ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY
ĐO TỌA ĐỘ
Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ
Sinh viên thực hiện: TẠ VĂN CHÍNH - 06520047
LÊ QUANG TRỰC - 06520513
Lớp : KTMT01
Khoá : 2010 - 2014
TP. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2015
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH ẢNH
Trang 4
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TAY ĐO TỌA ĐỘ
Ngày nay, để sản phẩm có sức cạnh tranh trên thị trường thế giới cũng như
trong nước thì quy trình sản xuất phải đảm bảo được độ chính xác, mẫu mã phải đa
dạng và thay đổi liên tục, giá thành chế tạo, đo lường và kiểm tra phải thấp… Sự xuất
hiện các dòng máy CNC trong gia công cơ khí đã tạo nên đột phá đem đến khả năng
tự chế tạo trong nước các sản phẩm có hình dạng phức tạp trong thời gian ngắn, là
điều quyết định cho việc thay đổi mẫu mã. Tuy nhiên, dù việc gia công bằng máy
thường hay máy CNC thì thao tác đo và kiểm tra tra kích thước hình học là không thể
tránh khỏi, các chi tiết càng phức tạp thì càng khó khăn. Vì vậy, chúng ta rất cần các
thiết bị xác định chính xác tọa độ trên bề mặt chi tiết đi kèm với máy CNC. Thiết bị
này có thể xác định chính xác tọa độ của điểm trên bề mặt chi tiết đo ngoài việc dùng
trong đo lường, kiểm tra chất lượng sản phẩm của các bề mặt phức tạp một cách linh
hoạt, còn có khả năng mô phỏng tái tạo lại các vật thể tự nhiên và chứa đựng những
dữ liệu theo những tập tin đồ họa CAD.
Việc đo lường, đặc biệt là đo lường kích thước, ngày càng trở nên quan trọng
trong quá trình sản xuất công nghiệp. Khả năng nâng cao chất lượng sản phẩm và cải

tiến các quá trình sản xuất phụ thuộc vào chất lượng của các thiết bị đo lường. Hiện
nay ta có thể khẳng định rằng trình độ đo lường trong quá trình sản xuất chế tạo thể
hiện năng lực và tiềm năng phát triển của ngành công nghiệp một quốc gia.
Các mục tiêu chính của kĩ thuật đo kích thước hiện đại là: Độ chính xác cao; Khả
năng hiệu chỉnh (calibration) đáng tin cậy; Có khả năng tích hợp vào hệ thống sản
xuất chung.
Để có thể đạt được những mục tiêu trên đòi hỏi cần phải có những thiết bị đo
lường hiện đại, chính xác và hiệu quả, đồng thời phải nghiên cứu và phát triển những
kĩ thuật đo lường tiến bộ hơn. Một trong những kĩ thuật mới nhất hiện nay, được xem
như là tác nhân thúc đẩy sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật đo lường, là kĩ thuật đo
tọa độ (Coordinate Measuring Technique) được áp dụng trong các máy đo tọa độ.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 5
Hình 1. 1 CMM kích thước trung bình
Nhưng những thiết bị đo tọa độ có độ chính xác cao nhưng giá thành đắt khi đo
và kiểm tra chi tiết phải có những đồ gá chuyên dụng. Từ đây phát sinh ra nhu cầu
phát triển ra một loại máy có chức năng giống với máy đo tọa độ nhưng có độ linh
hoạt cao hơn, góp phần khắc phục những hạn chế của máy CMM.
Đến thập niên 70, với mẫu phát minh đầu tiên 18/4/1974, có số hiệu 3,994,798
với tay đo có đầu dò vật có biên dạng ống, do ông Homer Eaten phát minh.
Hình 1. 2 Mẫu tay đo đầu tiên
Những năm gần đây, trên thế giới đã phát triển và ứng dụng những thiết bị đo
tọa độ dạng tay máy để đáp ứng cho những nhu cầu đo trên mà không cần đồ gá phức
tạp, vẫn đảm bảo được độ chính xác. Tay đo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:
công nghiệp ô tô, xe máy, thiết kế phát triển sản phẩm, y sinh học, khảo cổ học, thiết
kế ngược…
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 6

