Khi thiết kế phần cứng, có hai linh kiện được xem là quan trọng nhất là chip vi điều khiển PIC và chip ADE7753. Hai linh kiện này nếu được thiết kế hợp lý và thi công cẩn thận, đảm bảo yếu tố kỹ thuật, về cơ bản thiết bị phần cứng sẽ đảm bảo hoạt động tốt.
2.3.2.1. Chip vi điều khiển PIC
PIC (Programmable Interlligent Computer) ban đầu là một sản phẩm của hãng General Intruments, cho đến năm 1985 General Intruments bán bộ phận sản xuất vi điện tử của mình, đến năm 1989 Microchip Technology hủy bỏ các dữ án cũ và tiếp tục phát triển PIC cho đến ngày nay. Chip PIC được sử dụng trong thiết kế phần cứng là PIC18F4620 với những đặc điểm như sau:
Trang 31
+ Bốn chế độ sử dụng thạch anh, tần số tối đa lên tới 40 MHz + Ba nguồn ngắt ngoài có thể lập trình được
+ 4x Phase Lock Loop (PLL) cho cả thạch anh ngoài và dao động nội + Dải điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V
+ Bộ nhớ lập trình 64 KB với số chu kỳ ghi/xóa 100.000 lần
+ Bộ nhớ EEPROM 1024 bytes với số chu kỳ ghi/xóa là 1 triệu lần + Watchdog Timer (WDT) có độ phân giải 16 bits
+ Tính năng tự động khởi động lại khi phát hiện điện áp thấp (BOR) + Tổng công suất tiêu thụ 1W
Hình 2.1. Sơ đồ chân chip PIC18F4620
Từ sơ đồ chân, ta có thể thấy chip PIC đã bao gồm các chuẩn giao tiếp phổ biến hiện nay như: SPI, I2C, UART. Chính điều này làm cho chip rất dễ kết nối với các thiết bị ngoại vi cần thiết khác. Ngoài các chuẩn truyền thông này, chip PIC còn được trang bị các module ADC với độ phân giải 10 bits, các module Timer, PWM và ECCP.
PIC18F4620 sử dụng tập lệnh RISC, với 4 cổng vào/ra và kèm theo các module ngoại vi. Việc sử dụng chip PIC sẽ đảm bảo giải quyết được vấn đề hết sức quan trọng là ổn định của chip VĐK khi hoạt động, vì các chip PIC là các
Trang 32
chip được sử dụng trong công nghiệp với khả năng chống nhiễu và đi kèm là một bộ WDT, có chức năng đặc biệt giúp khởi động lại khi chip bị treo.
WDT là một tính năng đặc biệt trên chip vi điều khiển PIC (gọi là WDT mềm), nó có thể được cấu hình để sau một chu kỳ thời gian T sẽ tự động khởi động lại chip, với T nằm trong khoảng từ 4ms đến 131s. Toàn bộ cấu hình cho chip được thực hiện dựa trên mã chương trình, nên rất mềm dẻo và dễ thực hiện, tính năng WDT còn có thể được sử dụng để làm cho chip PIC thoát khỏi chế độ Sleep khi được cấu hình đầy đủ.
Tổ chức phần cứng của chip PIC được thiết kế theo kiến trúc Harvard, tức là bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt. Do đó, trong cùng một thời điểm CPU bên trong chip có thể tương tác với cả hai bộ nhớ, làm cho tốc độ xử lý của vi điều khiển được cải thiện rất nhiều. Ngoài ra, khi được thiết kế theo kiến trúc Harvard, tập lệnh của chip có thể được tối ưu mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu.
Hình 2.2. Sự khác nhau giữa kiến trúc Harvard và Von-Neumann
Để lập trình cho vi điều khiển PIC ta có thể sử dụng nhiều loại ngôn ngữ khác nhau như: C/C++, Pascal và Assembly. Trong các ngôn ngữ này, Assembly là sự lựa chọn tốt nhất về mặt hiệu năng cho chip, nhưng C/C++ lại là sự lựa chọn hợp lý nhất để phát triển các dự án lớn. Trong quá trình phát triển hệ thống thu thập dữ liệu, tác giả lựa chọn ngôn ngữ C để viết mã cho chip dựa
Trang 33
trên môi trường phát triển MPLAB và trình biên dịch MCC18 miễn phí của Microchip.
Trang 34
Các chip PIC về cơ bản có thể hoạt động với nguồn xung cung cấp từ bên ngoài vào hai chân OSC1 và OSC2, đây là phương pháp đơn giản nhất và cũng đảm bảo độ chính xác khi sử dụng nguồn cung cấp xung này tính toán cho các module Timer. Tuy nhiên, để đảm bảo được tính chống nhiễu, trong thiết kế phần cứng sẽ không sử dụng nguồn cung cấp xung bên ngoài cho PIC, mà thay vào đó sẽ sử dụng ngay chính nguồn cung cấp dao động nội của chip. Nguồn cung cấp dao động nội có thể cung cấp tần số hoạt động 8MHz, nếu có sử dụng tính năng PLL sẽ giúp nâng tần số lên đến 32MHz đảm bảo cho chip hoạt động ổn định.
2.3.2.2. Chip ADE7753
ADE7753 do hãng Analog Device của Mỹ sản xuất và chế tạo. Chip có độ chính xác cao, tuân theo chuẩn IEC 61036 và IEC 1268. Bên trong chip được tích hợp bộ tích phân số cho phép giao diện trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu ra tỷ lệ với di/dt, ngoài ra chip còn có hai 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.
ADE7753 là chip chuyên dùng để đo năng lượng hoạt động và năng lượng biểu kiến, dạng sóng, giá trị hiệu dụng của dòng điện, điện áp và tần số của nguồn cung cấp. Sai số chỉ là 0,1% trong phép đo. Chip có thể giao tiếp với các MCU qua chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI.
Trang 35
Chip sử dụng hai nguồn điện áp DVDD và AVDD cho các bộ xử lý tín hiệu số và tương tự với công suất hoạt động rất thấp là 25mW. Chính việc sử dụng riêng hai nguồn DVDD (số) và AVDD (tương tự) làm cho chip dễ bị nhiễu và yêu cầu trong thiết kế phần cứng phải có mạch lọc nhiễu giữa hai nguồn này.
Hình 2.5. Sơ đồ khối chức năng của ADE7753
Từ sơ đồ khối ta có thể thấy chip ADE7753 có 2 kênh đầu vào, kênh CH1 (V1P – V1N) là đầu vào của cảm biến dòng điện và kênh CH2 (V2P – V2N) là đầu vào của biến áp. Các giá trị này được số hóa với bộ ADC 24 bit, qua các bộ lọc, bộ tích phân số và cùng với các tín hiệu yêu cầu xử lý khác để thực hiện các phép đo cần thiết.