Đề tài thiết kế vi mạch điện tử thiết kế và phát triển vi mạch điện tử để điều khiển xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện đào tạo liên tục BÁO CÁO NHẬP MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: Thiết kế vi mạch điện tử Thiết kế phát triển vi mạch điện tử để điều khiển xử lý tín hiệu thu thập liệu Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Tiến Hịa Nhóm thực hiện: Nhóm 07 - Lớp ĐTVT 01 - K67 Gồm thành viên: 12345- Đinh Quang Trung - MSSV:20221124P Nguyễn Thị Thúy - MSSV:20221118P Nguyễn Tiến Đạt - MSSV: 20221080P Bùi Huy Quang - MSSV: 20221109P Bùi Đức Huy - MSSV:20221098P Hà Nội,ngày… tháng năm 2023 Mục lục 1- Chương Giới thiệu chung 2- Chương Phân loại 3- Chương 3.1: Khái niệm mạch mạch điều khiển tín hiệu 3.2: Định nghĩa tín hiệu analog & digital - Tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) gì? - Tín hiệu digital (tín hiệu số) gì? - Mạch analog & digital 4- Chương Nguyên lý chung mạch điều khiển tín hiệu 5- Chương Tổng quan hệ thống điều khiên giám sát thu nhập liệu hệ thống điện 5.1: Tổng quan hệ thống điều khiên giám sát thu nhập liệu hệ thống điện 5.2: Sự phân cấp quản lý hệ thống SCADA s 6- Chương Kết luận Chương Giới thiệu chung: 1.1 Giới thiệu: - Thiết kế vi mạch điện tử lĩnh vực trẻ Việt Nam - Vi mạch điện tử ngày xem phần quan góp phần phát triển lớn đến sống người xem phận thiếu thiết bị như: +) Chăm sóc sức khỏe, sắc đẹp +) Các thiết bị y tế +) Nơng – Lâm Ngư nghiẹp +) Và cịn nhiều thiết bị điện tử cơng nghệ cao khác để góp phần phát triển đất nước - Vi mạch điện tử có tên gọi khác IC ( integrated ciruit- mạch tích hợp) - Được xem thuật ngữ quen thuộc nhiều kỹ sư công nghệ - “Lịch sử phát triển mạch tích hợp năm 1949, kỹ sư người Đức Werner Jacobi (Siemens AG) nộp sáng chế cho thiết bị khuếch đại bán dẫn giống mạch tích hợp, có 5 transistor trên bề mặt chung cho khuếch đại tầng, làm dụng cụ trợ thính - Ngày 12 tháng năm 1958, người Mỹ Jack Kilby ở Texas Instruments trình bày vi mạch đầu tiên.[3] Kilby sau giành được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2000 - Nửa năm sau kiện Kilby, Robert Noyce ở Fairchild Semiconductor phát triển ý tưởng riêng mạch tích hợp giải nhiều vấn đề thực tế mà Kilby không làm Thiết kế Noyce làm bằng silicon, chip Kilby làm bằng germanium Noyce thông tin cho Kurt Lehovec ở Sprague Electric về nguyên tắc của tiếp giáp p-n cô lập gây tác động một tiếp giáp p-n có thiên áp (diode), khái niệm quan trọng IC - Fairchild Semiconductor cũng quê hương công nghệ vi mạch silicon-gate với cổng tự liên kết (self-aligned gate), sở tất chip CMOS máy tính đại Cơng nghệ phát triển nhà vật lý người Ý Federico Faggin vào năm 1968, người sau gia nhập Intel và phát triển đơn chip Central Processing Unit (CPU) (Intel 4004) đầu tiên, ông nhận Huy chương Quốc gia Công nghệ Đổi năm 2010.” Chương Phân loại 2.1:Phân loại *Thiết kế vi mạch thường chia làm loại : – Thiết kế số ( Digital IC design ) – Thiết kế tương tự ( Analog IC design ) – Thiết kế tín hiệu hỗn hợp ( Mixed-signal design ) (*) Dù thiết kế loại quy trình thiết kế gồm giai đoạn : - Thiết kế luận lý ( Logical design – Front End design ) - Thiết kế vật lý ( Physical design – Back End design ) (**) Chip sau thiết kế đem đến nhà máy sản xuất Các cơng ty tự sản xuất chip thiết kế, bán thiết kế cho công ty khác, thuê cơng ty khác sản xuất cho ( fabless company ) Chip trước sau sản xuất kiểm tra tiêu chuẩn chất lượng kĩ lưỡng trước đến với người tiêu dùng a) Thiết kế luận lý – Front End design : *Thiết kế số : - Sử dụng ngôn ngữ thiết kế phần cứng (Verilog-HDL, VHDL, System-C…) để thực chức logic thiết kế Lúc ta không cần quan tâm đến cấu tạo chi tiết mạch mà trọng vào chức mạch dựa kết tính toán luân chuyển liệu ghi (register) Đây thiết kế mức chuyển ghi (RTL – Register Transfer Level ) Sau thiết kế RTL mô để kiểm tra xem có thỏa mãn tính đắn mạch hay khơng Các CADs phổ biến dùng thiết kế mô RTL là: NC-Verilog, NC-VHDL ( Cadence ), ModelSim ( Mentor Graphics ), VCS ( Synopsys ) - Tiếp theo, thiết kế RTL tổng hợp ( synthesize ) thành cổng (gate) : NOT, NAND, XOR, MUX,…Quá trình thực với trợ giúp CADs chuyên dụng Phổ biến Design Compiler (Synopsys), Synplify (Synplicity), XST (Xilinx) Kết q trình tổng hợp khơng tùy thuộc vào CADs thư viện cổng macro nhà sản xuất chip - Nói chung thiết kế số hỗ trợ nhiều công cụ thiết kế chuyên dụng CADs so với loại thiết kế lại *Thiết kế tương tự: - Các thiết kế tương tự không hỗ trợ đắc lực CADs thiết kế số Phần lớn công việc thực người (80%) đòi hỏi nhiều kinh nghiệm hiểu biết cấu trúc vật lý, tham số đặc trưng, công nghệ sản xuất linh kiện Một điều may mắn thiết kế tương tự chủ yếu chip quản lí lượng, ADC, DAC, DC-DC converter, PLL, VCO, … ( lĩnh vực mà chip số chưa làm không hiệu ) chứa số lượng linh kiện nhiều so với thiết kế số với hàng triệu transistor - Xuất phát từ thông số yêu cầu chip ứng dụng mà chip analog sử dụng, chuyên viên thiết kế chọn kiến trúc chip thích hợp ( kinh nghiệm có yếu tố quan trọng bước ) Sau tham số linh kiện kiến trúc chọn tính tốn mơ với phần mềm chuyên dụng Các CADs thông dụng HSpice (Synopsys), Star-Hspice (Avant Copr), IC Design, Pspice (Cadence), IC Design (Mentor Graphics) Q trình tính tốn, mơ thực đạt kết theo yêu cầu, phải thay đổi kiến trúc mạch - Bên cạnh mô miền thời gian, đáp ứng tần số … , loại mô thường hay sử dụng thiết kế chip analog mô Monte-Carlo Mơ dùng để khảo sát tín hiệu có thay đổi điện áp nguồn, nhiệt độ mơi trường, sai số qui trình sản xuất… *Thiết kế tín hiệu hỗn hợp : Ngày chip thường có chức phức tạp chứa đồng thời khối analog digital Bên cạnh kĩ thuật dùng cho analog digital, nhà thiết kế phải tính đến ảnh hưởng lẫn khối analog digital ( nhiễu, giao thoa, ) để đảm bảo chúng hoạt động ổn dịnh Ngôn ngữ phát triển dùng cho thiết kế chip tín hiệu hỗn hợp AHDL ( Analog Hardware Description Language ) b, Thiết kế vật lý : - Thiết kế layout : Netlist thu qua trình thiết kế luận lý dùng để tạo layout cho chip Ở giai đoạn linh kiện ( transistor, điện trở, tụ điện, cuộn cảm ) liên kết chúng tạo hình ( hình dạng thực tế linh kiện dây dẫn wafer trình sản xuất ) Việc thiết kế tuân theo qui luật ( design rules ) mà nhà sản xuất đưa Các qui luật phụ thuộc vào khả thi công công nghệ của nhà máy sản xuất Có hai loại qui luật thiết kế là: lamda (λ) qui luật tuyệt đối Với qui luật lamda kích thước phải bội số lamda, qui luật tuyệt tuyệt đối sử dụng kích thước cố định Sử dụng qui luật lamda giúp ta chuyển đổi thiết kế nhanh công nghệ thay đổi - Thiết kế số hỗ trợ lớn CADs, từ việc sử dụng lại thư viện cells place and route tự động Chip analog địi hỏi thiết kế xác kĩ thuật chuyên biệt để đảm bảo tương thích (matching) linh kiện nhạy cảm, chống nhiễu (noise) đáp ứng tần số Chương 3: Khái niệm mạch điều khiển tín hiệu 3.1 Khái niệm mạch điều khiển tín hiệu: - Tín hiệu tín hiệu điện điện từ sử dụng để truyền liệu từ hệ thống mạng sang hệ thống mạng khác Tín hiệu có chức truyền đạt thông tin tượng, thay đổi theo thời gian điện cường độ dòng diện - Định nghĩa tín hiệu analog & digital a) Tín hiệu analog (tín hiệu tương tự) gì? - Tín hiệu Analog tín hiệu liên tục, đồ thị biểu diễn tín hiệu analog đường liên tục (ví dụ sin, cos đường cong lên xuống bất kỳ) Analog có nghĩa tương tự, tức tín hiệu tương tự chất, khác cường độ tín hiệu lúc sau so với lúc trước Một số tín hiệu analog như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, âm thanh, ánh sáng, mức nước, tốc độ, trọng lượng, tần số,… Tín hiệu analog phổ biến sử dụng cho PLC như: 0-10V, 0-20mA, 4-20mA (10/12/13/14/16 bit), Thermocouple, PT100/NI100/NI120/PT1000/NI1000, v.v b) Tín hiệu digital (tín hiệu số) gì? - Tín hiệu digital tín hiệu số, bao gồm hai mức cao thấp (trong máy tính 1), tức khơng liên tục Trong điện tử máy tính, điện cao đại diện cho mức 1, thấp cho mức 0, thông thường 5(V) 0(V) Nhưng vi xử lý nay, mức cao cỡ 1(V), mức thấp 0(V), để tiết kiệm điện Một số tín hiệu digital như: nút nhấn, công tắc, cảm biến on-off, công tắc hành trình, Tín hiệu digital phổ biến sử dụng cho PLC như: Relay, Transistor (Sink/Source), PWM, HSC/Shaft-encoder, v.v c) Mạch analog & digital: - Mạch digital: Các mạch kỹ thuật số hoạt động cách sử dụng tín hiệu số, rời rạc Các mạch thường làm kết hợp bóng bán dẫn cổng logic mức cao vi điều khiển chip tính tốn khác Hầu hết vi xử lý, cho dù chúng vi xử lý lớn mạnh mẽ máy tính bạn hay vi điều khiển nhỏ bé, hoạt động lĩnh vực kỹ thuật số Các mạch kỹ thuật số thường sử dụng lược đồ nhị phân cho tín hiệu số Các hệ thống ấn định hai điện áp khác làm hai mức logic khác – điện áp cao (thường 5V, 3,3V 1,8V) đại diện cho giá trị điện áp thấp (thường 0V) đại diện cho giá trị Mặc dù mạch kỹ thuật số thường dễ thiết kế hơn, chúng có xu hướng đắt chút so với mạch tương tự làm nhiệm vụ tương đương - Mạch điện tử dùng để điều khiển thay đổi trạng thái tín hiệu, trạng thái hoạt động, chế độ làm việc máy móc thiết bị,… Mạch cịn Mạch điều khiển tín hiệu - Ví dụ: Sự thay đổi tắt, sáng đèn giao thơng, hệ thống báo cháy, hình làm việc máy giặt, máy tính , nồi cơm điện,… Chương Nguyên lý chung mạch điều khiển Tín hiệu 4.1: Nguyên lý chung mạch điều khiển Tín hiệu: - Khi thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tín hiệu, người ta thiết kế mạch phục vụ cho nhiều chức khác nhau, có nhiều cách thiết kế khác Những mạch điều khiển tín hiệu đơn giản có ngun lí sau: - Sau nhận lệnh báo hiệu từ cảm biến, mạch điều khiển xử lí tín hiệu nhận, điều khiển tín hiệu theo ngun tắc Tín hiệu khuếch đại lên đến công suất cần thiết đưa sang khối chấp hành Khối chấp hành: phát lệnh báo hiệu cảnh báo (chuông, đèn, hàng chữ nổi, chấp hành lệnh.) - Mạch báo hiệu bảo vệ hình 14.3 có nhiệm vụ thơng báo cắt điện điện áp vượt ngưỡng nguy hiểm Nguyên lý chung hoạt động mạch sau: -Bình thường, điện áp 220V rơle K khơng hút , tiếp điểm thường đóng K1 đóng điện cho tải mạch làm việc bình thường Khi điện áp tăng cao biến trở VR nhận tín hiệu điện áp vượt ngưỡng làm việc Đo → Đo cho I chạy qua T1,T2) điều khiển rơ le hoạt động (phải có T1T2) Vì T1T2 nhận tín hiệu dịng điện chạy từ Đo → KĐ dòng điện lên → cấp điện cho cuộn dây rơle K → K tác động làm mở tiếp điểm K1 → cắt điện tải bảo vệ mạch; đóng tiếp điểm thường mở K2 → đèn hiệu sáng → chuông kêu báo hiệu điện áp cao nên bị cắt điện (*) Chức linh kiện:    - BA - biến áp hạ điện áp từ 220V xuống 15V để nuôi mạch điều khiển    - Đ1 , C - điôt tụ điện biến đổi từ điện xoay chiều thành điện chiều nuôi mạch điều khiển    - VR, R1 - chỉnh ngưỡng tác động áp    - Đ0, R2 - điôt ổn áp, đặt ngưỡng tác động cho T1, T2    - R3 - bảo vệ tranzitor    - T1, T2 - tranzito điều khiển rơ le hoạt động    - K - rơ le chuyển mạch (K: cuộn dây hút, K1: Tiếp điểm thường mở , K2 : tiếp điểm thường đóng) đóng, cắt nguồn Chương 5: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát thu nhập liệu hệ thống điện 5.1: Tổng quan hệ thống điều khiển giám sát thu nhập liệu hệ thống điện - Khả thực hoạt động trạm điện khơng có nhân viên kỹ thuật, gọi trạm không người trực thực từ Trung tâm điều độ địa phương từ Trung tâm điều độ vùng/miền Điều tiết kiệm nhiều chi phí quản lý, vận hành hệ thống điện (HTĐ), tất yếu phải dảm bảo hoạt động thực tin cậy, xác theo yêu cầu - Như vậy, HTĐ cần có thao tác đóng mở máy cắt, dao cách ly, theo dõi đọc số liệu từ xa,…nhưng chi phí để trì nhân viên chỗ tỏ không hợp lý, ngoai việc xử lý chậm trễ nhân viên kỹ thuật xảy kéo dài thêm thời gian khắc phục cố làm giảm chất lượng phục vụ khách hàng Hơn chi phí trì nhân viên vận hành chỗ tăng cao thực thao tác đóng cắt, điều làm cho chi phí trở nên khơng kinh tế - Đây nguyên nhân chủ yếu làm cho hệ thống điều khiển giám sát thu thập số liệu, gọi tắt tiếng anh SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition system) phát triển hệ thống Thiết bị điều khiển từ xa thiết bị điện sử dụng nhiều năm gần nhu cầu thông tin điều từ xa dẫn đến phát triển hệ thống thiết bị có khả thực thao tác, kiểm sốt chúng báo cáo lại với Trung tâm điều độ thao tác điều khiển theo yêu cầu thực có kết quả; đồng thời cần thơng báo thông tin quan trọng khác thông số vận hành lưới điện dòng điện, điện áp, công suất, tần số tới Trung tâm điều độ Ban đầu hệ thống phụ thuộc vào nhiều đường dây thơng tin liên lạc truyền tín hiệu giám sát, điều khiển Thế hệ đầu hệ thống SCADA đáp ứng với việc thực nhiều thao tác điều khiển, với phát triển kỹ thuật lĩnh vực thông tin ngày thao tác điều khiển, giám sát hệ thống SCADA lớn thực mệnh lệnh từ Trung tâm điều độ Hiện Trung tâm điều độ miền Bắc, Trung, Nam Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia hầu hết trạm biến áp từ cấp điện áp 110 kV trở lên nước ta trang bị hệ thống SCADA Hệ thống có hiệu giám sát, điều khiển vận hành HTĐ 5.2: Sự phân cấp quản lý hệ thống SCADA: -Việc giám sát, thu thập số liệu điều khiển cần thiết hệ thống công nghiệp Đối với HTĐ, đặc thù quy mơ hệ thống sản xuất lớn, trải không gian rộng, bao gồm nhiều phần tử, thiết bị với chức năng, nguyên lý làm việc khác nhau, đó việc sử dụng hệ thống điều khiển trung tâm để đảm nhiệm hết tất chức giám sát điều khiển phức tạp Chính tùy theo mức độ quan trọng yêu cầu tính giám sát, điều khiển mà chức giám sát, điều khiển thu thập số liệu phân phối phân cấp cho thiết bị khác Hệ thống SCADA cho hệ thống hợp nhất, với công ty điện lực chịu trách nhiệm quản lý, thông thường chia thành ba cấp sau đây: a) Cấp thứ hệ thống SCADA, phần tử có chức giám sát thông số vận hành lưới, điều khiển lệnh cho phần tử đóng cắt, ghi chụp phân tích cố xảy tra lưới , rơ le bảo vệ kỹ thuật số DR (Digital Relay), ghí có FR (Fault Recorder), đồng hồ kỹ thuật số đa chức DMM (Digital Multi-function Metter), biến đổi cơng suất, dịng điện, điện áp, tần số (Transducer)… Khi xảy cố, rơ le tính tốn tác động theo thơng số chỉnh định cài đặt mà không cần liên lạc với hệ thống cấp Ngoài phần tử thuộc cấp cịn có chức thu thập số liệu, thông số vận hành chế độ bình thường HTĐ để gửi lên máy tính điều khiển mức trạm (Substation Server ) thiết bị đầu cuối RTU (Remote Terminal Unit) Trong hệ thống đại, phần tử gọi chung thiết bị điện tử thông minh IED (Intelligen Electronic Devieces), chúng có nguyên lý làm việc chức khác nhau, có chuẩn giao tiếp (Protocol), chophép IED nói chuyện với IED khác trạm ( peer to peer) trao đổi với Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU Về ngun tắc hỏng hóc hay bảo trì IED không làm ảnh hưởng đến IED khác hệ thống b) Cấp thứ hai hệ thống SCADA Điều khiển tram SS (Substation Server) RTU có chức chủ yếu thu thập số liệu từ IED quản lý, lưu lại sở liệu, phục vụ nhu cầu đọc liệu chỗ qua giao diện người máy HMI (Human Machine Interface) truyền liệu thu thập lên cấp quản lý cao theo chuẩn truyền thông tin Cấp thứ ba c) Cấp thứ ba Trung tâm điều khiển toàn hệ thống, nơi thực việc thu thập số liệu từ Điều khiển trạm SS (Substation Server) RTU, thực chức tính tốn đánh giá trạng thái hệ thống, dự báo nhu cầu phụ tải thực chức điều khiển quan trọng việc phân phối lại công suất nhà máy, lên kế hoạch vận hành toàn hệ thống - Do quy mô rộng lớn hệ thống truyền tải điện năng, trạm điều khiển trung tâm chia thành cấp điều khiển trung tâm (Central control) trạm điều khiển vùng (Area Control Center) Chương 6: Kết luận Trong công nghệ đại, việc phát minh đưa vi mạch điện tử để điều khiển xử lý tín hiệu ngày trở nên quan trọng Nó ứng dụng vào thiết bị xử lý tín hiệu qua Plc, Robot, AI, truyền liệu xử lý, thu thập data cần nắm rõ Việc nắm rõ khái niệm đặc tính chúng quan trọng người làm lĩnh vực điện tử Qua viết này, chúng em hi vọng bạn có thêm kiến thức thú vị bổ ích Với sản phẩm vi mạch điện tử, người tiêu dùng nên lựa chọn đơn vị có thâm niên, uy tín việc thiết kế chế tạo để mua sản phẩm giá phù hợp tất yếu đến nhu cầu người tiêu dùng Hiện tại, có nhiều nhà máy công nghệ đưa thiết kế mạch vi điện tử để điều khiển xử lý tín hiệu Ví dụ : Để sản xuất hình điện thoại, tivi, Thì cơng ty chịu trách nhiệm thiết kế vi mạch điều khiển chức năng, truyền tải liệu bao gồm nhiều công nghệ khác để hình hiển thị theo chương trình nhà sản xuất