Hiện nay trên thế giới có nhiều nhà sản xuất máy tay đo nhưng lớn nhất là hai
hãng FARO và ROMER . Ngoài ra còn một số hãng khác như: Immersion;
TRIMAQS; ScanWorks; Metris; Mitutoyo…
1.1 Chức năng của tay đo tọa độ
Tay đo tọa độ chính là sản phẩm lai giữa một máy đo tọa độ và tay máy, nhưng
nó khác với máy CMM cũng như tay máy ở chỗ, tại mỗi khớp của tay đo người ta
không cài đặt các động cơ được điều khiển để dịch chuyển đầu dò đến vị trí cần đo,
ngược lại với tay đo người ta dùng tay để quay các khớp nhằm dịch chuyển đầu dò
của tay đo đến vị trí mong muốn.
Đầu dò dược sử dụng ở tay đo tương ứng với phương pháp đo tiếp xúc, việc
lựa chọn đầu dò tùy thuộc vào biên dạng ngoài của vật thể, với mục tiêu đạt được
được độ chính xác cao hơn trong phép đo. Ngoài ra người ta còn sử dụng phương
pháp đo không tiếp xúc bằng cách gắn các máy quét laser ở khâu cuối của tay đo.
Với phương pháp đo không tiếp xúc phép đo có độ chính xác cao hơn.
Tay đo tọa độ xác định dữ liệu về tọa độ của điểm trên biên dạng vật đo thông
qua việc xác định giá trị các góc xoay tại mỗi khớp, sau đó tọa độ được tính thông qua
bài toán động học thuận. Dữ liệu về tọa độ điểm sau khi được tính toán được gửi về
máy tính. Máy tính sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu, cụ thể ở đây máy tính sẽ làm
nhiệm vụ liên kết các điểm nhận được thành đám mây điểm, hoặc một đối tượng đồ
họa khác như các mặt (surface) hoặc các khối rắn (solid). Giống với một máy CMM
tay đo tọa độ cho ra mô hình 3D sau khi quét vật mẫu cụ thể, nhờ vào khả năng liên
kết với các phần mềm CAD, CAM và tạo mô hình 3D phổ biến như sau:
Tạo mô hình 3D / hoạt họa: 3ds max, LightWave 3D, AutodeskVIZ,…
Phần mềm CAD/ CAM: SolidWorks, Pro/ENGINEER,AutoCAD, Mastercam,…
Với khả năng liên kết với phần mềm CAD, CAM đã giúp người sử dụng ngày càng dễ
dàng sử dụng, đồng thời việc này gắn kết các nhà sản xuất lại gần nhau hơn.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 7
1.2 Ứng dụng của tay đo tọa độ

Hình 1. 3 Tay đo dùng để số hóa khung sườn chi tiết mẫu và thiết kế ngược
Hình 1. 4 Dùng tay đo để xây dựng bề mặt từ các mô hình
1.2.1 Ưu điểm của Tay đo
- Gọn nhẹ, cơ động, dễ dàng di chuyển.
- Giá thành phù hợp.
- Kết cấu cơ khí linh hoạt giúp đầu dò tiếp cận với bề mặt có biên dạng phức tạp
như các đường rãnh, các lỗ nhỏ có đường trục không vuông góc với bề mặt vật đo dễ
dàng, không yêu cầu gá đặt chuyên dụng. Đây là ưu điểm của Tay Đo so với các máy
CMM.
1.2.2 Nhược điểm của Tay đo
- Vùng hoạt động giới hạn, có những vùng không với tới được
- Độ chính xác không cao do đặc thù kết cấu.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 8
- Tăng độ chính xác và vùng hoạt động sẽ làm tăng đáng kể giá thành.
- Không có chức năng tự động kiểm tra hàng loạt như các máy CMM.
Ngoài ra, việc phát triển công nghệ cao tích hợp cho các tay đo nhằm khắc
phục những nhược điểm cũng như phát huy lợi thế của tay đo đang được nghiên cứu
và phát triển.
- Tay đo tích hợp hệ thống quét bằng laser.
- Tay đo có hệ thống đầu dò dùng cảm biến.
Hiện nay trên thế giới các nước như: Nhật, Đài Loan, Đức, Mĩ …đã áp dụng
các thiết bị này rộng rãi trong công nghiệp thiết kế, chế tạo và đo lường (thiết kế
ngược, phát triển kiểu dáng sản phẩm v.v…) và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
1.3 Một số sản phẩm trên thị trường
MICROSCRIBE: (Nguồn:) sử dụng phương
pháp tiếp xúc.
Tên thiết bị Tầm hoạt động Độ chính xác Giá thành
MicroScribe G2 127 cm 0.38 mm $ 4,495

MicroScribe G2X 127 cm 0.23 mm $ 5,995
MicroScribe G2L 167 cm 0.43 mm $ 5,995
MicroScribe G2LX 168 cm 0.30 mm $ 6,495
Bảng 1. 1 Bảng giá một số thieert bị tay đo trên thị trường
FARO: (Nguồn: sử dụng cảm biến bằng
laser theo phương pháp không tiếp xúc cho ra độ chính xác cao.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 9
Hình 1. 5 Tay đo của Microscribe (trái) và FARO (Phải)
Ngoài ra còn một số hãng khác như: TRIMAQS, ScanWorks, Metris, Mitutoyo,
ROMER
Hình 1. 6 Tay đo của hãng Faro có sử dụng súng laser
Ở nước ta đã bắt đầu áp dụng thiết bị này, song hầu hết các doanh nghiệp phải
mua thiết bị đo của nước ngoài với chi phí giá thành cao. Vì vậy việc nghiên cứu thiết
kế và chế tạo tay đo là hết sức cần thiết.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Bề mặt đo Cảm biến đo góc Mạch đọc n hiệuMáy nh ếp nhận, xử lý và hiển thị kết quả
Trang 10
Chương 2: NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TAY ĐO
2.1 Nguyên lí làm việc của thiết bị
Tín hiệu góc quay được nhận biết từ cảm biến và lưu trữ vào bộ nhớ máy tính.
Khi nào đầu dò tiếp xúc với chi tiết thì các dữ liệu góc này được tính toán và xác định
tọa độ điểm đo trong tọa độ Đề Các. Từ các tọa độ đã tính toán trên được phần mềm
đồ họa vẽ lại trên màn hình máy tính. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ dưới đây :
Hình 2. 1 Sơ đồ nguyên lí.
Cấu tạo thiết bị gồm 3 khối cơ bản:
• Khối cơ khí
• Khối mạch điện

• Khối phần mềm.
2.2 Kết cấu tay đo.
2.2.1 Phân tích và lựa chọn dạng tay đo (các kiểu bố trí các khớp xoay).
Giới thiệu một số dạng tay đo:
• Thiết bị đo tay máy dạng trụ
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 11
Loại này gồm 3 khớp nối: khớp đầu tiên là khớp xoay, 2 khớp còn lại là khớp
trụ mỗi khớp chuyển động ứng với mỗi bậc tự do. Cấu trúc cơ khí dạng này có độ
cứng vững tốt. Vùng làm việc của dạng này là hình vành khăn.
Hình 2. 2 Thiết bị đo tay máy dạng trụ
• Thiết bị đo tay máy dạng cầu
Loại này khác với loại cầu là khớp nối thứ 2 được thay thế bằng khớp nối xoay
trong hệ tọa độ cầu, mỗi chuyển động của mỗi khớp tương ứng với một bậc tự do. Đối
với loại này độ cững vững thấp hơn loại dạng cầu trên và có cấu trúc cơ khí phức tạp
hơn. Vùng không gian làm việc có dạng hình cầu.
Hình 2. 3 Thiết bị đo tay máy dạng cầu
• Thiết bị đo tay máy dạng SCARA
Loại thiết bị này có 2 khớp nối xoay và 1 khớp nối trụ, các trục của khớp nối
song song với nhau.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 12
Hình 2. 4 Thiết bị đo tay máy dạng SCARA
• Thiết bị đo tay máy dạng người
Loại tay máy hình dạng người (Scriber) có 3 khớp nối xoay, trục quay đầu tiên
của khớp nối thứ nhất là trục gốc và trục của 2 khớp nối còn lại thì song song với
nhau. Sơ đồ động của thiết bị này mô phỏng theo cánh tay người, khớp nối thứ 2 được
gọi là khớp nối bả vai và khớp nối thứ 3 được gọi là khớp nối khuỷu tay.

