TỔNG QUAN TRẠM BTS CỦA ERICSSON
Tổng quan trạm BTS trong mạng thông tin di động
Trong hệ thống thông tin di động, trạm thu phát gốc (BTS) đóng vai trò then chốt, thực hiện chức năng thu phát liên quan đến giao diện vô tuyến GSM và xử lý tín hiệu BTS có thể coi là modem vô tuyến phức tạp, biến đổi tín hiệu vô tuyến từ MS thành dữ liệu để truyền đến các máy khác trong mạng GSM, và ngược lại Vị trí của BTS quyết định dung lượng và vùng phủ sóng của mạng.
Giám sát các thông số và cảnh báo về trạng thái hoạt động là vô cùng quan trọng để đảm bảo điều kiện hoạt động, độ ổn định và tin cậy của hệ thống Các thông số được chia thành cảnh báo trong (tín hiệu vô tuyến từ MS tới BTS và từ BTS tới BSC) và cảnh báo ngoài (chế độ cấp nguồn, nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo khói/cháy, trạng thái thiết bị, cảnh báo đột nhập) Thông tin cảnh báo ngoài được thu thập và đưa về BTS qua cổng riêng, sau đó gửi về trung tâm điều hành mạng để giám sát và xử lý.
Tùy theo đặc điểm trạm BTS, bộ thu thập cảnh báo riêng biệt được sử dụng để thu thập thông tin cảnh báo ngoài thông thường Do đó, các trạm BTS hiện nay sử dụng nhiều loại bộ thu thập xử lý cảnh báo khác nhau, đa dạng về nguồn gốc và được lắp đặt rộng rãi.
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, các bộ thu thập và xử lý cảnh báo cần đáp ứng các yêu cầu chung về hoạt động ổn định, tin cậy, đồng thời tuân thủ các tiêu chí kinh tế và kỹ thuật.
Mô hình tổng quan nhà trạm BTS của Ericsson
Thiết bị BTS Ericsson được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam cho các nhà mạng di động lớn như Vinaphone, Viettel và Mobifone, đóng vai trò quan trọng trong việc phát sóng di động.
Luận văn này chỉ đề cập tới hệ thống thiết bị BTS ngoài trời (outdoor) của hãng
Ericsson hiện đang được sử dụng cho hãng Vietnammobile
Mô hình một nhà trạm BTS của Vietnammobile được chỉ ra như hình vẽ:
Hình 1.1 Mô hình tổng quan nhà trạm BTS Ericsson_Vietnammobile
Trạm BTS ngoài trời của Vietnammobile, sử dụng thiết bị Ericsson, nổi bật với khả năng triển khai nhanh chóng và dễ dàng, giúp giảm chi phí xây dựng nhà trạm và không yêu cầu điều hòa, đồng thời tiết kiệm diện tích.
Mô tả tủ cabinet Delta
Toàn bộ thiết bị của trạm BTS outdoor được đặt trong một tủ thiết bị chung được gọi là cabinet của hãng Delta, về cơ bản có 3 loại cabinet:
Hình 1.2 Các loại tủ cabinet của Ericsson dùng cho mạng di động
Về cơ bản, cả ba loại tủ cabinet có cấu tạo tương đồng, nhưng tủ cabinet ABA01 nổi bật hơn về tính thông dụng và linh hoạt Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu chuyên sâu về tủ cabinet ABA01.
Cabinet ABA01
Hình 1.3 Kích thước tủ Cabinet ABA01
1.4.2 Các thành phần trong cabinet
Hình 1.4 Các thành phần trong tủ Cabinet ABA01
- New Smart CSU (Relay board): Mạch điện chứa các rơle đóng cắt dành cho điều khiển và cảnh báo tủ nguồn
- New Smart CSU (Main board): Mạch điện điều khiển trung tâm của tủ nguồn
- Rectifier ESR-48/56A: Module chỉnh lưu
- Battery & Base: Dành cho acquy
- 19" Rectifier Shelf (SB-05N/HG A): Giá đỡ module chỉnh lưu
- CCU (Climate Control Unit): Bộ điều khiển phụ trợ, bao gồm thu thập cảnh báo ngoài, điều khiển quạt làm mát…
- 160W Heat Exchange: Bộ phận trao đổi nhiệt gắn với cánh tủ Cabinet
- PDU: Khối phân phối nguồn một chiều
Hệ thống tủ nguồn BTS ESOA150-ABA0x bao gồm các khối: Khối chỉnh lưu
Tủ nguồn ESR48/56 A A bao gồm các thành phần chính như khối điều khiển trung tâm NCSU, khối điều khiển phụ trợ CCU, khối phân phối nguồn PDU, quạt làm mát, và các áp tô mát bảo vệ Tủ nguồn này có khả năng lắp tối đa 3 khối chỉnh lưu và 1 bộ điều khiển NCSU, hoạt động với điện áp đầu vào 380VAC và cung cấp điện áp đầu ra -54VDC cho tải và nạp acquy.
Bộ xử lý trung tâm NCSU điều khiển toàn bộ hệ thống, bao gồm giám sát cảnh báo, điều khiển điện áp đầu ra và quạt, cùng các thông số hệ thống như điện áp nạp bù, dòng điện định mức và ngưỡng cảnh báo Hệ thống giám sát từ xa (RMS) qua giao diện USB cho phép điều khiển và giám sát hệ thống từ máy tính cá nhân.
CCU là bộ điều khiển phụ trợ đảm nhiệm việc giám sát và cảnh báo các thông số môi trường quan trọng như trạng thái cửa, độ ẩm và nhiệt độ, đồng thời điều khiển và giám sát hoạt động của bộ trao đổi nhiệt.
1.4.2.1 Bộ điều khiển giám sát môi trường CCU
Bộ điều khiển giám sát môi trường CCU được thiết kế để điều khiển các thông số môi trường cho tủ cabinet ngoài trời Nó điều khiển quạt làm mát, bộ phận trao đổi nhiệt, hệ thống sưởi và chiếu sáng CCU phát hiện nhiệt độ cao/thấp, mức nước cao, độ ẩm cao, xâm nhập và cảnh báo khói cháy, cho phép ứng dụng linh hoạt.
- Điều khiển môi trường cabinet ngoài trời
- Tự động cập nhật thiết bị ngoại vi
- Dải nhiệt độ hoạt động rộng
- Dải công suất ra lớn
- Tương thích với hệ thống làm mát, sưởi, chiếu sáng xoay chiều và một chiều
- Chức năng điều khiển quạt dựa trên PWM
- Người dùng tự định nghĩa các cảnh báo
- Giao diện thân thiện với người sử dụng
- Hiển thị trên LED 7 thanh và LED thông thường
- Các chức năng cảnh báo nhiệt độ cao/thấp, mức nước cao, độ ẩm cao, báo cháy, báo khói, đột nhập…
Hình 1.5 Mặt trước của CCU
- Dải điện áp làm việc: 18 - 59VDC
+ o C: Hiển thị nhiệt độ ở đơn vị o C
+ o F: Hiển thị nhiệt độ ở đơn vị o F
+ Cooling1: LED xanh - Thể hiện hệ thống làm mát thứ nhất hoạt động
+ Cooling2: LED xanh - Thể hiện hệ thống làm mát thứ hai hoạt động
+ Heater: LED xanh - Thể hiện hệ thống sưởi đang hoạt động
+ CCU fail: LED đỏ - Thể hiện sự cố trong bản thân CCU
+ Alarm: LED đỏ - Có cảnh báo bởi một trong các nguồn: nhiệt độ, độ ẩm, mức nước, đột nhập…
- Hiển thị trên LED 7 thanh: Có khả năng hiển thị các thông tin
+ Cooling 1 fail: Hệ thống làm mát thứ nhất gặp sự cố
+ Cooling 2 fail: Hệ thống làm mát thứ nhất gặp sự cố
+ Heater fail: Hệ thống sưởi gặp sự cố
+ High Temperature: Cảnh báo nhiệt độ cao
+ Low Temperature: Cảnh báo nhiệt độ thấp
+ Temperature Sensor Fail: Cảnh báo hỏng sensor nhiệt độ
+ Intrusion Alarm: Cảnh báo đột nhập
+ High Water: Cảnh báo mức nước cao
+ Smoke / Fire: Cảnh báo cháy, khói
+ High Humidity: Cảnh báo độ ẩm cao
+ Set: Thiết lập các thông số cho CCU
+ Phím tăng/giảm: thay đổi các thông số cho CCU
- Điều khiển các đối tượng
- Kết nối tới các cảm biến:
1.4.2.2 Bộ phận quạt trao đổi nhiệt
Bộ phận trao đổi nhiệt được thiết kế để luân chuyển không khí nhiệt độ cao trong tủ điện, dễ dàng lắp đặt và cách ly bụi bẩn, hơi ẩm Cảm biến nội bộ giám sát nhiệt độ và tự động điều chỉnh tốc độ quạt, giảm thiểu tiếng ồn Quạt làm mát sẽ ngưng chạy khi nhiệt độ dưới 25°C CCU sẽ cảnh báo "Cooling Fail Alarm" khi bộ phận trao đổi nhiệt gặp sự cố hoặc tắt nguồn, và cảnh báo "Hi Temperature Alarm" khi nhiệt độ vượt ngưỡng thiết lập.
Một số thông số của quạt trao đổi nhiệt:
- Điện áp hoạt động: -48VDC (Dải điện áp hoạt động -40 - 57VDC)
- Tổng hệ số trao đổi nhiệt: 160W/K
- Công suất tiêu thụ cực đại: 200W (DC)
Hình 1.6 Vị trí các quạt trao đổi nhiệt
- Điện áp vào: 12VDC ± 0,4VDC
- Dòng điện tiêu thụ: 20mA
Bảng 1.1 Mô tả các chân của cảm biến độ ẩm
Chân 1-3: Cấp nguồn cho cảm biến
Chân 2-3: Trạng thái hở mạch - 5VDC: không có cảnh báo
Trạng thái kín mạch - 0VDC: có cảnh báo
Chân 4-3: Nối ngắn mạch với GND
Dải giá trị độ ẩm cảm biến có thể nhận biết: 60% - 90%, giá trị bước thay đổi là
5% Giá trị thiết lập mặc định cảnh báo độ ẩm là 85% và có thể thay đổi được bằng cách thay đổi các chuyển mạch trên cảm biến
Quạt làm mát cabinet, với khả năng lắp đặt tối đa 4 quạt song song, được điều khiển bởi NCSU để tự động điều chỉnh theo nhiệt độ thực tế, giúp loại bỏ nhiệt hiệu quả Hệ thống lọc bụi đảm bảo vòng lưu thông không khí sạch, bảo vệ thiết bị khỏi bụi bẩn.
Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt, quạt trong cabinet sẽ khởi động và CSU phát cảnh báo "Hi Ambient Temperature Alarm", đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.
2 Humidity I Tín hiệu cảnh báo độ ẩm cao
4 Hu-D I Tín hiệu phát hiện độ ẩm
Hình 1.7 Vị trí các quạt làm mát (ngăn trái của tủ) Các thông số hoạt động:
- Điện áp hoạt động: 48VDC (Dải điện áp 40 ÷ 59VDC )
- Dòng điện tiêu thụ tối đa 1A (cho 1 module) Đèn LED chỉ dẫn (màu xanh)
- LED sáng: Hoạt động bình thường
- LED tắt: Quạt hỏng hoặc mất nguồn cung cấp
- Tốc độ quạt 4000RPM Điều kiện họat động
- Tuổi thọ 80.000h ở điều kiện 40 o C và độ ẩm 15% - 65%RH
Hình 1.8 Kích thước quạt làm mát
Cabinet được trang bị 2 cảm biến cửa trước, sẽ tác động khi cửa mở
Cảm biến nhiệt độ (TB) được tích hợp trong hệ thống acquy, giám sát nhiệt độ tại điểm giữa kết nối chuỗi, đảm bảo an toàn và hiệu suất tối ưu.
Hình 1.9 Cảm biến nhiệt của acquy
Các cảnh báo ngoài
Trạm phát sóng di động nhận cảnh báo từ nhiều nguồn khác nhau như truyền dẫn, thiết bị BTS và các yếu tố bên ngoài Cảnh báo ngoài bao gồm các nguồn như nhiệt độ, môi trường và điện áp AC/DC Tủ outdoor RBS2216 có 7 cảnh báo quan trọng.
Mất điện AC cung cấp cho toàn bộ tủ, lấy từ thiết bị nguồn Delta thông qua bộ điều khiển trung tâm CSU, gây ra cảnh báo.
Cảnh báo xảy ra khi hỏng các module chỉnh lưu, được gửi tới BTS thông qua bộ điều khiển trung tâm CSU
Cảnh báo xảy ra khi khối CSU gặp sự cố
Cảnh báo lấy từ các cảm biến nhiệt
Cảnh báo từ bộ điều khiển giám sát môi trường
Cảnh báo lấy từ các tham số như độ ẩm, cửa mở, khói…
Cảnh báo xảy ra điện áp AC lấy từ máy nổ không vào trạm
- Các tín hiệu cảnh báo MAIN POWER FAILURE, RECTIFIER MODULE
FAILURE, CONTROL FAIL, COMMERCIAL POWER FAILURE ở dạng ON/OFF, được lấy từ module relay của thiết bị nguồn Delta, tích cực ở mức thấp (OFF)
- Tín hiệu cảnh báo HIGH TEMPERATURE 1 được lấy từ các bộ cảm biến nhiệt độ đặt trong cabinet
Hình 1.10 Cảm biến nhiệt độ
- Tín hiệu cảnh báo ENVIRONMENT ALARM bao gồm các cảnh báo như hình:
+ Cảnh báo khói, cảnh báo độ ẩm: Hoạt động theo nguyên lý ON/OFF, tuân theo chuẩn TTL:
Cảnh báo khói: Mức HIGH - 5V tương ứng với không có cảnh báo, mức LOW - OV tương ứng với có cảnh báo
Cảnh báo độ ẩm: Khi độ ẩm môi trường đạt từ 60% - 90% đầu ra sensor có mức LOW
- OV - có cảnh báo, khi độ ẩm môi trường nhỏ hơn 60%, đầu ra sensor ở mức HIGH -
Cảnh báo mở cửa hoạt động dựa trên trạng thái của công tắc hành trình: khi có ít nhất một cánh cửa mở, công tắc hành trình kích hoạt và đầu ra ở mức LOW; ngược lại, khi cả hai cánh cửa đều đóng hoàn toàn, các đầu ra cảm biến sẽ chuyển sang mức HIGH, báo hiệu trạng thái đóng cửa an toàn.
Hình 1.11 Vị trí các cảm biến môi trường
Kết luận
Chương 1 tập trung vào việc phân tích các thành phần và nguồn cảnh báo của tủ RBS 2216 loại ABA01, từ đó đặt ra yêu cầu thiết kế một bộ thu thập và xử lý cảnh báo ngoài để thay thế cho bộ CCU hiện tại Các bộ CCU hiện tại có tỷ lệ hỏng hóc cao và việc thay thế gặp nhiều khó khăn về thời gian và chi phí Mục tiêu là thiết kế một bộ thu thập xử lý cảnh báo ngoài hoạt động tin cậy, ổn định, sử dụng linh kiện có sẵn trên thị trường, dễ thay thế và sửa chữa, nhằm giảm thiểu thời gian và chi phí thay thế các bộ CCU Chương tiếp theo sẽ tập trung vào việc tìm hiểu các linh kiện để xây dựng phần cứng của đồ án.
TÌM HIỂU CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG THU THẬP, XỬ LÍ CẢNH BÁO NGOÀI
Tổng quan
• 5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập
• 2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2
• 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài
• 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều biến xung
• 1 bộ biến đổi tương tự số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào 2 bộ so sánh tương tự
• 1 bộ định thời giám sát (WDT - Watch Dog Timer)
• 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển
• 1 port nối tiếp (Serial Port)
• Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)
• Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP™ (In-Circuit Serial Programing)
• Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS
• 35 tập lệnh có độ dài 14 bit
• Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz.
Sơ đồ chân
Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC16F877A
• Chân OSCl/CLKl(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock từ bên ngoài
• Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock
• Chân MCLR/VPP(1) có 2 chức năng:
MCLR: ngõ vào reset tích cực ớ mức thấp
Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC
• Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3) có 2 chức năng:
AN0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2
Chân RA2/AN2 đảm nhiệm đồng thời chức năng xuất nhập số và là ngõ vào tương tự cho kênh thứ 2, đồng thời đóng vai trò là ngõ vào điện áp chuẩn thấp (VREF-) và cao (CVREF+) cho bộ chuyển đổi AD, mở rộng khả năng ứng dụng của vi điều khiển trong các hệ thống đo lường và điều khiển.
• Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ AD
• Chân RA4/T0CK1/C10UT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1
• Chân RA5/AN4/ C20UT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2
• Chân RBO/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài
• Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số
• Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP
• Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số
• Chân RB6/PGC(39): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP
• Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP
• Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timerl/ ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1
• Chân RC1/T10SI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2
• Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture l, ngõ ra compare l, ngõ ra PWM1
Chân RC3/SCK/SCL(18) là chân đa năng, hỗ trợ xuất nhập số, đồng thời đóng vai trò là ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ Trong chế độ SPI, chân này hoạt động như một ngõ ra, còn trong chế độ I2C, nó là ngõ ra của giao thức I2C.
• Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu
• Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ kiệu ra SPI
• Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ UART/ xung đồng bộ UART
• Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ UART
• Chân RD0-7/ PSP0-7(19-30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song
• Chân REO/RD/AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự 5
• Chân RE1/WR/AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 6
• Chân RE2/CS/AN7(10): xuất nhập số/ chân chọn lựa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7
• Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC.
Tổ chức bộ nhớ
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình
(Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory)
Vi điều khiển PIC16F877A sử dụng bộ nhớ flash với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), được chia thành nhiều trang từ page 0.
Hình 2.2 Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình có khả năng chứa 8192 lệnh, do mỗi lệnh mã hóa chiếm 1 word (14 bit) Để mã hóa địa chỉ cho 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình cần dung lượng 13 bit (PC).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chi 0000h
(Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h
The PIC microcontroller's data memory, specifically in the PIC16F877A, is organized into multiple banks of EEPROM, with the PIC16F877A having 4 banks Each bank has a capacity of 128 bytes, including Special Function Registers (SFRs) at lower addresses and General Purpose Registers (GPRs).
Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR) nằm trong vùng địa chỉ còn lại của bank nhớ Để thuận tiện truy xuất và giảm lệnh chương trình, các thanh ghi SFR thường xuyên sử dụng (ví dụ, thanh ghi STATUS) được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu.
Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A như sau:
Hình 2.3 Bộ nhớ dữ liệu Các thanh ghi chức năng đặc biệt:
Thanh ghi SFR được CPU sử dụng để thiết lập và điều khiển các khối chức năng tích hợp trong vi điều khiển, chia thành hai loại chính: thanh ghi SFR liên quan đến chức năng bên trong (CPU) và thanh ghi SFR điều khiển các khối chức năng bên ngoài Bài viết này tập trung vào các thanh ghi liên quan đến chức năng bên trong CPU.
Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h) chứa kết quả phép toán từ khối ALU, trạng thái reset, và bit chọn bank để truy xuất bộ nhớ dữ liệu.
Thanh ghi OPTION_REG (81h, 181h) cho phép đọc và ghi, điều khiển chức năng pull-up của PORTB, xác lập xung tác động, cạnh tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và cấu hình các chức năng ngoại vi của vi điều khiển.
Thanh ghi INTCON (0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh) cho phép đọc và ghi, quản lý các bit điều khiển và cờ báo hiệu cho ngắt timer0, ngắt ngoại vi RB0/INT, giúp kiểm soát và phản ứng với các sự kiện ngắt trong hệ thống.
Interrupt – on-change tại các chân PORTB
- Thanh ghi PIE1 (8Ch): chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của các khối chức năng ngoại vi
Thanh ghi PIR1 (0Ch) lưu trữ cờ ngắt từ các khối chức năng ngoại vi, được kích hoạt bởi các bit điều khiển trong thanh ghi PIE1.
- Thanh ghi PIE2 (8Dh) chứa các bit điều khiển các ngắt của các khối chức năng
CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM
Thanh ghi PIR2 (0Dh) lưu trữ các cờ ngắt từ các khối chức năng ngoại vi, được kích hoạt thông qua các bit điều khiển trong thanh ghi PIE2.
- Thanh ghi PCON(8Eh): chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset của vi điều khiển.
ADC
ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa dạng tương tự và số, với PIC 16F877A có 8 ngõ vào analog Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể được lựa chọn từ VDD, VSS hoặc thiết lập trên hai chân RA2 và RA3 Kết quả chuyển đổi là 10 bit số và được lưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL; khi không sử dụng ADC, các thanh ghi này có thể dùng như các thanh ghi thông thường Khi chuyển đổi hoàn tất, bit GO/DONE (ADCON0) được xóa về 0 và cờ ngắt ADIF được set.
Quy trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau:
1 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC:
Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu (dựa trên các thông số của thanh ghi ADCON1)
và cuối cùng là **cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0)**.
2 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD
Clear bit ADIF Set bit ADIE Set bit PEIE Set bit GIE
3 Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất
4 Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit GO/DONE)
5 Đợi cho tới khi quá trình chuyển đổi hoàn tất bằng cách:
Kiểm tra bit GO/DONE, nếu GO/DONE = 0 quá trình chuyển đổi đã hoàn tất Kiểm tra cờ ngắt
6 Đọc kết quả chuyển đổi và xóa cờ ngắt, set bit GO/DONE (nếu cần tiếp tục chuyển đổi)
7 Tiếp tục thực hiện các bước 1 và 2 cho quá trình chuyển đổi tiếp theo
Hình 2.4 mô tả sơ đồ logic của bộ ADC, trong đó bit ADFM điều khiển cách lưu kết quả chuyển đổi AD, một yếu tố quan trọng cần được chú ý khi làm việc với bộ ADC.
Các thanh ghi liên quan đến bộ chuyển đổi ADC bao gồm:
- INTCON (địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh): cho phép các ngắt (các bit GIE,
- PIR1 (địa chỉ 0Ch): chứa cờ ngắt AD (bit ADIF)
- PIE1 (địa chỉ 8Ch): chứa bit điều khiển AD (ADIE)
- ADRESH (địa chỉ 1Eh) và ADRESL (địa chỉ 9Eh): các thanh ghi chứa kết quả chuyển đổi AD
- ADCON0 (địa chỉ 1Fh) và ADCON1 (địa chỉ 9Fh): xác lập các thông số cho bộ chuyển đổi AD
- PORTA (địa chỉ 05h) và TRISA (địa chỉ 85h): liên quan đến các ngõ vào analog ở PORTA
- PORTE (địa chỉ 09h) và TRISE (địa chỉ 89h): liên quan đến các ngõ vào analog ở PORTE.
Chế độ PWM
Hình 2.5 Các tham số ở đầu ra PWM
Chế độ PWM cho phép phát các tín hiệu điều chế độ rộng xung trên các chân
CCPx Tỷ lệ xung, chu kỳ và độ phân giải được quyết định bởi các thanh ghi:
Khi hoạt động ở chế độ PWM, module CCP cung cấp tín hiệu ra với độ phân giải tối đa 10-bit trên chân CCPx, do đó cần cấu hình thanh ghi TRIS tương ứng ở mức thấp để cho phép CCPx xuất dữ liệu.
Chu kỳ xung PWM được tính thông qua thanh ghi PR2 của bộ định thời 2 qua công thức sau:
Nếu TMR2 bằng PR2, 3 sự kiện sau sẽ xảy ra sau mỗi chu kỳ xung:
- Chân CCPx được thiết lập lên 1 (Ngoại trừ trường hợp hệ số đầy xung PWM = 0% chân này không được thiết lập lên 1)
- Hệ số làm đầy PWM được chốt từ CCPRxL sang CCPRxH
2.1.5.2 Hệ số làm đầy PWM
Để tính hệ số làm đầy PWM, giá trị 10 bit được ghi vào các thanh ghi CCPRxL và các bit DCxB của thanh ghi CCPxCON.
CCPRxL chứa 8 bit MSB và DCxB chứa 2 bit LSB CCPRxL và 2 bit
Thanh ghi CCPxCON cho phép ghi giá trị DCxB bất kỳ lúc nào, nhưng giá trị hệ số đầy đủ chỉ được chốt vào CCPRxH sau khi một chu kỳ PWM hoàn thành Trong chế độ PWM, CCPRxH hoạt động ở chế độ chỉ đọc.
PWM period=[(PR2+1)]*4*TOSC*(giá trị bộ chia tần số TMR2)
Công thức tính độ rộng xung:
\ Để sử dụng chức năng PWM trước tiên ta cần tiến hành các bước cài đặt sau:
1 Thiết lập thời gian của 1 chu kỳ của xung điều chế cho PWM (period) bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi PR2
2 Thiết lập độ rộng xung cần điều chế (duty cycle) bằng cách đưa giá trị vào thanh ghi CCPRxL và các bit CCP1CON
3 Điều khiển các chân của CCP là output bằng cách clear các bit tương ứng trong thanh ghi TRISC
4 Thiết lập giá trị bộ chia tần số prescaler của Timer2 và cho phép Timer 2 hoạt động bằng cách đưa giá trị thích hợp vào thanh ghi T2CON
5 Cho phép CCP hoạt động ở chế độ PWM.
Module sim900A
2.2.1 Giới thiệu về mạng di động GSM
GSM (Global System for Mobile Communication) là công nghệ mạng thông tin di động toàn cầu thế hệ 2G, sử dụng cấu trúc mạng tế bào để cung cấp dịch vụ truyền giọng nói và dữ liệu chất lượng cao trên các băng tần 400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz và 1900Mhz.
Viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute –ETSI) quy định
GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi Radiolinja ở Phần Lan
Năm 1989, việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển giao cho viện Viễn thông Châu Âu, và các tiêu chuẩn GSM đầu tiên được công bố năm 1990 Đến cuối năm 1993, mạng GSM đã có hơn 1 triệu thuê bao từ hơn 70 nhà cung cấp dịch vụ tại 48 quốc gia Hiện nay, GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên hơn 200 quốc gia và vùng lãnh thổ.
Pulse Width= (CCPRxL:CCPxCON)*TOSC*(giá trị bộ chia tần số)
GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế giới nhờ khả năng phủ sóng rộng khắp Mạng di động GSM nổi bật với chất lượng cuộc gọi tốt, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn dễ dàng Công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở, tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc kết nối với các thiết bị khác nhau GSM cũng được phát triển thêm tính năng truyền dữ liệu tốc độ cao như GPRS và EDGE.
Tại Việt Nam, công nghệ GSM xuất hiện từ năm 1993, bắt đầu với hệ thống đầu tiên ở miền Bắc Hiện nay, Viettel, Vinaphone và Mobiphone là ba mạng GSM lớn nhất, chiếm lĩnh thị phần lớn tại thị trường Việt Nam.
2.2.2 Đặc điểm mạng di động GSM
GSM được thiết kế độc lập, tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp, tạo điều kiện cho sáng tạo phần cứng và mua thiết bị từ nhiều hãng Hệ thống cho phép gửi và nhận tin nhắn văn bản dài đến 126 ký tự, cũng như chuyển giao dữ liệu và Fax giữa các mạng GSM với tốc độ lên tới 9.600kps.
Công nghệ GSM có tính phủ sóng cao, cho phép kết nối không chỉ trong cùng mạng và lãnh thổ quốc gia mà còn trên toàn cầu, hỗ trợ chuyển vùng (roaming) để người dùng có thể sử dụng dịch vụ ở bất kỳ đâu Mạng GSM sử dụng hai kiểu mã hóa âm thanh là 6kbps (haft rate) và 13kbps (full rate) để nén tín hiệu âm thanh 3.1khz.
Để giải quyết vấn đề hạn chế về dung lượng, các kỹ thuật như sử dụng tần số hiệu quả hơn và chia ô nhỏ đã được áp dụng, từ đó giúp tăng số lượng thuê bao được phục vụ, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất mạng.
GSM networks prioritize high security by validating each subscriber's identity using the Subscriber Identity Module (SIM) card The SIM card employs a Personal Identification Number (PIN) for authentication.
Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng
2.2.3 Ưu điểm và một số ứng dụng của tin nhắn SMS
SMS đã trở thành một thành công toàn cầu với số lượng tin nhắn trao đổi hàng ngày rất lớn, đóng vai trò là một nguồn thu quan trọng cho các hãng viễn thông Sự phổ biến rộng rãi của SMS được củng cố bởi nhiều yếu tố khác nhau.
Tin nhắn SMS có thể được gửi và đọc mọi lúc mọi nơi nhờ vào sự phổ biến của điện thoại di động, giúp người dùng dễ dàng kết nối bất kể họ đang ở đâu.
Tin nhắn SMS có thể được gửi đến điện thoại ngay cả khi tắt nguồn hoặc ngoài vùng phủ sóng, điều này khác biệt so với cuộc gọi điện thoại thông thường.
SMS là phương thức liên lạc hiệu quả khi người nhận không thể nhận cuộc gọi do tắt nguồn hoặc sóng yếu Hệ thống tin nhắn SMS lưu trữ tin nhắn và tự động gửi khi điện thoại của người nhận có sóng trở lại, mang lại lợi thế so với cuộc gọi thông thường.
Không giống như cuộc gọi điện thoại đòi hỏi phản hồi tức thì, tin nhắn SMS cho phép chúng ta đọc và trả lời một cách chủ động, không bị áp lực về thời gian, tạo sự linh hoạt trong giao tiếp.
SMS là một phương thức liên lạc tế nhị hơn so với cuộc gọi điện thoại, không gây ra tiếng ồn lớn và cho phép người dùng nhận và trả lời tin nhắn mà không cần phải rời khỏi những không gian yên tĩnh như rạp hát hay thư viện.
Tin nhắn SMS được hỗ trợ rộng rãi bởi tất cả điện thoại di động GSM và cho phép trao đổi tin nhắn giữa các nhà mạng khác nhau trên toàn thế giới, không phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ không dây.
LCD 16x2
LCD giúp giao tiếp giữa người và thiết bị trực quan hơn, sử dụng biến trở điều chỉnh độ tương phản Thường chỉ dùng 4 chân dữ liệu (D4-D7) để tiết kiệm chân vi điều khiển.
Hình 2.7 LCD 16x2 Bảng 2.2 Sơ đồ chân của LCD 16x2
Chân số Kí hiệu Mức logic I/O Chức năng
1 VSS - - Nguồn cung cấp(GND)
3 VEE - I Điện áp để điều chỉnh độ tương phản
6 E 1,1→0 I 0=Không cho LCD hoạt động
Từ 1 xuống 0: cho phép đọc/ghi
7 DB1 0/1 I/O Data bus line 0 (LSB)
15 VCC - - Nguồn cung cấp đèn LED nền
Kết luận
Chương 2 đã giới thiệu một số linh kiện được sử dụng trong đồ án Chương tiếp theo sẽ thiết kế một bộ thu thập xử lý cảnh báo ngoài để thay thế cho bộ CCU hiện tại với yêu cầu hoạt động tin cậy, ổn định, dựa trên nguồn linh kiện có sẵn trên thị trường, dễ thay thế sửa chữa.
Sơ đồ khối
3.1.1 Chức năng nhiệm vụ các khối
Khối nhận tín hiệu Digital thu thập và xử lý các tín hiệu dạng Digital, thường là tín hiệu cảnh báo từ các thiết bị hoặc cảm biến dưới dạng ngắn mạch hoặc hở mạch, với các chân tín hiệu ra thường được ký hiệu là NC.
Để đảm bảo tính linh hoạt và khả năng tương thích, một khối chức năng cần có các chân tín hiệu "Normal Close" (thường kín), "Normal Open" (thường hở) và "COM" (chân chung), cho phép giao tiếp với cả hai trạng thái tín hiệu.
Xuất tín hiệu cảnh báo Điều khiển
Hiển thị Trung tâm cảnh báo
Theo yêu cầu ban đầu khối này sẽ bao gồm các đường tín hiệu vào như sau:
CONTROL FAIL SMOKE SENSOR HUMIDITY SENSOR
PIR SENSOR COMMERCIAL POWER FAILURE
- Tín hiệu MAIN POWER FAIL được lấy từ tủ nguồn Delta, báo hiệu mất điện áp nguồn AC cung cấp cho toàn trạm
- Tín hiệu RECTIFIER MODULE FAILURE được lấy từ tủ nguồn Delta, báo hiệu hỏng một hoặc một số module chỉnh lưu
- Tín hiệu CONTROL FAIL được lấy từ tủ nguồn Delta báo hiệu khối xử lý trung tâm của tủ nguồn gặp sự cố
- Tín hiệu SMOKE SENSOR được lấy từ cảm biến khói lắp trên nóc tủ cabinet
- Tín hiệu HUMIDITY SENSOR được lấy từ cảm biến độ ẩm, thường lắp ở ngăn giữa của cabinet
- Tín hiệu PIR SENSOR được lấy từ cảm biến hồng ngoại của cabinet, báo hiệu có người vào trạm
- Tín hiệu COMMERCIAL POWER FAILURE được lấy từ relay cảnh báo của tủ nguồn AC, thể hiện điện áp AC từ máy nổ không được cấp vào trạm
Do hạn chế về thời gian và kinh phí, chúng em chỉ sử dụng module độ ẩm
HUMIDITY và PIR SENSOR để mô phỏng còn các cảnh báo còn lại giả lập bằng nút nhấn
3.1.1.1 Module cảm biến độ ẩm
• Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước
• Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được (Bằng cách điều chỉnh biến trở màu xanh trên board mạch)
Đầu dò độ ẩm đất được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái, báo hiệu độ ẩm đạt mức mong muốn.
• PCB có kích thước nhỏ 3.2 x 1.4 cm
• Sử dụng chip LM393 để so sánh, ổn định làm việc Đầu kết nối sử dụng 3 dây VCC 3.3V ~ 5V
GND GND của nguồn ngoài
DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)
AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)
Hình 3.1 Module cảm biến độ ẩm
3.1.1.2 Module cảm biến chuyển động PIR
Cảm biến PIR phát hiện chuyển động dựa trên thay đổi bức xạ hồng ngoại Khi có chuyển động, cảm biến PIR xuất xung cao, được vi điều khiển đọc để thực hiện các chức năng định trước.
• Phạm vi phát hiện : góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m
• Điện áp hoạt động : DC 3.8V - 5V
• Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA
• Thời gian báo: 30 giây có thể tùy chỉnh bằng biến trở
• Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng biến trở
Cảm biến chuyển động PIR (Hình 3.2) và khối nhận tín hiệu Analog đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với các cảm biến nhiệt độ, nhận tín hiệu điện áp thay đổi theo nhiệt độ từ đầu ra của chúng.
Khối xuất tín hiệu cảnh báo, tương tự các tín hiệu cảnh báo khác, có tín hiệu ra ở hai dạng: thường kín và thường hở Khối này bao gồm các chân tín hiệu ra.
MAIN POWER FAIL RECTIFIER MODULE FAILURE CONTROL FAIL
SMOKE HUMIDITY PIR SENSOR XUẤT TÍN HIỆU
- Các đầu ra MAIN POWER FAIL, RECTIFIER MODULE FAILURE,
CONTROL FAIL chỉ đơn thuần thể hiện tín hiệu đầu vào
- Đầu ra ALARM! SMOKE thể hiện môi trường có khói
- Đầu ra ALARM! HUMIDITY cảnh báo độ ẩm cao như bị ngập nước
- Đầu ra ALARM! PIR SENSOR cảnh báo có người vào trạm
- Đầu ra COMMERCIAL POWER FAILURE thể hiện điện máy nổ không cung cấp được cho trạm
Khối điều khiển trung tâm, sử dụng tín hiệu PWM, đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh hoạt động của quạt làm mát và các bộ phận trao đổi nhiệt dựa trên nhiệt độ đo được, đảm bảo hiệu suất làm mát tối ưu cho tủ thiết bị.
Để điều khiển tốc độ quạt làm mát, hệ thống sử dụng hai tín hiệu điều khiển PWM1 và PWM2, ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Bên cạnh đó, khối điều khiển còn tích hợp 4 đường tín hiệu vào, dành riêng cho 4 phím ấn, cho phép người dùng thiết lập và thay đổi các thông số một cách linh hoạt.
PWM1 PWM2 MENU SET DOWN
Khối hiển thị đóng vai trò then chốt trong việc truyền đạt thông tin cơ bản và trạng thái cảnh báo hiện tại đến người vận hành, giúp họ nắm bắt tổng quan tình hình một cách nhanh chóng.
LCD 16x2 để hiển thị thông tin như phần hiển thị của bộ CCU
Khối module sim900A có nhiệm vụ gửi tất cả các cảnh báo thu thập được tại
CCU gửi về trung tâm điều hành qua tin nhắn SMS ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ nguyên lí
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý Dựa vào phần sơ đồ khối đã nêu trên, có thể thấy sơ đồ nguyên lý được phân thành những khối như sau:
- Khối nhận tín hiệu vào Digital: đưa tới các chân RB0, RB1, RB2, RB3, RC0,
Vi điều khiển PIC16F877A sử dụng RC3, RC4 làm ngõ vào, mặc định ở mức cao nhờ điện trở kéo lên Tín hiệu cảnh báo kích hoạt ở mức thấp, được giả lập bằng nút nhấn để chuyển trạng thái từ 1 (bình thường) sang 0 (có cảnh báo).
Hình 3.4 Khối nút nhấn tạo tín hiệu digital
Khối nhận tín hiệu Analog sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, với ngõ ra được kết nối trực tiếp vào chân RA0 của vi điều khiển Chức năng ADC được thiết lập cho cả hai chân RA0 và RA1, với độ phân giải 10 bit, để đọc giá trị điện áp từ cảm biến nhiệt độ qua chân RA0.
Cảm biến LM35 thay đổi nhiệt độ 10mV/độ C, cho phép chuyển đổi trực tiếp sang độ C Công thức chuyển đổi là: Độ C = (giá trị nhận được * 0,4882).
Hình 3.5 Khối tín hiệu analog dùng LM35
- Khối xuất tín hiệu cảnh báo: Bao gồm 7 chân ra RA1, RA2, RA3, RA5, RE0,
RE1, RE2 dành cho 7 đường ra cảnh báo Tín hiệu từ các chân này đưa tới điều khiển các led báo hiệu
Hình 3.6 Khối led cảnh báo
- Khối điều khiển được chia làm 2 phần:
Các chân RB4, RB5, RB6, RB7 đóng vai trò là tín hiệu vào, tương ứng với các phím UP, DOWN, SET HIGHTEMP, SET LOWTEMP, được sử dụng để thiết lập các thông số ngưỡng và chuẩn cho bộ cảnh báo.
Khối điều khiển sử dụng các chân RC1, RC2 để điều khiển transistor TIP41C thông qua bộ điều chế độ rộng xung PWM (CCP1 và CCP2), từ đó điều khiển tốc độ quạt làm mát, với tải là động cơ DC 5V thay vì 24VDC hoặc 48VDC.
Hình 3.8 Khối điều hòa dùng động cơ DC
LCD16x2 được sử dụng làm khối hiển thị trong đồ án, giúp giao tiếp giữa người và thiết bị trực quan hơn LCD 16x2 hiển thị các thông tin quan trọng như nhiệt độ và trạng thái của trạm BTS, tăng tính ứng dụng thực tế.
Hình 3.9 Khối hiển thị dùng LCD 16x2
- Khối module sim900A: kết nối với vi điều khiển 16F877A qua 2 chân RC6
(TX) và RC7 (RX) Khi có cảnh báo xảy ra PIC sẽ điều khiển module sim900A gửi tin nhắn SMS cảnh báo về trung tâm xử lí.
