Luận văn Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điểu khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh

uộc vào giá trị của dữ liệu. Do vậy nếu cả hai quá trình điều chế (dữ liệu và trải phổ) đều áp dụng phương pháp này thì người ta có thể thay bằng một bước điều chế dịch pha nhị phân cho tích của dữ liệu và mã trải phổ. Còn đối với phương pháp điều chế pha 4 mức (QPSK) thì góc pha của sóng mang bị dịch đi nằm tại một trong bốn giá trị là 0, ±90 0 và 180 0 . Điều chế pha 4 mức QPSK thực hiện tổ hợp 2 bít của tín hiệu thành một ký hiệu điều chế và quyết định một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng với một độ rộng băng tần truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế QPSK sẽ có tốc độ bít tăng gấp đôi so với phương pháp điều chế BPSK. Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK như sau: 59 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK Trong trường hợp tổng quát khi bước điều chế dữ liệu ban đầu là phép điều chế dịch pha, tín hiệu đầu vào bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK là: S (t) = 2P .cos[ ω0t + фd(t)] với 0 bt T  (2.18) Phép điều chế trải phổ QPSK thực hiện dịch pha của sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu dưới tác dụng của mã trải phổ giả ngẫu nhiên theo quy luật điều chế theo bảng như trên. Việc điều chế này được thực hiện như hình vẽ sau: Hình 2.30: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức Trong đó bộ lai cầu phương thực hiện tạo ra 2 tín hiệu có lệch pha nhau là 180 0 (trực giao với nhau) từ tín hiệu điều chế pha ban đầu. Hai tín hiệu này có công thức sau: Tín hiệu thứ nhất: I(t) = 2P .cos[ ω0t + фd(t)] (2.19) Tín hiệu thứ hai: Q(t) = 2P .sin[ ω0t + фd(t)] (2.20) Đồng thời tín hiệu giả ngẫu nhiên C(t) cũng được tách làm hai tín hiệu C1(t) và tín hiệu C2(t) với tốc độ bít bằng một nữa tốc độ bít của dòng nhị phân ban đầu. Dòng bít của tín hiệu C1(t) chứa các giá trị bít nằm ở các vị trí chẵn trong dòng bít của tín hiệu C(t) và ngược lại dòng bít của tín hiệu C2(t) chứa các giá trị bít nằm ở 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên các vị trí lẻ trong dòng bít của tín hiệu C(t). Như vậy hai tín hiệu I(t) và Q(t) bây giờ bị trải phổ dịch pha nhị phân bởi hai mã trải phổ có tốc độ bằng nữa tốc độ mã ban đầu. Kết quả tín hiệu trải phổ đầu ra thu được bằng cách cộng hai tín hiệu trải phổ này với nhau và có dạng sau: x(t)=C1(t).I(t)+C2(t).Q(t)= S C1(t).cos[ω0t +фd(t)]+ S C2(t).sin[ ω0t + фd(t)] (2.21) Như vậy với bước điều chế trải phổ sử dụng phép điều chế pha 4 mức, tín hiệu sóng mang bị điều pha bởi dữ liệu lại một lần nữa bị điều chế pha QPSK. Bước điều chế sóng mang bởi dữ liệu có thể là điều chế pha nhị phân hay điều chế pha 4 mức giống như bước điều chế trải phổ. Khi đó đầu thu khôi phục lại dữ liệu theo chiều ngược lại và phải tuân theo đúng phép giải điều chế BPSK hay QPSK. Với phương thức điều chế pha 4 mức thì ta có thể gửi nhiều dữ liệu hơn vào sóng mang va do đó tiết kiệm được đường truyền dẫn so với phương thức điều chế pha nhị phân. 2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) Trong kỹ thuật trải phổ nhảy tần sử dụng một bộ phát mã PN để điều khiển bộ tổng hợp tần số. Hệ thống FH được coi là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ. Hệ thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiên giữa các tần số vô tuyến f 1 , f 2 ... f n với n có tới hàng nghìn . Trong hệ thống FH nếu tốc độ nhảy tần lớn hơn tốc độ bit thông tin thì được gọi là hệ thống nhảy tần nhanh FFH ( Fast Frequence Hopping). Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit thông tin được gọi là hệ thống nhảy tần chậm SFH (Slow Frequence Hopping). Tất nhiên có trường hợp đặc biệt trong đó tốc độ nhảy tần và tốc độ bit thông tin là bằng nhau về độ lớn. 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.31: Trải phổ nhảy tần FHSS Hình 2.32: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần 2.6. Công nghệ OFDM OFDM là một kỹ thuật truyền thông tin đa sóng mang xuất hiện từ gíữa những năm 60. Hệ thống đầu tiên sử dụng kỹ thuật này là HF radio links của quân đội (năm 1957). Đến năm 1966, Robert Chang nhận bằng sáng chế với mô hình hệ thống OFDM. Mặc dù những khái niệm về OFDM đã được đề cập từ rất lâu như vậy nhưng mãi đến những thập niên gần đây, OFDM mới chứng tỏ được những tính chất ưu việt của nó. OFDM được ứng dụng trong cả hai hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến, nhất là trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. Ngày nay, kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) và DVB- T (Digital Video Boadcasting- Terrestrial). 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên OFDM còn là giải pháp kỹ thuật được đề cử cho các chuẩn LAN không dây ( Wireless Local Area Network) như ETSI Hiperlan/2 và IEEE 802.11a OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM 2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM Chuyển đổi một chuỗi dữ liệu nối tiếp có tốc độ cao R thành N chuỗi con song song có tốc độ thấp (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao và được phát lên kênh truyền đồng thời. Bản chất trực giao sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter- carrier Interference). Ta có thể thấy điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiêu FDM trên hình 2.33 Hình 2.33. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu. Ta sẽ nói thêm về phương pháp chống ISI được sử dụng trong hệ thống OFDM ở phần sau 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (a) (b) Hình 2.34: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (hình 2.34a). Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (hình 2.34b), và vì vậy ta có thể khác phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai. 2.6.2. Tính trực giao Chìa khoá của việc sử dụng hiệu quả dải băng tần trong hệ thống OFDM so với các hệ thống khác trước (FDM,TDM) chính là tính trực giao của sóng mang phụ. Với tính chất này, phổ của các chuỗi con sau điều chế có thể chồng lấn nhau nhưng vẫn đảm bảo việc tách riên biệt từng thành phần tại phía thu. Một tập tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thoả điều kiện:         ji jiK dttsts j T i s ,0 , )( * (2.22) Với * là ký hiệu liên hợp phức,Ts là chu kỳ ký hiệu. Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:         ),0(;0 0);2sin( )( s s sk Tt Tt T k tf  (2.23) với k=0,.,N-1 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng Fa= ST 1 và trực giao từng đôi một do thoả điều kiện (2.22). Ta xét sóng mang sin( t Ts k12 ) và sin( t Ts k22 ):          s st T ssss dt T t kk T t kkdt T k t T k 0 0 2121 21 0)(2cos)(2cos 2 1 )2sin().2sin(  Như vậy, các sóng mang thuộc tập (2.23) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của Fs. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (hình 2.35). Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau. Hình 2.35: Phổ của các sóng mang trực giao Ta có sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM như hình 2.36 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM Toàn bộ phần đóng khung có thể được thay thế bằng phép biến đổi ngược Fourier rời rạc IDFT( Inverse Discrete Fourier Transform). Khi đó, sóng mang phụ thứ k trong tập các sóng mang trực giao được biểu diễn như sau:        ),0(;0 )( 0;2 s Tt T k j k Tt etg s s  với k=0, N-1 (2.24) Trong thực tế, người ta sử dụng phép biến đổi ngược Fourier nhanh IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) do có thể lập trình tính toán đơn giản và nhanh bằng máy vi tính. 2.6.3 Hệ thống OFDM Trên hình 2.37 là sơ đồ một hệ thống OFDM. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D0,D1, , Dn-1, trong đó Dk= Ak+jBk. Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT:       nk tfj N k N k n N k j ekD N ekD N nd   2 1 0 1 0 2 . 1 . 1       (IFFT) (2.25) (do nksk s k tfnTfn f f n N k  với sT là chu kì kí hiệu, kf là tần số các sóng mang) Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian:         1 0 )2sin2).(cos(Re 1 ndRe)( N k nknkkk tfjtfjBA N ny  =     1 0 )2sin2cos( 1 N k nkknkx tfBtfA N  (2.26) Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuyếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền. 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên     1 0 )2sin2cos( 1 )( N k kkkk tfBtfA N ty  (2.27) Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: Tín hiệu OFDM được đổi tần xuống, biến đổi A/D loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu.     n N k jN n endkD 21 0 .    (FFT) Hình 2.37.: Sơ đồ một hệ thống OFDM 2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ Hình 2.38 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây là nhiễu lên ký hiệu ISI (Inter- symbol Interference). Hình 2.38: Ảnh hưởng của ISI 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hinh 2.39: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trước đó (ký hiệu i- 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải ( max ). Một khoảng rỗng do đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (hình 2.40), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế, người ta chèn khoảng bảo vệ ΔG được coppy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình 2.41. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI. Hình 2.40: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được lại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế. 2.7 Kết luận chƣơng Trên cơ sở các khái niệm về PLC và đặc điểm của kênh truyền điện lực có được, chương này đã đề cập đến các kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thông PLC và đưa ra các tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho các mạng PLC. Bao gồm kỹ thuật phối ghép lưới điện, kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trải phổ, kỹ thuật OFDM. Các kết quả này sẽ là những lựa chọn cần thiết cho quá trình xây dựng hệ thống truyền thoại trên PLC được trình bày trong chương 3. 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 3.1 Giới thiệu Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây Dựng Bắc Ninh Địa chỉ: Đường Nguyễn đăng Đạo - Khu 10 - Phường Đại Phúc -TP Bắc Ninh, Bắc Ninh Điện thoại: 02413.854.331 – 0948.28 28 38 – 0904. 449.827 Website: 3.1.1 Lịch sử trường Thành lập ngày 23-11-1971 với tên trường Công nhân Xây dựng, sau đổi thành trường Trung cấp nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh, năm 2009 nâng cấp thành trường Cao đẳng. Trải qua 40 năm xây dựng, được sự quan tâm của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn và tỉnh Bắc Ninh, trường đã có những bước phát triển vượt bậc, từ 3 nghề đào tạo về lĩnh vực thủy lợi thợ bậc 2/7, đến nay trường đã đào tạo 7 nghề trình độ Cao đẳng, 14 nghề trung cấp, 10 nghề sơ cấp. Hiện trường có 2 cơ sở đào tạo khang trang hiện đại tại phường Hạp Lĩnh và Đại Phúc (thành phố Bắc Ninh). Năm học 2011-2012, toàn trường có 2.500 học sinh, sinh viên gồm 500 sinh viên Cao đẳng và 2.000 học sinh trung cấp. Hầu hết những học sinh, sinh viên sau khi tốt nghiệp trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh đều có việc làm ổn định, được xã hội đánh giá cao về chất lượng đào tạo. Để nâng cao hơn nữa chất lượng đào tạo, gắn đào tạo với thực tiễn sản xuất, hàng năm trường đều cử từ 20 lượt giáo viên và 700 lượt học sinh, sinh viên trở lên thực tập, trải nghiệm công việc tại các doanh nghiệp lớn như: Công ty Canon, Tabuchi (Nhật Bản), Samsung (Hàn Quốc) Thời gian tới trường tiếp tục mở rộng quy mô, chương trình và ngành nghề đào tạo phù hợp với yêu cầu xã 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hội, góp phần tích cực trong chiến lược nâng cao chất lượng nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa của tỉnh Bắc Ninh và toàn quốc. Với những thành tích nổi bật đáng ghi nhận đó, dịp 20-11 năm nay, tập thể trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh vinh dự được Thủ tướng Chính phủ tặng Bằng khen; 2 cá nhân được Chủ tịch nước thưởng Huân chương Lao động hạng Ba; nhiều tập thể, cá nhân khác được Thủ tướng Chính phủ, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam tặng Bằng khen. 3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường a. Cơ sở 1: (Tại địa chỉ: Đường Nguyễn đăng Đạo - Khu 10 – Phường Đại phúc – TP Bắc Ninh, Bắc Ninh).Gồm: Diện tích: 5ha 1 khu hiệu bộ: 3 tầng với 18 phòng làm việc 2 khu giảng đường 3 tầng với 24 phòng học lý thuyết 2 khu xưởng với 14 phòng thực hành b.Cơ sở 2: (Tại Phường Hạp Lĩnh-TP Bắc Ninh). Gồm: Diện tích: 2,5 ha 1 nhà điều hành: 2 tầng với 4 phòng làm việc 2 khu giảng đường 2 tầng với 12 phòng học lý thuyết 1 khu xưởng với 5 phòng thực hành 3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường. 3.1.3.1 .Các thiết bị điện: Trong các phòng học có thiết bị chiếu sáng và quạt, ngoài ra còn có các thiết bị mẫu, các bàn thí nghiệm, thực hành đặc trưng của các nghề. Các thiết bị mẫu, bàn thí nghiệm, thực hành này được cấp điện từ các ổ cắm. Để bảo vệ đóng cắt điện cho từng phòng làm việc và phòng học dùng aptomat. Mỗi khu có aptomat tổng. Về cách quản lý sử dụng điện của trường hiện này là: 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mỗi phòng làm việc và văn phòng khoa có 1 khóa cửa do cán bộ hoặc giáo viên trong khoa quản lý. Hết giờ làm việc phải tắt hết thiết bị điện trước khi ra về. Mỗi phòng học đều có 02 khóa: 01 khóa cửa của giáo viên nhằm quản lý thiết bị đồ dùng học tập của nghề, và 01 khóa cửa của bảo vệ nhằm quản lý tài sản chung. Khi hết giờ học giáo viên và học sinh sinh viên có trách nhiệm tắt điện của phòng đó và cuối ngày bảo vệ sẽ tắt aptomat tổng. 3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay: Với cách quản lý điện như vậy có rất nhiều bất cập. Cụ thể: Phòng học và phòng làm việc là nơi đông người nên rất khó để sử dụng điện một cách tiết kiệm, hợp lý. Việc ra về, khóa cửa nhưng không tắt điện trong phòng thường xuyên xẩy ra gây lãng phí điện. Nếu vì lý do nào đó giáo viên, nhân viên mà quên tắt điện khi ra về và vẫn khóa cửa phòng thì bảo vệ sẽ không tắt được điện trong phòng, gây lãng phí điện năng, Tóm lại việc sử dụng điện hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức của tập thể nên không thể tiết kiệm. Giải pháp hiện nay là bảo vệ gọi điện cho giáo viên hoặc nhân viên phòng đó đến trường để tắt điện trong phòng và bảo vệ cũng thường xuyên phải đi lại kiểm tra từng phòng học, phòng làm việc xem có phòng nào không tắt điện hay không. Với diện tích trường rộng như vậy thì việc làm trên rất tốn lao động mà vẫn không giải quyết được vấn đề tiết kiệm điện. Như vậy để khắc phục các nhược điểm đó, đề tài này sẽ ứng dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện đến từng phòng học cũng như phòng làm việc để quản lý việc sử dụng điện năng hợp lý hơn. Cụ thể: Bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC sẽ được đặt tại phòng trực bảo vệ. Bảo vệ sẽ chỉ cấp điện cho các phòng làm việc, phòng học và nhà xưởng theo lịch làm việc và thời khóa biểu của trường. Việc điều khiển các thiết bị điện thông quá máy tính. 3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế  Tự động hóa hệ thống 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tự động hóa trong điều khiển và quản lý điện của nhà trường.  Tiết kiệm chi phí Tự động hóa hệ thống song vẫn tận dụng được trang thiết bị sẵn có, không phải đi lại dây hay thay thế thiết bị để tiết kiệm chi phí đầu tư.  Tiết kiệm năng lượng Tiết kiệm năng lượng là một tiêu chí rất quan trọng trong bất kỳ một thiết kế nào. Sử dụng phương pháp điều khiển thông minh như dùng cảm biến để đóng cắt hệ thống chiếu sáng, lập trình các chế độ tự động nhằm hạn chế tối đa năng lượng tiêu hao không cần thiết.  Cấu trúc mạng thông minh Một hệ thống thông minh còn được thể hiện ở cấu trúc mạng thông minh: - Đơn giản dễ lắp đặt. - Hoạt động ổn định, tin cậy. - Dễ dàng sửa chữa bảo hành. - Linh hoạt mềm dẻo trong việc thay đổi nhu cầu điều khiển và mở rộng hệ thống.  Luôn luôn an toàn An toàn luôn là ưu tiên hàng đầu đối với một công trình, ở đây có mấy vấn đề muốn đề cập : - An toàn đối với người sử dụng. Toàn bộ phím ấn thông minh gắn tường đều sử dụng nguồn điện điều khiển 24VDC, do đó không giống như hệ thống điện cổ điển nó không thể nào gây hại với người sử dụng. Vì vậy hoàn toàn có thể yên tâm trong quá trình sử dụng. - Cảnh báo cháy mọi lúc, mọi nơi. Hệ thống cảnh báo cháy sử dụng các loại cảm biến khói, cảm biến nhiệt gia tăng với độ nhạy cao nhất, do đó rất an tòa với các xưởng thí nghiệm, thực hành. Khi xảy ra sự cố lập tức hệ thống điện tại khu vực đó sẽ được ngắt, cảnh báo tại chỗ thông qua còi báo động và đèn nháy cho những người xung quanh biết. 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Căn cứ vào yêu cầu thiết kế và dựa trên các ứng dụng của truyền thông trên đường dây điện lực được chỉ ra ở phần trước, trong chương này sẽ thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện để ứng dụng tại trường CĐN Cơ điện và xây dựng Bắc Ninh. Khi thiết kế hệ thống PLC, có rất nhiều điều cần phải được xem xét. Việc lựa chọn thiết bị phù hợp và các thành phần của hệ thống là điều rất quan trọng cần được lựa chọn cẩn thận. Tất cả các thiết bị chính và các thành phần được sử dụng cho hệ thống sẽ được chỉ ra ở phần sau. 3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051 3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện Modem là một thiết bị điều chế tín hiệu sóng mang tương tự (analog) để mã hóa dữ liệu số, và giải điều chế tín hiệu sóng mang để thu lại thông tin đã được truyền. Mục đích của điều chế là tạo ra một tín hiệu có thể truyền dẫn dễ dàng và giải mã để thu lại dữ liệu số như ban đầu. Tại đầu cuối truyền dẫn, Modem điều chế tín hiệu số từ dạng dữ liệu thông qua giao diện RS-232 thành tín hiệu sóng mang đi trên đường dây điện. Ở đầu cuối nhận, modem khôi phục lại dữ liệu ban đầu từ tín hiệu sóng mang trên đường dây điện bằng cách giải điều chế và gửi dữ liệu tới bộ điều khiển hoặc thiết bị đầu cuối dữ liệu. Hiện nay, có rất nhiều modem điện được đưa ra thị trường; được sản xuất bởi các nhà sản xuất vi điện tử như Motorola, SGS Microelectronics, Philips Semeconductors, và Texas Instruments. Hầu hết các modem đều có chức năng tương tự như trên. Nhưng chỉ khác nhau duy nhất về hiệu suất của chúng qua các giai đoạn khác nhau, các kỹ thuật điều chế khác nhau và tính năng bổ sung. Có rất nhiều loại modem của các nhà sản xuất khác nhau, nhưng trong phần này sẽ xem xét modem điện TDA5051A được sản xuất bởi Philips Semiconductors. 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051 TDA5051A là một modem vi mạch (IC), hoạt động ở điện áp 5V cung cấp tốc độ dữ liệu ở 600 hoặc 1200 baud. Nó sử dụng điều chế và giải điều chế ASK (amplitude shift keying – khóa dịch biên) để tạo dạng và tái tạo sóng mang số. Sự giải điều chế số của nó cho ra dữ liệu ở băng cơ bản. Xung đồng hồ cao của bộ chuyển đổi 6-bit số thành tương tự giúp loại bỏ các thành phần răng cưa và nó có bộ lọc số băng hẹp. Nó đảm bảo cho tỉ lệ lỗi bít thấp. Nó cũng tích hợp mạch bảo vệ quá tải. Hơn nữa, chip này dễ dàng tích hợp với EN50065-1 bằng cách sử dụng một mạng ghép đơn giản. Cả hai trạng thái truyền và nhận đều được điều khiển bởi xung đồng hồ của bộ vi điều khiển hoặc bộ tạo dao động bằng trên chip được kết nối tới một tinh thể. Điều này đảm bảo sự chính xác của sóng mang truyền dẫn và sự chính xác của bộ lọc số, vì vậy sẽ tạo ra sự hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào các thành phần gây nhiễu ứng dụng như sự trải trễ, nhiệt độ, và mất nguồn cấp. Thiết bị này bao gồm một tầng đầu ra công suất cung cấp 1 tín hiệu 120dBµV (RMS) trên tải 30Ω. Dưới đây là sơ đồ khối của TDA5051A. 75 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.1. Sơ đồ khối của TDA5051A Và sơ đồ chân của TDA5051A như sau: Hình 3.2. Sơ đồ chân của TDA5051A Trong đó: 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ký hiệu Chân Mô tả DATAin 1 Đầu vào dữ liệu số (Hoạt động ở mức LOW) DATAout 2 Đầu ra dữ liệu số (Hoạt động ở mức LOW) VDDD 3 Chân cấp điện áp số CLKOUT 4 Đầu ra xung đồng hồ DGND 5 Chân nối đất số SCANTEST 6 Đầu vào kiểm tra (Sử dụng ở mức LOW) OSC1 7 Đầu vào bộ tạo dao động OSC2 8 Đầu ra bộ tạo dao động APGND 9 Nối đất tương tự cho khuếch đại công suất TXOUT 10 Đầu ra tín hiệu tương tự VDDAP 11 Cấp điện áp tương tự cho khuếch đại công suất AGND 12 Chân nối đất tương tự VDDA 13 Cấp điện áp tương tự RXIN 14 Đầu vào tín hiệu tương tự PD 15 Đầu vào ngắt nguồn (hoạt động ở mức HIGH) TEST1 16 Đầu vào kiểm tra (Sử dụng ở mức HIGH) Bảng 3.1: Mô tả các chân của TDA5051 Để cung cấp ổn định trong các điều kiện môi trường, tần số sóng mang được tạo ra bằng cách quét bộ nhớ ROM (Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc) dưới sự điều khiển của xung đồng hồ của bộ vi điều khiển hoặc lấy tần số tham chiếu của bộ tạo dao động trên chip. Sự tạo xung tần số cao giúp loại bỏ thành phần răng cưa bị dãn rộng, phần bị dãn rộng sẽ được lọc bởi mạch dao động LC và không gây ra các thành phần nhiễu nghiêm trọng nào. Sự điều chế dữ liệu được thực hiện thông qua chân DATAIN và được đưa tới các mạch số cụ thể để trở thành sóng mang (sự tạo dạng sóng). Các thành phần điều hòa bị hạn chế trong quá trình này, do đó tránh được nhiễu nghiêm trọng trên kênh truyền dẫn (theo khuyến nghị của CISPR16 VÀ EN50065-1). Khi sử dụng mạch LC (hoặc một bộ lọc tương đương) thì TDH (Total Harmonic Distortion) có giá trị là -55dB. 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sự kết nối trực tiếp tới mạng điện (đường dây điện) được thực hiện thông qua một mạch LC tới mạng cho các ứng dụng có chi phí thấp. Tuy nhiên, bộ biến đổi tín hiệu HF có thể được dùng khi cần phải ngăn cách đường điện. Trải qua chế độ truyền dẫn, cần thận trọng khi truyền vì thành phần nhận của mạch không bị vô hiệu và sự phát hiện tín hiệu được truyền vẫn hoạt động bình thường. Vì vậy, trong lập trình vi điều khiển, sự gộp lại của bộ nhận (Rx) cần tránh trong khi truyền tín hiệu. Trong chế độ truyền, đầu vào dữ liệu (chân DATAIN) ở mức LOW. Nghĩa là khi một cụm (burst) được tạo ra trên đường dây (chân TXOUT) khi chân DATAIN ở mức LOW. Chân TXOUT ở trạng thái trở kháng cao, đồng nghĩa với việc thiết bị hiện tại không truyền dẫn. 1s trạng thái logic kế tiếp được xử lý trong chế độ NRZ (Non-Return-to Zero nghĩa là không trở về giá trị 0). Hình dạng của xung như trong hình 3.3. Hình 3.3: Quan hệ giữa DATAIN và DATAOUT Trong khi đó, ở chế độ nhận, đầu ra dữ liệu (chân DATAOUT) hoạt động ở mức LOW. Nghĩa là đầu ra dữ liệu ở mức LOW khi cụm được nhận. Chân DATAOUT duy trì ở mức LOW cho đến khi cụm được nhận xong. Dưới đây là phổ của tín hiệu tạo bởi TDA5051A (Hình 3.4) với bộ tạo dao động bằng thạch anh ở tần số 8.48MHz. Tần số sóng mang cho điều chế ASK là 132.5 kHz. 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.4: Phổ tín hiệu 3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A Sơ đồ của modem Philips TDA5051A ASK được kết nối như trong hình 3-5. Mạch tích hợp (IC) này được bọc bởi vở nhựa nhỏ. Bộ tạo dao động thạch anh với tần số 7.3728 MHz được nối tới chân 7 (OSC1) và chân 8 (OSC2) vì chúng ta cần có tần số sóng mang 115.2 kHz. Dữ liệu serial được truyền và nhận trên chân 1 và chân 2 của IC TDA5051A. Để giảm công suất tiêu thụ, IC có thể bị ngừng hoạt động bởi một đầu vào power-down (chân PD): trong chế độ này, bộ tạo dao động trên chip vẫn tiếp tục duy trì hoạt động và xung đồng hồ tiếp tục được cấp ở chân CLKOUT. 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.5: Modem điện Philips TDA5051A Trong chế độ nhận dữ liệu, IC hoạt động với mức công suất thấp, chân PD có thể được điều khiển động bởi bộ vi điều khiển. Vì ta mong muốn chip có thể nhận dữ liệu bất cứ lúc nào, nên ta không cần IC chuyển sang chế độ ngủ (sleep mode); đầu vào power down (chân PD) được nối đất. Đầu ra ở chân DATAOUT phải luôn được kết nối đến một tụ điện rẽ (10nF), vì ở chân này luôn có 1 điện áp 0.5VDD ngay cả khi thiết bị không truyền dẫn. Chân này phải được bảo vệ khỏi sự quá áp và tín hiệu truyền ngược lại. 3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877 3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877 Vi mạch PIC16F877A là một máy tính có tập lệnh giảm thiểu hiệu năng cao RISC (Redunce Instruction Set Computer). Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ duy nhất, ngoại trừ các nhánh của chương trình được thực hiện trong 2 chu kỳ. PIC16F877A có bộ nhớ Flash (Flash Program Memory) lên tới 8K x 14 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên words (1 word=2bytes), 368 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu (RAM), 156 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu EEPROM. Các đặc trưng ngoại vi mở rộng cũng có được ở kiểu bộ vi điều khiển này. Hơn nữa, bộ vi điều khiển này cũng cung cấp chuẩn giao tiếp ngoại vi đồng bộ/không đồng bộ USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) để sử dụng cho truyền thông. Vi mạch PIC16F877 được đóng gói nhựa, gồm có 40 chân dạng gói PDIP (Plastic Dual In-line) và SOIC (Plastic Small Outline). Gói PDIP 40 chân được dùng để thuận tiện cho hàn tay. Gói khác thì sử dụng công nghệ dán bề mặt (SMT – Surface Mount Technology) và khó khi hàn tay. a. Hình ảnh và sơ đồ chân của PIC16F877. Hình 3.6: Hình ảnh PIC16F877 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC16F877 b. Cấu trúc I/O (input/output) : Pic 16F877a có 5 port có chức năng I/O * Port A : (RA0 - RA5), port A được điều khiển bởi thanh ghi trisA. Ngoài ra port A còn là ngõ ra của bộ chuyễn đổi ADC, bộ so sánh điện áp và là ngõ vào của xung Clock cho Timer 0 hoạt động. * Port B : (RB0 - RB7) 8 bit I/O cũng được điều khiển bởi thanh ghi trisB, ngoài ra Port B còn liên quan đến tính năng ngắt ngoại vi. * Port C : (RC0 - RC7) 8 bit I/O cũng được điều khiển bỡi thanh ghi trisC, bên cạnh đó port C còn có các chân có tính năng so sánh, đồng thời là ngõ vào xung Clock của bộ Timer 1 và các chuẩn giao tiếp nối tiếp. * Port D : (RD0 - RD7) : 8 bit I/O được điều khiển bỡi thanh ghi trisD. Port E : (RE0 - RE2) : 3 bit I/O được điều khiển bởi thanh ghi trisE, ngoài ra còn có tính năng nhận ngõ vào Analog để thực hiện chuyễn đỗi ADC. c. Tổ chức bộ nhớ : 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Gồm 2 bộ nhớ : bộ nhớ chương trình (ROM) và bộ nhớ dữ liệu (RAM) * Bộ nhớ chương trình : 8 kword có khả năng lập trình 8192 lệnh * Bộ nhớ dữ liệu : 4 bank , mỗi bank chứa 128 byte dữ liệu. d. Bộ định thời (Timer) : Gồm 3 bộ : Timer0, Timer1, Timer2. * Timer 0 : là bộ đếm 8 bit , giá trị đếm nằm trong thanh ghi TMR0 (8 bit). * Timer 1: 16 bit , giá trị đếm nằm trong 2 thanh ghi TMR1H (chứa bit cao) và TMR1L (chứa bit thấp). * Timer 2 : 8 bit giống timer0 nhưng tần số định thời có thể thay đổi được. 3.3.2 Mạch điều khiển Một module được thiết kế sử dụng bộ vi điều khiển PIC16F877. Module này hoạt động giống như bảng điều khiển hệ thống. Hình 3.6 là sơ đồ mạch của khối điều khiển. Khối điều khiển sử dụng bộ tạo dao động thạch anh với tần số 3.6864 MHz. Bộ tạo dao động sẽ tạo ra chu kỳ định thời để bộ vi điều khiển thực hiện chương trình. Bộ tạo dao động này cũng gửi tín hiệu đồng hồ cho giao tiếp USART. Bộ tạo dao động sử dụng thạch anh có tần số dao động 3.6864 MHz vì bộ vi điều khiển có thể tạo ra tốc độ bit thấp 1200bps với 0% lỗi khi sử dụng thạch anh. Hai điện dung 27pF được dùng để tín hiệu của bộ tạo dao động được ổn định. Chân MCLR được cấp nguồn 5V tương ứng với giá trị 1. Bộ vi điều khiển sẽ khởi động lại nếu button được bấm. Chân 25 (TX) của PIC16F877 sẽ được kết nối tới chân 1 (DATAIN) của modem PLC TDA5051A và chân 26 (RX) sẽ nối tới chân 2 (DATAOUT) của modem PLC TDA5051A. Chân 25 và 26 của PIC16F877 là các chân truyền thông nối tiếp dùng cho USART. Dữ liệu số được nhận từ modem PLC qua các chân này. Cổng B của bộ vi điều khiển sẽ được kết nối tới các thiết bị cần được điều khiển. Các chân sẽ được cung cấp điện áp 1 chiều 5V khi nó ở trạng thái „1‟ và 0V khi ở trạng thái „0‟. Điôt phát quang (LED – light emitting diode) được kết nối tới cổng B và được dùng cho việc kiểm tra xem vi điều khiển PIC16F877 hoạt động có phù hợp hay 83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên không. Khi cài đặt cho các ứng dụng thực tế, LED phải được vô hiệu hóa bằng cách kéo ra các jumper (JP1 đến JP8). Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối điều khiển 3.3.3 Giao tiếp điều khiển Để giao tiếp điều khiển hệ thống có hai cách. *Cách 1: sử dụng hệ thống phím bấm để điều khiển trực tiếp, đó là các nút bấm B20 đến B27. Mạch giao tiếp điều khiển được thể hiện trên hình 3.8. Trong đó các chân D0 đến D7 được nối với các chân từ 19 đến chân 30 của vi điều khiển PIC16F877. Điện áp điều khiển là +5V *Cách 2: Điều khiển qua máy tính thông qua cổng USB 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.9 Mạch giao tiếp điều khiển Hình 3.10 Mạch giao tiếp USB 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.3.4 Lập trình PIC16F877 Trước khi một bộ vi điều khiển có thể hoạt động để thực hiện các lệnh và điều khiển thiết bị trong các hệ thống, thì chip này cần phải được nạp chương trình. Bộ vi điều khiển PIC16F877 có 8Kbytes bộ nhớ Flash. Đây là nơi lưu giữ chương trình được viết bởi người sử dụng. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình hợp ngữ (assembly) và tất cả các tập lệnh có thể được sử dụng cho lập trình PIC. Có nhiều phần mềm được bán trên thị trường, đó là những phần mềm cung cấp khả năng viết chương trình cho vi điều khiển PIC. MPLAP là một trong số đó. MPLAP được phát triển bởi công ty Microchip Inc. MPLAP là một môi trường trường lập trình, nó có khả năng gỡ rối và biên dịch chương trình hợp ngữ sử dụng trong PIC. Để ghi mã chương trình vào trong vi điều khiển PIC, cần phải có một mạch nạp. Quá trình nạp diễn ra như sau: đầu tiên chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình hợp ngữ (assembly), sau đó mã lệnh của chương trình viết bằng hợp ngữ được chuyển thành mã máy. Mã máy là những dãy số thập lục phân (số thuộc hệ cơ số 16, gồm có các số từ 0 đến 9 và các chữ cái A, B, C, D, E, F). Sau đó mã máy được nạp vào vi điều khiển PIC bằng mạch nạp. Viết chương trình bằng hợp ngữ là một công việc hết sức phức tạp. Hơn nữa, do tính phức tạp của hợp ngữ nên người viết chương trình rất dễ mắc lỗi, và việc phát hiện và sửa lỗi thực sự không đơn giản. Có một cách khác để viết các chương trình là sử dụng ngôn ngữ lập trình C. Có rất nhiều phần mềm miễn phí có khả năng tạo môi trường lập trình cho vi điều khiên sử dụng ngôn ngữ C. Source Boost IDE là một trong số đó. Source Boost IDE được triển bởi SourceBoost Technology. Bằng cách sử dụng Source Boost IDE, chương trình có thể được viết bằng C. sau đó Source Boost IDE sẽ chuyển đổi các mã lệnh (code) của chương trình viết bằng C thành hợp ngữ và mã máy để nạp vào vi điều khiển. Sơ đồ lập trình cho PIC16F877 Khi một nút (button) trên giao diện đồ họa người sử dụng (GUI – Graphical user interface) được nhấn, máy tính sẽ tạo ra dữ liệu dạng nối tiếp và gửi đi trên 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đường dây điện (tín hiệu được gửi trên đường dây là tín hiệu tương tự được điều chế ASK). Ở phía nhận, tín hiệu tương tự sẽ được giải điều chế thành tín hiệu số nối tiếp và đi tới cổng USART để vào vi điều khiển PIC. Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F877 Nếu dữ liệu nhận được chính xác thì bộ vi xử lý sẽ thực thi lệnh trong khối dữ liệu nhận được. 3. 4. Mạch nạp PIC16F877 Có rất nhiều loại mạch nạp trên thị trường để nạp chương trình cho vi điều khiển PIC16F877. Một trong số đó là mạch nạp JDM. Chúng ta lựa chọn mạch nạp JDM là vì có rất nhiều tài liệu cung cấp cách xây dựng và chế tạo mạch này. Mạch này đạt được và sửa đổi bởi nhà sản xuất Olimex Ltd. Mạch nạp JDM được sửa đổi nhận tất cả các tín hiệu và nguồn nuôi từ cổng nối tiếp RS-232. Nó hỗ trợ các bộ vi điều khiển PIC 28 và 40 chân. Vi điều khiển PIC có thể được nạp bằng mạch nạp JDM và phần mềm hỗ trợ. Phần mềm hỗ trợ cho mạch nạp JDM là ICPROG, WinPIC và WinPIC800. Hình 3-12 là sơ đồ mạch nạp. 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.12: Sơ đồ mạch nạp JDM 3.5 Sơ đồ mạch 3.5.1 Khối cấp nguồn Khối cấp nguồn chịu trách nhiệm cung cấp nguồn năng lượng cần thiết cho các thành phần thiết bị cần thiết bao gồm vi mạch PIC16F877 và modem philips TDA5051A. Các tụ điện được dùng để ổn định điện áp và giảm gợn sóng của nguồn điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp (L7805) được dùng để cung cấp điện áp 5V cho vi điều khiển và modem ASK. Sơ đồ mạch của khối cấp nguồn được hiển thị như trong hình 3-12. 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.13: Sơ đồ cấp nguồn 3.5.2. Mạch ghép Mạch ghép được sử dụng với hai mục đích, thứ nhất nó chặn các tín hiệu xoay chiều 50 Hz gây hại, thứ hai nó xác nhận thành phần chính của tín hiệu phát/thu nằm trong băng tần được cấp phát cho truyền thông. Điều này giúp làm tăng dải động của máy thu và đảm bảo máy phát không đưa nhiễu lên kênh. Hình 3-13 là sơ đồ mạch ghép đầy đủ của hệ thống. Mạch ghép được kết nối trược tiếp tới đường dây chính. Cầu chì (630mA) được dùng để bảo vệ mạch khỏi quá dòng và biến trở 250V AC thay đổi theo điện áp được dùng để bảo vệ mạch khỏi quá áp. Điều này sẽ đảm bảo modem Philips TDA5051A không bị phá hỏng do ngắn mạch hay tăng áp đột ngột khi kết nối đến mạch ghép. Modem Philips TDA5051A cũng được bảo vệ bởi bộ triệt (SA5.0A). Hình 3.14: Mạch ghép sử dụng biến áp 89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.5.3. Mạch lọc Hình 3.15: Mạch lọc 3.5.4. Mạch đồng bộ Hình 3.16: Mạch đồng bộ 3.5.5. Tổng hợp mạch Thành phần mạch bao gồm: -Chip giao tiếp đường dây TDA5051A có nhiệm vụ xuất tìn hiệu phát từ chip điều khiển, mã hóa ASK, qua mạch lọc rồi đưa lên đường điện lưới. 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Chíp điều khiển có nhiệm vụ giao tiếp với người sử dụng thông qua bàn phím, điều khiển trực tiếp role đóng cắt thiết bị. - Role là thành phần đóng cắt tiếp điểm cấp nguồn cho thiết bị cần điều khiển. - Khối nguồn cung cấp điện áp 12V đưa qua tụ lọc thành điện áp 1 chiều trước khi qua ổn áp 7805 để ổn định điện áp 5V cấp cho chíp điều khiển và TDA5051. - Biến áp cách ly có nhiệm vụ cách ly tín hiệu với đường dây, biến áp hoạt động trong dải tần số 50Hz đến 250KHz. Đủ băng thông cho tín hiệu điều chế ASK từ chíp ra lưới và chọn lấy tín hiệu tần số cao từ lưới đưa về. -Ngoài ra trong mạch còn có các thành phần hỗ trợ khác như tụ điện, điện trở, cuộn dây, diode ổn áp, phím bấm, .. Sơ đồ mạch tổng hợp như sau: 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.17: Mạch tổng hợp 3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) Bảng mạch in là một phần quan trọng trong thiết kế. Các mạch được thiết kế bằng cách sử dụng phần mềm DXP. Sau đó, bảng mạch in được thiết kế chế tạo dựa trên mạch được thiết kế bằng phần mềm DXP. 