BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ ASIC-FPGA
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TẢI
TRONG TRẠM THỦY ĐIỆN NHỎ

NGÀNH: XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN THƠNG
MÃ SỐ:

.

HỌC VIÊN: LÊ HỒNG TIẾN

.

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S NGUYỄN KIM KHÁNH

HÀ NỘI – 2005


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ ASIC-FPGA

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TẢI
TRONG TRẠM THỦY ĐIỆN NHỎ

NGÀNH: XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN THƠNG
MÃ SỐ:

.

HỌC VIÊN: LÊ HỒNG TIẾN

.

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S NGUYỄN KIM KHÁNH

HÀ NỘI – 2005


-a-

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ a
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................................... c
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................f
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................f
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... h
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ......................................... 1
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ...................................................................... 1
1.1.1 THIẾT BỊ TRONG CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI. ......... 1
1.1.2 THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN NHỎ Ở VIỆT

NAM, NHU CẦU THỰC TẾ....................................................................................... 4
1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................. 7
1.3 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN .......................................................................... 7
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN ......................................... 7
Chương 2.
QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC/ASIP VÀ CÔNG NGHỆ FPGA .............. 8
2.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 8
2.2 LINH KIỆN ASIC DẢI CỔNG MẶT NẠ ......................................................... 8
2.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC LINH KIỆN CĨ THỂ LẬP TRÌNH ................ 10
2.3.1 Programmable Read Only Memories (PROM) ....................................... 10
2.3.2 Programmable Logic Arrays (PLA) ........................................................ 11
2.3.3 Programmable Array Logic (PAL) .......................................................... 11
2.3.4 CPLD và FPGA ....................................................................................... 12
2.3.5 Complex Programmable Logic Devices (CPLD) .................................... 13
2.3.6 Field Programmable Gate Array (FPGA) ................................................ 17
2.3.7 Lựa chọn giữa CPLD và FPGA ............................................................... 23
2.4 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ ..................................................................................... 23
2.4.1 Đề ra các yêu cầu kỹ thuật ....................................................................... 23
2.4.2 Thiết kế vi mạch ...................................................................................... 26
2.4.3 Mô phỏng – xem xét thiết kế ................................................................... 26
2.4.4 Tổng hợp mạch ........................................................................................ 27
2.4.5 Bố trí và định tuyến ................................................................................. 27
2.4.6 Mô phỏng lại - Xem xét lần cuối ............................................................. 27
2.4.7 Kiểm tra ................................................................................................... 28
2.5 VẤN ĐỀ THIẾT KẾ ......................................................................................... 28
2.5.1 Thiết kế kiểu Top-Down .......................................................................... 28
2.5.2 Luôn chú ý đến kiến trúc ......................................................................... 30
2.5.3 Thiết kế đồng bộ ...................................................................................... 30
2.5.4 Các điểm thả nổi (Floating Node)............................................................ 39
2.5.5 Xung đột Bus ........................................................................................... 40

2.5.6 One-Hot State Encoding .......................................................................... 41
2.6 THIẾT KẾ ĐỂ KIỂM TRA .............................................................................. 43
2.6.1 Kiểm tra các phần tử logic dư thừa .......................................................... 43
2.6.2 Khởi tạo các máy trạng thái (Initializing State Machine) ........................ 44
2.6.3 Các điểm có thể quan sát được ................................................................ 44
2.6.4 Các kỹ thuật quét ..................................................................................... 45
2.6.5 Sự tự kiểm tra bên trong .......................................................................... 46


-b-

2.6.6 Phân tích tín hiệu ..................................................................................... 47
2.7 VẤN ĐỀ MƠ PHỎNG ..................................................................................... 47
2.7.1 Mô phỏng chức năng ............................................................................... 48
2.7.2 Phân tích định thời tĩnh ............................................................................ 49
2.7.3 Mơ phỏng định thời ................................................................................. 49
Chương 3.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 51
3.1 CÁC YÊU CẦU VỀ ĐO LƯỜNG - ĐIỀU KHIỂN - BẢO VỆ ĐỐI VỚI TỔ
MÁY PHÁT ĐIỆN. ........................................................................................................ 51
3.2
MÁY ĐIỀU TỐC - SỰ ĐIỀU CHỈNH CỦA TUA BIN NƯỚC ................. 52
3.2.1 SƠ LƯỢC VỀ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU CHỈNH TUA BIN. .................. 52
3.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TUA BIN ................................... 53
3.3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TẢI...................................................................................... 55
3.3.1 Nguyên lý cơ bản ..................................................................................... 55
3.3.2 Tham số điều khiển .................................................................................. 62
Chương 4.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG .......................................................................... 64
4.1 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ............................................................... 64

4.1.1 Phân tích các thiết kế hiện có................................................................... 64
4.1.2 Lựa chọn phương án thực hiện ................................................................ 66
4.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ .................................................................................. 70
4.2.1 Đo tần số .................................................................................................. 70
4.2.2 Tính giá trị điều khiển ∆α ........................................................................ 73
4.2.3 Tính tốn góc cắt của các khối tải............................................................ 73
4.2.4 Phương thức điều khiển ........................................................................... 75
4.2.5 Tính tốn các thơng số chính. .................................................................. 76
4.3 THIẾT KẾ THIẾT BỊ ....................................................................................... 77
4.3.1 Khối tính tốn .......................................................................................... 77
4.3.2 Khối chấp hành ........................................................................................ 81
4.3.3 Cấp nguồn ................................................................................................ 83
Chương 5.
KẾT LUẬN.............................................................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 85
PHỤ LỤC ...........................................................................................................................I
MÃ NGUỒN TRONG VI XỬ LÝ AT89C51....................................................................I
MÃ NGUỒN THIẾT KẾ MẠCH FPGA ...................................................................... XII


-c-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
ADC – (Analog to Digital Conversion), sự chuyển đổi một giá trị liên tục
(tương tự) sang giá trị số rời rạc hệ nhị phân.
ALU – (Arithmetic Logic Unit), đơn vị logic số học, là mạch xử lý tốc độ
cao dùng để tính tốn và so sánh.
ASIC – (Application Specific Integrated Circuit), mạch tích hợp ứng dụng
cụ thể, là một vi mạch (chip) được thiết kế theo yêu cầu của một ứng dụng cụ
thể khác với vi mạch có mục đích chung.

ATM – (Asynchronous Transfer Mode), công nghệ mạng sử dụng cho
mạng cục bộ và mạng diện rộng hỗ trợ âm thanh và hình ảnh thời gian thực.
BIST – (Built In Self Test), là khả năng của một mạch tích hợp để thẩm
định các chức năng bên trong của nó.
CLB – (Configurable Logic Block), khối logic có thể định cấu hình.
CMOS – (Complementary Metal Oxide Semiconductor), công nghệ được
sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch tích hợp.
CPLD – (Complex Programmable Logic Device, Complex PLD), linh
kiện logic có thể lập trình được chế tạo từ một vài PLD đơn giản với ma trận
chuyển mạch có thể lập trình giữa các khối logic, thơng thường sử dụng bộ
nhớ EEPROM, bộ nhớ flash memory hoặc SRAM để lưu giữ logic thiết kế
của các liên kết nối.
CPU – (Central Processing Unit), bộ xử lý trung tâm.
DFT – (Design-For-Test), phương pháp luận để đảm bảo thiết kế sẽ làm
việc đúng sau khi chế tạo.
ELC – (Electronic Load Control), thiết bị điều khiển tải.


-d-

EEPROM – (Electrically Erasable Programable Read-Only Memory), bộ
nhớ có thể lập trình chỉ đọc, có thể xố bằng điện.
EPROM – (Erasable Programable Read-Only Memory), bộ nhớ có thể
lập trình chỉ đọc, có thể xố.
FPGA - Field Programmable Gate Array
FTZ - (Forbiden Triger Zone), vùng cấm mở, khái niệm sử dụng trong
điều khiển góc pha dịng điện.
HDL – (Hardware Description Language), ngôn ngữ mô tả mạch điện
IC – (Integrated Circuit), linh kiện mạch tích hợp.
NRE – (Non-Recurring Engineering) liên quan đến chi phí tạo ra sản

phẩm mới, phải trả trước. Trong cơng nghiệp bán dẫn, NRE là chi phí phát
triển thiết kế mạch và làm ảnh mặt nạ.
RAM – (Random Acess Memory), bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên.
ROM – (Read-Only Memory), bộ nhớ chỉ đọc
SoC – (System On a Chip), mạch điện hoàn chỉnh, sản phẩm làm việc trên
một chip đơn.
PAL – (Programmable Array Logic), logic mảng có thể lập trình.
PID, PI, PD - (Proportional-Integral-Derivative), các phương pháp thông
dụng trong lý thuyết điều khiển.
PLA – (Programmable Logic Array), mảng các liên kết logic có thể lập
trình.
PLD - (Programmable Logic Device), các loại vi mạch logic có thể lập
trình theo u cầu của người sử dụng.
PROM – (Programable Read-Only Memory), bộ nhớ có thể lập trình chỉ


-e-

đọc.
RTL – (Register Transfer Level description), là sự mô tả mạch điện số về
mặt dòng dữ liệu giữa các thanh ghi, chứa thông tin giữa chu kỳ đồng hồ xung
nhịp và mạch số.
SRAM – (Static RAM), bộ nhớ RAM tĩnh.
VME (bus) – (VersaModule Eurocard BUS), công nghệ bus mở rộng
được phát triển bởi Motorola, Signetics, Mostek và Thompson CSF trong
những năm 80.
VHDL – (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description
Language), một ngôn ngữ mô tả phần cứng thông dụng.



-f-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 - So sánh FPGA kích cỡ nhỏ và kích cỡ lớn .................................. 21
Bảng 2.2 - CPLD so với FPGA ...................................................................... 23

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Srilanca) ................................ 3
Hình 1.2 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Niu-Dilan) ............................. 3
Hình 1.3 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Nhật Bản) .............................. 3
Hình 1.4 - Một trạm thuỷ điện điều chỉnh lưu lượng ........................................ 6
Hình 1.5 - Một trạm thuỷ điện điều chỉnh phụ tải ............................................ 6
Hình 2.1 - Kiến trúc dải cổng mặt nạ ............................................................... 9
Hình 2.2 - Kiến trúc PLA ................................................................................ 11
Hình 2.3 - Kiến trúc PAL ................................................................................ 12
Hình 2.4 - So sánh CPLD và FPGA................................................................ 12
Hình 2.5 - Kiến trúc CPLD ............................................................................. 13
Hình 2.6 - Khối chức năng của CPLD ............................................................ 14
Hình 2.7 - Khối vào/ra của CPLD.................................................................. 15
Hình 2.8 - Kiến trúc FPGA ............................................................................. 18
Hình 2.9 – FPGA: Khối logic có thể định cấu hình ........................................ 18
Hình 2.10 - FPGA: khối vào/ra có thể định cấu hình ..................................... 19
Hình 2.11 – FPGA: Liên kết có thể lập trình .................................................. 20
Hình 2.12 - Luồng thiết kế .............................................................................. 24
Hình 2.13 - Thiết kế kiểu Top-Down .............................................................. 29
Hình 2.14 - Khơng đồng bộ: Điều kiện chạy đua .......................................... 31
Hình 2.15 - Đồng bộ: Khơng có điều kiện chạy đua ..................................... 32
Hình 2.16 - Không đồng bộ: Trễ phụ thuộc phần tử logic.............................. 32
Hình 2.17 - Đồng bộ: Trễ khơng phụ thuộc phần tử logic............................. 33
Hình 2.18 - Khơng đồng bộ: Vi phạm thời gian nhận mẫu ............................ 33

Hình 2.19 - Đồng bộ: Khơng vi phạm thời gian nhận mẫu ............................ 34
Hình 2.20 - Khơng đồng bộ: Chạy khơng đều ................................................ 34
Hình 2.21 - Đồng bộ: Chạy đều ...................................................................... 35
Hình 2.22 - Khơng đồng bộ: Sai xung đồng hồ ............................................. 35
Hình 2.23 - Đồng bộ: Khơng sai xung đồng hồ .............................................. 35
Hình 2.24 - Vấn đề siêu ổn định - Metastability ............................................. 36
Hình 2.25 - Giải pháp đối với Metastability .................................................. 38


-g-

Hình 2.26 - Vấn đề các điểm thả nổi............................................................... 40
Hình 2.27 – Các giải pháp cho vấn đề các điểm thả nổi ................................. 40
Hình 2.28 - Vấn đề xung đột Bus.................................................................... 41
Hình 2.29 - Giải pháp cho vấn đề xung đột Bus ............................................. 41
Hình 2.30 - Máy trạng thái: Phương pháp bình thường .................................. 42
Hình 2.31 - Máy trạng thái: One-Hot Encoding ............................................. 42
Hình 2.32 - Kiểm tra các phần tử logic dư thừa.............................................. 44
Hình 2.33 - Các điểm có thể quan sát được .................................................... 45
Hình 2.34 - Scan Methodology ....................................................................... 46
Hình 2.35 - Sự tự kiểm tra bên trong .............................................................. 47
Hình 3.1 - Nguyên lý điều khiển phụ tải ......................................................... 56
Hình 3.2 - Sơ đồ bố trí thiết bị ELC ................................................................ 56
Hình 3.3 - Dịng điện qua tải giả ..................................................................... 58
Hình 3.5 - Chia nhỏ khối tải giả ...................................................................... 60
Hình 3.6 - Quan hệ giữa góc cắt tải và cơng suất (hai khối tải)...................... 61
Hình 3.7 – Góc mở khơng phù hợp thực tế do tính tốn ................................ 62
Hình 3.8 - Góc mở khơng phù hợp thực tế do trễ ........................................... 62
Hình 4.1 – Tích phân rời rạc ........................................................................... 68
Hình 4.2 - Chức năng của thiết bị điều khiển tải ............................................ 69

Hình 4.3 - Nguyên lý các khối chức năng của thiết bị ELC ........................... 70
Hình 4.4 - Thuật tốn tính góc cắt tải ............................................................. 74
Hình 4.5 - Điều khiển cắt tải của một pha. ..................................................... 75
Hình 4.6 - CPU và các giao tiếp chính ............................................................ 78
Hình 4.7 - Mạch biến đổi tín hiệu tần số ......................................................... 78
Hình 4.8 - Mạch các công tắc thiết lập giá trị điều khiển ............................... 79
Hình 4.9 - Mạch phát hiện điểm “0” ............................................................... 80
Hình 4.10 - Tín hiệu Rơ le sự cố ..................................................................... 81
Hình 4.11 - Mạch điều khiển của một pha dùng biến áp xung ....................... 83
Hình 4.12 - Khối cung cấp nguồn ................................................................... 83


Mở đầu
-h-

MỞ ĐẦU
Hơn bao giờ hết, năng lượng là vấn đề hàng quan tâm hàng đầu của các
quốc gia. Cung cấp năng lượng điện là một trong những chỉ tiêu đánh giá mức
độ phát triển của một vùng, cũng như của một đất nước. Nước ta ở trong vùng
nhiệt đới gió mùa, có lượng mưa tương đối lớn, với mạng lưới sông suối dày
đặc kết hợp cùng với điều kiện địa hình, nên có trữ lượng thủy năng rất lớn.
Việc sử dụng nguồn năng lượng này có tác dụng về nhiều mặt, mang lại hiệu
ích kinh tế cao, phù hợp với chính sách về năng lượng của nhà nước. Theo
quy hoạch phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2001 ÷ 2010, có xét triển
vọng tới năm 2020 (ngày 21/3/2003) thì nhu cầu phụ tải năm 2005 là 48,5 ÷
53,8 tỷ kWh, năm 2010 là 88,5 ÷ 93 tỷ kWh. Như vậy, yêu cầu phát triển điện
lực là rất lớn. Tính tốn khảo sát 2.170 sơng suối có độ dài trên 10km cho
thấy chúng có trữ năng kinh tế kỹ thuật vào khoảng 80 ÷ 100 tỷ kWh/năm,
trong đó nguồn thuỷ điện vừa và nhỏ được đánh giá vào khoảng 20 ÷ 25 tỷ
kwh và phần lớn chưa được khai thác.

Ngoài hệ thống nguồn điện nối lưới Quốc gia, theo quy hoạch có gần 300
xã vùng sâu, vùng xa, khơng có khả năng nối lưới Quốc gia, cũng được chú ý
phát triển năng lượng điện tại chỗ từ nhiều nguồn, như điện gió, pin mặt trời,
thuỷ điện nhỏ, trong đó chủ yếu là thuỷ điện nhỏ, qua các dự án của Chính
phủ và các tổ chức Quốc tế như Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng phát
triển châu Á (ADB), Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA) …
Trong các cơng trình thuỷ điện, các thiết bị đo lường - điều khiển - bảo vệ
giữ vị trí rất quan trọng; Chúng đảm bảo cho sự hoạt động an toàn và hiệu quả
của thiết bị trong nhà máy, nâng cao và duy trì chất lượng dịng điện phát ra
theo u cầu ngày càng tăng của phụ tải. Đối với các trạm thuỷ điện nhỏ và

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


Mở đầu
-i-

cực nhỏ hoạt động độc lập hoặc trong lưới điện nhỏ, việc đảm bảo chất lượng
dòng điện đều phụ thuộc vào việc duy trì sự cân bằng cơng suất phát ra và
công suất tiêu thụ của phụ tải. Sự cân bằng này được thực hiện bởi thiết bị
điều tốc. Cho đến nay, hầu như các trạm thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ đều sử
dụng thiết bị điều tốc cơ khí hoặc thậm chí bằng tay. Đối với nhiều trường
hợp, sử dụng thiết bị điều tốc điều chỉnh lưu lượng truyền thống là không
kinh tế, chưa thật sự phù hợp với yêu cầu thực tế. Mặt khác, hầu hết các thiết
bị trong một trạm phát điện đều phải nhập từ nước ngoài. Ngoài việc phải sử
dụng ngoại tệ, việc nhập khẩu các thiết bị từ nước ngoài làm cho việc bảo
hành, bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị gặp nhiều khó khăn. Việc chủ động thiết
kế và chế tạo các thiết bị trong trạm thủy điện nói chung và máy điều tốc nói
riêng phù hợp với cơng cuộc cơng nghiệp hóa hiện đại hóa của nền kinh tế
nước nhà. Các cơng trình thuỷ điện đã xây dựng trong giai đoạn trước, sử

dụng công nghệ của những năm 60 đã lạc hậu, phần lớn đã hư hỏng, có nhu
cầu lớn về sửa chữa, thay thế và nâng cấp thiết bị. Các cơng trình thuỷ điện
được xây dựng trong giai đoạn tới có mức đầu tư lớn, địi hỏi rất cao về khoa
học, công nghệ. Riêng về lĩnh vực các thiết bị đo lường - điều khiển - bảo vệ,
sử dụng các thành tựu mới nhất của công nghệ điện tử - tin học đã trở thành
tiêu chuẩn công nghiệp.
Hiện nay, linh kiện FPGA được sử dụng nhiều trong việc tạo ra các sản
phẩm mẫu (prototype) của hệ thống điện tử, đặc biệt là các hệ thống SoC
(system on chips). Bên cạnh đó, giá thành của FPGA ngày càng rẻ, cho phép
độ tích hợp trên chip lớn, nên khơng những thích hợp cho việc tạo sản phẩm
mẫu để thử nghiệm hệ thống, mà cịn có thể dùng cho việc sản xuất các hệ
thống khi số lượng sản phẩm không quá lớn. Khi số lượng sản phẩm không
quá lớn, hệ thống bằng FPGA kinh tế hơn là chế tạo IC đặc chủng, điều rất
quan trọng khi ở Việt Nam chúng ta chưa có cơng nghệ chế tạo IC. Qui trình

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


Mở đầu
-j-

chế tạo, kiểm tra sản phẩm FPGA đơn giản và rẻ hơn nhiều so với chế tạo IC,
phù hợp với điều kiện phát triển công nghệ trong nước. Nước ta có tiềm năng
lớn về phần mềm, hướng nghiên cứu nắm vững kiến thức về FPGA , VHDL,
thiết kế hệ thống SoC… sẽ thúc đẩy khả năng tham gia thị trường gia công
off-shell cho các công ty lớn tương tự như gia cơng phần mềm.
Với mục đích nghiên cứu khả năng sử dụng công nghệ FPGA chế tạo chip
(IC) chuyên dụng phục vụ thực tế sản xuất, từng bước tăng cường khả năng
ứng dụng của FPGA trong điều kiện Việt Nam; Xuất phát từ nhu cầu thực tế,
tác giả đã lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

ASIC-FPGA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TẢI TRONG TRẠM THỦY
ĐIỆN NHỎ”, với mong muốn đưa các kết quả nghiên cứu khoa học ứng dụng
vào thực tế sản xuất.

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-1-

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1.1.1 THIẾT BỊ TRONG CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI.
Ngày nay khoảng cách giữa nghiên cứu và ứng dụng được rút ngắn rất
nhiều so với các thập niên trước. Các thành tựu mới của khoa học công nghệ
luôn được ứng dụng vào thực tế, và qua thực tế quay lại hoàn thiện hơn. Việc
chế tạo thiết bị đo lường - điều khiển - bảo vệ đã ứng dụng rất nhiều thành tựu
của khoa học về điều khiển tự động, của công nghệ điện tử tin học. Nhìn
chung, có thể đưa ra một số nhận xét sau:
1. Hầu như, việc ứng dụng vi xử lý, công nghệ điện tử - tin học đã trở
thành phổ biến. Ưu điểm của chúng đã có nhiều tác giả đề cập, ở đây ta có
thể nêu ra một số nét chính:
- Kích thước nhỏ;
- Thời gian xử lý nhanh, với tốc độ xử lý cỡ µs hồn tồn đảm bảo tính
thời gian thực (real-time) trong đo lường và điều khiển;
- Độ chính xác cao, với các thế hệ 8, 16 và 32 bit, độ chính xác đã đạt mức
độ vô cùng lớn so với yêu cầu điều khiển;

- Số lượng các đầu vào ra lớn cùng các tính năng điều khiển được tích hợp
trên linh kiện (on-chip), làm tăng khả năng xử lý nhiều tác dụng cùng lúc, bộ
điều khiển trở thành đa tác dụng, không chỉ đơn thuần điều khiển một thông
số nhất định cụ thể;
- Khả năng truyền tin mang đến khả năng đo lường điều khiển từ xa, dễ
dàng thiết lập mạng thông tin SCADA;

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-2-

- Mềm dẻo trong thuật toán: Do các thuật toán điều khiển là phần mềm,
việc thay thế, sửa chữa các thuật điều khiển, các thơng số hồn tồn là phần
mềm, không phải sửa chữa hoặc thay thế phần cứng (Do đó mạch điện phần
cứng cũng đơn giản hơn nhiều);
- Giá thành tương đối rẻ và dễ chế tạo trong nước: Do giá thành chế tạo
các linh kiện điện tử giảm xuống nhanh chóng, do mức độ sử dụng rộng rãi,
nên việc mua các linh kiện khơng q khó khăn. Mặt khác, trình độ về điện tử
- tin học trong nước đã phát triển cao, nên có thể hồn tồn làm chủ được việc
viết phần mềm điều khiển. Việc đầu tư sản xuất không lớn khi so sánh với các
thiết bị cơ khí - thuỷ lực.
2. Đối với các trạm thủy điện cơng suất lớn, việc đóng mở tua bin và các
thiết bị cần phải có cơng suất lớn, nên cơ cấu chấp hành vẫn là thủy lực.
3. Đối với trạm thủy điện nhỏ, sử dụng cơ cấu chấp hành là động cơ điện
đã trở nên phổ biến do kích thước gọn, cơ cấu đơn giản, giá thành chế tạo rẻ
hơn nhiều so với cơ cấu thủy lực.
4. Một xu hướng bắt đầu phổ biến là với các trạm thủy điện nhỏ hoạt
động độc lập, sử dụng điều tốc tải giả hay còn gọi là bộ điều khiển tải

(ELC) làm đơn giản hẳn quá trình điều khiển, độ bền thiết bị được tăng lên,
do thiết bị làm việc ổn định ở một chế độ nhất định; giá thành thiết bị rẻ hơn
nhiều so với điều chỉnh lưu lượng.
Theo các thông tin, tài liệu từ các công ty, tổ chức nước ngoài về thủy điện
nhỏ như: Hãng TANAKA (Nhật bản), Trung tâm khu vực Châu Á - Thái
Bình Dương về thủy điện nhỏ (HRC - Hàng Châu-Trung Quốc), Mạng lưới
cộng tác về thuỷ điện nhỏ (SHP network)... cho thấy điều tốc điều chỉnh phụ
tải (Electronic Load Control - ELC) đã được sử dụng rộng rãi trong các
trường hợp như đã phân tích ở trên. Loại thiết bị của Srilanca hồn tồn sử

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-3-

dụng kỹ thuật analog, phù hợp với tổ máy thuỷ điện cực nhỏ. Thiết bị của
hãng PowerFlow (Niu-Dilan) sử dụng linh kiện PLD (Programable Logic
Device), phù hợp với các trạm thuỷ điện nhỏ. Cũng sử dụng cho các trạm
thuỷ điện nhỏ, thiết bị của TANAKA (Nhật Bản) sử dụng vi xử lý kết hợp với
linh kiện FPGA.

Hình 1.1 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Srilanca)

Hình 1.2 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Niu-Dilan)

Hình 1.3 - Thiết bị điều tốc điều khiển phụ tải (Nhật Bản)

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003



TỔNG QUAN
-4-

1.1.2 THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG CÁC TRẠM THỦY ĐIỆN NHỎ Ở
VIỆT NAM, NHU CẦU THỰC TẾ
Có thể nhận thấy một số vấn đề trong lĩnh vực này:
Thứ nhất, đối với các trạm thủy điện nhỏ, giá thành của máy điều tốc
chiếm tỷ trọng tương đối lớn trong tổng giá trị các thiết bị. Mặt khác, do cơ
cấu tiêu chuẩn hóa thiết bị tua bin, một loại máy điều tốc được sử dụng trong
một phạm vi lớn về công suất của tua bin, nên đối với tổ máy công suất nhỏ,
tỷ trọng giá thành của máy điều tốc càng lớn. Ví dụ: Máy điều tốc TT-150 sử
dụng cho các tổ máy thuỷ điện từ 20 – 200 kW, có giá 160 triệu đồng, trong
khi đó giá thành các thiết bị tua bin và máy phát khoảng 5 triệu đồng/kW.
Thứ hai, đối với các trạm đã xây dựng từ trước, các máy điều tốc chủ yếu
là loại máy Cơ khí - Thuỷ lực; Sau một thời gian vận hành nhất định, hầu như
đã bị hư hỏng mà khơng có phụ tùng thay thế. Các chi tiết thuỷ lực tuy không
lớn, nhưng địi hỏi phải gia cơng rất chính xác và chất lượng vật liệu tốt. Đa
số các trạm thuỷ điện nhỏ này, do khơng có máy điều tốc hoặc do máy điều
tốc đã bị hư hỏng, phải vận hành bằng tay, nên chất lượng dịng điện khơng
đảm bảo tiêu chuẩn hồ lưới quốc gia, mặt khác rất dễ hư hỏng tổ máy khi
gặp sự cố.
Thứ ba, thực tế vận hành các trạm thủy điện nhỏ hoạt động độc lập cho
thấy trong nhiều trường hợp, việc sử dụng các thiết bị điều tốc điều chỉnh lưu
lượng tỏ ra khơng phù hợp, vì những lý do sau:
- Với các trạm thủy điện nhỏ và cực nhỏ, sử dụng điều tốc điều chỉnh lưu
lượng kéo theo sự tăng giá thành thiết bị, thậm chí có trường hợp, giá thành
thiết bị điều tốc cịn cao hơn các thiết bị còn lại của trạm thủy điện;
- Với việc điều chỉnh lưu lượng, bắt buộc tua bin thủy điện phải có cấu tạo
phù hợp, làm tăng sự phức tạp về thiết bị, tăng chi phí vận hành, bảo dưỡng.


Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-5-

Hơn nữa, trong trường hợp này, sự hoạt động của thiết bị luôn biến động do
sự thay đổi của phụ tải tiêu thụ (là rất lớn khi hoạt động độc lập), làm giảm
tuổi thọ của thiết bị;
- Tại các trạm thuỷ điện trên hệ thống tưới, không thể tuỳ ý thay đổi lưu
lượng qua tổ máy; hoặc tại các vị trí mà điều kiện về dịng chảy khơng bị hạn
chế, vì thế khơng thể hoặc khơng cần thiết điều chỉnh lưu lượng;
- Tại các địa điểm xa xôi, hẻo lánh như vùng núi cao, các đồn biên
phòng... do thiếu nhân lực vận hành, do điều kiện đi lại khó khăn... rất cần
thiết đơn giản hóa việc vận hành thiết bị để tự động hóa từng phần hoặc hồn
tồn việc vận hành trạm;
Vì thế, trong những trường hợp có thể, sử dụng điều tốc điều chỉnh phụ tải
sẽ mang lại hiệu quả tốt hơn: Đơn giản hơn về thiết bị, dễ dàng vận hành, như
vậy giá thành xây dựng sẽ thấp hơn mà chất lượng dòng điện vẫn được đảm
bảo.
Theo tài liệu qui hoạch điều tra về thuỷ điện nhỏ của Trung tâm nghiên
cứu thuỷ điện nhỏ, Viện Khoa học thuỷ lợi, nhu cầu chế tạo mới, sửa chữa
thay thế thiết bị cũ cho các trạm thuỷ điện là rất lớn, việc chủ động thiết kế,
chế tạo được máy điều tốc nói chung cũng như điều tốc điều chỉnh phụ tải
trong nước sẽ mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội.
Bên cạnh việc chủ động sản xuất các thiết bị phục vụ nhu cầu trong nước,
khả năng xuất khẩu các thiết bị thuỷ điện là hiện thực. Trung tâm nghiên cứu
thuỷ điện nhỏ đã bắt đầu xuất khẩu các thiết bị thuỷ điện nhỏ sang các nước
khác như Indonexia, Tây Ban Nha, Pháp. Để góp phần thúc đẩy việc xuất

khẩu, cần có những nghiên cứu để năng cao chất lượng của thiết bị.
Như đã đề cập trong phần mở đầu, việc đẩy mạnh sản xuất điện từ nguồn
thuỷ năng dồi dào của nước ta là nhu cầu hiện thực. Hy vọng đề tài góp phần

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-6-

nhỏ bé vào cơng cuộc điện khí hố của nước nhà.

1 – Tua bin thuỷ lực; 2 – Máy điều tốc

Hình 1.4 - Một trạm thuỷ điện điều chỉnh lưu lượng

Hình 1.5 - Một trạm thuỷ điện điều chỉnh phụ tải

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


TỔNG QUAN
-7-

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
1. Nghiên cứu khả năng ứng dụng thành tựu công nghệ điện tử tin học vào
thực tế sản xuất, cụ thể là công nghệ ASIC-FPGA, phù hợp với chủ trương
chính sách của Nhà nước về phát triển công nghệ thông tin.
2. Bám sát vào nhu cầu thực tế của sản xuất điện phục vụ các vùng, miền
xa xôi hẻo lánh, việc chế tạo bộ điều khiển tải (ELC) sẽ góp phần vào việc cải

thiện cuộc sống nông thôn miền núi, theo phương hướng công nghiệp hố,
hiện đại hố nơng thơn miền núi. Việc chế tạo bộ ELC mang lại nhiều lợi ích
thiết thực.
1.3 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn bao gồm:
- Lý thuyết: Khảo sát phương pháp thiết kế hệ thống bằng công nghệ
FPGA.
- Thực nghiệm: Ứng dụng công nghệ FPGA thiết kế thiết bị điều khiển
phụ tải trong trạm thủy điện nhỏ.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN
- Tham khảo các tài liệu của nước ngoài.
- Khảo sát các thiết bị của nước ngoài đang hoạt động tại các trạm thủy
điện tại Việt Nam.
- Tự nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
-8-

Chương 2.

QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ
FPGA

2.1 GIỚI THIỆU
Field Programmable Gate Array (FPGA) đang trở thành phần then chốt
của mọi thiết kế hệ thống. Nhiều nhà sản xuất đưa ra nhiều kiến trúc và qui
trình khác nhau. Loại nào là phù hợp với thiết kế của người dùng? Cần thiết

kế thế nào để vi mạch có thể làm việc đúng đắn và hoạt động như mong
muốn trong toàn bộ hệ thống?
Phần đầu của chương này đề cập cấu trúc bên trong và đặc tính của các
thiết bị này. PLD (Programmable logic devices) được mô tả khái quát, dẫn
đến mô tả chi tiết FPGA. Các kiến trúc khác nhau của loại thiết bị này được
khảo sát chi tiết cho phép quyết định lựa chọn loại thiết bị phù hợp với thiết
kế.
Phần tiếp theo là tiến trình thiết kế dự án FPGA. Phần này mô tả các bước
thiết kế cần thiết. Điều này cho phép người thiết kế hoặc quản trị dự án định
rõ tài nguyên và tạo kế hoạch.
Phần cuối của chương thảo luận chi tiết về thiết kế, mô phỏng và thử
nghiệm khi thiết kế FPGA. Hiểu biết những thử nghiệm này sẽ cho phép thiết
kế vi mạch hoạt động chính xác trong hệ thống và tin cậy suốt thời gian tuổi
thọ của sản phẩm.
2.2 LINH KIỆN ASIC DẢI CỔNG MẶT NẠ
Một vi mạch tích hợp ứng dụng cụ thể, hay ASIC, là một vi mạch có thể
được thiết kế bởi một kỹ sư khơng có kiến thức chun sâu về vật lý bán dẫn
hoặc xử lý bán dẫn. Nhà sản xuất ASIC đã tạo ra thư viện các ô (cell) và chức

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
-9-

năng (function) mà người thiết kế có thể sử dụng mà khơng cần biết chính xác
làm sao các chức năng đó được thực hiện trên chất bán dẫn. Nhà sản xuất
ASIC cũng hỗ trợ phần mềm tự động các quá trình như tổng hợp và bố trí
mạch, thậm chí có thể cung cấp công nghệ ứng dụng để hỗ trợ các kỹ sư thiết
kế ASIC thực hiện nhiệm vụ.

Dải cổng (gate array) là một ASIC với cấu trúc cụ thể bao gồm các hàng
và cột của cấu trúc transitor chuẩn. Mỗi ô cơ bản, hoặc mỗi cổng, bao gồm
cùng số nhỏ transistor không liên kết với nhau. Thực tế, không một transistor
nào trên dải cổng được nối với nhau lúc đầu. Lý do cho điều này là, các kết
nối sẽ được xác định cuối cùng bởi bản thiết kế của người dùng. Mỗi khi nhận
được bản thiết kế, phần mềm sẽ bố trí tính tốn transistor nào cần được liên
kết. Đầu tiên, các hàm chức năng mức thấp được kết nối với nhau. Ví dụ, 6
transistor có thể được nối với nhau để tạo ra D flip-flop, các transistor này sẽ
được định vị một cách vật lý rất gần nhau. Sau khi các hàm chức năng mức
thấp được định tuyến, đến lượt chúng sẽ được liên kết với nhau. Phần mềm sẽ
tiếp tục q trình xử lý này cho đến khi tồn bộ thiết kế được hoàn chỉnh. Cấu
trúc hàng và cột được mơ tả ở hình 2.1

Hình 2.1 - Kiến trúc dải cổng mặt nạ

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
- 10 -

Nhà sản xuất ASIC chế tạo nhiều khối chứa các dải cổng chưa liên kết với
nhau và nó có thể sử dụng cho bất kỳ yêu cầu nào. Một mạch tích hợp bao
gồm nhiều lớp vật liệu trong đó có vật liệu bán dẫn , chất cách điện và chất
dẫn điện. Một khối chưa liên kết được xử lý với tất cả các lớp ngoại trừ lớp
kim loại cuối cùng liên kết các cổng với nhau. Mỗi khi thiết kế kết thúc, nhà
chế tạo đơn giản cần bổ sung các lớp kim loại cuối cùng lên khối để tạo ra vi
mạch, sử dụng mặt nạ (photomasks) cho mỗi lớp kim loại. Vì lý do này, đơi
khi nó được nhắc đến như là dải cổng mặt nạ (Masked Gate Array) để phân
biệt nó với FPGA.

2.3 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC LINH KIỆN CĨ THỂ LẬP TRÌNH
Các linh kiện có thể lập trình đã trải qua một cuộc cách mạng lâu dài để
đạt tới sự phức tạp như ngày nay. Phần sau đưa ra sự xem xét theo thời gian
của các linh kiện này từ đơn giản đến phức tạp.
2.3.1 Programmable Read Only Memories (PROM)
Bộ nhớ ROM lập trình được (Programmable Read Only Memorie PROM) đơn giản là bộ nhớ có thể dễ dàng lập trình lại bởi người sử dụng để
chứa nội dung nhất định. Nội dung này có thể là một chương trình của vi xử
lý, một thuật tốn đơn giản hoặc trạng thái máy. Một vài loại PROM chỉ có
thể lập trình một lần. Các loại PROM khác, như EPROM hoặc EEPROM có
thể xố và ghi nhiều lần.
PROM rất thuận tiện cho việc thực thi bất kỳ loại tổ hợp logic nào với số
giới hạn các đầu vào và đầu ra. Là phần tử logic tuần tự, các thiết bị có xung
đồng hồ ngồi như flip-flop hoặc vi xử lý phải được bổ sung vào. Ngồi ra,
PROM có khuynh hướng rất chậm, vì vậy chúng khơng hữu ích với các ứng
dụng cần tốc độ nhanh.

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
- 11 -

2.3.2 Programmable Logic Arrays (PLA)
Mảng logic lập trình được (Programmable Logic Arrays - PLA) là một giải
pháp đối với giới hạn tốc độ và số đầu vào của PROM. PLA bao gồm số lớn
các đầu vào được nối với lớp (plane) các cổng AND, nơi các tổ hợp khác
nhau của tín hiệu có thể được liên kết AND với nhau tuỳ theo cách các phần
tử được lập trình. Các đầu ra của các lớp AND đi trực tiếp tới lớp cổng OR,
nơi các quan hệ được liên kết OR theo các tổ hợp khác nhau và cuối cùng đưa
ra kết quả. Tại các đầu ra và đầu vào, có các khối đảo cho logic NOT. Những

linh kiện này có thể thực hiện một số lớn hàm tổ hợp, mặc dù không phải tất
cả tổ hợp giống như trường hợp linh kiện PROM thực hiện. Tuy nhiên, chúng
nói chung có nhiều hơn số đầu vào và nhanh hơn.

Hình 2.2 - Kiến trúc PLA
2.3.3 Programmable Array Logic (PAL)
Logic mảng lập trình được (Programmable Array Logic - PAL) là biến thể
của PLA. Giống như PLA, nó có lớp AND rộng, lập trình được đối với logic
AND các đầu vào. Tuy nhiên, lớp OR được cố định, giới hạn số đầu ra có thể
OR với nhau. Các thiết bị logic cơ bản khác, như multiplexer, exclusive OR,
và bộ chốt (latche) được bổ sung thêm vào các đầu vào và ra. Quan trọng
nhất, các phần tử đồng hồ (clocked element), flip-flop thơng thường, được
đóng gói cùng. Những linh kiện này hiện nay có thể thực hiện số lớn các hàm

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
- 12 -

logic bao gồm hàm logic tuần tự theo nhịp xung (clocked sequential logic)
cần thiết cho các máy trạng thái. Điều này là sự phát triển quan trọng cho
phép linh kiện PAL có thể thay thế nhiều logic chuẩn trong nhiều thiết kế.
PAL cũng có tốc độ rất nhanh.

Hình 2.3 - Kiến trúc PAL
2.3.4 CPLD và FPGA

Hình 2.4 - So sánh CPLD và FPGA
Một cách lý tưởng, người thiết kế phần cứng mong muốn một cái gì đó

mang lại sự linh hoạt và sự phức tạp của ASIC, nhưng với một q trình ngắn
hơn linh kiện có thể lập trình (programmable device). Giải pháp đưa đến hai
dạng linh kiện mới - CPLD (Complex Programmable Logic Device) và FPGA
(Field Programmable Gate Array). Như có thể thấy trong hình 2.4, linh kiện

Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003


QUI TRÌNH THIẾT KẾ ASIC VÀ CƠNG NGHỆ FPGA
- 13 -

CPLD và FPGA khắc phục sự khiếm khuyết giữa linh kiện PAL và Gate
Array. Linh kiện CPLD có tốc độ nhanh như linh kiện PAL nhưng có độ phức
hợp cao hơn. Linh kiện FPGA đạt đến độ phức hợp của Gate Array, lại có thể
lập trình được.
2.3.5 Complex Programmable Logic Devices (CPLD)
Linh kiện CPLD (Complex Programmable Logic Devices) về cơ bản
chúng được thiết kế để xuất hiện như là một số lớn linh kiện PAL trên một vi
mạch đơn, được liên kết với nhau qua các chuyển mạch giao điểm
(crosspoint switch). Chúng sử dụng cùng một công cụ phát triển và lập trình
và được dựa trên cùng cơng nghệ, nhưng chúng có thể xử lý phức hợp hơn.
2.3.5.1 Các cấu trúc CPLD

Hình 2.5 - Kiến trúc CPLD
Sơ đồ trong hình 2.5 thể hiện cấu trúc bên trong của linh kiện CPLD thơng
thường. Trong khi mỗi nhà sản xuất có các biến thể khác nhau, nói chung
chúng giống nhau ở chỗ chúng gồm các khối chức năng, khối vào/ra và một
ma trận kết nối. Các linh kiện sử dụng các phần tử lập trình được để lập trình,
phụ thuộc vào cơng nghệ của nhà sản xuất, có thể là các ơ EPROM,
EEPROM hoặc Flash EPROM.


Lê Hồng Tiến – Cao học Xử lý thông tin và truyền thông 2003