Do CS dien hien KQ tren man hinh LCD

Trong khuôn khổ một luận văn em mới chỉ nghiên cứu được một phần nhỏ đó là sử dụng chip ADE7755 kết hợp với vi xử lý MC68HC11 cùng với máy tính để đo công suất của tín hiệu lối vào là đi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trịnh Bá Toàn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG KHAI THÁC, XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH THÔNG MINH CHO BIẾN TỬ CỐNG SUẤT/TẦN SỐ

DÙNG MC68HC11

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

HÀ NỘI – 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trịnh Bá Toàn

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG KHAI THÁC, XỬ LÝ DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH THÔNG MINH CHO BIẾN TỬ CỐNG SUẤT/TẦN SỐ

DÙNG MC68HC11

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: TS Hồ Văn Sung

Cán bộ đồng hướng dẫn: CN Trần Ngọc Quý

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Hồ Văn Sung, CN Trần Ngọc Quý, người đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ và hướng dẫn em hoàn thành khoá luận này

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo thuộc trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN đã dạy bảo, tạo điều kiện tốt cho em học tập trong những năm học vừa qua

Cuối cùng, em xin cảm ơn tới bạn bè, người thân đã động viên và giúp đỡ

em trong suốt quá trình học tập

Hà Nội tháng 06 năm 2005 Sinh viên

Trịnh Bá Toàn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 SENSOR CÔNG SUẤT TẦN SỐ ADE7755 7

1.1 Giới thiệu chung về ADE7755 7

1.2 Cấu hình và chức năng của các chân 8

1.3 Sơ đồ mạch thử 10

1.3.1 Đánh giá hệ số công suất 12

1.3.2 Tính toán công suất đối với tín hiệu không phải dạng tuần hoàn 12

1.4 Các lối vào tương tự 14

1.4.1 Lối vào trên kênh 1(kênh dòng điện) 14

1.4.2 Kênh V2 (kênh điện áp) 15

1.4.3 Những sơ đồ kết nối tiêu biểu 15

1.5 Giám sát công suất 16

1.5.1 Ảnh hưởng của HPF và của offset kênh 17

1.6 phương pháp chuyển đổi số ra tần số 18

1.6.1 Giao diện ghép nối giữa ADE7755 và vi xử lý 20

1.6.2 Đánh giá công suất đo .21

1.7 Hàm chuyển đổi 21

1.7.1 Tần số lối ra F1 và F2 21

1.7.2 Áp dụng tính công suất 22

1.7.3 Tần số lối ra CF 23

1.8 Lựa chọn tần số lối ra cho các ứng dụng đo đạc 24

1.8.1 Tần số lối ra 25

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ VI XỬ LÝ MC68HC11 26

2.1 Đặc trưng của họ vi điều khiển MC68HC11 26

2.2 Cấu trúc khối MC68HC11E .28

2.3 Chân và cổng vào ra của MC68HC11E 28

2.3.1 Các chân 28

2.3.2 Các cổng tín hiệu 34

2.4 Bộ vi xử lý trung tâm 37

2.4.1 Các thanh ghi của CPU 37

2.4.2 Kiểu dữ liệu dùng trong CPU 38

2.4.3 Mã lệnh và toán tử 38

2.4.4 Các mode địa chỉ 38

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU DÙNG CHO SMART SENSOR 40

3.1 Smart sensor với những đại lượng điện, không phải điện, đại lượng vật lý, đại lượng hóa học Những xu hướng và triển vọng, những ưu điểm chính của frequency – time –domain, cũng như những thông tin về smart sensor Chương này cũng đưa ra cách nhìn chung về kỹ nghệ dùng cho smart sensor 40

3.1.1 Tổng quan về smart sensor 40

3.1.2 Một số đặc tính chính của tần số lối ra của sensor 42

3.1.3 Một số đặc tính thông minh của smarsensor 43

3.2 Phương pháp thu thập dữ liệu cho hệ thống sensor nhiều kênh 43

3.2.2 Phương pháp thu thập dữ liệu phân chia theo không gian 45

3.3 Phương pháp chuyển từ tần số sang mã (frequency to code convertion) 46

3.3.1 Phương pháp đếm chuẩn trực tiếp 47

3.3.2 Phương pháp đếm gián tiếp (đo chu kỳ) 50

3.3.3 Phương pháp kết hợp hai bộ đếm 57

3.4 xử lý tín hiệu trong smartsensor 59

3.4.1 cộng và trừ 60

3.4.2 bộ nhân và bộ chia 61

3.4.3 Đồng nhất tín hiệu 62

3.4.4 Vi phân và tích phân 65

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG THỰC TẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, THÔNG MINH DÙNG CẢM BIẾN CÔNG SUÂT/TẦN SỐ DỰA TRÊN HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MC68HC11 67

4.1 Mạch điện hỗ trợ chức năng tính toán của HC11 67

4.1.1 Thiết kế mạch điện (layout) 67

4.1.2 Sơ đồ khối bảng mạch 68

4.1.3 Miêu tả chung 69

4.1.4 Thiết bị trong EVB, và các thông số 70

4.1.5 Tổng quan 71

4.1.6 Tiến hành cài đặt và sử dụng 72

4.2 Chương trình điều khiển và kết quả thực nghiệm 75

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay trước sự phát triển mạnh mẽ của các mạch số và nhu cầu số hóa các thiết bị ngày càng cao Do những ưu điểm của nó như là độ chính xác, khả năng tương thích với máy tính, xử lý nhanh, gọn nhẹ…Đối với hệ thống đo công suất tiêu thụ điện hiện nay vẫn sử dụng hệ thống các đồng hồ cơ như công tơ điện một pha mà nguyên lý làm việc chính dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ do vậy khả năng tương thích với máy tính là không có Như vậy để quản lý hệ thống điện một cách hoàn hảo, chính xác

và đơn giản cần phải thiết kế một dụng cụ đo điện mới hoạt đông theo một nguyên tắc

số (kỹ thuật số) có thể tương thích với máy tính Nhận thức thấy vấn đề này em đã nghiên cứu để xây dựng một phương pháp đo công suất mới dựa trên công nghệ số Đây là một vấn đề hoàn toàn mới và là một vấn đề lớn và hoàn toàn có thể ứng dụng trong thực tế Để nghiên cứu một cách chi tiết cần một khoảng thời gian tương đối dài Trong khuôn khổ một luận văn em mới chỉ nghiên cứu được một phần nhỏ đó là sử dụng chip ADE7755 kết hợp với vi xử lý MC68HC11 cùng với máy tính để đo công suất của tín hiệu lối vào là điện áp xoay chiều 220V Đề tài mới dừng ở mức chuyển từ công suất sang tần số tương ứng và hiển thị tần số này ra màn hình tinh thể lỏng Đề tài có thể phát triển thêm giao diện với máy tính để thay vì hiển thị tần số trên màn hình tinh thể lỏng thì có thể hiển thị trực tiếp trên máy tính là thông số công suất tiêu thụ của thiết bị điện Nội dung đề tài gồm 4 chương

Chương 1: Nghiên cứu về bộ chuyển đổi công suất tần số ADE7755

CHƯƠNG 1 SENSOR CÔNG SUẤT TẦN SỐ ADE7755

1.1 Giới thiệu chung về ADE7755

Trong lĩnh vực đo công suất tiêu thụ của các thiết bị điện, hầu hết các thiết bị

đo là các công tơ điện thông thường Trong phần này tôi đưa ra một phương pháp mới

đó là sử dụng cảm biến công suất tần số để đo công suất của các thiết bị tiêu thụ điện

hinh1.1 sơ đồ khối chức năng

ADE7755 là thiết bị đo công suất với độ chính xác cao Dùng được cả cho hai

hệ thống điện tần số 50Hz và hệ thống điện sử dụng tần số 60Hz Độ chính xác được quy định trong chuẩn IEC1063 về dụng cụ đo điện Các mạch sử dụng trong ADE7755

là các bộ ADC và các mach tương ứng Tất các quá trình sử lí tín hiệu đều được thực hiện trên lĩnh vực số, do vậy nó có độ ổn định và chính xác cao trong mọi điều kiện về môi trường và nhiệt độ

ADE7755 cung cấp một công suất trung bình với tần số lối ra ở mức thấp F1và F2, lối ra logic có thể được sử dụng để điều khiển trực tiếp bộ đếm hoặc MCU

ADE7755 bao gồm mạch giám sát công suất cung cấp trên chân AVdd ADE7755 sẽ ở trạng thái ổn định nếu điện áp chân AVdd đạt 4v nếu Vavdd <4v ADE7755 sẽ reset và khi đó sẽ không có xung trên F1, F2 và CF

Mach phù hợp pha bên trong đảm bảo rằng kênh điện áp và dòng điện được thực hiện trong từng giai đoạn phù hợp với bộ HPF ở trên kênh 1 trong bất kỳ trạng thái nào (bật hoặc tắt) Ngưỡng tải bên trong đảm bảo rằng ADE7755 có thể hoạt động tôt khi không có tải

1.2 Cấu hình và chức năng của các chân

ADE7755 có 24 chân chức năng của các chân được trình bày lần lượt như sau

Hình 1.2 Cấu hình của các chân

1 DVdd

Đây là chân cung cấp điện thế trong các mạch điện số trong ADE7755, điện

áp cung cấp được giữ không đổi ở 5v±5%

2 AC/DC

Đây là nối vào logic được sử dụng để vận hành HPF ở kênh 1 Việc kết hợp đáp ứng pha của bộ lọc làm cân bằng trên dải tần từ 45hz tới 1khz , bộ lọc HPF sẽ thực hiện đo công suất ứng dụng

Mức tín hiệu lớn nhất ở chân này là ±1v liên hệ với AGND Cả hai nối vào đều có mạch bảo vệ ESD quá áp ±6v có thể duy trì trên nối vào mà không có nguy cơ các thông số bị phá huỷ

7,8 V2N, V2P

Đây là nối vào âm và dương của kênh 2(kênh điện áp) Lối vào cung cấp điện

áp cho ADE7755

Đây là chân reset cho ADE7755 Một giá trị mức logic thấp sẽ giữ các ADC

và các mạch số ở điều kiện reset khi đó các thanh ghi trong ADE7755 sẽ bị xoá

Đây là chân lựa chọn tần số chuẩn

Lối vào logic sử dụng để lựa chọn tần số trên nối ra chuẩn CF Bảng 4 chỉ ra tần số nối ra chuẩn được lựa chọn

13,14 S1,S0

Lối vào logic được sử dụng để lựa chọn 1 trong 4 tần số có thể cho bộ chuyển đổi số - tần Điều này tạo ra sự linh động trong việc thiết kế dụng cụ đo năng lượng điện

15,16 G1,G0

Giá trị logic lối vào được sử dụng để lựa chọn 1 trong 4 hệ số khuyếch đại trên kênh 1các hệ số khuyếch đại này là 1,2,8,16

17 CLKIL

Lối vào logic này cung cấp xung clock ở tần số 3,579545Mhz

18 CLKOUT

Một tinh thể bán dẫn có thể kết nối với chân này và

CLKIN như đã được mô tả ở trên, cung cấp xung clock chuẩn cho ADE7755 chân clockout có thể điều khiển tải CMOS khi xung clock ở chân clockin hoặc bởi ở cổng lối vào của bộ giao động

20 REVP

Đây là lối ra logic sẽ ở mức logic cao khi đó công suất âm được phát hiện khi

đó góc pha giữa điện áp và dòng điện lớn hơn 90 thì lối ra không bị khoá và sẽ bị khởi động lại khi đó công suất dương một lần nữa được phát hiện, lối ra sẽ cao hoặc thấp cùng tỉ lệ

21 DGND

Chân này cung cấp thế đất cho các mạch số ở trong ADE7755 Bộ nhân ,bộ lọc và bộ chuyển đổi số sang tần số chân này sẽ được nối cố định với đất của PCB, nhờ có DCND đã loại trừ nhiễu rất tôt

hình 1.3 Sơ đồ mạch thử cho ADE7755

Nguyên lý hoạt động của bộ ADE7755

Hai thành phần dòng và thế được đưa qua Hai bộ ADC (bộ ADC16bit, tốc độ lấy mẫu 900khz) Sau đó hai thành phần này được nhân với nhau cho ra công suất tức thì của tín hiệu Đây là một cấu trúc tương tự khá đơn giản

Bộ lọc thông cao loại bỏ thành phần một chiều của tín hiệu vào điều này loại

bỏ bất kì sự không chính xác nào đến công suất tính toán bởi vì thế offset của dòng và thế

Hình 1.4: Sơ đồ khối xử lý tín hiệu

Bộ chuyển từ tần số sang mã

Công suất tức thì cảu tín hiệu

Công suất thực của tín hiệu

Công suất tính toán thực nhận được từ công suất tính toán tức thì thông qua bộ lọc thông thấp LPF, phương pháp này tính trực tiếp công suất từ dòng và thế.Tất cả tín hiệu đưa ra dưới dạng số do vậy có độ tin cậy, độ ổn định đối với nhiệt độ và thời gian Tần số lối ra F1 và F2 của ADE7755 ở mức thấp tương ứng với công suất thực của tín hiệu Tần số lối ra cao ở chân CF tương ứng với công suất tức thì của tín hiệu

1.3.1 Đánh giá hệ số công suất

Phương pháp được sử dụng để thu được công suất thực của tín hiệu từ công suất tức thì vẫn còn được sử dụng thậm chí khi dòng điện và điện áp không cùng pha hình 3 biểu diễn hệ số công suất thực và hệ số dịch chuyển công suất (DPF) = 0,5 Pha dòng và thế lêch nhau 60 độ Nếu lối vào điện áp và dòng điện ở dạng sin, thành phần công suất thực của tín hiệu công suất tức thì là

( )60cos

đây là công suất tính toán thực

Hình 1.5: Thành phần một chiều của công suất thực tức thì cùng với công suất

thực của thông tin

1.3.2 Tính toán công suất đối với tín hiệu không phải dạng tuần hoàn

Khi dòng và điện áp không phải ở dạng tuần hoàn phương pháp tính toán công suất thực vẫn đúng cho dòng và thế ở dạng không tuần hoàn, tất cả dạng sóng của

dòng và thế ở trong thực tế vẫn chứa đựng một hài nào đó sử dụng phép biến đổi forier dòng và thế không tuần hoàn có thể được biểu diễn

h t h

Trong đó

v(t) điện áp tức thời

V0 giá trị điện áp trung bình

Vh giá trị rms của hài điện áp

αh độ lệch pha của hài điện áp

i(t) dòng điện tức thời

i0 là thành phần một chiều

ih giá trị rms của hài dòng điện

βh độ lệch pha của hài dòng điện

sử dụng phương trình (1), (2) công suất p có thể biểu diễn bằng tổng của công suất hiệu dụng P1 và công suất do các hài P(h)

P = P1 +Ph Trong đó

θh = αh – βh (4)

như có thể thấy từ phương trình (4) các thành phần hài công suất được phát ra

từ rất nhiều, những hài này ở cả hai dạng điện áp và dòng điện Hệ số công suất được

tính toán một cách chính xác đối với tín hiệu dạng sin Cũng vậy đối với các thành

phần không phải là tuần hoàn dang sin cũng được tính toán một cách chính xác bằng

cách biểu diễn thành một chuỗi các thành phần tuần hoàn

1.4 Các lối vào tương tự

1.4.1 Lối vào trên kênh 1(kênh dòng điện)

Hình 1.6: Mức tín hiệu lối và cực đại, kênh 1, Gain = 1

Lối ra điện áp từ bộ chuyển đổi dòng được kết nối tới ADE7755 kênh V1 là sự

khác nhau của điện áp lối vào Vp là lối vào dương so với Vin khoảng biến thiên biên

độ của tìn hiệu cực đại trong khoảng ±470(mv), ở kênh này có một chức năng có thể

lựa chọn hệ số khuyếch đại ở bảng sau :

Bảng I: Lựa chọn hệ số khuyếch đại kênh 1

việc lựa chọn được thực hiện một cách dễ dàng Hình 1.6 chỉ ra mức tín hiệu lớn nhất trên Vip và Vin mức điện thế khác biệt ±470mv biến thiên điện áp ở lối vào phải tương ứng với mode chung

1.4.2 Kênh V2 (kênh điện áp)

Hình 1.7: Mức tín hiệu cực đại , kênh 2

Lối ra của bộ chuyển đổi điện áp được kết nối tới ADE7755 tại lối vào tương

tự, kênh v2 là sự khác nhau của điện áp lối vào đỉnh ±660mv trên kênh 2 Hình1.7 miêu tả mức tín hiệu lớn nhất có thể được kết nối tới kênh 2 của ADE7755 Kênh v2 phải được điều khiển từ mode điện áp chung khoảng biến thiên của điện áp lối vào phải tương ứng với mode điều khiển Lối vào tương tự của ADE7755 có thể được điều khiển với mức điện áp chuẩn có thể lên tới 100mv so với AGND tuy nhiên hiệu quả tốt nhất sẽ đạt được nếu mode chung cân bằng với AGND

1.4.3 Những sơ đồ kết nối tiêu biểu

Hình 1.8: Sơ đồ kết nối kênh 1

Hình bên chỉ ra một loại sơ đồ kết nối tiêu biểu cho kênh v1(bộ chuyển đổi dòng) bộ chuyển đôi dòng dùng ACT được chọn làm vi dụ cho trường hợp này cần chú ý rằng mode điện áp chung cho kênh 1 là AGND và được điều khiển bởi van trung tâm, và điện trở tải taọ ra tín hiệu tương tự ở lối vào vip và vin Bộ CT tỷ lệ và điện trở

Mức tín hiệu cực đại

±660mv

pha trung hòa

tải được sử dụng để lựa chọn mức đỉnh của tín hiệu ±470mv/Gain Ở điều kiện tải lớn nhất

hình 1.9 Các sơ đồ kết nôi kênh 2

Hình bên chỉ ra một kết nối tiêu biểu cho kênh v2 Đầu tiên là sử dụng bộ bộ chuyển đổi thế để hoàn thành việc tách dòng công suất, do DE7755 bị ảnh hưởng bởi dây trung tính và bởi một bộ chia điện trở cung cấp tín hiệu điện áp.Việc điều khiển tỷ

lệ của Ra, Rb và Vr để đưa ra cách chọn chuẩn trên đồng hồ đo

1.5 Giám sát công suất

Bộ ADE7755 chứa một chíp giám sát công suất tín hiệu tương tự cung cấp (AVdd) được giám sát liên tục bởi ADE7755 nếu thế cung cấp ít hơn 4v±5% thì ADE7755 sẽ khởi động lại Điều này đảm bảo độ chính sác của thiết bị khi công suất tăng hoặc khi công suất giảm Công suất giám sát được xây dựng qua bộ trễ và bộ lọc điều này tạo ra mức độ kháng nhiễu cao

Hình 1.10: Công suất giám sát trên chíp

Pha trung hòa Pha trung hòa

1.5.1 Ảnh hưởng của HPF và của offset kênh

Hình 1.10: Ảnh hưởng hiệu chỉnh kênh đối vơi việc tính toán công suất thực

ra do thành phần một chiều bởi bộ nhân Những thành phần lỗi cos(Ωt) được loại bỏ bởi bộ LPF và bộ chuyển đổi mã ra tần số Bộ HPF ở kênh 1 có bộ kết hợp đáp ứng về pha đây là thành phần làm cân bằng pha cho chíp Pha cân bằng được kích hoạt khi bộ HPF không được vận hành

Hình 1.11: Lỗi pha giữa các kênh (0hz to 1khz)

Thành phần một chiều được đưa ra bởi

bộ LPF

Hình 1.12: Lỗi pha giữa các kênh (40hz to 70hz)

Hình 1.10, 1.11 chỉ ra lỗi về pha giữa các kênh với mạng cân bằng được kích hoạt

Pha cân bằng của ADE7755 có thể lên tới 1khz Điều này sẽ đảm bảo độ chính xác độ linh động của công suất thậm chí cả ở hệ số công suất thấp

1.6 phương pháp chuyển đổi số ra tần số

Hình 1.12: Bộ chuyển đổi công suất thanh tân số

Như đã được xem xét một cách rõ ràng lối ra của bộ lọc thông thấp sau bộ nhân chứa đựng công suất thực của tín hiệu tuy nhiên khi bộ lọc LPF không lý tưởng Lối ra của tín hiệu cũng chứa đựng thành phần bị suy giảm tại tần số tuyến tính và các hài cos(h1Ωt) ở đây h1= 1,2,3

độ lớn đáp ứng của bộ lọc

Công suât thực Digital – to- fequency

Digital – to- fequency

| H(t)| = 1 (f /8.9hz)

1+

I Với tần số tuyến tính 50Hz đô suy giảm ở 2Ω (100Hz) sấp

sỉ -20dbs, hài chi phối sẽ gấp hai lần tầ số tuyến tính điều này là bởi vì công suất tức thì của tín hiệu, hình12 chỉ ra công suất thực của tín hiệu

ở lối ra của bộ CPF, nó chứa đựng một lượng đáng kể công suất tức thì của tín hiệu Tín hiệu sau đó được đưa qua bộ chuyển đổi từ dạng dãy số sang dạng tần số, ở đó noa được tích phân theo thời gian để tạo ra tần số lối ra, bộ tích phân sẽ loại bỏ hoặc lấy trung bình lối ra của bất kì thành phần một chiều nào trong công suất thực của tín hiệu Giá trị trung bình của tín hiệu sin là 0, Vì vậy tần số phát ra bởi ADE7755 la tương ứng với công suất thực trung ình của tín hiệu Hình12 chỉ ra bộ chuyển đổi

mã ra tần số với điều kiện tải ổn định, dòng và thế không đổi

Như có thể thấy ở sơ đồ hình 1.12, tần số lối ra của CF dường như thay đổi theo thời gian, thậm chí với điều kiện tải ổn định đây là sự lệch tần số nguyên nhân là bởi vì thành phần cos(2wt) ở công suất tức thì của tín hiệu tần số lối ra trên kênh CF

có thể lên tới 2048 lần tần số ở F1, F2 Tần số cao này được tạo ra bởi bộ tích phân tín hiệu công suất tức thì trong một khoảng thời gian ngắn.Trong quá trình chuyển đổi thành tần số, khoảng thời gian tích phân ngắn điều này có nghĩa rằng thành phần trung bình của cos(2Ωt) là rất ít

kết quả là một vài tín hiệu công suất tức thì này đã chạy qua bộ DFC, điều này không có ứng dụng gì cả Khi CF được sử dụng cho mục đích chuẩn, tần số có thể được lấy trung bình bởi bộ đếm tần điều này sẽ loại bỏ bất kì gợn nhiễu nào Nếu CF dùng để đo năng lượng (công suât) Trong ứng dụng cơ bản của bộ vi sử lý lối ra CF cũng có thể được lấy trung bình tới công suất tính toán bởi vì lối ra F1và F2 vận hành

ở mức tần số thấp, việc lấy trung bình nhiều thành phần công suất thực của tín hiệu kết quả là có một độ suy giảm một lượng lớn và tần số hầu như bị lệch ở lối ra

1.6.1 Giao diện ghép nối giữa ADE7755 và vi xử lý

Hình 1.13: Giao diện ghép nối giữa ADE7755 và MCU

Một giao diện đợ giản ghép nối giữa ADE7755 và bộ vi điều khiển là sử dụng tần số lối ra cao ở chân CF tần số này có thể đạt 2048×F1, F2 việc này đạt được bằng cách đặt SCF = 0 và S0 =S1 =1 (xem bảng iv), với tín hiệu xoay chiều ở lối vào analog tần số lối sẽ sấp xỉ 5,5khz hình13 đưa ra một phương pháp mà có thể sử dụng để số hoá tín hiệu lối ra và loại bỏ thành phần trung bình như đã được đề cập ở ài trước

Như hình vẽ tần số lối ra CF được kết nối tới MCU qua bộ đếm hoặc cổng nó

sẽ đếm số sung trong khoảng thời gian tich phân được quyết định bởi bộ định thời MCU

Công suất trung bình tương ứng với tần số trung bình được đưa ra bằng biểu thức sau :

tần số trung bình = công suất trung bình =

time couter

năng lượng tiêu thụ trong một chu kì tích phân được đưa ra bởi

công suất = công suất trung bình ×time =

Tần số trung bình

Thành phần sai số

hợp Với thời gian ngắn hơn trên MCU trong năng lượng tích luỹ trong thời gian tích phân sẽ có một lượng nhỏ những thành phần không mong muốn (ripple) ngay cả khi điều kiện tải ổn định, tuy nhiên trong những thời gian đo là 1phut hoặc nhiều hơn năng lượng đo sẽ không có thành phần ripple

1.6.2 Đánh giá công suất đo

Việc tính toán và biểu thị công suất của thông tin sẽ luôn có kèm theo một vài thành phần ripple điều này sẽ phụ thuộc vào chu kì tích phấn sử dụng trong MCU và vào tải quyết định công suất trung bình Ví dụ với tải yếu lối ra tần số có thể 10hz với chu kì tích phân là 2gây thì chỉ đếm được khoảng 20 xung.Khả năng sai vị trí của sung

là luôn luôn xảy ra, khi tần số lối ra của ADE7755 được chạy đồng bộ về thời gian với MCU điều này có thể là 1 trong 20 lỗi trong việc đo công suất

1.7 Hàm chuyển đổi

1.7.1 Tần số lối ra F1 và F2

DE7755 tính toán tích của hai tín hiệu điện áp (trên kênh 1 và kênh 2) và sau đó qua bộ lọc thông thấp tích này sẽ đưa ra công suất thực của thông tin Công suất này sau đó được chuyển đổi thành tần số ,tần số thông tin ở lối ra f1và f2 dưới dạng xung tích cực thấp tốc độ của xung ở lối ra ở mức thấp max 0,34khz cho tín hiệu xoay chiều với S0 = S1 = 0 (xem bảng III) điều này nghĩa là tần số ở lối ra được phat ra tương ứng với công suất thực của tín hiệu được tích luỹ trong khoảng thời gian tương ứng Kết qủa là tần số lối ra thu được tương ứng với công suất trung bình của lối vào gía trị trung bình của công suất thực của tín hiệu được đảm bảo bởi bộ chuyển đổi từ

số sang tần số.Tần số lối ra hoặc tốc độ xung liên quan tới điên áp lối vào bởi phương trình :

Freq =

ref

V

F Gain V

V

2

4 1 2

1

06

8 × × × × −

Freq tần số lối ra trên F1và F2(hz) V1 sự khác biệt điện thế của tín hiệu trên kênh V1(volts)

V2 sự khác biệt điện thế của tín hiệu trên kênh V2(volts)

Gain : = 1,2,8,16 phụ thuộc vào lựa chọn hệ số PGA bằng cách sử dụng giá trị logic G0và G1

Vref điện âp tham chiếu (2,5v ±8%)(volts) F1-4 một trong bốn tần số có thể được lựa chọn bằng cách sử dụng lối vào logic S0 và S1 (xem bảng II)

1.7.2.1 Đối với tín hiệu lối vào là một chiều

Mức độ dao động của điện áp một chiều cấp trên kênh V1 và V2 tương ứng là +470mV và –660mV, tần số tính toán được đưa ra như sau

7.1166.047.006

8 × × × ×

= 0.68 hz

1.7.2.2 Đối với tín hiệu lối vào là xoay chiều

Tưng tự như ví dụ1 nhưng đối với điện áp lối vào là xoay chiều Điện áp cực đại ±470mV cho kênh V1, ±660mV trên kênh V2 tần số lối ra được đưa ra như sau

Gain = 1, G0 = G1 = 0

F1-4 = 1.7 hz, S0 = S1 =0

V1 = rms of 470mV đỉnh xoay chiều = 0,47/ 2volts

V2 = rms of 660mV đỉnh xoay chiều = 0,66/ 2volts

7.1166.047.006.8

Bảng IV Tần số cực đại lối ra trên CF

1.8 Lựa chọn tần số lối ra cho các ứng dụng đo đạc

Như chỉ ra trong bảng II có thể lựa chọn một trong bốn tần số

Những tần số lựa chọn này quyết định tần số cực đại trên F1 và F2 Lối ra đã được định

sẵn để diều khiển năng lượng ghi Chỉ có bốn tần số lối ra khác nhau được lựa chọn,

những tần số được lựa chọn làm tối ưu hóa đồng hồ đo Với 100 imp/kwhr với dòng

cực đại trong khoảng 10A tới 120A Bảng V chỉ ra tấn số lối ra ứng với dòng lối vào

cực đại (Imax) với điện áp 220V Ỏ meter constan là 100imp/kwhr

Khi có sự lựa chọn tần số phù hợp F1-4 cho việc thiết kế dụng cụ đo, tần số lối

ra tại Imax (tải cực đại) với phương pháp đo không thay đổi 100imp/kwhr có thể được

Tần số lối ra CF max (Hz) đối với tín hiệu xoay chiều

so sánh với cột 4 của bảng VI tần số gần nhất ở bảng VI sẽ quyết định sự lựa chọn tôt nhất tần số trong cột (F1-4), ví dụ với dong lối vào cực đại 25A, thì tần số lối ra trên F1 F2 (với độ đo không đổi 100imp/kwhr) là 0,153hz(ở 25A và 220V), xem bảng V

Từ bảng VI ta thấy tần số gần nhất với 0,153hz ở cột 4 là 0,17hz vì vậy F2(3,4hz xem bảng VI) được lựa chọ cho thiết kế này

ra trong bảng IV trong trường hợp F1 F2 nấu chu kỳ của CF(t5) thấp hơn 180ms, độ rộng xung CF được đặt là một nửa chu kỳ, ví dụ nếu tần số CF là 20hz, độ rộng xung

CF là 25ms

Hình 1.14 Sơ đồ định thời tần số lối ra

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ VI XỬ LÝ MC68HC11

2.1 Đặc trưng của họ vi điều khiển MC68HC11

MC68HC11E là dòng vi điều khiển tích hợp cao, 8 bit của Motorola Vi điều khiển tích hợp một vi xử lý MC68HC11 với các thiết bị ngoại vi trên cùng một chíp Dòng HC11E cấu thành với nhiều loại bộ nhớ khác nhau như RAM, ROM hay EPROM và EEPROM Và với một số thiết bị khác hoạt động ở mức điện thế thấp HC11E chế tạo từ công nghệ bán dẫn – oxit – kim loại bù mật độ cao (HCMOS) cho phép nó hoạt động với tần số từ 3MHz tới thế một chiều, mà tiêu thụ công suất không đáng kể

Sau đây là một số nét đặc trưng của họ HC11E:

* Vi xử lý MC68HC11 của Motorola và tập lệnh của nó

* Tiết kiệm công suất với hoạt động ở mode STOP và WAIT

* Sử dụng thiết bị làm việc với điện thế thấp

* Hỗ trợ 0, 256, 512 hoặc 768 bytes RAM , dữ liệu vẫn được duy trì khi standby

* Hỗ trợ 0, 12, hoặc 20 Kbytes ROM hoặc EPROM

* Hỗ trợ 0, 512, 2048 Bytes EEPROM với khả năng bảo vệ khối dùng cho chức năng bảo mật (2048 bytes với EEPROM ở bảng địa chỉ cơ sở trong HC811E2)

* Giao diện ngoại vi nối tiếp đồng bộ (SPI)

* 8 kênh dành cho bộ chuyển đổi A/D 8 bit

* 16 bit định thời hệ thống dành cho

* Ba kênh bắt giữ tín hiệu lối vào (IC)

* Bốn kênh so sánh lối ra (OC)

* Một kênh có thể tuỳ chọn, như là kênh bắt giữ tín hiệu lối vào thứ tư, hay là kênh so sánh tín hiệu lối ra thứ năm

* Bộ cộng tích luỹ xung 8 bit

* Mạch ngắt thời gian thực

* Hệ thống giám sát sự hoạt động hợp lý của máy tính

38 chân dùng cho cổng vào ra dữ liệu chung

●16 chân vào ra dữ liệu hai hướng

●11 chân dữ liệu vào

●48 chân palastic dạng DIP, MC68HC811E2

●56 chân palastic dạng SDIP

2.2 Cấu trúc khối MC68HC11E

Hình.Sơ đồ khối của MC68HC11E

2.3 Chân và cổng vào ra của MC68HC11E

2.3.1 Các chân

Họ vi điều khiển HC11E có thể đóng gói ở dạng: 52 chân PLCC, 52 chân CLCC, 64 chân QFP, 48 chân dạng bản mỏng QFP, 56 chân SDIP và 48 chân dạng DIP Hầu hết các chân trong HC11E có hai chức năng được mô tả trong hình vẽ sau (Hình)

Hình.Sắp xếp các chân với gói dạng 52 chân PLCC hay CLCC

Hình Gói 64 chân dạng QFP

HìnhGói 52 chân dạng TQFP

Hình.Gói 56 chân dạng SDIP

Hình.Gói 48 chân dạng DIP

So với các họ vi điều khiển khác như 8051 thì đóng gói và sơ đồ chân của HC11 là khá phức tạp Ở đây ta chỉ trình bày một số chân có chức năng quan trọng trong hoạt động của vi điều khiển

●VDD và VSS

Nguồn cung cấp cho vi điều khiển thông qua chân VDD và VSS VDD là chân nguồn, VSS là chân nối đất Nguồn cung cấp cho vi điều khiển hoạt động bình thường là 5V Các thiết bị (hoạt động với) thế thấp có dải điện áp hoạt động từ 3.0 tới 5.5V hoặc từ 2.7 tới 5.5V Nguồn đưa vào vi điều khiển phải ổn định một cách tương đối Nhưng vì một lý do nào đó, sự thăng giáng của nguồn sẽ làm xuất hiện các xung nhiễu trên chân của vi điều khiển Vì vậy nguồn trước khi đưa vào vi điều khiển cần thông qua các mạch làm bằng Cách thông dụng và hiệu quả nhất là dùng một con tụ đủ lớn nối song song với nguồn cấp cho vi điều khiển Giá trị của tụ tuỳ thuộc vào tải

●RESET

RESET là chân điều khiển tín hiệu hai hướng Nó được xem như là chân khởi tạo trạng thái vi điều khiển khi nó được khởi động Đồng thời nó cũng là chân tín hiệu lối ra dùng để chỉ thị lỗi hệ thống do hệ thống giám sát hoạt động của vi điều khiển dò được (COP) CPU phân biệt hai loại tín hiệu RESET Tín hiệu RESET xuất phát từ điều kiện bên ngoài hay ngay trong CPU (được điều khiển bởi chính CPU khi hệ thống giám sát tìm thấy lỗi mà nó cho là nghiêm trọng) CPU phân biệt giữa điều kiện reset nội và reset ngoại nhờ cảm biến được chân tín hiệu reset chuyển lên mức cao ngắn hơn hai chu kỳ xung đồng hồ sau khi tín hiệu reset xuất hiện Vì vậy tuyệt đối cấm không được tuỳ tiện nối tụ và trở vào chân reset của vi điều khiển Điều này nhằm tránh trễ xảy ra trên chân reset và có thể dẫn đến những quyết định sai lầm của CPU Thông thường ta sử dụng bộ tạo tín hiệu reset MC3464 (hình vẽ)

Hình Sơ đồ mạch reset ngoại

●Chân XTAL, EXTAL và lối ra E_Clock (E)

Hai chân XTAL, EXTAL cung cấp giao diện cho máy phát xung dao động bằng thạch anh hoặc bộ dao động có cấu trúc CMOS tương ứng dùng để điểu khiển mạch phát xung đồng hồ có trong vi điều khiển Tần số của các máy phát ngoài phải cao gấp bốn lần tần số xung đồng hồ mong muốn Thông thường chân XTAL ngắt ra khi có một bộ dao động CMOS nối vào chân EXTAL Tuy nhiên để giảm nhiễu ở tần số rađiô (RFI)

ta thường nối vào chân XTAL con trở có giá trị từ 10 KΩ tới 100KΩ Chân lối ra XTAL chỉ được nối với một bộ dao động thạch anh

E là chân lối ra của bộ dao động nội trong vi điều khiển Tín hiệu này dùng để chuẩn thời gian Tần số lối ra chân E bằng ¼ tần số lối vào ở chân XTAL, EXTAL Khi

dữ liệu được truy cập Tất cả các xung đồng hồ sẽ ngừng lại khi vi điều khiển ở trạng thái STOP Nhằm tránh phát sinh RFI, các thiết bị nối vào chân E sẽ ngắt khi vi điều khiển làm việc ở chế độ đơn

●Yêu cầu ngắt và che ngắt ( IRQ and XIRQ/VPPE)

Chân lối vào IRQ là chân nhận tín hiệu ngắt không đồng bộ Ta có thể chọn chế độ ngắt theo sườn âm của xung, hay ngắt theo biên độ (biên độ âm) của xung (dùng thanh ghi tuỳ chon) Tín hiệu ngắt khi reset luôn là chọn theo mức biên độ xung Khi sử dụng tín hiệu ngắt theo mức biên độ xung, ta thường nối một điện trở 4.7k từ chân IRQ tới nguồn

Chân XIRQ là chân nhân tín hiệu ngắt không thể che vào vi điều khiển ngay sau chân reset được khởi tạo Trong quá trình reset, bit X trong thanh ghi điều kiện có thể được đặt và tất cả các ngắt đều bị cấm cho tới khi phần mềm điều khiển vi điều khiển cho phép nó hoạt động Vì XIRQ hoạt động theo mức biên độ xung, nên ta có thể nối XIRQ lên nguồn thông qua một con trở Thông thường XIRQ chọn để phát hiện lỗi nguồn

VPPE là chân lối vào cung cấp nguồn 12V cần thiết cho trường hợp lập trình với EPROM/OTPROM Nếu thiết bị không dùng EPROM/OTPROM thì nó chỉ có chức năng ngắt

●STRA/AS và STRB/R/W

Chân STRA/AS phân làm hai chức năng phụ thuộc vào mode hoạt động của vi điều khiển Trong chế độ đơn, STRA thực hiện chức năng bắt tín hiệu vào Trong chế độ hợp kênh mở rộng, AS cung cấp chức năng đồng bộ địa chỉ

Chân đồng bộ B hay đọc/viết (STRB/R/W) hoạt động như chân tín hiệu đồng bộ lối ra hay chân chỉ thỉ hướng dữ liệu trên bus Trong chế độ hoạt động đơn, STRB hoạt động như chân đồng bộ tín hiệu với các thiết bị ngoại vi song song Trong chế độ hợp kênh

mở rộng, R/W sử dụng để chỉ thị hướng dữ liệu được truyền ở bus ngoại vi Chân R/W

ở mức thấp báo rằng dữ liệu đang được viết ra thiết bị bên ngoài, mức cao có nghĩa là

vi điều khiển đang đọc thông tin

●MODA, MODB chân điều khiển chọn mode

Trong khi reset, với hai chân tín hiệu MODA và MODB ta có 4 chế độ làm việc cho vi điều khiển Đó là các mode, single mode, expanded mode, bootstrap mode và test mode Single mode và expanded mode là hai mode làm việc bình thường của vi điều khiển Sự khác nhau giữa chúng là ở single mode ta chỉ truy cập dữ liệu từ bộ nhớ trong như RAM, ROM còn ở expanded mode ta có thể truy cập dữ liệu từ bộ nhớ của các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài) Tương ứng với mỗi phương thức làm việc bình thường ta có 1 mode làm việc đặc biệt: bootstrapmode – single mode; test mode – expanded mode Sự khác nhau cơ bản là chúng có bản đồ ô nhớ khác nhau và phương thức truy cập bộ nhớ khác nhau

●VRL và VRH

Đây là hai chân cung cấp thế chuẩn cho bộ chuyển đổi A/D VRL chuẩn thế thấp ( thường là 0V) VRH chuẩn thế cao Để bộ chuyển đổi hoạt động bình thường VRH phải lớn hơn 3V, và VRH, VRL trong dải VSS, VDD

2.3.2 Các cổng tín hiệu

Các chân cổng tín hiệu có chức năng khác nhau với các mode hoạt động khác nhau Các chức năng của chân trong cổng A, D, E không phụ thuộc vào mode hoạt động Cổng B, C ngược lại, chịu ảnh hưởng của chế độ làm việc của vi điều khiển Chi tiết chức năng của các chân xem trong bảng và được mô tả sau

●Cổng A

Trong mọi chế độ hoạt động, cổng A luôn được dùng để cấu hình cho ba bộ định thời bắt giữ tín hiệu lối vào (IC) và bốn bộ định thời so sánh tín hiệu lối ra (OC) Chân còn lại có thể cấu hình theo cả hai hướng như là bộ định thời bắt giữ tín hiệu lối vào thứ tư hoặc bộ định thời so sánh giữ liệu lối ra thứ năm Nếu bất kỳ chân nào của cổng A không dùng để cấu hình cho các bộ định thời đều có thể sử dụng làm chân tín hiệu vào

ra phổ thông Chân PA7 và chân PA3 dùng để thiết lập hướng dữ liệu là vào hay ra Riêng hướng của hai bít PA7 và PA3 được thiết lập bởi hai bít DDAR7 và DDAR3 của thanh ghi PACTL (pulse accumulator control – thanh ghi điều khiển tích luỹ xung) Các chân còn lại được cố định là chân dữ liệu vào hay chân dữ liệu ra

●PA7 có chức năng là chân vào/ra phổ thông, đồng thời nó cũng là chân so sánh lối ra định thời OC1 PA7 được lấy là lối vào bộ tích luỹ xung, ngay cả khi chúng đang thực hiện các chức năng trên

Bảng Chức năng của các chân tín hiệu ở chế độ hoạt động khác nhau

●PA[6:4] chức năng là chân lối ra dùng chung, và là chân bắt giữ lối vào các bộ định thời hoặc là chân so sánh lối ra của bộ định thời 2 - 4 PA[6:4] được điều khiển bởi OC1

●PA3 là chân tín hiệu vào ra hai hướng, đồng thời cũng định dạng như là chân bắt giữ lối vào bộ định thời số 4 hay là chân so sánh lối ra bộ định thời số 5

●PA[0:2] dành cho chân lối vào dùng chung và chân bắt giữ lối vào bộ định thời [1:3]

●Cổng C

Trong chế độ đơn chíp, tất cả chân cổng C có chức năng như là chân vào/ra dữ liệu chung Cổng C giữ như là chân vào dữ liệu nhờ thanh ghi PORTLC và chân STRA đặt

ở chế độ vào dữ liệu

Trong chế độ hợp kênh mở rộng, toàn bộ chân của cổng C xem như là một phần của

dữ liệu/địa chỉ hợp kênh Trong chu kỳ xung đồng hồ, các chân [7:0] của cổng C xem như là địa chỉ [7:0] địa chỉ lối ra Hoặc là chân vào/ra dữ liệu hai hướng Hướng của

dữ liệu chọn bởi chân tín hiệu R/W

●Cổng D

Chân PD[5:0] có thể được sử dụng như là chân vào ra tín hiệu chung Tuy nhiên nhưng chân này cũng được dùng truyền tín hiệu cho các thiết bị giao diện truyền thông nối tiếp (SCI), và các thiết bị giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI)

Chân PD0 là chân nhận dữ liệu vào (RxD) cho SCI

Chân PD1 là chân truyền dữ liệu ra (TxD) cho SCI

PD[5:2] dùng cho giao diện ngoai vi nối tiếp (SPI) PD2 là chân tín hiệu ra PD3 là chân tín hiệu vào PD4 là chân tín hiệu xung đồng hồ PD5 là chân chọn chế độ (vào/ra)

●Cổng E

Cổng E là lối vào phổ thông hoặc là lối vào bộ A/D Nếu cần chuyển đổi chính xác, tuyệt đối không truy cập vào cổng trong khi đang lấy mẫu, nhằm tránh những nhiễu loạn không cần thiết

2.4.1 Các thanh ghi của CPU

Thanh ghi của MC68HC11 CPU là một bộ phận cấu thành từ bên trong và nó không được đưa vào bản đồ nhớ Nó có 7 thanh ghi phổ thông và một thanh ghi điều kiện (hinh)

Hình Sơ đồ các thanh ghi của MC68HC11 CPU

Như hình vẽ ta thấy, kiến trúc của nó gồm ba thanh ghi tích luỹ A, B và D Thanh ghi tích luỹ A, B là thanh ghi tích luỹ 8 bit Tuy nhiên nếu cần ta có thể sử dụng hai thanh ghi như một thanh ghi 16 bit tương tự thanh ghi D

Các thanh ghi IX, IY là thanh ghi chỉ số Chúng đưa cho ta mọt giá trị 16 bit khi cộng với giá trị offset 8 bit sẽ được giá trị đầy đủ của địa chỉ các ô nhớ

SP là thanh ghi chỉ số stack, nó tự động đánh số bởi chương trình

PC thanh ghi số đếm chương trình 16 bit Ngay sau khi reset PC se có giá trị tại khởi đầu tuỳ thuộc vào mode hoạt động của vi điều khiển

Thanh ghi còn lại mà ta chưa nhắc là thanh ghi điều kiện (CCR), gồm có 8 bit điều kiên Chi tiết về các thanh ghi xin xem tài liệu tham khảo

2.4.2 Kiểu dữ liệu dùng trong CPU

MC68HC11 CPU hỗ trợ những kiểu dữ liệu sau:

●Dữ liệu dưới dạng bit

●Số nguyên 8 bit hay 16 bit không dấu và có dấu

●16 bit số phân số không dấu

Thông thường ta sử dụng kiểu byte 8 bit và với kiểu dữ liệu đó ta không cần yêu cầu đặc biệt nào khi sử dụng (vi HC11 là vi xử lý 8 bit)

2.4.3 Mã lệnh và toán tử

Mã lệnh trong họ vi xử lý HC11 mã hoá 8 bit Mỗi mã lệnh có cách dùng riêng với các mode hoạt động khác của vi điều khiển HC11 CPU có khoảng 256 mã lệnh Một dòng lệnh đầy đủ gồm có một tiền tố (prebyte), mã lệnh và có thể có không, một, hai, ba toán tử Toán tư có chúa thông tin mà CPU cần thực hiện tính toán Một dòng lênh đầy đủ có thể có từ một tới năm byte

2.4.4 Các mode địa chỉ

Có 6 mode địa chỉ dùng để truy cập vào bộ nhớ: tức thời (immediately), trực tiếp (direct), mở rộng (extended), chỉ dẫn (indexed), cảm ứng (inherent) và quan hệ