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.18. Mạch in Slaver Hình 3.19. Mạch in Master Trên cơ sở mạch in đã thiết kế ta có được mạch thực hoàn chỉnh của các mudul PLC được thể hiện trên hình sau. 93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC Trong đó : Hình 3.21 Boar Master 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.22 Boar Slaver 3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Trong phần trước đã giới thiệu một số thành phần cơ bản được dùng cho hệ thống. Hình 3-23 cho thấy sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền thông tin qua đường điện lực. Hệ thống này hoạt động theo các bước sau: a. Máy tính gửi lệnh điều khiển các thiết bị tới modem PLC qua cổng truyền thông nối tiếp khi con người có yêu cầu điều khiển các thiết bị. b. Modem PLC điều chế dữ liệu nhận được rồi gửi qua đường dây điện sử dụng điều chế ASK. c. Sau đó, ở kết cuối nhận, modem PLC nhận dữ liệu và giải điều chế từ tín hiệu được điều chế ASK thành tín hiệu nối tiếp. d. Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu nối tiếp và bật, tắt thiết bị dựa vào tín hiệu nhận được. 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.23: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC Khi có nhiều thiết bị cần được điều khiển trong hệ thống, thì modem PLC bổ sung cần được thêm vào. Hình 3.24 là kết nối mạng có topology hình sao cho hệ thống này. Ta cần tưởng tượng rằng mỗi modem PLC và bộ vi điều khiển được đặt trong một trạm để điều khiển các thiết bị điện. Hệ thống này là hệ thống song hướng, và có cùng nguyên lý với kỹ thuật X-10. Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao. Dữ liệu được gửi đi từ hai hướng; một hướng là từ máy tính qua cổng USB tới các thiết bị, một hướng đi theo chiều ngược lại. Tại mỗi hướng, modem PLC và 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên bộ vi điều khiển sẽ nhận cùng tín hiệu dữ liệu mỗi lần bên phát gửi. Bộ vi điều khiển sẽ thực thi lệnh để điều khiển thiết bị . 3.6 . Các kết quả thu đƣợc Từ kết quả thực nghiệm cho thấy các MODEM hoạt động ổn định. Người sử dụng có thể điều khiển trực tiếp trên MODEM bằng nút nhấn hoặc có thể điều khiển trực tiếp từ REMOTE. Phần mềm điều khiển hoạt động chính xác theo những yêu cầu điều khiển thiết bị điện và có báo phản hồi lại các thiết bị đã điều khiển. Sản phẩm nghiên cứu của đề tài có thể sản suất thương mại. Thiết bị này có thể được trang bị lắp đặt cho những ngôi nhà cao tần, chung cư, khách sạn, công ty, xí nghiệp ... tùy theo yêu cầu và vị trí lắp đặt các thiết bị điện. Sau khi được lắp đặt nó sẽ mang lại sự sang trọng và tiện lợi cho người quản lý. Giá thành của sản phẩm sau khi lắp đặt sẽ giảm đi rất nhiều so với việc lắp đặt sử dụng các cầu dao, công tắc, ... trong một số công trình như hiện nay. Nhận xét Về sự chống nhiễu: Mạch cho thấy khả năng chống nhiễu khá tốt, ngay cả vào thời gian nhiễu lớn nhất trong ngày, và cùng với sự hoạt động của các thiết bị gây nhiễu mạnh như máy khoan, máy mài kim loại cũng chưa thấy gây tác động đến hoạt động của hệ thống. Khi kiểm tra sự ảnh hưởng của máy phát đến các thiết bị điện nhạy cảm như TV thì cũng không thấy có tác động tiêu cực nào. Về phạm vi hoạt động: qua một số lần kiểm tra hệ thống hoàn toàn hoạt động tốt trong phạm vi nhà trường, ở khoảng cách về đường điện xa hơn (vào khoảng 100m) thì hệ thống hoạt động bắt đầu kém đi, phụ thuộc vào điều kiện gây suy hao là sự tiêu thụ điện sinh hoạt. Như vậy, tuy mới chỉ thử nghiệm công suất ra rất thấp, đặc biệt là công suất phát thực lên đường truyền càng nhỏ hơn rất nhiều nhưng kết quả về tầm hoạt động thu được là khá tốt. Về tính ổn định của hệ thống thì vẫn là điều cần được kiểm nghiệm thêm do khả năng trôi tần số là có thể xảy ra. 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.7 . Kết luận chƣơng Chương này thiết kế một hệ thống đơn giản điều khiển thiết bị qua mạng điện hạ thế. Giao thức đặc biệt được thiết kế riêng cho loại ứng dụng này. Giao thức này sử dụng truyền thông đa nút song công để tăng tối đa số thiết bị có thể điều khiển được từ một máy tính chủ (server) ở xa. Hệ thống này có thể điều khiển tổng số tối đa lên tới 255 thiết bị. Trên đây là một sản phẩm thiết kế đầy đủ chức năng và tiện dụng. Sử dụng giao thức đơn giản, các tập lệnh dễ sử dụng và chi phí thực hiện thấp. Sử dụng một modul chuẩn khi cắm vào ổ cắm chuẩn xoay chiều có thể điều khiển các thiết bị điện .Một modul khác đùng để đọc dữ liệu từ mạng điện thực hiện lệnh điều khiển đồng thời phát lệnh báo ngược trở lại modul phát. So với các phương pháp khác, chi phí thực hiện của phương án này rất thấp. 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hiện tại công nghệ truyền dữ liệu trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới và ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: Hệ thống giám sát và điều khiển, SCADA, Hệ thống đo đếm điện năng từ xa, Dịch vụ internet trên PLC, Home Automation, ... Song thực tế cho thấy đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, mọi hệ thống truyền thông luôn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt. Một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn. Một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông đó là SNR (công suất thu được /công suất nhiễu). Cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả. Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn đã trình bày được các vấn đề sau: - Trình bày nguyên lý cơ bản của các hệ thống truyền thông qua đường dây điện lực; Phân tích được các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và đưa ra các giải pháp kỹ thuật khắc phục; Cập nhật các thành tự đạt được trên thế giới về công nghệ truyền thông PLC. - Để xuất, phân tích, lựa chọn thiết bị, lựa chọn giao thức và thiết kế, lắp ráp một hệ thống điều khiển các thiết bị sử dụng công nghệ PLC đơn giản dùng vi điều khiển PIC16F877A và modem truyền thông TDA5051A giao tiếp, điều khiển thiết bị từ xa bằng máy tính với chi phí thấp. Cụ thể đề tài này đã nghiên cứu chế tạo MODEM điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện dân dụng. Sản phẩm sau khi chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị trong trường học Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực (PLC) sử dụng lưới điện hạ thế để truyền thông tin. Khi phát lệnh điều khiển MODEM MASTER từ phím nhấn hoặc 99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên REMOTE, các tín hiệu thông tin được điều chế có tần số từ 1-2Mhz sẽ được truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế, các tín hiệu này sẽ đi đến các MODEM SLAVE để giải điều chế và điều khiển thiết bị điện tương ứng với lệnh đã phát, đồng thời phát lệnh báo phản hồi trở lại MODEM MASTER. Qua thử nghiệm MODEM Master và MODEM Slave có thể điều khiển thiết bị điện một cách độc lập với lưới điện 220Vac. Song với môi trường làm việc của nhà trường còn có các thiết bị 3 pha và các thiết bị sử dụng điện áp 380V thì đề tài chưa thử nghiệm được. Vì vậy hướng phát triển của đề tài là tiếp tục thử nghiệm các kỹ thuật mã hóa, trải phổ và kỹ thuật điều chế OFDM nhằm nâng cao chất lượng và mở rộng ứng dụng của hệ thống để đáp ứng nhu cầu sử dụng của nhà trường từ đó mở rộng ứng dụng của đề tài cho những ngôi nhà cao tầng, chung cư, khách sạn, công ty, xí nghiệp ... tùy theo yêu cầu và vị trí lắp đặt các thiết bị điện. Sau khi được lắp đặt nó sẽ mang lại sự sang trọng và tiện lợi cho người quản lý. Giá thành của sản phẩm sau khi lắp đặt sẽ giảm đi rất nhiều so với việc lắp đặt sử dụng các cầu dao, công tắc, ... trong một số công trình như hiện nay. Một lần nữa tác giả xin được cảm ơn PGS. TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Thái Nguyên ngày 20 tháng 11 năm 2012 Người thực hiện Hoàng Thu Hà 100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công (2007), Nghiên cứu hệ thống đọc công tơ từ xa, Khoa điện tử - Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. [2]. Lê Văn Doanh, Phạm Khắc Chương (1998), Kỹ Thuật Vi Điều Khiển, Nhà xuất bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội. [4]. Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Phương Huy (2010) , Ứng dụng kỹ thuật điều chế OFDM cho truyền thông trên đường dây điện lực hạ thế, Tạp chí khoa học công nghệ ĐH Thái nguyên, Trang 52-57,tập 66 số 4 , năm 2010 [5]. Văn Thế Minh (2006), Họ vi điều khiển PIC 16F87xA , NXB Khoa học kỹ thuật. [6]. Tống Văn On (2000) ,Vi mạch và tạo sóng , Nhà xuất bản giáo dục. [7]. Tống Văn On , Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất bản lao động và xã hội, 2001. [8] . Dương Minh Trí (1997), Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật [9]. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật ( 1993), Tra cứu Transistor Nhật Bản tập 1,2,3, Tài liệu dịch từ National Semiconductor [10]. Tiếng Anh [11]. Thomas and Rosa (2001), The Analysis and Design of Linear Circuits, New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001. [12]. I. H. Cavdar(2009). A solution to remote detection of illegal electricity usage via power line communications. IEEE 2009 (Available in the database IEEE Xplore) [13]. Zhe CHEN, Mu WEI (2008), A Voltage Quality Detection Method, DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China [14]. Patrick A., Newbury J., Gargan S (1998), Two-way communications systems in the electricity supply industry. IEEE transactions on Power Delivery. Vol. 13, No. 1, January 1998. (Available in the database IEEE Xplore). [15]. C. A. Duque (M-IEEE), P. G. Barbosa (M-IEEE) and D. P. Baptista (2005), Data Transmission through Power Lines - Student Member, IEEE [16]. Design Notes, “Home Automation Circuits.” (Online article), Available at: 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên [17]. Smith Bellerby Limited(2007), Smart Metering ,The article is available on.the.website: metering/769.html) [18] J.B. Anderson (1998), "Digital Transmission Engineering", IEEE Press. [19] M. Arzberger, K. Dostert, T. Waldeck, M. Zimmermann (1997), "Fundamental Properties of the Low Voltage Power Distribution Grid", Proc. 1997 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Essen, Germany. [20] J.S. Barnes (1998), "A Physical Multi-path Model for Power Distribution Network Prop- agation", Proc. 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998. [21] Paul Brown (1997), "Directional Coupling of High Frequency Signals onto Power Net- works", Proc. 1997 International Symposium on Power-line communications and its Applications", Essen, Germany. [22] P. A. Brown (1998), "Some Key Factors Influencing Data Transmission Rates in the Power Line Environment when Utilising Carrier Frequencies above 1 MHz",Proc. 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998. [23] A.G. Burr, D.M.W. Reed, P.A. Brown (1998), "HF Broadcast Interference on LV Mains Distribution Networks", Proc. 1998 International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998. [24]. www.How X10 Works - SmartHomeUSA_com. 102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PHỤ LỤC 1 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F87X 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên PHỤ LỤC 2 MODEM TRUYỀN THÔNG 5051A 109 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên