Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính (Nghề: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trình độ Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề An Giang

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính phần 2 gồm các nội dung chính sau: Giao tiếp qua cổng USB; Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính; Lập trình giao tiếp và điều khiển trên PC. Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 4 GIAO TIẾP QUA CỔNG NỐI TIẾP

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng của cổng RS232;

- Trình bày được phương thức truyền dữ liệu qua cổng RS232;

- Thực hiện được việc truyền dữ liệu qua cổng RS232Cơ bản và ghép nối về

I Cơ bản và ghép nối về chuẩn giao tiếp cổng Com RS232

RS là chữ viết tắt của Recommended Standard (Tiêu chuẩn khuyến nghị) Các số 232/422/485 phía sau chữ “RS” là một phần của danh sách tuần tự các tiêu chuẩn EIA

So Sánh 3 chuẩn truyền thông

RS232, RS422 và RS485 là các tiêu chuẩn truyền thông giao tiếp nối tiếp được phát triển

và phát hành bởi hiệp hội các ngành công nghiệp điện tử (EIA) RS232 được phát hành vào năm 1962 và đặt tên EIA-232-E là một tiêu chuẩn công nghiệp nhằm đảm bảo khả năng kết nối tương thích giữa các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau

RS422 được phát triển từ RS232 Để cải thiện những thiếu sót của giao tiếp RS232 là khoảng cách ngắn và tốc độ thấp, RS422 được cải tiến với tín hiệu giao tiếp truyền thông cân bằng giúp tăng tốc độ truyền lên 10 Mb / giây và khoảng cách truyền lên 4000 ft (ở tốc độ dưới 100 kb / s) Nó cũng cho phép tối đa 10 máy thu được kết nối trên một bus cân bằng RS422 là một đặc trưng truyền dẫn cân bằng một chiều cho truyền một máy và tiếp nhận nhiều máy Nó được đặt tên theo tiêu chuẩn TIA / EIA-422-A

Để mở rộng phạm vi ứng dụng, EIA đã phát triển tiêu chuẩn RS485 dựa trên RS422 vào năm 1983 đặt tên là TIA / EIA-485-A, bổ sung khả năng giao tiếp hai điểm, đa điểm, nghĩa là cho phép nhiều máy phát kết nối với cùng một bus và thêm máy phát

1 RS232:

Là một chuẩn truyền thông được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và

“Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) RS232 là chuẩn truyền thông phổ biến nhất một thời, thường được gọi tắt là RS232 hoặc RS-232 thay vì EIA/TIA-232-

E Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment)

Phiên bản đầu tiên của RS232 được phát hành vào năm 1962, và các mức logic được định nghĩa khác với logic TTL Ở ngõ ra của một mạch điều khiển, mức cao (tương ứng với logic 0) là một điện áp từ +5 đến +15 V, còn mức thấp (tương ứng với logic 1) là một điện áp từ -5 đến -15 V Tại ngõ vào của một bộ thu, mức cao được định nghĩa là từ +3 đến +15 V (gọi là space), và mức thấp được định nghĩa là từ -3 đến -15 V (gọi là mark)

Có 2 phiên bản RS232 được sử dụng trong thời gian dài nhất là RS232B và RS232C Tuy nhiên, hiện nay chúng ta chỉ thấy xuất hiện phiên bản RS232C và thường được gọi với tên ngắn là RS232 Trong phần cứng máy tính, thường có 1 hoặc 2 cổng RS232C và được gọi là cổng COM Cổng COM này thường được chia thành 2 loại là 9 chân hoặc 25 chân tùy theo đời máy, hay main máy tính (tuy nhiên hiện tại thì chúng ta thấy nhiều loại 9 chân hơn)

1/ Đặc điểm của RS232

- Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

- Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

- Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm – 7000 ôm

- Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V

- Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)

- Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

- Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm

- Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m

- Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng: 9600, 19200, 28800, 38400…

56600, 115200 bps

Để giảm nguy cơ bị nhiễu giữa các tín hiệu kế cận, tốc độ thay đổi (slew rate) được giới hạn tối đa là 30 V/μs, và tốc độ cũng được giới hạn tối đa là 20 kbps (kilobit per second) (giới hạn này hiện đã được nâng lên nhiều lần)

Trở kháng của mạch điều khiển được chỉ định là từ 3 đến 7 kΩ Tải dung tối đa của đường truyền cũng được giới hạn là 2500 pF, và như vậy tùy thuộc vào loại cáp mà chiều dài tối đa có thể được xác định từ điện dung trên đơn vị chiều dài của cáp

2/ Chức năng chân RS232

Như đã nêu ở trên, RS232 phân ra 2 số chân chính là 9 chân (DB9) và 25 chân (DB25); tuy nhiên với các dòng máy hiện đại ngày nay thì loại DB25 không thấy xuất hiện nữa, cho nên chúng ta sẽ tập chung và tìm hiểu loại DB9 Các tín hiệu RS-232 được định nghĩa tại DTE, theo bảng sau (chỉ nói đến các tín hiệu của đầu nối 9 chân):

1 Data Carrier Detect (DCD) Từ DCE

4 Data Terminal Ready (DTR) Đến DCE

5 Ground

- Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu

- Chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu

- Chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

- Chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

- Chân 8 : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi, bộ nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu

- Chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

Các hệ thống logic hiện nay chủ yếu sử dụng các chuẩn logic TTL hay CMOS, do

đó khi cần giao tiếp bằng chuẩn RS-232 sẽ phải dùng các mạch điều khiển và thu

(232 driver và receiver, hay (232 transceiver) để chuyển đổi giữa TTL/CMOS và

RS-232 vật lý Các bộ transceiver hiện nay thường có sẵn các bơm điện tích (charge pump)

để tạo ra các mức áp RS-232 vật lý (phổ biến là +12 V và -12 V) từ một điện áp nguồn đơn cực giá trị nhỏ (5 V hay 3.3 V)

Vì chuẩn RS-232 chỉ dành cho giao tiếp giữa DTE và DCE, do đó khi hai máy tính (là các DTE) cần giao tiếp với nhau thông qua chuẩn RS-232 thì cần phải có các DCE (chẳng hạn như modem) làm trung gian Các DCE này là các ngoại vi nên có thể giao tiếp trực tiếp với nhau thông qua một chuẩn nào đó

2 RS422

Là một chuẩn truyền thông cũng được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và “Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA); thường được gọi tắt là RS422 hay RS-422 thay vì EIA/TIA-422 Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền

dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi Data Circuit-Terminating Equipment)

(DCE-Chuẩn truyền thông RS-422 là một chuẩn truyền thông nối tiếp (serial) RS-422 hỗ trợ truyền thông tốc độ cao và khoảng cách truyền dữ liệu dài Mỗi tín hiệu được truyền trên một cặp dây ( 2 dây) và đó là sự khác biệt với các chuẩn truyền thông khác RS-422

là một cơ chế vận chuyển phổ biến cho các bộ mở rộng RS-232 Chúng bao gồm các cổng RS-232 ở hai đầu của kết nối RS-422

Với khoảng cách 40 feet ( tương đương 12m) thì tốc độ truyền dữ liệu tối đa là

100 Kilobytes trên giây Một điện trở 120 – Ohm được mắc nối tiếp ở cuối đường truyền

để ngăn chặn tín hiệu phản xạ và giao thoa RS422 thường được sử dụng giữa một cặp thu phát này và một cặp thu phát khác

Tuy nhiên, ở mỗi đầu ra, có thể truyền tới tối đa 10 đầu nhận

Chuẩn này bao gồm máy thu vi sai, trình điều khiển vi sai và tốc độ dữ liệu cao tới 10 Megabits mỗi giây ở tốc độ 12 mét (40 ft).Vì chất lượng tín hiệu suy giảm theo chiều dài cáp, tốc độ dữ liệu tối đa giảm khi chiều dài cáp tăng

Hình 30.RS422

1/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422

- Tiêu chuẩn : TIA/DTE-422

- Phương tiện vật lý : Cáp xoắn đôi

- Cấu trúc mạng : liên kết điểm – điểm , liên kết điểm đa – đa điểm

- Khoảng cách truyền tối đa : 1200m (4000 ft)

- Tốc độ truyền tối đa : 100KBS -10MBS

- Mức điện áp : – 6V đến + 6V (điện áp chênh lệch cực)

- Tín hiệu khả dụng : Tx +, Tx-, Rx +, Rx- (Full duplex)

2/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422A

3/ Ưu nhược điểm RS422

RS-422 tương tự như giao thức RS-232 và có thể được thiết lập theo cùng một cách, tuy nhiên, nó vẫn có một vài ưu điểm và nhược điểm khác nhau Đặc biệt là ở vấn

đề bạn cần mua PC hỗ trợ cổng RS422 hoặc ít nhất là bộ chuyển đổi RS422 sang RS232,

vì PC thường không sử dụng tiêu chuẩn RS422 này

Tốc độ truyền của RS-422 nhanh hơn và có khả năng đa điểm Ngoài ra, bạn có

232 phổ biến; các mẫu đầu tiên sử dụng đầu nối D 9 chân, nhưng điều này nhanh chóng được thay thế bằng đầu nối mini-DIN-8 Các cổng có thể được đặt ở chế độ RS-232

Trước khi sử dụng các hệ thống phát và chỉnh sửa dựa trên đĩa cứng, các hệ thống

tự động hóa phát sóng và các cơ sở chỉnh sửa tuyến tính hậu sản xuất đã sử dụng 422A để điều khiển từ xa các đầu phát / máy ghi âm trong phòng máy trung tâm

RS-Khi cần truyền thông ở tốc độ cao và khoảng cách lớn như trong điều kiện nhà xưởng thực tiễn, phương pháp truyền chuẩn RS- 232 không đáp ứng nỗi những yêu cầu

Kỹ Thuật đặt ra như độ tin cậy truyền thông theo kiểu sai biệt tín hiệu sai biệt đường truyền cân bằng – Balanced Lines tỏ ra hiệu quả hơn trong hầu hết các ứng dụng vì vậy người ta sử dụng RS 422 là chuẩn được thiết kế với tốc độ cao và khoảng cách truyền dẫn lớn hơn rất nhiều so với chuẩn RS-232

II Bộ chuyễn đổi mức

1 Các mức điện áp đường truyền

RS232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do đó ngay từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vẫn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng ra của bộ phát

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau:

Mức logic 0 : +3V , +12V

Mức logic 1 : -12V, -3V

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính vì

từ – 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic

từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết

bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd

2 Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp the Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng – bit stop có thể là 1, 1,5 hay 2 bit dừng

3 Tốc độ Baud

Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây hay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)

Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được truyền còn tôc độ bit thì phản ánh tốc độ thực tế mà các bit được truyền.Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800,

9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ là

19200

Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 thì yêu cầu khi sử dụng chuẩn là thời gian chuyển mức logic không vượt quá 4% thời gian truyền 1 bit Do vậy, nếu tốc độ bit càng cao thì thời gian truyền 1 bit càng nhỏ thì thời gian chuyển mức logic càng phải nhỏ Điều này làm giới hạn tốc Baud và khoảng cách truyền

Bit chẵn lẻ hay Parity bit

Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ xung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền Do đó trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ

Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để ch thấy số lượng các bit

“1” được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ

Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi chả hạn như 1,3,,5,7,9… Nếu như một bit chẵn được mắc lỗi thì Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện ra lỗi Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi

III Mạch giao tiếp cổng com

1 Sơ đồ bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485

2 Dây chuyển đổi USB sang RS485

Hình 32 Dây chuyển đổi USB sang RS485

Bộ chuyển đổi USB sang RS485 thường được dùng trong ngành công nghiệp, được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng mang theo Bộ chuyển đổi này có các mạch bảo vệ chống

rỉ, chống lại sự tác động từ môi trường xấu bên ngoài

Hoạt động: Bộ chuyển đổi này có khả năng liên lạc nhanh, ổn định và bảo mật cao nên có thể tự động thu phát

3 Cáp điều khiển RS485 – Grove

Grove được biết đến là mẫu kết nối hệ thống tiêu chuẩn hóa đơn giản và dễ dàng ứng dụng trong học tập

Grove cho phép Arduino của người sử dụng kết nối trực tiếp với RS485, cắm trực tiếp và tiến hành sử dụng

Hình 33 Kết nối RS485 với máy tính

Đây là bộ chuyển đổi được cấu tạo có mạch bảo vệ cách ly nguồn hoặc cách ly từ tính Bộ chuyển đổi S177P1 được thiết kế riêng cho các tín hiệu Modbus RTD RS 485, RS232 giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB Bộ chuyển đổi này được dùng để cách ly USB sang RS485, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp

Bộ chuyển đổi này được đánh giá khá dễ dùng, thu phát tự động mà không gây ra tình trạng trễ thông tin, là sự lựa chọn tuyệt vời cho những ứng dụng yêu cầu sự giao tiếp cao

4 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB

Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng từ RS485 sang USB giúp người sử dụng giải quyết được những trường hợp khó khăn nhất trong máy tính trở nên rất dễ dàng

Hiện nay, các loại laptop đều sẽ cắt sự tồn tại của cổng COM hoặc RS232 vì chúng làm cho laptop cồng kềnh hơn, sử dụng RS485 thì laptop sẽ nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích

5 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet

Hình 34 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet

Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet giúp tín hiệu truyền được tập trung tuyệt đối và quản lý trên diện rộng, không còn bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý hay diện tích, độ dài dây dẫn

Bộ chuyển đổi tín hiệu này là phát minh vĩ đại cho các hệ thống lớn trong xưởng sản xuất lớn, nhà máy lớn, hệ thống công nghiệp lớn,…

IV Mạng RS485

RS485 là một chuẩn truyền thông được xây dựng trên nền tảng chuẩn RS422 Điểm khác biệt chính là RS485 cho phép tối đa 32 cặp thu phát có mặt trên đường truyền cùng lúc Tương tự, RS485 cũng cần một trở kháng 120 Ohm ở cuối đường truyền để ngăn

3 Mức tín hiệu

Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi

áp của dây A lớn hơn dây B tối thi ểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB< 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V

4 Cặp dây xoắn

Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây

có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao

5 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ

100 – 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy

6 Điện áp kiểu chung

Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM)

về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung

7 Vấn đề nối đất

Tín hiệu trên hai dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi

đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị Điều này cho thấy mạng RS485 gồm hai dây nhưng có tới ba mức điện áp được xem xét Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây

ra chênh lệch điện thế từ điểm này tới điểm kia, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất

Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ ba, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu

8 Điện trở đầu cuối

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại hai điểm tận cùng kết thúc của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 – 120Ω

Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị sai lệch Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng hai điện trở đầu cuối khác nhau

9 Phân cực đường truyền

Khi mạng RS485 ở trạng thái rảnh thì tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền Lúc này trạng thái của đường truyền được xem là bất định

Nếu -200mV ≤ VAB ≤ 200mV thì trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ mang giá trị của bit cuối cùng nhận được Điều này không đảm bảo vì đường truyền rảnh trong truyền dữ liệu nối tiếp đòi hỏi phải ở mức cao để khối thu không hiểu nhầm là có dữ liệu xuất hiện trên đường truyền

Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rảnh thì việc phân cực đường truyền (Biasing) phải được thực hiện Một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B sao cho VAB ≥ 200mV sẽ ép đường truyền lên mức cao

Nguyên nhân mà RS485 có thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông là do

phép tạo thành 1 mạng cục bộ Cáp tín hiệu truyền thông công nghiệp RS485 bao gồm các chuẩn 22AWG và 24AWG

V MOSBUS RTU

RS485 là một phương thức giao tiếp được ứng dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp, viễn thông, POS,… Đặc biệt, RS485 được sử dụng nhiều trong các môi trường nhiễu do phạm vi đường truyền rộng lớn, đường cáp truyền đi quá lại quá dài trong môi trường nhiễu Không chỉ dừng lại ở đó, RS485 cũng được ứng dụng nhiều trong hệ thống máy tính, điều khiển, PLC hay cảm biến thông minh

Hình 36 MOSBUS RTU RS485 hay được biết đến với tên gọi đầy đủ là chuẩn giao tiếp RS485 hay cáp RS485, đây là phương thức giao tiếp kết nối với máy tính và các thiết bị khác RS485 không chỉ đơn thuần là giao diện đơn lẻ mà nó chính là tổ hợp truyền thông có khả năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị

Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối max lên đến 32 thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ở khoảng cách lên đến 1200m

1 Nguyên lý hoạt động của RS485

Nguyên lý hoạt động của RS485 khá đơn giản, dữ liệu sẽ được truyền qua 2 dây khi xoắn lại với nhau, dây này được gọi là cáp xoắn Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho RS485 khả năng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín hiệu đường dài tốt hơn

RS485 được chia làm 2 loại cấu hình, hiện đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là cấu hình 2 dây và cấu hình 4 dây

Hình 37 Sơ đồ chân RS485 2 dây

Đối với cấu hình 2 dây, dữ liệu sẽ được truyền đi theo một hướng tại một thời

điểm nhất định Với kiểu thiết lập này, tín hiệu TX và RX sẽ cùng nhau dùng chung một cặp dây duy nhất giúp người sử dụng tiết kiệm được chi phí cài đặt

2 Sơ đồ chân RS485 2 dây

Hình 38 Sơ đồ chân RS485 2 dây

- Là sản phẩm tân tiến nhất hiện nay, khắc phục những yếu điểm mà RS232 để lại Cáp RS485 là chuẩn giao tiếp duy nhất có thể kết nối cùng lúc nhiều máy phát và máy thu trên cùng một hệ thống mạng

- Những máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ thì RS485 vẫn có thể kết nối lên 32 thiết bị Ngoài ra, với các đầu vào khác, RS485 có thể kết nối tối đa lên 256 thiết bị

- Khi RS485 đang kết nối các thiết bị ở khoảng cách khá xa thì người sử dụng có thể khắc phục bằng cách lắp thêm bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tín hiệu ổn định hơn, tránh nhiễu đường truyền

- RS485 có lắp đặt 2 dây truyền tín hiệu nên tín hiệu sẽ được truyền đi nhanh hơn trên khoảng cách xa và rộng hơn

4 Nhược điểm RS485

- Khi truyền quá nhiều thiết bị trên cùng một đường dây thì gian đáp ứng sẽ chậm

- Các thiết bị cần phải dùng chung chuẩn RS485 thay cho chuẩn Analog hiện hữu

- Cần có một kiến thức nhất định để sử dụng RS485 hiệu quả

5 Sự khác nhau giữa RS485 và RS232

Như mọi người đã biết, RS485 là phiên bản tân tiến, khắc phục được mọi nhược điểm của chuẩn giao tiếp RS232 Thế nhưng giữa 2 chuẩn giao tiếp này khác nhau ở những điều gì?

6 Số lượng trình điều khiển và nút

Điểm khác nhau đầu tiên giữa RS485 và RS232 chính là số lượng điều khiển và nút:

- RS485: Điều khiển được 32 thiết bị cùng một lúc

- RS232: Điều khiển được duy nhất 1 trình điều khiển và 1 bộ thu

7 Khoảng cách trong giao tiếp

Điểm khác nhau tiếp theo phải kể đến chính là khoảng cách trong giao tiếp của Rs485 và RS232:

- RS485: Khoảng cách giao tiếp tối đa đạt mức 1200m

- RS232: Khoảng cách giao tiếp tối đa chỉ đạt mức 15m

8 Ứng dụng của RS485 trong công nghiệp

Hình 39 RS485 được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp

- RS485 được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung và ngành tự động hóa nói riêng Những ứng dụng nổi bật của RS485 có thể kể đến như việc ứng dụng trong điều khiển động cơ từ xa VFD hoặc trong biến tần RS485 cũng điều khiển những hệ thống mạng đơn giản PLC, HMI – đây đều là những mạng cho phép điều khiển động cơ từ khoảng cách xa trong ngành công nghiệp

- Để theo dõi và kiểm tra lượng nước được bơm vào từ một máy bơm, bạn không cần phải theo dõi sát sao bên cạnh Thay vào đó, khi sử dụng RS485, bạn hoàn toàn có thể điều khiển và theo dõi lượng nước từ một nơi rất xa

- Khi chuẩn giao tiếp RS485 kết nối được hệ thống gồm HMI và PLC thì PLC cũng sẽ được kết nối với VFD thành công thông qua RS485

- Hệ thống PLC thường được sử dụng trong việc theo dõi, giám sá mực nước trong các bồn chứa, nên khi kết nối với RS485, PLC có thể theo dõi mực nước từ trung tâm điều khiển hoặc có thể quay về kiểm soát dòng chảy, mực nước theo cách thủ công khi cần

- Hệ thống VFD khi kết nối với RS485 cho phép kiểm soát tốc độ của máy bơm nước

từ trung tâm ở xa

VI Thực hành giao tiếp qua cổng nối tiếp

1 Sơ đồ giao tiếp RS485 giữa hai Arduino

Hình 40 Giao tiếp RS485 giữa hai Arduino

2 Chương trình

………

CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP QUA CỔNG USB

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được nhiệm vụ và chức năng của cổng USB;

- Trình bày được phương thức truyền dữ liệu qua cổng USB;

- Thực hiện được việc truyền dữ liệu qua cổng USB

I Cấu trúc cổng USB

USB cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị, đồng thời cũng là cổng cung cấp nguồn qua cáp cho các thiết bị mà không cần đến nguồn riêng cho chúng USB Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối giao tiếp giữa máy tính cá nhân và các thiết bị điện tử dân dụng Cổng USB cho phép các thiết bị điện tử dùng cáp kết nối đến máy tính USB cho phép truyền dữ liệu giữa các thiết bị, đồng thời cũng là cổng cung cấp nguồn qua cáp cho các thiết bị mà không cần đến nguồn riêng cho chúng

USB được phát triển bởi một nhóm gồm các thành viên "gạo cội" như Intel, Compaq, Microsoft, Digital, IBM, Northern Telecom và được chính thức cấp chứng nhận vào đầu năm 1996 USB có thể hỗ trợ cho hơn 127 loại thiết bị ngoại vi khác nhau với tốc độ tăng dần: 1,5Mbps (USB đầu tiên), 12Mbps (USB 1.0), 480Mbps (USB 2.0) và 500Mbps (USB 3.0 sắp xuất hiện)

USB có thể dùng để thay thế các cổng giao tiếp nối tiếp (series) và song song (parallel) Bên cạnh đó, USB còn kết nối đến các thiết bị ngoại vi trên máy tính như chuột, bàn phím, PDA, thiết bị chơi game (gamepad, joystick), máy quét, máy ảnh số, máy in, thiết bị nghe nhạc, bút lưu trữ và rất nhiều thiết bị gắn ngoài khác Các loại đầu nối USB

Hình 41 USB-A và USB-B

USB On-The-Go (OTG) hỗ trợ các loại socket khác nhau như: AB, Mini và

Micro Các phiên bản USB

USB 1.0 được trình làng vào năm 1994, có tốc độ 12Mbps, giúp thay thế nhiều cổng kết nối trên máy tính cá nhân

USB 2.0 ra mắt vào năm 2000 và được USB-IF (USB Implementers Forum) chuẩn hóa vào cuối năm 2001 Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (nay là Alcatel-Lucent sau khi sáp nhập với Alcatel năm 2006), Microsoft, NEC và Philips cùng phát triển lên mức tốc độ cao hơn, 480Mbps

USB 3.0 được Promoter Group công bố vào 2008, có tốc độ nhanh gấp 10 lần USB 2.0, 5Gbps - SuperSpeed USB Sản phẩm chính thức sẽ ra mắt vào năm nay hoặc 2010

Cổng USB có 4 chân

Hình 42 Cổng USB có 4 chân

II Các mạch tích hợp chuyển đổi

USB sang RS232 hay RS422, RS485

1 USB sang RS232

Hình 43 USB sang RS232

2 USB sang RS422

Hình 44 USB To RS232 Giao Diện Sơ Đồ Mạch

3 USB sang RS485

Hình 45 USB sang RS485

4 Sự khác biệt giữa RS232, RS422, RS485

Hình 46 Sự khác biệt giữa RS232, RS422, RS485

Hình 47 Cổng chuyễn usb sang com Thiết kế USB để kết nối phần cứng cổng nối tiếp RS232 sơ đồ hệ thống phần cứng bao gồm bốn nhóm Vào: Giao diện, CH341T, MAX232 và RS232 giao diện USB để kết nối thiết bị RS232 Theo nhu cầu thực tế, hãy chọn kết nối DB9 sử dụng rộng rãi hiện nay USB đến 9-line cổng nối tiếp

Hình dưới đây cho thấy cổng nối tiếp USB đến RS232 nhận ra bởi CH340T CH340 cung cấp tín hiệu cổng nối tiếp thường được sử dụng và tín hiệu MODEM Nó chuyển đổi cổng nối tiếp TTL thành cổng nối tiếp RS232 thông qua mạch chuyển đổi mức U8 Cổng P11 là chân DB9 Pin và chức năng của nó giống như cổng nối tiếp 9-pin thông thường của máy tính Mô hình tương tự của U8 Có MAX213 / ADM213 / SP213 / MAX211 và vân vân

III Các mạch ứng dụng

Khi thiết kế bảng mạch in PCB, cần lưu ý rằng các tụ tách C8 và C9 phải càng gần càng tốt với các chân nối của CH340; các đường tín hiệu D + và D- phải được đặt gần dây song song, và dây nối đất hoặc đồng phải được cung cấp ở cả hai bên càng nhiều càng tốt

để giảm nhiễu tín hiệu bên ngoài; cố gắng rút ngắn chiều dài của các đường tín hiệu liên quan đến pin XI và XO, để giảm nhiễu tần số cao, bạn có thể bao quanh mặt đất hoặc đồng trên các thành phần liên quan

1 USB đến cổng nối tiếp RS232

Hình này cho thấy cổng nối tiếp RS232 3 dây cơ bản và thường được sử dụng nhất cho USB và U5 là MAX232 / ICL232 / SP232

Hình 48 USB đến cổng nối tiếp RS232

2 USB đến 3-dây cổng nối tiếp RS232

Con số này cũng là một cổng nối tiếp RS232 3 dây USB Mạch này có chức năng giống như hình trên, ngoại trừ mức tín hiệu RS232 đầu ra hơi thấp hơn Pin R232 của CH340 ở mức cao và chức năng RS232 phụ được bật Nó chỉ cần diode bên ngoài, bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện để thay thế mạch chuyển đổi mức đặc biệt U5 trong 7.2 Do đó, chi phí phần cứng thấp hơn

Hình dưới đây cho thấy bộ điều hợp hồng ngoại USB bao gồm chip hồng ngoại IrDA CH340R và bộ thu phát hồng ngoại U14 (chẳng hạn như ZHX1810 / HSDL3000) Điện trở R13 được sử dụng để làm giảm ảnh hưởng của dòng điện lớn trong quá trình truyền hồng ngoại trên các mạch khác và có thể được loại bỏ khi yêu cầu không cao Điện trở giới hạn hiện tại R14 nên được điều chỉnh theo giá trị khuyến nghị của nhà sản xuất bộ thu phát hồng ngoại U14 thực sự được chọn

USB-to-Câu hỏi

1 So sánh chuẩn nối tiếp RS-485 và chuẩn USB?

2 Các chuẩn đầu nối USB?

3 Trình bày các cổng nối tiếp đã học?

4 Các cách ghép nối đường dây ?

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG GIAO TIẾP MÁY

TÍNH

Mục tiêu của bài:

- Trình bày được cấu trúc cơ bản của hệ thống nhúng;

- Biết được các thành phần của một hệ thống nhúng cơ bản;

- Thực hiện kết nối được một hệ thống nhúng cơ bản

I Giới thiệu chung

1 Bo Nhúng

Hình 50 Board nhúng

2 Sơ đồ ứng dụng hệ thống nhúng

Hình 51 Sơ đồ ứng dụng hệ thống nhúng Ngày nay, chúng ta không còn xa lạ với các thiết bị gia dụng: Tủ lạnh, lò vi song, lò nướng,…

Các thiết bị văn phòng: máy photocopy, máy fax, máy in, máy scan,…

Các thiết bị y tế: máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim,…

Các thiết bị giải trí: máy nghe nhạc, máy ảnh, máy chơi game,…

Các thiết bị kết nối mạng: router, hub, gateway,…

Các thiết bị công nghiệp: dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp, robots Các thiết bị kể trên đều ứng dụng của hệ thống nhúng

Hệ thống nhúng (tiếng anh embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ Đó

là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần mềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao

Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào

đó Một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn

Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn

3 Sơ đồ khối của hệ thống nhúng trên điều hòa:

Hình 52.Sơ đồ hệ thống nhúng trên máy điều hòa không khí

Các khối điều khiển công tắc điện tử, điều khiển Relay máy nén, điều khiển motor, đèn hiển thị, đọc cảm biến nhiệt độ,… là một hệ thống nhúng con

Cả hệ thống điều khiển là một hệ thống nhúng lớn hơn với chức năng chính là điều khiển nhiệt độ phòng Được nhúng trong hệ thống điều hòa bao gồm bộ điều khiển, nguồn, motor gió, máy nén,…

4 Đặc điểm của hệ thống nhúng

Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chuyên dụng chứ không phải đóng vai trò là các hệ thống máy tính đa chức năng Một số hệ thống đòi hỏi ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an toàn và tính ứng dụng; một số hệ thống không đòi hỏi hoặc ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng

để giảm thiểu chi phí sản xuất

Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển

Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash chứ không phải là trong một ổ đĩa

Có tài nguyên giới hạn: các hệ thống nhúng bị giới hạn nhiều hơn về phần cứng và chức năng phần mềm so với máy tính cá nhân

Tương tác với thế giới thực: hệ thống nhúng tương tác với thế giới bên ngoài với nhiều cách: cảm nhận môi trường, tác động trở lại môi trường, tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực, có thể có hoặc không có giao diện giao tiếp với người dùng như máy tính

cá nhân

Yêu cầu chất lượng ổn định và độ tin cậy cao: Nhiều loại thiết bị nhúng có những yêu cầu rất cao về chất lượng, tính ổn định và độ tin cậy Lỗi của hệ thống nhúng có thể gây ra tai nạn khủng khiếp, lỗi trên hệ thống nhúng có thể không sửa được Vì vậy việc phát triển

hệ thống nhúng yêu cầu quy trình kiểm tra - kiểm thử rất cẩn thận

Các thiết bị trong công nghiệp: robot, dây chuyền,…

Giao thông vận tải: Ô tô, máy bay,…

II Hệ thống thu thập, đo đạc số liệu từ cảm biến

1 Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển

Hệ thông đo lường và điều khiển là một hệ thống tập hợp các thiết bị kỹ thuật có cùng một nhiệm vụ, cùng một thuật toán chức năng làm sao để thu nhận được thông tin,

Hình 53 Sơ đồ khối của hệ thống

Để có một hệ thống đo đạt hiệu quả và phù hợp với công việc thì việc thiết kế một

mô hình ban đầu rất quan trọng nó ảnh hưởng đến toàn bộ công việc sau này của chúng

ta

Trong thực tế có nhiều mô hình cấu trúc như là mô hình nối tiếp, mô hình song song, mô hình nối tiếp song song.v.v Mỗi mô hình được ứng dụng trong từng trường hợp nhưng tùy thuộc vào yêu cầu của công việc chúng ta phải lựa chọn một mô hình cho phù hợp

Yêu cầu về một hệ thống đo và thu thập thông tin trong công nghiệp là cần phải đạt

độ chính xác cao, khả năng đo được nhiều kênh, có thể kết nối được với nhiều thiết bị khác, lượng dữ liệu lưu trữ được trong quá trình đo phải lớn để có thể đánh giá được sự biến đổi của đối tượng trong một thời gian dài từ đo đưa ra được những phương án điều khiển phù hợp

2 Ví dụ về hệ thống đo lường nhiệt độ

Hình 54 Sơ đồ khối của hệ thống đo lường nhiệt độ

Một sensor nhiệt độ được sử dụng với mục đích cảm nhận Đầu ra là giá trị điện áp tùy thuộc vào sự biến đổi của đối tượng, được đưa vào bộ biến đổi ADC chuyển thành các giá trị số Tiếp tục vi điều khiển đảm nhận làm nhiệm vụ tính toán và xử lý, kết quả của quá trình này được hiển thị thông qua LCD để quan sát

Ứng dụng thêm mạch giao tiếp với thẻ nhớ MMC qua đó ta có thể lưu trữ nhiều giá trị nhiệt độ đo được mà ít phải quan tâm đến việc đầy bộ nhớ như việc ghép nối với các EPROM truyền thống Thêm một lợi điểm nữa của việc dùng thẻ nhớ là ta có thể tháo lắp

và đọc các giá trị đã ghi được một cách rất đễ dàng

Không chỉ là đo nhiệt độ hiển thị, và lưu giá trị nhiệt độ Khóa luận đã phát triển thêm các giao tiếp với bàn phím PS/2 và đồng hồ thời gian thực Với ghép nối PS/2 cho phép ta nhập các dữ liệu, thông tin về địa điểm đặt đầu đo, thông tin về hệ thống.v.v Còn đồng hồ sẽ cho biết thông tin về thời gian mà nhiệt độ được đo Tất cả dữ liệu nhập từ bàn phím và thông tin về thời gian cũng như nhiệt độ đo được sẽ được lưu vào thẻ nhớ Với một hệ thống với nhiều đầu đo đặt tại nhiều vị trí hoặc khi triển khai hệ thống trên một phạm vi rộng, thì việc kết hợp những giao tiếp như trên sẽ rất có lợi cho việc quản lý

bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ đo

- Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuyển các đại lượng vật lý cần đo của đối tượng cần đo thành các đại lượng khác có thông tin định lượng của đại lượng đó tức là thể hiển thị được hoặc đọc được một cách định lượng

- Thường ngày nay, để thuận lợi cho việc lưu trữ, truyền thông, xử lý thì các đại lượng cần đo đều chuyển về cái đại lượng điện mang thông tin định lượng của đại lượng cần đo như hiệu điện thế hoặc dòng điện

- Đại lượng điện này thuận lợi cho việc truyền, lưu trữ, xử lý bằng các thiết bị điện, mạch điện tích hợp, với công nghệ điện toán mà nhân loại đã đạt được rất nhiều thành tựu

- Việc thu thập gồm truyền và lưu trữ ngày nay thường được thực hiện trên cơ sở điện toán

- Việc xử lý thông tin được thực hiện tự động hoàn toàn hoặc tự động một phần thông qua hệ thống điện toán, thường thực hiệu bằng ít nhất một bộ vi xử lý và một

chương trình hoạt động trên vi xử lý đó

- Việc của người thực hiện công việc liên quan hệ thống này là xây dựng hệ thống gồm phần cứng và phần mềm, vận hành hệ thống, sử dụng và đánh giá các kết quả

đo

- Một hệ thống đo đạc và điều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại lượng, thông số của đối tượng, truyền thông, lưu trữ, xử lý, phân tích đánh giá và còn có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phản hồi (feedback) hoàn toàn tự động

Hình 55 Khối xử lý tín hiệu đưa về bộ điều khiển

4 Khảo sát một số sơ đồ khối của một hệ thống đo tự động:

1/ Sơ đồ khối điều khiển của máy điều hòa không khí