Một số khái niệm Các bộ truyền không cân bằng : mỗi tín hiệu được truyền trong hệ thống truyền dữ liệu không cân bằng RS - 232 xuất hiện trên chân cắm giao tiếp như một điện áp so với t
Trang 1KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI :
GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA MẠNG RS-485 VÀ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH QUA MẠNG RF
Giáo viên hướng dẫn : Th.S NGÔ THANH HẢI Sinh viên thực hiện : NGUYỄN ĐỨC HIẾU Lớp : 08DD3N
Khoá : 08
Trang 2đề tài ngày càng hoàn thiện hơn
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện
Nguyễn Đức Hiếu
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
TP HCM, Ngày tháng 07 năm 2009
Giáo viên hướng dẫn
Trang 4NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
TP HCM, Ngày tháng 07 năm 2009
Giáo viên phản biện
Trang 5MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn 1
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2
Nhận xét của giáo viên phản biện 3
Danh mục hình 9
Danh mục bảng 12
Lời mở đầu 13
PHẦN A - NỘI DUNG CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU 15
CHƯƠNG 2 - MẠNG RS – 485 16
2.1 TỔNG QUAN 16
2.1.1 Một số khái niệm 16
2.1.2 Phân loại mạng 17
2.1.3 Điều khiển mạng RS – 485 19
2.2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG MẠNG RS – 485 21
2.2.1 Mạng 2 dây 21
2.2.2 Mạng 4 dây 21
/.2.3 Trở đầu cuối 22
2.2.4 Phân cực cho mạng RS – 485 23
2.2.5 Mở rộng mạng 25
2.3 CHỌN CÁP MẠNG 25
2.3.1 Điện kháng đặc tính 25
2.3.2 Dung kháng phụ 25
2.3.3 Vận tốc truyền sóng 26
2.3.4 Chất liệu cáp 26
2.4 BẢO VỆ QUÁ ĐỘ CHO HỆ THỐNG RS – 485 28
2.4.1 Các yếu tố quá độ trong hệ thống RS – 485 28
2.4.1.1 Sự sụt áp 28
2.4.1.2 Tín hiệu đất khác nhau 30
2.4.2 Các phương pháp bảo vệ quá độ 31
2.4.2.1 Phương pháp cách ly 32
2.4.2.2 Phương pháp mắc shunting 32
2.4.3 Kết hợp cách ly và shunting 34
2.5 GIAO THỨC MẠNG 35
2.5.1 Điều khiển bộ truyền RS – 485 36
2.5.2 Điều khiển bộ nhận RS – 485 36
2.5.3 Hệ thống chủ - tớ 36
2.5.3.1 Hệ thống chủ - tớ 4 dây 37
Trang 62.5.3.2 Hệ thống chủ - tớ 2 dây 37
2.5.4 Mạng RS – 485 nhiều trạm chủ 37
2.5.5 Các hệ thống với bộ chuyển đổi cổng nguồn 37
2.6 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 37
CHƯƠNG 3 - GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 39
3.1 TỔNG QUAN 39
3.1.1 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển 39
3.1.2 Giới thiệu AT89S52 40
3.2 SƠ ĐỒ CHÂN ( PINOUT ) 41
3.2.1 Port 0 42
3.2.2 Port 1 42
3.2.3 Port 2 43
3.2.4 Port 3 43
3.2.5 Chân PSEN 44
3.2.6 Chân ALE/PROG 44
3.2.7 Chân EA/VPP 45
3.2.8 Chân RESET ( RST ) 45
3.2.9 Các chân XTAL 1 và XTAL 2 45
3.3 TỔ CHỨC BỘ NHỚ 45
3.3.1 Bộ nhớ chương trình 45
3.3.2 Bộ nhớ dữ liệu 46
3.3.3 Các thanh ghi chức năng 46
3.3.3.1 Thanh ghi từ trạng thái chương trình PSW 46
3.3.3.2 Thanh ghi B 47
3.3.3.3 Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP 47
3.3.3.4 Con trỏ dữ liệu 48
3.3.3.5 Thanh ghi của các cổng 48
3.3.3.6 Thanh ghi của các bộ định thời 49
3.3.3.7 Thanh ghi của cổng nối tiếp 49
3.3.3.8 Thanh ghi ngắt 49
3.3.3.9 Thanh ghi điều khiển nguồn PCON 49
3.4 TÓM TẮT TẬP LỆNH 50
3.4.1 Các kiểu định địa chỉ 50
3.4.1.1 Định địa chỉ thanh ghi 51
3.4.1.2 Định địa chỉ trực tiếp 51
3.4.1.3 Định địa chỉ gián tiếp 52
3.4.1.4.Định địa chỉ tức thời 53
3.4.1.5 Định địa chỉ tương đối 53
3.4.1.6 Định địa chỉ tuyệt đối 54
3.4.1.7 Định địa chỉ dài 54
Trang 73.4.1.8 Định địa chỉ chỉ số 55
3.4.2 Các loại lệnh 55
3.4.2.1 Các lệnh số học 55
3.4.2.2 Nhóm lệnh logic 56
3.4.2.3 Các lệnh di chuyển dữ liệu 58
3.4.2.4 Các lệnh xử lý bit 60
3.4.2.5 Các lệnh rẽ nhánh 61
3.5 HOẠT ĐỘNG ĐỊNH THỜI 65
3.5.1 Giới thiệu 65
3.5.2 Các thanh ghi của bộ định thời 66
3.5.2.1 Các thanh ghi của Timer 0 và Timer 1 66
3.5.2.2 Thanh ghi điều khiển Timer ( TCON ) 67
3.5.2.3 Các thanh ghi của Timer 2 68
3.5.3 Các chế độ của Timer 0 và Timer 1 70
3.5.3.1 Các chế độ hoạt động của bộ định thời 70
3.5.3.2 Các chế độ hoạt động của Timer 2 73
3.6 NGẮT 77
3.6.1 Khái niệm 77
3.6.2 Tổ chức ngắt ở AT89S52 77
3.6.3 Sử dụng ngắt 80
3.7 CỔNG NỐI TIẾP 80
3.7.1 Giới thiệu 80
3.7.2 Các thanh ghi của cổng nối tiếp 81
3.7.3 Các chế độ hoạt động 82
3.7.4 Trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp 84
3.7.5 Truyền thông đa xử lý 84
3.8 ĐẶC TÍNH DAO ĐỘNG 85
3.9 CHẾ ĐỘ IDLE 85
3.10 CHẾ ĐỘ POWER – DOWN 86
CHƯƠNG 4 - TRUYỀN THÔNG QUA TÍN HIỆU RF 88
4.1 THÔNG SỐ MODULE JZ861 88
4.2 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MODULE JZ861 89
4.3 THÔNG SỐ MẶC ĐỊNH 90
4.4 ỨNG DỤNG 90
4.4.1 Cổng giao tiếp cho người dùng 90
4.4.2 Lựa chọn nguồn cho module JZ861 91
4.4.3 Chức năng tiết kiệm ( ngủ ) 92
CHƯƠNG 5 – LINH KIỆN THIẾT BỊ 93
5.1 LINH KIỆ93 5.1.1 Opamp 93
Trang 85.1.1.1 Cơ bản về Opamp 93
5.1.1.2 LM324 95
5.1.2 Cảm biến nhiệt độ 96
5.1.3 Bộ chuyển đổi ADC 96
5.1.3.1 Tổng quan về ADC0809 96
5.1.3.2 Nguyên lý hoạt động 98
5.1.4 Triac 101
5.1.4.1 Tổng quan về triac 101
5.1.4.2 Thông số BT137 103
5.1.5 Bộ ghép quang 103
5.1.5.1 Tổng quan 103
5.1.5.2 PC817 104
5.1.5.3 MOC3020 104
5.1.6 Linh kiện chuyển đổi nguồn 105
5.1.6.1 MAX232 105
5.1.6.2 MAX485 106
5.1.7 MOSFET 107
5.1.7.1 Tổng quan 107
5.1.7.2 IRF540 107
5.1.7.3 IRF9540 108
5.1.8 Bộ hợp kênh UTC4053 109
5.2 THIẾT BỊ 110
5.2.1 GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC 110
5.2.1.1 Tổng quan về động cơ DC 110
5.2.1.1.1 Cấu tạo 110
5.2.1.1.1.1 Phần tĩnh ( Stator ) 110
5.2.1.1.1.2 Phần quay ( Rotor ) 111
5.2.1.1.2 Các thông số định mức 112
5.2.1.1.3 Phân loại 112
5.2.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ DC 112
5.2.1.2.1 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 112
5.2.1.2.2 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 113
5.2.1.2.3 Phương pháp thay đổi từ thông Ф 113
5.2.2 Giám sát và điều khiển nhiệt độ 114
CHƯƠNG 6 – VISUAL BASIC 6.0 115
6.1 TỔNG QUAN 115
6.1.1 Lịch sử phát triển ngôn ngữ Visual Basic 115
6.1.2 Đặc điểm 115
6.1.3 Các thành phần 116
6.2 ỨNG DỤNG CỦA VISUAL BASIC 118
Trang 9CHƯƠNG 7 – SƠ ĐỒ MẠCH 120
7.1 SƠ ĐỒ MẠCH 120
7.1.1.TRẠM CHỦ 120
7.1.2 TRẠM TỚ 122
7.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 123
7.2.1 Trạm chủ 123
7.2.2 Trạm tớ 124
7.2.2.1 Mạch đo nhiệt độ 124
7.2.2.3 Mạch điều khiển động cơ DC 125
CHƯƠNG 8 – CHƯƠNG TRÌNH 126
8.1 CHƯƠNG TRÌNH MẠNG RS – 485 126
8.1.1 Chương trình trạm chủ 126
8.1.2 Chương trình trạm tớ 127
8.2 CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH 136
8.2.1 Giao diện máy tính 136
8.2.2 Chương trình giao tiếp 137
PHẦN B - KẾT LUẬN KẾT LUẬN 146
TÀI LIỆU THAM KHẢO 147
Trang 10DANH MỤC HÌNH :
Hình 2.1 Mạch giao tiếp RS – 232 16
Hình 2.2 Bộ truyền ngõ ra vi sai cân bằng 17
Hình 2.3 Bộ nhận vi sai cân bằng 17
Hình 2.4 Mạng thiết bị cấu hình RS -485 kiểu 2 dây 18
Hình 2.5 Mạng thiết bị RS – 485 cấu hình 4 dây 18
Hình 2.6 Sơ đồ định thởi cho bộ chuyển đổi RS – 232 sang RS – 485 với tín hiệu điều khiển RTS cho cả bộ nhận và bộ truyền RS – 485 20
Hình 2.7 Sơ đồ định thời cho bộ chuyển đổi RS – 232 sang RS – 485 với tín hiệu điều khiển truyền dữ liệu của bộ truyền và nhận RS – 485 21
Hình 2.8 Trở đầu cuối ghép AC và song song 23
Hình 2.9 Các điện trở phân cực cho bộ chuyển đổi 24
Hinh 2.10 Đồ thị quan hệ tốc độ truyền dữ liệu và chiều dài cáp cho giao tiếp cân bằng sử dụng cáp xoắn 24 AWG 27
Hình 2.11 Đồ thị quan hệ giữa độ suy hao tín hiệu với tần số tín hiệu 27
Hình 2.12 Sự kết hợp dạng sóng điện áp 29
Hình 2.13 Sự kết hợp dạng sóng dòng điện 29
Hình 2.14 Sóng dao động 100 KHz 30
Hình 2.15 Thiết bị RS – 485 được cách ly 31
Hình 2.16 Thiết bị RS – 485 với tín hiệu đất kết nối với tín hiệu đất chung 31
Hình 2.17 Kết nối tín hiệu đất giữa 2 trạm với điện trở nối tiếp 100 ohm 33
Hình 2.18 Trạm được cách ly với bảo vệ shunt với tín hiệu đất 34
Hình 2.19 Trạm được cách ly với bảo vệ shunt không nối đất 34
Hình 2.20 Bảo vệ cổng bằng cầu chì 35
Hình 3.1 Sơ đồ khối và chức năng của AT89S52 40
Hình 3.2 Sơ đồ chân AT89S52 41
Hình 3.3 Địa chỉ và giá trị của các thanh ghi chức năng của AT89S52 khi reset 48
Hình 3.4 Thanh ghi TMOD 66
Hình 3.5 Thanh ghi TCON 67
Hình 3.6 Các thanh ghi chứa giá trị của các bộ định thời 0 và 1 68
Hình 3.7 Hoạt động của Timer ở chế độ 0 70
Hình 3.8 Hoạt động của Timer ở chế độ 1 71
Hình 3.9 Hoạt động của Timer ở chế độ 2 72
Hình 3.10 Chế độ 3 của Timer 72
Trang 11Hình 3.11 Chế độ thu nhận 74
Hình 3.12 Chế độ tự nạp lại ( DCEN = 0 ) 75
Hình 3.13 Chế độ tự nạp lại bộ định thời 2 ( DCEN = 1 ) 76
Hình 3.14 Chế độ tạo tốc độ baud 77
Hình 3.15 Các nguồn ngắt của AT89S52 78
Hinh 3.16 Mô tả hoạt động của cổng nối tiếp 81
Hình 3.17 Sơ đồ khối cổng nối tiếp 81
Hình 3.18 Dùng Timer 1 cung cấp tốc độ baud cho cổng nối tiếp (TCLK=RCLK=0) 83
Hình 3.19 Dùng Timer 2 cung cấp tốc độ baud cho cổng nối tiếp 83
Hình 3.20 Tốc độ baud ở chế độ 2 84
Hình 3.21 Truyền thông đa xử lý 85
Hình 3.22 Kết nối dao động 86
Hình 3.23 Cấu hình dao động ngoài 86
Hình 4.1 Sơ đồ layout module JZ861 90
Hình 4.2 Sơ đồ vị trí các chân J1 91
Hình 4.3 Sơ đồ kết nối JZ861 với thiết bị người sử dụng 91
Hình 5.1 Ký hiệu của opamp 93
Hình 5.2 Khuếch đại không đảo 94
Hình 5.3 Khuếch đại đảo 94
Hình 5.4 Sơ đồ tương đương của opamp 94
Hình 5.5 Cấu tạo của LM324 95
Hình 5.6 ADC0809 97
Hình 5.7 Sơ đồ cấu tạo ADC0809 98
Hình 5.8 Mạng điện trở 256R 99
Hình 5.9 Đường cong chuyển đổi A/D 3 bit 100
Hình 5.10 Sơ đồ định thời của ADC0809 101
Hình 5.11 Hình dạng và cấu tạo Triac 101
Hình 5.12 Đặc tính V – A của triac 102
Hình 5.13 Sơ đồ kích đóng triac 102
Hình 5.14 Ký hiệu PC817 104
Hình 5.15 Hình dáng và cấu trúc MOC3020 104
Hình 5.16 Hình dạng và cấu trúc bên trong MAX232 105
Hình 5.17 Bảng chân trị của MAX232 105
Hình 5.18 Hình dáng và cấu trúc MAX485 106
Hình 5.19 Sơ đồ đấu nối MAX485 106
Hình 5.20 Ký hiệu của MOSFET 107
Hình 5.21 Hình dáng và cấu trúc IRF540 108
Hình 5.22 Hình dáng và cấu trúc IRF9540 109
Hình 5.23 Sơ đồ chân UTC4053 109
Trang 12Hình 5.24 Bảng chân trị UTC4053 110
Hình 5.25 Nguyên tắc điều rộng xung điều khiển tốc độ động cơ DC 113
Hình 5.26 Dạng điện áp cung cấp cho động cơ 114
Hình 6.1 Hình dạng Form 116
Hình 6.2 Thanh công cụ 117
Hình 6.3 Cửa sổ thuộc tính 117
Hinh 6.4 Cửa sổ code 118
Hình 6.5 Cưẳ sổ project 118
Hình 7.1 Trạm chủ 120
Hình 7.2 Sơ đồ mạng RS – 485 và RF 121
Hình 7.3 Mạch giao tiếp với máy tính 121
Hình 7.4 Mạch nguồn trạm chủ 121
Hình 7.5 Mạch đo nhiệt độ 122
Hình 7.6 Mạch dò điểm zero và điều khiển công suất tải 122
Hình 7.7 Mạch điều khiển động cơ DC 123
Hình 7.8 Sơ đồ mạch nguồn trạm tớ 123
Hình 8.1 Giao diện máy tính 136
Trang 13DANH MỤC BẢNG :
Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương pháp bảo vệ 35
Bảng 3.1 Bảng chức năng đặc biệt P1 43
Bảng 3.2 Bảng chức năng đặc biệt P3 44
Bảng 3.3 Các chế độ hoạt động bộ định thời 2 73
Bảng 3.4 Thanh ghi điều khiển chế độ bộ định thời 2 T2MOD 75
Bảng 3.5 Vector ngắt 79
Bảng 3.6 Trạng thái các cổng ngoài trong chế độ Idle và Power-down 87
Bảng 4.1 Tần số và kênh module JZ861 89
Bảng 4.2 Mô tả chân module JZ861 91
Bảng 5.1 Bảng điều khiển ADC0809 98
Trang 14LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học ngày càng phát triển, nhu cầu tự động hoá ngày càng cao nhằm tạo nhiều tiện ích cho người dùng trong cuộc sống và công việc, cũng như giảm bớt các chi phí phát sinh không cần thiết và bảo vệ người dùng khỏi những tai nạn từ các công việc tiềm tàng những nguy cơ nguy hiểm
Trên cơ sở đó, em chọn đề tài “ Giám Sát Và Điều Khiển Thiết Bị Qua Mạng RS-485
Và Giao Tiếp Với Máy Tính Qua Tín Hiệu RF “ làm đề tài tốt nghiệp như một giải
pháp an toàn và tiện lợi cho chúng ta trong các công tác điều khiển đo lường các thiết
bị từ xa cũng như các thiết bị có khả năng gây tổn hại tới chúng ta
Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng do vốn kiến thức và thời gian nghiên cứu có hạn nên trong quá trình thực hiện đề tài này người thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy kính mong quý thầy cô và các bạn sinh viên có những ý kiến đóng góp, phê bình để đề tài này ngày càng hoàn thiện hơn
Qua đây người thực hiện xin chân thành cảm ơn thầy Ngô Thanh Hải và các quý thầy cô trong khoa Điện Điện Tử trường ĐH Tôn Đức Thắng đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho người thực hiện trong suốt thời gian thực hiện đề tài này
TP.HCM, Ngày tháng 07 năm 2009
Trang 15Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Hiếu
PHẦN A NỘI DUNG
Trang 16CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, nhu cầu giám sát và điều khiển các thiết bị thông qua các chuẩn mạng công nghiệp như CAN, RS-485,… ngày càng phong phú
Trên cơ sở đó, được sự chấp thuận của khoa Điện - Điện tử và giáo viên hướng dẫn Th.S Ngô Thanh Hải, em tiến hành thực hiện đề tài " Giám Sát và Điều Khiển Thiết Bị Qua Mạng RS-485 Và Giao Tiếp Với Máy Tính Qua Tín Hiệu RF " với yêu cầu giám sát và điều khiển như sau :
- Hệ thống, gồm có 4 trạm : 1 trạm chủ và 3 trạm tớ, thực hiện giám sát và điều khiển tốc độ 2 động cơ DC và cường độ ánh sáng cũng như đọc nhiệt độ ở 3 trạm tớ theo cấu hình mạng RS-485
- Trạm chủ gửi dữ liệu, sau khi nhận được từ các trạm tớ, tới máy tính thông qua tín hiệu RF
- Máy tính xử lý dữ liệu rồi thiết lập tốc độ và cường độ ánh sáng ( hoặc nhiệt độ ) mới cho các động cơ theo yêu cầu người điều khiển và gửi yêu cầu điều khiển cho các trạm tớ
Với đề tài này, em hy vọng có thể được áp dụng trong các ứng dụng giám sát và điều khiển thiết bị trong dân dụng cũng như công nghiệp
Trang 17CHƯƠNG 2 MẠNG RS - 485
2.1 TỔNG QUAN
2.1.1 Một số khái niệm
Các bộ truyền không cân bằng : mỗi tín hiệu được truyền trong hệ thống truyền dữ
liệu không cân bằng RS - 232 xuất hiện trên chân cắm giao tiếp như một điện áp so với tín hiệu đất Chẳng hạn, dữ liệu được truyền từ một thiết bị DTE trên chân 2 so với tín hiệu đất trên chân 7 của chân cắm DB - 25 Điện áp này sẽ âm nếu đường truyền rỗi, và thay đổi giữa 2 mức âm và dương khi tín hiệu được truyền đi với biên độ 5V tới 15V
Bộ nhận RS 232 thường hoạt động trong phạm vi điện áp từ 3V tới 12V và 3V tới 12V, như hình 2.1
-Hình 2.1 Mạch giao tiếp RS-232
Các bộ truyền cân bằng : trong các hệ thống truyền vi sai cân bằng, điện áp được
tạo ra từ bộ truyền xuất hiện trên 2 dây tín hiệu mà chỉ truyền 1 tín hiệu Hình 2.2 thể hiện sơ đồ mạch của bộ truyền cân bằng và sự tồn tại của các điện áp Một bộ truyền cân bằng sẽ tạo ra một điện áp từ 2 tới 6V trên các đầu ra A, B của nó và sẽ có một kết nối với tín hiệu đất ( C ) Dù kết nối tốt với tín hiệu đất là quan trọng, nhưng nó không ảnh hưởng tới mức logic của đường truyền dữ liệu Một bộ truyền cân bằng cũng có 1
Trang 18tín hiệu ngõ vào gọi là tín hiệu cho phép ( Enable ) Tín hiệu này có vai trò kết nối bộ truyền với các ngõ ra A, B của nó Nếu tín hiệu cho phép không được tích cực, bộ truyền đó có thể xem như không kết nối với đường truyền Một bộ truyền trong mạng
RS - 485 phải có tín hiệu điều khiển cho phép Tình trạng bộ truyền bị cấm hay không kết nối thường được xem như tình trạng trạng thái thứ 3 ( tristate ) của bộ truyền
Chú ý 1 : thuật ngữ tristate xuất hiện từ thực tế là có thêm 1 trạng thái ngõ ra thứ 3,
ngoài 2 trạng thái 0 và 1 của bộ truyền RS - 485
Hình 2.2 Bộ truyền ngõ ra vi sai cân bằng
Các bộ nhận đường truyền cân bằng : một bộ nhận vi sai cân bằng nhận biết trạng
thái điện áp của đường truyền thông qua 2 ngõ vào tín hiệu, A và B Nó cũng có tín hiệu đất ( C ) được dùng trong kết nối giao tiếp hoàn chỉnh Hình 2.3 thể hiện sơ đồ bộ nhận vi sai cân bằng và các điện áp quan trọng đối với bộ nhận vi sai cân bằng Nếu điện áp vi sai ngõ vào Vab lớn hơn 200mV, bộ nhận sẽ xác định được mức logic trên đầu ra của nó Nếu điện áp đầu vào nhỏ hơn -200mV, bộ nhận sẽ xác định mức logic ngược lại ở đầu ra của nó Các mức điện áp đầu vào mà một bộ nhận cân bằng phải nhận biết được chỉ ra trong hình 2.3 Phạm vi từ 200mV tới 6V được yêu cầu để tránh suy hao trên đường truyền
Hình 2.3 Bộ nhận vi sai cân bằng
Truyền dữ liệu theo chuẩn EIA RS - 485 : chuẩn RS - 485 cho phép nhiều thiết bị
( tối đa là 32 thiết bị ) sử dụng chung một đường truyền cân bằng Điện áp Vcm của chế
độ chung mà bộ truyền và nhận có thể chấp nhận được được mở rộng từ -7V tới +12V
Trang 19Vì bộ truyền có thể không kết nối với mạng hoặc ở trạng thái thứ 3, nó phải nằm trong giới hạn điện áp chế độ chung này trong khi nó đang ở tình trạng trạng thái thứ 3
2.1.2 Phân loại mạng RS-485
Hình 2.4 mô tả mạng nhiều thiết bị được kết nối theo cấu trúc 2 dây Chú ý rằng đường truyền được đấu nối thêm điện trở đầu cuối ở cả 2 đầu đường truyền nhưng không phải tại các điểm rẽ nhánh ở giữa đường truyền Việc gắn thêm điện trở đầu cuối chỉ nên được sử dụng với đường truyền có tốc độ truyền cao và có chiều dài dây dẫn xa Các đường tín hiệu đất luôn được khuyến khích trong mạng RS - 485 để đảm bảo điện
áp chế độ chung mà bộ nhận phải nằm trong giới hạn -7 tới +12V
Hình 2.4 Mạng thiết bị cấu hình RS - 485 kiểu 2 dây Một mạng RS - 485 có thể được cấu hình theo kiểu 4 dây như được trình bày trong hình 2.5 Chú ý rằng 4 dây dữ liệu và một dây tín hiệu đất được sử dụng trong cấu hình kết nối 4 dây Trong mạng này, cần có một cực giữ vai trò master và các cực khác có vai trò như các slave Tất cả các slave chỉ giao tiếp với master Mạng này có vài điểm nổi trội với các thiết bị có các phương thức giao tiếp trộn lẫn nhau Vì các slave không bao giờ nhận các thông tin đáp ứng từ một slave khác với master, một slave có thể trả lời một cách chính xác đối với một slave khác
Trang 20Hình 2.5 Mạng thiết bị RS - 485 cấu hình 4 dây 2.1.3 Điều khiển mạng RS-485
Điều khiển trạng thái thứ 3 của một thiết bị RS - 485 bằng cách dùng tín hiệu điều khiển RTS : như đã nói trước, một mạng RS - 485 phải có một bộ truyền mà có khả năng không kết nối với mạng khi một cực không truyền Trong bộ chuyển đổi RS - 232 sang RS-485 hoặc một card nối tiếp RS-485, điều này có thể được thực hiện bằng cách
sử dụng tín hiệu điều khiển RTS từ cổng nối tiếp không đồng bộ để cho phép bộ truyền RS-485 Đường điều khiển RTS được kết nối với ngõ vào cho phép bộ truyền RS-485 chẳng hạn thiết lập RTS mức cao ( logic 1 ) sẽ cho phép bộ truyền RS-485 Và việc thiết lập RTS mức thấp ( logic 0 ) sẽ đặt bộ truyền ở trạng thái thứ 3 Điều này sẽ ngắt
bộ truyền ra khỏi bus mạng, và cho phép cực khác truyền cũng trên cặp dây đó Hình 2.6 thể hiện sơ đồ định thời cho bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 thông thường Dạng sóng thể hiện điều gì xảy ra khi nếu dạng sóng VRTS hẹp hơn dữ liệu VSD Đây không phải là tình huống bình thường, nhưng được trình bày ở đây để minh họa tổn hao của một phần dạng sóng dữ liệu Khi sử dụng RTS, điều quan trọng là phải thiết lập RTS lên mức cao trước khi truyền dữ liệu Tương tự, RTS phải được thiết lập xuống mức thấp sau khi bit dữ liệu cuối cùng được gửi đi Việc định thời này được thực hiện bằng phần mềm được sử dụng để điều khiển cổng nối tiếp và không phải bởi
bộ chuyển đổi
Khi mạng RS-485 được kết nối theo cấu hình 2 dây, bộ nhận tại mỗi cực sẽ được kết nối tới đường truyền ( xem hình 2.4 ) Bộ nhận thường được cấu hình để nhận tín hiệu phản hồi của việc truyền dữ liệu riêng của nó Đây là điều mong muốn trong một số hệ
Trang 21thống và rắc rối trong các hệ thống khác Phải đảm bảo kiểm tra thông số bộ chuyển đổi chức năng cho phép bộ nhận được kết nối như thế nào
Hình 2.6 Sơ đồ định thời cho bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 với tín hiệu điều
khiển RTS cho cả bộ nhận và bộ truyền RS-485
Chú ý 1 : Điện áp ở đây được xác định bởi các thiết bị trên đường truyền
Chú ý 2 : Tất cả các điện áp đỉnh là xấp xĩ
Điều khiển truyền dữ liệu cho một thiết bị RS-485 : nhiều bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 của hãng B&B và các card nối tiếp RS-485 chứa các mạch đặc biệt mà được điều khiển bởi tín hiệu dữ liệu để cho phép bộ truyền RS-485 Hình 2.7 là sơ đồ định thời của một tín hiệu quan trọng được sử dụng để điều khiển bộ chuyển đổi dạng này Chú ý quan trọng là đường truyền dữ liệu bị cấm tại các khoảng thời gian xác định sau khi bit cuối cùng, thường có chiều dài một ký tự Nếu khoảng thời gian này quá ngắn, ta có thể mất dữ liệu Nếu quá dài, hệ thống của ta có thể trả lại đường dữ liệu từ truyền tới nhận trước khi cực ( với bộ chuyển đổi gửi dữ liệu ) sẵn sàng nhận dữ liệu Nếu là trường hợp sau, ta sẽ mất một phần ( hoặc toàn bộ ký tự ) khi bắt đầu đáp ứng
Trang 22Hình 2.7 Sơ đồ định thời cho bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 với tín hiệu điều
khiển truyền dữ liệu của bộ truyền và nhận RS-485
Chú ý 1 : Điện áp ở đây được xác định bởi các thiết bị khác trên đường truyền
Chú ý 2 : Khoảng thời gian định thời được xác định bởi các linh kiện trong mạch
định thời Bắt đầu khoảng thời gian này được xác định bởi cạnh lên của các bit dữ liệu
Chú ý 3 : Tất cả các giá trị đỉnh của các điện áp là xấp xĩ
2.2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG MẠNG RS-485
Cấu hình mạng không được định nghĩa trong thông số mạng RS-485 Trong hầu hết trường hợp, người thiết kế sử dụng cấu hình phù hợp nhất với các yêu cầu của hệ thống 2.2.1 Mạng 2 dây
Với trạng thái thứ 3, mạng RS-485 cho phép một cặp dây đơn chia sẽ các tín hiệu truyền và nhận trong truyền thông đơn công Cấu hình 2 dây này ( chú ý rằng nên sử dụng thêm 1 dây tín hiệu đất ) làm giảm giá cáp Các thiết bị RS-485 có thể được cấu hình bên trong hay bên ngoài đối với các mạng 2 dây Các thiết bị RS-485 được cấu hình bên trong thường cung cấp các kết nối A và B đơn giản ( đôi khi được ký hiệu là
Trang 23tiếp có thể hoạt động mà không cần tín hiệu đất, nhưng có thể không đáng tin và giảm khả năng chống nhiễu Hình 2.4 và 2.5 minh họa cấu hình 2 dây và 4 dây
2.2.3.Trở đầu cuối
Trở đầu cuối được sử dụng nhằm phối hợp trở kháng của thiết bị với trở kháng đường truyền được sử dụng Khi phối hợp sai trở kháng, tín hiệu truyền không hoàn toàn được nhận bởi tải và một phần bị phản xạ ngược lại trong đường truyền Nếu trở kháng nguồn, đường truyền và tải giống nhau thì sự phản xạ này bị loại bỏ Việc kết nối đầu cuối cũng có điểm bất lợi Trở đầu cuối làm tăng tải trên các bộ truyền, làm việc lắp đặt phức tạp hơn, thay đổi các yêu cầu phân cực và làm cho hệ thống khó chỉnh sửa hơn
Quyết định có nên sử dụng trở đầu cuối hay không tuỳ thuộc vào chiều dài cáp và tốc độ truyền trong hệ thống Một nguyên tắc tốt là thời gian truyền của đường dữ liệu phải nhỏ hơn nhiều so với độ rộng một bit thì không cần sử dụng trở đầu cuối Quy tắc này làm cho sự phản xạ tắt dần trong nhiều đoạn của đường truyền Vì việc nhận UART sẽ lấy mẫu ở giữa mỗi bit, quan trọng là mức tín hiệu ổn định tại điểm đó Chẳng hạn trong hệ thống có chiều dải 2000 bộ, thời gian lan truyền dữ liệu có thể tính bằng cách nhân chiều dài cáp với vận tốc truyền sóng của cáp Giá trị này, thường bằng 66% tới 75% tốc độ ánh sáng ( c ), được xác định bởi nhà sản xuất cáp
Ví dụ : Một hệ thống có chiều dài cáp khoảng 4000 bộ Sử dụng vận tốc truyền sóng
là 0.66 x c, mất khoảng 6.2µs để hoàn thành một vòng Nếu ta giả sử sự phản xạ sẽ tắt hẳn trong 3 chu kỳ dao động chiều dài cáp, tín hiệu sẽ ổn định 18.6 µs sau khi có cạnh lên của 1 bit Tại tốc độ 9600 baud, một bit có độ rộng 104 µs Vì sự phản xạ bị tắt trước khi tới điểm giữa của 1 bit nên không cần có trở đầu cuối
Có nhiều cách đấu nối đường truyền dữ liệu Hãng B&B khuyến khích sử dụng trở đầu cuối song song Một điện trở được mắc song song với các đường A và B của bộ nhận để phối hợp đặc tính trở kháng của đường dữ liệu được xác định bởi nhà sản xuất cáp ( thường là 120 ohm ) Giá trị này mô tả trở kháng đường truyền và không phải thay đổi theo chiều dài cáp Không nên sử dụng trở đầu cuối có giá trị nhỏ hơn 90 ohm Trở đầu cuối chỉ nên được đặt tại các đầu cuối của đường truyền dữ liệu và không sử dụng hơn 2 điện trở đầu cuối trong một hệ thống trừ khi có sử dụng thêm bộ lặp Loại trở đầu cuối này rõ ràng đã làm tăng tải DC lên nhiều cho hệ thống và có thể quá tải đối với nguồn bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 Một loại điện trở đầu cuối khác, điện trở đầu cuối ghép AC, thêm một tụ nhỏ nối tiếp với điện trở đầu cuối để loại bỏ ảnh hưởng của tải DC Mặc dù loại bỏ tải DC, tụ được chọn phải phụ thuộc hoàn toàn
Trang 24vào đặc tính của hệ thống Hình 2.8 minh họa cả 2 kiểu trở đầu cuối AC và DC trên cực RS-485 cấu hình 2 dây Trong các hệ thống 4 dây, trở đầu cuối được đặt song song với bộ nhận của cực đó
Hình 2.8 Trở đầu cuối ghép AC và song song 2.2.4 Phân cực cho mạng RS-485
Khi mạng RS-485 ở vào trạng thái rỗi, tất cả các cực đều ở chế độ nhận tín hiệu Trong điều kiện này, không có bộ truyền nào được tích cực Tất cả các bộ truyền đều ở trạng thái thứ 3 Không có bất cứ thứ gì điều khiển mạng, trạng thái của đường truyền
là không thể xác định Nếu mức điện áp tại các ngõ vào A và B của bộ nhận nhỏ hơn 200mV, mức logic tại ngõ ra của bộ nhận sẽ là giá trị của bit cuối cùng được nhận Để duy trì trạng thái điện áp ở chế độ rỗi hoàn toàn, ta sử dụng các điện trở phân cực để ép buộc đường truyền dữ liệu rơi vào trạng thái rỗi Các điện trở phân cực gồm các điện trở kéo lên cho đường truyền B ( thường ở mức 5V ) và các điện trở kéo xuống ( tới đất ) cho đường tín hiệu A Hình 2.9 minh họa việc đặt các điện trở phân cực cho các
bộ biến đổi cấu hình mạng 2 dây Chú ý là trong cấu hình mạng RS-485 4 dây, các điện trở phân cực nên được đặt trên các đường truyền bộ nhận Giá trị của điện trở phân cực tùy thuộc vào điện trở đầu cuối và số cực trong hệ thống Mục đích là để tạo đủ dòng phân cực DC trong mạng để duy trì tối thiểu 200mV giữa các đường dữ liệu A và B Phân tích cách tính toán điện trở phân cực ở 2 ví dụ sau
Trang 25Hình 2.9 Các điện trở phân cực cho bộ chuyển đổi
Ví dụ 1 : Mạng RS-485 có 10 cực với 2 điện trở đầu cuối là 120Ω Mỗi cực RS-485
có trở kháng khoảng 12 KΩ 10 cực song song sẽ tạo nên tổng trở tương đương là 1200Ω Thêm 2 điện trở đầu cuối 120Ω tạo ra một tải tương đương 60Ω khác, tạo ra tổng trở tương đương của toàn hệ thống là 57Ω Rõ ràng các trở đầu cuối chiếm phần lớn tải Để duy trì ít nhất 200mV giữa 2 đường tín hiệu A và B, chúng ta cần dòng phân cực khoảng 3.5mA chảy qua tải Để tạo dòng phân cực này từ nguồn 5V, tổng các điện trở nối tiếp ta cần là khoảng 1428Ω hoặc ít hơn Trừ đi 57Ω trở kháng của tải, và ta còn lại khoảng 1371Ω Lấy một nửa giá trị này làm điện trở kéo lên nguồn 5V và một nửa còn lại làm điện trở kéo xuống đất sẽ cho một giá trị điện trở phân cực tối đa khoảng 685Ω cho mỗi điện trở phân cực
Ví dụ 2 : Mạng RS-485 có 32 cực không có điện trở đầu cuối Mỗi cực RS-485 có
trở kháng ngõ vào 12 KΩ, 32 cực song song tạo nên một trở kháng tương đương là 375Ω Để duy trì ít nhất 200mV trên điện trở 375Ω, ta cần dòng khoảng 0.53 mA Để tạo ra dòng này từ nguồn 5V, ta cần tối đa 9375Ω điện trở Vì 375Ω là trở kháng của tải nhận, các điện trở phân cực của ta còn lại khoảng 9 KΩ hoặc ít hơn Chú ý rằng trong hệ thống không có điện trở đầu cuối, dòng phân cực rất nhỏ
Các điện trở phân cực có thể đặt ở bất kỳ đâu trong mạng hoặc có thể chèn trong nhiều cực Sự kết hợp tất cả các điện trở phân cực trong hệ thống phải bằng hoặc nhỏ hơn giá trị được tính toán Hãng B&B sử dụng các điện trở phân cực 4.7 KΩ trong các sản phẩm mạng RS-485 Giá trị này hoàn toàn phù hợp trong các hệ thống không có
Trang 26điện trở đầu cuối Người thiết kế hệ thống luôn luôn tính toán các yêu cầu phân cực cho mạng Nếu không sẽ gây lỗi dữ liệu Sự phân cực ít gây ảnh hưởng tới hệ thống, kết quả chủ yếu là làm tăng tải trên các bộ truyền Hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi nguồn từ RS-232 sang RS-485 có thể nhạy với việc phân cực
2.2.5 Mở rộng mạng
Một số hệ thống đòi hỏi khoảng cách dài hơn hoặc nhiều cực hơn so với mạng
RS-485 Để khắc phục các trở ngại này, ta sử dụng các bộ lặp Một bộ lặp RS-485 như 485OP của hãng B&B có thể được gắn vào hệ thống để chia tải thành nhiều đoạn nhỏ Mỗi tín hiệu được phục hồi có thể điều khiển một đoạn cáp dài 4000 bộ khác và thêm
31 tải RS-485 khác nữa
Một phương pháp khác để làm tăng số trạm trong mạng RS-485 là sử dụng các bô nhận RS-485 có trở kháng thấp Những bộ nhận này sử dụng các trở kháng ngõ vào cao hơn để làm giảm tải trên các bộ truyền và làm tăng số trạm Hiện tại có khoảng 3/4 các mạch tích hợp bộ nhận tải, mở rộng số trạm lên đến 64 hay 128 trạm
2.3 CHỌN CÁP MẠNG RS-485
Việc chọn lựa cáp cho mạng RS-485 thì không khó nhưng thường mất nhiều thời gian cho các hệ thống lớn Cần phải quan tâm, tuy nhiên, do các vấn đề liên tiếp được tạo ra bởi cáp kém chất lượng thì khó để chỉnh sữa
Với những đặc điểm rõ ràng như số dây dẫn và loại dây, các thông số cáp bao gồm một số các thuật ngữ khó hiểu
Một số thông số chọn cáp
2.3.1 Điện kháng đặc tính (Ω)
Một giá trị dựa trên sự dẫn điện trước đó, trở kháng, dung kháng, cảm kháng của một cáp mà tổng hợp lại thành điện kháng của một cáp có chiều dài không xác định Khi cáp được cắt bất cứ chiều dài nào và được kết thúc bởi trở kháng đặc tính, việc đo lường cáp sẽ giống như giá trị đạt được với cáp có độ dài không xác định Điều đó có nghĩa là việc kết thúc cáp với điện kháng này làm cho cáp có chiều dài vô hạn, không
có sự dội lại tín hiệu truyền Nếu sự kết thúc này được yêu cầu, giá trị điện kháng đấu nối nên phù hợp với giá trị điện kháng đặc tính của cáp
2.3.2 Dung kháng phụ ( pF/ft )
Giá trị của tải dung kháng tương đương của cáp thường được liệt kê thành 1 trên foot Một trong các hệ số giới hạn tổng chiều dài cáp là tải dung Các hệ thống có chiều dài dài thường sử dụng cáp có dung kháng thấp
2.3.3 Vận tốc truyền sóng ( % vận tốc ánh sáng )
Trang 27Tốc độ mà tín hiệu điện được truyền trong cáp Giá trị được cho thường được nhân với tốc độ ánh sáng để đạt được met trên giây Chẳng hạn, một cáp có vận tốc truyền sóng khoảng 78% cho tốc độ 0.78 x 300 = 234000 km/s
2.3.4 Chất liệu cáp
Loại cáp đặc có khả năng chống cháy và ít độc hại khi đốt hơn so với cáp thông thường Kiểm tra các tòa nhà và các qui luật cháy theo yêu cầu Cáp loại này thường mắc hơn loại cáp được bọc vỏ Các hệ thống RS-485 không xác định loại cáp sử dụng Khó có thể xác định nên sử dụng cáp có bọc vỏ hay không Người ta khuyến khích sử dụng cáp có vỏ bọc hơn Cáp có bọc vỏ chỉ mắc hơn cáp không bọc vỏ một ít
Có nhiều loại cáp đáp ứng được cho các hệ thống mạng RS-485 Một lựa chọn khác
là sử dụng cùng một loại cáp được dùng phổ biến là cáp mạng xoắn Loại cáp này thường có 5 loại, được định nghĩa bởi chuẩn EIA/TIA/ANSI 568 Nhu cầu cực cao về
sử dụng loại cáp này làm cho giá thành của nó rất cao và được sử dụng rộng rãi, thường nhỏ hơn 1 nửa giá thành cáp RS-485 chuyên dụng Cáp có dung kháng tối đa khoảng 17 pF/ft và điện kháng đặc tính khoảng 100 ohm
Cáp 5 sợi phổ biến như cáp xoắn bọc vỏ ( STP ) và cáp xoắn không bọc vỏ ( UTP )
là lựa chọn thích hợp cho mạng RS-485
Tuy nhiên, việc chọn lựa cáp cho mạng RS-485 thường được bỏ qua Việc tập trung vào một số chi tiết trong quá trình chọn lựa cáp có thể ngăn chặn được việc lãng phí hàng ngàn bộ cáp
Số dây dẫn
Dây tín hiệu đất thường được chọn sơ sài khi chọn cáp Thêm một cặp dây xoắn phải được xác định để có đủ dây dẫn kết nối tín hiệu đất Một hệ thống 2 dây cần 2 cặp dây xoắn, và một hệ thống 4 dây cần 3 cặp dây xoắn
Vỏ dây
Thường khó xác định có cần dây có bọc vỏ được dùng trong hệ thống hay không Vì giá trị của cáp có vỏ bọc được thêm vào thường làm tối thiểu giá trị lắp đặt ngay lần đầu
Trang 28pF/ft và có điện trở đầu cuối 100 ohm ( xem hình 2.10 ) Đường cong này dựa trên các yêu cầu chất lượng của tín hiệu :
- Thời gian lên và xuống của tín hiệu phải tương đương hoặc nhỏ hơn một nửa khoảng thời gian tốc độ điều chế được sử dụng
- Tổn hao điện áp tối đa giữa bộ truyền và tải là 6 dB
Hình 2.10 Đồ thị quan hệ tốc độ truyền dữ liệu và chiều dài cáp cho giao tiếp cân bằng
sử dụng cáp xoắn 24 AWG Tổn hao đường truyền là sự kết hợp tổn hao ghép nối AC ( hiệu ứng bề mặt ), tổn hao dây dẫn DC, rò rĩ và tổn hao AC trong điện môi Đối với các cáp chất lượng cao, tổn hao dây dẫn và tổn hao điện môi giống nhau về cường độ Hình 2.11 sẽ cho thấy khả năng làm việc của các loại cáp khác nhau Bảng này mô tả mối quan hệ giữa sự suy hao với tần số cho 3 loại cáp Belden khác nhau Chú ý các cáp nhựa PE thường ít tổn hao hơn loại nhựa PVC
Hình 2.11 Đồ thị quan hệ giữa độ suy hao tín hiệu với tần số tín hiệu
Chú ý 1 : Dữ liệu suy hao bên trên được áp dụng cho công ty cáp Belden
Chú ý 2 : Datalene là thương hiệu được đăng ký của công ty cáp Belden Đó là một
loại cách ly PE xốp
Trang 29Một cách chọn cáp khác là chương trình E-GRADE được tiến hành ở Anixter Bros Đây là tập đoàn phân phối các sản phẩm hệ thống dây dẫn Với chương trình này, Anixter chia cáp truyền dữ liệu thành 4 loại :
E-GRADE 1 : khoảng cách giới hạn
E-GRADE 2 : khoảng cách chuẩn
E-GRADE 3 : khoảng cách mở rộng
E-GRADE 4 : khoảng cách tối đa
Các bảng đơn giản dùng để giúp người dùng chọn cáp tương ứng mà không cần bất
cứ hiểu biết gì về thông số kỹ thuật Chương trình này chia các mục sử dụng thành EIA-232-D, EIA-422-A và EIA-423-A Khi sử dụng bảng này, nên sử dụng bảng EIA-422-A để chọn cáp RS-485
2.4 BẢO VỆ QUÁ ĐỘ CHO HỆ THỐNG RS-485
Để bảo vệ hệ thống RS-485 khỏi quá độ, điều đầu tiên cần làm là hiểu bản chất năng lượng chúng ta đang bảo vệ chống lại Năng lượng quá độ có thể đến từ nhiều nguồn, hầu hết là đến từ môi trường bên ngoài hoặc do sự chuyển mạch của các tải cảm
2.4.1 Các yếu tố tạo quá độ trong hệ thống RS-485
2.4.1.1 Sự sụt áp
Các thông số sụt áp
Trong khi quá độ có thể không luôn luôn theo chuẩn công nghiệp, cả 2 viện IEEE và IEC có các mô hình tạo quá độ được áp dụng cho việc đánh giá các thiết bị điện và điện tử trong việc nhiễu với sụt áp Những mô hình này có thể cho thấy một số loại năng lượng cần kiểm soát để tránh gây hư hại cho hệ thống
Cả 2 tiêu chuẩn IEC 1000-4-5: 1995 " Surge immunity test " và IEEE C62.41-1991
" IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits
" định nghĩa " 1.2/50µs - 8/20µs sóng kết hợp " có thời gian lên điện áp 1.2 µs với 50
µs tồn tại trên mạch hở Dạng sóng được xác định hiện tại có thời gian lên khoảng 8 µs với thời gian tồn tại ngắn mạch là khoảng 20 us Các mức điện áp hở mạch từ 1 tới 6KV thường được sử dụng trong cả 2 cực tính âm và dương, dù trong một số điều kiện, các mức điện áp cao hơn 20KV có thể được sử dụng Hình 2.12 và 2.13 minh họa sự kết hợp các đặc tính sóng Thêm vào đó, tiêu chuẩn IEEE C62.41 cũng xác định kiểm tra sóng dao động 100KHz Sóng dao động có thời gian lên khoảng 0.5 µs và tắt dần tại 100KHz theo trở kháng nguồn 12 ohm được thể hiện trong hình 2.14 Biên độ của sóng dao động tại 100KHz cũng nằm trong phạm vi từ 1 tới 6 KV
Trang 30Hình 2.12 Sự kết hợp dạng sóng điện áp
Hình 2.13 Sự kết hợp dạng sóng dòng điện
Trang 31Hình 2.14 Sóng dao động 100KHz
Chế độ vi sai và chế độ chung
Việc xác định loại sụt áp ảnh hưởng tới hệ thống là một phần quan trọng trong việc lựa chọn các mức và các phương pháp bảo vệ quá độ thích hợp Vì mỗi dây dẫn cáp dữ liệu đều có cùng không gian truyền giống nhau, thật hợp lý khi mong muốn sự ảnh hưởng của quá độ được gây ra bởi môi trường và sự chuyển mạch dòng đối với chế độ chung, cho thấy tất cả các dây dẫn tín hiệu đất và dữ liệu nằm bên trong cáp dữ liệu Trong một số trường hợp lắp đặt, có thể có một số nguồn năng lượng không xác định cần quan tâm Nếu có cáp điện áp cao mắc gần với cáp dữ liệu, sẽ có lỗi xuất hiện theo kiểu lỗi cách ly hoặc tiếp xúc vô ý của người lắp đặt Loại sụt áp này có thể ảnh hưởng tới bất cứ dây dẫn nào trong cáp dữ liệu, tạo ra sụt áp vi sai cho thiết bị dữ liệu Mặc dù, các điện áp và dòng điện tương ứng với loại sụt áp này nhỏ hơn nhiều so với loại sụt áp gây ra bởi kiểu sụt áp được mô hình hóa bởi ANSI hoặc IEC, chúng có mức ảnh hưởng của riêng nó Thay vì biến mất trong vài mili giây, chúng có thể tồn tại trong trạng thái
ổn định trên mạng dữ liệu
2.4.1.2 Tín hiệu đất khác nhau
Khi nhận ra rằng năng lượng quá độ có thể là tín hiệu tần số cao trong tự nhiên gây
ra một số nhiễu có thể quan sát được Tại các tần số của cường độ này, khó có thể tạo
ra một điện kháng nhỏ kết nối giữa 2 điểm do cảm kháng của đường dẫn giữa chúng Bất kể đường dẫn đó dài bao nhiêu giữa các hệ thống nối đất, trong suốt quá trình quá
độ có thể có điện thế vi sai giữa các tín hiệu đất khác nhau lên tới hàng ngàn vôn Chúng ta không giả sử rằng 2 điểm được nối bởi một dây sẽ có cùng điện thế Đối với
Trang 32người thiết kế hệ thống, điều này có thể hiểu là mặc dù RS-485 sử dụng tín hiệu vi sai 5V, một trạm từ xa có thể có điện thế 5V cùng với hàng trăm ngàn vôn điện thế quá độ
so với trạm địa phương nối đất Cụ thể hơn khi nói về thứ thường được gọi là tín hiệu đất như tín hiệu tham chiếu
2.4.2 Các phương pháp bảo vệ quá độ
Chúng ta kết nối các trạm hệ thống như thế nào khi biết rằng có tồn tại một sự chênh lệch điện thế lớn giữa các điểm nối đất? Bước đầu tiên để bảo vệ thành công là đảm bảo rằng mỗi thiết bị trong hệ thống chỉ được so với một tín hiệu đất duy nhất, loại bỏ đường dẫn qua thiết bị cho dòng sụt áp Có 2 phương pháp để tạo ra trạng thái đất thế này Phương pháp đầu tiên là cách ly đất dữ liệu khỏi đất thiết bị chủ, điều này thường được thực hiện bằng một biến thế hoặc bộ cách ly quang như được thể hiện trong hình 2.15 Phương pháp thứ 2 là ràng buộc các tín hiệu đất trên từng thiết bị với nhau ( thường là tín hiệu đất nguồn với tín hiệu đất dữ liệu ) với một trở kháng kết nối thấp như được trình bày trong hình 2.16 Hai kỹ thuật này đều đưa ta tới 2 phương pháp cơ bản trong bảo vệ quá độ
Hình 2.15 Thiết bị RS-485 được cách ly
Hình 2.16 Thiết bị RS-485 với tín hiệu đất kết nối với tín hiệu đất chung
Trang 332.4.2.1 Phương pháp cách ly
Lý thuyết cách ly
Hầu hết các phương pháp dùng bảo vệ quá độ phổ biến là cách ly cổng dữ liệu với mạch thiết bị chủ Phương pháp này chia tín hiệu tham chiếu từ bất cứ tín hiệu đất cố định nào Cách ly quang, biến áp và cáp quang là các phương pháp thường được sử dụng trong nhiều loại mạng dữ liệu để cách ly mạch I/O khỏi thiết bị chủ của nó Trong các ứng dụng RS-485, cách ly quang là phổ biến nhất Một bộ cách ly quang là một mạch tích hợp chuyển tín hiệu điện thành ánh sáng và ngược lại, loại bỏ sự liên tục về điện Với một cổng được cách ly, toàn bộ mạch được cách ly trôi theo các mức quá độ
mà không ngăn cản sự truyền dữ liệu Các mức trôi kéo dài của mạch không vượt quá điện áp đánh thủng bộ cách ly ( thường 1000 tới 2500 V ) cổng sẽ không bị hư hại Loại bảo vệ này không hấp thu năng lượng quá hạn vì nó chịu ảnh hưởng bởi chiều dài quá độ Thậm chí sự khác nhau về điện thế liên tục sẽ không ảnh hưởng tới các thiết bị cách ly Lưu ý quan trọng là các bộ cách ly làm việc trong sự quá độ ở chế độ chung, chúng không thể bảo vệ sự chênh lệch các điện áp lớn giữa các dây dẫn của cáp tín hiệu như các trường hợp gây ra ngắn mạch giữa dữ liệu và mạch nguồn
Thiết bị cách ly
Thiết bị cách ly quang có thể đươc lắp đặt bằng nhiều cách Nếu thực hiện chuyển đổi từ RS-232 sang RS-485, các bộ chuyển đổi được cách ly là có sẵn Các card bus nối tiếp ISA được cách ly quang có thể thay thế các cổng có sẵn trên hệ thống máy tính
PC Đối với các hệ thống có sẵn cổng RS-485, có thể lắp đặt một bộ lặp có cách ly quang Ví dụ lắp ráp cho mỗi loại này có thể được tìm thấy trên catalog truyền thông
dữ liệu của hãng điện tử B&B
2.4.2.2 Phương pháp mắc shunting
Lý thuyết shunting
Việc tạo một kết nối đất chung tại thiết bị chủ cung cấp một trạng thái an toàn để làm lệch sự sụt giảm năng lượng cũng như điện áp tham chiếu gắn kèm với thiết bị chống sụt giảm Việc mắc shunt các dòng nguy hại tới đất trước khi chúng tiến đến cổng dữ liệu là công việc gồm các thành phần chẳng hạn như TVS ( thường được gọi bằng tên thương mại là Tranzorb ), MOV hay các ống xả gas Những thiết bị này làm việc bằng cách kẹp chặt lại tại điện áp được đặt sẵn ngay khi điện áp vượt quá, các thiết
bị sẽ cung cấp một trở kháng thấp giữa các đầu nối
Vì loại thiết bị này làm lệch hướng một lượng lớn năng lượng, nó không thể làm sai lệch quá trình quá độ liên tục hoặc thời gian dài Các thiết bị mắc shunt thường được
Trang 34mắc từ mỗi đường dữ liệu với đường đất chung cục bộ, và nên được chọn để bắt đầu dòng dẫn tại điện áp gần với các mức truyền thông thông thường của hệ thống Đối với các hệ thống RS-485, tỷ lệ điện áp thường được chọn từ 6 tới 8 vôn Những thiết bị này thường được gắn thêm một tải dung kháng với đường dữ liệu Điều này nên được phân tích khi thiết kế hệ thống và có thể được bù bằng cách làm giảm tổng chiều dài đường dây đối với tải được thêm vào Hàng trăm bộ chiều dài là đủ
Để dùng được những sản phẩm này một cách chính xác, chúng nên được lắp đặt gần với cổng cần bảo vệ nhất, và người dùng cần sử dụng một điện trở cực thấp kết nối với đường đất chung của thiết bị cần được bảo vệ Kết nối đất này có vai trò quyết đinh trong việc hoạt động hoàn toàn của thiết bị mắc shunt Kết nối đất nên được thực hiện với dây cứng và càng ngắn càng tốt Nếu cáp dài hơn 1m, cáp có viền bọc đồng được xác định cho mục đích nối đất phải được sử dụng cho bảo vệ thiết bị chịu ảnh hưởng Cùng với bản chất quá độ tần số cao, có thể có một lượng lớn dòng xuất hiện Hàng ngàn Ampere thường là kết quả của sự kết hợp sóng kiểm tra bởi thông báo của IEC hay ANSI
Hình 2.17 Kết nối tín hiệu đất giữa 2 trạm với điện trở nối tiếp 100 ohm
Các thiết bị mắc shunt
Có 2 loại thiết bị mắc shunt có thể chọn lựa Loại rẽ là loại 1 tầng thường gồm 1 thiết bị TVS trên mỗi đường truyền Các thiết bị 3 tầng cũng có sẵn Tầng thứ nhất của thiết bị 3 tầng là ống xả gas có thể xử lý dòng cực cao, ngoại trừ có ngưỡng điện áp cao
và quá chậm để bảo vệ các mạch bán dẫn Tầng thứ 2 là một trở kháng nhỏ nối tiếp
Trang 35dùng hạn dòng và tạo áp rơi giữa tầng 1 và 3 Tầng cuối cùng là thiết bị TVS đủ nhanh
để bảo vệ các thiết bị bán dẫn và làm điện áp kẹp chặt giảm xuống gần các mức an toàn của các mạch dữ liệu
2.4.3 Kết hợp cách ly và mắc shunt
Có thể tạo sự tin tưởng cao nhất cho hệ thống bằng cách kết hợp phương pháp cách
ly và mắc shunt
Hình 2.18 và hình 2.19 minh họa 2 phương pháp lắp đặt các mức bảo vệ này
Hình 2.18 Trạm được cách ly với bảo vệ shunt với tín hiệu đất
Hình 2.19 Trạm được cách ly với bảo vệ shunt không nối đất Khuyến khích sử dụng phương pháp được trình bày trong hình 2.18, trong trường hợp này sự cách ly bảo vệ mạch khỏi bất kỳ điện áp rơi nào khi kết nối đất Các thiết bị shunt ngăn sụt giảm từ việc quá điện áp của bộ cách ly cũng như xử lý bất cứ sụt áp vi sai nào trên cáp Hình 2.19 minh họa cách thường dùng cho trường hợp mà không tạo kết nối tín hiệu đất Ở đây, chức năng của các thiết bị mắc shunt là bảo vệ cổng khỏi sụt áp vi sai, một sụt áp vi sai sẽ được cân bằng giữa các dây dẫn bởi các thiết bị shunt, được chuyển đổi tới chế độ chung Việc cách ly bảo vệ sự kéo dài quá độ chế độ chung Ngoài ra các hệ thống dữ liệu có thể bị ngắn mạch với các dây nguồn yêu cầu một
sự bảo vệ đo lường phụ Trong các trường hợp này người ta khuyến khích sử dụng thêm một thiết bị cầu chì cùng với loại thiết bị mắc shunt, như được thể hiện trong hình 2.20 Khi xảy ra ngắn mạch, việc chặn shunt sẽ dẫn, ngoại trừ việc mắc shunt không
Trang 36nằm trong trạng thái dòng ổn định của loại thiết bị sụt giảm này Một cầu chì có giá trị
đủ nhỏ nên được chọn trước khi thiết bị shunt bị hư hại Thường giá trị này là 125mA
Hình 2.20 Bảo vệ cổng bằng cầu chì Tuy nhiên, khó có thể biết loại và mức cách ly nào là chính xác cho hệ thống, một
sự phán đoán nên được thực hiện dựa trên môi trường điện, tình trạng vật lý và ảnh hưởng của mức độ hư hỏng như hao phí sử chữa và thời gian ngừng hệ thống Các hệ thống được kết nối giữa 2 nguồn, chẳng hạn giữa 2 tòa nhà, văn phòng với phân xưởng, hoặc các hệ thống có chiều dài lớn đòi hỏi một số mức bảo vệ quá độ Bảng 2.1 là bảng
so sánh các kỹ thuật bảo vệ quá độ
Không nối đất Phải có điện kháng thấp giữa các đường tín
hiệu đất Không thêm tải cho đường dữ liệu Tạo tải dung ký sinh cho đường dữ liệu
Phức tạp Ít phức tạp hơn, sử dụng các phần tử tiêu cực Ảnh hưởng tới quá độ chế độ chung Ảnh hưởng tới quá độ chế độ vi sai và chế độ
chung Không phụ thuộc vào chất lượng lắp
đặt
Người sử dụng khó có thể tự lắp đặt
Cần thêm nguồn điện bên ngoài Không cần nguồn
Không bị ảnh hưởng bởi thời gian
quá độ
Tạo ảnh hưởng xấu nếu thời gian quá độ dài
Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương pháp bảo vệ 2.5 GIAO THỨC MẠNG
Do không có một giao thức mạng nào là chuẩn, cho nên tùy thuộc vào người thiết kế
hệ thống định nghĩa giao thức phù hợp với hệ thống của họ Phần này không định nghĩa giao thức mạng chuẩn, mà sẽ giải thích một số khái niệm mà người thiết kế hệ thống cần quan tâm khi viết hoặc đặt mua giao thức mạng
2.5.1 Điều khiển bộ truyền RS-485
Trang 37RS-485 có thể được đặt vào trạng thái trở kháng cao, chế độ trạng thái thứ 3, cho phép các bộ truyền khác truyền trên cùng một cặp dây truyền Có 2 phương pháp điều khiển trạng thái thứ 3 của bộ truyền
Phương pháp đầu tiên là sử dụng một đường điều khiển, thường là đường tín hiệu bắt tay RTS, cho phép hoặc cấm bộ truyền Điều này đòi hỏi phần mềm máy chủ thiết lập đường RTS để cho phép bộ truyền trước khi bắt đầu truyền và hạ thấp đường RTS sau khi kết thúc truyền Vì chỉ có một bộ truyền RS-485 được cho phép truyền tại một thời điểm nên việc cấm bộ truyền ngay khi truyền xong là rất quan trọng để tránh việc
2 bộ truyền cùng truyền trên cùng đường dây cùng một thời điểm, một tình trạng được gọi là tranh giành đường truyền Trong một số hệ thống đang hoạt động, khó có thể đưa đường tín hiệu RTS xuống mức thấp theo thời gian và phương pháp điều khiển đường truyền này nên tránh dùng cùng với nhau
Phương pháp thứ 2 để điều khiển bộ truyền RS-485 mà chúng ta ví như điều khiển gửi dữ liệu tự động Loại điều khiển này liên quan tới một mạch điện đặc biệt mà có thể nhận biết được khi nào dữ liệu đang được truyền và tự động cho phép bộ truyền cũng như cấm bộ truyền trong thời gian chiều dài 1 ký tự cuối của việc truyền Đây là phương pháp điều khiển bộ truyền được ưa chuộng, nó làm giảm phần mềm và các lỗi lập trình nguy hiểm
2.5.2 Điều khiển bộ nhận RS-485
Bộ nhận RS-485 cũng có tín hiệu cho phép Vì hệ thống RS-485 sử dụng cấu hình 2 dây kết nối bộ truyền với bộ nhận theo kiểu hồi tiếp, đặc điểm này thường được sử dụng để cấm bộ nhận trong suốt quá trình truyền để ngăn sự dội lại của dữ liệu cục bộ Một phương pháp khác để cho phép bộ nhận và giám sát lỗi dữ liệu mà chỉ ra rằng có
sự giành đường truyền Mặc dù một tín hiệu hồi tiếp tốt không đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu, nó cung cấp khả năng dò lỗi dữ liệu
2.5.3 Hệ thống chủ - tớ
Một hệ thống chủ - tớ có một trạm thực hiện truyền lệnh tới các trạm tớ khác và xử
lý các đáp ứng Các trạm tớ không thể truyền dữ liệu khi không có yêu cầu từ trạm chủ,
và không thể giao tiếp với nhau Mỗi trạm tớ phải có một địa chỉ xác định để nó có thể được định địa chỉ một cách độc lập với các trạm tớ khác Những hệ thống loại này có thể được cấu hình theo kiểu 2 dây hoặc 4 dây Các hệ thống 4 dây sử dụng trạm chủ RS-422 ( luôn được cho phép ) và các trạm tớ RS - 485 để làm giảm sự phức tạp của hệ thống
2.5.3.1 Các hệ thống chủ - tớ 4 dây
Trang 38Cấu hình này làm giảm tính phức tạp của hệ thống tại máy chủ vì bộ truyền và bộ nhận luôn được cho phép nhưng cần chi phí thêm cho 2 dây dẫn trong hệ thống Trạm chủ đơn giản đưa ra các câu lệnh với địa chỉ tương ứng của trạm tớ Không có sự dội lại dữ liệu hoặc thời gian trì hoãn trở về Vì mỗi bộ truyền tớ sử dụng chung 2 dây, điều cần quan tâm là trạm chủ không bao giờ yêu cầu dữ liệu từ nhiều trạm tớ cùng thời điểm nếu không sẽ xảy ra sự va chạm dữ liệu
2.5.3.2 Các hệ thống chủ - tớ 2 dây
Cấu hình 2 dây sẽ làm cho hệ thống thêm phức tạp một chút Bộ truyền RS-485 phải
ở trạng thái thứ 3 khi không sử dụng để cho phép các trạm khác sử dụng cặp dây truyền chung Việc trì hoãn thời gian giữa sự kết thúc truyền dữ liệu và trạng thái thứ 3 là quan trọng trong hệ thống như thế này Nếu trạm tớ thực hiện truyền trong khi trạm chủ đang ở chế độ truyền, sẽ xảy ra một sự xung đột dữ liệu và dữ liệu sẽ bị mất Người thiết kế hệ thống phải biết thời gian đáp ứng hoặc thời gian chờ của mỗi trạm tớ
và đảm bảo rằng trạm chủ sẽ sẽ ngắt bộ truyền của nó trong khoảng thời gian đó Mạch điều khiển gửi dữ liệu tự động của hãng điện tử B&B thiết lập trạng thái thứ 3 cho bộ truyền với độ dài 1 ký tự kết thúc việc truyền dữ liệu
2.5.4 Mạng RS-485 nhiều trạm chủ
Mỗi trạm trong hệ thống RS-485 nhiều trạm chủ có thể bắt đầu việc truyền của riêng
nó băng việc tạo ra điện thế cho sự xung đột dữ liệu Hệ thống loại này đòi hỏi người thiết kế hệ thống sử dụng phương pháp phức tạp hơn để dò lỗi, kể cả phương pháp dò
sự tranh giành đường truyền, nhận biết sự truyền và một hệ thống gửi lại dữ liệu khi bị ngắt quãng
2.5.5 Các hệ thống với các bộ chuyển đổi cổng nguồn
Các bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 lấy nguồn của chúng từ cổng RS-232 trở thành phổ biến hơn trong các hệ thống dữ liệu Một cách thức lập trình tốt là thiết lập các ngõ ra tín hiệu bắt tay không sử dụng tới trạng thái điện áp cao trong hệ thống bằng cách sử dụng bất cứ loại chuyển đổi nào từ RS-232 sang RS-485 Điều này sẽ đảm bảo điều kiện hoạt động tốt nhất cho mọi bộ chuyển đổi
2.6 LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Khi đặt mua các thiết bị cho hệ thống RS-485, có thể tránh được nhiều rắc rối bằng cách xác định các đặc tính truyền thông của thiết bị trước khi hoàn tất việc thiết kế hệ thống Việc xác định câu hỏi nào cần hỏi trước sẽ tránh được nhiều rắc rối trong lãnh vực này Các đặc tính thiết bị sau là tất cả những điều cần trả lời trong giai đoạn thiết
kế hệ thống
Trang 391 Thiết bị được cấu hình theo mạng 2 dây hay 4 dây?
2 Việc kết nối tín hiệu đất là có sẵn ?
3 Thiết bị có được cách ly? Có bao gồm chống sụt áp?
4 Điện trở phân cực được sử dụng trong hệ thống có giá trị bao nhiêu? Có thể chỉnh sữa chúng được không?
5 Thiết bị có điện trở đầu cuối không? Có dễ chỉnh sữa không?
6 Thời gian đáp ứng của thiết bị là bao nhiêu ( thời gian hỏi vòng )?
7 Vùng địa chỉ của thiết bị là bao nhiêu?
8 Tốc độ baud, hoặc phạm vi tốc độ baud được hỗ trợ?
Nếu nó thường được sử dụng để có sơ đồ mạch về cổng nối tiếp cho mỗi thiết bị trong hệ thống Sơ đồ mạch có thể cung cấp thêm nhiều thông tin có thể có ích trong việc sữa lỗi hoặc sữa bất kỳ vấn đề nào trong hệ thống dữ liệu
Trang 40CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ BỘ VI ĐIỀU KHIỂN
3.1 TỔNG QUAN
3.1.1 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển
Vào năm 1971, tập đoàn Intel đã giới thiệu 8080, bộ vi xử lý ( micro processor ) thành công đầu tiên Sau đó không lâu Motorola, RCA, kể đến là MOS Technology và Zilog đã giới thiệu các bộ vi xử lý tương tự : 6800, 1801, 6502 và Z80 Bản thân các vi mạch ( IC : integrated circuit ) này tuy không có nhiều hiệu quả sử dụng nhưng khi là một phần của một máy tính đơn board ( single-board computer ), chúng trở thành thành phần trung tâm trong các sản phẩm có ích dùng để nghiên cứu và thiết kế Các máy tính đơn board này, trong đó có D2 của Motorola, KIM-1 của MOS Technology và SDK-85 của Intel là đáng ghi nhớ nhất, đã nhanh chóng xâm nhập vào các phòng thí nghiệm thiết kế của trường trung học, trường đại học và các công ty điện tử
Vào năm 1976 Intel giới thiệu bộ vi điều khiển ( micro controller ) 8748, một chip tương tự như các bộ vi xử lý và là chip đầu tiên trong họ vi điều khiển MCS-48 8748
là một vi mạch chứa trên 17000 transistor bao gồm một CPU, 1 K byte EPROM, 64 byte RAM, 27 chân xuất nhập và một bộ định thời 8-bit IC này và các IC khác tiếp theo của họ MCS-48 đã nhanh chóng trở thành chuẩn công nghiệp trong các ứng dụng hướng điều khiển ( control oriented application ) Việc thay thế các thành phần cơ điện trong các sản phẩm như các máy giặt và các bộ điều khiển đèn giao thông là một ứng dụng phổ biến ban đầu Các sản phẩm khác mà trong đó bộ vi điều khiển được tìm thấy bao gồm xe ô tô, thiết bị công nghiệp, các sản phẩm tiêu dùng và các ngoại vi của máy tính ( bàn phím của IBM-PC là một thí dụ sử dụng bộ vi điều khiển trong các thiết kế tối thiểu thành phần )
Độ phức tạp, kích thước và khả năng của các bộ vi điều khiển được tăng thêm một bậc quan trọng vào năm 1980 khi Intel công bố chip 8051, bộ vi điều khiển đầu tiên của họ vi điều khiển MCS-51 So với 8048, chip 8051 chứa trên 60000 transistor bao gồm 4 K byte ROM, 128 byte RAM, 32 đường xuất nhập, 1 port nối tiếp và 2 bộ định thời 16-bit – một số lượng mạch đáng chú ý trong một IC đơn Các thành viên mới được thêm vào cho họ MCS-51 cung cấp chip SAB80515, một cải tiến của 8051 chứa trong một vỏ 68 chân, có 6 port xuất nhập 8-bit, 13 nguồn tạo ra ngắt và một bộ biến đổi A/D 8-bit với 8 kênh ngõ vào Họ 8051 là một trong những bộ vi điều khiển 8-bit