit.

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.

3.7         Điều khiển vào-ra của bộ vi xử lý

Hỏi vòng và ngắt

Có hai phương pháp cơ bản để bộ vi xử lý điều khiển vào/ra là hỏi vòng và ngắt. Hỏi vòng có nghĩa là bộ vi xử lý sẽ kiểm tra định kỳ các thiết bị ngoại vi khác nhau để xác định đầu vào hoặc đầu ra nào đang chờ. Nếu một thiết bị ngoại vi có một vài đầu vào hoặc đầu ra nào đó cần được xử lý thì cờ sẽ được thiết lập. Vấn đề là ở chỗ rất nhiều thời gian xử lý đã bị lãng phí cho việc kiểm tra các đầu vào trong khi chúng không có gì thay đổi.

Phục vụ ngắt là một phương pháp khác để điều khiển các đầu vào và các đầu ra. Theo phương pháp này, thanh ghi trong bộ vi xử lý phải thiết lập một bit có khả năng cho phép ngắt (IE- Interrupt Enable) cho một thiết bị ngoại vi nhất định. Khi một thiết bị ngoại vi khởi tạo ngắt, một cờ sẽ được thiết lập cho bộ vi xử lý. Đường yêu cầu ngắt (IRQ – interrupt request line) sẽ được kích hoạt và bộ vi xử lý sẽ phục vụ ngắt. Phục vụ ngắt có nghĩa là quá trình xử lý thông thường của của bộ vi xử lý sẽ bị dừng lại (ngắt) để trao đổi dữ liệu với thiết bị ngoại vi. Để tiếp tục được lại quá trình xử lý thông thường, bộ vi xử lý cần lưu dữ liệu của các thanh ghi trước khi thực hiện ngắt. Quy trình này bao gồm việc lưu tất cả các dữ liệu hiện thời của thanh ghi vào một ngăn xếp, một phần của RAM dành riêng cho mục đích này, trong một quy trình gọi là đẩy (push).Sau quy trình đẩy, bộ vi xử lý có thể tải địa chỉ của chương trình phục vụ ngắt và thực hiện việc trao đổi dữ liệu theo yêu cầu. Khi việc phân chia mã đó được hoàn thành, các dữ liệu trong ngăn xếp lại được tải về thanh ghi trong một chu trình gọi là bật (Pop) hoặc kéo (Pull) và tiếp tục quá trình xử lý thông thường.

Truyền dữ liệu vào - ra

Khi đầu vào hoặc đầu ra sẵn sàng cho việc truyền dữ liệu, chúng ta có thể sử dụng một vài phương thức truyền. Thứ nhất, dữ liệu có thể được truyền theo phương thức song song hoặc nối tiếp. Phương thức song song có nghĩa là nhiều bit (16 bit chẳng hạn) di chuyển song song xuống đa đường dẫn hoặc bus đa nhánh từ nguồn tới đích. Phương thức nối tiếp có nghĩa là bit di chuyển riêng biệt, nối tiếp nhau xuống một đường dẫn đơn lẻ. Truyền theo phương thức song song nhanh hơn do nhiều bit cùng nhau di chuyển, nhưng số lượng đường dẫn lại là một nhược điểm. Vì lý do này, phương thức song song thường được sử dụng cho các thành phần gần nhau còn phương thức nối tiếp được sử dụng khi các thành phần xa nhau.

Việc truyền nối tiếp có thể được phân biệt dựa trên tính đồng bộ và không đồng bộ. Với phương thức truyền dữ liệu không đồng bộ, bên gửi và bên nhận dữ liệu sử dụng các đồng hồ riêng. Do những đồng hồ này không đồng bộ nên cần có các bit thêm vào được gọi là bit start và stop để định rõ ranh giới các byte đang được truyền. Phương thức truyền dữ liệu đồng bộ sử dụng nguồn thời gian chung hoặc đồng bộ. Do vậy các bit start, bit stop không cần nữa và lượng thông tin truyền sẽ tăng lên.

Cách thứ ba để phân loại việc truyền dữ liệu là dựa vào hướng. Đường truyền đơn công là đường dẫn một hướng. Dữ liệu đi từ bộ cảm biến đến bộ vi điều khiển có thể được truyền theo phương thức truyền đơn công. Phương thức truyền bán song công cho phép truyền dữ liệu theo hai chiều, nhưng chỉ thực hiện truyền theo từng chiều một. Phương thức này đòi hỏi cần có cơ chế điều khiển luồng để tránh lỗi xảy ra khi truyền dữ liệu. Phương thức truyền song công toàn phần cho phép truyền dữ liệu theo hai chiều một cách đồng thời.

Sự thoả thuận giữa các thiết bị gửi và nhận tin có tính đến các tham số truyền dữ liệu (như tốc độ truyền) được gọi là phương thức bắt tay (handshaking).

Các hệ thống con vào – ra của bộ vi điều khiển  HC12

Có bốn hệ thống con vào-ra của bộ vi điều khiển Motorola HC12, có thể được dùng làm ví dụ cho phần truyền dữ liệu trình bày ở trên.

Giao diện truyền thông nối tiếp (SCI-serial communications interface) là một thiết bị nối tiếp không đồng bộ trong HC12. Nó có thể được  điều khiển theo phương pháp hỏi vòng hoặcngắt và được dùng để truyền thông giữa các thiết bị điều khiển từ xa. Liên quan tới SCI là giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI-serial peripheral interface). SPI là một giao diện nối tiếp đồng bộ. Nó được dùng để truyền thông giữa các các thiết bị hỗ trợ SPI như một mạng nhiều bộ vi điều khiển. Do nhu cầu đồng bộ hoá về mặt thời gian nên SIP phải dùng đến hệ thống các mối quan hệ chủ/tớ giữa các bộ vi điều khiển.

Hệ thống con điều chế độ rộng xung (PWM) thường được dùng trong điều khiển động cơ và cuộn cảm. Việc sử dụng thanh ghi được thiết kế để dùng cho cả thiết bị PWM và bộ vi xử lý, đầu ra của PWM có thể được điều khiển bằng cách đặt các giá trị cho từng chu kỳ và chu trình làm việc trong các thanh ghi thích hợp. Điều này sẽ tạo ra một lệnh bật và tắt điện áp riêng.

Cuối cùng là bộ gỡ lỗi tuần tự có sẵn (SDI- serial in-circuit debugger) cho phép bộ vi điều khiển được nối với PC để kiểm tra và điều chỉnh phần mềm nhúng.

Hệ thống mạng của bộ vi điều khiển

Đây là nội dung cuối cùng về các thiết bị vào và ra cần được trình bày trong phần này. Hệ thống cơ điện tử thường vận hành đồng thời với các hệ thống khác trong cùng một mạng. Do đó, dữ liệu và các lệnh sẽ được chuyển tải từ hệ thống này sang hệ thống khác. Trong khi có rất nhiều giao thức khác nhau, cả loại mở và không mở được nói đến trong hệ thống mạng này, thì chỉ có hai loại phục vụ cho mục đích nghiên cứu của chúng ta. Loại thứ nhất là giao thức dùng trong tự động hoá sản xuất (MAP- manufacturing automation protocol) của tập đoàn General Motors. Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình liên kết hệ thống mở ISO ( OSI- Open Systems Interconnection) và được thiết kế đặc biệt cho hệ sản xuất tích hợp và các PLCs. Loại thứ hai là

HÌNH 3.10 Nguyên lý Cơ điện tử

mạng điều khiển diện rộng (CAN-Controller Area Network). Robert Bosch GmbH là người phát triển tiêu chuẩn truyền thông nối tiếp dùng cho các hệ thống nhúng trong ôtô.

3.8         Điều khiển bằng phần mềm

Kỹ thuật hệ thống

Kỹ thuật hệ thống là cách tiếp cận hệ thống trong việc thiết kế và phát triển các sản phẩm cũng như các hệ thống. Hình 3.10 chỉ ra mối quan hệ giữa các khả năng kỹ thuật chính với hệ cơ điện tử. Các khả năng lực kỹ thuật hệ thống bao gồm các khả năng về cơ khí, điện và phần mềm. Có một vài nhiệm vụ quan trọng mà các kỹ sư hệ thống cần thực hiện, bắt đầu bằng việc thu thập các yêu cầu, tiếp đến là thông qua việc kiểm tra, xác nhận hệ thống và sản phẩm hoàn chỉnh. Sau khi thu thập và phân tích các yêu cầu, các kỹ sư hệ thống cần phân chia chức năng của các yêu cầu giữa các thành phần cơ khí, điện và phần mềm dựa trên ba khả năng liên quan. Đây là một phần trong việc thực thi các kỹ thuật hệ thống một cách đồng thời. Như đã chỉ ra trong hình, phần mềm cũng có vai trò tương đương trong việc phát triển hệ thống cơ điện tử. Trước kia, đôi khi người ta cho rằng phần mềm không phải là một bộ phận độc lập, cấu thành nên hệ thống cơ điện tử. Mặc dù cụm từ “Phần cứng làm tăng chi phí, phần mềm tạo thêm giá trị” không hoàn toàn đúng, nhưng đôi khi các kỹ sư phần mềm vẫn cảm thấy rằng khả năng của họ không được đánh giá ngang bằng với các ngành kỹ thuật truyền thống. Một điều cuối cùng nữa là rất nhiều hệ cơ điện tử là các hệ thống an toàn như hệ thống túi khí trong ôtô. Vì vậy việc chịu được lỗi trong phần mềm cũng là vấn đề quan trọng như trong phần cứng.

Kỹ thuật phần mềm

Kỹ thuật phần mềm liên quan đến cả quy trình phát triển cơ điện tử và “sản phẩm” cơ điện tử hoàn chỉnh. Có hai phương pháp cơ bản với những biến thể khác nhau được dùng trong quá trình. Phương pháp thứ nhất được gọi là phương pháp “thác nước" (waterfall), ở đó quá trình sẽ tiến triển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác (ví dụ như từ phân tích đến thiết kế) với các điểm kiểm tra được đánh dấu dọc theo quá trình. Phương pháp thứ hai với tên gọi phương pháp “xoắn ốc" (spiral) được áp dụng khi các yêu cầu là không cố định. Trong phương pháp này có việc tạo mẫu để khách hàng và/hoặc các kỹ sư hệ thống có thể cải tiến các yêu cầu khi biết thêm các thông tin về hệ thống. Trong cả hai phương pháp, khi các yêu cầu về việc chia nhỏ phần mềm của hệ thống cơ điện tử được thể hiện, các kỹ sư phần mềm nên chia nhỏ chức năng thành các phần nhỏ hơn của thiết kế phần mềm. Các thông số như thời gian, chi phí phát triển, dung lượng bộ nhớ và lượng thông tin được truyền cũng cần được lên kế hoạch và lưu lại. Người ta có thể sử dụng các cấp khác nhau của mô hình SEI CMM (Software Engineering Institute’s Capability Maturity Model) để thực hiện các thao tác trên.Rõ ràng việc phát triển phần mềm không phải là một công việc dễ dàng như người ta vẫn nghĩ và một hệ thống chỉ có thể duy trì ở mức “90% hoàn thiện” trong suốt quá

HÌNH 3.11 Lớp phần mềm Cơ điện tử

trình phát triển. Giải pháp đầu tiên cho vấn đề này thường là phân công thêm nhiều kỹ sư phần mềm hơn cho dự án. Tuy nhiên, không phải giải pháp này lúc nào cũng thực hiện được bởi có sự khác nhau về kiến thức của những người mới như Frederick Brooks đã chỉ ra trong cuốn sách quan trọng của mình mang tựa đề The Mythical Man Month (Addison-Wesley 1995).

Thiết kế phần mềm

Có lẽ các phần quan trọng nhất trong thiết kế phần mềm cho hệ cơ điện tử là có thể thấy được từ cấu trúc phân tầng ở hình 3.11. Bắt đầu từ các yêu cầu đến phần cứng, sự phân tầng này nhằm phục vụ một số mục đích khác nhau. Mục đích quan trọng nhất là nó tách các chức năng cơ điện tử khỏi quá trình vận hành. Hiểu một cách đơn giản là tầng ở trên không can hệ tới cách thực hiện nhiệm vụ của tầng dưới. Thay vào đó, mỗi tầng được chỉ thị bởi tầng ở trên nó và nhận dịch vụ hoặc trạng thái từ tầng bên dưới nó. Việc vượt qua ranh giới của hơn một tầng là một kỹ thuật không được khuyến khích và sau này có thể gây rắc rối cho quy trình thiết kế. Nên nhớ rằng việc trừu tượng hoá quy trình là rất hữu ích vì một hệ thống cơ điện tử có các thành phần cơ khí, điện và phần mềm được phát triển đồng thời. Một thay đổi trong giao diện bộ cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành chỉ đòi hỏi sự thay đổi ở tầng ngay trên nó là tầng điều khiển. Trong điều kiện kinh doanh hiện nay, rất khó cho những người làm việc ở các tầng khác nhau hợp tác với nhau. Hơn nữa, việc thiết kế phần mềm diễn ra ở nhiều nơi, nhiều quốc gia lại không mấy phổ biến. Nếu không có sự phân chia rõ ràng giữa những tầng này thì rất dễ xảy ra xung đột.

Để biết thêm thông tin chi tiết về vấn đề này và những vấn đề khác trong kỹ thuật phần mềm như sự hợp lại, sự cố kết và tái sử dụng phần mềm, hãy xem chương 49 trong cuốn sách này, hoặc xem cuốn “Software Engineering: A practitioner’s Approach của Roger Pressman (McGraw Hill 2000), và cuốn “Code Complete” của  Steve McConnel (Microsoft Press 1993).

3.9         Kiểm thử và thiết bị

Kiểm tra và xác nhận

Kiểm tra và xác nhận là những nhiệm vụ có liên quan đến nhau cần được thực hiện trong suốt thời gian sống của sản phẩm hoặc hệ thống cơ điện tử. Trong cuốn “Software Engineering Economics”(Prentice-Hall 1988), Boehm đã miêu tả việc kiểm tra giống như việc “xây dựng đúng sản phẩm – Building the product right” trong khi xác nhận lại giống việc “xây dựng sản phẩm đúng – Building the right product”. Nói cách khác, kiểm tra là việc thử phần mềm và sản phẩm để chắc chắn rằng nó được xây dựng theo đúng thiết kế. Mặt khác, xác nhận là nhằm đảm bảo phần mềm được xây dựng theo đúng yêu cầu của khách hàng. Như đã trình bày ở trên, kiểm tra và xác nhận là những nhiệm vụ phải thực hiên trong vòng thời gian sống của sản phẩm, chứ không phải nhiệm vụ được hoàn thành trước khi hệ thống được đưa vào sản xuất. Một trong những kỹ thuật đơn giản và hữu ích nhất là việc duyệt lại quá trình kiểm tra và xác nhận phần cứng, phần mềm. Các kỹ sư hệ thống, những người có am hiểu sâu sắc nhất về những nhu cầu của khách hàng cần được tham gia vào việc duyệt lại quá trình xác nhận phần cứng, phần mềm.Việc duyệt lại quá trình xác nhận thiết kế phần cứng, mã phần mềm là một biện pháp tuyệt vời nhằm tìm kiếm lỗi ngay trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển hệ thống. Các nhà quản lý có thể sẽ phải quyết định tập trung tìm lỗi ngay trong giai đoạn đầu khi lỗi dễ dàng được sửa hơn, hay trong giai đoạn cuối khi lỗi trở nên rõ ràng hơn. Hãy xem xét sự khác nhau giữa việc duyệt lại mã để phát hiện lỗi và yêu cầu nhà sản xuất thay đổi hoặc sửa chữa lại với việc tìm ra lỗi sau khi sản phẩm đã được bán, khi đó một sản phẩm đắt tiền có thể bị yêu cầu hủy bỏ.

Bộ gỡ lỗi

Edsgar Dijkstra, người đi tiên phong trong việc phát triển lập trình thành một môn học, không khuyến khích dùng thuật ngữ “bug” và “debug” vì ông cho rằng những thuật ngữ này không có lợi cho kỹ thuật phần mềm. Tuy nhiên, chúng lại thường xuyên được sử dụng trong lĩnh vực này. Bộ gỡ lỗi là một chương trình phần mềm cho phép xem xét vấn đề gì đang xảy ra đối với mã và dữ liệu chương trình khi đang chạy chương trình. Nhìn chung, thiết bị này vận hành trên một máy tính cá nhân được nối với một dạng đặc biệt của bộ vi điều khiển cao cấp gọi là bộ mô phỏng. Mặc dù thiết bị gỡ lỗi có thể rất hữu ích trong việc tìm và sửa lỗi dưới dạng mã, nhưng chúng lại không ở thời gian thực, và do đó có thể tạo ra những lỗi vận hành đúng cách trong máy tính (COP – Computer operating properly errors). Tuy nhiên, nếu chế độ gỡ lỗi cơ sở (BMD – Background debug mode) được ứng dụng trong bộ vi xử lý thì thiết bị gỡ lỗi có thể được dùng thành từng bước thông qua thuật toán của chương trình nhằm đảm bảo rằng mã vẫn đang vận hành như mong muốn. Có thể kiểm tra được các giá trị biến đổi tức thời và cuối cùng, đặc biệt là những giá trị có liên quan đến một giá trị đầu vào hoặc đầu ra số nào đó. Hầu hết các bộ gỡ lỗi đều cho phép mở đồng thời nhiều cửa sổ, đặt các điểm ngắt chương trình đang chạy bằng mã và thậm chí đôi khi cả việc làm hiện lại chương trình trongbộ mô phỏng vi xử lý.Điển hình là thiết bị gỡ lỗi Noral trong Motorola HC12.

Phần mềm trong bộ vi điều khiển có thể kiểm tra phần cứng và tự kiểm tra chính nó. Bằng việc lập trình việc kiểm tra tổng của các phần được xác định của ROM và/hoặc EFROM, phần mềm có thể kiểm tra để đảm bảo rằng chương trình và dữ liệu vẫn đúng. Thông qua việc ghi và đọc có chọn lọc 0x55 và 0xAA vào RAM (The “checkboard test”), chương trình có thể kiểm tra RAM và Bus vẫn đang vận hành tốt. Những thao tác khởi động này nên được thực hiện với mỗi vòng hoạt động của sản phẩm.

Bộ phân tích Logic

Bộ phân tích logic là thiết bị được dùng để giám sát và kiểm tra nhưng không can thiệp vào bộ vi điều khiển. Thiết bị này thường được nối với bộ vi điều khiển và bộ mô phỏng. Trong khi bộ vi điều khiển chạy chương trình và xử lý dữ liệu thì bộ mô phỏng mô phỏng đầu vào và hiển thị đầu ra của hệ thống. “Trigger word” có thể được đưa vào bộ phân tích logic. Nó được thể hiện dưới dạng bit nằm trên hệ thống bus do bộ phân tích logic giám sát. Với “Trigger word” này, truyền thông bus xung quanh điểm quan tâm có thể được giữ và lưu trong bộ nhớ bộ phân tích logic. Một chương trình dịch ngược trong bộ phân tích cho phép mã máy trên bus có thể được nhận biết và phân tích dưới dạng lệnh hợp ngữ của chương trình. Bộ phân tích cũng có thể lưu giữ các đầu vào số của bộ vi điều khiển nhằm xác minh rằng vòng nhiệm vụ PWM chính xác đang được thực thi. Bộ mô phỏng có thể đưa shorts hoặc opens vào hệ thống, sau đó bộ phân tích sẽ được dùng để xem xét liệu phần mềm có phản hồi chính xác với lỗi không. Bộ phân tích logic cũng có thể giám sát vòng lặp chính của hệ thống, đảm bảo rằng hệ thống hoàn thành tất cả các nhiệm vụ trong thời gian đặt ra, chẳng hạn như 15 mili giây. Một ví dụ về bộ phân tích logic là Hewlett Packard HP54620.

3.10     Tóm tắt

Chương này giới thiệu một loạt các chủ đề liên quan đến một hệ thống cơ điện tử. Những chủ đề này không chỉ bao gồm các đầu vào, đầu ra cơ điện tử và quá trình xử lý mà còn bao gồm cả thiết kế, phát triển và thử nghiệm. Các chương sau sẽ trình bày chi tiết hơn về các vấn đề này.