Mục lục bài họcĐang ở d07-b3
← IB Computer Science
0/32 bài đã học xong
Chương 7 · Control (HL) · Bài 3/4 của chương · bài 27/32 của IB Computer Science

Sensors, Analogue-to-Digital Conversion, Sampling and Data Logging

Cảm biến, chuyển đổi tương tự sang số, lấy mẫu và ghi dữ liệu
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

The world is analogue; the computer is digital. Temperature, pressure, light, sound and position vary continuously. A sensor converts a physical quantity into an electrical signal, usually a voltage that varies continuously with the quantity. A computer cannot store a continuously varying voltage; it needs a number. An analogue-to-digital converter (ADC) measures the voltage at an instant and outputs a binary number. On the way back out, a digital-to-analogue converter turns a number into a voltage that drives an actuator — a motor, heater, valve or speaker. The full chain is: physical quantity → sensor → ADC → processor → DAC → actuator, and every control system, from a thermostat to a self-driving car, is built on it.

Two parameters, two kinds of error. Sampling rate is how many times per second the ADC takes a reading. Sample too slowly and a short peak between two samples is missed entirely; the rule is to sample at least twice as fast as the fastest change you need to capture. Resolution is the number of bits per sample, which sets how many distinct levels can be distinguished: 8 bits give 256 levels, 12 bits give 4 096. A range of 0–100 °C at 8 bits has a step of about 0.4 °C, so every reading is rounded to the nearest step — quantisation error. Raising either parameter improves accuracy but multiplies the data produced and the power consumed, which matters on a battery. The correct choice depends on the phenomenon: a room's temperature once a minute is enough; vibration in a machine bearing needs thousands of samples a second.

Data logging. A data logger combines sensors, a clock and memory, and records readings at set intervals without a person present — for hours, months or years. It is used where humans cannot stay (a river gauge, a weather station on a mountain), where readings must be continuous (a patient monitor), or where the phenomenon is slow (glacier movement). Advantages over manual recording: no gaps, no transcription errors, readings at night and in hazardous places, timestamps that are exact, and data that is already digital for analysis. Costs: equipment, calibration, and the risk that a faulty sensor produces plausible-looking wrong data for months before anyone notices — which is why loggers are checked against a manual reading periodically.

Sensor limitations to mention. Every sensor has a range outside which it saturates, an accuracy (how close to the true value), a precision (how repeatable), a response time (a thermometer takes seconds to follow a change), and drift over time that requires recalibration. Noise from electrical interference adds random error, which is reduced by averaging several samples — at the cost of slower response. An answer that names the sensor and its limitation, and then says what the system does about it, is what the mark scheme rewards.

Giải thích tiếng Việt

Thế giới là tương tự; máy tính là số. Nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, âm thanh và vị trí biến đổi liên tục. Cảm biến chuyển một đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, thường là điện áp biến đổi liên tục theo đại lượng đó. Máy tính không lưu được điện áp biến đổi liên tục; nó cần một con số. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) đo điện áp tại một thời điểm và cho ra một số nhị phân. Ở chiều ngược lại, bộ chuyển đổi số sang tương tự biến một con số thành điện áp điều khiển cơ cấu chấp hành — động cơ, bộ sưởi, van hay loa. Chuỗi đầy đủ là: đại lượng vật lý → cảm biến → ADC → bộ xử lý → DAC → cơ cấu chấp hành, và mọi hệ điều khiển, từ bộ điều nhiệt tới xe tự lái, đều xây trên chuỗi này.

Hai tham số, hai loại sai số. Tần số lấy mẫu là số lần mỗi giây ADC đọc một giá trị. Lấy mẫu quá chậm thì một đỉnh ngắn giữa hai mẫu bị bỏ lỡ hoàn toàn; quy tắc là lấy mẫu ít nhất nhanh gấp đôi thay đổi nhanh nhất cần bắt. Độ phân giải là số bit mỗi mẫu, quyết định bao nhiêu mức phân biệt được: 8 bit cho 256 mức, 12 bit cho 4 096. Dải 0–100 °C với 8 bit có bước khoảng 0,4 °C, nên mọi giá trị đọc bị làm tròn về bước gần nhất — sai số lượng tử. Tăng tham số nào cũng cải thiện độ chính xác nhưng nhân lên lượng dữ liệu và điện tiêu thụ, điều quan trọng khi chạy pin. Lựa chọn đúng phụ thuộc hiện tượng: nhiệt độ phòng mỗi phút là đủ; rung động trong ổ bi máy cần hàng nghìn mẫu mỗi giây.

