NGHIÊN CỨU CHUẨN GIAO TIẾP G3-PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA MẠNG ĐIỆN XOAY CHIỀU RESEARCH G3-PLC COMMUNICATION STANDARD IN CONTROL ELECTRICAL EQUIPMENT THROUGH POWER
Trang 1NGHIÊN CỨU CHUẨN GIAO TIẾP G3-PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁC
THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG QUA MẠNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
RESEARCH G3-PLC COMMUNICATION STANDARD IN CONTROL ELECTRICAL
EQUIPMENT THROUGH POWER LINE NETWORK
SVTH: Trần Văn Sáu, Trần Khắc Tuân Lớp 08DT4, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
Hoàng Thanh Tú Lớp 08DT3, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
GVHD: Phạm Xuân Trung Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT Trong giai đoạn thông tin bùng nổ hiện nay, nhu cầu truyền tải thông tin với mức độ tin cậy cao giữa các thiết bị là rất lớn Người ta đã tìm ra các phương thức truyền tin đi xa như các mạng điện thoại, internet, GSM,.v.v Tất cả các phương thức trên đều có điểm chung là tạo ra một kênh truyền mới, không dây, hoặc có dây để truyền tải thông tin Hệ quả là ngày nay chúng xung quanh chúng ta có quá nhiều sóng và dây cáp, làm ảnh hưởng đến sức khỏe và mất mỹ quan đô thị Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu một phương thức truyền tin mới dựa trên đường dây điện
~220Vac có thể giải quyết được các vấn đề trên
ABSTRACT During the current information explosion, the demand for information transmission with high reliability between devices is very large People have found ways to go as far as the mobile communication network, Internet, GSM, Etc All the above methods have in common is to create a new channel, wireless, or wired to transmit information As a result, today we have around us too many waves and cables, affecting the health and loss of urban beauty In this topic, we study a new communication method based on ~ 220Vac line power can solve these problems
1 Giới thiệu
Hiện nay, vấn đề sử dụng tiết kiệm năng lượng đang là vấn đề cấp bách của Việt Nam và các nước trên thế giới Để thực hiện điều này, trước tiên là phải sử dụng hợp lý các thiết bị điện dân dụng trong gia đình như quạt, điều hòa, ti vi, tử lạnh,.v.v Nhưng việc điều khiển tập trung các thiết bị như vậy đòi hỏi phải có mạng dây giao tiếp hoặc sóng không dây Điều này có thể gây mất mỹ quan, phức tạp trong việc lắp đặt và giá thành cho các thiết bị kết nối còn cao Phương thức giao tiếp PLC được sử dụng để hạn chế các nhược điểm trên, cho phép kết nối các thiết bị trong một không gian rộng, không cần thêm dây dẫn, không tạo thêm sóng gây ảnh hưởng tới các thiết bị khác và cho giá thành các modem thấp
Trang 22 Thiết kế phần mềm
Hình 1: Sơ đồ khối thuật toán 2.1 Mã hóa kênh truyền HDB3
HDB3 là mã chỉnh sửa từ mã AMI, khắc phục khuyết điểm của mã AMI cho một mức điện thế không đổi khi có một chuỗi nhiều bit 0 liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa Nguyên tắc của kỹ thuật này là tạo ra một sự thay đổi điện thế giả bằng cách thay thế một chuỗi bit 0 bởi một chuỗi tín hiệu có mức điện thế thay đổi, dĩ nhiên sự thay thế này sẽ đưa đến các vi phạm
luật biến đổi của bit 1, nhưng
chính nhờ các bit vi phạm này mà
máy thu nhận ra để có biện pháp
giải mã thích hợp Quy tắc của mã
HDB3 được mô tả như hình bên
Sự vi phạm
luật đảo bit xảy ra ở
bit thứ 4 trong chuỗi
4 bit Lưu ý là kỹ
thuật ngẫu nhiên hóa
không làm gia tăng
lượng tín hiệu vì
chuỗi thay thế có
cùng số bit với chuỗi
được thay thế
Hình 2: Mã hóa AMI & HDB3
Cực tính của xung trước đó
Số bit 1 từ lần thay thế cuối cùng
Lẻ Chẵn
- +
000- +00+
000+ -00-
Trang 32.2 Điều chế và giải điều chế FSK
2.2.1 Điều chế FSK
Kỹ thuật FSK điều chế tín hiệu thành các tần số khác nhau để phát đi Tại thiết bị thu, tín hiệu số sẽ được khôi phục lại dựa trên các tần số khác nhau đó Dữ liệu được phát
đi bằng cách thay đổi
tần số một cách liên
tục dựa vào giá trị của
các bit Tần số của bit
1 được gọi là tần số
“mark”, tần số của bit
0 được gọi là tần số
“space” Hình 2 thể
hiện mối liên hệ giữa
dữ liệu và tần số được
phát đi
Hình 3: Điều chế tín hiệu FSK
Độ dài nhỏ nhất của tần số “mark” hoặc “space” được gọi là “đơn vị dài phần tử” (element length) Độ dài phần tử có thể thay đổi tùy thuộc vào kênh truyền và loại ứng dụng Một định nghĩa khác là tốc độ bit, đơn vị là “bauds” và có giá trị bằng nghịch đảo của “đơn vị dài phần tử” Ví dụ, một ứng dụng có “độ dài phần tử” là 20ms, có tốc độ bit là 50-baud
