Luận văn Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH THU THẬP DỮ LIỆU, GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRUYỀN THÔNG ETHERNET GVHD: ThS. NGUYỄN THANH BÌNH SVTH: TRƯƠNG DOÃN NAM MSSV: 11141141 SVTH: NGUYỄN CHÍ KỲ MSSV: 10101068 S K L 0 0 4 2 5 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng con xin gửi lời cám ơn chân thành, sâu sắc đến cha mẹ. Những người đã cho chúng con cuộc sống này, để chúng con được ăn học, phát triển như ngày hôm nay. Chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô giáo trong trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã tận tâm giảng dạy và đưa ra những hướng dẫn hữu ích giúp chúng em có những kiến thức nền tảng. Đặc biệt chúng em xin gửi lời cám ơn đến thầy Th.S Nguyễn Thanh Bình, giảng viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh. Trong thời gian thực hiện đề tài, mặc dù bận rộn với công việc giảng dạy nhưng thầy vẫn dành thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn, định hướng cho chúng em chọn đề tài và quy trình thực hiện phù hợp với khả năng. Đồng thời chúng em cũng gửi lời cám ơn đến các bạn, các anh chị đi trước đã đóng góp ý kiến, chia sẻ kinh nghiệm, tài liệu tham khảo cũng như hỗ trợ chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Sinh viên Trương Doãn Nam Nguyễn Chí kỳ Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ i
3. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài này là do chính nhóm chúng em thực hiện, các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong đề tài là trung thực, đề tài không trùng với bất kỳ đề tài nghiên cứu khoa học nào. Những thông tin tham khảo trong khóa luận đều được trích dẫn cụ thể nguồn sử dụng. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Sinh viên Trương Doãn Nam Nguyễn Chí Kỳ
4. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet TÓM TẮT Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Đặc biệt là sự phát triển của truyền thông, nhiều ứng dụng được phát triển trên hệ thống nhúng ra đời. Ở nước ta hiện nay quá trình thu thập dữ liệu và quản lý tập trung dựa trên dựa trên công nghệ Ethernet đang được tiến hành nghiên cứu và phát triển. Nhận thức được tầm quan trọng cũng như ý nghĩa thực tiễn của quá trình thu thập dữ liệu, truyền dữ liệu và quản lý dữ liệu tập trung sao cho hiệu quả nhất. Nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet” làm đề tài đồ án tốt nghiệp trong học kỳ 1 năm học 2015 - 2016. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng em đã tìm hiều về vi điều khiển, các cảm biến, các phương thức truyền thông, cách kết nối mạng Ethernet và Webserver. Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Thanh Bình đã giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng thời hạn cho phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến thức rất lớn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo và các bạn sinh viên để chúng em có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ ii
5. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT ii MỤC LỤC 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC HÌNH VẼ 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8 1.1. Đặt vấn đề 8 1.2. Ý nghĩa của đề tài 8 1.3. Giới hạn đề tài nghiên cứu 9 1.4. Mục tiêu nghiên cứu 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1. Tổng quan về ADE7753 10 2.1.1. Giới thiệu tổng quan về ADE7753 10 2.1.2. Sơ đồ khối và tính năng của ADE7753 11 2.1.2.1. Sơ đồ khối của ADE7753 11 2.1.2.2. Tính năng của ADE7753 11 2.1.3. Quá trình lấy mẫu và thực hiện của ADE7753 12 2.1.3.1. ADC kênh 1 và quá trình lấy mẫu kênh 1 12 2.1.3.2. ADC kênh 2 và quá trình lấy mẫu kênh 2 14 2.1.4. Tính toán công suất hoạt động trong ADE7753 17 2.1.5. Quá trình ngắt của ADE7753 19 2.1.5.1. Sử dụng ngắt với 1 MCU 19 2.1.5.2. Thời điểm ngắt 20 2.1.6. Giao diện nối tiếp của ADE7753 20 2.1.6.1. Hoạt động ghi nối tiếp của ADE7753 21 2.1.6.2. Hoạt động đọc nối tiếp của ADE7753 22 2.2. Tổng quan về họ vi điều khiển PIC 22 2.2.1. Một số đặc tính của Vi điều khiển PIC 22 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 1
6. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 2.2.2. Những đặc tính ngoại vi 23 2.2.3. Đặc điểm về tương tự 24 2.2.5. Công nghệ CMOS 24 2.3. Tổng quan về Ethernet 25 2.3.1. Cấu trúc khung tin Ethernet 25 2.3.2. Cấu trúc địa chỉ Ethernet 25 2.3.3. Các loại khung Ethernet 26 2.3.3.1. Khung unicast 26 2.3.3.2. Khung broadcast 26 2.3.3.3. Khung multicast 26 2.4. Họ giao thức TCP/IP 26 2.4.1. Tầng Ứng Dụng(Application Layer) 27 2.4.2. Tầng Giao Vận(Transport Layer) 28 2.4.3. Tầng Internet(Internet Layer) 31 2.4.4. Lớp giao tiếp mạng 35 2.5. MicrochipTCP/IP Stack 35 2.6. Chuẩn truyền thông SPI 37 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN THAO TÁC 42 3.1. Thuật toán cập nhật dữ liệu 42 3.2. Thuật toán lưu trữ dữ liệu 42 3.3. Thuật toán đọc dữ liệu 42 3.4. Module vẽ đồ thị 51 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 66 VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 66 4.1. Thiết kế phần cứng 66 4.1.1. Sơ đồ khối tổng quát của một Slave 66 4.1.1.1. Khối ade7753 67 4.1.1.2. Khối nguồn 70 4.1.1.3. Khối chống nhiễu 71 4.1.1.4. Khối hiển thị và điều khiển 72 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 2
7. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 4.1.2. Vi Mạch Ethernet ENC28J60 72 4.1.2.1. Sơ đồ chân và sơ đồ khối của ENC28J60 73 4.1.2.2. Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 74 4.1.2.3. Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet 75 4.1.2.4. Module Ethernet 76 4.2. Lưu đồ giải thuật 78 4.2.1. Lưu đồ hoạt động của hệ thống 78 4.2.1.1. Dữ liệu vào 79 4.2.1.2. Xử lí dữ liệu 79 4.2.1.3. Khối điều khiển trung tâm 79 4.2.1.4. Đưa dữ liệu lên Webserver 79 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 5.1. Kết quả đạt được 80 5.2. Kết luận: 82 5.3. Hướng phát triển đề tài 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 3
8. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng anh Nghĩa tiếng việt IP Internet Protocol Giao thức Internet PGA Programmable Gain Amplifier Bộ khuếch đại lập trình được ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số SPI Serial Peripheral Interface Truyền thông nối tiếp MCU Management Center Unit Đơn vị quản lý trung tâm LPF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ sư điện và điện tử Electronics Engineers MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền thông ACK Acknowledgement Tín hiệu báo nhận SNMP Simple Network Management Giao thức quản lý mạng đơn giản Protocol RF Radio Frequency Tần số vô tuyến LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 4
9. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát của mô hình 10 Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát của một Node mạng 101 Hình 2.1: Sơ đồ chân của ADE7753 10 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của ADE7753 11 Hình 2.3: Quá trình xử lí tín hiệu trên kênh 1 của ADE7753 12 Hình 2.4: Thời gian lấy mẫu của ADE7753 12 Hình 2.5: Quá trình tính toán IRMS trên kênh 1 13 Hình 2.6: Quá trình xử lí tín hiệu trên kênh 2 của ADE7753 14 Hình 2.7: Đáp ứng pha của bộ lọc thông thấp LPF1 15 Hình 2.8: Quá trình tính toán URMS trên kênh 2 16 Hình 2.9: Minh họa hiệu chỉnh pha 0,10 trong ADE7753 17 Hình 2.10: Công suất hoạt động trong ADE7753 18 Hình 2.11: Quá trình xử lí tính toán công suất hoạt động trong ADE7753 18 Hình 2.12: Biểu đồ thời gian quản lí ngắt của ADE7753 19 Hình 2.13: Giao diện nối tiếp của ADE7753 21 Hình 2.14: Hoạt động ghi nối tiếp của ADE7753 21 Hình 2.15: Hoạt động đọc nối tiếp của ADE7753 22 Hình 2.16: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP 27 Hình 2.17: Cấu trúc gói TCP 28 Hình 2.18: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP 30 Hình 2.19: Cấu trúc gói tin IP 32 Hình 2.20: Cấu trúc gói tin ARP 34 Hình 2.21: Cấu trúc của Stack 36 Hình 2.22: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo và cấu trúc Stack của Microchip 36 Hình 2.23: SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đường38 Hình 2.24: Quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI 39 Hình 2.25: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển Ethernet 39 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 5
10. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Hình 2.26: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển MAC 40 Hình 2.27: Quá trình ghi vào thanh ghi lệnh 40 Hình 2.28: Quá trình ghi vào bộ đệm lệnh 40 Hình 2.29: Quá trình ghi vào lệnh của hệ thống 41 Hình 3.1: Sơ đồ thuật toán dùng để cập nhật dữ liệu từ vi xử lý lên máy chủ 42 Hình 3.2: Website nội bộ được tải lên từ chip xử lý 43 Hình 3.3: Trang giám sát thông số được tải từ website nội bộ trong chip 44 Hình 3.4: Dữ liệu ở trên đã được lưu trong CSDL và được xuất ra bảng . 44 Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán lưu trữ dữ liệu từ cơ sở dữ liệu thành tập tin lưu trữ 436 Hình 3.6: Sơ đồ thư mục chứa trên máy chủ 46 Hình 3.7: Bảng trong tập tin *.csv 47 Hình 3.8: Các tập tin *.csv đã được tạo trên hệ thống máy chủ 48 Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị từ cơ sở dữ liệu 48 Hình 3.10: Thuật toán đọc dữ liệu từ tập tin đã được lưu trữ trên máy chủ 49 Hình 3.11: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị từ cơ sở dữ liệu 515 Hình 3.12: Sơ đồ thuật toán vẽ đồ thị với tập tin được lưu trữ trên máy chủ 536 Hình 3.13: Kết quả của module Corechart của Google 557 Hình 3.14: Vùng làm việc của notepad++ 58 Hình 3.15: Vùng làm việc của Intype 58 Hình 3.16: Vùng làm việc của phpDesigner 59 Hình 3.17: Vùng làm việc của Dreamweaver – Đây là phiên bản rút gọn Macromedia Dreamweaver 8.0 60 Hình 3.18: Vùng làm việc của E-Texteditor 60 Hình 3.19: Lập trình php bằng Dreamweaver 61 Hình 3.20: Viết Cascading Style Sheet bằng Dreamweaver 62 Hình 3.21: Thiết kế website bằng HTML trên Dreamweaver 62 Hình 4.1: Sơ đồ khối của Slave 663 Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý khối ade7753 67 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 6
11. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Hình 4.3: Thiết kế khối kênh dòng 68 Hình 4.4: Thiết kế khối kênh áp 69 Hình 4.5: Sơ đồ khối nguồn 70 Hình 4.6: Sơ đồ chống nhiễu nguồn cho ADE7753 71 Hình 4.7: Ảnh hưởng của nhiễu khi nối mass chung 72 Hình 4.8: Sơ đồ chân ENC28J60 73 Hình 4.9: Sơ đồ khối ENC28J60 73 Hình 4.10: Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28J60 74 Hình 4.11: Khối hiển thị và giao tiếp máy tính 74 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet 75 Hình 4.13: Mặt trước của Module Ethernet 76 Hình 4.14: Mặt sau của Module Ethernet 76 Hình 4.15. lưu đồ hoạt động của hệ thống 78 Hình 5.1: Kết quả của một Node mạng 80 Hình 5.2: Trang chủ web cục bộ 81 Hình 5.3: Webserver giám sát tập trung 81 Hình 5.4: Webserver thống kê dữ liệu 82 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 7
12. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó lĩnh vực thu thập dữ liệu cộng với công nghệ web nhúng và web server quản lý tập trung đã đặt ra hàng loạt các bài toán ứng dụng thực tiễn cho chúng ta. Do đó là một sinh viên chuyên ngành điện - điện tử chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật của nước nhà nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy, trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý tập trung thì hoàn toàn khác. Ở đây, dữ liệu từ các sensor được ghi nhận thực tế, thông qua môi trường truyền dẫn ethernet, dữ liệu này được định tuyến để đi đến đúng trạm đích và được lưu trữ tại cơ sở dữ liệu của webserve. Những dữ liệu này chính là cơ sở để đưa ra quyết định điều khiển tự động hay để theo dõi giám sát một đại lượng nào đó biến động theo thời gian. Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet”. Để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà. Với đề tài trên chúng em đã thực hiện việc hệ thống theo 2 hướng chính:  Thu thập dữ liệu từ sensor, đặc biệt là các thông số của nguồn bằng IC chuyên dụng ADE7753.  Dữ liệu được tổng hợp từ các node mạng sẽ được xử lý và gửi toàn bộ lên webserver theo đúng địa chỉ đã được định tuyến. 1.2. Ý nghĩa của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu Âu hay Mỹ thì mô hình quản lý, giám sát trên giao diện Webserver đã rất phổ biến. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 8
13. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Đề tài có tính ứng dụng cao và rộng rãi ở nhiều lĩnh vực. Ví dụ ứng dụng trong quản lý một ngôi nhà thông minh. Và đặc biệt một ứng dụng đã được nước ta triển khai thực tế đó là hệ thống thu thập, quản lý chỉ số công tơ điện. Hệ thống này được đánh giá là sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao, tiết kiệm chi phí nhân công rất nhiều cho ngành điện lực. Việc sử dụng đường truyền Internet sẽ có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra sản phẩm của đề tài mang tính mở, có thể nâng cấp và tăng số lượng Node mạng tùy ý, và còn có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. 1.3. Giới hạn đề tài nghiên cứu Để thực thi một hệ thống thu thập dữ liệu và quản lý tập trung với quy mô lớn nói trên là rất phức tạp và rất tốn kém. Để xây dựng nên hệ thống này trên thực tế đòi hỏi phải có một lượng thời gian để thử nghiệm và nhiều kiến thức liên quan trong lĩnh vưc điện tử và viễn thông. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính, nên với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng em chỉ thực thi một phần của hệ thống đó. Với những gì đã trình bày trên, chúng em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát, thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau: Thiết lập các Node mạng có tính độc lập, tại mỗi Node mạng Sensor và IC chuyên dụng ADE7753 có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu tại vị trí đó. Trong đề tài này tập trung quản lý các thông số của nguồn lưới do đó dữ liệu thu nhận được tại mỗi Node là các đại lượng điện áp, dòng điện, tần số và công suất. Sau khi có được dữ liệu, các Node mạng sẽ tiến hành gửi dữ liệu đó lên webserver để lưu trữ và để tiện theo dõi. 1.4. Mục tiêu nghiên cứu Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thu thập và quản lý dữ liệu tập trung. Nghiên cứu quá trình xử lý ADC của ADE7753 để đo được các thông số của nguồn lưới. Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện quản lý qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP. Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip. Đặc biệt là PIC18F4620 đã được sử dụng chính trong đề tài này. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 9
14. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tổng quan về ADE7753 2.1.1. Giới thiệu tổng quan về ADE7753 ADE7753 do hãng Analog Device của Mỹ sản xuất và chế tạo. ADE7753 Có độ chính xác cao, tuân theo chuẩn IEC 61036 và IEC 1268. Tích hợp bộ tích phân số cho phép giao diện trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu ra tỷ lệ với di/dt. Mạng lưới chân (PGA) trong các kênh dòng điện cho phép giao diện trực tiếp tới shunt và bộ biến đổi dòng điện. Là IC chuyên dùng để đo năng lượng hoạt động và năng lượng biểu kiến, dạng sóng và giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp. Sai số nhỏ hơn 0.1% trong phép đo năng lượng. Cho phép nguời dùng đặt chương trình ngưỡng cho sự tăng vọt của điện áp dây và kiểm tra giá trị hiệu dụng (SAG) và bộ phận cung cấp công suất (PSU). Cho phép hiệu chuẩn số cho nguồn, pha và bù đầu vào. Lập trình tần số xung ngõ ra. Giao diện trực tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua chuẩn giao tiếp SPI. Có 2 ADC cấu trúc sigma – delta và DSP cho dữ liệu với độ chính xác cao trong điều kiện môi trường và thời gian biến động mạnh. Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW). Hình 2.1: Sơ đồ chân của ADE7753 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 10
15. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 2.1.2. Sơ đồ khối và tính năng của ADE7753 2.1.2.1. Sơ đồ khối của ADE7753 Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của ADE7753 2.1.2.2. Tính năng của ADE7753 ADE7753 có các tính năng của các bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) và cố định chức năng xử lý tín hiệu số (DSP) trong điều kiện môi trường và thời gian có sự biến đổi lớn. ADE7753 kết hợp 2 lớp phụ, ADC 16bit, bộ tích phân số (trên CH1), mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các tín hiệu yêu cầu xử lý để thực hiện các phép đo công suất biểu kiến và công suất hoạt động, đo điện áp dây theo thời gian và tính giá trị hiệu dụng(rms) trên kênh điện áp và dòng điện. ADE7753 cung cấp một giao diện nối tiếp để đọc dữ liệu và tần số xung nhịp đầu ra (CF) tỷ lệ thuận với công suất hoạt động. Hệ thống hiệu chỉnh tính năng khác nhau như kênh hiệu chỉnh bù, hiệu chỉnh pha, hiệu chỉnh nguồn đảm bảo độ chính xác cao. Một phần cũng phát hiện được sự biến đổi điện áp thấp hoặc cao trong thời gian ngắn. Thanh ghi trạng thái ngắt chỉ bản chất của ngắt và ngắt cho phép thanh ghi điều khiển việc tạo ra một đầu ra trên chân IRQ, cực máng mở, đầu ra hoạt động ở mức logic thấp. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 11
16. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet 2.1.3. Quá trình lấy mẫu và thực hiện của ADE7753 2.1.3.1. ADC kênh 1 và quá trình lấy mẫu kênh 1  ADC kênh 1 Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, một dây đầu ra ADC, bù 2, dữ liệu dạng word 24 bit ở giá trị tối đa là 27.9 kSPS(CLKIN/128). Với đặc tính tín hiệu đầu vào tương tự hoàn chỉnh là 0.5 V(hoặc 0.25 V hoặc 0.125 V), ADC tạo ra một mã đầu ra khoảng giữa 0x28 51EC(+2,642,412 d) và 0xD7 AE14(- 2,642,412 d). Hình 2.3: Quá trình xử lí tín hiệu trên kênh 1 của ADE7753 Các mẫu dạng sóng có thể được truyền đến thanh ghi dạng sóng(MODE) cho hệ thống chủ(MCU) để đọc. Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, thiết lập bit WSMP (bit 3) trong thanh ghi cho phép ngắt ở mức logic 1. Công suất hoạt động và công suất biểu kiến cũng như sự tính toán năng lượng vẫn không bị gián đoạn trong quá trình lấy mẫu dạng sóng. Hình 2.4: Thời gian lấy mẫu của ADE7753 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 12
17. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, chọn một trong bốn phạm vi lấy mẫu đầu ra sử dụng bit 11 và bit 12 của thanh ghi chế độ(WAVSEL). Phạm vi lấy mẫu đầu ra có thể là 27.9 kSPS, 14 kSPS, 7 kSPS hoặc 3.5 kSPS. Ðầu ra yêu cầu ngắt IRQ, lấy mẫu tín hiệu mới sẵn có bằng cách hoạt động ở mức thấp. Thời gian lấy mẫu thể hiện trong hình 2.3. 24 bit dạng sóng lấy mẫu được chuyển từ một byte ADE7753 ở một thời điểm, với byte quan trọng nhất được dịch chuyển ra đầu tiên. 24 bit dữ liệu dạng word được canh phải. Ðầu ra yêu cầu ngắt IRQ vẫn ở mức thấp cho đến khi đọc ngắt để thiết lập lại thanh ghi.  Tính dòng điện hiệu dụng(IRMS) trên kênh 1 Giá trị hiệu dụng(rms) của một tín hiệu liên tục V(t) được tính như sau: [2.1] Ðối với thời gian lấy mẫu tín hiệu, việc tính giá trị rms liên quan đến tín hiệu, lấy trung bình, và có được căn bậc hai như sau: [2.2] ADE7753 tính đồng thời các giá trị rms cho kênh 1 và kênh 2 trong các thanh ghi khác nhau. Hình 2.4 cho thấy chi tiết của quá trình xử lý tín hiệu cho việc tính toán rms trên kênh 1. Giá trị rms trên kênh 1 được xử lý từ mẫu sử dụng trong chế độ lấy mẫu dạng sóng kênh 1. Giá trị rms kênh 1 được lưu trữ trong một thanh ghi IRMS không dấu, 24 bit Một LSB của thanh ghi rms kênh 1 tương đương với một LSB của một mẫu dạng sóng kênh 1. Tốc độ cập nhật phép đo rms kênh 1 là CLKIN/4. Hình 2.5: Quá trình tính toán IRMS trên kênh 1 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 13
18. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet Với tín hiệu đầu vào tương tự lớn nhất là 0,5 V, ADC tạo ra một mã đầu ra khoảng ±2,642,412d. Giá trị rms tương đương của một tín hiệu xoay chiều hoàn chỉnh là 1,868,467d(0x1C82B3). Phép đo RMS dòng diện được cung cấp trong ADE7753 chính xác đến 0.5% với tín hiệu đầu vào giữa thang đủ và thang đủ/100.  Hiệu chỉnh bù RMS trên kênh 1 ADE7753 kết hợp một thanh ghi bù IRMSOS trên kênh 1. Ðây là thanh ghi 12 bit, có dấu, nó có thể được sử dụng để loại bỏ bù trong tính toán rms kênh 1. Một giá trị bù có thể tồn tại trong việc tính toán rms do nhiễu đầu vào, cái mà được tích hợp trên thành phần một chiều của V2(t). Phép tính bù loại trừ ảnh hưởng của nhiễu đầu vào từ phép đo rms. Một LSB của bù rms kênh 1 khoảng 32,768 LSB của bình phương thanh ghi rms kênh 1. 2.1.3.2. ADC kênh 2 và quá trình lấy mẫu kênh 2  ADC kênh 2 Hình 2.6: Quá trình xử lí tín hiệu trên kênh 2 của ADE7753 Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng kênh 2(MORE[14:13] = 1,1 và WSMP = 1), độ rộng mã đầu ra ADC cho kênh 2 không giống như trên kênh 1. Dạng sóng lấy mẫu kênh 2 là một word 16 bit và 24 bit dấu giới hạn. Để có thể lấy mẫu được ở kênh 2 thì hiệu điện áp giữa V2P và V2N không được vượt quá 0,5V. Với điện áp đầu vào lớn nhất(± 0.5V ở giá trị khuếch đại PGA là 1), đầu vào từ ADC dao dộng giữa 0x2852 và 0Xd7AE(±10,322d). Tuy nhiên, trước khi được truyền cho thanh ghi dạng sóng, Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 14
19. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet đầu ra ADC được truyền thông qua một tín hiệu đơn cực, bộ lọc thông thấp với tần số cắt là 140 Hz. Bộ lọc thông thấp LPF1 có tác dụng làm suy giảm tín hiệu. Hình 2.6 thể hiện đại lượng và đáp ứng pha của bộ lọc này. Hình 2.7: Đáp ứng pha của bộ lọc thông thấp LPF1 Nếu tần số là 50Hz, tín hiệu tại đầu ra của LPF1 sẽ giảm 10% |H(f)|= = 0.886 = -1.04 dB [2.3] ( ) Kênh 2 chỉ có một phạm vi đầu vào tương tự. Cũng giống như kênh 1, kênh 2 có một PGA với sự lựa chọn hệ số khuếch đại là 1, 2, 4, 8 và 16. Ðối với phép đo năng lượng, đầu ra của ADC được truyền trực tiếp cho các bộ phận và không được lọc qua bộ lọc thông thấp LPF1. Trong chế độ lấy mẫu dạng sóng, một trong bốn tốc độ lấy mẫu đầu ra có thể được chọn bằng cách sử dụng bit 11 và 12 của thanh ghi chế độ. Tốc độ lấy mẫu đầu ra sẵn có là 27.9 kSPS, 14 kSPS, 7 kSPS hoặc 3.5 kSPS. Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 15
20. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet  Tính toán giá trị hiệu dụng RMS trên kênh 2 Hình 2.8: Quá trình tính toán URMS trên kênh 2 ADE7753 tính toán giá trị hiệu dụng RMS bằng cách sử dụng việc tính giá trị trung bình tuyệt đối như trong hình 2.7. Giá trị rms kênh 2 được cung cấp từ các mẫu được sử dụng trong chế độ lấy mẫu dạng sóng kênh 2. Giá trị rms suy giảm không đáng kể do LPF1. Giá trị RMS kênh 2 được lưu trữ trong thanh ghi VRMS không dấu, 24 bit. Tốc độ cập nhật của phép đo rms kênh 2 là CLKIN/4. Với tín hiệu đầu vào tương tự xoay chiều hoàn chỉnh không được vượt quá 0.5V, đầu ra từ LPF1 dao dộng giữa 0x2518 và 0xDAE8 ở tần số 60 Hz. Giá trị rms tương ứng của tín hiệu xoay chiều hoàn chỉnh này khoảng 1,561,400(0x17 D338) trong thanh ghi VRMS. Phép đo điện áp rms cung cấp trong ADE7753 chính xác tới ±0.5% cho tín hiệu đầu vào giữa thang đủ và thang đủ/20.  Hiệu chỉnh bù RMS trên kênh 2 ADE7753 kết hợp một thanh ghi bù rms kênh 2 là(VRMSOS). Thanh ghi này là thanh ghi 12 bit, có dấu. Nó có thể được sử dụng để loại bỏ bù trong tính toán rms kênh 2. Bù có thể tồn tại trong việc tính rms do nhiễu đầu vào và bù một chiều trong các mẫu đầu vào. Các hiệu chuẩn cho phép bù các nội dung của thanh ghi VRMS để duy trì ở mức 0 khi không có điện áp vào. Một LSB của bù rms kênh 2 tương đương với một LSB của thanh ghi rms. Giả sử giá trị tối đa của tính toán rms kênh 2 là 1,561,400d với đầu vào xoay chiều hoàn chỉnh, sau đó 1 LSB của bù rms kênh 2 đại diện 0.064% của phép đo sai số ở dưới -60dB của thanh đo đầy đủ. VRMS = VRMS0 + VRMSSOS. Với VRMS0 là phép đo rms mà không cần điều chỉnh bù.  Hiệu chỉnh pha trong ADE7753 ADE7753 cung cấp một phương tiện số hiệu chỉnh các sai số pha nhỏ này bằng cách cho phép một thời gian trễ ngắn hoặc thời gian sớm hơn để đưa vào dây chuyền xử lý tín hiệu để hiệu chỉnh các sai số này. Vì hiệu chỉnh bằng thời gian, kỹ thuật này chỉ nên sử dụng cho các sai số pha nhỏ trong dải từ 0.10 đến 0.50. Thanh ghi hiệu chỉnh Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 16
21. Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế mô hình thu thập dữ liệu, giám sát năng lượng sử dụng truyền thông Ethernet pha PHCAL là một số bù hai, có dấu, thanh ghi byte đơn, mà có độ rộng giá trị từ 0x21(-31d) đến 0x1F(+31d). Thanh ghi này có điểm giữa là 0Dh, vì vậy ghi 0Dh vào thanh ghi tạo ra trễ 0. Bằng cách thay đổi thanh ghi PHCAL, thời gian trễ trong đường dẫn tín hiệu kênh 2 có thể thay đổi từ -102.12 µs dến +39.96 µs (CLKIN = 3.579545MHz). Hình 2.9 minh họa cách hiệu chỉnh pha được sử dụng để loại bỏ 0,10 pha dẫn trong kênh 1 do các đầu dò bên ngoài. Ðể hủy bỏ việc dẫn (0.10) trong kênh 1, một pha dẫn cũng phải được đưa vào kênh 2. Ðộ phân giải của sự điều chỉnh pha cho phép một pha dẫn bằng cách cho một thời gian sớm hơn trong kênh 2. Thời gian sớm hơn 4.44 µs được tạo ra bằng cách viết -2 (0x03) vào khối thời gian trễ, do dó việc giảm số lượng thời gian trễ là 4.44 µs hoặc tương đương một pha dãn khoảng 0.10 ở dòng tần số 60Hz. 0x0B đại diện cho - 2 bởi vì thanh ghi này có tâm 0 là 0Dh. Hình 2.9: Minh họa hiệu chỉnh pha 0,10 trong ADE7753 2.1.4. Tính toán công suất hoạt động trong ADE7753 Tín hiệu công suất tức thời p(t) được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu dòng diện và tín hiệu điện áp. Các thành phần một chiều của tín hiệu công suất tức thời sau đó được tách ra bởi bộ lọc thông thấp LPF2 để có được những thông tin công suất hoạt động. Quá trình này được minh họa trong hình 2.10 Trương Doãn Nam & Nguyễn Chí Kỳ 17