Ghi dữ liệu. Bộ ghi dữ liệu kết hợp cảm biến, đồng hồ và bộ nhớ, ghi giá trị theo chu kỳ định sẵn mà không cần người có mặt — hàng giờ, hàng tháng hay hàng năm. Nó dùng ở nơi người không ở được (trạm đo sông, trạm khí tượng trên núi), nơi phải đo liên tục (máy theo dõi bệnh nhân), hoặc nơi hiện tượng rất chậm (băng hà dịch chuyển). Ưu điểm so với ghi tay: không khoảng trống, không lỗi chép, đo được ban đêm và nơi nguy hiểm, dấu thời gian chính xác, và dữ liệu đã ở dạng số để phân tích. Chi phí: thiết bị, hiệu chuẩn, và rủi ro một cảm biến hỏng cho ra dữ liệu sai trông có vẻ hợp lý suốt nhiều tháng trước khi ai đó nhận ra — đó là lý do bộ ghi được đối chiếu định kỳ với một lần đo tay.

Giới hạn của cảm biến cần nêu. Mọi cảm biến có dải đo mà ngoài đó nó bão hoà, độ chính xác (gần giá trị thật tới đâu), độ lặp lại (đo lại có giống không), thời gian đáp ứng (nhiệt kế mất vài giây để theo kịp thay đổi), và trôi theo thời gian đòi hiệu chuẩn lại. Nhiễu điện thêm sai số ngẫu nhiên, được giảm bằng cách lấy trung bình nhiều mẫu — với cái giá là đáp ứng chậm hơn. Bài làm gọi tên cảm biến và giới hạn của nó, rồi nói hệ thống làm gì với giới hạn đó, là bài được thang điểm thưởng.

CẢM BIẾN CHO SÓNG LIÊN TỤC — MÁY TÍNH CHỈ NHẬN SỐ RỜI RẠC thời gian → (mỗi vạch = một lần lấy mẫu) nhiệt độ 11 10 01 00 10 10 01 00 10 11 đường xanh: tín hiệu thật, liên tục · chấm đỏ: giá trị máy tính giữ lại HAI THAM SỐ, HAI SAI SỐ Tần số lấy mẫu bao nhiêu lần đo mỗi giây thấp: bỏ lỡ đỉnh ngắn giữa hai mẫu quy tắc: ít nhất 2 lần tần số thay đổi nhanh nhất cần bắt Độ phân giải (số bit) bao nhiêu mức phân biệt được 2 bit = 4 mức · 8 bit = 256 · 12 bit = 4 096 thấp: làm tròn — sai số lượng tử 0–100 °C với 8 bit: bước ~0,4 °C cả hai tăng → nhiều dữ liệu, tốn pin CHUỖI TỪ THẾ GIỚI THẬT TỚI CHƯƠNG TRÌNH đại lượng vật lý → cảm biến (điện áp) → bộ chuyển đổi ADC (số) → bộ xử lý → bộ chuyển đổi DAC → cơ cấu chấp hành bộ ghi dữ liệu: cảm biến + đồng hồ + bộ nhớ, ghi theo chu kỳ, không cần người — cho theo dõi dài hạn chọn tần số và độ phân giải theo hiện tượng cần bắt: nhiệt độ phòng mỗi phút là đủ, rung động máy cần hàng nghìn lần mỗi giây
Hình bên trái vẽ điều xảy ra khi một tín hiệu liên tục — ở đây là nhiệt độ theo thời gian, đường xanh — được đưa vào máy tính. Máy tính không giữ được đường cong; nó chỉ đo tại các thời điểm cách đều nhau, là các vạch đứt, và làm tròn mỗi giá trị đo về mức gần nhất trong một số mức hữu hạn, ở đây là bốn mức của hai bit; các chấm đỏ là toàn bộ những gì chương trình nhận được. Hộp bên phải tách hai tham số và hai loại sai số tương ứng. Tần số lấy mẫu là số lần đo mỗi giây; thấp quá thì bỏ lỡ một đỉnh ngắn xảy ra giữa hai mẫu, và quy tắc là phải lấy mẫu ít nhất hai lần tần số của thay đổi nhanh nhất cần bắt. Độ phân giải là số bit, quyết định số mức phân biệt được: 2 bit cho 4 mức, 8 bit cho 256, 12 bit cho 4 096; thấp quá thì mọi giá trị bị làm tròn thô, gọi là sai số lượng tử, và ví dụ dải 0 tới 100 độ với 8 bit cho bước khoảng 0,4 độ. Tăng cả hai cho dữ liệu chính xác hơn nhưng nhiều hơn và tốn pin hơn. Hộp dưới cùng là chuỗi đầy đủ từ thế giới thật tới chương trình và ngược lại: đại lượng vật lý, cảm biến cho điện áp, bộ chuyển đổi tương tự sang số, bộ xử lý, bộ chuyển đổi số sang tương tự, cơ cấu chấp hành; và bộ ghi dữ liệu là cảm biến cộng đồng hồ cộng bộ nhớ ghi theo chu kỳ không cần người. Câu cuối là nguyên tắc chọn: theo hiện tượng cần bắt, nhiệt độ phòng mỗi phút là đủ còn rung động máy cần hàng nghìn lần mỗi giây.
Ví dụ — Ví dụ 1 — chọn tần số lấy mẫu và độ phân giải cho ba ứng dụng

Chọn tần số lấy mẫu và độ phân giải, có lý do, cho: (a) bộ ghi nhiệt độ kho lạnh chạy pin một năm, dải −30 tới +10 °C, cần phát hiện lệch 0,5 °C; (b) máy đo điện tim; (c) cảm biến rung để phát hiện ổ bi hỏng sớm trong động cơ quay 3 000 vòng mỗi phút.

Giải.

(a) Kho lạnh — chậm và thô. Nhiệt độ một kho lạnh thay đổi trong nhiều phút, không phải mili giây, nên lấy mẫu mỗi 1–5 phút là đủ để bắt mọi sự cố có nghĩa, và mỗi lần đo thiết bị thức vài mili giây rồi ngủ — điều quyết định để pin sống một năm. Độ phân giải: dải 40 °C cần phân biệt 0,5 °C, tức 80 mức; 8 bit cho 256 mức, bước khoảng 0,16 °C, dư đủ. Dùng 12 bit không sai nhưng tốn bộ nhớ và điện vô ích.

(b) Điện tim — trung bình cả hai. Tín hiệu tim có các gai nhọn kéo dài vài chục mili giây; để vẽ đúng hình dạng chúng cần vài trăm mẫu mỗi giây, thường 250–500. Độ phân giải 12 bit trở lên vì tín hiệu rất nhỏ (mili vôn) và bác sĩ đọc các chi tiết biên độ; 8 bit làm tròn mất chi tiết chẩn đoán. Cắm điện nên pin không phải ràng buộc.

(c) Rung động — rất nhanh. 3 000 vòng mỗi phút là 50 vòng mỗi giây, và ổ bi hỏng tạo dao động ở bội số cao của tần số quay, thường vài kilohertz. Theo quy tắc gấp đôi, cần hàng chục nghìn mẫu mỗi giây; lấy mẫu chậm hơn sẽ bỏ lỡ hoàn toàn dấu hiệu hỏng hoặc tạo tần số giả. Độ phân giải 16 bit để bắt dao động nhỏ chồng lên rung động lớn. Dữ liệu khổng lồ nên thiết bị phân tích tại chỗ và chỉ gửi kết quả, thay vì ghi thô.