Trong đề tài này, tần số của các bit 0, +1, -1 tương ứng là: f(0) = 50khz,
f(+1) = 60khz, f(-1) =
40khz, độ dịch tần
fdelta = 10khz Việc sử
dụng 3 tần số trong
điều chế FSK giúp
tăng hiệu suất sử dụng
băng thông và để phù
hợp với thuật toán mã
hóa HDB3
Hình 4: Các thông số của phương pháp điều chế FSK
2.2.2 Giải điều chế FSK
Tín hiệu trên kênh truyền tại nơi thu sẽ được đưa qua bộ lọc thông thấp analog để loại bỏ các nhiễu có biên độ lớn và tần số thấp, khoảng 5kHz trở lại Các tín hiệu còn lại sẽ được đưa qua bộ lọc băng thông A (35kHz – 90kHz) của AFE để đưa tới vi điều khiển Quá trình thực hiện được mô tả theo thứ tự trong hình 5
Trang 4Hình 5: Giải điều chế FSK
Tại đầu vào của vi điều khiển, tín hiệu sẽ được lấy mẫu ADC rồi đưa tới bộ lọc thông dải để lọc lấy các tần số “mark” và “space” dựa vào phổ tần số của mỗi tín hiệu đó (hình 6) Hai tín
hiệu sau khi lọc
đó sẽ được so
sánh với nhau để
quyết định giá trị
là bit 0 hay bit 1
Kết quả được tích
lũy dồn vào bộ
nhớ cho đến khi
kết thúc tín hiệu
Hình 6: Phổ tần số của các tín hiệu trong điều chế FSK
3 Thiết kế phần cứng
Hình 7: Sơ đồ khối phần cứng của hệ thống
3.1 Khối vi điều khiển
Bộ xử lý trung tâm của mạch là một vi điều khiển MSP430F5510 của Texas Instruments, nhiệm vụ của nó là nhận dữ liệu từ máy tính và thực hiện điều chế để truyền tín hiệu lên kênh truyền Khi có một tín hiệu từ kênh truyền đi tới, vi điều khiển sẽ lấy mẫu tín hiệu và thực hiện quá trình lọc bỏ nhiễu trước khi giải mã tách các bit ra khỏi tín hiệu từ kênh truyền Do phải thực hiện nhiều công việc phức tạp như vậy, vi điều khiển phải có tốc
Trang 5DAC, Timer Vi điều khiển MSP430F5510 có một số tính năng nổi bật sau:
▪ Tần số hoạt động lên tới 16Mhz
▪ Bộ nhớ trong 32 kB Flash, 8 kB RAM
▪ Tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp như UART, SPI, I2C
▪ 10-bit ADC với tốc độ chuyển đổi lớn hơn 200ksps
▪ 4 bộ timer/counter 16-bit
▪ Bộ điều khiển thời gian thực
3.2 Khối giao tiếp xoay chiều
Trung tâm của khối này là IC AFE031 của Texas Instruments Đây là IC tích hợp đầu cuối, giá thành thấp, hỗ trợ các chuẩn giao tiếp trên đường dây tải điện như G3, PRIME, FSK,…, có nhiệm vụ làm cầu nối giữa kênh truyền điện áp cao và vi điều khiển
Bộ thu tích hợp trên chip có thể phát hiện tín hiệu có biên độ thấp tới 20µVrms và có bộ khuếch đại dải rộng với độ lợi có thể thay đổi được tùy thuộc tín hiệu đầu vào
Hình dưới là sơ đồ khối của AFE031 Với các bộ lọc có thể lập trình được với các dải thông như băng A (35 kHz - 91 kHz), B, FCC, người sử dụng có thể lựa chọn tần số hoạt động của thiết bị tùy thuộc vào tính chất mạng lưới điện và yêu cầu của từng quốc gia
Hình 8: Sơ đồ khối của AFE031
4 Đánh giá hệ thống
4.1 Kiểm tra quá trình truyền phát
Đường truyền kiểm tra thử được
thực hiện tại trường đại học Bách Khoa
Đà Nẵng Thiết bị phát được đặt tại
phòng thí nghiệm C118, biên độ tín hiệu
Trang 6vị trí B được đặt tại phòng C209, tầng 2, khoa Điện tử Viễn thông, biên độ tín hiệu đầu vào sau khi qua bộ lọc và khuếch đại là 610mVpp
Thiết bị thu tại vị trí C được đặt tại phòng C201, biên độ tín hiệu đầu vào sau khi qua bộ lọc và khuếch đại là 260mVpp
Từ Tới Khoảng cách Dải tần Điều chế Tốc độ dữ
liệu (Kbps)
4.2 Đánh giá kết quả
Tốc độ truyền dữ liệu khá tốt đối với 2 thiết bị ở khoảng cách gần Do hệ thống kênh truyền có nhiều nhiễu do các thiết bị cùng hoạt động trên đường truyền nên tín hiệu
bị suy giảm nhanh chóng với khoảng cách xa Điều này có thể được khắc phục bằng các bộ repeater mắc dọc theo kênh truyền Ngoài ra, tốc độ bit có thể được cải thiện bằng cách thêm thuật toán ước lượng, thích nghi kênh truyền và thay đổi chế độ mã hóa đơn giản hay phức tạp tùy thuộc vào kênh truyền ít nhiễu hay nhiều nhiễu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bob Watson, “FSK: Signals and Demodulation”, The Communications Edge, Vol 7
No 5 September/October 1980
[2] Texas Instruments, “FSK Modulation and Demodulation with the MSP430 Microcontroller”, Application Report, December 1998
[3] Texas Instruments, “Wave Digital Filtering Using the MSP430”, Application Report, September 2006
[4] Gurjit Singh & Gill Instruments Bangalore, “Single Chip Digital Filter MSP430”, December 2005
[5] Nguyễn Trung Lập, “Mã hóa và Điều chế”, Truyền dữ liệu
[6] ERDF, “PLC G3 Physical Layer Specification”, October 2009
[7] ERDF, “PLC G3 MAC Layer Specification”, October 2009
[8] Texas Instruments, “MSP430x4xx Family User’s Guide”, January 2010
