Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 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 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 nay, nhu cầu truyền tải thông tin với mức độ tin cậy cao thiết bị lớn Người ta tìm phương thức truyền tin xa mạng điện thoại, internet, GSM,.v.v Tất phương thức có điểm chung tạo kênh truyền mới, không dây, có dây để truyền tải thông tin Hệ ngày chúng xung quanh có nhiều sóng dây cáp, làm ảnh hưởng đến sức khỏe mỹ quan đô thị Trong đề tài này, nghiên cứu phương thức truyền tin dựa đường dây điện ~220Vac giải vấn đề 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 Giới thiệu Hiện nay, vấn đề sử dụng tiết kiệm lượng vấn đề cấp bách Việt Nam nước giới Để thực điều này, trước tiên phải sử dụng hợp lý thiết bị điện dân dụng gia đình quạt, điều hòa, ti vi, tử lạnh,.v.v Nhưng việc điều khiển tập trung thiết bị đòi hỏi phải có mạng dây giao tiếp sóng không dây Điều gây mỹ quan, phức tạp việc lắp đặt giá thành cho thiết bị kết nối cao Phương thức giao tiếp PLC sử dụng để hạn chế nhược điểm trên, cho phép kết nối thiết bị không gian rộng, không cần thêm dây dẫn, không tạo thêm sóng gây ảnh hưởng tới thiết bị khác cho giá thành modem thấp Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 Thiết kế phần mềm Hình 1: Sơ đồ khối thuật toán 2.1 Mã hóa kênh truyền HDB3 HDB3 mã chỉnh sửa từ mã AMI, khắc phục khuyết điểm mã AMI cho mức điện không đổi có chuỗi nhiều bit liên tiếp, người ta dùng kỹ thuật ngẫu nhiên hóa Nguyên tắc kỹ thuật tạo thay đổi điện giả cách thay chuỗi bit chuỗi tín hiệu có mức điện thay đổi, dĩ nhiên thay đưa đến vi phạm luật biến đổi bit 1, Cực tính Số bit từ lần thay cuối nhờ bit vi phạm mà xung trước Lẻ Chẵn máy thu nhận để có biện pháp 000+00+ giải mã thích hợp Quy tắc mã + 000+ -00HDB3 mô tả hình bên Sự vi phạm luật đảo bit xảy bit thứ chuỗi bit Lưu ý kỹ thuật ngẫu nhiên hóa không làm gia tăng lượng tín hiệu chuỗi thay có số bit với chuỗi thay Hình 2: Mã hóa AMI & HDB3 Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 2.2 Điều chế giải điều chế FSK 2.2.1 Điều chế FSK Kỹ thuật FSK điều chế tín hiệu thành tần số khác để phát Tại thiết bị thu, tín hiệu số khôi phục lại dựa tần số khác Dữ liệu phát cách thay đổi tần số cách liên tục dựa vào giá trị bit Tần số bit gọi tần số “mark”, tần số bit gọi tần số “space” Hình thể mối liên hệ liệu tần số phát Hình 3: Điều chế tín hiệu FSK Độ dài nhỏ tần số “mark” “space” gọi “đơn vị dài phần tử” (element length) Độ dài phần tử thay đổi tùy thuộc vào kênh truyền loại ứng dụng Một định nghĩa khác tốc độ bit, đơn vị “bauds” có giá trị nghịch đảo “đơn vị dài phần tử” Ví dụ, ứng dụng có “độ dài phần tử” 20ms, có tốc độ bit 50-baud (baud) Trong đề tài này, tần số bit 0, +1, -1 tương ứng là: f(0) = 50khz, f(+1) = 60khz, f(-1) = 40khz, độ dịch tần fdelta = 10khz Việc sử dụng tần số điều chế FSK giúp tăng hiệu suất sử dụng băng thông để phù hợp với thuật toán mã hóa HDB3 Hình 4: Các thông số phương pháp điều chế FSK 2.2.2 Giải điều chế FSK Tín hiệu kênh truyền nơi thu đưa qua lọc thông thấp analog để loại bỏ nhiễu có biên độ lớn tần số thấp, khoảng 5kHz trở lại Các tín hiệu lại đưa qua lọc băng thông A (35kHz – 90kHz) AFE để đưa tới vi điều khiển Quá trình thực mô tả theo thứ tự hình Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 Hình 5: Giải điều chế FSK Tại đầu vào vi điều khiển, tín hiệu lấy mẫu ADC đưa tới lọc thông dải để lọc lấy tần số “mark” “space” dựa vào phổ tần số tín hiệu (hình 6) Hai tín hiệu sau lọc so sánh với để định giá trị bit hay bit Kết tích lũy dồn vào nhớ kết thúc tín hiệu Hình 6: Phổ tần số tín hiệu điều chế FSK Thiết kế phần cứng Hình 7: Sơ đồ khối phần cứng hệ thống 3.1 Khối vi điều khiển Bộ xử lý trung tâm mạch vi điều khiển MSP430F5510 Texas Instruments, nhiệm vụ nhận liệu từ máy tính thực điều chế để truyền tín hiệu lên kênh truyền Khi có tín hiệu từ kênh truyền tới, vi điều khiển lấy mẫu tín hiệu thực trình lọc bỏ nhiễu trước giải mã tách bit khỏi tín hiệu từ kênh truyền Do phải thực nhiều công việc phức tạp vậy, vi điều khiển phải có tốc độ xử lý nhanh, nhớ chương trình lớn tích hợp ngoại vi cần thiết ADC, Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 DAC, Timer Vi điều khiển MSP430F5510 có số tính bật sau: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Tần số hoạt động lên tới 16Mhz Bộ nhớ 32 kB Flash, kB RAM Tích hợp nhiều chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C 10-bit ADC với tốc độ chuyển đổi lớn 200ksps timer/counter 16-bit Bộ điều khiển thời gian thực 3.2 Khối giao tiếp xoay chiều Trung tâm khối IC AFE031 Texas Instruments Đây IC tích hợp đầu cuối, giá thành thấp, hỗ trợ chuẩn giao tiếp đường dây tải điện G3, PRIME, FSK,…, có nhiệm vụ làm cầu nối kênh truyền điện áp cao vi điều khiển Bộ thu tích hợp chip phát tín hiệu có biên độ thấp tới 20µVrms có khuếch đại dải rộng với độ lợi thay đổi tùy thuộc tín hiệu đầu vào Hình sơ đồ khối AFE031 Với lọc lập trình với dải thông băng A (35 kHz - 91 kHz), B, FCC, người sử dụng lựa chọn tần số hoạt động thiết bị tùy thuộc vào tính chất mạng lưới điện yêu cầu quốc gia Hình 8: Sơ đồ khối AFE031 Đánh giá hệ thống 4.1 Kiểm tra trình truyền phát Đường truyền kiểm tra thử thực trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng Thiết bị phát đặt phòng thí nghiệm C118, biên độ tín hiệu phát đỉnh - đỉnh 7Vpp Thiết bị thu Kỷ yếu Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học, Trường Đại học Bách khoa-Đại học Đà Nẵng năm 2013 vị trí B đặt phòng C209, tầng 2, khoa Điện tử Viễn thông, biên độ tín hiệu đầu vào sau qua lọc khuếch đại 610mVpp Thiết bị thu vị trí C đặt phòng C201, biên độ tín hiệu đầu vào sau qua lọc khuếch đại 260mVpp Từ Tới Khoảng cách Dải tần Điều chế Tốc độ liệu (Kbps) A B 500m 35-95kHz FSK 26 A C 1000m 35-95kHz FSK 13 4.2 Đánh giá kết Tốc độ truyền liệu tốt thiết bị khoảng cách gần Do hệ thống kênh truyền có nhiều nhiễu thiết bị hoạt động đường truyền nên tín hiệu bị suy giảm nhanh chóng với khoảng cách xa Điều khắc phục repeater mắc dọc theo kênh truyền Ngoài ra, tốc độ bit cải thiện cách thêm thuật toán ước lượng, thích nghi kênh truyền thay đổi chế độ mã hóa đơn giản hay phức tạp tùy thuộc vào kênh truyền nhiễu hay nhiều nhiễu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bob Watson, “FSK: Signals and Demodulation”, The Communications Edge, Vol No 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 Điều chế”, Truyền 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