đồ án nhúng điện tử ccoong nghệ

LỜI NÓI ĐẦU
Trên thế thới hiện nay với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử
cùng với sự phát triển của công nghệ 4.0 đã giúp cho đời sống con người ngày càng
hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng phổ biến và chúng cịn xâm lấn vào
trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hằng này của con người. Nhiều
nhà cung cấp dịch vụ tiện ích lớn trên thế giới và trong nước ra đời đã làm cho cuộc
sống con người ngày càng tiếp cận được với nhiều sự tiện ích của cơng nghệ nhiều hơn.
Hiện nay, qua các phương tiện truyền thơng và internet chúng ta có thể cập nhật và điều
khiển từ xa được một số việc mà khơng cần phải ở tại nhà, có thể tắt điện hoặc giám sát
một thiết bị nào đó mà chỉ cần thông qua một chiếc điện thoại thông minh đã được cài
phần mềm lập trình sẵn, những tin tức nhanh chóng của căn nhà của mình như là các
thơng số về mưa, nhiệt độ, an ninh, khí ga, hay quan sát dịng điện thậm chí có thể điều
khiển được các thiết bị trong nhà đã đã suất hiện ngày càng rộng rãi .
Là sinh viên của khoa Kỹ thuật & Công nghệ của trường Đại học Quy Nhơn,
với những kiến thức đã học cùng với sự mong muốn tìm hiểu và thiết kế một hệ thống
tự động hóa và có thể điều khiển từ xa thơng qua các thiết bị được kết nối Internet, nên
nhóm em làm đề tài “Tìm hiểu về mạch giám sát các thơng số của dịng điện”.
Trong q trình thực hiện đề tài của nhóm, chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn
thiện một cách tốt nhất. Nhưng với kiến thức và sự hiểu biết nhất định nên khơng thể
tránh khỏi những thiếu sót mong thầy và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của nhóm có
thể hồn hiện hơn.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Đình Luyện đã giúp đỡ chúng em
rất nhiều trong quá trình tìm hiểu và hồn thành đề tài đồ án này.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

1


NỘI DUNG BÁO CÁO
Phần 1: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC18f4620.
Phần 2: Tìm hiểu về IC ADE7753.

Phần 3: Tìm hiểu về giao tiếp SPI.
Phần 4: Kết luận, tài liệu tham khảo.

2


MỤC LỤC
Phần 1: TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4620....................................................7
1.

Giới thiệu chung....................................................................................................7

2.

Tìm hiểu về PIC 18F4620.....................................................................................8

2.1 Sơ đồ chân của PIC 18F4620:...................................................................................8
2.2 Đặc tính kỹ thuật PIC18F4620:...............................................................................9
2.2.1

Các thanh ghi của EEPROM:........................................................................11

2.2.2

Các thanh ghi của bộ phát xung:...................................................................12

2.2.3

Các thanh ghi của hoạt động Reset:..............................................................14

2.2.4

Hoạt động vào/ra:.........................................................................................15

Phần 2: TÌM HIỂU VỀ ADE7753...............................................................................17
2.3

Giới thiệu về ADE7753........................................................................................17

2.4

Sơ đồ khối............................................................................................................17

2.5 Nguyên lý hoạt động...............................................................................................21
2.5.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo dòng (kênh 1)........................................22
2.5.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo điện áp (kênh 2)...................................23
2.5.2.1 Đo giá trị hiệu dụng:......................................................................................24
2.5.2.2 Tính tốn cơng suất hiệu dụng :.....................................................................25
2.5.2.3 Tính tốn năng lượng hiệu dụng.....................................................................27
2.5.2.4 Tính tốn cơng suất biểu kiến:........................................................................28
2.6 Q trình ghi nối tiếp ADE7753..............................................................................31
2.7 Quá trình đọc nối tiếp của ADE7753......................................................................32
2.8 Thanh ghi truyền thơng ADE7753...........................................................................33
2.9

Q trình ngắt của ADE 7753..............................................................................33

2.9.1 Sử dụng ngắt với 1 MCU..................................................................................34
2.9.2 Thời điểm ngắt:..................................................................................................35
Phần 3: TÌM HIỂU VỀ GIAO TIẾP SPI...................................................................36

3.1 Cách kết nối cơ bản:.................................................................................................36
3.2 Các kiểu kết nối trong SPI.......................................................................................38
3.2.1 Kết nối song song nhiều slave............................................................................38
3.2.2 Kết nối Daisy chain...........................................................................................38

3


3.3 Các mode trong giao tiếp SPI:..................................................................................38
3.4 Spi trong vi điều khiển pic......................................................................................39
3.5 Hoạt động của spi trong pic......................................................................................42
3.6 Thiết lập chân vào/ra spi:.........................................................................................43
3.7 Pic ở mode master spi.............................................................................................44
Phần 4: KẾT LUẬN.....................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................48

4


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ chân PIC18F4620
Hình 1.2: Sơ đồ tổ chức bộ nhớ chương trình và ngăn xếp
Hình 1.3: Sơ đồ tổ chức bộ nhớ dữ liệu RAM
Hình 1.4: Phân bố địa chỉ của các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR
Hình 2.1 Cấu hình các chân của ADE7753
Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của ADE7753
Hình 2.3 : Thanh ghi hệ số khuếch đại của kênh dịng và kênh áp.
Hình 2.4: Dạng tín hiệu vào của Kênh 1
Hình 2.5: Bộ ADC và bộ xử lý tín hiệu kênh 2.
Hình 2.6: Sơ đồ khối của bộ đo điểm khơng trong kênh đo điện áp

Hình 2.7: Xử lý tín hiệu tại kênh một để tính dịng hiệu dụng
Hình 2.8: Xử lý giá trị hiệu dụng tại kênh 2
Hình 2.9: Tính tốn cơng suất hiệu dụng
Hình 2.10: Đáp ứng tần số tín hiệu sau bộ lọc thơng thấp LPF2
Hình 2.11: Tính tốn năng lượng hiệu dụng
Hình 2.12: Tính tốn cơng suất biểu kiến.
Hình 2.13: Quan hệ giữa P, Q và S
Hình 2.14: Chọn thanh ghi cần làm việc qua thanh ghi truyền thơng
Hình 2.15: Hoạt động đọc dữ liệu thơng qua thanh ghi truyền thơng
Hình 2.16: Hoạt động ghi dữ liệu thơng qua thanh ghi truyền thơng
Hình 2.17: giản đồ thời gian quá trình ghi dữ liệu qua giao tiếp SPI
Hình 2.18: giản đồ thời gian quá trình đọc dữ liệu qua giao tiếp SPI
Hình 2.19: Biểu đồ thời gian quản lí ngắt của ADE 7753
Hình 3.1: Giao tiếp 1 master - 1 slave
Hình 3.2: Sơ đồ kết nối Master - Slave
Hình 3.3: Kết nối song song nhiều slave
Hình 3.4: Kết nối Daisy chain
Hình 3.5: Dạng sóng của SPI mode 0 và Mode 2

5


Hình3.6: Dạng sóng của SPI mode 1 và Mode 3
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của khối SPI tích hợp trong Vi Điều Khiển PIC
Hình 3.8: Giao tiếp SPI với vi điều khiển PIC

6


Phần 1: TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4620

1.1 Giới thiệu chung:
Vi điều khiển PIC18F4620 thuộc họ vi điều khiển 8 bit, công suất thấp của hãng
Microchip, với tần số hoạt động có thể lên tới 40 MHz nếu dùng PLL , các thành phần
ngoại vi như Timer, PWM, ADC, USART, I2C, SPI, so sánh tương tự.
PIC18f4620 là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics
Division thuộc General Instrument.
PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính
khả trình thơng minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản
phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các
thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600. Vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên
"Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). CP1600 là một
CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển
vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600. PIC sử dụng
microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời
bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một
chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động).
Năm 1985 General Instrument bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới
hủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời. Tuy nhiên PIC được bổ sung
EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình. Ngày nay rất nhiều dòng PIC
được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM,
ADC...), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word.
Hiện nay, tại Việt Nam, đã có một cộng đồng nghiên cứu và phát triển PIC, dsPIC
và PIC32.
PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ:
PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx), tập lệnh bao
gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với các dòng PIC high-end (độ dài mã lệnh 16 bit,
ví dụ: PIC18Fxxxx). Tập lệnh bao gồm các lệnh tính tốn trên các thanh ghi, với các

7

hằng số, hoặc các vị trí bộ nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm, và
các lệnh để quay trở về, nó cũng có các tính năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep
(chế độ hoạt động tiết kiện điện). Microchip cung cấp mơi trường lập trình MPLAB, nó
bao gồm phần mềm mơ phỏng và trình dịch ASM.
1.2 Tìm hiểu về PIC 18F4620
Các thơng tin số liệu về PIC 18F4620:















PIC 8 bit
Tần số hoạt động : 40 Mhz
Bộ nhớ : 64 Kb Flash, 3986 Bytes SRAM, 1024 Bytes EEPROM
Timer: 1 bộ – 8 bit, 3 bộ – 16 bit
Captures/Compare/PWM Modules : 1
13 kênh ADC 10 bit
Bộ so sánh on chip : 2

20 nguồn ngắt
Giao diện kết nối : SPI, USART, I2C
Kiểu chân : PDIP40, QFN44, TQFP44
Truyền thông nối tiếp: USART, SPI
Truyền thơng song song: Có.
Port xuất nhập: Port A, B, C, D, E
Module ADC 10-bit: 13 kênh vào analogue
PIC 18F4620 sử dụng tập lệnh RISC với dòng PIC high-end với tập lệnh bao

gồm 35 lệnh và 70 lệnh đôi, chiều dài mã lệnh là 16 bit. PIC18F4620 là vi điều
khiển thuộc nhóm cao cấp trong dịng vi điều khiển PIC18 của hãng Microchip –
hiệu suất tính tốn lớn, giá cả phù hợp - độ bền cao, dung lượng bộ nhớ chương
trình được nâng cấp. Ngồi ra chúng còn được thiết kế để phù hợp cho những ứng dụng
có hiệu suất cao, ít tiêu tốn năng lượng.

8


1.2.1 Sơ đồ chân của PIC 18F4620:

Hình 1.1: Sơ đồ chân PIC18F4620

9


1.2.2 Đặc tính kỹ thuật PIC18F4620:

Hình 1.2: Sơ đồ tổ chức bộ nhớ dữ liệu RAM

10

Hình 1.3: Phân bố địa chỉ của các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR
1.2.2.1 Các thanh ghi của EEPROM:

 Thanh ghi điều khiển EEPROM 1 : EECON1

11


Ghi chú: S: bit chỉ được thiết lập (khơng xóa được bằng phần mềm)
R= Cho phép đọc

‘1’= Được thiết lập

W= Cho phép ghi

‘0’= Được xóa

U= Khơng sử dụng, đọc bằng ‘0’

-x : Reset không xác định

-n= Reset – POR
bit 0 - RD: Bit điều khiển đọc
bit 1 - WR: bit điều khiển ghi
bit 2 - WREN: bit cho phép ghi bộ nhớ chương trình Flash/dữ liệu EEPROM
bit 3 - WRERR: bit cờ lỗi bộ nhớ chương trình Flash/bộ nhớ dữ liệu EEPROM
bit 4 - FREE: bit cho phép xóa hàng bộ nhớ Flash
bit 5- Không sử dụng, đọc trả về giá trị ‘0’

bit 6 - CFGS: b it lựa chọn cấu hình hoặc bộ nhớ chương trình Flash/dữ liệu
EEPROM.
1= truy cập thanh cấu hình
0= truy cập bộ nhớ chương trình Flash hoặc dữ liệu EEFROM
bit 7 - EEPGD: bit lựa chọn bộ nhớ dữ liệu EEPROM hay bộ nhớ chương trình Flash
1= truy cập bộ nhớ chương trình flash
0= truy cập bộ nhớ dữ liệu EEFROM

 Thanh ghi điều khiển EEPROM 2 : EECON2
Thanh ghi EECON2 không phải là thanh vật lý, nó được dành riêng cho việc ghi
và xóa bộ nhớ. Đọc EECON2 sẽ được ‘0’.
 Thanh ghi dữ liệu EEPROM: EEDATA

Thanh ghi EEDATA có 8 bit, là thanh ghi đệm dữ liệu cho bộ nhớ dữ liệu
EEPROM, được sử dụng để truy cập vào dữ liệu của bộ nhớ (Cho phép đọc ghi bằng
phần mềm, mỗi ô nhớ của EEPROM có 8 bit).

 Thanh ghi địa chỉ EEPROM: EEADR
Thanh ghi EEADR có 8 bit, là thanh ghi địa chỉ của bộ nhớ dữ liệu EEPROM. 8 bit
của thanh ghi EEADR được sử dụng để địa chỉ hóa 256 ô nhớ của EEPROM từ 00h
đến FFh.
12


1.2.2.2 Các thanh ghi của bộ phát xung:
 Thanh ghi chuyển chế độ bộ phát xung : OSCTUNE

bit 7 - INTSRC: bit lựa chọn nguồn xung nội tần số thấp
bit 6 - PLLEN: bit lựa chọn bộ nhân PLL cho chế độ INTOSC
bit 5 Không sử dụng, đọc được ‘0’

bit 4-0 TUN4 - TUN0: bit chuyển chế độ tần số
01111 : Tần số Max.
00000 : Tần số trung bình.
Bộ phát xung hoạt động ở tần số đã hiệu chuẩn.
10000 = Tần số Min.

 Thanh ghi điều khiển bộ phát xung OSCCON

bit 7 - IDLEN: bit cho phép chế độ Idle
1= chuyển sang chế độ Idel bằng chế dộ SLEEP
0= chuyển sang chế độ SLEEP bằng lệnh SLEEP
bit 6  4 - IRCF2  IRCF0: các bit lựa chọn hệ số chia bộ phát xung nội INTOSC
000= 31 kHz (xung từ INTOSC/256 hoặc trực tiếp từ INTRC)
001= 125 kHz
010= 250 kHz
011= 500 kHz
100= 1 MHz (tần số mặc định khi reset)
101= 2 MHz
110= 4 MHz
111= 8MHz

13


bit 3 - OSTS: bit trạng thái bộ định thời khởi động
bit 2 - IOFS : bit báo sự ổn định tín hiệu bộ phát xung nội INTOSC
bit 1, 0 - SCS1, SCS0: bit lựa chọn nguồn xung cho hệ thống
1x : Nguồn xung hệ thống từ bộ dao động nội
01: Nguồn xung phụ, nối qua các chân của Timer1(Secondary oscillator)
00 : Nguồn xung chính qua các chân OSC1, OSC2 (Primary oscillator)

 Thanh ghi cấu hình 1 byte cao: CONFIG1H

bit 7 - IESO: bit cho phép luân phiên bộ phát xung nội/ngoại
bit 6 - FCMEN: bit cho phép chế độ quản lý an toàn bộ phát xung (Fail-Safe Clock
Monitor)
bit 5, 4 Không sử dụng, đọc sẽ được ‘0’
bit 3  0 - FOSC3  FOSC0: bit lựa chọn bộ phát xung
1.2.2.3 Các thanh ghi của hoạt động Reset:

 Thanh ghi điều khiển Reset: RCON

bit 7 - IPEN: bit cho phép ưu tiên ngắt
bit 6 - SBOREN: bit cho phép reset BOR bằng phần mềm.
bit 5 Không được sử dụng, đọc sẽ được‘0’
bit 4 - RI: bit cờ lệnh RESET
bit 3 - TO: bit cờ báo Watchdog Time-out (thời gian đặt cho bộ WDT)
bit 2 - PD: bit cờ phát hiện ngắt nguồn
bit 1 - POR: bit trạng thái reset bật nguồn POR
bit 0 - BOR: bit trạng thái reset sụt nguồn BOR

 Thanh ghi cấu hình 3 byte cao: CONFIG3H

14


bit 7 - MCLRE: bit cho phép reset trên chân MCLR/RE3
bit 6  3 Không được sử dụng, đọc sẽ được ‘0’
bit 2 - LPT1OSC: bit cho phép bộ phát xung LPT1
bit 1 PBADEN: Bit cho phép A/D PORTB

bit 0 CCP2MX: Bit MUX CCP2

 Thanh ghi cầu hình 2 byte thấp: CONFIG2L

bit 7 5 Unimplemented: Đọc được ‘0’
bit 4  3 BORV1, BORV0: bit chọn điện áp reset BOR
bit 2  1 BOREN1, BOREN0: bit cho phép reset BOR
bit 0 PWRTEN: Power-up Timer Enable bit(2)
1.2.2.4 Hoạt động vào/ra:
Vi điều khiển PIC 18F4620 có 5 cổng xuất nhập, bao gồm: PORTA, PORTB,
PORTC, PORTD, PORTE.
 Các thanh ghi liên quan đến PORTA
Tên
Bit 7
PORTA RA7
LATA
LATA7
TRISA
TRISA7
ADCON1 —
CMCON C2OUT
CVRCON CVREN

Bit 6
RA6
LATA6
TRISA6
—
C1OUT
CVROE

Bit 5
Bit 4
Bit 3
Bit 2
RA5
RA4
RA3
RA2
Thanh ghi chốt dữ liệu PORTA
Thanh ghi hướng dữ liệu PORTA
VCFG1 VCFG0 PCFG3 PCFG2
C2INV C1INV CIS
CM2
CVRR CVRSS CVR3
CVR2

Bit 1
Bit 0
RA1
RA0

PCFG1 PCFG0
CM1 CM0
CVR1 CVR0

PORTA gồm 8 chân I/O. Đây là các chân 2 chiều - các chân này có thể làm đầu
vào cũng như đầu ra được. Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA.
Bên cạnh đó PORTA cịn là ngõ vào của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog,
ngõ vào/ra số, ngõ vào Timer 0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master

Synchronous Serial Port).



Các thanh ghi liên quan đến PORTB

15


Tên
Bit 7
Bit 6
Bit 5
Bit 4
PORTB
RB7
RB6
RB5
RB4
LATB
Thanh ghi chốt dữ liệu PORTB
TRISB
Thanh ghi hướng dữ liệu PORTB

Bit 3
RB3

Bit 2 Bit 1
RB2
RB1

Bit 0
RB0

INTCON GIE/GIEH PEIE/GIEL TMR0IE
INT0IE
RBIE TMR0IF INT0IF RBIF
INTCON2 RBPU
INTEDG0 INTEDG1 INTEDG2
TMR0IP
RBIP
—
—
INTCON3 INT2IP
INT1IP
—
INT2IE INT1IE
—
INT2IF INT1IF
ADCON1
—
—
VCFG1
VCFG0 PCFG3 PCFG2 PCFG1 PCFG0

PORTB gồm 8 pin I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB.
PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0. PORTB cịn được tích hợp chức
năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình.

 Các thanh ghi liên quan đến PORTC

Tên

Bit 7

Bit 6

Bit 5

PORTC

RC7

RC6

RC5

Bit 4
RC4

Bit 3

Bit 2

Bit 1

Bit 0

RC3

RC2

RC1

RC0

LATC

Thanh ghi chốt dữ liệu của PORTC (Chốt dữ liệu đọc ghi)

TRISC

Thanh ghi chọn hướng dữ liệu của PORTC

PORTC gồm 8 pin I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC.
Bên cạnh đó PORTC cịn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ Timer và các
chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

 Các thanh ghi liên quan đến PORTD
Bit 7

Bit 6

RD7

RD6

Bit 5

Bit 4

Bit 3

Bit 2

RD5

RD4

RD3

RD2

Bit 1

Bit 0

RD1

RD0

Thanh ghi chốt dữ liệu của PORTD (Chốt dữ liệu đọc ghi)
Thanh ghi chọn hướng dữ liệu của PORTD
IBF
P1M1

OBF
P1M0

IBOV

PSPMODE

—

TRISE2

TRISE1

TRISE0

DC1B1

DC1B0

CCP1M3

CCP1M2

CCP1M1

CCP1M0

PORTD gồm 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD.
PORTD còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port).
 Các thanh ghi liên quan đến PORTE
Tên

Bit 7

Bit 6

Bit 5

Bit 4

Bit 3

Bit 2

Bit 1

Bit 0

PORTE
LATE(2)

—

—

—

—

RE3

RE2

RE1

RE0

—

—

—

—

—

16

Thanh ghi xuất dữ liệu LATE


TRISE

IBF

OBF

IBOV

PSPMODE

ADCON1

—

—

VCFG1

VCFG0

—
PCFG3

TRISE2

TRISE1

TRISE0

PCFG2

PCFG1

PCFG0

PORTE gồm 4 chân I/O. Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE.
Các chân của PORTE có ngõ vào analog. Bên cạnh đó PORTE cịn là các chân điều
khiển của chuẩn giao tiếp PSP.

Phần 2: TÌM HIỂU VỀ ADE7753
2.1 Giới thiệu về ADE7753
ADE7753 là một chip tích hợp có độ chính xác cao, được sử dụng để đo các thông
số năng lượng điện trong mạch một pha với một giao diện nối tiếp và một xung đầu ra.

Cấu trúc bên trong bao gồm hai bộ chuyển đổi tương tự - số, một mạch tích phân số,
mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các bộ xử lý tín hiệu để đo các cơng suất
như cơng suất hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến và tính tốn thơng
số hiệu dụng của dịng điện và điện áp
ADE7753 là một IC đo các thông số của dịng điện xoay chiều chun dụng.
Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới với độ chính xác và tính ổn định cao.
ADE7753 phù hợp đo các thông số điện này ở các cấu hình một pha khác nhau. IC
này cũng cung cấp các hàm kiểm tra giảm sai số cho thơng số hiệu dụng và cơng suất.

ADE7753 có thanh ghi mẫu dạng sóng (Waveform Sample Register) cho phép
truy cập đầu ra của bộ chuyển đổi tương tự - số, có mạch nhận biết sự biến thiên điện áp
trong một khoảng thời gian. Mức ngưỡng điện áp và khoảng thời gian quan sát này do
người sử dụng lập trình.Nó cũng tích hợp một bộ tách tín hiệu qua điểm khơng. Các
thơng tin này có thể sử dụng để đo chu kì của điện áp đầu vào và pha trong mạch điện.
Dữ liệu được đọc từ ADE7753 thông qua giao tiếp SPI. Đầu ra chân u cầu ngắt
có mức tích cực thấp sẽ được kích hoạt khi một hoặc nhiều sự kiện ngắt xuất hiện.
Trạng thái của các ngắt này được nhận biết bởi thanh ghi trạng thái.
2.2 Sơ đồ khối

17


Cấu tạo của ADE7753 gồm các phần chính sau:
+ Hai kênh lối vào dịng và áp.
+ Hai bộ ADC.
+Bộ tích phân.
+ Giao diện nối tiếp SPI.

Hình 2.1 Cấu hình các chân của ADE7753
ADE7753 được sử dụng trong đề tài được đóng gọi dạng SSOP, 20 chân, vị trí các

chân được mơ tả như hình trên.

18


Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của ADE7753

19


Mô tả chi tiết các chức năng của từng chân của ADE7753:
Chân Số

Tên

1

RESET

Chức Năng
Khi có một xung chuyển trạng thái xuống thấp thì
ADE7753 được reset.
Nguồn cấp dạng số. Chân này cung cấp điện áp
nguồn cho mạch số trong ADE7753. Nguồn cấp

2

DVDD

phải được duy trì ở mức 5v±5% để hệ thống hoạt

động ổn định.
Nguồn cấp analog. Chân này cung cấp điện áp
nguồn cho mạch analog trong ADE7753. Nguồn

3

cấp phải được duy trì ở mức 5v±5% để hệ thống
hoạt động ổn định.
Kênh này được sử dụng với bộ biến dòng và được
đề cập đến trong tài liệu này như là kênh đo dòng
điện. Đây là những đầu vào sai khác nhau với mức

4&5

V1P, V1N

tín hiệu đầu vào sai khác nhau tối đa là, ± 0,5V, ±
0,25V, ± 0,125V, phụ thuộc vào chọn lựa hệ số
khuếch đại của khối PGA bên trong.
Kênh này sử dụng biến áp. Các đầu vào này biên
điện áp mức tín hiệu lớn nhất là ±0,5V(chú ý nhiễu

6&7

V2N, V2P

điện áp). Đầu vào áp lớn nhất có thể lựa chọn các
mức là ± 0,5V, ± 0,25V, ± 0,125V phụ thuộc vào
việc lựa chọn hệ số khuếch đại PGA.
Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khối

biến đổi tương tự.

8

AGND

20


Chân này cung cấp điện áp tham chiếu trên chip.
Tham chiếu trên chip có giá trị danh định 2,4V
9

REFIN/OUT

±200 mV. Ta cũng có thể nối nguồn tham chiếu bên
ngồi vào chân này. Trong cả hai trường hợp trên,
chân này phải được cách ly với AGND bởi một tụ

10
11
12
13

DGND
CF
ZX
SAG

gốm 1µF

Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khối
biến đổi biến đổi số.
Đâù ra logic tần số, nó đưa ra thồn tin về công
suất hiệu dụng.
Đầu ra phát hiện điểm không ở kênh vào 2.
Đầu ra tích cực ở mức thấp khi khơng có điểm
khơng nào được phát hiện, hoặc khi điện áp vào

14

IRQ

kênh 2 ở dưới mức đặt trước.
Đầu ra báo có ngắt, đầu ra này sẽ tích cực ở mức
thấp khi có bit trong thanh ghi cho phép ngắt được
chọn.
Xung nhịp chính cung cấp cho các ADC và khối

15

xử lý số tín hiệu (DSP). Xung nhịp bên ngồi có thể
CLKIN

được đưa vào chân này và thường ta chọn một tinh
thể thạch anh kết nối giữa CLKIN và CLKOUT để
cung cấp xung nhịp cho ADE. Tần số xung nhịp

16

CLKOUT

được chọn là 3,79545MHz.
Chân CLKOUT có thể điều khiển một tải CMOS
khi xung nhịp bên ngoài được cung cấp tại CLKIN

17
18

CS
SCLK

19

hoặc thạch anh được sử dụng.
Chân chọn nhịp, tích cực mức thấp.
Đầu vào xung nhịp của giao diện nối tiếp.
Đầu ra dữa liệu nối tiếp. Dữ liệu được dịch ra ở

DOUT

chân này tại sườn lên của xung SCLK. Đầu ra này
thường ở trạng thái trở kháng cao trừ khi nó truyền
dữ liệu trêm đường truyền nối tiếp

21


20

DIN

Đầu vào dữ liệu nối tiếp. Dữ liệu được dịch vào ở
chân này bởi sườn lên của xung clock.

2.3 Nguyên lý hoạt động
ADE7753 có bốn đầu vào tương tự được chia làm hai kênh: kênh dòng và kênh áp.
Kênh dòng bao gồm hai cặp đầu vào điện áp khác nhau hoàn toàn là: V1N và V1P.
Các cặp điện áp này có mức chênh lệch tín hiệu lớn nhất là ± 0,5 V. Nhờ việc
sử dụng hai bit 0, 1 của thanh ghi hệ số khuếch đại (Gain Register), điện áp đầu vào lớn
nhất của ADC có thể đặt là ± 0,5 V, ± 0,25 V, ± 0,125 V. Cả hai kênh đều có bộ
khếch đại lập trình được PGA với hệ số khuếch đại được lựa là các giá trị 1, 2, 4, 8 hoặc
16. Hệ số khuếch đại của bộ hai PGA được lựa chọn bởi các bít khác nhau của
thanh ghi hệ số khuếch đại (gain register).

Hình 2.3 : Thanh ghi hệ số khuếch đại của kênh dòng và kênh áp.
Bit 5, 6, 7 của thanh ghi cho phép thiết lập hệ số khuếch đại kênh dòng và bit 0, 1,
2 của thanh ghi cho phép đặt hệ số khuếch đại của kênh áp. Bên cạnh đó, bít 3, 4 quy
định giá điện áp vào lớn nhất đối với hai kênh này, tùy từng ứng dụng cụ thể mà giá trị
bit 3, 4 được chọn là khác nhau.
2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo dòng (kênh 1)
Kênh một của ADE7753 là lối vào của cảm biến đo dòng.

22


Hình 2.4: Dạng tín hiệu vào của Kênh 1
Trong chế độ lấy mẫu sóng, đầu ra của ADC được chứa trong thanh ghi dữ liệu 24
bit, tốc độ tối đa là 27,9 ksps. Với đầu vào tín hiệu bằng ± 0,5 V thì đầu ra ADC như
trên hình. Sơ đồ chỉ ra rằng khi đặt tín hiệu vào ở kích thước thực thì đầu ra ADC có dải
0xD7AE14 (-2.642.412) đến 0x2851EC (+2.642.412).

Các giá trị lấy mẫu ở kênh dịng có thể được chuyển tới thanh ghi dạng song bằng
việc đặt giá trị hai bít trong thanh ghi MODE[14:13] = 1,0. Cảm biến dòng nhận biết
được sự thay đổi của từ trường gây ra bởi dòng điện xoay chiều. Cường độ từ trường
gây ra bởi một dòng điện tỉ lệ thuận với từ thơng của dịng điện đó. Sự thay đổi cường
độ từ trường do mạch kín dẫn điện phát ra một suất điện động giữa hai đầu của vịng
kín. Suất điện động là tín hiệu điện áp tương ứng với vi phân của dòng điện. Điện áp ra
từ bộ vi phân dòng được xác định bởi độ tự cảm lẫn nhau giữa vật mang dòng và cảm
biến vi phân dòng. Bộ tích phân sẽ đóng vai trị khơi phục lại tín hiệu dịng điện từ tín
hiệu di/dt. Bộ tích phân số ở kênh một thì mặc định là khơng cho phép khi bật nguồn.
Khi bộ tích phân này tắt, ADE có thể sử dụng trực tiếp với cảm biến dịng CT hoặc một
điện trở shunt có giá trị thấp.
2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo điện áp (kênh 2)
Kênh 2 của ADE7753 dùng để đo điện áp.

23


Hình 2.5: Bộ ADC và bộ xử lý tín hiệu kênh 2.
Hình trên chỉ ra đường ADC và khối xử lý tín hiệu cho đầu vào của kênh áp.
Để đo được năng lượng hiệu dụng hay phản kháng, đầu ra của bộ nhân được đưa
trực tiếp tới ADC không qua bộ lọc. Giải pháp này giúp bộ nhân không phải nhân nhiều
bit hơn và khơng ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Thêm nữa, độ lệch ADC
trong tính tốn cơng suất cũng đã được bộ lọc thơng cao của kênh dịng loại bỏ.
Mẫu dạng sóng của kênh áp cũng có thể được lưu trữ trong thanh ghi
WAVEFORM. Tuy nhiên, trước khi đến thanh ghi này, đầu ra ADC phải qua một bộ lọc
thông thấp đơn cực (LPF1) với tần số cắt là 140 Hz. LPF1 không làm ảnh hưởng đến
việc tính tốn năng lượng hiệu dụng và phản kháng bởi vì nó chỉ được sử dụng trong
đường dẫn tín hiệu lấy mẫu dạng sóng. Tuy nhiên, mẫu sóng được sử dụng cho việc tính
tốn điện áp hiệu dụng VRMS.
ADE có mạch nhận biết điểm khơng cho kênh áp. Hình sau chỉ ra cách tạo ra tín

hiệu qua điểm không từ đầu ra ADC kênh áp. Chân ZX sẽ xuống mức logic thấp khi tín
hiệu từ sườn dương đi qua điểm không và ZX lên mức logic cao khi tín hiệu từ sườn âm
đi qua điểm khơng.

24


Hình 2.6: Sơ đồ khối của bộ đo điểm khơng trong kênh đo điện áp
2.3.2.1 Đo giá trị hiệu dụng:
Giá trị hiệu dụng là một thông số cơ bản của tín hiệu xoay chiều. Trong thực tế,
giá trị hiệu dụng của tín hiệu xoay chiều là lượng thành phần một chiều cần thiết để sinh
ra một công suất tương đương trên tải. Phương pháp để tính giá trị hiệu dụng trong
ADE7753 là sử dụng bộ lọc thơng thấp của tín hiệu đầu vào (LPF3) và khai căn bậc hai
kết quả cuối cùng.
Sơ đồ cách tính dịng hiệu dụng:

Hình 2.7: Xử lý tín hiệu tại kênh một để tính dịng hiệu dụng
Hình trên mơ tả chi tiết chuỗi xử lý tín hiệu để tính dịng điện hiệu dụng của một
pha trên kênh dòng. Giá trị hiệu dụng của kênh dòng được xử lý từ các mẫu trong chế
độ lấy mẫu dòng của kênh dòng. Dòng hiệu dụng được lưu trữ trong thanh ghi 24 bit
IRMS. Với đầu vào tương tự bằng 0.5V, ADC tạo ra mã đầu ra xấp xỉ ±2.642.412 . Giá

25