(Đề tài NCKH) nghiên cứu, thiết kế modem điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ
THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ÐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ ÐIỆNTHÔNG QUA MẠNG
LUỚI ÐIỆN HẠ THẾ

MÃ SỐ: T2014-157

SKC005518

Tp. Hồ Chí Minh, 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ
PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆNTHÔNG QUA
MẠNG LƯỚI ĐIỆN HẠ THẾ
Mã số: T2014-157

Chủ nhiệm đề tài: ThS. VÕ ĐỨC DŨNG

TP. HCM, 11/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ
HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ TRƯỜNG THKTTH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MODEM ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆNTHÔNG QUA
MẠNG LƯỚI ĐIỆN HẠ THẾ
Mã số: T2014-157

Chủ nhiệm đề tài: ThS. VÕ ĐỨC DŨNG

TP. HCM, 11/2014


DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

1. ThS. Võ Đức Dũng
2. Trƣờng Trung học Kỹ thuật Thực hành


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

MỤC LỤC
Trang

Mục lục........................................................................................................................................................ i
Danh mục các chữ viết tắt.................................................................................................................... ii
Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng việt.............................................................................. iii
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................................... 1
2. Mục tiêu đề tài..................................................................................................................................... 1
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu..................................................................................................... 1
4. Nội dung nghiên cứu......................................................................................................................... 2
Chương 1: Cơ sở lý luận....................................................................................................................... 3
1.1 Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực......................................................... 3
1.2 Một số ảnh hưởng đối với việc truyền thông tin trên đường dây điện.........................4
1.3 Giải pháp truyền tín hiệu trên đường dây điện lực trong và ngồi nước
hiện nay....................................................................................................................................................... 6
1.4 Phân tích và lựa chọn phương án............................................................................................... 9
Chương 2: Thiết kế phần cứng........................................................................................................... 17
2.1 Mạch dao động.................................................................................................................................. 17
2.2 Mạch điều chế................................................................................................................................... 20
2.3 Tính tốn thiết kế từng khối......................................................................................................... 26
Chương 3: Thiết kế phần mềm........................................................................................................... 50
3.1 Hoạt động điều khiển của MODEM 1..................................................................................... 50
3.2 Hoạt động điều khiển của MODEM 2..................................................................................... 52
Chương 4: Thực nghiệm....................................................................................................................... 54
4.1 Các bước thi công............................................................................................................................ 54
4.2 Các bước thực nghiệm................................................................................................................... 55
4.3 Thực nghiệm và kết quả................................................................................................................ 56
4.4 Kết quả dạng sóng tín hiệu đo đạt bằng OSC........................................................................ 59
5. Kết luận và kiến nghị........................................................................................................................ 63
6. Tài liệu tham khảo
7. Phụ lục

Muïc luïc

Trang i


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
RF: tần số cao tần
SNR: công suất thu được /công suất nhiễu.
PLC: truyền thông tin trên đường dây điện lực
DTE: thiết bị đầu cuối
FSK: Điều chế tần số
PSK: điều chế pha
ASK: điều chế biên độ
AC: ghép C chung

TTL: họ TTL

CP: thiết bị điều khiển đóng ngắt
MODEM: điều chế và giải điều chế

Các chữ viết tắt

Trang ii


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ: TRƢỜNG THKTTH
Tp. HCM, ngày 01 tháng 11 năm 2014

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Nguyên cứu, thiết kế Modem điều khiển thiết bị điện thông qua mạng

lưới điện hạ thế.
- Mã số: T2014-157
- Chủ nhiệm: ThS. Võ Đức Dũng
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 01/2014 đến 12/2014

2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng MODEM 1 để truyền tín hiệu lên mạng điện

dân dụng & nhận dữ liệu để báo hiệu thiết bị đã điều khiển.
- Chế tạo MODEM 2 nhận dữ liệu từ MODEM 1 để điều khiển thiết bị điện.
3. Tính mới và sáng tạo:
Sản phẩm nghiên cứu ngồi thị trường chưa có triển khai phổ biến
4. Kết quả nghiên cứu:
Chế tạo thành công 2 Modem truyền và nhận dữ liệu điều khiển thiết bị điện với
khoảng cách truyền nhận trên 50m.
5. Sản phẩm:
2 Modem truyền và nhận để điều khiển thiết bị điện.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Kết quả nghiên cứu được ứng dụng để giảng dạy các môn học: Điện tử cơ bản, kỹ
thuật số, vi điều khiển tại trường THKTTH.
- Địa chỉ ứng dụng: Bộ môn điện tử - Tin học - Trường Trung học Kỹ thuật Thực

hành.
Trƣởng Đơn vị
(ký, họ và tên, đóng dấu)

Thông tin kết quả nghiên cứu

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

Trang iii


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line
Communication) mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với việc sử dụng
các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các
dịch vụ truyền tin và năng lượng. Hiện nay các cơng ty, xí nghiệp, các khách sạn cao tần
hiện nay có nhu cầu quản lý các thiết bị điện mang tính chất tập trung, tức là làm sao chỉ
cần ngồi tại phòng quản lý có thể quan sát được trạng thái hiện tại các thiết bị điện đang
mở hay tắt hoặc điều khiển được tất cả các thiết bị điện hiện có. Đối với khách sạn có
nhiều tầng, mỗi tầng lại có nhiều phịng thì việc quản lý các thiết bị điện mang tính chất
tập trung này càng trở nên rất cần thiết.
Đối với việc truyền tín hiệu trong phạm vi nhỏ gọn thì các đường truyền như cáp quang,
cáp viba, sử dụng sóng cao tần đã tỏ ra không kinh tế. Trong khi đó, mạng lưới điện dân

dụng đang có sẵn khắp nơi, giá thành thấp và kinh tế hơn, Vì vậy người nghiên cứu
chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế Modem điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới
điện hạ thế” là cần thiết.
2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng MODEM 1 để truyền tín hiệu lên mạng điện

dân dụng & nhận dữ liệu để báo hiệu thiết bị đã điều khiển.
- Chế tạo MODEM 2 nhận dữ liệu từ MODEM 1 để điều khiển thiết bị điện.
3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống mạng lưới điện dân dụng 220V/50Hz.
Tần số của tín hiệu thơng tin cần trao đổi khi đưa lên mạng điện dân dụng và
khoảng cách mà tín hiệu có thể truyền đến được để điều khiển thiết bị. Hệ
thống vi điều khiển.
Tính ổn định của MODEM khi hoạt động trong một thời gian dài.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Khoảng cách truyền của bộ giao tiếp khoảng 50 m.
Đối tượng truyền là lệnh điều khiển 2 thiết bị
Chế tạo một 2 MODEM.
Mở đầu

Trang 1


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Tốc độ truyền tối đa 1200 bps (bit per second).
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1: Cơ sở lý luận

Chương 2: Thiết kế phần mềm
Chương 3: Nghiên cứu chế tạo phần cứng
Chương 4: Thực nghiệm

Mở ñaàu

Trang 2


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN
1.1 Công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực
1.1.1 Công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực
Công nghệ truyền thông đường điện PLC (Powerline Communication) hay còn gọi
là BPL (Broadband PowerLine):
Chỉ cần nối một chiếc modem đặc biệt vào ổ cắm điện 220V, bạn có thể gọi điện
thoại, gửi fax, xem tivi số và nghe nhạc trực tuyến chất lượng cao, truy cập Internet tốc
độ cực lớn. Hơn nữa, giá cước sử dụng hấp dẫn và bạn khơng phải trả chi phí dẫn cáp
quang về tận nhà. Đây không phải là chuyện viễn tưởng mà là thực tế, với cơng nghệ
PLC đã có mặt tại Việt Nam
PLC sử dụng lưới điện hạ thế (từ trạm biến áp đến các hộ gia đình) để truyền
thơng tin. Tại các trạm biến áp (vốn có nhiệm vụ chuyển các dòng điện cao thế thành hạ
thế và đưa đến hộ tiêu dùng), một modem tốc độ cao HE (HeadEnd) sẽ nối giữa đường
hạ thế và hệ thống cáp quang truyền thông backbone. Nhiệm vụ của modem HE là ''điều
chế'' các tín hiệu truyền thơng của cáp quang thành tín hiệu thơng tin có tần số 1,6 - 80
Mhz (tùy vào từng hãng mà sử dụng những dãy tần số khác nhau) để truyền vào lưới
điện hạ thế và ngược lại. Các tín hiệu thơng tin sau khi điều chế sẽ được truyền đi song
song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế đến các toà nhà. Tại đây, một modem PLC
(CPE lắp đặt tại gia đình) sẽ nhận các tín hiệu thơng tin, giải điều chế, tái tạo lại tín hiệu

thơng tin ban đầu để có thể sử dụng Internet hoặc dùng điện thoại, fax... Modem PLC
cũng có thể đảo ngược q trình này để gửi các tín hiệu thông tin đã điều chế đến
modem HE.
Như vậy, vấn đề đường truyền băng thông rộng đã được giải quyết nhờ tận dụng
hệ thống đường cáp điện có tiết diện lớn, tốc độ truyền cao gấp nhiều lần so với dây
điện thoại cáp đồng nhỏ bé. Các thiết bị truy cập Internet hay sử dụng mạng LAN nội
bộ vẫn dùng giao thức IP để giao tiếp, sử dụng công nghệ quay số như bình thường để
kết nối đến máy chủ Internet.
1.1.2 PLC trên thế giới & lợi ích mang lại cho khách hàng

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 3


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thơng tin tại các ổ cắm điện
trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong toà nhà sẽ trở thành một mạng LAN
truy cập nội bộ.
Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng, không phải đi cáp quang đến
từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện hiện có, giải quyết vấn đề đưa đường
truyền băng thông rộng đến hộ gia đình.
Tiềm năng to lớn cho phép tăng tốc độ truy cập Internet (vượt xa các cơng nghệ
hiện có). Hiện tại, công nghệ này sử dụng các con chip tốc độ cao 200 Mbps để điều chế
thông tin trong các modem PLC.
Việc sử dụng mạng điện hiện có (chiếm tới 90% kết nối của các hộ gia đình) sẽ
cho phép phổ cập thông tin dễ dàng đến mọi vùng, mọi nhà. Chỉ cần có một đường cáp
quang backbone nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân cư lớn sẽ có khả năng truy
cập Internet băng thơng rộng và các dịch vụ truyền thông khác.

Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề nút cổ chai tại last mile
đối với các dịch vụ băng thơng rộng tới hộ gia đình. Thơng thường gateway của mạng
băng thông rộng hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao vào.
Dễ dàng cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp,
lắp modem HE tại trạm, thiết lập hệ thống gateway đưa tới hộ gia đình và lắp modem
PLC tại nơi truy cập mạng.
Công nghệ PLC sẽ là một bước tiến rất quan trọng của nền công nghệ thông tin và
truyền thông của Việt Nam, khắc phục những hạn chế về cơ sở hạ tầng còn hạn chế, phổ
cập các dịch vụ băng thông rộng đến mọi người dân. Đây sẽ là một cơ hội để nền công
nghệ truyền thông Việt Nam theo kịp với tốc độ phát triển chung của khu vực.
Hiện nay công ty PACIFIC TECHNOLOGY CONSULTING & SERVICES
(PTCS) cũng đã nghiên cứu và triển khai thành công công nghệ này tại trường dạy nghề
Tân Thành – Bà Rịa.
1.2 Một số ảnh hƣởng đối với việc truyền thơng tin trên đƣờng dây điện
Khi truyền tín hiệu trên đường dây điện lực, đường dây giống như một anten lớn
nhận các nhiễu và phát xạ tín hiệu. Khi sử dụng cho ứng dụng truyền thơng tin, q

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 4


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

trình phát xạ cần được xem xét thận trọng. Nhiễu và phát xạ từ đường dây trong nhà các
hộ dân cư là một vấn đề cần được chú ý khắc phục bởi nếu các đường dây này khơng
được bọc bảo vệ tốt thì sẽ phát xạ mạnh gây ảnh hưởng đáng kể. Một giải pháp khắc
phục là sử dụng các bộ lọc chặn tín hiệu truyền thông.
Mặt khác mọi hệ thống truyền thông luôn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng
tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng

đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau, nó có thể
thấp cỡ mW hay cao tới hàng nghìn W, và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một
số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do
các hộp cáp khơng phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn
hơn.
SNR là một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông:
SNR = công suất thu được/cơng suất nhiễu
SNR càng cao thì truyền thơng càng tốt.
Công suất nhiễu trên đường dây điện lực là tập hợp tất cả các nhiễu loạn khác nhau
thâm nhập vào đường dây và vào máy thu. Các tải được kết nối vào mạng như ti vi, máy
tính, máy hút bụi… phát nhiễu và truyền bá qua đường dây điện; các hệ thống truyền
thơng khác cũng có thể đưa thêm nhiễu vào máy thu.
Khi tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu, cơng suất tín hiệu sẽ bị suy
hao, nếu suy hao q lớn thì cơng suất thu sẽ rất nhỏ và máy thu không tách ra được.
Suy hao trên đường dây điện lực rất cao (lên tới 100 dB) làm hạn chế khoảng cách
truyền dẫn. Một giải pháp là sử dụng các bộ lặp đặt tại các hộp cáp để tăng chiều dài
truyền thông.
Để cải thiện tỷ số SNR, ta cũng có thể sử dụng các bộ lọc đặt tại mỗi hộ dân,
nhưng chi phí cho việc này sẽ rất cao.
Đường dây điện lực được xem như một môi trường rất nhạy cảm với nhiễu và suy
hao. Tuy nhiên, các tham số này luôn tồn tại và cũng là những vấn đề luôn cần quan tâm
trong mọi hệ thống truyền thơng đang sử dụng hiện nay.
Mơ hình truyền thông đường dây điện lực với các tham số (trở kháng không phối
hợp, suy hao, nhiễu) thay đổi theo thời gian được trình bày trong hình 1.2. Mọi yếu tố
Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 5


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

gây suy giảm ngoại trừ nhiễu được chỉ ra như những bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời
gian với đặc trưng là đáp ứng tần số của nó.

Hình 1.1 Các yếu tố gây suy giảm trên kênh đường dây điện lực

Hàm truyền đạt và nhiễu được ước tính thơng qua các số liệu đo và phân tích lý
thuyết. Một vấn đề phức tạp của kênh đường dây điện lực là sự thay đổi theo thời gian
của các yếu tố ảnh hưởng. Mức nhiễu và suy hao phụ thuộc cục bộ vào các tải được kết
nối, mà chúng lại thay đổi theo thời gian dẫn tới trạng thái của kênh cũng thay đổi theo
thời gian, gây khó khăn cho việc thiết kế hệ thống. Một giải pháp được đưa ra là làm
cho hệ thống truyền thơng thích nghi với trạng thái thay đổi theo thời gian của kênh
truyền, tuy nhiên chi phí cho giải pháp này cũng khá cao. Thực tế đường dây điện lực là
một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian
tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề
được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả.
1.3 Giải pháp truyền tín hiệu trên đƣờng dây điện lực trong và ngoài nƣớc hiện
nay
1.3.1 Hệ thống đọc công tơ từ xa
Việc ứng dụng các công nghệ cao vào quản lí điện năng sẽ giảm chi phí nhân công
và đặc biệt sẽ giảm được tổn thất thương mại trong quá trình truyền tải. Xuất phát từ
thực tế nêu trên, hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam đã bắt đầu xuất hiện hệ thống tự
động đọc số liệu công tơ và truyền thông về trung tâm. Hệ thống này mới được thử
nghiệm tại Bắc Ninh và một vài cơ sở điện lực khác, nó hồn tồn mới mẻ đối với
ngành điện. Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống này có một ý nghĩa thực tiễn
cao.
Hiện nay trong ngành điện lực, công tác kiểm tra mức tiêu thụ điện năng của
khách hàng vẫn sử dụng phương pháp thủ cơng. Phương pháp này bộc lộ khá nhiều

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang
6


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

nhược điểm như: mất nhiều thời gian, trong một thời điểm không thể kiểm soát được
mức tiêu thụ điện năng của các hộ tiêu thụ, khơng kiểm sốt được mức tiêu thụ ở các
pha do đó gây khó khăn cho việc xây dựng kế hoạch cân bằng pha trong tương lai, khó
phát hiện được các hành vi gian lận điện năng...
Để khắc phục được các nhược điểm trên ta có thể sử dụng hệ thống đo đếm công
tơ từ xa truyền qua đường dây điện CollectricTM, đây là hệ thống đo lượng điện năng
tiêu thụ tiên tiến và thông suốt theo thời gian thực. Với hệ thống này, ngành Điện lực
không cần cử nhân viên đi ghi chỉ số công tơ tại các hộ gia đình.
Ngồi ra hệ thống này cịn cung cấp một số chức năng bổ sung hỗ trợ cho công tác
giám sát và quản lý khách hàng cũng như cung cấp thơng tin cho khách hàng. Hệ thống
Collectric TM có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng sẵn có với những cơng tơ theo đơn vị
KWH. Vì vậy ngành điện khơng cần phải thay thế các cơng tơ hiện có mà chỉ phải lắp
đặt thêm một số thiết bị là có được hệ thống mới, điều này giúp ngành điện giảm được
rất nhiều chi phí đầu tư. Hệ thống này là một bước đột phá về công nghệ truyền thông
trên đường dây điện (PLC), sử dụng hệ thống dây điện sẵn có để truyền dữ liệu theo
thời gian thực giữa các khách hàng với một thiết bị thu thập và xử lý dữ liệu trung tâm.
Đây là một hệ thống Module linh hoạt, nó chỉ địi hỏi một sự đầu tư ban đầu rất khiêm
tốn, quá trình lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng.
1.3.2 Truy cập internet qua đƣờng dây điện
Với cơng nghệ PLC, có thể truy cập Internet với tốc độ nhanh gấp 800 lần so với
truy cập qua đường dây điện thoại như hiện nay.
Từ tháng 10/2002 ETC sẽ thử nghiệm phương thức kết nối mới tại Tổng Công ty
Điện lực Việt Nam để chứng minh công nghệ hồn tồn phù hợp với lưới điện Việt

Nam.
Truy cập thơng tin bằng đường dây điện dân dụng không làm chỉ số cơng tơ điện
mỗi gia đình tăng thêm nhiều vì modem PLC chỉ tiêu tốn một lượng điện tương đương
các modem thơng thường.
Trong tương lai khơng xa bạn có thể ngồi ở nhà, khơng cần có đường dây điện
thoại mà vẫn vơ tư truy cập vào các website. Cũng có thể hình dung ra viễn cảnh tại các
bản làng vùng sâu, vùng xa nơi đâu có điện nơi đó có thể truy cập vào mạng Internet chỉ
Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang

7


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

bằng một chiếc modem PLC nhỏ gọn như cuốn sách giáo khoa của học sinh. Nối
modem với một chiếc ổ cắm điện 220V bạn có thể xem ti vi kỹ thuật số, nghe nhạc trực
tuyến, gọi điện thoại, gửi fax và truy cập Internet tốc độ cao. Đây là công nghệ PLC
(truyền dữ liệu băng thông rộng qua dây dẫn điện) của Công ty Thông tin Viễn thông
Điện lực (ETC), trực thuộc Tổng Công ty Điện lực Việt Nam được giới thiệu tại triển
lãm Telecomp 2002.
Công nghệ PLC sử dụng đường dây điện trong gia đình làm mơi trường truyền dẫn
thơng tin. Tại những trạm biến áp thường dùng chuyển điện cao thế thành hạ thế cung
cấp cho các gia đình sẽ lắp đặt một modem PLC tốc độ cao HE (HeadEnd). HE có
nhiệm vụ "biến" các tín hiệu truyền thơng của cáp quang thành tín hiệu thơng tin có tần
số từ 1-30Mhz để truyền vào lưới điện hạ thế và ngược lại. Các tín hiệu thơng tin sau đó
được truyền đi song song với tín hiệu điện trên hệ thống lưới điện hạ thế tới các hộ gia
đình. Lúc này, mỗi một ổ cắm điện trong gia đình có cắm modem PLC trở thành một
giao diện kết nối thơng tin. Như vậy có thể sử dụng các dịch vụ viễn thông mà không

cần lắp đặt đường cáp mới. Modem PLC cung cấp đường truyền tín hiệu băng thơng
rộng (dịch vụ truyền những thơng tin chất lượng cao) giúp các gia đình tiết kiệm chi phí
cho đường cáp quang, khai thác tối đa khả năng của mạng điện dân dụng. Công nghệ
này sử dụng các con chip tốc độ cao 45Mbps để điều chế thông tin trong các modem
PLC. Thế hệ kế tiếp sẽ là con chip có tốc độ 150Mbps được đưa vào sử dụng nhằm
nâng cao khả năng đường truyền. Với công nghệ PLC, có thể truy cập Internet với tốc
độ nhanh gấp 800 lần so với truy cập qua đường dây điện thoại như hiện nay. Đây quả
là điều mong mỏi lớn nhất của hầu hết những người say mê các trang web. Và hẳn là
bạn sẽ tiết kiệm được lượng thời gian và số tiền đáng kể cho việc ngồi đợi với tốc độ
nhiều khi như rùa bò để vào được một website cần thiết.
Theo thống kê, hiện nay cả nước có tới 90% hộ gia đình đang sử dụng lưới điện hạ
thế. Điều này cho phép phổ cập thông tin tới mọi người dân ở bất kỳ vùng miền nào.
Với một đường cáp quang nối tới trạm biến áp, một vùng dân cư rộng lớn có thể truy
cập Internet băng thông rộng và sử dụng các dịch vụ truyền thông khác. Đồng thời đây
cũng là giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết nạn tắc nghẽn do gộp dữ liệu nhiều thuê
bao vào một đường truyền.
1.3.3 Truyền tín hiệu trên đƣờng dây điện lực ở nƣớc ngồi

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang
8


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Cơng nghệ PLC cho phép truy cập Internet ở bất kỳ nơi nào trên đất nước Việt
Nam miễn là nơi đó tồn tại những ổ cắm điện dân dụng thông thường đang được mọi
gia đình sử dụng rộng rãi. Thực ra, cơng nghệ này khơng hề xa lạ với người dân Châu
Âu. Nhưng nó chỉ mới xuất hiện ở một số nước Châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc và

được đưa vào sử dụng phổ biến ở Singapore. Nó tận dụng được hạ tầng lưới điện và có
tốc độ cao hơn cơng nghệ đường truyền số (ISDN) tới 350 lần.
1.4 Phân tích và lựa chọn phƣơng án
1.4.1 Sơ đồ tổng quát
Để truyền tín hiệu qua một đường dây, các bit nhị phân tạo nên mỗi phần tử truyền
đi phải được chuyển thành các tín hiệu điện. Ví dụ, có thể truyền một bit nhị phân mức
1 bằng cách đặt lên đường dây một mức điện thế +V và truyền bit nhị phân mức 0 với

mức điện thế -V. Khi nhận các tín hiệu điện này, thiết bị thu sẽ dịch +V thành mức logic
1 và –V thành mức logic 0. Trong thực tế, các tín hiệu truyền đi bị suy giảm bởi mơi

trường truyền và đôi khi bộ thu không thể phân tách đâu là tín hiệu 1 đâu là 0. Mức độ
suy giảm và méo phụ thuộc bởi nhiều yếu tố như:
 Độ phức tạp của môi trường truyền.
 Tốc độ bit đang truyền.
 Khoảng cách giữa hai thiết bị truyền.

Nguồn tin

Môi trường truyền

Đích thu

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống truyền tin

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang
9

Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

1.4.2 Phƣơng án thiết kế 1
Sơ đồ khối MODEM 1

Hiển thị
báo hiệu

Giải mã 1

Khuếch đại tín hiệu
& tách sóng mang

Sửa dạng xung &
phối hợp trở kháng

Biến áp cách ly
Mạch giao tiếp
Mạch giao tiếp

MÔI TRƢỜNG TRUYỀN (MẠNG LƢỚI ĐIỆN 220V/50Hz)

Hình 1.3 Sơ đồ khối chi tiết MODEM 1

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 10

Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Sơ đồ khối MODEM 2

MÔI TRƢỜNG TRUYỀN (MẠNG LƢỚI ĐIỆN 220V/50Hz)

Mạch giao tiếp

Mạch giao tiếp

Biến áp cách ly

Biến áp cách ly

Sửa dạng xung và
phối hợp trở kháng

Khuếch đại cơng suất

Khuếch đại tín hiệu &
tách sóng mang

Trộn

Giải mã 2
Bộ phát mã & chuyển
mức tín hiệu

Khối điều khiển 2

Giao tiếp với
thiết bị điện

Hình 1.4 Sơ đồ khối chi tiết MODEM 2


Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang

11


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Mơ tả chức năng của từng khối trong MODEM 1 và MODEM 2
MODEM 1:
 Khối hồng ngoại: gồm Remote phát ra tín hiệu hồng ngoại và mắt nhận thu tín hiệu

điều khiển từ Remote hồng ngoại để điều khiển thiết bị thông qua vi điều khiển.

 Phím nhấn: gồm 8 phím nhấn, khi nhấn các phím các lệnh sẽ được đưa vào vi điều

khiển để xử lý.

 Khối vi điều khiển 1: nhận lệnh điều khiển từ máy tính hoặc Remote hoặc từ phím

nhấn để điều khiển q trình phát tín hiệu đã được điều chế lên mạng lưới điện,
đồng thời khối này sẽ nhận dữ liệu từ khối giải mã 1 để điều khiển đưa lên máy
tính để báo hiệu trực tiếp trên màn hình máy tính.

 Giao tiếp với PC: khối này sẽ làm nhiệm vụ nhận dữ liệu nối tiếp từ vi điều khiển

TTL và chuyển mức tín hiệu sang RS232 để truyền lên máy tính đồng thời nhận dữ
liệu nối tiếp từ máy tính RS232 và chuyển sang mức tín hiệu TTL trước khi đưa
vào vi điều khiển.
 Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu: Bộ phát chính phát ra một lệnh ứng với mã

tương ứng để phát đi, có thể sử dụng IC phát lệnh. Khối chuyển mức tín hiệu:
chuyển mức logic từ 5V sang 12V rồi đưa đến khối trộn và truyền đi, và chuyển
mức logic từ 12V sang 5V khi nhận về.
 Khối dao động tạo sóng mang: tạo ra sóng mang với tần số phù hợp để mang tín

hiệu thơng tin đi xa.

 Khối trộn: trộn tín hiệu số với sóng mang để tạo thành tín hiệu tổng hợp, phù hợp

cho việc truyền đi xa.

 Khối khuếch đại cơng suất: nâng cao tín hiệu biên độ đã điều chế trước khi truyền

đi.
 Biến áp cách li: do mơi trường truyền của tín hiệu là mạng lưới điện dân dụng

(220V/50Hz). Do đó, để đảm bảo an toàn cho mạch và người tiếp xúc, tránh bị
điện giật khi chạm vào ta cần phải sử dụng biến áp cách li.
 Môi trường truyền: môi trường được sử dụng ở đây là mạng lưới điện dân dụng

220V/50Hz.

 Mạch giao tiếp: mạch giao tiếp thực ra là bộ lọc cộng hưởng. Có hai lí do để sử

dụng bộ lọc này:

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 12


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

-

Thứ nhất: do trên đường truyền có khá nhiều nhiễu nên cần phải lọc sơ bộ
trước khi đưa vào mạch điện.

-

Thứ hai: do biến áp để xuất nhập tín hiệu có cuộn dây với điện kháng L gần
bằng 0 ở tần số 50Hz. Do vậy, nếu mắc trực tiếp biến áp này với điện 220V thì
biến áp này sẽ lập tức bị cháy ngay. Vì vậy, bộ cộng hưởng cịn có nhiệm vụ
bảo vệ biến áp.

 Khối sửa dạng xung và phối hợp trở kháng: tín hiệu truyền đi trên đường dây điện

sẽ bị nhiễu rất nhiều, các nhiễu này sẽ làm biến dạng tín hiệu cần thu. Vì vậy, ta
phải sửa dạng xung để dễ xử lí tín hiệu sau khi thu về. Mạch phối hợp trở kháng là
nhằm tránh hiện tượng phản xạ trên đường dây, nhằm đạt công suất truyền tới mức
cao nhất.
 Mạch khuếch đại & tách sóng mang: tín hiệu nhận được từ đường truyền rất nhỏ do

suy hao trên đường truyền nên cần phải khuếch đại để có dịng và áp thích hợp
trước khi đưa vào mạch tách sóng. Vì tín hiệu nhận về gồm tín hiệu số và tín hiệu
sóng mang nên trước khi đưa đến chân thu ta phải lọc bỏ sóng mang và tái tạo lại
tín hiệu ban đầu.
 Khối giải mã 1: giải mã lệnh nhận được sao cho trùng với lệnh phát phản hồi từ

MODEM 2.
 Khối báo hiệu hiển thị: Báo hiển thị trạng thái các thiết bị đã điều khiển bằng led
đơn.
MODEM 2:
 Các khối: Bộ phát mã & chuyển mức tín hiệu, Khối dao động tạo sóng mang, Khối

trộn, Khối khuếch đại công suất, Biến áp cách li, Môi trường truyền, Mạch giao
tiếp, Khối sửa dạng xung và phối hợp trở kháng có chức năng giống như MODEM
1.
 Khối vi điều khiển 2: nhận dữ liệu từ khối giải mã 2 để điều khiển 8 thiết bị điện

thông qua khối giao tiếp với các thiết bị điện, đồng thời điều khiển bộ phát mã &
chuyển mức tín hiệu cùng với khối công suất để phát phản hồi báo hiệu thiết bị
điện đã điều khiển.
1.4.3 Phƣơng án thiết kế 2

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 13


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Sơ đồ khối chi tiết bộ phát và bộ thu

Line
220V

Nguồn cung cấp
và ghép nối

TDA5051A

Nguồn cung cấp
và ghép nối
Các ứng

dụng

Vi điều khiển

TDA5051A

Các ứng

dụng

Vi điều khiển

Hình1.5 Sơ đồ khối MODEM truyền và MODEM nhận dữ liệu
Ghép nối với nguồn điện 220V:

Hình1.6 Sơ đồ khối ghép nối với nguồn điện
Việc ghép nối này được thực hiện giữa nguồn điện 220V và nguồn điện áp thấp
TXOUT/RXIN của modem. Nếu khơng cần sự cách ly thì chúng ta có thể sử dụng mạch

LC để ghép nối như trong trường hợp sau:

Hình 1.7 Sơ đồ mạch ghép nối LC giữa IC và nguồn 220V

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 14


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Trong trường hợp cần mạch cách ly thì chúng ta sử dụng biến áp để ghép nối.

Hình 1.8 Sơ đồ mạch ghép nối biến áp giữa IC và nguồn 220V
Ghép nối với Vi điều khiển
IC TDA 5051 có thể kết nối với vi điều khiển theo sơ đồ khối sau:

Hình 1.9 Sơ đồ mạch ghép nối với vi điều khiển
Có thể sử dụng vi điều khiển AT89C51 để lập trình điều khiển giao tiếp với IC
TDA5051, IC này sẽ điều chế dữ liệu trước khi đưa ra mạch ghép nối với nguồn 220V.
1.4.4 Phân tích và lựa chọn phƣơng án
Trong phương án thứ nhất:
Ưu điểm:
 Cách thức đưa dữ liệu truyền trên mạng lưới điện dân dụng sử dụng mạch điều

chế rời khơng tích hợp trong IC nên mạch tương đối dễ chế tạo và cân chỉnh
khi kết hợp với vi điều khiển để điều khiển lập trình.

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 15


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

 Có thể thay đổi tần số sóng mang một cách dễ dàng.
 Mạch điện cách li với nguồn điện 220V nên không bị giật.
 Giá thành thấp.
 Dễ thay đổi các thông số trong mạch.

Nhược điểm:
 Tính tốn thiết kế mạch điện tương đối phức tạp
Trong phương án thứ hai:
Ưu điểm:
 Mạch gọn nhẹ.
Nhược điểm:
 Cách thức đưa dữ liệu truyền trên mạng lưới điện dân dụng sử dụng IC

TDA5051A nên tương đối khó cân chỉnh khi kết hợp với vi điều khiển để điều
khiển lập trình.
 Giá thành cao.
 Khó thay đổi các thông số trong mạch khi cân chỉnh.
 Linh kiện IC phải nhập từ nước ngồi và khó tìm.

Lựa chọn phương án
Qua q trình phân tích các ưu, nhược điểm của từng phương án người nghiên cứu
nhận thấy phƣơng án 1 có nhiều ưu điểm nhất so với phương án cịn lại. Vì vậy, người
nghiên cứu chọn phương án thiết kế là phương án 1 để tính tốn thiết kế chế tạo.

Chương 1: Cơ Sở Lý Luận

Trang 16


Nghiên cứu, chế tạo MODULE điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện hạ thế

Chương 2: Thiết kế phần cứng
2.2 Mạch dao động
2.2.1 Tổng quát về mạch dao động
Về cơ bản, ngành điện tử liên quan đến công việc xử lí và điều chế các dạng sóng
hoặc các tín hiệu. Điều này có thể bao gồm việc khuếch đại hoặc sửa dạng một tín hiệu,
hoặc trộn hai hay nhiều dạng sóng để có một tín hiệu ngõ ra phức hợp được điều chế,
hoặc xử lý một tín hiệu phức hợp để lấy thành phần gốc của tín hiệu này, hoặc sử dụng
một dạng sóng để kích khởi một chuỗi các thao tác…
Tất cả các quá trình này đều địi hỏi việc sử dụng các mạch tạo sóng; vì vậy, chúng
hình thành một dạng mạch điện tử quan trọng và được thiết kế để tạo ra các tín hiệu có
tác dụng cụ thể (như là sin, vng, tam giác,…) hoặc để tạo ra các dạng sóng có chất
lượng cao hay có tần số ổn định. Mạch tạo sóng có thể có một hay nhiều ngõ ra, tín hiệu
ngõ ra có thể được điều chế hay khơng được điều chế.
Chúng ta có thể tạo ra các dạng sóng khác nhau một cách trực tiếp bằng cách sử
dụng các mạch dao động, mạch đa hài, hoặc chúng ta có thể tổng hợp các dạng sóng
bằng cách sử dụng mạch tạo hàm chun dụng hoặc kĩ thuật vịng khóa pha (PLL). Sơ
đồ của các mạch tạo sóng có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các transistor, opamp,
các IC số hoặc các IC tạo hàm chuyên dụng. Phần đầu, chúng ta sẽ khảo sát một vài vấn
đề cơ bản về mạch tạo sóng.
2.2.2 Điều kiện dao động
Bộ dao động thường gồm hai khối:
V1

A

Khuếch đại
β
Hồi tiếp

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch dao động
Khối khuếch đại có hệ số khuếch đại:

A = Aexp(jϕA) =

Với:

A: modun hệ số khuếch đại.
ϕA: góc dịch pha của bộ khuếch đại.
Khối hồi tiếp có hệ số hồi tiếp:

V2