Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử

Hệ thống NSS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1.1 Công nghệ mạng cơ sở 2

1.1.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 2

1.1.1.1 Cấu trúc mạng GSM 2

1.1.1.2 Đặc điểm mạng GSM 8

1.1.2 Công nghệ SMS 8

1.1.2.1 Các loại dịch vụ và đặc điểm của tin nhắn SMS 8

1.1.2.2 Các thành phần cơ bản của tin nhắn SMS 10

1.1.2.3 Cấu trúc cơ bản của tin nhắn SMS 10

1.1.2.4 Ứng dụng của SMS 13

1.2 Chuẩn truyền thông công nghiệp TIA/EIA-485 15

1.2.1 Phương pháp truy cập Chủ - Tớ 15

1.2.2 Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA–485 17

1.2.2.1 Đường truyền cân bằng trong RS485 17

1.2.2.2 Đặc tính điện học 19

1.2.2.3 Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 20

1.2.2.4 Cáp nối trong mạng RS-485 21

1.2.2.5 Vai trò của trở đầu cuối 21

1.2.2.6 Vai trò của đất 24

1.3 Giao thức truyền thông Modbus–RTU 24

1.3.1 Cơ chế giao tiếp 25

1.3.2 Các chế độ giao tiếp 27

1.3.3 Cấu trúc khung truyền 28

1.3.4 Bảo toàn dữ liệu 30

1.3.5 Sơ đồ trạng thái của Modbus 31

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 33

2.1 Yêu cầu và lựa chọn phương án thiết kế 33

2.1.1 Yêu cầu thiết kế 33

2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế 33

2.2 Sơ đồ khối của hệ thống 34

2.3 Thiết kế và thi công phần cứng cho hệ thống 35

2.3.1 Khối giao tiếp GSM 35

2.3.1.1 Giới thiệu mô-đun GPRS/GSM SIM900 35

2.3.1.2 Thiết kế và thi công khối giao tiếp GSM 37

2.3.2 Khối điều khiển trung tâm 39

2.3.2.1 Vi điều khiển dsPIC-30F4011 39

2.3.2.2 Thiết kế và thi công khối điều khiển trung tâm 41

2.3.3 Khối điều khiển tầng 43

2.3.3.1 Vi điều khiển PIC-16F887 43

2.3.3.2 Thiết kế và thi công khối điều khiển tầng 44

2.3.4 Khối công suất 47

Chương 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 50

3.1 Giới thiệu phần mềm lập trình PIC C Complier 50

3.2 Tập lệnh AT và tin nhắn với định dạng PDU 51

3.2.1 Tập lệnh AT cơ bản 51

3.2.2 Mã hoá và giải mã tin nhắn theo chế độ PDU 52

3.3 Cấu trúc tin nhắn điều khiển và phản hồi trạng thái thiết bị 54

3.3.1 Cấu trúc tin nhắn điều khiển thiết bị 55

3.3.2 Cấu trúc tin nhắn phản hồi thông tin trạng thái thiết bị 55

3.4 Danh sách các file mã nguồn 56

3.5 Xây dựng thuật toán cho khối điều khiển trung tâm 57

3.6 Xây dựng thuật toán cho khối điều khiển tầng 61

Chương 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 62

4.1 Thử nghiệm hoạt động của khối công suất 62

4.2 Thử nghiệm chức năng nhận và giải mã tin nhắn với định dạng PDU 62

4.3 Thử nghiệm chức năng giao tiếp truyền thông RS-485 Modbus-RTU 63

4.4 Thử nghiệm hoạt động của toàn hệ thống 63

4.5 Đánh giá kết quả 65

KẾT LUẬN 66

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quan mạng GSM 2

Hình 1.2 Sơ đồ đấu nối BSS 3

Hình 1.3 Tổng quan về NSS 4

Hình 1.4 Các giao diện trong mạng GSM 7

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của SMS 11

Hình 1.6 Mô hình Chủ/Tớ 15

Hình 1.7 Mô tả quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ 16

Hình 1.8 Đường truyền không cân bằng 17

Hình 1.9 Đường truyền cân bằng trong RS485 17

Hình 1.10 Cấu hình bus RS485 truyền nhận đơn công 18

Hình 1.11 Cấu hình bus RS485 truyền nhận song công 19

Hình 1.12 Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 19

Hình 1.13 Mức điện áp vi sai tại bộ phát và bộ nhận 20

Hình 1.14: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 21

Hình 1.15 Chặn đầu cuối sử dụng thuần trở 22

Hình 1.16 Chặn đầu cuối sử dụng R và C 22

Hình 1.17: Mạch phân cực an toàn 23

Hình 1.18: Modbus và mô hình IOS/OSI 25

Hình 1.19: Cơ chế giao tiếp chủ/tớ ở chế độ truy vấn một thiết bị tớ 25

Hình 1.20: Cơ chế giao tiếp chủ/tớ ở chế độ quảng bá 26

Hình 1.21: Chu trình yêu cầu – đáp ứng của Modbus 27

Hình 1.22: Cấu trúc khung truyền của Modbus RTU 30

Hình 1.23: Sơ đồ trạng thái của trạm chủ 31

Hình 1.24: Sơ đồ trạng thái của trạm tớ 31

Hình 1.25: Sơ đồ trạng thái chế độ truyền Modbus RTU 32

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị điện bằng SMS 34

Hình 2.2: Mô-đun SIM900 36

Hình 2.3: Sơ đồ chân vi mạch LM2576S-ADJ 37

Hình 2.4: Sơ đồ khối và mạch ứng dụng cơ bản của LM2576S-ADJ 37

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp GSM 38

Hình 2.6: Khối giao tiếp GSM sau khi chế tạo 39

Hình 2.7: Sơ đồ chân dsPIC4011 41

Hình 2.8 Sơ đồ khối của IC ổn áp nguồn LM7805 41

Hình 2.9: Mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm 42

Hình 2.10: Khối điều khiển trung tâm sau khi lắp ráp linh kiện 43

Hình 2.11: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 44

Hình 2.12: Sơ đồ khối PIC16F887 44

Hình 2.13: Ký hiệu MAX485 45

Hình 2.14: Mạch ứng dụng của MAX485 45

Hình 2.15: Mạch nguyên lý bộ điều khiển tầng 46

Hình 2.16: Bộ điều khiển tầng sau khi chế tạo 47

Hình 2.17: Sơ đồ chân IC đệm dòng ULN2803 47

Hình 2.18: Mạch nguyên lý khối công suất 48

Hình 2.19: Khối công suất sau khi chế tạo 49

Hình 3.1: Quy trình viết và nạp chương trình cho Vi điều khiển 50

Hình 3.2: Thuật toán chương trình chính cho khối trung tâm 57

Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán khởi tạo mô-đun GSM SIM900 58

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán nhận tin nhắn SMS 58

Hình 3.5: Lưu đồ thuật toán xử lý tin nhắn 59

Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán giải mã tin nhắn dạng PDU 59

Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán gửi lệnh điều khiển tới trạm tương ứng 60

Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán mã hóa dữ liệu kiểu PDU 60

Hình 3.9: Thuật toán chương trình chính cho khối điều khiển tầng 61

Hình 4.1: Thử nghiệm chức năng của khối công suất 62

Hình 4.2 Khởi tạo mô-đun GSM và nhận, giải mã tin nhắn dạng PDU 62

Hình 4.3 Bật 4 thiết bị tại tầng sử dụng giao tiếp RS-485 Modbus-RTU 63

Hình 4.4 Hình ảnh lắp ráp toàn bộ hệ thống 63

Hình 4.5 Gửi tin nhắn điều khiển bật 8 thiết bị tại bộ điều khiển tầng 1 64

Hình 4.6 Gửi tin nhắn điều khiển bật 4 thiết bị tại bộ điều khiển tầng 1 64 Hình 4.7 Tin nhắn gửi lại sau khi hoàn thành quá trình điều khiển 65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số thông số của chuẩn truyền dẫn RS-485 20

Bảng 1.2 Trở kháng bộ nhận khi không có mạch phân cực an toàn 23

Bảng 1.3 Trở kháng đầu vào bộ nhận khi có mạch phân cực an toàn 24

Bảng 2.1 Một số thông số điện học của mô-đun SIM900 36

Bảng 2.2 Đặc tính điện học giao tiếp với SIM CARD 37

Bảng 3.1: Một số lệnh AT cơ bản 51

Bảng 3.2 Mã hoã chuỗi dữ liệu bộ bảy (septet) thành chuỗi bộ tám (octet) 52

Bảng 3.3 Mã hoã chuỗi dữ liệu bộ tám (octet) thành chuỗi bộ bảy (septet) 53

Bảng 3.4: Cấu trúc cơ bản tin nhắn PDU Mode 53

Bảng 3.5: Liệt kê các file mã nguồn sử dụng cho hệ thống đƣợc thiết kế 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASCII American Standard Code for Information InterchangeAuC Authentication Centre

BTS Base Transceiver Station

BSC Base Station Controller

BSS Base Station Subsystem

CBC Cell Broadcast Center

CDMA Code Division Multiple Access

CMOS Complementary Metal–Oxide Semiconductor

CRC Cyclic Redundancy Check

DRC Dedicated Radio Channel

EIA Electronic Industries Association

EIR Equipment Identity Register

EFR Enhanced Full Rate

ETSI European Telecommunications Standards Institute

GMSC Gateway Mobile Switching Centre

GPRS General Packet Radio Service

GSM Global System for Mobile

HLR Home Location Register

IMEI International Mobile Equipment Identity

IMSI International mobile subscriber identity

ISDN Integrated services digital network

ISO International Standard Organization

LPC Linear predictive coding

LRC Longitudinal Redundancy Check

MAP Manufacturing Message Protocol

MSC Mobile Switching Centre

NSS Network switching subsystem

OMC Operation and Maintenance Centre

OSI Open Systems Interconnection Model PDN Public Data Network

PDU Packet Data Unit

PLMN Public land mobile network

PSTN Public Switched Telephone Network RTU Remote Terminal Unit

SCADA Supervisory Control And Data acquisition SIM Subcriber Identity Module

SME Short Message Entity

SM-TL Short message Transfer Layer

SMS Short Message Services

SMSC Short Message Service Center

SMS-CB SMS Cell Broadcasting

SMS-PP SMS Point to Point

STP Signaling Transfer Point

TRAU Transcoder and Rate Adapter Unit

TDM Time Division Multiplexing

TDMA Time Division Multiple Access

TIA Telecommunications Industry Association TTL Transistor–Transistor Logic

TPDU Transport Protocol Data Unit

TRX Transceiver

VLR Visitor Location Register

2G Second Generation

MỞ ĐẦU

Đối với các nước phát triển, việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa theo xu hướng tự động hóa đạt nhiều kết quả rất khả quan Tại Việt Nam, mặc dù đã có những xu hướng tự động hóa quá trình điều khiển các thiết bị điện từ xa bằng cách sử dụng tin nhắn SMS, xong cho tới thời điểm này quy trình tự động hóa vẫn còn rời rạc, đơn lẻ, chưa thành hệ thống

Với những luận cứ trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU,

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG TIN NHẮN SMS VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ”

với mục đích thiết kế, chế tạo một hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hóa quá trình điều khiển Việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị điện có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, có tính cơ động cao (ở đâu có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể điều khiển thiết bị được) Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp

Hệ thống bao gồm một mô-đun điều khiển trung tâm (Master) và các mô-đun điều khiển tầng (Slave) với mạng giao tiếp truyền thông RS485 Modbus-RTU, mô-đun công suất để điều khiển đóng/ngắt các thiết bị điện

Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 2: Thiết kế và thi công phần cứng hệ thống

Chương 3: Thiết kế phần mềm điều khiển

Chương 4: Thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả

Để thực hiện đề tài luận văn tác giả đã chọn phương pháp tham khảo tài liệu, tư liệu, trao đổi ý kiến với các đồng nghiệp để thống kê, phân tích, thiết kế hệ thống; thử nghiệm và đánh giá kết quả với mục tiêu là lựa chọn được mô hình hệ thống tự động điều khiển thiết bị điện từ xa thích hợp có thể ứng dụng trong điều khiển thực tế

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM

GSM là một chuẩn toàn cầu cho viễn thông kỹ thuật số; là công nghệ không dây thuộc thế hệ 2G có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền âm thanh và chuyển giao dữ liệu chất lượng cao với các băng tần khác nhau (400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz) và được Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) quy định

Công nghệ GSM cho phép các thuê bao sử dụng phương thức giao tiếp với chi phí thấp hơn đó là dịch vụ tin nhắn SMS Ngoài ra, công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên có thể dễ dàng kết nối thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau

Cấu trúc cơ bản của mạng GSM được mô tả như Hình 1.1 dưới đây:

Giao diện Abis Giao diện A Giao diện Um

OMC

NSS BSS

vô tuyến đặt cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phục vụ được phủ sóng Mỗi ô

có một trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến Các kênh này khác với các kênh được sử dụng ở các ô lân cận để tránh hiện tượng nhiễu giao thoa Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển một nhóm BTS Chức năng chuyển giao và điều khiển công suất được điều khiển bởi các BSC Một trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC) điều khiển một số BSC Ngoài ra, MSC

còn điều khiển các cuộc gọi đến và từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PDN)

và các mạng riêng khác

Trạm di động MS

Trạm di động (MS) có thể là thiết bị đặt trong ôtô, thiết bị xách tay hay cầm tay Thiết bị cầm tay là loại thiết bị trạm di động phổ biến nhất Ngoài chức năng xử lý vô tuyến chung và giao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp giao diện với người sử dụng (micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số các thiết bị khác (giao diện với máy tính cá nhân, FAX) Hiện nay các nhà sản xuất đang

cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động Quá trình lựa chọn các thiết bị đầu cuối hãy còn để mở cho các nhà sản xuất

Hệ thống trạm cơ sở BSS

Có thể nói, BSS là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM Hệ thống BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động thông qua giao diện vô tuyến Vì thế nó bao gồm các thiết bị phát và thu đường truyền vô tuyến và quản lý các chức năng này Mặt khác, BSS thực hiện giao diện với các tổng đài NSS Như vậy, hệ thống BSS thực hiện chức năng kết nối các MS với tổng đài và nhờ vậy sẽ kết nối những người sử dụng các trạm di động với những người sử dụng mạng viễn thông khác

Một trạm BTS bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện

vô tuyến Có thể coi BTS là các mô-đem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU) Bộ phận này thực

hiện việc mã hoá và giải mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, thích ứng tốc độ cho quá trình truyền dữ liệu TRAU là một bộ phận của BTS nhưng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trường hợp nó có thể được đặt giữa BSC và MSC

Các chức năng chính của BTS bao gồm: Biến đổi truyền dẫn (dây dẫn–vô tuyến);

các phép đo vô tuyến; phân tập anten, mật mã; nhảy tần; truyền dẫn không liên tục; đồng bộ thời gian; giám sát và kiểm tra

Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển

từ xa BTS và MS Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến

và quản lý chuyển giao Một phía BSC được nối với BTS và một phía nối với MSC của NSS Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lưu lượng của các BTS này Giao diện giữa BSC với MSC được gọi là giao diện A, còn giao diện với BTS được gọi là giao diện Abis

Các chức năng chính của BSC bao gồm: Giám sát các trạm vô tuyến gốc; quản lý

mạng vô tuyến; điều khiển nối thông đến các máy di động; định vị và chuyển giao; quản lý tìm và gọi; khai thác vào bảo dưỡng BSS; quản lý mạng truyền dẫn; chức năng chuyển đổi máy; mã hoá tiếng

Hệ thống chuyển mạch NSS

Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho thuê bao và quản lý di động của thuê bao Nó quản lý thông tin giữa những người sử dụng GSM với nhau và với mạng khác

GMSC MSC

Hình 1.3 Tổng quan về NSS

Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSC

Chức năng chuyển mạch ở NSS được thực hiện bởi MSC Nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những người sử dụng mạng GSM Một

mặt, MSC giao tiếp với hệ thống con BSC, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài thông qua GMSC Để đảm bảo thông tin cho những người sử dụng mạng GSM giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng phải thích ứng Hệ thống NSS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM Trung tâm MSC thường là một tổng đài lớn có khả năng điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc (BSC)

Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này Các thích ứng này được gọi là các chức năng tương tác

Bộ ghi địa chỉ thường trú HLR

Ngoài MSC, hệ thống NSS còn bao gồm các cơ sở dữ liệu Các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông được lưu trữ ở HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao Thông thường HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhưng có khả năng quản lý hàng trăm nghìn thuê bao Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AuC mà nhiệm vụ của trung tâm này

là quản lý an toàn số liệu của các thuê bao được phép

Bộ ghi địa chỉ tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM Nó được nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lưu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và đồng thời lưu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR Mỗi MSC có một VLR Ngay khi MS lưu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS này từ HLR Đồng thời HLR sẽ được thông báo là MS đang ở vùng phục vụ nào Nếu sau đó MS muốn thực hiện một cuộc gọi, VLR sẽ có tất cả các thông tin cần thiết để thiết lập cuộc gọi mà không cần hỏi HLR

Tổng đài di động cổng GMSC

Hệ thống NSS có thể chứa nhiều MSC, VLR, HLR Để thiết lập một cuộc gọi đến người sử dụng GSM, trước hết cuộc gọi phải được định tuyến đến một tổng đài cổng (GMSC) mà không cần biết hiện thời thuê bao đang ở đâu Các tổng đài cổng có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời (MSC tạm trú) Để được như vậy, trước tiên các tổng đài cổng phải dựa trên số danh bạ của thuê bao để tìm đúng HLR cần thiết và hỏi HLR này Tổng đài có một giao diện với các mạng bên ngoài thông qua giao diện này

nó làm nhiệm vụ cổng để kết nối các mạng bên ngoài với mạng GSM Ngoài ra tổng đài này cũng có hệ thống báo hiệu số 7 (SS7) để có thể tương tác với các phần tử khác của NSS

Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR

Bộ ghi nhận dạng thiết bị (EIR) là một cơ sở dữ liệu chứa một danh sách của tất

cả các máy điện thoại di dộng hợp lệ trên mạng với mỗi máy điện thoại được phân biệt bởi mã số nhận dạng quốc tế cho thiết bị di động (IMEI) Một IMEI bị đánh dấu là không hợp lệ nếu nó được báo là bị mất cắp hoặc có kiểu không tương thích

Trung tâm nhận thực AuC

Trung tâm nhận thực (AuC) quản lý việc hoạt động đăng ký thuê bao như nhập hay xoá thuê bao ra khỏi mạng Ngoài ra, AuC còn có một nhiệm vụ quan trọng khác

là tính cước cuộc gọi Cước phí phải được tính và gửi tới thuê bao Trung tâm nhận thực quản lý thuê bao thông qua khoá nhận dạng bí mật và duy nhất được lưu trong HLR Trung tâm nhận thực cũng được lưu giữ vĩnh cửu trong bộ nhớ SIM Card

Điều khiển, quản lý và bảo dưỡng OMC

OMC cho phép các nhà khai thác mạng theo dõi và kiểm tra các hành vi trong mạng như: tải của hệ thống, số lượng chuyển giao giữa các cell Nhờ vậy mà các nhà khai thác có thể giám sát được toàn bộ chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng và kịp thời xử lý sự cố Khai thác và bảo dưỡng cũng bao gồm việc thay đổi cấu hình để giảm những sự cố xuất hiện, nâng cấp mạng về dung lượng tăng vùng phủ sóng, định

vị và sửa chữa các sự cố Việc kiểm tra có thể nhờ một thiết bị có khả năng phát hiện

sự cố hay dự báo sự cố thông qua việc tự kiểm tra nhờ tính toán Việc thay đổi mạng

có thể thực hiện “mềm” qua báo hiệu hay thực hiện “cứng” đòi hỏi can thiệp trực tiếp tại hiện trường Việc khai thác có thể được thực hiện bằng máy tính đặt trong một trạm

Chức năng chính của OMC bao gồm một số chức năng sau: Quản lý, cảnh báo

sự kiện; quản lý việc thực hiện; quản lý cấu hình; quản lý sự an toàn

Các giao diện trong mạng GSM

Trong mạng GSM tồn tại các giao diện có vai trò nối các thành phần của hệ thống GSM với nhau như được mô tả trong Hình 1.4 dưới đây:

Giao diện A (MSC – BSS): Giao diện giữa MSC và BSS được dùng để mang các

thông tin liên quan đến quản lý BSS, quản lý cuộc gọi, quản lý di động

Giao diện Abis (BTS – BSC): Giao diện này được sử dụng giữa BTS và BSC để

hỗ trợ các dịch vụ cho người dùng và thuê bao GSM Giao diện này cũng cho phép việc điều khiển các thiết bị vô tuyến và tần số vô tuyến cấp phát cho BTS

Giao diện B (MSC – VLR): Bất cứ khi nào MSC cần dữ liệu liên quan tới một

MS đang trong khu vực của nó, nó sẽ hỏi VLR thông qua giao diện này Ví dụ, khi MS bắt đầu thủ tục cập nhật vị trí với một MS, MSC thông báo cho VLR của nó các thông tin liên quan

Giao diện D (VLR – HLR): Giao diện này đƣợc sử dụng để trao đổi dữ liệu liên

quan đến vị trí của MS và việc quản lý thuê bao Dịch vụ chính đƣợc cung cấp cho thuê bao di động là khả năng thiết lập hay nhận các cuộc gọi trong toàn bộ miền phục

vụ Để hỗ trợ điều này, các bộ ghi nhận địa chỉ phải trao đổi dữ liệu Quá trình trao đổi

dữ liệu xảy ra khi thuê bao di động đòi hỏi dịch vụ cụ thể hay khi muốn thay đổi dữ liệu gắn với thông tin thuê bao

Giao diện E (MSC – MSC): Khi một MS di chuyển từ MSC sang MSC khác

trong cùng một cuộc gọi, thủ tục chuyển giao (Handover) phải đƣợc tiến hành để có thể duy trì liên lạc Vì vậy mà các MSC phải trao đổi dữ liệu để bắt đầu và thực hiện công việc này

Sau khi thủ tục chuyển giao hoàn tất, các MSC sẽ trao đổi thông tin để truyền tải báo hiệu giao diện A nếu cần thiết Khi một thông điệp ngắn đƣợc truyền giữa MS và MSC theo cả 2 chiều, giao diện này đƣợc dùng để truyền thông điệp giữa MSC phục

vụ MS và MSC có giao diện với SC

Giao diện F (MSC – EIR): Giao diện này dùng cho trao đổi dữ liệu giữa MSC

và EIR để EIR có thể xác nhận trạng thái khi nhận đƣợc IMEI từ MS

Giao diện G (VLR – VLR): Khi MS di chuyển từ miền VLR này sang miền VLR

khác, thủ tục đăng ký vị trí sẽ đƣợc thực hiện Thủ tục này có thể bao gồm việc lấy IMSI và các thông số xác thực trong VLR cũ

Giao diện H (HLR – AuC): Khi HLR nhận đƣợc yêu cầu xác thực và mã hóa dữ

liệu cho MS, HLR sẽ yêu cầu dữ liệu từ AuC Giao thức đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu thông qua giao diện này không đƣợc chuẩn hóa

Giao diện U m (MS – BTS): Giao diện này là giao diện vô tuyến

AuC MSC

EIR EIR

EIR

MSC BSS

NSS MS

TRX

Hình 1.4 Các giao diện trong mạng GSM

1.1.1.2 Đặc điểm mạng GSM

Cũng như các công nghệ truyền thông khác, công nghệ GSM có một số đặc điểm chính sau:

- Cho phép truyền nhận dữ liệu cũng như FAX giữa các mạng GSM

- Công nghệ GSM cho phép truyền nhận dữ liệu trong mạng nội bộ cũng như giữa các mạng GSM khác nhau trên toàn cầu mà không cần bất kỳ một sự thay đổi, điều chỉnh nào Đây là một trong những tính năng nổi bật nhất của công nghệ GSM

- Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian (TDM) để chia ra 8 kênh với toàn tốc (Full Rate) hay 16 kênh với bán tốc (Haft Rate)

- GSM sử dụng nhiều kiểu mã hóa thoại để nén tần số âm thanh 3.1 kHz vào trong khoảng 6.5 kbps và 13 kbps Có hai kiểu mã hoá là bán tốc (6.5 kbps) và toàn tốc (13 kbps)

- GSM được cải tiến hơn vào năm 1997 với mã hóa mã hóa toàn tốc cải tiến (EFR), kênh toàn tốc sau khi nén chỉ còn 12.2 kbps

1.1.2 Công nghệ SMS

1.1.2.1 Các loại dịch vụ và đặc điểm của tin nhắn SMS

Dịch vụ thông điệp ngắn (SMS) là một dịch vụ không dây SMS tồn tại như là một tập con trong vùng mạng truyền thông không dây kỹ thuật số như GSM, GPRS, TDMA, CDMA Ban đầu công nghệ SMS được xem xét như là một công nghệ nhỏ đi kèm Ban đầu, SMS được các nhà cung cấp dịch vụ GSM đưa vào như là một cách để tận dụng khả năng còn dư thừa của các mạng GSM Tuy nhiên, không ai có thể tiên

đoán được sự phát triển của loại hình dịch vụ này

SMS cung cấp một cơ chế truyền các thông điệp tới từ các thiết bị di động Nó hoạt động dựa trên Trung tâm Dịch vụ Tin nhắn (SMSC), trung tâm này hoạt động như một hệ thống lưu trữ và chuyển tiếp các thông điệp Mạng truyền thông không dây cung cấp sự vận chuyển cho các thông điệp giữa các SMSC và các thiết bị di động

Trái ngược so với các dịch vụ truyền thông điệp văn bản trước đó như dịch vụ nhắn tin

thì những thành phần của SMS được thiết kế để cung cấp sự bảo đảm khi phân phối các thông điệp đến đích

ngắn được gửi có địa chỉ và yêu cầu định tuyến từ điểm xác định này đến điểm xác định khác

Đối với SMS-CB các bản tin ngắn được gửi từ CBC một cách quảng bá tương tự như đối với truyền hình Điều đó có nghĩa là bản tin ngắn không chỉ được gửi tới một

MS duy nhất mà tới rất nhiều MS khác nhau đang nằm trong một vùng địa lý nhất định Vùng địa lý này có thể là một cell (tối thiểu) hoặc nhiều cell tùy theo yêu cầu của tin nhắn Ở đây cũng có yêu cầu về định tuyến nhưng thay vì bản tin ngắn chỉ được gửi tới một MS duy nhất thì bản tin ngắn này sẽ tối thiểu được gửi tới tất cả các MS trong cùng một cell Các MS hoạt động như các máy thu hình sẽ lựa chọn các bản tin ngắn

mà nó quan tâm như người xem lựa chọn các kênh truyền hình yêu thích

- Cũng có thể truyền các bản tin ngắn không phải dạng văn bản, ví dụ như dạng nhị phân (Binary) Các bản tin này thường được sử dụng trong các dịch vụ nhạc chuông hay dịch vụ hình ảnh

- SMS là một dịch vụ lưu trữ và chuyển tiếp (Stored and Forward) hay nói một cách khác là các bản tin ngắn không được gửi trực tiếp từ người gửi tới người nhận mà phải gửi qua một SMSC Mỗi một mạng điện thoại di động có hỗ trợ SMS sẽ có một hoặc nhiều SMSC để điều khiển và quản lý các bản tin

- SMS là một dịch vụ có tính năng xác nhận bản tin đã được gửi đi Người gửi sau khi gửi bản tin sẽ nhận được một thông báo về sự thành công của quá trình gửi tin Trong trường hợp gửi không thành công thì người gửi không chỉ nhận được một báo cáo về sự thất bại mà còn nhận được một báo cáo về lý do thất bại

- SMS có thể nhận cùng lúc với dịch vụ thoại, dữ liệu cũng như là bản Fax Điều này có thể thực hiện được là bởi thay vì sử dụng kênh vô tuyến dành riêng (DRC) trong suốt quá trình cuộc gọi như các dịch vụ thoại, Fax thì SMS được chuyển thông qua các kênh báo hiệu Chính vì vậy mà người sử dụng SMS rất ít khi thấy có tín hiệu báo bận ngay cả khi sử dụng dịch vụ trong giờ cao điểm

- SMS cho phép truyền nhiều bản tin cùng một lúc Điều này dựa trên khả năng nối và nén các bản tin để có thể chứa nhiều hơn 160 ký tự

1.1.2.2 Các thành phần cơ bản của tin nhắn SMS

Validity–Period: Là một yếu tố thông tin dùng để MS gửi SMS–SUBMIT tới SC

bao gồm thông số giá trị thời gian xác định trong SM Thông số trường TP–Validity–Period là giá trị chỉ ra thời gian SC bảo đảm sự tồn tại của SM trong bộ nhớ của SC trong bao lâu trước khi thực hiện quá trình gửi tới người nhận

Service–Center–Time–Stamp: Là một thành phần thông tin trong bản tin nhờ đó

SC thông báo cho MS về khoảng thời gian đến của bản tin tại lớp chuyển giao bản tin ngắn (SM–TL) của SC Giá trị thời gian chứa trong SMS–DELIVER (trong trường TP–Service–Centre–Time–Stamp) được chuyển tới MS

Protocol Identifier: Là yếu tố thông tin mà SM–TL chuyển tới giao thức lớp cao

hơn cho việc sử dụng Yếu tố thông tin Protocol-Identifier được sử dụng trong trường riêng biệt ở các loại bản tin SMS–SUBMIT, SMS–DELIVER và SMS–COMAND (trường TP–Protocol–Identifier)

More–Message–to–Send: Là các yếu tố thông tin được SC thông báo cho MS

biết có một hay nhiều bản tin đang đợi trong SC để được chuyển tới MS Thông tin này được sử dụng trong SMS–DELIVERY (trường TP–More–Message–to–Send)

Delivery of Priorty and non–Priority Messages: Ưu tiên là yếu tố thông tin cung

cấp bởi SC hoặc SME để chỉ định cho PLMN biết một bản tin có phải là ưu tiên hay không Việc chuyển các bản tin ưu tiên sẽ không được thực hiện nếu MS được xác định ở trạng thái tắt máy, hoặc không đủ dung lượng bộ nhớ

Message–Waiting: Là yếu tố dịch vụ cho phép PLMN cung cấp HLR cũng như

VLR về MS nhận, liên quan đến thông tin về bản tin đang chờ ở SC để chuyển tới MS

do MS đang ở trạng thái tắt máy hoặc tràn bộ nhớ MS Các thông tin này được biểu thị

ở Message–Waiting–Indication (MWI), bao gồm Message–Waiting-Data (MWD), Mobile–Station–Not–Reachable–Flag (MNRF) và Mobile–Station–Memory– Capacity –Exceeded–Flag (MCEF) đặt tại HLR và Mobile–Station–Not–Reachable–Flag (MNRF) tại VLR

Alert–SC: Là yếu tố dịch vụ được cung cấp bởi GSM PLMSs để thông báo với

SC về tình trạng MS khi:

- Chuyển bản tin lỗi do MS tắt máy hoặc tràn bộ nhớ

- Có sự phản hồi từ quá trình tìm gọi (MS bật máy) hay bộ nhớ đã thích hợp cho việc nhận bản tin

Trong khuôn khổ luận văn, tác giả chỉ đề cập tới dịch vụ tin nhắn điểm – điểm Dưới đây là cấu trúc và các thành phần cơ bản của loại dịch vụ tin nhắn này

SC SMS-GMSC

SMS-IWMSC

MSC 1

(3) Chuyển bản tin tới MSC cần thiết

(4) MSC lấy các thông tin thuê bao từ VLR với thủ tục nhận thực

(5) Truyền bản tin tới MS

Chức năng của SC

- SC có khả năng đệ trình một bản tin tới MS, ghi nhớ phản hồi của bản tin cho

đến khi đã nhận đƣợc báo cáo hoặc kết thúc thời hạn Validty–Period

- Nhận báo cáo từ PLMN

- Nhận bản tin đƣợc gửi từ MS

- Gửi báo cáo tới PLMN cho bản tin ngắn nhận đƣợc tiếp theo

Chức năng của MS

Chức năng MS liên quan tới dịch vụ SMS điểm – điểm giữa SC và MS MS phải

đƣợc hỗ trợ về dịch vụ và thực hiện những chức năng sau:

- Gửi một bản tin ngắn TPDU tới SC và duy trì phản hồi của bản tin cho đến khi nhận đƣợc báo cáo từ mạng hoặc hết hạn thời gian

- Thông báo với SC khi một bản tin nhắn được dành để thay thế cho bản tin ngắn lần trước được gửi tới cùng một địa chỉ nhận

thông tin định tuyến HLR

Khi nhận được báo cáo liên kết với bản tin ngắn từ MSC, SMS–GMSC được phản hồi lại như sau:

- Nếu báo cáo chỉ định gửi tin thành công, SMS-GMSC thông báo cho HLR việc chuyển thành công để HLR cảnh báo tới bất kì SC nào còn lưu địa chỉ trong MWD cho MS

- Nếu báo cáo thất bại do thuê bao tắt máy hoặc do MS tràn ô nhớ SMS-GMSC

sẽ yêu cầu HLR thêm địa chỉ lưu lại trên MWD, thiết lập kết nối khi cần thiết với địa chỉ SC, tạo và gửi báo cáo tới SC

Chức năng của SMS–IWMSC

Khi nhận bản tin ngắn TPDU từ MSC, SMS–IWMSC sẽ thiết lập kết nối tới địa

chỉ SC nếu cần thiết và truyền bản tin ngắn TPDU tới SC (nếu địa chỉ thích hợp)

Nếu một báo cáo liên kết với bản tin ngắn nhận được từ SC, SMS–IWMSC sẽ chuyển báo cáo tới MSC, nếu không nhận được từ SC trước khi hết hạn thời gian hoặc nếu như địa chỉ SC không thích hợp, SMS–IWMSC sẽ gửi thông tin lỗi thích hợp tới MSC bằng bản báo cáo lỗi

Ngoài ra, khi nhận được cảnh báo từ HLR, SMS–IWMSC sẽ kiểm tra địa chỉ SC, phát RP–Alert–SC và truyền RP–Alert–SC tới SC

Chức năng của MSC

Chức năng của MSC đối với SMS–GMSC

Khi nhận được bản tin ngắn TPDU từ SMS-GMSC, MSC sẽ thực hiện quá trình như sau:

- Nhận bản tin ngắn TPDU

- Lấy thông tin từ VLR, nếu lỗi được chỉ ra bởi VLR, MSC sẽ gửi thông tin lỗi thích hợp tới SMS–GMSC trong một thông báo lỗi, nếu không có lỗi nó sẽ truyền bản tin ngắn tới MS

- Khi nhận được sự xác thực đã nhận được bản tin tới MS, MSC sẽ chuyển sự xác nhận tới SMS–GMSC trong một thông báo gửi tin

- Khi nhận một thông báo lỗi của bản tin truyền tới MS, MSC sẽ gửi thông tin lỗi thích hợp tới SMS–GMSC trong một thông báo lỗi

- Khi nhận thông báo từ MS bộ nhớ đã thích hợp để có thể nhận bản tin đến, MSC sẽ chuyển thông báo tới VLR, nếu lỗi được chỉ ra bởi VLR, MSC sẽ gửi thông tin lỗi thích hợp tới MS trong một thông báo lỗi

Chức năng của MSC đối với SMS–IWMSC

- Khi sẽ nhận được bản tin ngắn TPDU từ MS, MSC sẽ lấy thông tin từ VLR (MSISDN của MS khi thích hợp, thông tin lỗi) Việc lấy thông tin từ VLR theo thẩm vấn VLR từ MWF (được dùng trong thủ tục cảnh báo)

- Nếu lỗi được chỉ ra bởi VLR, MSC chuyển thông tin lỗi thích hợp tới MS bằng bản thông báo lỗi nếu không có lỗi được chỉ ra bởi VLR thì MSC sẽ kiểm tra tham số TPDU Nếu các tham số lỗi, MSC sẽ gửi thông tin lỗi thích hợp tới MS bằng bản thông báo lỗi, nếu không có tham số lỗi nào được tìm thấy, MSC sẽ kiểm tra địa chỉ đích và truyền bản tin ngắn TPDU tới SMS–IWMSC

- Khi nhận thông báo của bản tin ngắn từ SMS–IWMSC, MSC sẽ chuyển thông

Việc ra đời các điện thoại di động sử dụng giải thuật T9 hay các điện thoại thông minh có khả năng đoán trước những từ ngữ sẽ được nhập vào từ người dùng đã đơn giản hóa đáng kể việc tạo ra các tin nhắn SMS

Sự hợp tác giữa các nhà cung cấp dịch vụ mạng với các công ty khác càng làm cho SMS có giá trị ứng dụng cao Các hãng truyền hình, các câu lạc bộ thể thao, các siêu thị và các nhà bán lẻ, các hãng hàng không và các ngân hàng đều có thể ứng dụng SMS vào công việc của mình

Trao đổi thông tin hai chiều

Người dùng điện thoại di động có thể liên lạc, trao đổi thông tin với nhau qua SMS Chỉ bằng một tin nhắn họ có thể nhắc nhở hoặc hỏi han người khác về một việc

gì đó, sắp xếp một cuộc hẹn, trao đổi tin tức Khác với trước kia, khi SMS chỉ được

nhà cung cấp dịch vụ sử dụng trong việc gửi thông báo đến người dùng thì ngày nay

khả năng trao đổi thông tin hai chiều đã làm số lượng sử dụng SMS tăng nhanh

Thông báo Mail, Voice và Fax

Khi nhận một thư điện tử mới, phần lớn người dùng thư điện tử không nhận được thông báo Thường họ phải truy cập vào Internet và kiểm tra hộp thư của mình Tuy nhiên bằng cách liên kết thư điện tử với SMS, người dùng có thể được thông báo bất

cứ khi nào một thư điện tử mới được nhận

Thông báo thư điện tử được cung cấp dưới dạng một tin nhắn văn bản ngắn với một vài chi tiết như: người gửi thư, chủ đề thư và một vài từ đầu tiên trong nội dung thư Phần lớn các thư điện tử sẽ được lọc bởi vì người dùng chỉ cần được thông báo có thư điện tử mới khi trong nội dung thư điện tử đó chứa đựng những từ khóa mà họ đã định nghĩa trước Điều này cũng có thể giúp họ tránh được các thông báo khi có các thư rác

Với sự phát triển không ngừng của dịch vụ thư điện tử thì việc ứng dụng SMS vào thông báo thư điện tử sẽ phát triển nhanh và trở nên phổ biến

Dịch vụ cung cấp thông tin

SMS có thể dùng để phân phối một phạm vi rộng lớn của thông tin đến người dùng điện thoại di động như điểm thi, thông tin giá cả, thời tiết, kết quả bóng đá, kết quả xổ số Các Công ty, tổ chức có thể sử dụng dịch vụ tin nhắn SMS để thông báo đến các khách hàng của mình thông tin về các sản phẩm mới, các chương trình khuyến

mãi

Thương mại điện tử

Quá trình chuyển tiền giữa các tài khoản, thực hiện thanh toán trong mua bán

Tất cả đều có thể thực hiện bằng tin nhắn SMS

Định vị

Chỉ bằng một tin nhắn người sử dụng có thể biết mình đang ở đâu trên thế giới

thông qua sự kết hợp giữa SMS và hệ thống định vị toàn cầu GPS

có thể gửi lại một tin nhắn đến hệ thống để yêu cầu hệ thống thực hiện một công việc

nào đó để giải quyết vấn đề

1.2 Chuẩn truyền thông công nghiệp TIA/EIA-485

1.2.1 Phương pháp truy cập Chủ - Tớ

Phương pháp truy cập Chủ/Tớ hay còn gọi là phương pháp Master/Slave, ở đây trạm chủ có vai trò chủ động còn các trạm tớ là các phần tử bị động Tất cả các trạm tớ đều chịu sự chi phối bởi trạm chủ Trạm chủ có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy cập bus cho các trạm tớ và các trạm tớ chỉ có quyền truy cập bus để nhận hay gửi

dữ liệu đi khi nhận được sự cho phép từ phía trạm chủ Ngược lại chúng phải đợi sự cho phép từ trạm chủ hay thực hiện một công việc nào đó của riêng mình Đối với trạm chủ, ta có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động mạng, nhờ vậy yêu cầu trả lời các thông tin kỹ thuật hay đưa ra các thông tin điều khiển được gửi từ trạm chủ tới trạm tớ theo một thủ tục tuần tự với một vòng luân phiên trên mạng

Để đảm bảo cho một hệ thống hoạt động tốt thì trong một số hệ thống các trạm tớ hoàn toàn chịu sự giám sát chặt chẽ từ phía trạm chủ, tất cả mọi hoạt động nảy sinh từ phía các trạm tớ với nhau đều phải thông qua trạm chủ (sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ nhất thiết phải có sự phân bổ của trạm chủ) Với hoạt động giao tiếp theo phương pháp hỏi tuần tự có chu kỳ, nếu có yêu cầu gửi dữ liệu từ một trạm tớ này đến một trạm tớ khác thì trạm chủ sẽ yêu cầu dữ liệu từ phía trạm tớ gửi sau đó trạm chủ sẽ gửi cho trạm tớ nhận, như vậy trạm chủ đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa hai trạm tớ với nhau Do đó khi có yêu cầu trao đổi dữ liệu bất thường của trạm tớ này với trạm tớ khác thì trước hết trạm tớ muốn gửi phải thông báo yêu cầu khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ cho đến khi được phục vụ

Phương pháp truy cập cũng như cách thức truyền dữ liệu giữa các trạm đều được xây dựng một cách có quy định do người thiết kế tạo ra Thời gian cần thiết để trạm chủ hoàn thành công việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của một chu kỳ bus Ta có thể tính toán trước được một cách tương đối chắc chắn thời gian của một chu kỳ bus bởi tất cả các thành viên tham gia ta có thể biết trước về mặt số lượng cũng như chiều dài tối đa của một khung dữ liệu và tốc độ truyền Tốc độ đáp ứng của chu kỳ bus chính là một tính năng thời gian thực của hệ thống mà tính năng này đóng một vai rò quan trọng trong hệ thống điều khiển công nghiệp

Trạm chủ

Hình 1.6 Mô hình Chủ/Tớ

Phương pháp truy cập chủ/tớ thích hợp cho một hệ thống điều khiển Bởi lẽ tính đơn giản trong quá trình kết nối và lắp đặt cũng như khả năng thêm bớt số lượng thành viên trong mạng Toàn bộ kỹ thuật của mạng hầu như tập trung vào trạm chủ, các trạm

tớ chỉ đóng một vai trò như một thiết bị có thể dễ dàng thêm vào hay bớt đi Tuy nhiên, phương pháp truy cập chủ/tớ cũng có một số nhược điểm

Thứ nhất, phương pháp truy cập chủ/tớ là quá trình kiểm soát tập trung bởi trạm

chủ Đây là một nhược điểm làm giảm hiệu suất thông tin vì khi một yêu cầu trao đổi

dữ liệu giữa hai trạm tớ phát sinh sẽ không được thực hiện nếu không qua trạm chủ Chính vì lý do này mà thời gian thực hiện quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ với nhau sẽ lớn hơn một chu kỳ bus

B thì trạm A có trách nhiệm thông báo lại (Nhận hoàn thành) cho trạm chủ Như vậy việc truy cập đường truyền cũng không chồng chéo nhau mà hai trạm tớ vẫn thực hiện trao đổi dữ liệu được với nhau trong một chu kỳ bus

Yêu cầu nhận

Yêu cầu gửi Gửi dữ liệu Gửi hoàn thành Nhận hoàn thành

Hình 1.7 Mô tả quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ

Thứ hai, độ tin cậy của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào trạm chủ Nếu trong

một trường hợp nào đó có sự cố ở trạm chủ thì toàn bộ hệ thống mạng sẽ ngưng hoạt động gây ảnh hưởng tiến độ sản xuất trong phạm vi tự động hóa công nghiệp Để khắc phục nhược điểm này chúng ta có thể sử dụng một trạm tớ có khả năng đóng vai trò như một trạm chủ khi cần thiết

1.2.2 Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA–485

Truyền nhận dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp chủ yếu trong truyền thông công nghiệp Với phương pháp này, các bit được truyền đi một các tuần

tự trên cùng một đường truyền Với phương pháp này sẽ không có đường dây riêng biệt truyền dẫn tín hiệu xung nhịp nên việc đồng bộ hoá do bên nhận và bên gửi thoả thuận trên cơ sở giao thức truyền thông

Một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là các quy định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu và các thiết bị truyền

dữ liệu Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 với một số ưu điểm vượt trội:

chuẩn RS485 có thể kết nối đồng thời nhiều thiết bị truyền/nhận Nếu tín hiệu có trở kháng vào đủ lớn thì một mạng RS485 có thể có tới 32 nút mạng Nếu sử dụng bộ lặp (Repeater) thì số nút mạng có thể đạt tới 256 nút

Km (4000 feet), trong khi đó RS232 chỉ là 15 – 40 m (50 – 130 feet)

Chuẩn RS232 dùng đường truyền không cân bằng Do các tín hiệu đều lấy điểm chuẩn là điểm đất chung nên tốc độ truyền và khoảng cách truyền bị giới hạn Khi cần tăng khoảng cách và tốc độ truyền thì phương pháp sử dụng đường dây cân bằng trở nên hữu hiệu hơn

Hình 1.8 Đường truyền không cân bằng

A B

VA VB

Hình 1.9 Đường truyền cân bằng trong RS485

Chuẩn RS485 sử dụng đường truyền tín hiệu gồm hai đường dây kí hiệu là A và

B Ở phía phát, tín hiệu TTL ở mức cao tương ứng với điện thế dây A cao hơn điện thế dây B và ngược lại Ở phía thu, nếu điện thế dây A cao hơn dây B thì tín hiệu ngõ ra TTL sẽ có mức cao và ngược lại Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với đất của phần thu phải nằm trong khoảng –7V tới +12V Điều này cho phép chênh lệch điện thế đất giữa phần phát và phần thu Độ lớn điện áp vi sai giữa dây A và B không được phép lớn hơn 6V

Cũng nhờ sử dụng đường dây cân bằng nên RS485 có tính chống nhiễu cao Hai dây tín hiệu có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa hai dây Khi có nhiễu trên đường truyền thì nhiễu sẽ xuất hiện đồng thời trên cả hai dây với cùng biên độ, vì vậy nhiễu trên đường dây này sẽ bị nhiễu trên đường còn lại triệt tiêu Nhiễu có thể phát ra từ tín hiệu của một đường dây khác trong cùng một dây cáp truyền dẫn hay từ bên ngoài dây cáp nhưng đường dây cân bằng sẽ duy trì tín hiệu cần được truyền với nhiễu bằng không hay giảm xuống mức tối tiểu

Một ưu điểm nữa của việc sử dụng đường dây cân bằng là không cần quan tâm đến sự chênh lệch của điện thế đất (trong một giới hạn cho phép nào đó) giữa hai thiết

bị truyền nhận Khi truyền ở khoảng cách xa, điện thế đất ở nơi phát và nơi thu có thể chênh lệch nhau Trên đường dây không cân bằng, sự sai lệch này sẽ gây ra sự lầm lẫn giữa mức logic 0 và 1 Đường dây cân bằng sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự chênh lệch này vì tín hiệu nhận được là sự chênh lệch điện thế giữa hai đường dây

Bus giao tiếp RS485 có thể được thiết kế để giao tiếp đơn công hoặc song công Chế độ truyền đơn công chỉ sử dụng một cặp dây tín hiệu (2 dây) và tại cùng thời điểm chỉ xảy ra quá trình truyền hay nhận Vì vây mỗi khi muốn tham gia quá trình truyền hay nhận sẽ phải điều khiển đường tín hiệu cho phép truyền hay nhận để đảm bảo không xảy ra sự xung đột

R

D R

D

D R

D R

RO RE DE DI

RO RE DE DI

A B

R T

A B

Chế độ truyền song công cần 2 cặp dây tín hiệu (4 dây) Quá trình truyền nhận song công sử dụng các đường dây truy cập bus riêng biệt cho quá trình truyền hay nhận vì vậy một node có thể truyền và nhận đồng thời

D R

D

D R

D R

RO RE DE DI

RO RE DE DI

A B

Trạm tớ Trạm tớ

Hình 1.11 Cấu hình bus RS485 truyền nhận song công

D

Hình 1.12 Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 Tại đầu ra của bộ phát, điện thế đường dây A dương hơn điện thế đường dây B (VOA > VOB) nếu mức logic ở đầu vào của bộ phát là cao (DI = 1) Ngược lại, nếu mức logic đầu vào của bộ phát là thấp (DI = 0) thì tại đầu ra của bộ phát sẽ có điện thế đường dây B lớn hơn điện thế đường dây A (VOB > VOA)

Ở phía nhận, nếu điện thế đường dây A lớn hơn đường dây B nhỏ nhất 200mV (VIA - VIB > 200mV) thì đầu ra của bộ nhận có mức logic là cao (RO = 1), nếu điện thế đường dây B lớn hơn đường dây A nhỏ nhất 200mV (VIB - VIA > 200mV) thì đầu ra

của bộ nhận có mức logic là thấp (RO = 0) Nếu điện áp giữa A và B nhỏ nhơn 0.2V thì mức logic đầu ra không được xác định

Hình 1.13 Mức điện áp vi sai tại bộ phát và bộ nhận

Từ sự chênh lệch giữa điện áp cần thiết của bên truyền và bên nhận của RS485 ta

có một khoảng gây nhiễu là 1.3V Như vậy tín hiệu có thể chấp nhận một điện áp nhiễu có biên độ 1.3V mà không làm sai lệch tín hiệu Khoảng gây nhiễu cho phép này nhỏ hơn so với RS232 nhưng bù lại đường truyền cân bằng của RS485 lại cung cấp một khả năng triệt nhiễu khá tốt

Một đặc tính quan trọng của RS485 là khả năng ghép nối nhiều điểm truyền nhận

vì vậy mà RS485 được sử dụng phổ biến trong các hệ thống bus Cụ thể là 32 thiết bị

có thể tham gia ghép nối, định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong mạng mà không cần

bộ lặp

Để đạt được điều này, tại cùng thời điểm chỉ một thiết bị được phép kiểm soát đường truyền và phát tín hiệu Vì vậy, một số bộ phát phải đưa vào trạng thái tổng trở cao sau khi kết thúc quá trình truyền để tạo điều kiện cho các thiết bị khác tham gia vào đường truyền Một số IC RS485 có khả năng tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp thì việc này được thực hiện bởi phần mềm điều khiển Trong mạch của bộ kích RS485 có một tín hiệu vào cho phép (Enable) được dùng cho mục đích chuyển bộ kích về trạng thái phát tín hiệu hay tổng trở cao

Bảng 1.1: Một số thông số của chuẩn truyền dẫn RS-485

Với các tốc độ cao hơn, khoảng cách truyền bị giảm xuống Ví dụ, với tốc độ 1 Mbps khoảng cách là 400 feet còn với tốc độ 10 Mbps khoảng cách lớn nhất chỉ là 50

feet Các số liệu trên được đo với dây xoắn, không bọc giáp, có điện trở phản sóng theo chuẩn AWG-24

Tốc độ truyền tải tối đa cũng phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là dây xoắn đôi loại STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UTP và vì thế có khả năng truyền tải với tốc độ cao hơn Có thể sử dụng bộ lặp để tăng số thiết bị trong mạng cũng như chiều dài đường truyền, đồng thời đảm bảo được tính chính xác của tín hiệu

Số lượng các bộ lặp cho phép phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cụ thể, ví dụ như

số lượng tối đa địa chỉ có thể đánh được cho các thiết bị

Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn là khác nhau trong các ứng dụng nên hầu như tất cả các bus RS485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống lại các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu (ví

dụ như sự phản xạ tín hiệu) Trở đầu cuối có thể dùng từ 100  ÷ 120 

Một sai lầm gây tác hại nghiêm trọng thường gặp trong thực tế đó là dùng trở đầu cuối tại mỗi thiết bị Vì tải đầu cuối chiếm tải phần lớn trong toàn mạch cho nên trong trường hợp này dòng qua tải đầu cuối lớn dẫn tới tín hiệu mang thông tin bị suy giảm mạnh làm sai lệch hoàn toàn tín hiệu

Trong trường hợp truyền với khoảng cách ngắn và tốc độ truyền thấp ta có thể không cần tải đầu cuối Tín hiệu suy giảm sẽ được triệt tiêu sau vài lần qua lại Tốc độ truyền dẫn thấp đồng nghĩa với chu kỳ nhịp bus dài Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trước thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo (thường vào giữa chu kỳ) thì tín hiệu mang thông tin sẽ không bị ảnh hưởng

Với mạng có khoảng cách truyền nhận xa thì người ta có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau để cải thiện khả năng truyền của mạng:

Phương pháp 1: Được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở nối giữa hai

đầu dây A, B tại mỗi điểm truyền nhận Phương pháp này còn được gọi là chặn song song Điện trở được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng của dây dẫn Như vậy sẽ không có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được bảo đảm Nhược điểm của phương pháp này là tổn hao tại điện trở đầu cuối

A

B

RERO

Bộ phát

DI

Bộ truyền

Hình 1.15 Chặn đầu cuối sử dụng thuần trở

Phương pháp 2: Sử dụng tụ C mắc nối tiếp với điện trở R Mạch RC này cho

phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng điện trở thuần như trên Trong lúc tín hiệu ở giai đoạn quá độ, tụ C có tác dụng ngắn mạch và trở R có tác dụng chặn đầu cuối Khi tụ C đảo chiều sẽ cản trở dòng một chiều vì thế có tác dụng giảm tải Tuy nhiên hiệu ứng lọc thông thấp không cho phép hệ thống hoạt động với tốc độ cao

A

B

RO RE RO

Bộ phát DI

Bộ truyền

R C

T T

Hình 1.16 Chặn đầu cuối sử dụng R và C Trong quá trình hoạt động có thể xảy ra trường hợp xấu làm sai trạng thái logic đầu ra của bộ nhận Có 3 khả năng có thể làm sai trạng thái đầu ra của bộ nhận:

- Trạng thái hở mạch: Gây ra do đứt đường dây mạch hoặc mất kết nối giữa bộ

truyền nhận với đường bus

- Trạng thái ngắn mạch: Xảy ra khi lớp cách điện trong dây cable bị hỏng làm

cho các dây dẫn tín hiệu ngắn mạch

- Trạng thái nghỉ của bus: Xảy ra khi không có bộ phát nào trên bus hoạt động

Để khắc phục các trường hợp xấu trên, chúng ta có thể thiết kế mạch phân cực an toàn trong trường hợp xấu với biên độ nhiễu 10mV Mạch phân cực an toàn sử dụng các điện trở để tạo ra một mạch phân áp đủ để điều khiển đầu ra của bộ nhận có trạng thái logic đúng Như vậy điện áp VAB = 200mV + VNhiễu

Giá trị RB của mạch phân cực an toàn được tính toán trong trường hợp xấu nhất

là biên độ nguồn nhiễu lớn nhất và nguồn nhỏ nhất

Với:

VBus_min – Điện áp nguồn nhỏ nhất

VAB – Điện áp chênh lệch giữa đường dây A và B

Z0 – Trở kháng của cable truyền (120Ω)

Bộ phát

DI

Bộ truyền

Hình 1.17: Mạch phân cực an toàn Trở kháng đầu vào của bộ nhận RS485 phải có giá trị lớn hơn 12 kΩ Trở kháng này được định nghĩa như là một đơn vị tải (UL) Khi mắc thêm mạch phân cực an toàn

sẽ làm tăng tổng trở của mạch Mạch phân cực an toàn sẽ làm tăng thêm 20 đơn vị tải vào tổng trở của mạng Vì vậy, số lượng bộ truyền nhận trong mạng phụ thuộc vào tổng trở của mạng

Với: UL1 – Đơn vị tải chuẩn

UL2 – Đơn vị tải mạch phân cực an toàn

UL3 – Đơn vị tải của một bộ truyền nhận

Bảng 1.2 Trở kháng bộ nhận khi không có mạch phân cực an toàn

Đơn vị tải Số nút mạng Trở kháng đầu vào bộ nhận

Bảng 1.3 Trở kháng đầu vào bộ nhận khi có mạch phân cực an toàn

Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A

và B không liên quan gì đến điểm đất nhưng RS485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác (ví dụ như dòng đầu vào bộ thu) Nếu chỉ dùng hai dây nối để nối hai thiết bị, dòng chế độ chung sẽ tìm cách quay lại nguồn phát, bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh sẽ ảnh hưởng đến tính tương thích điện từ của hệ thống Nối đất sẽ tạo đường thoát trở kháng nhỏ tại vị ví xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác nhân gây nhiễu Hơn nữa với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp bus rỗi hay có sự cố

Modbus là một giao thức do hãng Modicon (thuộc AEG và Schneider Automation) đề xuất Theo mô hình ISO/OSI thì Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp như TCP/IP, MAP, Modbus Plus và ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS232

Modbus định nghĩa một tập hợp rộng các dịch vụ phục vụ trao đổi dữ liệu quá trình, dữ liệu điều khiển và dữ liệu chuẩn đoán Tất cả các bộ điều khiển của Modicon đều sử dụng Modbus là ngôn ngữ chung Modbus mô tả quá trình giao tiếp giữa một

bộ điều khiển với các thiết bị khác thông qua cơ chế yêu cầu/đáp ứng Vì lý do đơn giản nên Modbus có ảnh hưởng tương đối mạnh đối với các hệ PLC của các nhà sản xuất khác Cụ thể, trong mỗi PLC người ta đều có thể tìm thấy một tập hợp con các dịch vụ đã đưa ra trong Modbus Đặc biệt trong các hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát (SCADA) Modbus thường được sử dụng trên các đường truyền RS232 ghép nối giữa các thiết bị dữ liệu đầu cuối (PLC, PC) với thiết bị truyền dữ liệu (Modem)

2 Liên kết dữ liệu Giao thức truyền

nối tiếp Modbus

(EIA/TIA-232) Hình 1.18: Modbus và mô hình IOS/OSI

1.3.1 Cơ chế giao tiếp

Cơ chế giao tiếp của chuẩn truyền thông Modbus phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cấp thấp Có thể phân chia ra thành hai loại là mạng Modbus chuẩn và Modbus trên các mạng khác (ví dụ TCP/IP, Modbus Plus, MAP)

Mạng Modbus chuẩn

Các cổng Modbus chuẩn trên các bộ điều khiển của Modicon cũng như một số nhà sản xuất khác sử dụng giao tiếp nối tiếp RS232C Các bộ điều khiển này có thể được nối mạng trực tiếp hoặc qua các Modem Các trạm Modbus giao tiếp với nhau qua cơ chế chủ/tớ, trong đó chỉ một thiết bị chủ có thể chủ động gửi yêu cầu, còn các thiết bị tớ sẽ đáp ứng bằng dữ liệu trả về hoặc thực hiện một hành động nhất định theo yêu cầu Các thiết bị chủ thông thường là các máy tính điều khiển trung tâm hay các thiết bị lập trình, trong khi đó các thiết bị tớ có thể là các bộ điều khiển PLC hoặc các

bộ điều khiển số chuyên dụng khác

Modbus Chủ/Tớ EIA/TIA-485 (EIA/TIA-232)

Yêu cầu

Yêu cầu Yêu cầu

Hình 1.20: Cơ chế giao tiếp chủ/tớ ở chế độ quảng bá Một trạm chủ có thể gửi thông báo yêu cầu tới một trạm tớ nhất định nào đó hoặc gửi thông báo đồng loạt tới tất cả các trạm tớ Chỉ trong trường hợp nhận được yêu cầu riêng, các trạm tớ mới gửi thông báo đáp ứng trả lại trạm chủ Trong một thông báo yêu cầu có chứa địa chỉ trạm nhận, mã hàm dịch vụ bên nhận cần thực hiện, dữ liệu đi kèm và thông tin kiểm soát lỗi

Modbus trên các mạng khác

Các mạng Modbus Plus và MAP sử dụng Modbus là giao thức cho lớp ứng dụng, các thiết bị có thể giao tiếp theo cơ chế riêng của mạng đó Ví dụ trong giao tiếp tay đôi (Peer-to-peer), mỗi bộ điều khiển có thể đóng vai trò hoặc là chủ hoặc là tớ trong các lần giao dịch (một chu kỳ yêu cầu – đáp ứng) khác nhau Một trạm có thể cùng một lúc có quan hệ logic với nhiều trạm khác, vì vậy nó có thể đồng thời đóng vai trò

là chủ và tớ trong các giao dịch khác nhau

Nhìn nhận ở mức giao tiếp thông báo, giao thức Modbus trên các mạng khác vẫn tuân theo nguyên tắc chủ/tớ mặc dù phương pháp giao tiếp mạng cấp thấp có thể là tay đôi Khi một bộ điều khiển gửi một yêu cầu thông báo thì nó đóng vai trò là chủ và chờ đợi đáp ứng từ một thiết bị tớ Ngược lại, một bộ điều khiển sẽ đóng vai trò là tớ nếu nó nhận được thông báo yêu cầu từ một trạm khác và phải gửi trả lại đáp ứng Giao thức Modbus định nghĩa khuôn dạng của thông báo yêu cầu cũng như của thông báo đáp ứng

Một thông báo yêu cầu bao gồm các phần sau:

- Địa chỉ trạm nhận (0 – 247), trong đó 0 là địa chỉ gửi đồng loạt

- Mã hàm chỉ thị hành động trạm tớ cần thực hiện theo yêu cầu

- Dữ liệu chứa thông tin mà trạm tớ cần cho việc thực hiện hàm được gọi

- Thông tin kiểm tra giúp trạm tớ kiểm tra độ toàn vẹn của bản tin nhận được

Thông báo đáp ứng cũng bao gồm các thành phần giống như thông báo yêu cầu Địa chỉ ở đây là địa chỉ của trạm tớ đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng Trong trường hợp bình thường, mã hàm được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện hành động (nội dung hoặc trạng thái các thanh ghi) Nếu xảy ra lỗi, mã hàm trong bản tin trả lại được sửa để biểu thị đáp ứng trả về là một thông báo lỗi, còn dữ liệu sẽ mô tả chi tiết lỗi đã xảy ra Phần kiểm lỗi giúp trạm chủ xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được

Địa chỉ thiết bị

Mã hàm

Dữ liệu Kiểm soát lỗi

Địa chỉ thiết bị

Mã hàm

Dữ liệu Kiểm soát lỗi

Hình 1.21: Chu trình yêu cầu – đáp ứng của Modbus

Các thiết bị ghép nối theo mạng Modbus chuẩn có thể sử dụng một trong hai chế

độ truyền là ASCII hoặc RTU Người sử dụng có thể lựa chọn chế độ hoạt động theo ý muốn cùng với các tham số truyền thông qua cổng nối tiếp như tốc độ truyền, kiểm tra chẵn/lẻ Chế độ truyền cũng như các tham số phải giống nhau đối với tất cả các thành viên của một mạng Modbus

Chế độ ASCII

Khi các thiết bị trong một mạng Modbus chuẩn giao tiếp với nhau theo chế độ ASCII thì mỗi byte trong thông báo được gửi thành 2 ký tự ASCII với định dạng 7 bit, trong đó mỗi ký tự biểu diễn một chữ số HEX Ưu điểm của chế độ truyền này là nó cho phép một khoảng thời gian rảnh tối đa truyền giữa hai ký tự là 1s mà không gây ra lỗi

Cấu trúc dữ liệu của một ký tự với kiểm tra chẵn/lẻ được gửi đi như sau:

Bit

Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6

Bit Parity

Bit Stop Cấu trúc dữ liệu của một ký tự không kiểm tra chẵn/lẻ được gửi đi như sau: Bit

Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit Stop Bit Stop

Bit Stop Cấu trúc dữ liệu của một ký tự không kiểm tra chẵn/lẻ được gửi đi như sau: Bit

Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Bit Stop

Bit Stop

1.3.3 Cấu trúc khung truyền

Trong mạng Modbus chuẩn, khi một trong hai chế độ ASCII hoặc RTU được chọn thì một thông báo sẽ được đóng khung Mỗi khung bao gồm nhiều ký tự và mỗi

ký tự được tổ chức như trên Các ký tự này sẽ được truyền đi liên tục trong chế độ RTU và gián đoạn trong chế độ ASCII

Khung ASCII

Trong chế độ ASCII, một thông báo bắt đầu với dấu hai chấm (:), tức là ký tự 3A trong bảng mã ASCII và kết thúc bằng hai ký tự trở về đầu dòng/xuống dòng (CRLF), tức hai ký tự 0D và 0A trong bảng mã ASCII Mỗi byte trong thông báo được truyền

đi bằng hai ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được phép xuất hiện trong các phần còn lại của khung là 0–9 và A–F

1 ký tự 2 ký tự 2 ký tự N ký tự 2 ký tự 2 ký tự Mỗi thiết bị tham gia trong mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đường truyền

và phát hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm Khi dấu hai chấm nhận được thì 2 ký tự tiếp thao sẽ mang địa chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gửi thông báo đáp ứng Khoảng cách thời gian tối đa cho phép giữa 2 ký tự trong một thông báo là 1s Nếu vượt quá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi

Khung ASCII sử dụng phương pháp LRC để kiểm lỗi

Khung RTU

Trong chế độ RTU, một thông báo bắt đầu với một khoảng trống yên lặng tối thiểu bằng 3.5 lần thời gian của một ký tự Ô đầu tiên được truyền sẽ là 8 bit địa chỉ, sau đó đến 8 bit mã hàm, các byte dữ liệu và cuối cùng là thông tin kiểm tra lỗi CRC Sau khi truyền ký tự cuối cùng, khung thông báo cũng phải được kết thúc bằng một khoảng yên lặng tối thiểu bằng 3.5 thời gian một ký tự trước khi bắt đầu một thông báo mới

Khác với chế độ ASCII, toàn bộ khung thông báo RTU phải được truyền thành một dòng liên tục Nếu một khoảng trống yên lặng lớn hơn 1.5 thời gian ký tự xuất hiện trước khi truyền xong toàn bộ khung thì thiết bị nhận sẽ hủy bỏ thông báo chưa đầy đủ đó và cho rằng byte tiếp theo sẽ là địa chỉ của một thông báo mới

Phần địa chỉ trong một khung thông báo là 8 bit Các giá trị địa chỉ hợp lệ nằm

trong khoảng 0 – 247, trong đó địa chỉ 0 dành cho các thông báo gửi đồng loạt tới tất

cả các trạm tớ Nếu Modbus được sử dụng trên một mạng khác thì phương thức gửi hàng loạt có thể không được hỗ trợ, hoặc được thay thế bằng một phương pháp khác Một thiết bị chủ sử dụng ô địa chỉ để chỉ định thiết bị tớ nhận thông báo yêu cầu Sau khi thực hiện yêu cầu, thiết bị tớ đưa địa chỉ của mình vào khung thông báo đáp ứng, nhờ vậy mà thiết bị chủ có thể xác định thiết bị tớ nào đã trả lời Trong một mạng Modbus chuẩn chỉ có một trạm chủ duy nhất, vì thế ô địa chỉ không cần thiết phải chứa cả địa chỉ trạm gửi và trạm nhận

Giống như địa chỉ, phần mã hàm trong một khung thông báo cũng là 8 bit Các giá trị hợp lệ nằm trong khoảng từ 1 – 255, trong đó các mã hàm trong thông báo yêu cầu chỉ được phép từ 1 – 127 Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị chỉ hỗ trợ một phần nhỏ

số hàm nói trên và một số mã hàm được dự trữ

Khi một thông báo gửi từ thiết bị chủ tới một thiết bị tớ, mã hàm có chức năng chỉ định hành động mà thiết bị tớ cần thực hiện Khi thiết bị tớ trả lời, nó cũng dùng chính mã hàm đó trong thông báo đáp ứng bình thường Trong trường hợp xảy ra lỗi,

mã hàm trả lại sẽ là mã hàm trong yêu cầu với bit cao nhất được đặt bằng 1 và phần dữ liệu sẽ chứa thông tin chi tiết về lỗi đã xảy ra

Trong một thông báo yêu cầu, nội dung phần dữ liệu nói lên chi tiết hành động

mà bên nhận cần thực hiện Ví dụ trong một yêu cầu đọc các thanh ghi thì phần dữ liệu chứa thông tin về địa chỉ thanh ghi đầu tiên, số lượng các thanh ghi cần đọc và chiều dài thực tế của chính phần dữ liệu

Trong trường hợp bình thường, phần dữ liệu trong thông báo đáp ứng sẽ chứa kết quả của hành động đã thực hiện (ví dụ nội dung các thanh ghi đã đọc) Nếu xảy ra lỗi,