Hình 2. 5 Thiết bị đo tay máy dạng người
Ưu điểm của thiết bị đo tọa độ dạng tay máy là khả nằng di chuyển đầu dò linh
hoạt, nhưng thiết bị có độ chính xác không cao. Cùng với việc phát triển mẫu mã, nhu
cầu đo bề mặt có biên dạng phức tạp ngày càng cao. Để đáp ứng nhu cầu này, trên thị
trường thế giới đã xuất hiện thiết bị đo bề mặt 5 khâu chứa toàn khớp bản lề.
Kết luận :
Tay đo sẽ có kết cấu của tay máy giống người vì nó đáp ứng được yêu cầu đặt
ra về độ khéo léo cũng như kết cấu gồm các khớp xoay cho phép sử dụng đồng bộ các
cảm biến đo tại mỗi khớp, với mỗi khớp sẽ tương ứng với mỗi bậc tự do. Hơn nữa
việc bố trí các khớp xoay sẽ đem lại cho ta hai lợi ích:
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 13
Lợi ích thứ nhất: Nó giúp cho người sử dụng dễ dàng thao tác khi chỉ cần thực
hiện chuyển động xoay các khớp hơn việc thực hiện chuyển động tịnh tiến các khớp,
hay việc vừa quay vừa tịnh tiến các khớp.
Lợi ích thứ hai: việc sử dụng đồng bộ các khớp xoay giúp cho người thiết kế
dễ dàng hơn vì các khớp sẽ có kết cấu tương tự nhau nên việc hạn chế sai số hệ thống
trở nên hiệu quả hơn, mặt khác về mặt kỹ thuật khớp tịnh tiến khó hãm hơn khớp
quay. Về mặt mỹ thuật với cánh tay mà các khớp quay sẽ trở nên đẹp hơn và gần gũi
với con người nhất. Nhìn chung các mẫu tay đo hiện nay trên thị trường người ta cũng
sử dụng tay đo có kiểu giống người.
2.3 Sơ đồ động (các kiểu bố trí các khớp xoay)
Trong đại đa số các trường hợp, tay đo tọa độ là một chuỗi động học hở được
cấu tạo bởi một số các khâu(Links),được nối với nhau nhờ các khớp.Một đầu của
chuỗi nối với giá đỡ, còn đâu kia nối với phần công tác.
Hình 2. 6: Một số kết cấu tay đo
Các thiết kế đều phỏng theo cánh tay con người, do vậy trong các thiết kế
người ta cũng phân chức năng các khớp tương ứng với các khớp của cánh tay con
người. Với loại kết cấu này, tay đo có thể cho phép đầu dò chạm tới những vùng khó

chạm tới. Với kiểu tay có 2 bậc tự do ở khớp vai 1 bậc tự do ở khớp khuỷu và 3 bậc tự
do ở khớp cổ tay, lại có một lợi thế khác. Sau khi phân tích các kiểu tay đo, nhóm
nghiên cứu chọn kiểu thiết kế 2-1-2 vì nó cho phép đo cũng như lấy biên dạng một vật
bất kỳ, có thể giúp giảm kích thước của tay đo, đồng thời làm giảm được chi phí chế
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 14
tạo. Ngoài ra vì nhận thấy rằng với cánh tay 5 bậc tự do đủ điều kiện để xác định vì trí
và hướng của vật thể trong không gian.
Hình 2. 7 Tay đo có kết cấu 2-1-2
2.4 Quy tắc Denavit-Hartenberg
Để định vị và định hướng từng khâu trên cánh tay đo cũng như khâu tác động
sau cùng chúng ta phải gắn các hệ tọa độ suy rộng lên từng khâu, cả cơ cấu có một hệ
quy chiếu chung nối với giá cố định, hệ quy chiếu này có chức năng vừa để mô tả
định vị, định hướng khâu tác động sau cùng của cánh tay đo, vừa để mô tả đối tượng
tác động của cánh tay đo mà nó cần nhận diện.
Việc xây dựng các hệ quy chiếu này cần có tính thống nhất cao, đòi hỏi tính
xác định duy nhất.
Một trong các quy tắc cho phép thiết lập hệ tọa độ trên các cặp khâu-khớp trên
tay đo tọa độ là quy tắc Denavit-Hartenberg(DH).Dựa trên hệ tọa độ này chúng ta có
thể mô tả các cặp bằng hệ thống các tham số, biến khớp và áp dụng một dạng phương
trình tổng quát cho bài toán động lực học tay máy.
Quy tắc DH xác định như sau:
• Hệ tọa độ được gắn lên các khâu khớp như sau:
• Đặt trục tọa độ z
i
dọc theo trục của khớp sau(thứ i+1).
• Đặt gốc tọa độ O
i
tại giao điểm giữa z

i
và pháp tuyến chung nhỏ nhất của các
trục z
i
và z
i-1
.Giao điểm của pháp tuyến chung với trục z
i-1
là gốc O'i của hệ O'
i

GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 15
x'
i
y'
i
z'
i
.
• Đặt trục tọa độ x
i
theo phương pháp tuyến chung giữa z
i-1
và z
i'
hướng từ khớp i
tới khớp thứ i+1.
• Trục y

i
được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Đặt a
i
=O
i
O'
i
khoảng cách giữa hai khớp liên tiếp theo phương x
i
d
i
=O
i-1
O'
i
khoảng cách giữa hai khớp liên tiếp theo phương z
i-1
α
i
: góc quay quanh trục x
i
để z
i-1
đến trùng với z
i
Θ
i
: góc quay quanh trục z
i-1

để x
i-1
đến trùng với x
i
Hình 2. 8 Hệ tọa độ quy tắc Denavit - Hartenberg
Dựa theo quy tắc DH ta có sơ đồ động của tay máy 5 bậc tự do gồm các khớp
xoay được biểu diễn như hình dưới đây:
ɸ
ɸ
ɸ
ɸ
ɸ
Hình 2. 9 Sơ đồ động học tay đo 5 bậc tự do
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 16
Bảng thông số D-H:
Khâu α Θ a D
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0
5 0 0
Bảng 2. 1 Bảng thông số D-H
Sau khi thiết lập được hệ tọa độ cho các khâu, khớp công việc còn lại là biến
đổi sao cho hệ quy chiếu Oi-1 trùng với hệ quy chiếu Oi. Đối với cánh tay đo trên do
có 6 hệ tọa độ được thiết lập nên sẽ có các chuyển đổi hệ tọa độ như sau:O0x0y0z0
->O1x1y1z1 ->O2x2y2z2 ->O3x3y3z3 ->O4x4y4z4->O5x5y5z5.
Phép chuyển đổi các hệ tọa độ thực chất là sự kết hợp của phép tịnh tiến và
phép quay.Mỗi mỗi chuyển đổi từ hệ tọa độ này qua hệ tọa độ khác chúng ta có một

ma trận chuyển đổi.
=


GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 17



Ta có ma trận thuần nhất
Ma trận thuần nhất là matran 4x4 với các cột như sau:
Cột thứ nhất của kết quả:

Cột thứ hai của kết quả:

Cột thứ ba của kết quả:
Cột thứ tư của kết quả:
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 18
Với tọa độ tiếp điểm đầu dò được đặt ngay tại gốc tọa độ của hệ trục thứ 5, nên
kết quả của cột thứ tư cũng chính là tọa độ của điềm tiếp xúc của đầu dò so với hệ tọa
độ gốc hay hệ tọa độ thứ không. Từ bảng thông số DH và ma trận chuyển đổi chúng
ta nhận thấy rằng thay vì phải tính toán một cách phức tạp các hệ tọa độ thì giờ đây
bài toán chỉ phục thuộc vào các thông số là d1,a2,d4,a5 (đây là các giá trị hằng số) và
các giá trị theta (biến số), giá trị này thay đổi mỗi khi chúng ta di chuyển đầu dò và
được ghi nhận qua các encoder.
Với ta thu được kết
quả như sau :

Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ PIC, ENCODER VÀ CHUẨN USB
3.1 Giới thiệu về encoder.
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể
là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.Encoder
được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder. Tạm gọi là encoder
tuyệt đối và encoder tương đối.
Với encoder tuyệt đối thì với tín hiệu ta nhận được, sẽ chỉ rõ ràng vị trí của
encoder, chúng ta không cần xử lý gì thêm, cũng biết chính xác vị trí của encoder.
Với incremental encoder, là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ,
cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng, ta sẽ nhận được tín hiệu và biết đĩa quay một vòng. Nếu
bây giờ các có nhiều lỗ hơn, ta sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay
1/4 vòng, 1/8 vòng, hoặc 1/n vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 19
Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do
vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị).
Hình 3. 1 Sơ đồ cấu tạo encoder
3.1.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ.
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay,
chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn
led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt
thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được
đèn led có chiếu qua lỗ hay không.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu
nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 20

Hình 3. 2 Nguyên lí hoạt động của Encoder
Ưu điểm của incremental encoder so với absolute encoder chính là kích thước
và độ chính xác cao. Và do đã khắc phục được những nhược điểm của absolute
encder nên ngày nay đa số người ta sử dụng incremental encoder trong những ứng
dụng hiện đại.
Encoder được nhóm lựa chọn là loại incremental encoder của Sony, có độ phân
giải 2048 xung, với 2 ngõ tín hiệu đặc trưng A/B được đặt lệch ¼ chu kỳ, ta có thể sử
dụng để nhận biết góc quay với độ phân giải gấp 4 lần giá trị mặc định, cho kết quả là
8192xung/vòng.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 21
Hình 3. 3 Sơ đồ xung encoder
3.2 Giới thiệu về giao tiếp USB.
3.2.1 Kiến trúc và các thành phần của giao tiếp USB.
USB dùng để hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu giữa một máy chủ ( host ) với các
thiết bị ngoại vi được nối với nó .Bus USB cho phép thiết bị ngoại vi được ghép nối
với máy tính chủ được cấu hình , được sử dụng một cách độc lập trong khi máy tính
chủ và thiết bị ngoại vi khác đang hoạt động (đó chính là đặc tính Plug-and-Play)
Thiết bị ngoại vi làm việc ở vị trí slave được nối trực tiếp với máy tính thông qua bộ
tiếp nối HUB.
Ưu điểm của USB là:
• Ghép nối đơn giản do ổ cắm đã được chuẩn hoá
• Linh hoạt trong khi sử dụng
• Triển khai đơn giản và rẻ tiền
• Tốc độ tương đối cao so với một số chuẩn đã ra đời và có thể ghép nối
nhiều thiết bị ngoại vi cùng một lúc
• Có đặc tính Plug-and-play người sử dụng có thể cắm thêm hay dỡ bỏ
thiết bị ngoại vi mà không cần tắt máy hoặc hkởi động lại hệ thống ,
thiết bị ngoại vi cũng không cần các bản mạch phụ vì chức năng này

được phần mềm hệ thống đảm nhiệm khi phát hiện ra có ngoại vi mới
được đấu nối vào thì hệ điều hành sẽ tự động cài đặt các phần mềm điều
khiển.
Về mặt vật lý USB là một kiến trúc tầng sao(tiered star) . Một HUB ở tại trung
tâm của mỗi sao , với 7 bit địa chỉ usb cho phép quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi
đây là con số mang tính lý thuyết bởi khi có càng nhiều thiết bị đấu nối thì tốc độ
truyền càng chậm do dải thông của toàn bộ bus bị phân chia đến từng thiết bị
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 22
Hình 3. 4 Kiến trúc dạng tầng của giao tiếp USB
Các thành phần của giao tiếp usb:
• Host USB
Host USB chính là máy tính cá nhân với hệ điều hành có khả năng quản lí
USB, một mạng USB chỉ được phép có một host USB , máy tính sử dụng phần cứng
phần mềm USB để làm việc như một host bus . Máy tính nhận biết việc cắm thêm hay
dỡ bỏ một thiết bị ngoại vi để khởi động quá trình đánh số và các quá trình truyền dữ
liệu khác trong bus. Máy tính cũng có trách nhiệm kiểm tra trạng thái ,thống kê hoạt
động và kiểm tra ghép nối điện giữa bộ điều khiển chủ và các thiết bị USB ngoại vi.
• Thiết bị USB (USB device)
Các thiết bị USB có chức năng slave trog mạng bus . Ta chia ra làm hai loại
thiết bị USB HUB và thiết bị chức năng :
 HUB: Một hub ngoài có một cổng hướng về máy chủ (upstream) và 4
cổng ra thiết bị ghép nối (downstream) trong máy PC cũng có một hub
cắm ngay trên bản mạch chính hub này được gọi là hub gốc (roothub) .
Hub thường gồm có một bộ điều khiển hub và một bộ nhắc lại
(repeater) một hub có chức năng : chuyển một ổ cắm usb thành nhiều ổ
cắm, nhận biết các thiết bị mới được đấu vào xoá đi một.
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực

Trang 23
Thiết bị đã đấu nối vào bus nhưng sau đấy được tháo ra để thực hiện
được việc này có nhữn gtrạng thái bus được tạo ra theo cách đặc biệt
( dựa vào mức điện áp , ta không đề cập đến kỉ thuật này ở đây).
 Thiết bị chức năng: Là các thiết bị ngoại vi như: chuột, bàn phím, màn
hình, máy quét, ADC, vi điều khiển… mọi thiết bị chức năng của bus
đều phải theo các qui định của usb để máy chủ có thể nhận biết được
chúng. Mọi thiết bị usb đều được thiết kế gồm 3 phần chính:
 Phần giao diện tuần tự SIE là vi mạch chịu trách nhiệm nhận và
gửi dữ liệu theo chuẩn USB.
 Một tổ hợp giũa phần cứng và firmware nhận nhiệm vụ truyền dữ
liệu giữa khối SIE và điểm cuối của thiết bị qua các đường ống
(pipeline) thích hợp của chúng.
 Thành phần thứ 3 là phần chức năng của thiết bị ngoại vi.
Phương thức giao tiếp USB
Máy chủ bao gộp hầu hết sự phức tạp của giao thức USB.Dữ liệu có thể truyền
từ thiết bị đến máy chủ và ngược lại.Quá trình truyền được thực hiện qua các gói dữ
liệu.Mỗi gói dữ liệu gôm 3 phase:
• Token phase: khởi động kiểu truyền.
• Data phase: dữ liệu truyền đi, tối đa 1023 byte.
• Handshake phase: cho biết quá trình truyền thành công hay bị lỗi.
Hệ thống USB dùng cấu trúc Polling trong truyền thông.
Có 4 kiểu truyền trong hệ thống USB:
• Isochronous transfer (Truyền đẳng thời)
• Bulk transfer ( Truyền hàng loạt)
• Interrupt transfer
• Control transfer
Các thiết bị tốc độ thấp chỉ hỗ trỡ kiểu truyền Interrupt và Cotrol.Còn các thiết
bị tốc độ cao thì hỗ trợ cả 4 kiểu truyền trên.Dữ liệu được truyền dưới dạng từng gói
và mỗi gói bao gồm nhiều trường dữ liệu.

Các gói dữ liệu USB thông thường có các trường sau:
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 24
1. Trường Sync:
Tất cả các gói dữ liệu đều bắt đầu với trường này. _Sync field có độ dài 8 bit, đồng bộ
các thiết bị ngoại vi với xung clock bên trong
2. Trường PID:
PID viết tắt của Packet ID
PID dùng để nhận dạng loại gói dữ liệu.4 bit đầu để nhận dạng dữ liệu, 4 bit cuối để
kiểm tra bit và phát hiện lỗi.
PID chia thành 3 nhóm:
 Mã thông báo (Token): có thể là IN, OUT, SOF hoặc SETUP.
● OUT: để chỉ dữ liệu sẽ truyền từ host đến device.
● IN: để chỉ dữ liệu sẽ truyền từ device sang host.
● SOF: chỉ bắt đầu của 1 frame.
● SETUP: truyền từ host đến device, chứa lệnh dùng để cấu
hình thiết bị.
 Data.
 HANDSHAKE: dùng cho handshake packet, gồm có
● ACK: bên nhận đã nhận data.
● NAK: bên nhận không thể nhận dữ liệu, hoặc bên truyền
không cho phép truyền dữ liệu.
● STALL: lệnh điều khiển không được thực hiện
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực
Trang 25
3. Trường địa chỉ
Chia thành 2 phần:
 ADDR gồm 7 bit, có thể quản lý được 127 thiết bị. Địa chỉ 0

không được sử dụng, nếu 1 thiết bị nào đó vẫn chưa được gán địa
chỉ thì địa chỉ mặc định được trả về là 0
 Chứa số thứ tự của điểm cuối của thiết bị.
4. Frame number field
Bao gồm 11 bit, chỉ số thứ tự của frame, chỉ có trong mã thông báo SOF( SOF
token).
5. Data Field
Chứa dữ liệu truyền đi.
6. CRC Field
Gồm 5 bit dùng để bảo vệ các trường khác trong gói mã thông báo ngoại trừ
trường PID.
Gồm 16 bit dùng để bảo vệ dữ liệu trong gói dữ liệu.
7. EOP.
3.2.2 Các định dạng gói để truyền.
1 Token Packets
GVHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà SVTH: Tạ Văn Chính
Lê Quang Trực