(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô

(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình mạng Can trên ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ TH T TH NH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH

MẠNG CAN TRÊN Ô TÔ

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng tôi xin chân thành cảm ơn các quý thầy từ bộ môn Điện Tử Ô tô, cũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt chúng tôi trong suốt thời gian học tập Được các quý thầy cô tận tình chỉ dạy và giúp đỡ từ những kiến thức chuyên môn trong nhà trường đến thực tiễn trong cuộc sống đã giúp chúng tôi tiếp cận gần hơn và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã chọn Từ những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc đó đã giúp chúng tôi hoàn thành tập đồ án này và là hành trang để chúng tôi bước vào đời

Hơn hết nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS Ts Đỗ Văn Dũng, Th.S Nguyễn Trung Hiếu cùng với Anh Nguyễn Bảo Long và Anh Nguyễn Thanh Huy là

những người thầy, người anh đi trước đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kịp thời, tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng tôi vượt qua những ngày tháng khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này Bên cạnh đó chúng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng

hộ, giúp đỡ và góp ý cho nhóm tôi trong suốt quá trình thực hiện

Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi cũng như thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được không tránh khỏi những thiếu sót Do

đó chúng tôi kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của quý thầy cô để chúng tôi hoàn thiện đồ án được tốt hơn

Nhóm chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2019

Nhóm sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ MỸ HỒNG THÁI ĐỨC THỊNH

T M T T

Mạng giao tiếp trên ô tô nói riêng và mạng giao tiếp trên các phương tiện giao thông nói chung là một hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một xe bao gồm các loại như ECM, TCM, BCM, ABS… Khi hoạt động, chúng có thể giao tiếp trao đổi thông tin qua lại với nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn

Nhằm tối ưu cho việc điều khiển và hạn chế dây dẫn, ngày nay, tất cả các phương tiện từ ô tô con, xe tải, đầu kéo, máy công trình, máy bay, xe quân sự, thậm chí cả xe máy cũng đều sử dụng mạng giao tiếp

Và mạng CAN là giao thức giao tiếp chính được sử dụng hầu hết trên ô tô hiện nay CAN được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất ôtô, giúp hệ thống điện trên ô tô ổn định, an toàn và tiết kiệm năng lượng hơn, đồng thời giúp giảm độ phức tạp trong việc kết nối các dây dẫn giữa hàng ngàn thiết bị trên ôtô Nghiên cứu và lập trình hệ thống CAN trên mô hình giao tiếp giữa vi điều khiển STM32F103C8T6 cũng như ARDUINO UNO R3 là cách tiếp cận và nắm rõ hệ thống CAN hiệu quả nhất

Nắm được xu hướng phát triển của nền công nghiệp ô tô, nhóm chúng tôi quyết

định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạ mô hình mạng CAN trên ô tô” để thực

hiện trong tập đồ án

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

T M T T ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT T T VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

Chư ng 1 T NG AN ĐỀ TÀI 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.1.1 Trong nước 1

1.1.2 Ngoài nước 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 1

1.4 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Phương pháp giải quyết vấn đề 2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2

Chư ng 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 3

2.1 Tổng quan về mạng truyền thông 3

2.1.1 Khái niệm về mạng truyền thông 3

2.1.2 Vai trò của mạng truyền thông 3

2.1.3 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu 4

2.1.4 Truyền đồng bộ và không đồng bộ 6

2.1.5 Truyền một chiều và truyền hai chiều 7

2.1.6 Bảo toàn dữ liệu 7

2.1.7 Mã hóa bit 11

2.1.8 NRZ, RZ 12

2.1.9 Cấu trúc liên kết 12

2.1.11 Mô hình lớp 17

2.1.12 Đặt địa chỉ 19

2.1.13 Phương thức truy cập bus 22

2.1.14 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 27

2.2 Tổng quan về mạng trên ô tô 29

2.2.1 Sơ đồ tổng quát 29

2.2.2 Các loại giao thức truyền thông trên ôtô 30

2.2.3 Các cơ chế điều khiển 32

2.2.4 Các yêu cầu cho một hệ thống bus 35

2.2.5 Các ứng dụng trong xe 37

2.3 Tổng quan về mạng can 40

2.3.1 Sơ lược lịch sử mạng CAN 40

2.3.2 Chuẩn giao thức CAN 41

2.3.3 Cơ chế giao tiếp 43

2.3.4 Cấu trúc bức điện 44

2.3.5 Định thời bit 56

2.3.6 Phương pháp đồng bộ 59

2.3.7 Phần cứng 61

2.3.8 Phát hiện lỗi và báo lỗi 64

2.3.9 Cơ sở lý thuyết của việc phát hiện lỗi 66

2.3.10 Các lớp giao thức ứng dụng trong CAN 66

2.3.11 Bộ lọc và tiêu chuẩn so sánh cho việc chấp nhận khung dữ liệu đến 68

Chư ng 3 MÔ HÌNH MẠNG CAN 70

3.1 Giới thiệu về phần cứng 70

3.1.1 Tìm về Board Arm STM32F103T8C6 70

3.1.2 Tìm hiểu về Board ARDUINO UNO R3 72

3.1.3 Tìm hiểu về transceiver (TJA1050, MCP2551, SN65HVD2301-2) 73

3.1.4 Tìm hiểu về vi điều khiển CAN MCP2515 và Module MCP2515 74

3.1.5 ECU của xe 75

3.1.6 OBD-II trên CAN 79

3.2 Giới thiệu về phần mềm 82

3.2.1 Giới thiệu Keil c uVersion 5 cho ARM 82

3.2.2 Thiết kế CATIA V5 R26 83

3.3 Các công cụ cần dung thiết kế mô hình CAN 84

3.3.1 Phần cứng 84

3.3.2 Phần mềm 84

3.4 Phần cứng mô hình 84

3.4.1 Nút STM32F103C8T6 84

3.4.2 Nút ARDUINO UNO R3 85

3.5 Mô hình 87

3.6 Giải thuật và kết quả 88

Chư ng 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95

4.1 Những kết quả đạt được 95

4.2 Hạn chế của đề tài 95

4.3 Hướng phát triển đề tài 95

PHỤ LỤC 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT T T VÀ KÝ HIỆU

Receiver/Transmitter

Interactive Application

CAE Computer Aid Engineering

Metal-Oxide-Semiconductor

read-only memory

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2 1 Nguyên lý truyền dẫn dữ liệu 4

Hình 2 2 Ví dụ về mã hóa bit 5

Hình 2 M h a bít N à 12

Hình 2 4 Cấu trúc không gian Bus 13

Hình 2 5 Cấu trúc không gian Sao 13

Hình 2 6 Cấu trúc không gian dạng Vòng 14

Hình 2 7 Cấu trúc không gian mạng dạng Lưới 15

Hình 2 8 Cấu trúc không gian mạng lai Sao - Bus 15

Hình 2 9 Cấu trúc không gian mạng lai Sao - Vòng 16

Hình 2 10 Minh họa bảy lớp trong mô hình tham chiếu của mạng 17

Hình 2 11 Phương pháp gửi thông tin the phương thức đặt địa chỉ hướng đăng ý 20

Hình 2 12 Phương pháp gửi thông tin the phương thức đặt địa chỉ the hướng nội dung 21

Hình 2 13 Phân loại các phương pháp truy nhập Bus 23

Hình 2 14 Phương pháp chủ tớ 23

Hình 2 15 Phương pháp TDMA 24

Hình 2 16 Minh họa phương pháp CSMA/CD 25

Hình 2 17 Minh họa phương pháp CSMA/CA 26

Hình 2 18 Truyền dẫn hông đối xứng 3 pha 4 dây 28

Hình 2 19 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng (3 kênh 7 dây dẫn) 28

Hình 2 20 Điện trở 120 Ω cấp à hai đ u dây chống nhiễu 29

Hình 2 21 Minh họa số lượng ECU sử dụng trên xe 29

Hình 2 22 Sơ đồ tổng quát của mạng truyền thông trên ô tô 30

Hình 2 23 Các vùng ứng dụng trên xe 37

Hình 2 24 Điện áp hoạt động trên hai dây CAN_H và CAN_L CAN tốc độ cao 42

Hình 2 25 Điện áp hoạt động trên hai dây CAN_H và CAN_L CAN tốc độ thấp 43

Hình 2 26 Khung dữ liệu của khung tiêu chuẩn 44

Hình 2 27 Minh họa bit bắt đ u khung dữ liệu 45

Hình 2 28 Minh họa vùng phân xử 46

Hình 2 29 M ID được ưu tiên truyền trên đường bus 47

Hình 2 30 Minh họa ùng điều khiển dữ liệu 47

Hình 2 31 Mã hóa chiều dài dữ liệu 48

Hình 2 32 Vùng chứa dữ liệu 48

Hình 2 33 Vùng tính toán lỗi 48

Hình 2 34 Vùng xác nhận 49

Hình 2 35 Vùng kết thúc một khung dữ liệu 50

Hình 2 36 Khoảng nghỉ của bus 50

Hình 2 37 Cấu trúc khung lỗi ở CAN 51

Hình 2 38 Cấu trúc khung lỗi chủ động 51

Hình 2 39 Cấu trúc khung lỗi bị động 52

Hình 2 40 Cấu trúc khung quá tải 52

Hình 2 41 Hai khung quá tải trong một khung 53

Hình 2 42 Cấu trúc khoảng nghỉ giữa các khung không phải là lỗi bị động 54

Hình 2 43 Cấu trúc khung nghỉ của lỗi bị động 54

Hình 2 44 Khung mở rộng 55

Hình 2 45 Định thời bit 56

Hình 2 46 Ví dụ tính thời gian để truyền đi 1 bit 56

Hình 2 47 Số lượng tử tq trong thời gian truyền một bit 56

Hình 2 48 Các pha trong trong một bit 57

Hình 2 49 Vùng đồng bộ hóa 58

Hình 2 50 Minh họa cách tính thời gian bù cho sự trễ vật lý 58

Hình 2 51 Mảng thời gian 58

Hình 2 52 Minh họa điểm lấy mẫu 59

Hình 2 53 Sự tái đồng bộ tr ng trường hợp bộ truyền chậm hơn 61

Hình 2 54 Sự tái đồng bộ tr ng trường hợp bộ truyền chậm hơn 61

Hình 2 55 Bộ điều khiển CAN cơ bản 63

Hình 2 56 Bộ điều khiển CAN Đ y Đủ 64

Hình 2 57 Các dạng lỗi 65

Hình 2 58 Lớp giao thức trong CAN 67

Hình 2 59 Chức năng lớp giao thức trong CAN 67

Hình 2 60 Ví dụ minh họa cho bộ lọc tiêu chuẩn so sánh chấp nhận tin nhắn 68

Hình 1 Sơ đồ mạch điện hệ thống 70

Hình 3.2 ARM STM32F103C8T6 70

Hình 3.3 ARDUINO UNO R3 72

Hình 3 4 Module MCP2515 CAN 74

Hình 3 5 ECU trên xe 75

Hình 3.6 Cấu tạo hệ thống ECU 76

Hình 3 7 Sơ đề thể hiện nguyên lý làm việc chung ECU 78

Hình 3 8 Minh họa mối liên hệ giữa CAN và OBD II 80

Hình 3.9 Các chân có trên giắc cắm OBD - II trên xe 80

Hình 3 10 Khung chứa tin nhắn nhận được qua OBD II 81

Hình 11 Phân tích ý nghĩa dữ liệu 81

Hình 3 12 Giao diện KeilC V5 82

Hình 3 13 Ph n mềm thiết kế CATIA V5 - R26 83

Hình 3 14 Chân giao tiếp SPI 86

Hình 3 15 Nút ARDUINO UNO CAN 87

Hình 3 16 Mô hình hệ thống mô phỏng 3D bằng CATIA 87

Hình 3 17 Mô hình thực tế mạng CAN 88

Hình 3 18 Phân tích khung dữ liệu truyền trên bus 92

Hình 3 19 Dữ liệu nhận được từ đồng hồ xe 93

Hình 3 20 Dữ liệu thu được từ ECU 94

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Các loại giao thức truyền thông hay sử dụng trên ô tô 30 Bảng 2 2 Giá trị điện áp trên hai dây CAN_H vá CAN_L 43 Bảng 3 1 Các dòng truyền nhận phổ biến 73

Chư ng 1 T NG AN ĐỀ TÀI 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Trong nước

Mạng truyền thông giao thức CAN không phải là một lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn mới mà thực chất là các công nghệ được kế thừa, chắt lọc và phát triển từ kỹ thuật truyền thống cho phù hợp với các yêu cầu trong nền công nghệ ô tô Từ hơn một thập kỷ nay, mạng truyền thông đã trở nên không thể thiếu được trong các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại Song, thực tế người vận hành thường gặp phải hàng loạt các vấn đề trong việc tìm kiếm nguồn tham khảo đáng tin cậy, chuyên sâu và đầy đủ như cách thức hoạt động cụ thể của một mạng CAN, các chuẩn khi giao tiếp, ứng dụng khác nhau trong xe…

1.1.2 Ngoài nước

Mạng CAN đã phát triển hầu như hoàn thiện, ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên lý thuyết CAN ô tô trừu tượng và chuyên nên cũng cần nghiên cứu và thực hành

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên, môn học vẫn thiếu những ví dụ minh họa, những thiết bị thực nghiệm

để giảng dạy, đặc biệt là mô hình một hệ thống mạng CAN

Từ những vấn đề trên chúng tôi thấy cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng một mô hình hệ thống CAN thu nhỏ sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 và ARDUINO UNO R3 với giá thành hợp lý nhưng cung cấp phần nào kiến thức mà CAN hoạt động trên xe qua mô hình của nhóm

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Hiểu và nắm vững kiến thức lý thuyết về giao thức CAN

- Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi và hướng dẫn sử dụng board ARM STM32F103C8T6 dùng trình biên dịch KeilC

- Lập trình hệ thống giao tiếp CAN giữa các vi điều khiển ARD INO NO R3 và

STM32F103C8T6

- Đọc dữ liệu và truyền dữ liệu điều khiển sáng tắt đèn báo trên đồng hồ hiển thị

- Đọc dữ lệu từ hộp EC

- Hoàn thiện mô hình hệ thống CAN

1.4 Phư ng pháp và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Phư ng pháp giải quyết vấn đề

- Sử dụng các nguồn tài liệu trên Internet để tìm hiểu về KeilC, cách giao tiếp giao thức CAN giữa board STM32F103C8T6 và ARD INO UNO R3

- Thu thập dữ liệu từ hãng để lấy thông tin điều khiển cụm đồng hồ hiển thị

- Ứng dụng CATIA để thiết kế ra mô hình hệ thống

- Ứng dụng kỹ thuật cơ khí hàn các board mạch

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Lập trình giao tiếp giữa các board STM32F103C8T6 cũng như giữa các ARD INO

NO R3 với nhau

- Lập trình truyền nhận dữ liệu điều khiển cụm đồng hồ hiển thị ECU

- Đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài

Chư ng 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Tổng quan về mạng truyền thông

2.1.1 Khái niệm về mạng truyền thông

Sự phổ biến của các giải pháp tự động hóa sử dụng hệ thống truyền thông số là kết quả của tổng hợp các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin, và đương nhiên là kỹ thuật tự động hóa Mạng truyền thông công nghiệp nói chung

và mạng truyền thông trên ô tô nói riêng là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để nối các thiết bị công nghiệp, các thiết bị trong một hoặc nhiều hệ thống

Mạng truyền thông thực chất là một dạng đặc biệt của máy tính, so với mạng máy tính thông thường có những điểm giống và khác nhau như sau:

- Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai lĩnh vực

- Trong nhiều ttường hợp, mạng máy tính sử dụng trên ô tô được xem là một phần trong mô hình phân cấp công nghiệp

- Yêu cầu về tính thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong ô tô cao hơn so với mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính đòi hỏi tính bảo mật cao

- Mạng máy tính có phạm vi trải rộng khác nhau

- Sự khác nhau trong phạm vi ứng dụng dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về

kỹ thuật cũng như tính kinh tế

2.1.2 Vai trò của mạng truyền thông

Ghép nối các thiết bị, trao đổi thông tin là một trong những vấn đề cơ bản trong bất kì một giải pháp tự động hóa nào Một hoặc nhiều bộ điều khiển cần được ghép nối với các cảm biến và cơ cấu chấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cần trao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện điều khiển quá trình ghép nối và giao tiếp giữa các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình hoạt động và hệ thống điều khiển

Vậy mạng truyền thông trên ô tô có vai trò quan trọng như thế nào trong các lĩnh vực

đo lường, điều khiển và tự động hóa Sử dụng mạng truyền thông trên ô tô, đặc biệt là cấu trúc không gian bus để thay thế cách nối điểm - điểm cổ điển giữa các thiết bị đem là nhiều lợi ích sau:

- Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị

- Tiết kiệm dây nối, công thiết kế giữa các thiết bị

- Nâng cao độ tin cậy và chính xác của thông tin

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở rộng hệ thống

- Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số, chẩn hóa, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

- Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

Có thể nói, mạng truyền thông công nghiệp nói chung và mạng truyền thông trên ô tô nói riêng đã làm thay đổi hẳn tư duy thiết kế và tích hợp hệ thống, ưu thế của giải pháp dùng mạng truyền thông không nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn cả khía cạnh kinh tế Chính vì vậy, ứng dụng của nó rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp

2.1.3 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu

2.1.3.1 Giao tiếp và truyền thông

Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau, được gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phương pháp được quy định trước Đối tác này để điều khiển đối tác kia hoặc quan sát trạng thái của đối tác Đối tác có thể là con người hoặc các hệ thống kỹ thuật (phần cứng, phần mềm), với các hệ thống kỹ thuật thì hai khái niệm giao tiếp và truyền thông được sử dụng với nghĩa tương đương Truyền

dữ liệu là phương pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính (mạng máy tính) Để có thể truyền dữ liệu trong hệ truyền thông phải thực hiện quá trình mã hóa và giải mã tín hiệu

Hình 2 1 Nguyên lý truyền dẫn dữ liệu

2.1.3.2 Mã hóa và giải mã

2.1.3.2.1 Mã hóa

Là quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn Quá trình này gồm ít nhất hai bước là mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền

2.1.3.2.1.1 Mã hóa nguồn

Dữ liệu nguồn (ban đầu) được bổ sung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn như địa chỉ bên gửi và bên nhận, kiểu dữ liệu, thông tin kiểm tra lỗi… như vậy lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực cần truyền tải

2.1.3.2.1.2 Mã hóa đường truyền

Là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền dẫn Trong mạng truyền thông công nghiệp mã hóa đường truyền đồng nghĩa với việc mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn Khi một tín hiệu được truyền tải đi, cần có một phương pháp để bên nhận phân biệt giới hạn giữa các bit dữ liệu nối tiếp nhau, gọi là phương thức đồng bộ hóa

Hình 2 2 Ví dụ về mã hóa bit

2.1.3.2.2 Giải mã

Là quá trình chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử

lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin gốc

2.1.3.3 Điều chế và điều biến tín hiệu

2.1.3.3.1 Điều chế

Là một quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiện qua biên

độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ

2.1.3.3.2 Điều biến

Chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai (tín hiệu mang)

2.1.3.4 Tốc độ truyền và tốc độ bit

2.1.3.4.1 Tốc độ Baud

Là số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thông tin (như biên độ) trong một giây và

có đơn vị là Baud Đối với nhiều phương pháp mã hóa bit, tín hiệu không bắt buộc phải thay đổi trạng thái trong mỗi nhịp, vì thế tốc độ Baud không hoàn toàn chính xác Vì vậy người ta sử dụng khái niệm tốc độ truyền hay tốc độ bit

2.1.3.4.2 Tốc độ truyền hay tốc độ bit

Được tính bằng số bit dữ liệu truyền đi trong một giây, và được tính bằng bit/s hoặc bps Nếu tần số nhịp là f và số bit được truyền đi trong một nhịp là n, thì số bit được truyền đi trong một giây là: v = f*n Nếu mỗi nhịp chỉ có duy nhất một bit được truyền thì v = f và lúc này tốc độ bit là tương đương với tốc độ Baud Hay 1 Baud tương đương với 1bit/s

2.1.3.5 Tính năng thời gian thực

Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trưng quan trọng nhất đối với hệ thống tự động hóa Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời với các tác động bên ngoài

2.1.4 Truyền đồng bộ và không đồng bộ

Sự phân biệt giữa truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp Nội dung được đề cập ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên nhận và bên gửi dữ liệu, nói cách khác làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không

2.1.4.1 Chế độ đồng bộ

Các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định Trong đó bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi

dữ liệu Để đồng bộ được thì có thể có các giải pháp sau:

- Một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác

- Dùng phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu

- Bổ sung vào gói dữ liệu một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu

Là một quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiện qua biên

độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ

2.1.4.2 Chế độ không đồng bộ

Bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 đến 8 bit, gọi là ký tự Các ký tự được chuyển đi vào các thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự, việc đồng bộ hóa được thực hiện với từng ký tự

2.1.5 Truyền một chiều và truyền hai chiều

2.1.5.1 Chế độ truyền một chiều

Thông tin chỉ được truyền đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát hoặc bên nhận thông tin trong suốt quá trình giao tiếp Chế độ này không được ứng dụng trong công nghiệp

2.1.5.2 Chế độ truyền hai chiều gián đoạn

Một trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc, nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật

lý

2.1.5.3 Chế độ truyền hai chiều toàn phần

Chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền hai chiều gián đoạn ở chỗ phải

sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát Tức là khác cấu hình hệ thống mạng truyền thông

2.1.6 Bảo toàn dữ liệu

2.1.6.1 Đặt vấn đề

Trong quá trình truyền thông do ảnh hưởng của nhiễu và chất lượng môi trường truyền dẫn mà thông tin được truyền tải cũng không tránh khỏi bị sai lệch Vậy làm thế nào để hạn chế lỗi cũng như khi đã xảy ra lỗi thì phải có biện pháp khắc phục, có thể phân loại lỗi như sau:

- Lỗi phát hiện được không sửa được

- Lỗi phát hiện được và sửa được

- Lỗi không phát hiện được

Biện pháp thứ nhất là sử dụng các thiết bị phần cứng cao cấp và các biện pháp bọc lót đường truyền để giảm thiểu tác động của nhiễu Song, đây chỉ là biện pháp hạn chế mà không loại trừ hoàn toàn khả năng bị lỗi Mặt khác giá thành cao cũng cản trở trong việc thực hiện

Bảo toàn dữ liệu chính là phương pháp sử dụng xử lý giao thức để phát hiện và khắc phục lỗi, trong đó phát hiện lỗi đóng vai trò hàng đầu Khi đã phát hiện được lỗi, có thể

có cách khôi phục dữ liệu, hay biện pháp đơn giản hơn là yêu cầu gửi lại dữ liệu Các phương pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng là:

- Bit chẵn lẻ một chiều và hai chiều

2.1.6.2 Bit chẵn lẻ

Bit chẵn lẻ là một phương pháp kiểm tra lỗi đơn giản, được áp dụng rất rộng rãi Nguyên tắc làm việc được mô tả như sau: Tùy theo tổng số các bit 1 trong thông tin nguồn là chẵn hay lẻ mà ta thêm vào một bít thông tin phụ trợ p = 0 hoặc p = 1, gọi là parity bit, hay bit chẵn lẻ Trong trường hợp này, ta cũng gọi là prity bit một chiều Phương pháp này rất đơn giản và hiệu quả Giá trị của bít chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn

- Nếu chọn parity chẵn, thì p = 0 khi tổng số bit 1 là chẵn

- Nếu chọn parity lẻ, thì p = 0 khi tổng số bit 1 là lẻ

- Ví dụ dùng parity chẵn:

Dãy bit nguyên bản: 1001101

Dãy bit gửi đi: 10011010

Giả sử chỉ một hoặc ba bit trong một bức điện gửi đi bị đảo, bên nhận sẽ so sánh và phát hiện được Nhưng chỉ cần hai bit trong một bức điện bị lỗi, thì bên nhận sẽ không

phát hiện được nhờ bit chẵn lẻ Nói cách khác số bit chắc chắn phát hiện được ở đây chỉ

là 1

2.1.6.3 CRC

Là phương pháp mã đa thức hoặc mã vòng Phương pháp này sử dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thông tưởng của phương pháp này là thông tin được kiểm lỗi được gọi là checksum, phải được tính bằng một thuật toán thích hợp, trong đó giá trị mỗi bit của thông tin nguồn được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán Để tính toán thông tin kiểm lỗi đó, người ta dùng một đa thức phát G (Generator polynomial) có một dạng đặc biệt Vì vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp dùng đa thức G được quy ước dưới dạng nhị phân, tức các hệ số của nó chỉ có giá trị 1 hoặc 0 tương ứng với các chữ số trong một dãy bit Ví dụ:

Dạng đa thức: + + + ) + + ) + 1

Dạng nhị phân: G = {11100101}

Dạng octal: G = {345}

Nguyên t c c bản của phư ng pháp CRC

Giả sử đa thức G có bậc n, ví dụ: , tương ứng với dãy bit (1011) dãy bit mang thông tin nguồn I được thêm vào n bit 0 coi như một đa thức nhị phân P Ví dụ thông tin nguồn là (110101) thì sau khi thêm 3 bit 0, ta có dãy bit (110101000) tương ứng với đa thức P = + + +

Đa thức P được chia cho đa thức G dựa vào quy tắc đơn giản của phép trừ không có nhớ như sau:

Giả sử dãy bit nhận được là D’ không chia hết cho G thì tức là D khác D’, ta có thể khẳng định được rằ ng bức điện chắc chắ n bị lỗi Ngược lại, nếu D’ chia hết cho G, thì

xác suất rất cao là bức điện nhận được không có lỗi ác suất cao là vì mỗi bit trong thông tin nguồn tham gia nhiều vòng (cyclic) vào tính toán thông tin bổ trợ nên khả năng

dữ liệu sai mà kết quả đúng là rất ít Ví dụ:

Thông tin cần truyền I = 110101

Đa thức qui ước G = 1011 { tức : }

Thêm 3 bit 0 vào thông tin nguồn I, ta có P = 110101000

Chia đa thức P: G theo kiểu nhị phân

Giả sử dữ liệu được nhận là D’ = 110101111

Chia đa thức D’: G

110101111: 1011 = 111101

Phần dư 0000 -> Xác suất rất cao là không có lỗi

Phương pháp CRC có vẻ phức tạp nhưng việc thực hiện nó là hết sức đơn giản Phép chia đa thức nhị phân ở đây được thực hiện thuần túy bởi phép trừ không có nhớ hay chính là các phép logic OR Bên cạnh đó chỉ cần các phép sao chép và so sánh bit thông thường

đầu và kết thúc Do vậy, đòi hỏi trong phần còn lại không được phép xuất hiện mẫu bit này Bên cạnh đó, trong quá trình mã hóa bit cũng chú ý phải triệt tiêu dòng một chiều bằng cách loại bỏ các chuỗi bit dài 1 liên tục Vì vậy, người ta tìm cách nhồi thêm môt số bit vào dãy bit nguyên bản để tránh xuất hiện một chuỗi dài bit 1 liên tục cũng như tránh trùng lập với mẫu bit đặc biệt Hiệu ứng phụ của cách làm này chính là tạo điều kiện cho bên nhận dễ phát hiện lỗi hơn, ví dụ trong trường hợp mẫu bit đặc biệt xuất hiện trong phần nội dung của bức điện nhận được

Phương pháp nhồi bit được thực hiện theo nguyên tắc sau:

- Bên gửi: nếu trong dữ liệu có n bit 1 đứng liền nhau thì thêm một bit 0 vào ngay sau

đó Như vậy trong dãy bit được chuyển đi không thể xuất hiện n 1 bit 1 đi liền nhau

- Bên nhận: nếu phát hiện thấy n bit 1 liền nhau mà tiếp theo là 0 thì được tách ra, còn nếu là bit 1 thì dữ liệu chắc chắn bị lỗi

- Ví dụ với n = 5 như ở CAN

- Thông tin nguồ n I = 0111111

- Thông tin gử i đi D = 01111101

- Nếu thông tin nhận được D’ = 01111101, bên nhận có thể coi xác xuất cao không có lỗi, thông tin nguồn I sẽ được phục hồi bằng cách bỏ đi bit 0 đứng sau 5 bit 1

- Nếu thông tin nhận được D’ = 011111101, thì thông tin nhận được bị lỗi

Trong thực tế, cả 3 phương pháp bit chẵn lẻ, CRC và nhồi bit đều có thể sử dụng phối hợp Ví dụ một thông tin nguồn, sau khi đã áp dụng phương pháp CRC, có thể tính bit chẵn lẻ cho phần thông tin bổ xung (R) Toàn bộ dãy bit nhận được có thể có thể lại đưa qua khâu nhồi bit hoặc bức điện có thể được truyền theo từng ký tự ART với kiểm tra chẵn lẻ cho từng ký tự, trước khi thực hiện mã hóa bit

2.1.7 Mã hóa bit

Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1, 0) sang một tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số pha hoặc sườn xung… Sự thích hợp ở đây phải được đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiễu cũng như gây nhiễu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều

có thể là:

- Đất và điện áp dương

- Điện áp âm và đất

- Điện áp âm và điện áp dương cùng giá trị (tín hiệu lưỡng cực)

Một trong những ưu điểm của phương pháp NRZ là tín hiệu có tần số thường thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus Phương pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa, bởi một dãy bit 0 hoặc 1 liên tục không làm thay đổi mức tín hiệu Tín hiệu không được triệt tiêu dòng một chiều, ngay cả khi sử dụng tín hiệu lưỡng cực, nên không có khả năng đồng tải nguồn Phương pháp RZ (Return to Zero) cũng mã hóa bit 0 và 1 với hai mức tín hiệu khác nhau giống như ở NRZ Tuy nhiên mức tín hiệu cao chỉ tồn tại trong nữa đầu của chu kỳ bit T, sau đó quay trở lại 0 Tần số cao nhất của tín hiệu chính bằng tần số nhịp bus Giống như NRZ, tín hiệu mã RZ không mang thông tin đồng bộ hóa, không có khả năng đồng tải nguồn

2.1.9 Cấu trúc liên kết

Cấu trúc không gian được hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhưng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách định nghĩa về tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng

2.1.9.1 Cấu trúc không gian dạng Bus

Cấu trúc không gian mạng này cũng được gọi là một tuyến bus Phần tử chính của một cấu trúc không gian dạng Bus là một dây cáp đơn nối đến tất cả các nút được kết nối thông qua các dây cáp kết nối ngắn Đặc điểm cơ bản của cấu trúc không gian Bus là việc

sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm do vậy có thể tiết kiệm được cáp dẫn

Hình 2 4 Cấu trúc không gian Bus

2.1.9.2 Cấu trúc không gian hình Sao

Cấu trúc không gian hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác Nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng các thành viên khác được kết nối gián tiếp qua trạm trung tâm Do đó nếu trạm trung tâm bị hỏng thì sẽ làm tê liệt toàn bộ hệ thống

Hình 2 5 Cấu trúc không gian Sao

2.1.9.3 Cấu trúc không gian dạng Vòng

Đường truyền được khép kín và các trạm có vai trò là ngang nhau

- Mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy số trạm trong mạng có thể tăng lên rất lớn, mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần và tín hiệu được truyền theo

một chiều

- Biện pháp tránh xung đột đường truyền được thực hiện đơn giản

Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong nhận và phát tín hiệu Việc kiểm soát đường dẫn do các trạm tự phân chia

Hình 2 6 Cấu trúc không gian dạng Vòng

Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ đảm nhiệm vai trò kiểm soát việc truy nhập đường dẫn

2.1.9.4 Cấu trúc không gian dạng Lưới

Trong cấu hình không gian dạng lưới, mỗi nút được kết nối đến một hay nhiều nút khác Trong toàn bộ hết thống mạng lưới, mỗi nút được kết nối đến mọi nút khác Nếu một nút hoặc một kết nối bị hỏng nó có thể dẫn đi bằng đường khác Do đó mà loại mạng này có mức độ ổn định hệ thống cao Tuy nhiên mức phí của mạng và phương tiện thông tin rất cao Các mạng lưới Ra-đi-ô tạo thành loại cấu trúc không gian mạng Lưới, do việc truyền dẫn của mỗi trạm được nhận từ mỗi một trạm khác nhau trong một phạm vi giới hạn Cấu trúc không gian mạng Lưới giống với cấu trúc không gian dạng Bus theo cách

mà nó trao đổi truyền thông có liên quan và giống với cấu trúc không gian dạng Sao về việc truyền dữ liệu, do mỗi một trạm nhận tất cả các truyền dẫn từ mỗi trạm khác nhưng khi bộ kết nối bị hỏng nó có thể đươc khắc phục

Hình 2 7 Cấu trúc không gian mạng dạng Lưới

2.1.9.5 Cấu trúc không gian mạng dạng Lai

Cấu trúc không gian dạng Lai là sự kết hợp của các cấu trúc không gian mạng khác nhau Ví dụ như sự kết hợp của:

Cấu trúc mạng Sao – Bus: các máy chủ truy cập của nhiều cấu trúc mạng sao được nối liền với nhau như một đường tuyến tính Bus

Hình 2 8 Cấu trúc không gian mạng lai Sao - Bus

Cấu trúc mạng Sao - Vòng: các máy chủ truy cập của nhiều cấu trúc mạng kết nối với máy chủ truy cập chính Các máy chủ truy cập của cấu trúc không gian Sao được kết nối hình thành nên mạch vòng trong máy chủ truy cập chính này

2.1.10 Kiến trúc giao thức

Để có thể giao tiếp được với nhau thì các đối tác phải sử dụng chung một ngôn ngữ trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng như bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức

Một quy chuẩn giao thức gồm các thành phần sau:

2.1.10.1 Cú pháp

Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ như địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi

Có hai loại giao thức: giao thức cấp thấp và giao thức cấp cao:

- Giao thức cấp cao gần với người thực hiện và thường được xử lý bằng phần mềm

- Giao thức cấp thấp gần với phần cứng và được thực hiện trực tiếp bởi các mạch

Hình 2 9 Cấu trúc không gian mạng lai Sao - Vòng

điện tử Các giao thức cấp thấp thường được dùng là HDLC (High level Data–Link Control) và UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

2.1.11 Mô hình lớp

Hình 2 10 Minh họa bảy lớp trong mô hình tham chiếu của mạng

- Mô hình OSI (Open System Interconnection Reference) còn được dịch là Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở

- OSI được ISO định nghĩa một cách cụ thể trong bộ tài liệu ISO 7498-1

- Mô hình OSI phân chia các chức năng của một giao thức thành một chuỗi các lớp, mỗi lớp chỉ sử dụng các chức năng của các lớp bên dưới nó, đồng thời bản thân nó cũng cho phép lớp bên trên sử dụng các chức năng của mình

- Một hệ thống cài đặt các giao thức bao gồm một chuỗi các lớp nói trên được gọi là chồng giao thức , và có thể được cài đặt trên phần cứng hoặc phần mềm Thông thường thì những lớp thấp hơn sẽ được cài đặt trong phần cứng, còn các tầng cao hơn sẽ được cài đặt trong phần mềm

2.1.11.1 Lớp vật lý

- Lớp vật lý có nhiệm vụ đặc tả các qui định về điện và vật lý cho các thiết bị thuộc

lớp đó như hub, bộ lặp, bộ chuyển đổi,

- Chức năng và dịch vụ cơ bản được thực hiện bởi lớp vật lý bao gồm:

+ Thiết lập hoặc ngắt các kết nối điện tử, đồng thời đóng vai trò là môi trường truyền dẫn tín hiệu trung gian

+ Giải quyết tranh chấp tài nguyên và điều kiển lưu lượng

+ Điều chế hoặc biến đổi giữa biểu diễn dữ liệu số của các thiết bị người dùng với các tín hiệu analog của các kênh truyền thông

- Lớp vật lý có đơn vị dữ liệu là bit

2.1.11.2 Lớp Dữ liệu – Liên kết

- Lớp dữ liệu – liên kết cung cấp các chức năng và qui trình để truyền dữ liệu giữa các thực thể mạng đồng thời phát hiện cũng như sữa chữa các lỗi trong lớp vật lý nếu có

- Cách đánh địa chỉ mang tính vật lý được mã hóa cứng vào trong các thẻ mạng thông qua phần MAC từ khi chúng được sản xuất

- Lớp dữ liệu – liên kết cũng chính là nơi mà các thiết bị chuyển mạch hoạt động Các kết nối chỉ được cung cấp giữa các nút mạng được nối với nhau trong nội bộ mạng

- Lớp dữ liệu – liên kết có đơn vị dữ liệu là các khung

2.1.11.3 Lớp mạng

- Lớp mạnh cung cấp các chức năng và qui trình cho việc truyền các chuỗi dữ liệu có

độ dài đa dạng từ nguồn gửi đến một đích đến nào đó thông qua một hoặc nhiều mạng trong khi vẫn phải đảm bảo chất lượng dịch vụ mà lớp vận chuyển bên trên nó yêu cầu

- Lớp cũng thực hiện việc định tuyến  Đây chính là môi trường hoạt động của các Router

- Lớp mạng có đơn vị dữ liệu là các gói

2.1.11.4 Lớp vận chuyển

- Lớp vận chuyển cung cấp dịch vụ chuyên dụng chuyển dữ liệu giữa các người dùng cuối, nhờ đó mà các lớp trên không phải quan tâm đến việc cung cấp các dịch vụ này nữa

- Cũng chính vì nhiệm vụ đó mà lớp vận chuyển có khả năng theo dõi các gói tin cũng như thực hiện truyền lại nếu quá trình gửi bị thất bại

- Ở lớp vận chuyển thì địa chỉ truyền gửi được đánh dấu dưới dạng cổng địa chỉ để phân biệt mục đích mà các ứng dụng muốn trao đổi dữ liệu

- Lớp vận chuyển có đơn vị dữ liệu là các mảng

2.1.11.5 Lớp giao dịch

- Lớp giao dịch kiểm soát các hội thoại giữa các máy tính, đúng như tên gọi của nó

- Cụ thể hơn, lớp giao dịch sẽ thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối với các trình ứng dụng cục bộ cũng như các trình ứng dụng từ xa

- Lớp giao dịch cũng hỗ trợ hoạt động song công, bán song công hoặc đơn công, đồng thời thiết lập các qui trình đánh dấu điểm hoàn thành  Hỗ trợ phục hồi đường truyền nhanh hơn khi có lỗi xảy ra

- Lớp giao dịch có đơn vị dữ liệu là dữ liệu

2.1.11.6 Lớp trưng bày

- Lớp trưng bày hoạt động như một lớp dữ liệu, có nhiệm vụ biên dịch dữ liệu được gửi từ lớp ứng dụng bên trên nó sang một dạng chung hoặc biên dịch theo chiều ngược lại

- Ngoài ra, lớp trưng bày còn có các nhiệm vụ khác:

+ Chuyển đổi dữ liệu

+ Nén dữ liệu

+ Mã hóa / Giải mã hóa

- Lớp trưng bày có đơn vị dữ liệu là dữ liệu

2.1.11.7 Lớp ứng dụng

- Lớp ứng dụng là lớp gần với người dùng nhất, và cũng là lớp cuối cùng trong mô hình tham chiếu OSI Lớp này cung cấp các phương tiện cho người dùng truy cập các thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua chương trình ứng dụng

- Lớp ứng dụng có đơn vị dữ liệu là dữ liệu

2.1.12 Đặt địa chỉ

Để có thể thực hiện được việc truyền các thông báo thông qua mạng và từ đó đánh giá được nội dung gửi, dữ liệu hữu ích được truyền và thông tin được gửi Điều này có thể được thể hiện rõ trong quá trình truyền hoặc xác định rõ bằng cách sử dụng các giá trị đặt trước Đặt địa chỉ miêu tả thông tin quan trọng cho việc thông tin dữ liệu truyền Đặt địa chỉ rất cần thiết để một thông báo được gửi đi đến đúng nơi được nhận

Mục đích của việc tạo ra nhiều phương thức đặt địa chỉ khác nhau là để phục vụ cho các nhu cầu đa dạng trong cách thức trao đổi thông tin đối với các hệ thống/chương trình khác nhau

Thông tin gửi được đề cập ở đây có thể được hiểu khái quát tương tự như thông tin

về đối tượng gửi, đối tượng nhận, Các thông tin này là tối quan trọng để một gói thông tin có thể được gửi một cách chính xác và trong khoảng thời gian chấp nhận được Và đối với một mạng lưới, các đối tượng như thế gọi là địa chỉ, và từ đó hình thành nên khái niệm địa chỉ để phân biệt các cách thức sử dụng địa chỉ khác nhau

2.1.12.1 Phư ng thức đặt địa chỉ hướng đăng kí

Phương thức đặt địa chỉ hướng đối đăng kí chính là phương pháp định địa chỉ giống với việc gửi thư Cụ thể mỗi nút trong mạng đều sẽ có một địa chỉ riêng và không được trùng nhau (tương tự như địa chỉ nhà hay số điện thoại)

Khi một gói thông tin được gửi đi thì sẽ được đính kèm thông tin về địa chỉ gửi và địa chỉ nhận Các nút trong mạng sẽ sử dụng địa chỉ nhận để so sánh với địa chỉ của chính nó nhằm quyết định có lấy gói thông tin đó hay không Và địa chỉ gửi sẽ được sử dụng trong trường hợp nút nhận gói thông tin đó muốn phản hồi lại nút gửi bằng một gói thông tin khác Phần lớn các hệ thống truyền thông thông thường (ví dụ như Ethernet) có

cơ chế hoạt động phương thức đặt địa chỉ hướng đăng kí

Hình 2 11 Phương pháp gửi thông tin the phương thức đặt địa chỉ hướng đăng ý

Ưu điểm: Mọi thông tin truyền và nhận đề vô cùng rõ ràng và tương đối dễ dàng để

theo dõi

Nhược điểm: Phương thức này lại có ảnh hưởng khá lớn đối với các hệ thống nhúng

như trong ô tô :

- Toàn bộ các địa chỉ được sử sụng trong network dạng này đều phải đăng kí trước (lập trình trong bộ nhớ hệ thống) đối với toàn bộ các node đang hiện hữu trong

mạng Hoàn toàn không phù hợp đối với môi trường mạng trong ô tô

- Việc thêm bớt một nút nào đó sẽ ảnh hưởng đến toàn mạng

- Vấn đề khi gửi một gói tin đến nhiều đối tượng cùng lúc, khi đó mỗi đối tượng nhận

sẽ có một địa chỉ riêng được đính kèm vào gói thông tin gửi Điều này sẽ làm cho gói thông tin gửi cực kì nặng nề và khó để phân tách địa chỉ một các nhanh gọn

- Nút gửi thông tin sẽ là nút hoàn toàn chịu trách nhiệm trong việc có sai sót trong đối tượng gửi lẫn nội dung gửi Cần lưu ý rằng một nút có thể đảm nhận nhiều công việc cùng lúc, do đó nút gửi cần phải quan tâm đến vấn đề này khi gửi thông tin đến một nút bất kì nào đó

2.1.12.2 Phư ng thức đặt địa chỉ hướng nội dung gửi

Phương thức đặt địa chỉ hướng nội dung gửi là một dạng định địa chỉ được sử dụng khá nhiều trong ngành công nghiệp ô tô, mà đại diện chính là CAN

Đối với phương thức đặt địa chỉ hướng nội dung gửi thì các địa chỉ sẽ được gọi là các

ID, mỗi nút sẽ chứa bên trong nó ít nhất một ID

Khi một nút muốn gửi một gói thông tin nào đó, chỉ cần đơn giản đính kèm vào thông tin ID của các nút quan tâm đến thông tin đó (phân loại theo nội dung) Và các nút trong mạng cũng tương ứng dựa trên các ID để xác định thông tin nhận được có cần thiết hay không để đưa vào xử lý hay loại bỏ

Hình 2 12 Phương pháp gửi thông tin the phương thức đặt địa chỉ the hướng nội

dung

Ưu điểm: Hoạt động linh hoạt, dễ dàng theo dõi cũng như tùy ý thêm bớt các nút mà

không ảnh hưởng đến mạng Dữ liệu về ID sẽ chỉ cần nạp một lần duy nhất trong thời gian phát triển cho dù sau này có sự thay đổi về số lượng nút trong bus đi chăng nữa Cực

kì phù hợp với mạng trong ô tô

Nhược điểm: Tương đối lớn đó chính là về khả năng bảo mật khi các gói thông tin

được gửi theo cách có thể nói là rất dễ dãi Cần phát triển thêm các phương pháp bảo mật đi kèm

2.1.12.3 Phư ng thức đặt địa chỉ hướng phư ng tiện gửi

Mục tiêu của phương thức này hướng đến các các vụ có đặc tính truyền thông tin theo một khung thời gian cụ thể và mang tính có chu kì

Đối với một vài giao thức truyền dữ liệu mới, đặc biệt trong lĩnh vực ô tô đối với các dòng xe cao cấp, phương thức đặt địa chỉ hướng phương tiện gửi sẽ có thể kết hợp cùng với phương thức đặt địa chỉ hướng đăng kí hay phương thức đặt địa chỉ hướng nội dung gửi để tăng khả năng đáp ứng đối với một vài hệ thống đặc biệt

2.1.13 Phư ng thức truy cập bus

2.1.13.1 Phân loại

Phân loại truy nhập bus thành nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên Với các phương pháp tiền định, trình tự truy cập bus được xác định rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (chủ/ tớ) theo sự quy định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp token passing) Nếu mỗi hoạt động truyền thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định, thì thời gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus có thể tính toán được các hệ thống này vì thế được gọi là

có tính năng thời gian thực

Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những phương pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Người ta thường coi các hệ thống sử dụng phương pháp này không có khả năng thời gian thực Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực

ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về tính năng thời gian thực cũng khác nhau

Hình 2 13 Phân loại các phương pháp truy nhập Bus

2.1.13.2 Chủ - tớ

Trong phương pháp chủ - tớ, một trạm chủ có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi yêu cầu Trạm chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tới trạm chủ cũng như nhận các thông tin từ trạm chủ

Hình 2 14 Phương pháp chủ tớ

Trong một số hệ thống, thậm chí các hệ thống không có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, khi cần trao đổi bắt buộc phải qua trạm chủ Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể do người sử dụng quy định trước (tiền định) bằng

các công cụ tạo lập cấu hình Trong trường hợp chỉ có một trạm chủ duy nhất thời gian cần cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus Do vậy, chu kỳ bus có thể tính toán được một cách tương đối chắc chắn Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống

Ưu điểm: Việc kết nối các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi gần như toàn bộ trí

tuệ tập trung ở trạm chủ Một trạm chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó

Nhược điểm

- Hiệu suất truyền thông thấp do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ

- Độ tin cậy của hệ thống truyền thông dựa hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất Do

đó, nếu trạm chủ có lỗi thì toàn bộ hệ thống truyền thông bị tê liệt

2.1.13.3 Phư ng pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

Trong phương pháp này mỗi trạm được phân chia một thời gian truy cập bus nhất định Các trạm được phép lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép – gọi là khe thời gian hay lát thời gian theo một tuần tự quy định sẵn Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Khác với phương pháp chủ - tớ Ở đây có hoặc không có một trạm chủ Trong trường hợp có trạm chủ thì vai trò của nó chỉ là ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác Do tính chất tiền định của cách phân chia thời gian mà phương pháp này thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực

Hình 2 15 Phương pháp TDMA

Ngoài các lát thời gian phân chia cố định cho các trạm dùng để trao đổi dữ liệu định

kỳ (đánh số từ 1 tới N), thường có một số khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi dữ liệu bất thường theo yêu cầu, ví dụ thông tin cảnh báo mệnh lệnh đặt cấu hình, dữ liệu tham

số, điểm đặt…Do tính chất tiền định của cách phân chia thời gian mà phương pháp này thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực

2.1.13.4 CSMA/CD (Carrier Sence Multiple Access with Collison Detection)

Mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không một sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

- Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn nếu đường dẫn rỗi không có tín hiệu thì mới được phát

- Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh với tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không

- Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại

Hình 2 16 Minh họa phương pháp CSMA/CD

Trạm A và C cùng nghe đuờng dẫn Đường dẫn rỗi nên A có thể gửi trước Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chưa kịp tới nên trạm C không biết và cũng gửi gây ra xung đột tại một điểm gần C A và C sẽ nhận được tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi đi và phát hiện xung đột Cả hai trạm sẽ cùng phải hủy bức điện đã gửi đi bằng cách không phát tiếp, các trạm muốn nhận sẽ không nhận được cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi như bức điện không hợp lệ A và C cũng có thể gửi đi một tín hiệu jam đặc biệt để báo

cho các trạm cần nhận biết Sau đó mỗi trạm sẽ chờ một thời gian ngẫu nhiên, trước khi thử phát lại Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải được tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời gian chờ ngắn một cách hợp lý và không giống nhau giữa các trạm cùng chờ Thông thường thời gian chờ này là một bội số của hai lần của thời gian lan truyền tín hiệu Ts

Ưu điểm: CSMA/CD là tính chất đơn giản, linh hoạt Khác với các phương pháp tiền

định, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng gì tới hoạt động của hệ thống Chính vì vậy phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet

Nhược điểm: CSMA/CD là tính bất định của thời gian phản ứng, các trạm đều bình

đẳng như nhau nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được chính xác thời gian Hiệu suất sử dụng đường truyền vì thế cũng thấp

2.1.13.5 CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access with Collison Avoidance)

Tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như khi gửi thông tin Tuy nhiên một phương pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia Ví dụ tương ứng với mức 0 là mức điện áp cao sẽ lấn át mức điện áp thấp của bit 1

T1 là thông tin do trạm 1 gửi đi R1 là thông tin trạm 1 nghe được phản hồi từ đường dẫn, T2 là thông tin do trạm 2 phát đi và R2 là thông tin trạm 2 nghe được Khi hai bức điện khác nhau ở một bít nào đó, trạm thứ hai sẽ phát hiện ra xung đột và ngừng phát còn trạm thứ nhất có mức tín hiệu lấn át nên coi như không có chuyện gì xảy ra và tiếp tục phát Trạm thứ hai có thể chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên hoặc chờ khi nào đường dẫn rỗi trở lại sẽ gửi

Hình 2 17 Minh họa phương pháp CSMA/CA

Điều kiện để thực hiện theo cơ chế trên là mỗi trạm đều phải nhận được tín hiệu phản hồi tương ứng với bit vừa gửi, trước khi gửi một bit tiếp theo, như vậy mới có khả năng

dừng lại kịp thời khi xảy ra xung đột cũng như để bit tiếp theo không bị ảnh hưởng Như vậy thời gian TB phải lớn hơn hai lần thời gian truyền tín hiệu TS hay:

1/v > 2TS với v là tốc độ truyền

2.1.14 Phư ng thức truyền dẫn tín hiệu

Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Với phương pháp này các bit được truyền

từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền Cũng chính vì không có một đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc đồng bộ hóa thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thỏa thuận trên cơ sở một giao thức truyền thông

Các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có bộ phát ký hiệu là

D, và một bộ thu ký hiệu là R Một thiết bị vừa thu vừa phát được gọi với tên ghép transceiver Hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống truyền thông công nghiệp đó là phương thức chênh lệch đối xứng và phương thức không đối xứng hay phương pháp đơn cực

2.1.14.1 Truyền dẫn không đối xứng

Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiện các trạng thái logic 1 và 0 của một tín hiệu số Chú ý rằng sự liên quan giữa trạng thái logic của một tín hiệu với trạng thái logic của dãy bit mang thông tin được truyền phụ thuộc vào phương pháp mã hóa bit, tức là giá trị logic của một tín hiệu tại một thời điểm không nhất thiết phải đồng nhất với giá trị logic của một bit tương ứng mang thông tin Một trong những ưu điểm của phương thức truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần một đường dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu trong trường hợp cần thiết Nhờ vậy tiết kiệm được số dây dẫn và linh kiện ghép nối

2.1.14.2 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn (A và B hay dây -

và dây ) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất