Bài giảng Điều khiển từ xa - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng này được viết theo chương trình học phần Điều khiển từ xa đã được phê duyệt. Trong đó chương 1 giới thiệu khái quát về cấu trúc các hệ thống đo và điều khiển từ xa. Chương 2 trình bày hệ thống mã và thiết bị mã và phân tích ưu nhược điểm của từng loại mã. Chương 3 sẽ giới thiệu về các kênh thông tin liên lạc thường sử dụng trong quá trình điều khiển từ xa, đồng thời cũng đưa ra những đánh giá về điểm mạnh và yếu của mỗi loại kênh. Trong chương 4 sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về truyền tin. Chương cuối sẽ đánh giá chất lượng và độ tin cậy của cả hệ thống. Trong các chương cùng với lý thuyết đã đưa vào các ví dụ bài tập có lời giải.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điều khiển từ xa - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển từ xa là việc điều khiển ở một khoảng cách nào đó mà con người không nhất thiết trực tiếp đến nơi đặt hệ thống. Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ thống có mức độ phức tạp khác nhau, chẳng hạn như để điều khiển từ xa một phi thuyền ta cần phải có hệ thống phát và thu mạnh, ngược lại, để điều khiển một trò chơi điện tử từ xa ta chỉ cần một hệ thống phát và thu yếu hơn. Truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử thông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng có thể là số. Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao. Trong hơn 30 năm qua, những ngôi nhà tự động và nghành công nghiệp sản xuất thiết bị điện tử dân dụng vẫn sử dụng các loại thiết bị điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR). Nhưng thiết bị điều khiển IR không phải là một giải pháp tối ưu nhất. Phạm vi điều khiển bị hạn chế, thiết bị và bộ điều khiển phải trong tầm nhìn thẳng, điều này có nghĩa là khi điều khiển phải nhằm thẳng vào thiết bị. Thiết bị phải được đặt ở bên ngoài, không được để trong tủ kín. Nếu chúng ta muốn điều khiển một thiết bị sử dụng công nghệ IR thì khi điều khiển chúng ta phải ở trong phòng đặt thiết bị và trong một phạm vi nhất định. Ngoài ra đối với điều khiển từ xa bằng cách sử dụng tần số vô tuyến (RF) bổ xung thêm những tính năng linh hoạt hơn trên cơ sở các tính năng có sẵn trong bộ điều khiển IR. Bộ điều khiển từ xa bằng RF có thể điều khiển 2 chiều, tốc độ truyền thông cao và không cần phải trên một tầm nhìn, tín hiệu cụ thể được truyền qua tường và qua các tầng trong nhà. Điều khiển từ xa bằng RF là bộ điều khiển đặc biệt thích hợp cho các thiết bị bên trong tủ hoặc từ phòng khác. Hơn nữa, bộ điều khiển từ xa RF có thể sử dụng màn hình hiển thị tương tác được gắn trực tiếp trên bộ điều khiển, vì thế mà ta có thể giám sát ngôi nhà tự động của mình, chọn chức năng giải trí và các thông số điều khiển. Bộ điều khiển RF cũng cho phép ta sử dụng để điều khiển từ bất cứ nơi nào trong ngôi nhà của ta mà không cần phải đứng trước thiết bị đó. Và hơn thế nữa là ứng dụng điều khiển từ xa vào robot công nghiệp. Robot công nghiệp có thể giúp chúng ta vận chuyển và bốc dỡ hàng hóa một cách thuận tiện, an toàn, hiệu quả, năng suất. Với các bộ điều khiển từ xa RF sẽ thay đổi cách chúng ta tương tác với thế giới xung quanh cũng như cách chúng ta quan tâm đến môi trường. Những đối tượng được điều khiển có thể ở trên không gian, ở dưới đáy biển sâu hay ở một vùng xa xôi hẻo lánh nào đó trên mặt địa cầu. Thế giới càng phát triển thì lĩnh vực điều khiển cần phải được mở rộng hơn. Việc ứng dụng điều khiển từ xa vào thông tin i
liên lạc đã mang lại nhiều thuận lợi cho xã hội loài người , thông tin được cập nhật hơn nhờ sự chính xác và nhanh chóng của quá trình điều khiển từ xa trong đo lường từ xa. Ngoài ra điều khiển từ xa còn được ứng dụng trong kỹ thuật đo lường. Trước đây muốn đo độ phóng xạ của lò hạt nhân thì hết sức khó khăn và phức tạp nhưng giờ đây con người có thể ở một nơi hết sức an toàn nào đó cũng có thể đo độ phóng xạ của lò hạt nhân nhờ vào kỹ thuật điều khiển từ xa. Như vậy hệ thống điều khiển từ xa đã hạn chế được mức độ phức tạp của công việc và đảm bảo an toàn cho con người. Trong sinh hoạt hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng được cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất. Xuất phát từ những đặc trưng đó nhóm tác giả đã nghiên cứu và biên soạn tập bài giảng điều khiển từ xa nhằm mục đích phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu của sinh viên Khoa Điện - Điện tử Tập bài giảng này được viết theo chương trình học phần Điều khiển từ xa đã được phê duyệt. Trong đó chương 1 giới thiệu khái quát về cấu trúc các hệ thống đo và điều khiển từ xa. Chương 2 trình bày hệ thống mã và thiết bị mã và phân tích ưu nhược điểm của từng loại mã. Chương 3 sẽ giới thiệu về các kênh thông tin liên lạc thường sử dụng trong quá trình điều khiển từ xa, đồng thời cũng đưa ra những đánh giá về điểm mạnh và yếu của mỗi loại kênh. Trong chương 4 sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về truyền tin. Chương cuối sẽ đánh giá chất lượng và độ tin cậy của cả hệ thống. Trong các chương cùng với lý thuyết đã đưa vào các ví dụ bài tập có lời giải. Cuối mỗi chương có các bài tập củng cố lý thuyết. Trong quá trình biên soạn, mặc dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi sai sót, kính mong sự chỉ giáo của quý thầy, cô và bạn đọc. ii
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... i CHƯƠNG 1. CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ........................................ 1 1.1. Khái quát chung ....................................................................................................... 1 1.1.1. Hệ thống đo điều khiển từ xa ............................................................................ 2 1.1.2. Việc chọn phương pháp điều chế...................................................................... 3 1.1.3. Các đặc tính quan trọng của hệ thống đo xa ..................................................... 4 1.1.4. Tính toán các đặc tính thống kê sai số của hệ thống đo xa liên tục và tuyến tính (hệ thống dừng tuyến tính) .................................................................................. 6 1.1.5. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá trong hệ thống đo xa ................................. 9 1.2. Hệ thống đo xa tần số ............................................................................................. 11 1.2.1. Cấu trúc của hệ thống ..................................................................................... 11 1.2.2. Dạng tín hiệu ................................................................................................... 12 1.2.3. Các phương án đo tần số ở phía thu và ảnh hưởng của chúng trong việc chọn các thông số của tín hiệu .................................................................................. 12 1.2.4. Chọn các thông số của tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng phương pháp đếm trực tiếp .................................................................................................... 14 1.2.5. Lựa chọn tối ưu các thông số tín hiệu đối với hệ thống đo xa tần số dùng phương pháp đếm gián tiếp ....................................................................................... 15 1.2.6. Lựa chọn các thông số của tín hiệu đối với hệ thống 1 kênh dùng phương pháp đo tần số kiểu lấy trung bình. ........................................................................... 18 1.2.7. Chọn các thông số của tín hiệu đối với HT đo xa tần số dùng cách đo tần số bằng cách đo chu kỳ ............................................................................................. 19 1.3. Hệ thống đo xa thời gian-xung ............................................................................... 22 1.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống đo xa thời gian-xung ................................................ 22 1.3.2. Các dạng tín hiệu ............................................................................................ 23 1.3.3. Chọn thông số của tín hiệu ............................................................................. 24 1.3.4. Chọn các thông số của tín hiệu trong điều kiện tối ưu ................................... 27 1.4. Hệ thống đo xa mã - xung ...................................................................................... 29 1.4.1. Cấu trúc hệ thống ............................................................................................ 29 1.4.2. Các dạng tín hiệu ............................................................................................ 29 1.4.3. Chọn các thông số của tín hiệu ....................................................................... 30 1.4.4. Chọn số dãy mã từ điều kiện tối ưu ................................................................ 33 1.5. Hệ thống đo xa thích nghi ...................................................................................... 34 1.5.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 34 1.5.2. Các đặc tính của việc cắt giảm thông tin ........................................................ 35 Câu hỏi chương 1: ......................................................................................................... 39 CHƯƠNG 2. MÃ VÀ THIẾT BỊ MÃ ............................................................................ 40 2.1 Khái niệm chung ..................................................................................................... 40 2.1.1 Yêu cầu của mã ................................................................................................ 40 iii
2.1.2 Phân loại mã .................................................................................................... 40 2.1.3. Quan hệ giữa khả năng chống nhiễu của mã với khoảng cách mã nhỏ nhất .. 42 2.1.4. Độ dư của mã và khả năng chống nhiễu ......................................................... 43 2.1.5. Phương pháp toán học biểu diễn mã tuyến tính ............................................. 44 2.2 Hệ thống các loại mã ............................................................................................... 45 2.2.1 Các mã đặc trưng ............................................................................................. 45 2.2.2 Các loại mã phát hiện sai ................................................................................. 51 2.2.3 Các loại mã phát hiện sai và sửa sai ................................................................ 52 2.3. Thiết bị mã hóa và dịch mã .................................................................................... 75 2.3.1 Thiết bị mã hóa ................................................................................................ 75 2.3.2. Thiết bị giải mã ................................................................................................... 78 Câu hỏi chương 2: ......................................................................................................... 79 CHƯƠNG 3. KÊNH LIÊN LẠC.................................................................................... 80 3.1. Đường dây trên không ........................................................................................... 80 3.2. Đường dây cung cấp điện ...................................................................................... 82 3.3. Kênh liên lạc radio ................................................................................................. 83 3.3.2. Các tính chất quang học của sóng vô tuyến.................................................... 89 3.3.3. Các phương thức truyền lan sóng điện từ ....................................................... 91 3.3.4. Các phương pháp điều chế tín hiệu RF .......................................................... 94 3.3.5. Các đặc trưng về sóng điện từ ........................................................................ 94 3.3.6. Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóng vô tuyến .................................. 98 3.3.7. Sơ đồ khối máy phát: ...................................................................................... 98 3.3.8. Sơ đồ khối máy thu ......................................................................................... 99 3.3.9. Mạch phát RF dùng PT 2262 ........................................................................ 100 3.3.10. Mạch thu RF dùng PT 2272 ....................................................................... 100 3.4. Kênh liên lạc bằng cáp quang .............................................................................. 101 3.5. Kênh truyền tia hồng ngoại .................................................................................. 109 3.5.1. Ứng dụng tia hồng ngoại trong đo nhiệt độ .................................................. 109 3.5.2. Ứng dụng tia hồng ngoại trong phát nhiệt .................................................... 110 3.5.3. Ứng dụng tia hồng ngoại trong truyền thông. .............................................. 110 3.5.4. Ứng dụng tia hồng ngoại trong nhìn đêm. .................................................... 110 3.5.5. Nguyên lý thu phát hồng ngoại..................................................................... 111 3.5.6. Ví dụ về mạch thu phát hồng ngoại .............................................................. 113 3.6. Nhiễu trong kênh liên lạc ..................................................................................... 119 Câu hỏi chương 3: ....................................................................................................... 128 CHƯƠNG 4. CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN. ........................................ 129 4.1. Các đặc trưng cơ bản............................................................................................ 129 4.1.1. Tin tức, thông báo, tín hiệu ........................................................................... 129 4.1.2. Lượng tử hóa................................................................................................. 131 4.1.3. Tin tức, các đặc trưng, đơn vị đo .................................................................. 133 iv
4.1.4. Entropi – số đo lường không xác định .......................................................... 135 4.1.5. Đặc trưng của phương pháp thống kê đo lường tin tức ................................ 138 4.2. Truyền tin trong kênh không nhiễu ...................................................................... 138 4.3. Truyền tin trong kênh có nhiễu ............................................................................ 140 4.4. Các phương pháp nâng cao độ chính xác truyền tin ............................................ 142 Câu hỏi chương 4: ....................................................................................................... 150 CHƯƠNG 5. ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐO – ĐIỀU KHIỂN TỪ XA ........ 151 5.1. Độ tin cậy là chỉ tiêu quan trọng nhất của hệ thống đo, điều khiển từ xa ............ 151 5.2. Ý nghĩa về độ tin cậy trong kỹ thuật .................................................................... 151 5.2.1. Định nghĩa về độ tin cậy trong kỹ thuật........................................................ 152 5.2.2. Đối tượng và nhiệm vụ của độ tin cậy .......................................................... 152 5.2.3. Quan điểm kinh tế của độ tin cậy ................................................................. 153 5.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy ........................................................ 155 5.3. Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá độ tin cậy ........................................................... 157 5.3.1. Hỏng hóc, cường độ hỏng hóc ...................................................................... 157 5.3.2. Độ tin cậy, thời gian làm việc tin cậy trung bình thời gian làm việc cho phép: ........................................................................................................................ 158 5.3.3. Thời gian làm việc tin cậy trung bình ........................................................... 158 5.3.4. Sản phẩm có phục hồi và sản phẩm không phục hồi .................................... 159 5.3.5. Xác suất làm việc không hỏng ...................................................................... 159 5.3.6. Cường độ hỏng.............................................................................................. 161 5.3.7. Các đặc trưng số của tính không hỏng .......................................................... 162 5.3.8. Quan hệ giữa cường độ hỏng với các quy luật phân phối tuổi thọ ............... 163 5.3.9. Các chỉ tiêu độ tin cậy của sản phẩm có phục hồi ........................................ 166 5.3.10. Các chỉ tiêu của tính lâu bền ....................................................................... 173 5.3.11. Các chỉ tiêu của tính lưu kho và vận chuyển. ............................................. 174 5.3.12. Các chỉ tiêu kinh tế của độ tin cậy. ............................................................. 174 5.4. Tính toán độ tin cậy của hệ thống ........................................................................ 175 5.4.1. Độ tin cậy của sơ đồ nối tiếp ........................................................................ 175 5.4.2. Độ tin cậy của sơ đồ song song .................................................................... 176 5.4.3. Các biện pháp nâng cao độ tin cậy ............................................................... 176 5.4.4. Thông tin công nghiệp .................................................................................. 178 Câu hỏi chương 5 ........................................................................................................ 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 183 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa ......................................................... 1 Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống điều khiển từ xa ....................................... 2 Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống điều khiển từ xa ......................................... 2 Hình 1.4: Đồ thị lấy mẫu thời gian của hệ thống đo xa .................................................. 8 Hình 1.5: Biểu đồ điều chế hệ thống đo xa tần số......................................................... 11 Hình 1.6: Biểu đồ điều chế tín hiệu thay đổi theo thời gian ......................................... 12 Hình 1.7: Sơ đồ khối của HT đo xa thời gian-xung ...................................................... 23 Hình 1.8: Sơ đồ khối quá trình điều chế của HT đo xa thời gian-xung ........................ 23 Hình 1.9: Tín hiệu điều chế độ rộng xung..................................................................... 24 Hình 1.10: Dạng tín hiệu điều chế................................................................................. 25 Hình 1.11: Dạng tín hiệu trong kênh không nhiễu và có nhiễu .................................... 25 Hình 1.12: Lấy mẫu tần số của hệ thống đo xa thích nghi ............................................ 35 Hình 1.8: Sơ đồ khối của một mạch xấp xỉ bậc 0 ......................................................... 37 Hình 1.9: Đặc tuyến của một mạch xấp xỉ bậc 0 .......................................................... 38 Hình 2.1: Cơ chế chống nhiễu của mã .......................................................................... 41 Hình 2.2: Quá trình sửa sai của mã chống nhiễu .......................................................... 42 Hình 2.3: Sơ đồ đặc trưng của mã đường dây ............................................................... 45 Hình 2.4: Dạng sóng của các mã đặc trưng................................................................... 47 Hình 2.5: Dạng tín hiệu của mã..................................................................................... 48 Hình 2.6: So sánh sự khác biệt giữa mã AMI và mã B8ZS .......................................... 49 Hình 2.7: Mẫu tín hiệu vi phạm( violation) .................................................................. 50 Hình 2.8: Ghép cây trong mã Huffman ......................................................................... 66 Hình 2.9: Mô tả các bước tạo mã của DES ................................................................... 73 Hình 2.10: Biểu diễn quá trình thực hiện mã hóa ......................................................... 74 Hình 2.11: Sơ đồ biểu diễn thiết bị biến đổi mã ........................................................... 75 Hình 2.12: Biểu diễn thiết bị biến đổi mã thường thành mã chu kỳ ............................. 77 Hình 2.13: Quá trình dịch mã chu kỳ ............................................................................ 78 Hình 2.14: Quá trình giải mã ......................................................................................... 78 Hình 3.1: Sơ đồ truyền tín hiệu điều khiển xa theo đường dây cung cấp ..................... 82 Hình 3.2: Các dạng phổ tần ........................................................................................... 84 Hình 3.2: Mặt sóng cầu từ nguồn đẳng hướng .............................................................. 88 Hình 3.3: Hiện tượng khúc xạ tại biên giới 2 môi trường ............................................. 89 Hình 3.4: Phản xạ sóng tại biên của 2 môi trường ........................................................ 90 Hình 3.5: Nhiễu xạ sóng điện từ ................................................................................... 91 Hình 3.6: Sự cộng tuyến tính 2 sóng có pha khác nhau và sự giao thoa sóng .............. 91 Hình 3.7: Các phương thức truyền sóng ....................................................................... 92 vi
Hình 3.8: Sóng không gian và chân trời vô tuyến .........................................................93 Hình 3.9: Hiện tượng sóng ống .....................................................................................94 Hình 3.10: Thu phát sóng điện từ ..................................................................................95 Hình 3.11: Mạch điện điển hình dùng tạo ra sóng mang RF, dùng anten cho phát vào không gian, để liên thông với các máy thu sóng xung quanh. ......................................96 Hình 3.12: Mạch cộng hưởng LC phát sóng điện từ .....................................................96 Hình 3.13: Phương thức điều khiển vô tuyến ................................................................ 97 Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóngvô tuyến ............................... 98 Hình 3.15: Sơ đồ khối máy phát sóng vô tuyến ............................................................ 98 Hình 3.16: Sơ đồ khối máy thu sóng vô tuyến .............................................................. 99 Hình 3.17: Sơ đồ khối mạch phát vô tuyến 4 kênh với IC mã hóa PT2262 ................100 Hình 3.18: Sơ đồ mạch thu sóng vô tuyến 4 kênh với IC giải mã PT2272 .................100 Hình 3.19 Cấu tạo các lớp cab quang ..........................................................................102 Hình 3.20: Các lớp bảo vệ cab quang ..........................................................................103 Hình 3.21: Các lớp Tight-buffer cab quang ................................................................103 Hình 3.22: Cấu tạo lõi cab ...........................................................................................103 Hình 3.23:Các kiểu truyền dẫn quang .........................................................................104 Hình 3.24: Phương thức truyền dẫn ............................................................................104 Hình 3.25: Các loại đầu dây nối cab............................................................................105 Hình 3.26: Cấu trúc bên trong sợi cab .........................................................................105 Hình 3.27: Bước sóng Wavelength .............................................................................106 Hình 3.28: Các kiểu đầu nối quang .............................................................................107 Hình 3.291: Đầu nối là ferrule .....................................................................................107 Hình 3.30: Đầu nối FC, SC, ST. PC ............................................................................107 Hình 3.31: Sơ đồ khối chức năng phần phát ...............................................................111 Hình 3.32: Sơ đồ khối chức năng phần thu .................................................................112 Hình 3.33: Sơ đồ chân IC phát PT2248.......................................................................113 Hình 3.34: Sơ đồ bộ phát PT2248 ...............................................................................114 Hình 3.35: Sơ đồ ma trận phím bấm ...........................................................................114 Hình 3.36: Sơ đồ chân của PT2249 .............................................................................116 Hình 3.37: Sơ đồ khối của PT2249 .............................................................................116 Hình 3.38: Sơ đồ khối Module LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1018SCL .............117 Hình 3.39: LED thu tín hiệu hồng ngoại .....................................................................117 Hình 3.40.: Sơ đồ Mạch Schmitt Trigger ....................................................................118 Hình 3.41: Dạng sóng đầu ra Schmitt Trigger ............................................................118 Hình 3.42: Đồ thị biểu diễn độ suy hao .......................................................................120 Hình 3.43: Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau ........................................125 vii
Hình 4.1: Tín hiệu được lượng tử hóa ......................................................................... 132 Hình 4.2: Đồ thị Entropi đạt cực đại ........................................................................... 137 Hình 4.3: Mô hình nguồn sai ....................................................................................... 144 Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống thông tin có kênh ngược quyết định .................................. 149 Hình 4.5: Phát hiện sai ................................................................................................ 149 Hình 5.1: Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy....................................................... 157 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Quy luật mã hóa ............................................................................................ 48 Bảng 2.2: Các phần tử dư trong mã Hamming .............................................................. 56 Bảng 2.3: Biểu diễn các phần tử kiểm tra .....................................................................57 Bảng 2.4: Biểu diễn vị trí và các giá trị của các phần tử ...............................................58 Bảng 2.5: Biểu diễn đa thức sinh ...................................................................................63 Bảng 5.1: Biểu thức quan hệ giữa các hàm f(t), Q(t), R(t), và (t) ............................161 Bảng 5.2: Bảng tíng toán các hàm f(N), Q(N), R(N) vàError! Objects cannot be created from editing field codes.(N) ........................................................................166 ix
CHƯƠNG 1 CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1. Khái quát chung Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách xa. Truyền tin không dây là cách thức truyền tải tin tức, dữ liệu thông qua hệ thống không dây như hồng ngoại, sóng điện từ . Đối với truyền dữ liệu số thông thường người ta phải mã hoá tín hiệu truyền. các tín hiệu số 0 hoặc 1 được đưa vào bộ truyền phát, nếu bộ phát là máy điều chế ASK đơn giản thì mức 1 tương ứng là máy sẽ phát ra sóng điện từ, mức 0 tương đương là máy không phát ra sóng điện từ . Dựa vào tín hiệu on / off này mà máy thu sẽ đưa ra một mức logic tương ứng với mạch phát. Tuy nhiên do kĩ thuật và công nghệ chế tạo hay điển hình một số kiểu mạch không thể đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của việc truyền dữ liệu. Ví dụ truyền tốc độ cao (máy thu không kịp giải điều chế , băng thông của máy thu quá nhỏ, truyền bit với khoảng thời gian quá dài …v.v ) Bởi rất nhiều yếu tố nên trong truyền thông có rất nhiều kiểu để khắc phục khi truyền thông tin, đặc biệt trong RF (wireless communications). Sơ đồ kết cấu của hệ thống điều khiển từ xa bao gồm: Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu và phát đi. Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu. Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đổi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành. thiết bị đường thiết bị phát truyền thu Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống điều khiển từ xa: - Phát tín hiệu điều khiển. - Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết. - Tổ hợp xung thành mã. - Phát các tổ hợp mã đến điểm chấp hành. - Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị, đồng thời kiểm tra sự chính xác của mã mới nhận. 1
Tín hiệu điều khiển Điều Khuếch chế đại phát Tín hiệu sóng mang Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát của hệ thống điều khiển từ xa Khuếch Giải điều Khuếch Chấp đại thu chế đại hành Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu của hệ thống điều khiển từ xa Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta cần phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng đáp ứng các yêu cầu đề ra. 1.1.1. Hệ thống đo điều khiển từ xa Đó là một hệ thống đo cường độ tự động ở khoảng cách xa nhờ việc truyền tin qua kênh liên lạc. Khi thiết kế 1 hệ thống đo xa, cần chú ý nhất là làm sao cho bảo đảm để cho sai số của phép đo phải nhỏ nhất - quá trình đo này con người không tham gia trực tiếp của con người. Sai số của phép đo thường do sự giảm tín hiệu và sự tồn tại của nhiễu (thay đổi khí hậu……). Hệ thống đo xa khác nhau tuỳ thuộc phương pháp tạo tín hiệu tức là phương pháp điều chế và mã hoá. Trong hệ thống điều khiển từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ rất nhiều đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và về chất. Về lượng có cách biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành từng loại xung gì cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp nào để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền dẫn nhanh nhất . Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau: - Tốc độ làm việc nhanh. 2
- Thiết bị phải an toàn tin cậy. - Kết cấu phải đơn giản. Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép. 1.1.2. Việc chọn phương pháp điều chế Việc chọn phương pháp điều chế có liên quan đến thông số cuả kênh liên lạc. Ở khoảng cách gần (3-7)km , thường dùng đường dây trên không. Ở khoảng cách 20km thường dùng đường dây cáp, dùng tín hiệu một chiều. Sai số thường phụ thuộc vào sự biến động của các thông số của kênh liên lạc. Ví dụ: điện trở dây ra phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, trong khoảng từ -40o C ÷ 40o C, điện trở dây R d thay đổi 27%, sự thay đổi này dẫn đến sai số lớn khi truyền tín hiệu. Trong hệ thống đo lường và điều khiển xa trong công nghiệp người ta dùng 3 phương pháp điều chế: - Điều chế tần số và tần số xung: hệ thống đo dùng phương pháp này gọi là hệ thống đo xa tần số. - Điều chế độ rộng – xung; thời gian – xung => hệ thống thời gian. - Điều chế mã – xung => hệ thống số. Xét kết cấu và phân loại hệ thống đo xa: a, Kết cấu một hệ thống đo xa có kết cấu như sau: z=k1x1 y1=k2z y2 =kk y1 I=k3 y2 y =k4 I Từ đó cho thấy rằng độ chính xác của x2 phụ thuộc vào ki. - Nếu ki thay đổi δ% thì dẫn đến thay đổi độ chính xác của phép đo x2 là δ%. Hiện nay thường khống chế khoảng 1%. Về mặt kinh tế: 1 hệ thống đo xa khâu đắt nhất là dây liên lạc. 3
Về tính thực tế: trong hệ thống đo xa thường dùng hệ thống nhiều kênh. Trong đó gồm có cả đo lường xa, tín hiệu điều khiển xa, kiểm tra từ xa. b. Phân loại - Hệ thống tương tự: trong hệ thống này người ta thiết lập quan hệ liên tục giữa x 1 và độ sâu điều chế: M=kx1. - Hệ thống số : Trong hệ thống này sử dụng phương pháp lượng tử hoá theo mức năng lượng và rời rạc hoá theo thời gian. Các thông số được truyền ở dạng mã nhị phân hay mã khác-Hệ thống này được dùng rộng rãi do các ưu điểm sau: - Độ tin cậy cao - Kết nối được với máy tính - Chống nhiễu tốt do dùng mã sữa sai - Xử lý gia công tín hiệu số ít sai số hơn 1.1.3. Các đặc tính quan trọng của hệ thống đo xa a. Đặc tính quan trọng nhất là sai số - Sai số tuyệt đối: ∆ = x2 − x1 - Sai số tương đối: % = ∆/x 100% - Sai số tương đối quy đổi: Trong đó: x1: giá trị thực x2: giá trị đo được xmax, xmin: giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất Sai số tổng gồm hai thành phần - Sai số cơ bản: là sai số được xác định trong điều kiện tiêu chuẩn: điện áp, tần số, nhiệt độ môi trường 20oC + 3oC, độ ẩm (30 ÷ 80)%, không có tác động bên ngoài như từ trường, điện trường …… Sai số này chủ yếu do nguyên lý làm việc, cấu trúc, công nghệ, chế tạo…. - Sai số phụ :là sai số do sự biến động của điều kiện làm việc tiêu chuẩn: áp, tần số thay đổi, nguồn cung cấp, nghiệt độ môi trường……… - Nếu hệ thống có n kênh nối tiếp sai số thi sai số tổng bình quân phương là (1.1) 4
Một nguồn gây sai số quan trong nhất là nhiễu; sai số tương đối do nhiễu sinh ra theo công thức: (1.2) Trong đó : (1.3) T:thời gian quan sát (1.4) σ∑ đặc trưng cho tán xạ của sai số xung quanh giá trị trung bình của nó, còn sai số trung bình là độ lệch trung bình của dụng cụ đo trong điều kiện có nhiệt và không có nhiễu. Khi nhiễu ít có thể bỏ qua σ∑, còn khi nhiễu mạnh có thể bỏ qua σTB b. Thời gian xác lập tỉ số T: Là khoảng thời gian giữa thời điểm thay đổi đột ngột đại lượng đo và thời điểm mà chỉ số đạt đến vị trí mới với một sai số cho phép (thường là ±2% so với giá trị ổn định). Trong công nghiệp:thời gian này vào khoảng T =(3÷ 5)s c. Sai số động: Do có quá trình quá độ mà giá trị cần đo có thể lệch khởi giá trị thực. Sai số gây ra do quá trình quá đọ gọi là sai số động. Nó thường sinh ra do các khâu: lọc, quán tính, tích phân trong hệ thống . Đối với hệ thống đo số: sai số do quá trình lượng tử hoá được xác định: Nếu gọi ∆xk: bước lượng tủ hoá xmax − xmin = khoảng thay đổi của thông số x n = xmax − xmin /∆xk số bước lượng tử hoá Vậy sai số: d. Cộng tín hiệu: Trong hệ thống đo xa, xuất hiện việc cộng tín hiệu đo (ở phần phát hay thu) 5
Ví dụ: khi đo công suất tổng, tổng lưu lượng nước, thường ta tiến hành cộng tín hiệu ở phần phát đẻ giảm số kênh Trong quá trình cộng, các đại lượng đo A 1, A2 ………. A n thường được biến đổi thành những đại lượng khác: x1, x2 … xn. Tức là: x1 = f1(A1) x2 = f 2(A2) ……… xn = f n(An) Để cộng các tín hiệu ta thực hiện: (1.5) Với quan hệ x và A là tuyến tính: xi = i (Ai ) = ki Ai với ki là hằng số Nếu các ki bằng nhau: k1 = k2 = .... = kn = k Thì k được gọi là hằng số cộng: (1.6) Để thực hiện phép cộng này, người ta dùng một đại lượng trung gian: dòng, áp, số xung, dòng 1 chiều, dòng xoay chiều: điện dung, điện trở, điện cảm. Hiện nay người ta thực hiện cộng tín hiệu qua máy tính kết hợp với việc gia công (lấy trung bình tích phân, tích phân…) 1.1.4. Tính toán các đặc tính thống kê sai số của hệ thống đo xa liên tục và tuyến tính (hệ thống dừng tuyến tính) a. Sai số động:tín hiệu đo biểu diễn một quá trình ngẫu nhiên x(t) Sx(ω) là hàm mật độ phổ của tín hiệu vào x(t) Sy là hàm mật độ phổ của tín hiệu ra y(t) Thì (ω) = Sy W1(jω). Sx(ω) (*) W1(jω): đặc tính tần số phức của hệ thống đo giả sử mô hình không có trễ 6
W1(jω)=G(jω) −1 (2) Từ (*) có thể viết : (1.7) Tính phương sai D của sai số động bằng cách lấy tích phân của hàm mật độ phổ: (1.8) Khi 1 quá trình ngẫu nhiên dừng tác động lên đầu vào của 1 hệ thống tuyến tính thì sai số động có kỳ vọng toán học=0 (M( ∆ d )=0). b. Sai số tĩnh Giả sử có sai số tĩnh ở đây : Các hàm ∆t (t)và ∆d (t) là độc lập, vậy: D(∆∑) = D(∆t) + D(∆d) Nếu bằng thí nghiệm ta tính được Dt (∆∑) và Dd (∆t) => tính được D(∆d) vì M(∆d) = 0 => M(∆∑)= M(∆t) Ví dụ: giả sử mật độ phổ của quá trình TN đều trong khoảng tần số giới hạn từ - Wgh ÷ +Wgh, thì : (1.9) c. Sai số động trong hệ thống đo xa có rời rạc hoá tín hiệu Bây giờ ta tính sai số của 1 hệ thống đo xa phân kênh theo thời gian, trong hệ thống này có sự rời rạc hoá tín hiệu. τ là khoảng thời gian trễ của tín hiệu xi khi truyền qua kênh 7
Hình 1.4: Đồ thị lấy mẫu thời gian của hệ thống đo xa Sai số do việc sắp xấp xỉ hoá là sai số động, trong quá trình rời rạc hoá theo thời gian. Ta xét trong khoảng thời gian (ti +τ) ÷ (ti+1 +τ) => đây là khoảng thời gian tương ứng với 1 nấc thang của đường y(t). Trong khoảng này ta xét tại thời điểm t nào đó. Từ sơ đồ hệ thống ta có phương trình ∆d = y − x. Vậy ta có sai số xấp xỉ hoá: ∆d (ti +τ ) = y(ti +τ ) − x(ti +τ ) Nhưng : y(ti +τ ) = x(ti ) (trùng) => giữa đường x(t) và y(t) Vậy: ∆d (ti +τ ) = x(ti ) − x(ti +τ ) kỳ vọng toán học của biểu thức: (1.10) Ta có : (1.11) Vậy : D(x) = Rx (0) Khi t nằm trong khoảng τ → (τ + T ): ta lấy trung bình theo chu kỳ và lấy tán xạ của sai số xấp xỉ hoá, ta có: 8
(1.13) 1.1.5. Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá trong hệ thống đo xa Độ tác động nhanh của 1 hệ thống đo xa phụ thuộc chủ yếu vào các thông số của kênh liên lạc. Khi cần giải tần của kênh được ấn định và cường độ nhiễu đã biết thì xi cần phải có độ dài nhất định. Độ dài này càng lớn thì việc truyền giá trị xi càng chính xác, sai số càng nhỏ. Nhưng nếu muốn tăng độ dài xi trong kênh liên lạc thì cần tăng chu kỳ lặp lại Tc của các giá trị rời rạc. Trong hệ thống có n kênh, dùng phân kênh theo thời gian thì chu kỳ này cần phải lớn hơn tổng độ dài của n tín hiệu và những tín hiệu phụ (tín hiệu đồng bộ). Nhưng khi tăng T thì tăng sai số động Như vậy việc tăng T dẫn đến giảm sai số tĩnh D(∆t ), nhưng làm tăng sai số động (sai số rời rạc hoá) D(∆d ) Từ đồ thị ta có đường D(∆t), D(∆d) → Từ đó ta có đường D(∆∑). Đường này cực tiểu tại A, từ A gióng xuống trục T, ta có T0. Vậy T0 là giá trị tối ưu của chu kỳ rời rạc hoá. Độ lệch bình quân của đại lượng cần đo: (1.14) Trở lại ví dụ trên: ta có: Nhưng: (1.15) 9
Đặt: Vậy: Ở đây fgh và Tgh là tần số và chu kỳ giới hạn của quá trình x(t). Vậy thì nếu sai số cho phép là 1% thì khi xấp xỉ hoá kiểu bậc thang 1 chu kỳ của sóng hài cao nhất của quá trình. Hình trên là đồ thị của hàm phân bố Rx - Phần gạch chéo là D(∆d ) Đối với hệ thống tác động gần: τ = 0 Ví dụ: giả sử quá trình ngẫu nhiên x(t) có mật độ phổ: Thì: (1.16) (1.17) Đặt: ta có: 10