Nguyên tắc chung. Bắt đầu từ hiện tượng: thay đổi nhanh nhất cần bắt quyết định tần số, khác biệt nhỏ nhất cần phân biệt quyết định số bit, và pin cùng bộ nhớ đặt trần cho cả hai. Bài chỉ nói càng cao càng tốt mất điểm vì bỏ qua cái giá.

Ví dụ — Ví dụ 2 — vì sao một bộ ghi dữ liệu cho kết quả sai suốt ba tháng

Một trạm đo chất lượng không khí ghi nồng độ bụi mỗi 10 phút. Sau ba tháng người ta phát hiện toàn bộ dữ liệu của một cảm biến thấp hơn thực tế khoảng 40% nhưng vẫn dao động theo ngày đêm rất tự nhiên. Giải thích cách điều này xảy ra, vì sao không ai nhận ra, và thiết kế để tránh.

Giải.

Cơ chế. Cảm biến bụi quang học bị bám bẩn dần trên cửa sổ đo, nên lượng ánh sáng tán xạ đo được giảm, và mọi giá trị bị nhân với một hệ số nhỏ hơn 1. Vì hệ số áp lên mọi mẫu, dao động ngày đêm vẫn nguyên hình dạng — chỉ biên độ nhỏ đi. Đây là trôi hệ thống, khác với nhiễu ngẫu nhiên: nhiễu làm dữ liệu trông xấu, trôi làm dữ liệu trông đẹp mà sai.

Vì sao không ai nhận ra. Bộ ghi làm đúng việc của nó: ghi đều, không khoảng trống, dấu thời gian chính xác. Không có lỗi phần mềm nào để báo, và dữ liệu vẫn hợp lý — cao ban ngày, thấp ban đêm, tăng khi tắc đường. Người xem biểu đồ không có gì để nghi. Đây chính là rủi ro đặc trưng của ghi dữ liệu tự động: nó thay thế con người kể cả ở khâu nghi ngờ.

Thiết kế để tránh. Một, đối chiếu định kỳ với một thiết bị tham chiếu hoặc đo tay — hằng tuần — và ghi hệ số hiệu chuẩn vào nhật ký. Hai, cảm biến dự phòng: hai cảm biến cùng loại tại một điểm, và cảnh báo khi chúng lệch nhau quá ngưỡng — trôi hiếm khi xảy ra giống hệt trên cả hai. Ba, kiểm tra hợp lý tự động: so với trạm lân cận, và cảnh báo khi trung bình tuần giảm dần trong khi trạm bên cạnh không giảm. Bốn, lịch bảo trì vật lý lau cửa sổ đo, vì nguyên nhân là cơ học chứ không phải phần mềm. Câu trả lời tốt nêu rõ: bộ ghi dữ liệu không loại bỏ nhu cầu con người, nó đổi việc của con người từ ghi sang kiểm.

Bẫy hay mất điểm — Bẫy 1 — nói càng nhiều mẫu và càng nhiều bit càng tốt. Phải nêu cái giá: dữ liệu, pin, bộ nhớ; chọn theo hiện tượng.
Bẫy 2 — nhầm độ phân giải với độ chính xác. 12 bit cho bước nhỏ, nhưng cảm biến lệch 2 độ vẫn lệch 2 độ.
Bẫy 3 — coi bộ ghi dữ liệu là không cần người. Trôi cho dữ liệu đẹp mà sai; phải đối chiếu định kỳ.
Phải nhớ — Chốt bài 3. Bốn thứ mang vào phòng thi. Một, chuỗi cảm biến → ADC → bộ xử lý → DAC → cơ cấu chấp hành. Hai, tần số lấy mẫu bắt thay đổi nhanh, số bit phân biệt khác biệt nhỏ, và cả hai có giá. Ba, bộ ghi dữ liệu cho liên tục, không khoảng trống, nơi người không ở được. Bốn, giới hạn cảm biến: dải, chính xác, lặp lại, đáp ứng, trôi — và hệ thống làm gì với chúng.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Control (HL) gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →