Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông tin quang ứng dụng trong đo lường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ********************* SAYSYSOUK THAVI VANH NGHI£N CøU THIếT Kế Hệ THốNG THÔNG TIN QUANG ứNG DụNG TRONG §O L¦êNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP LuËN V¡N THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM THƯỢNG HÀN HÀ NỘI - 2008 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………….……………………………… LỜI NÓI ĐẦU………………………………….……………………………4 PHẦN I NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN GUANG………………………………………………………………………6 Chương I.Gíơi thiệu chung thơng tin quang……………………………6 1.1.Lịch sử phát truiển thông tin quang…………………………… 1.2.Các dạng kênh truyền thơng tin…………………………………… 1.3.Mơ hình hệ thống thông tin quang………………………………8 1.4.Sơ đồ khổi nguyền tắc họat động hệ thống thông tin quang 11 1.5.Ưu điểm kỹ thuật truyền dẫn quang……………………………11 Chương II: Các khâu hệ thống thông tin………………… 13 2.1 Nguyên lý truyền dẫn sáng ……………………………………13 2.2 Sợi quang………………………………………………………… 14 2.3 Nuyên lý chung……………………………………………………16 2.3.1 Các dạng phân bố chiết suất sợi quang……………………16 2.3.2.Phân loại sợi quang………………………………………………19 2.4 Đặc tính sợi quang…………………………………………….22 2.5 Cáp quang………… …………………………………………… 28 2.5.1 Cấu tạo cáp quang………………………………………… 29 2.5.2.Phân loại cáp quang………………………………………………29 2.6.Hệ thống ký hiệu cáp……………………………………………….32 2.7.Các biến đổi điện – quang…………………………………… 34 2.7.1.Nguyên lý bản…………………………………………………34 2.7.2 Nhừng điều kiện LASER bán dẫn………………… 37 2.7.3 Cấu trúc Laser bán dẫn…………………………………39 Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2.7.4 Diode phát sáng- LED(light emitingdiode)…………………… 42 2.7.5 Giải tích xạ ton (ánh sáng ) LED……………… 45 2.7.6.Công nghệ chế tạo Diode hồng ngoại Ga Sa…………………… 50 2.7.7.LED hồng ngoại (IR- LED- Infraced enmits)……………………51 2.8.Các biến đổi quanq-điện……………………………………… 52 2.8.1.Nguyên lý biến đổi quang - điện…………………………… 52 2.8.2.Các nguyên lý tách quang ……………………………………….52 2.8.3.Nguyên lý chuyển đổi quang -điện lớp tiếp giáp P-N……… 53 2.8.4.Chọn vật liệu bản…………………………………………… 54 2.8.5.Các loại diode quang…………………………………………….55 2.8.5.4.Các tham số diode quang………………………61 2.8.5.5.So sánh diode quang……………………………………….62 Kết luận phần I…………………………………………………………… 64 PHẦN II: TÍNH TĨAN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG ỨNG DỤNG TRONG ĐO LƯỜNG………………………………………65 Chương.III Nhiệm vụ thiết kế……………………………… ………… 65 3.1.Sơ đồ khối chung hệ thống thông tin quang ứng dụng đo lường ………………………………………………………………………….65 3.2.Tính tóan thiết kế khâu hệ thống………………………… 66 3.3.Tính tóan cự li tối đa trạm lặp………………………………….74 3.4.Tính tóan thiết kế hệ thống thu thập liệu………………….…76 3.5.Gíơi thiệu số họ vi điều khiển…………………………………77 Kết luận chương III…………………………………………………………81 Chương IV.Hệ thu thập liệu đo lường ( Data Acquistion-DAQ)….…82 4.1.Khai niệm chung vể hệ thu thập liệu (DAQ)………………… 82 4.2.Cấu trúc tổng quát hệ thống thu thập liệu………………… 85 4.3.Các khâu (CĐCH)………………………………………….87 Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 4.4.Bộ đổi nối (MUX-MULTIPLEXER,DEMUX-DEMULTIPLEXER) ………………………………………………………………………….90 4.5.Bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog-digital converter)………….95 4.6.Bộ vi xử lý……………………………………………………… 96 4.7.Thiết kế hệ thu thập số liệu điều khiển……………………… 106 Kết luận chương IV……………………………………………………… 115 Chương V.Thiết kế phần mềm cho hệ thống ………………………… 116 5.1.Toật tóan chương trình thu thập liệu kênh ………………….116 5.2.Chương trình cho vi xử lý……………………………………… 117 5.3.Chương trình phục vụ…………………………………………… 119 5.4.Chương trình chính……………………………………………… 120 5.5 Đánh giá kết quả,sai số………………………………………… 128 Kết luận chương v ………… ……………………………………… 129 PHỤ LỤC.1………………………………………………………… 130 KẾT LUẬN CHUNG…………………………………………… …133 HƯỜNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN.……………………… 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………… 138 Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội LỜI NĨI ĐẦU Phương tiện thơng tin đời nhằm đánh dấu phát triển văn minh nhân loại, người ta khơng thể nói hết tầm quan trọng Ngày hệ thống thông tin đại tạo điều kiện cho người khắp nơi giới giao tiếp với cách thuận lợi nhanh chóng Cùng với phát triển công nghệ thông tin, hệ thống thông tin quang lên hệ thống thông tin tiên tiến vào bậc Nó triển khai nhanh mạng lưới viễn thông nước giới với đủ cấu hình linh hoạt, tốc độ cự ly truyền dẫn phong phú, đảm bảo chất lượng dịch vụ viễn thông tốt Trên giới hệ thống cáp quang nhanh chóng ứng dụng khai thác lĩnh vực khác như: bưu điện, phát thanh, truyền hình, điện lực,… Hệ thống thông tin quang sử dụng lĩnh vực truyền thông tin, kết nối thiết bị đơn lẻ, hệ thống đơn giản tạo hệ thống phức tạp có độ tích hợp lớn nhằm nâng cao hiệu công việc Trong ngành khác có hệ thống khác việc khai thác hệ thống thông tin quang khác Hệ thống đo lường điều khiển số hệ thống có ứng dụng hệ thống thơng tin quang Trong thơng tin quang làm nhiệm vụ thông tin liên lạc thiết bị, trao đổi thông tin thiết bị với máy tính Máy tính làm nhiệm vụ giám sát, thu thập, xử lý số liệu điều khiển, địi hỏi phải có tốc độ cao để xử lý thông tin điều khiển thời gian thực Và thông tin quang đảm bảo hệ thống truyền tin làm việc liên tục, thông tin truyền xác, tốc độ truyền cao, dung lượng đường truyền lớn, có khả chống nhiễu cao, độ suy hao tín hiệu nhỏ có khả truyền xa Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Với mục đích tìm hiểu sâu phương thức truyền quang ứng dụng hệ thống đo lường điều khiển, hướng dẫn PGS.TS Phạm Thượng Hàn em chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông tin quang ứng dụng đo lường “ Nội dung Luận văn thạc sỹ gồm phần chường Phần I: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thơng tin quang Phần II: Tính tóan thiết kế hệ thống thông tin quang ứng dụng đo lường Chương I Giới thiệu chung thông tin quang Chương II Các khâu hệ thống thông tin quang Chương III Nhiệm vụ thiết kế Chương IV Tính tóan thiết kế hệ thống thu thập liệu đo lường Chương V Thiết kế phần mềm cho hệ thống Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội PHẦN I NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THÔNG TIN QUANG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRUYỂN CỦA THƠNG TIN QUANG Có thể thấy phương tiện sơ khai thông tin quang khả nhận biết người chuyển động, hình dáng, màu sắc vật thơng qua đôi mắt Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật thông tin quang trải qua bước phát triển hoàn thiện ghi nhận cột mốc sau: - 1970: Claude Chappe, kỹ sư người Pháp xây dựng hệ thống điện báo quang Hệ thống gồm chuỗi tháp với đèn báo hiệu di động Tin tức truyền hệ thống vượt chặng đường 200km vòng 15 phút - 1870: John Tyndall, nhà vật lý người Anh chứng tỏ ánh sáng dẫn theo vịi nước uốn cong Thí nghiệm ơng sử dụng ngun lý phản xạ tồn phần, điều mà áp dụng cho sợi quang ngày - 1880: Alexander Graham Bell, người Mỹ giới thiệu hệ thống photophone, qua tiếng nói truyền ánh sáng mơi trường khơng khí mà không cần dây Tuy nhiên hệ thống chưa áp dụng thực tế có q nhiều nguồn nhiễu làm giảm chất lượng đường truyền - 1934: Norman R.French, kỹ sư người Mỹ nhận sáng chế hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn thuỷ tinh - 1958: Arthur Schawlow Charles H Townes, xây dựng phát triển Laser - 1960: Laser bán dẫn photodiode bán dẫn thừa nhận Nhưng phải có mơi trường truyền dẫn quang thích hợp Bộ mơn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - 1966: Charles H Kao George A Hokham, hai kỹ sư phịng thí nghiệm Standard Telecommunications Anh, đề xuất việc dùng sợi thuỷ tinh để dẫn ánh sáng Nhưng công nghệ chế tạo sợi quang thời cịn hạn chế nên suy hao sợi quang lớn (1000dB/km) - 1970: Hãng Corning Glass Works chế tạo thành công sợi quang SI (Step Index: sợi quang có chiết suất nhảy bậc) có suy hao nhỏ 20 dB/km bước sóng 633nm - 1972: Loại sợi Gi (Graded-Index: sợi quang có chiết suất giảm dần) chế tạo với độ suy hao 4dB/km - 1983: Sợi đơn mode (SM) xuất xưởng Mỹ Ngày loại sợi đơn mode sử dụng rộng rãi, độ suy hao loại sợi khoảng 0.2dB/km bước sóng 1.55nm 1.2 CÁC DẠNG KÊNH TRUYỀN THƠNG TIN 1.2.1 Kênh truyền hửu tuyến * Việc truyền dẫn tín hiệu điện dựa loại cáp đồng trục, cáp xoắn có đặc điểm sau: + Tốc độ truyền tín hiệu chậm + Độ suy hao tín hiệu lớn + Truyền khoảng cách gần + Chịu ảnh hưởng nhiễu cần phải có biện pháp chống nhiễu + Ngoài điều kiện cần ghép nối nhiều thiết bị số lượng cáp lớn, gây khó khăn việc lắp đặt dây 1.2.2 Kênh truyền vô tuyến * Khi cần truyền tin nơi có địa hình phức tạp, khó khăn cho việc lắp đặt dây dùng hệ thống thu phát tín hiệu vơ tuyến điện để truyền tin bước cải tiến việc dùng tín hiệu vơ tuyến để mang thơng tin Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội +Cần phải có thu phát tín hiệu đặt nơi thu phát + Cần phải có cặp ăngten làm nhiệm vụ truyền nhận thông tin + Việc sử dụng tín hiệu vơ tuyến điện làm nhiệm vụ mang thơng tin bị ảnh hưởng từ trường trái đất, thời tiết, địa hình nơi thu phát + Ngoài người sử dụng phải đăng ký với quan có thẩm quyền dải tần số tín hiệu vơ tuyến điện 1.2.3 Kênh truyền cáp quang Sử dụng cáp quang để truyền tín hiệu ánh sáng.Có đặc điểm sau: + Thơng tin truyền bị suy hao + Thơng tin truyền không chịu ảnh hưởng nhiễu điện trường nhiễu từ trường + Tốc độ truyền tin lớn +Dung lượng truyền tin lớn, truyền tải nhiều thông tin +Nều có lực truyền dẫn thi giá thành cáp quang 1/10 cáp điện Từ nhận xét ta thấy việc truyền thông tin sáng có hiệu kinh tế so với tín hiệu mang thơng tin khác 1.3 MƠ HÌNH CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN QUANG Khác với thơng tin hữu tuyến vô tuyến – loại thông tin sử dụng môi trường truyền dẫn tương ứng dây dẫn không gian – thông tin quang hệ thống truyền tin thông qua sợi quang Điều có nghĩa thơng tin chuyển thành ánh sáng sau ánh sáng truyền qua sợi quang Nhưng thơng tin quang có tổ chức hệ thống tương tự hệ thống thơng tin khác ta xét mơ hình chung hệ thống Bộ môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chức phần tử hệ thống nhận biết thông qua việc so sánh với hệ thống thông tin điện: TÝn hiƯu thu Ngn tÝn hiƯu a/ Ngn thông tin Phần điện tử Kênh truyền dẫn Điều ch A B Phần điện tử Giải điều ch C Máy tÝnh D Hình 1.1a.Hệ thống thơng tin điện b/ Ngn thông tin Biến đổi điện quang E/ O Phần điện tử A Biến đổi quang điện O/ E Sợi quang SQ B C Phần điện tử Máy tính D Hỡnh1.1b Hệ thống thơng tin quang Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống thông tin Từ hai sơ đồ hệ thống ta thấy phần tử hai hệ thống tương đồng nhau: - Nguồn tín hiệu thơng tin nhau, dạng thông tin thông thường tiếng nói, hình ảnh, số liệu… - Phần điện tử: phần chung hai hệ thống, để xử lý nguồn tin, tạo tín hiệu điện đưa vào cá hệ thống truyền dẫn, tín hiệu analog digital (điểm A) + Bộ biến đổi điện quang E/O để thực điều biến tín hiệu điện vào cường độ bực xạ quang để phát đi, có chức điều biến hệ thống thông tin điện Cũng thông tin điện, với nhiều phương thức điều biến khác nhau, thông tin quang có nhiều phương pháp điều biến tín hiệu điện vào xạ quang Tín hiệu phát điểm B hình b Bộ mơn kỹ thuật đo tin học công nghiệp ... ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông tin quang ứng dụng đo lường “ Nội dung Luận văn thạc sỹ gồm phần chường Phần I: Nghiên cứu thiết kế hệ thống thông tin quang Phần II: Tính tóan thiết kế hệ. .. khác có hệ thống khác việc khai thác hệ thống thông tin quang khác Hệ thống đo lường điều khiển số hệ thống có ứng dụng hệ thống thơng tin quang Trong thơng tin quang làm nhiệm vụ thơng tin liên... hệ thống thơng tin quang ứng dụng đo lường Chương I Giới thiệu chung thông tin quang Chương II Các khâu hệ thống thông tin quang Chương III Nhiệm vụ thiết kế Chương IV Tính tóan thiết kế hệ thống