NGHIÊN CỨU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG MỘT ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN, ĐIỀU HÀNH TÒA NHÀ CAO TẦNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung và số liệu trong luận văn thạc sĩ:

“Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đắc Hải

Trang - - 3

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy cô trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là những thầy cô đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt thời gian học tập tại trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phạm Mạnh Thắng đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, t ô i rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Học viên Nguyễn Đắc Hải Trang - - 4

MỤC LỤC Trang phụ bìa 1

Lời cam đoan 2

Lời cảm ơn 3

Mục lục 4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh sách các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

Mở đầu 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS 1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Các phân hệ trong hệ thống BMS 14

1.2.1 Quản lý vào/ ra trong tòa nhà 15

1.2.1.1 Thành phần của một hệ thống RFID 15

1.2.1.2 Hoạt động của hệ thống RFID 16

1.2.2 Hệ thống báo cháy 16

1.2.2.1 Cách nhận biết và báo cháy 16

1.2.2.2 Các bộ phận chính của hệ thống 17

1.2.3 Hệ thống thang máy 19

1.2.4 Hệ thống điều hoà trung tâm 20

1.2.5 Máy phát điện 21

1.2.6 Hệ thống điện 21

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1 Mạng truyền thông trong hệ thống BMS 23

2.2 Một số chuẩn truyền thông 23

2.2.1 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232 23

2.2.2 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485 28

2.3 Giao thức truyền thông 35

2.3.1 Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet 35

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet 35

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG BMS 3.1 Mục tiêu của đề tài 36

Trang - - 5

3.2 Cấu hình hệ thống 36

3.3 Thiết kế phần cứng của hệ thống 37

3.3.1 Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR 37

3.3.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 38

3.3.2.1 Sơ đồ chân 38

3.3.2.2 Cấu trúc bộ nhớ 39

3.3.2.3 Cổng vào ra 46

3.3.2.4 Bộ định thời 50

3.3.2.5 Cấu trúc ngắt 75

3.3.3 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega8 82

3.3.3.1 Giới thiệu chung 82

3.3.3.2 Sơ đồ chân 82

3.3.4 Cảm biến 84

3.3.5 Mạch Slaver 86

3.3.6 Mạch Master 88

3.3.7 Keyboard và LCD 90

3.4 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho hệ thống 91

3.4.1 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Slaver dùng Atmega8 91

3.4.2 Xây dựng phần mềm nhúng điều khiển cho mạch Master dùng Atmega128 92

3.5 Kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống 93

3.5.1 Tính khoa học 93

3.5.2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tiễn 93

3.5.3 Hiệu quả kinh tế xã hội 94

Kết luận 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

Phụ lục 97

Trang - - 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ALN Application Level network – Lớp ứng dụng mạng

truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà

BMS Building Management System - hệ thống quản lý tòa nhà

CSMA/CD Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect DCE Data Communication Equipment – Thiết bị truyền dữ liệu

DTE Data Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối

ISR Interrupt service routine - Trình dịch vụ ngắt

OSI Open System Interconnection– Hệ thống liên kết mở

PLC Power Line Communication - đường điện lưới

tuyến

RI Ring indicator – Chỉ thị chuông

RTS Request to send – Yêu cầu gửi

khiển truyền thông /Giao thức Internet

WGM Waveform Generation Mode

Trang - - 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 25

Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485 28

Bảng 3: Thông số của các phương pháp 34

Bảng 4: Các chân của Atmega128 39

Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng 48

Bảng 6: Địa chỉ các Port 50

Bảng 7: Lựa chọn tốc độ xung clock 54

Bảng 8: Lựa chọn các chế độ thực thi của bộ định thời 0 67

Bảng 9: Bảng Vector Ngắt Của ATmega128 78

Bảng 10: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh A 79

Bảng 11: Điều khiển kiểu bắt mẫu ngắt trong thanh B 80

Bảng 12: Các chân Atmega8 84

Bảng 13: Các thông số kỹ thuật của sensor JS-20 85

Trang - - 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS 14

Hình 2: Reader và Card 15

Hình 3: Thiết bị báo cháy 18

Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà 21

Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232 24

Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân 26

Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân 27

Hình 8: Ghép nối trực tiếp 28

Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485 29

Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485 30

Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị 30

Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn 31

Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây 32

Hình 14: Dây xoắn đôi 32

Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây 33

Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485 34

Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống 37

Hình 18: Sơ đồ chân 38

Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader 40

Hình 20: Vùng nhớ 64 thanh ghi vào ra có 2 cách chọn địa chỉ 42

Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31 42

Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128 46

Hình 23 Sơ đồ một cổng vào ra 49

Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3) 51

Hình 25: Thanh ghi TEMP 56

Hình 26: Ngõ ra khối Compare Match Output Unit 65

Hình 27: Sơ đồ khối bộ định thời 0 66

Hình 28: Sơ đồ khối bộ định thời 2 72

Hình 29: Sơ đồ chân Atmega8 83

Hình 30: Hình ảnh cảm biến JS- 20 Largo Pir 84

Hình 31: Khoảng cách và góc quét của JS-20 85

Hình 32: Sơ đồ nguyên lý mạch Slave 86

Hình 33: Sơ đồ mạch PCB của mạch slave 87

Trang - - 9

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 88

Hình 35: Sơ đồ mạch PCB của mạch Master 89

Hình 36: Mạch điện điều khiển của mạch Master 89

Hình 37: Sơ đồ mạch PCB của LCD Keyboad 90

Hình 38: Mạch điện điều khiển của Keyboad và LCD 91

Hình 39: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Slave 91

Hình 40: Sơ đồ khối hoạt động của mạch Master 92

Hình 41: Hình ảnh của hệ thống 98

Trang - - 10

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với không khí hội nhập kinh tế quốc tế của Việt nam, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước đã có những bước phát triển rất nhanh Một trong những bước thành công đó là qui mô đô thị hóa với hàng loạt các công trình kiến trúc đồ sộ đã và đang được xây dựng trên mọi miền của tổ quốc, góp phần cho sự phát triển kinh tế

Trong các công trình kiến trúc đồ sộ đó không thể không kể đến các tòa nhà cao tầng mới được xây dựng ở Việt Nam Các tiêu chí đánh giá chất lượng các tòa nhà cao tầng đó liên quan đến các mặt kiến trúc, kết cấu xây dựng, tiện nghi, độ an toàn, độ tin cậy, tính kinh tế và tính hiện đại của tòa nhà

Hầu hết các tòa nhà này hiện đều được trang bị hệ thống điều khiển và quản

lý tòa nhà BMS (Building Management System) như ở các nước công nghiệp Chỉ

có trên cơ sở hệ thống BMS này mà các chuyên gia mới có thể đánh giá chất lượng của các tòa nhà đạt tiêu chuẩn hay không đạt tiêu chuẩn quản lý hiện đại.[14] Các tiêu chí liên quan đến hệ thống BMS bao gồm các thành phần giám sát

và báo động, các hệ thống thành phần quản lý năng lượng và hệ thống thông tin Khi được trang bị như vậy, tất cả các hệ thống thành phần đó ngoài việc có khả năng hoạt động độc lập thì cần phải được điều khiển tập trung nhằm cho phép tăng

độ an toàn, tính bền vững và ổn định của toàn hệ thống Hệ thống tổng thể cần được thiết kế sử dụng khả năng tích hợp các hệ thống thành phần trên cơ sở một hệ thông tin liên tục, không bị gián đoạn, có được tốc độ xử lý dữ liệu đủ cao nhằm tăng tính tin cậy và hiệu quả sử dụng Thực tế phát triển như vũ bão của Công nghệ thông tin trong những năm gần đây đã cho thấy: hệ thống kể trên hoàn toàn có thể thực hiện được tốt trên cơ sở nghiên cứu tích hợp các hệ thống thành phần qua các kênh thông tin được tích hợp với nhau như dùng kết nối các đường dây chuyên dụng truyền thống, các kênh thông tin vô tuyến (wireless), dùng ngay mạng điều khiển qua đường điện lưới PLC (Power Line Communication) hoặc dùng mạng máy tính (computer network), mạng điện thoại di động (mobile network) hoặc thậm chí cả mạng Internet.[15]

Các hệ thống quản lý tòa nhà BMS được phát triển và ứng dụng khoảng

20-30 năm trở lại đây dựa trên cở sở công nghệ tự động hóa phát triển và tích hợp tổng thể Hệ thống BMS ra đời trợ giúp cho việc quản lý các tòa nhà rất hiệu quả và kinh

tế Tuy vốn ban đầu đầu tư cho thiết bị và các phần mềm quản lý là không nhỏ, nhưng so với chi phí khai thác lâu dài thì rất hiệu quả và kinh tế Chúng ta có thể

Trang - - 11

tham khảo các tòa nhà lớn ở sân bay Stuttgart của Đức, tòa nhà sinh thái ở Bỉ, nhà

băng Credit Suisse First Boston ở Anh, Capital tower và hãng sản xuất đĩa cứng

Seagate ở Singapore Các tòa nhà này đã được trang bị hệ thống BMS của

Siemens và đã, đang được khai thác rất hiệu quả và kinh tế

Các nhà cao tầng ở Việt nam đã sử dụng hệ thống BMS của Siemens Các

tòa nhà: Saigon Center HCM được đưa vào sử dụng 1996, Red river building

Hanoi-1999, Opera Hilton Hotel Hanoi-2000, Hanoi Nation Stadium-2003 Sau khi

trang bị hệ BMS này, các tòa nhà đã khai thác rất hiệu qủa khả năng quản lý giám

sát và báo hiệu các sự cố của hệ thống HVAC (Hệ thống thông gió và điều hòa

không khí) và tiết kiệm được 50% năng lượng điện tiêu thụ cho hệ thống so với

trước khi lắp đặt hệ thống BMS.[14]

Bên cạnh việc sử dụng điện năng cho các hoạt động của tòa nhà(Hệ thống

điều hòa, vận hành thang máy,…) thì việc sử dụng điện năng cho điều khiển chiếu

sáng cũng chiếm một tỷ trọng khá lớn Việc quản lý tốt vấn đề chiếu sáng không

chỉ đem lại môi trường làm việc đủ ánh sáng mà còn nâng cao hiệu quả đầu tư cho

việc tiết kiệm điện và chi phí vận hành

Tự động hóa điều khiển chiếu sáng, người vận hành có thể lập sẵn lịch hoạt

động chiếu sáng cho từng khu vực nhất định, cho từng thời điểm nhất định Như

khu hành lang là nơi thường xuyên có người qua lại, hệ thống sẽ tự động bật sáng

khu vực đó trong thời gian làm việc Những khu vực nhạy cảm về vấn đề an ninh,

hệ thống sẽ tự động bật sáng khu vực đó về đêm hoặc chiếu sáng tăng cường trong

những thời điểm nhạy cảm

Xuất phát từ những ý tưởng và những tình hình thực tế như ở trên, tôi chọn

đề tài: “Nghiên cứu các chuẩn truyền thông và xây dựng một ứng dụng cho hệ

thống giám sát, điều khiển, điều hành tòa nhà cao tầng” cho luận văn tốt nghiệp

Luận văn được tổ chức thành 3 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 – Tổng quan về hệ thống BMS: Giới thiệu tổng quan về hệ thống

BMS, các phân hệ trong hệ thống BMS

Chương 2 – Một số chuẩn và giao thức truyền thông ứng dụng trong hệ thống

BMS: Trình bày mạng truyền thông trong hệ thống BMS, một số chuẩn truyền

thông, giao thức truyền thông sử dụng trong hệ thống BMS

Chương 3 – Thiết kế một hệ thống thành phần trong hệ thống BMS: Trình bày

mục tiêu của đề tài, xây dựng cấu hình của hệ thống, thiết kế phần cứng, thiết kế

các modul mạch điện của hệ thống và xây dựng phần mềm nhúng cho hệ thống

Trang - - 12 nhằm thực hiện công việc bật/ tắt đèn chiếu sáng tự động trong hệ thống BMS Thử nghiệm kết quả và khả năng ứng dụng của hệ thống

Trang - - 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BMS

1.1 Giới thiệu chung

Mục tiêu của hệ thống BMS là tập trung hóa và đơn giản hóa việc

giám sát, vận hành và quản lý tòa nhà BMS cho phép nâng cao hiệu suất của tòa

nhà bằng cách giảm chi phí nhân công, chi phí năng lượng và cung cấp môi trường

làm việc thoải mái và an toàn cho con người

Một số lợi ích của hệ thống BMS:

- Đơn giản hóa vận hành: các thủ tục, các chức năng có tính lặp đi lặp lại

được chương trình hóa để vận hành tự động

- Giảm thời gian đào tạo cho nhân viên vận hành: Do có các chỉ dẫn trực tiếp

trên màn hình cũng như giao diện trực quan của tòa nhà

- Phản ứng nhanh đối với các đòi hỏi của khách hàng và các sự cố

- Giảm chi phí năng lượng: quản lý tập trung việc điều khiển và quản lý năng

lượng

- Quản lý tốt hơn các thiết bị trong tòa nhà: nhờ vào hệ thống dữ liệu lưu trữ,

chương trình bảo trì bảo dưỡng và hệ thống tự động báo cáo các cảnh báo

- Linh hoạt trong việc lập trình theo nhu cầu, kích thước, tổ chức và các yêu

cầu mở rộng

- Sử dụng hệ thống vận hành bằng việc tích hợp hệ thống phần mềm và phần

cứng của nhiều hệ thống con khác nhau như: báo cháy, an toàn, điều khiển truy

nhập, điều khiển thiết bị điện qua công nghệ mạng di động GSM,…

Trang - - 14

1.2 Các phân hệ trong hệ thống BMS

Hình 1: Hình minh họa hệ thống BMS Trong hệ thống BMS có khá nhiều phân hệ, cụ thể:

- Trạm phân phối điện

- Máy phát điện dự phòng

- Hệ thống chiếu sáng

- Hệ thống điều hoà và thông gió

- Hệ thống cấp nước sinh hoạt

- Hệ thống báo cháy

- Hệ thống chữa cháy

Trang - - 15

- Hệ thống thang máy

- Hệ thống âm thanh công cộng

- Hệ thống quản lý vào/ra (dùng công nghệ RFID)

Ba nhóm này đặc trưng cho hệ thống BMS cho các tòa nhà cao tầng Tùy

thuộc vào mục đích sử dụng mà ba nhóm hệ thống trên được trang bị cho các tòa

nhà hay không.[15]

1.2.1 Quản lý vào/ra trong tòa nhà

Để quản lý vào/ra tại các cửa trong tòa nhà bằng thẻ sử dụng công nghệ

RFID (Radio Frequency Identification) Công nghệ RFID là công nghệ xác nhận

đối tượng bằng sóng vô tuyến

Dạng đơn giản nhất được sử dụng hiện nay hệ thống RFID bị động làm việc

như sau: một RFID reader truyền một tín hiệu tần số vô tuyến điện từ qua anten của

nó đến một con chip không tiếp xúc Reader nhận thông tin trở lại từ chip và gửi nó

đến máy tính điều khiển đầu đọc và xử lý thông tin tìm được từ con chip Các con

chip không tiếp xúc không tích điện, chúng hoạt động bằng cách sử dụng năng

lượng chúng nhận từ tín hiệu được gửi bởi một reader.[13]

1.2.1.1 Thành phần của một hệ thống RFID

Một hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần:

Hình 2: Reader và Card

Trang - - 16

1 Thẻ RFID được lập trình điện tử với thông tin duy nhất

2 Các reader hoặc sensor (cái cảm biến) để truy vấn các thẻ

3 Anten

4 Server[16]

1.2.1.2 Hoạt động của hệ thống RFID

Một hệ thống RFID có ba thành phần cơ bản: thẻ, đầu đọc, và một host computer

Thẻ RFID gồm chip bán dẫn nhỏ và anten được thu nhỏ trong một số hình thức như thẻ vào ra cửa trong tòa nhà Mỗi thẻ được lập trình với một nhận dạng (ID) duy nhất cho phép theo dõi không dây đối tượng hoặc con người đang gắn thẻ

đó Bởi vì các chip được sử dụng trong thẻ RFID có thể giữ một số lượng lớn dữ liệu, chúng có thể chứa thông tin như chuỗi số, hướng dẫn cấu hình, dữ liệu kỹ thuật, sổ sách y học và lịch trình Cũng như phát sóng tivi hay radio, hệ thống RFID cũng sử dụng bốn băng thông tần số chính: tần số thấp (LF), tần số cao (HF), siêu cao tần (UHF) hoặc sóng cực ngắn (viba)

RFID reader gồm một anten liên lạc với thẻ RFID và một đơn vị đo điện tử học đã được nối mạng với host computer Đơn vị đo tiếp sóng giữa host computer

và tất cả các thẻ trong phạm vi đọc của anten, cho phép một đầu đọc liên lạc với hàng trăm thẻ đồng thời Nó cũng thực thi các chức năng bảo mật như mã hóa/ giải

mã và xác thực người dùng Đầu đọc RFID có thể phát hiện thẻ ngay cả khi không nhìn thấy chúng Hầu hết các mạng RFID gồm nhiều thẻ và nhiều đầu đọc được nối mạng với nhau bởi một máy tính trung tâm, hầu như thường là một trạm làm việc gọn để bàn Host xử lý dữ liệu mà các đầu đọc thu thập từ các thẻ và dịch nó giữa mạng RFID và các hệ thống kỹ thuật thông tin lớn hơn, mà nơi đó quản lý dây chuyền hoặc cơ sở dữ liệu quản lý có thể thực thi.[13]

1.2.2 Hệ thống báo cháy 1.2.2.1 Cách nhận biết và báo cháy

Khi có căn phòng trong tòa nhà bị cháy, ở những căn phòng có cháy đó thường có dấu hiệu sau:

- Lửa, khói và vật liệu chỗ cháy bị thiêu hủy

- Nhiệt độ trong vùng cháy tăng lên cao

- Không khí bị Oxy hóa mạnh

- Có mùi cháy và mùi khét

Ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến để làm các thiết bị báo cháy

Trang - - 17

Thiết bị báo cháy tự động giúp chúng ta thường xuyên theo dõi để hạn chế

các vụ cháy tai hại, hạn chế thiệt hại và an toàn cho mọi người

1.2.2.2 Các bộ phận chính của hệ thống

1.2.2.2.1 Cảm biến

Cảm biến là bộ phận quan trọng, nó quyết định độ nhạy và sự chính xác của

hệ thống báo cháy

Cảm biến hoạt động dựa vào các đặc tính vật lý của vật liệu cấu tạo nên

chúng Cảm biến được dùng để chuyển đổi các tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện

Các đặc tính của cảm biến ta cần quan tâm: độ nhạy, độ ổn định và độ tuyến

tính

 Cảm biến nhiệt

Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu dưới dạng nhiệt độ sang tín hiệu

điện, cảm biến nhiệt có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính Nguyên tắc làm việc

của cảm biến nhiệt là dòng điện hay điện áp thay đổi khi có nhiệt độ tại nơi đặt nó

thay đổi

Các loại cảm biến nhiệt:

IC cảm biến:

Là loại cảm biến bán dẫn được chế tạo thành các IC chuyên có độ nhạy cao,

điện áp ra thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ, một số loại IC được bán trên thị trường

là: LM355, LM334,…

Thermo Couples:

Thermo Couples biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC

nhỏ Nó gồm hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai mối nối Khi các dây

nối đặt ở các vị trí khác nhau trong dây sẽ xuất hiện suất điện động Suất điện động

tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối

 Cảm biến lửa:

Khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, nên ta sử dụng các linh kiện

phát hiện tia hồng ngoại để phát hiện lửa Nguyên lý hoạt động của cảm biến lửa là

điện trở của các linh kiện thu sóng hồng ngoại tăng nó chuyển tín hiệu ánh sáng thu

được thành tín hiệu điện để báo cháy Cảm biến loại này rất nhạy với lửa, tuy nhiên

cũng dễ báo nhầm nếu ta để cảm biến ngoài trời hoặc gần ánh sáng bóng đèn tròn

 Cảm biến khói:

Thường cảm biến loại này là bộ phận riêng biệt chạy bằng Pin được thiết kế

để lắp đặt trên trần nhà, trên tường Có hai loại cảm biến khói:

Trang - - 18 Loại thứ nhất sử dụng nguyên tắc Ion hóa Sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để Ion hóa trong bộ cảm biến Không khí Ion hóa sẽ dẫn điện và tạo ra một dòng điện chạy giữa hai cực đã được nạp điện Khi các phần tử khói lọt vào khu vực cảm nhận được Ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong buồng cảm nhận và làm giảm luồng điện giữa hai cực Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì

bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy

Loại thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang Loại này được dùng bởi linh kiện phát quang (Led, Led hồng ngoại,…) chiếu một tia ánh sáng qua vùng bảo

vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, photo transistor, quang trở, …) Khi

có cháy xảy ra, khói đi vào vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo cháy

Trong hai loại này thì cách thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưng khó thực thi, khó lắp hơn Còn loại thứ hai linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi và lắp đặt hơn

Một nhược điểm chung của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể sai nếu vùng bảo vệ bị ảnh hưởng bởi các lớp bụi.[10]

1.2.2.2.2 Thiết bị báo động

Thiết bị báo động gồm có hai loại:

- Báo động tại chỗ

- Báo động qua điện thoại

Trong các hệ thống báo cháy, các bộ cảm biến thường được đặt ở những nơi

dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, cho nên trong một số trường hợp dây sẽ bị đứt Vì vậy để một hệ thống hoạt động có hiệu quả thì người

ta thường sử dụng các bộ phát vô tuyến trong đó bộ phận phát gắn với bộ cảm biến còn bộ phận thu gắn với mạch báo động

Hình 3: Thiết bị báo cháy

Trang - - 19

1.2.3 Hệ thống thang máy

Gần đây, hệ thống thang máy đã trở thành một hệ thống quan trọng và hệ

thống này thường đi kèm với một phần mềm trên máy PC để giám sát và điều

khiển Hệ thống này cũng sẽ cung cấp một cơ chế giao tiếp để cho các nhà tích hợp

như BMS để truy nhập và lấy thông tin

Một giao tiếp mức cao sẽ được cung cấp cho hệ thống điều khiển thang máy

và thang trung tâm Thông qua giao diện này, hệ thống BMS sẽ có thể giám sát và

điều khiển các thông tin liên quan đến thang máy và cũng giao tiếp với hệ thống

thông báo, hệ thống nhắn tin và màn hình hiển thị của thang máy Toà nhà sẽ trang

bị nơi đặt hệ thống, rack, kết nối mạng và các hạng mục liên quan cần thiết cho

cổng giao tiếp với hệ thống thang máy

Các nhà cung cấp thang máy thường cung cấp các hệ thống thang máy với

các giao thức như OPC, BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc đơn giản hơn là

TCP/IP Hệ thống thang máy của các nhà cung cấp lớn như Schindler, Ryoden,

Mitsubishi…hỗ trợ giao thức TCP/IP

Mỗi một hệ thống thang máy sẽ cung cấp các chức năng sau để có thể dùng

BMS điều khiển chúng (thông qua cổng giao tiếp của BMS):

-Tất cả các điểm kiểm tra trạng thái của thang máy và các điểm cảnh

báo sẽ được giám sát

- Vị trí của mỗi thang máy sẽ được chỉ ra và có thể đặt được

- Hiển thị trạng thái hoạt động của thang máy

- Các thông báo bằng hình ảnh đang hiển thị hoặc được lên lịch trình

hiển thị cũng sẽ được xem bằng hệ thống BMS

- Hiển thị tầng nghỉ của thang máy

- Hướng đi của thang máy

- Giám sát được được trạng thái dừng khẩn cấp của thang máy

- Giám sát trạng thái của các cảnh báo của thang máy

Các cảnh báo chung của hệ thống thang máy sẽ không cần phải đưa ra Hệ

thống BMS sẽ nhận các thông tin cảnh báo và trạng thái chi tiết của hệ thống

Hệ thống BMS sẽ cung cấp màn hình đồ hoạ mô phỏng động để chỉ ra các chuyển

động và trạng thái của tất cả thang máy.[12]

Trang - - 20

1.2.4 Hệ thống điều hoà trung tâm

Hệ thống điều hòa trung tâm là một trong những hệ thống quan trọng nhất của tòa nhà Hệ thống này bao gồm các mạch điện cũng như các mạch điều khiển đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách trôi chảy Thông thường các nhà cung cấp điều hòa sẽ ưu tiên chọn các bộ điều khiển từ những nhà cung cấp mà có thể tích hợp vào hệ thống một cách dễ dàng

Để tích hợp với hệ thống, các nhà cung cấp điều hòa cần phải cung cấp các thiết bị có khả năng kết nối với hệ thống bên ngoài thông qua các giao thức mở như OPC, BACNet, MODBUS hoặc LNS

Việc điều khiển độ nóng, thông gió và các dịch vụ điều hoà khác thông thường đều thông qua các bộ điều khiển số trực tiếp của hệ thống BMS Hệ thống BMS sẽ điều khiển và/hoặc giám sát tối thiểu là:

- Các máy lạnh trung tâm

- Điều chuyển không khí

- Chỉnh lượng không khí

- Quạt khí thải/ khí tươi

- Nhiệt độ và độ ẩm ngoài trời

- Nhiệt độ và độ ẩm phòng

- Thời gian hoạt động của tất cả các khối

- Các thông số môi trường khác

Hệ thống điều khiển này sẽ giao tiếp với thiết bị điều khiển chung của hệ thống điều hòa với các thủ tục mở như BACNet, MODBUS, LNS, P2 hoặc theo chuẩn của chính nhà sản xuất Hệ thống BMS sẽ giám sát và điều khiển thông qua các thiết bị điều khiển này và cung cấp ít nhất là các tính năng sau: [12]

- Tình trạng của các thiết bị

- Công suất hệ thống

- Các mức quá nhiệt của hệ thống

- Mức quá tải của hệ thống

- Giám sát các trạng thái hoạt động

- Thời gian hoạt động của tất cả hệ thống hoặc cục bộ

- Tính toán hoạt động với hiệu suất cao nhất

Trang - - 21

1.2.5 Máy phát điện

Các bộ điều khiển của BMS sẽ cho phép hệ thống BMS giám sát và điều

khiển máy phát và hệ thống nhiên liệu và cung cấp tối thiểu là các thông tin sau:

- Trạng thái của từng máy phát

- Giám sát tình trạng và mức độ chất lượng của hệ thống phát điện

- Giám sát các cảnh báo của các khối của máy phát điện

- Giám sát thời gian hoạt động của tất cả các máy phát

- Giám sát các mức nhiên liệu trong tất cả các bình chứa

- Giám sát nguồn cung cấp năng lượng và các cảnh báo về rò rỉ [12]

1.2.6 Hệ thống điện

Hình 4: Hệ thống giám sát, đo lường sử dụng điện trong tòa nhà

Các dịch vụ về điện sẽ có các bộ điều khiển của riêng chúng và có giao diện

đến hệ thống BMS Nhà cung cấp hệ thống điện sẽ cung cáp bộ điều khiển với thủ

tục giao diện hoặc cổng giao diện cần thiết để giao tiếp với hệ thống BMS Cổng

giao tiếp sẽ cung cấp giao diện RS232 hoặc RS485 Bảng điều khiển của hệ thống

có các điểm kiểm tra, các bộ biến đổi để có thể đo được điện áp, dòng, tần số, công

suất và năng lượng của hệ thống điện

Để tích hợp với hệ thống BMS, các bộ điều khiển cần phải có các thủ tục

giao tiếp cần thiết để hệ thống BMS có thể giao tiếp với chúng

Thông qua giao diện này Hệ thống BMS sẽ giám sát các thông tin được chỉ định

Trang - - 22 hoặc trạng thái của hệ thống điện từ trạm biến áp đến tủ phân phối từng tầng Một cách tối thiểu hệ thống BMS sẽ giám sát được các yếu tố sau:

- Công suất tiêu thụ lấy từ tất cả các bộ đo điện

- Nhu cầu tối đa

- Giám sát trạng thái của các mạch điện

- Giám sát và điều khiển trạng thái của các máy cắt/ áttômát

- Điện áp, dòng và tần số điện nguồn

- Giám sát trạng thái của tất cả bảng chuyển mạch của các dịch vụ điện, điện áp và dòng của điện cung cấp

Hệ thống BMS sẽ cung cấp việc hiển thị đồ hoạ của tất cả hệ thống điện hiển thị hạ tầng kết nối và các mạch điện Màn hình đồ hoạ sẽ hiển thị bề mặt của các bảng chuyển mạch và chỉ ra tên và số của các mạch, các cầu chì cùng với các lượng điện tiêu thụ, các giá trị đọc được của điện áp và dòng điện Trạng thái của tất cả các điểm giám sát thiết bị điện cũng được hiển thị

Hệ thống BMS sẽ cung cấp các chức năng điều khiển mức vùng cho các chức năng sau:

- Bất kỳ thay đổi nào về trạng thái của bộ chuyển mạch điều khiển cần phải được phát hiện

- Bộ chuyển mạch điều khiển sẽ cung cấp trạng thái là đang làm việc hay không

- Giám sát các modul điều khiển của tất cả hệ thống điều khiển chiếu sáng

Hệ thống sẽ hiển thị chi tiết bên ngoài và các tầng cho thấy trạng thái của tất

cả các đèn từng khu vực và mạch điện bộ cảm biến chuyển động,cảm biến mức ánh sáng.[10]

Trang - - 23

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ CHUẨN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG

ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BMS 2.1 Mạng truyền thông trong hệ thống BMS

Để ứng dụng được BMS, các thiết bị lắp đặt trong tòa nhà phải hỗ trợ kết nối

BMS, tức là hỗ trợ các chuẩn truyền thông chuẩn như: BACnet, LonWork, Modbus

hoặc hỗ trợ chuẩn tín hiệu công nghiệp 4-20mA BMS có thể điều khiển các thiết bị

này qua chuẩn truyền thông

Mạng thông tin của BMS chia làm 3 cấp ( hoặc 02 cấp) tùy vào từng nhà

cung cấp:

- Mạng trục backbone (thường là mạng Ethernet) : TCP/IP hoặc Bacnet/IP

10100/1000Mb nối các bộ điều khiển tòa nhà ( Builiding controllers) với nhau và

nối với các Server của hệ thống ( thường có 2 server chạy nóng và dự phòng)

- Mạng điều khiển tầng: là mạng dây chạy trực tiếp trong từng tầng, thường

là mạng RS485, chuẩn truyền thông thường là LON, Bacnet MS/TP, N2, P2 mạng

này do bộ điều khiển tầng quản lý và liên kết các bộ điều khiển nhỏ hơn đặt tại

từng thiết bị cụ thể trong tầng của tòa nhà.[6]

Thường các hệ BMS đơn giản chỉ có 02 phân lớp mạng như vậy Các hệ

thống lớn và yêu cầu tích hợp cao thường có thêm phân lớp mạng thứ 3 nằm trên 2

lớp trên: ALN ( Application Level network) Phân lớp này thường là lớp mạng

interconnect giữa rất nhiều hệ thống khác nhau trong tòa nhà, cùng chia sẻ thông tin

và quản lý, nó sẽ có 1 hệ thống trung tâm để thu thập và phân phối thông tin cho

các Client trong hệ thống mạng.[7]

2.2 Một số chuẩn truyền thông

2.2.1 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS232

RS-232 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối

điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối ( DTE, Data Terminal Equipment ), như giữa hai

máy tính PC, PLC , giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và

một thiết bị truyền dữ liệu ( DCE, Data Communication Equipment )

Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu

nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một

vài cổng RS-232 ( cổng COM ), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại

vi hoặc với các máy tính khác Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng

RS-232 phục vụ lập trình hoặc tham số hoá.[9]

Trang - - 24

- Đặc tính điện học: RS-232 sử dụng phương thức truyền thông đối xứng, tức

là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Mức điện áp được

sử dụng dao động trong khoảng từ -15V đến 15V Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến -3V ứng với mức giá trị logic 1 Chính vì khoảng từ -3V đến 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua khoảng quá độ đó trong một thời gian ngắn hợp lý Ví dụ, theo tiêu chuẩn DIN 66259 phần 2 qui định độ dốc tối thiểu của một tín hiệu phải là 6V/ms hoặc 3% nhịp xung, tuỳ theo giá trị nào nhỏ hơn Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền.[9]

Hình 5: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-232

Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19,2kBd ( chiều dài cho phép 30-50m ) Gần đây, sự tiến bộ của vi mạch đã góp phần nâng cao tốc độ của các modem lên nhiều lần so với ngưỡng 19,2kBd Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460kBd và hơn nữa Tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115,2 kBd theo tiêu chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện

Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7kΩ

Một số thông số điện học quan trọng của RS-232:

Trang - - 25

Bảng 1: Một số thông số điện học của RS-232 Giao diện cơ học: chuẩn EIA/TIA-232F qui định ba loại giắc cắm RS-232 là

DB-9 ( 9 chân ), DB-25 ( 25 chân ) và ALT-A ( 26 chân ), trong đó hai loại đầu sử

dụng rỗng rãi hơn Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong

EIA/TIA-574 [7]

Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:

• RxD ( receive data ): đường nhận dữ liệu

• TxD ( transmit data ): đường gửi dữ liệu

• DTR ( Data terminal ready ): chân DTR thường ở trạng thái On khi thiết bị

đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông Qua việc giữ mạch DTR ở trạng

thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ " tự trả lời "chấp nhận lời

gọi không yêu cầu Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không

muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa ( chế độ cục bộ )

• DSR ( data set ready, DCE ready ): cả hai modem chuyển mạch DSR sang

ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên

• DCD ( data carrier detect ): chân DCD được sử dụng để kiểm soát truy

nhập đường truyền Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác

chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu ( chân RTS ) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm

Trang - - 26 soát đường truyền nếu cần thiết Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác

đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền

• RTS ( request to send ): đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của

nó Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới modem xa

• CTS ( clear to send ): khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa

• RI ( ring indicator ): khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại để báo hiệu cho trạm đầu cuối Tín hiệu này chỉ thị rằng một modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up

Hình 6: Giắc cắm RS-232 loại 9 chân

Trang - - 27

Hình 7: Giắc cắm RS-232 loại 25 chân

- Chế độ làm việc: chế độ làm việc của hệ thống RS-232 là hai chiều toàn

phần ( full-duplex ), tức là hai thiết bị tham gia cùng có thể thu và phát tín hiệu

cùng một lúc Như vậy, việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn - trong

đó hai dây tín hiệu nối chéo các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất Với cấu

hình tối thiều này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách

nhiệm của phần mềm

Ta còn có thể ghép nối trực tiếp giữa hai thiết bị thực hiện chế độ bắt tay (

handshake mode ) không thông qua modem Qua việc sử dụng các dây dẫn DTR và

DSR, độ an toàn giao tiếp sẽ được đảm bảo Trong trường hợp này các chân RTS

và CTS được nối ngắn [7]

Trang - - 28

Hình 8: Ghép nối trực tiếp

2.2.2 Giới thiệu về truyền thông qua chuẩn RS-485

Đặc tính điện học: sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch đối xứng giữa hai dây dẫn A và B Nhờ vậy giảm được nhiễu và cho phép tăng chiều dài dây dẫn ( có thể lên đến 1200m ) Điện áp chênh lệch dương tương ứng với trạng thái logic 0 và âm tương ứng với trạng thái logic 1 Điện áp chênh lệch ở đầu vào dây nhận có thể xuống tới 200mV

Bảng 2:Các thông số quan trọng của RS-485

Trang - - 29

RS-485 có khả năng ghép nối nhiều điểm Có thể ghép nối 32 trạm, được

định địa chỉ và giao tiếp đồng thời qua một đoạn RS-485 mà không cần lắp bộ Để

đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường

dẫn và phát tín hiệu Vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về chế độ trở kháng cao

mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia Chế độ

này gọi là chế độ tri-state Một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này,

trong nhiều trường hợp khác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều

khiển truyền thông Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu vào

'enable ' được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu

hoặc tri-state.[6]

Hình 9: Sơ đồ bộ kích thích ( driver ) và bộ thu ( receiver ) RS-485

Mặc dù phạm vi làm việc tối đa là -6V đến 6V (trong trường hợp hở mạch),

trạng thái logic của tín hiệu chỉ được định nghĩa trong khoảng từ ±1,5V đến ±5V

đối với đầu ra ( bên phát ) và từ ±0,2V đến ±5V đối đầu vào ( bên nhận )

Số trạm tham gia: RS-485 cho phép nối mạng 32 tải đơn vị ( unit load, UL ),

ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho mỗi thiết bị

thành viên Thông thường, mỗi bộ thu phát được thiết kế tương đương với một tải

đơn vị Gần đây cũng có những cố gắng giảm tải xuống 1/2UL hoặc 1/4UL, tức là

tăng trở kháng đầu vào lên hai hoặc bốn lần, với mục đích tăng số lượng trạm lên

64 hoặc 128 Tuy nhiên, tăng số trạm theo cách này sẽ gắn với việc phải giảm tốc

độ truyền thông, vì các trạm trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn.[6]

Trang - - 30

Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485

Giới hạn 32 tải đơn vị xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền thông nhiều điểm Các tải được mắc song song vì thế việc tăng tải sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép Theo qui định chuẩn, một bộ kích thích tín hiệu phải đảm bảo dòng tổng cộng 60mA vừa đủ để cung cấp cho:

• Hai trở đầu cuối mắc song song tương ứng tải 60Ω ( 120Ω tại mỗi đầu ) với điện áp tối thiểu 1,5V tạo dòng tương đương 25mA

• 32 tải đơn vị mắc song song với dòng 1mA qua mỗi tải ( trường hợp xấu nhất ), tạo dòng tương đương 32mA

Hình 11: Định nghĩa một tải đơn vị

Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS485 cho phép truyền khoảng cách tối đa giữa trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 10Mbit/s, một số hệ

Trang - - 31

thống gần đây có khả năng làm việc với tốc độ 12Mbit/s Tuy nhiên có sự ràng

buộc giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài

1200m không thể làm việc với tốc độ 10MBd Quan hệ giữa chúng phụ thuộc vào

chất lượng cáp dẫn và phụ thuộc vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu

Hình 12: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn

Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn tối đa trong RS-485 sử dụng

đôi dây xoắn AWG24

Tốc độ truyền tối đa phụ thuộc vào chất lượng cáp mạng, cụ thể là đôi dây

xoắn kiểu STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UPT và vì thế có thể truyền

với tốc độ cao hơn Có thể sử dụng các bộ lặp để tăng số trạm trong một mạng,

cũng như chiều dài dây dẫn lên nhiều lần, đồng thời đảm bảo được chất lượng tín

hiệu

Cấu hình mạng: RS-485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng

truyền thông đa điểm thực sự chỉ sử dụng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi

là bus Chính vì vậy mà nó được làm chuẩn cho lớp vật lý ở đa số các hệ thống bus

hiện thời

Cấu hình phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu

Trong trường hợp này, hệ thống chỉ có thể làm việc với chế độ hai chiều gián

đoạn ( half-duplex ) và các trạm có thể nhận quyền bình đẳng trong việc truy

nhập đường dẫn Chú ý, đường dẫn được kết thúc bằng hai trở tại hai đầu chứ

không được phép ở giữa đường dây Trên hình trên không vẽ dây nối đất song trên

thực tế việc nối đất là rất quan trọng.[6]

Trang - - 32

Hình 13: Cấu hình mạng RS – 485 hai dây

+ Cáp nối: RS-485 không phải là một chuẩn trọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không đưa ra các qui định cho cáp nối cũng như các bộ nối Có thể dùng dây xoắn đôi, cáp trơn hoặc các loại cáp khác Tuy nhiên dây xoắn đôi vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm

Hình 14: Dây xoắn đôi Trở đầu cuối: Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn có thể khác nhau rất nhiều trong các ứng dụng nên hầu hết các bus RS-485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống các hiệu ứng phụ

Trang - - 33

trong truyền dẫn tín hiệu như sự phản xạ tín hiệu.Trở đầu cuối dùng cho RS485

có thể từ 100Ω đến 120Ω

Hình 15: Cấu hình mạng RS-485 sử dụng 4 dây

Trong trường hợp cáp truyền ngắn và tốc độ truyền thấp, ta có thể không cần

dùng trở đầu cuối Tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau vài lần qua lại

Tốc độ truyền dẫn thấp có nghĩa là 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

Có nhiều phương pháp chặn đầu cuối một đường dẫn RS-485 Phương pháp

được dùng phổ biến nhất là chỉ dùng một điện trở thuần nhất nối giữa hai dây A và

B tại mỗi đầu Phương pháp này gọi là chặn song song Điện trở được chọn có giá

trị tương đương với trở kháng đặc trưng ( trở kháng sóng ) của cáp nối Như vậy sẽ

không có tín hiệu phản xạ và chất lượng tín hiệu mang thông tin sẽ được đảm bảo

Nhược điểm của phương pháp này là sự tổn hao nguồn tại hai điện trở

Trang - - 34

Hình 16: Các phương pháp chặn đầu cuối RS-485

Bảng 3: Thông số của các phương pháp Phương pháp thứ hai được gọi là chặn RC, sử dụng kết hợp một tụ C mắc nối tiếp với điện trở R Mạch RC này cho phép khắc phục nhược điểm của cách sử dụng một điện trở thuần nêu 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 và vì thế có tác dụng giảm tải Tuy nhiên, hiệu ứng sẽ cản trở thông thấp ( lowpass ) của mạch RC không cho phép hệ thống làm việc với tốc độ cao Một biến thể của phương pháp chặn song song cũng được sử dụng rộng rãi là chặn tin cậy, bởi nó có tác dụng khác nữa là tạo thiên áp tin cậy ( fail-safe biasing ) đảm bảo một dòng tối thiểu cho trường hợp bus rỗi hoặc có sự cố

Nối đất: Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không liên quan tới đất, hệ thống RS485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụ dòng đầu vào bộ thu Một sai lầm thường gặp là chỉ dùng hai dây để nối hai trạm Trong trường hợp này dòng chế độ chung sẽ tìm cách quay ngược trở lại nguồn phát, bức xạ nhiễu ra môi trường xung quanh ảnh hưởng tới tính tương thích điện

từ của hệ thống Nối đất sẽ có tác dụng tạo một đường thoát trở kháng nhỏ tại một

vị trí xác định, nhờ vậy giảm thiểu tác hại gây nhiễu Hơn thế nữa với cấu hình trở đầu cuối tin cậy, việc nối đất tạo thiên áp sẽ giữ một mức điện áp tối thiểu giữa hai dây A và B trong trường hợp kể cả bus rỗi hoăc có sự cố.[7]

Trang - - 35

2.3 Giao thức truyền thông

Giao thức truyền thông là một yếu tố quan trọng trong cấu hình của BMS vì

nó ảnh hưởng trực tiếp đến dữ liệu được truyền từ điểm này đến điểm khác và bởi

vì các bộ điều khiển phân tán có thể phải lấy dữ liệu của nhau

Sử dụng giao thức truyền thông ngang hàng (Peer Communication Protocol)

So với giao thức hỏi vòng, giao thức ngang hàng có các lợi ích sau:

- Việc truyền thông không phụ thuộc vào một thiết bị đơn lẻ nào – trạm chủ

- Việc truyền thông được thực hiện trực tiếp giữa các thiết bị trong mạng mà

không cần phải thông qua một trạm trung gian nào

- Các thông điệp hệ thống được truyền trực tiếp đến tất cả các trạm trên mạng

2.3.1 Giới thiệu giao thức truyền thông BACnet

BACnet (Building Automation and Control network Protocol) là Giao thức

truyền thông của hệ thống điều khiển và tự động hoá toà nhà

Ngày nay, BACnet đã và đang được các nhà cung cấp thiết bị chấp nhận một

cách rộng rãi như một chuẩn Quốc tế trong lĩnh vực tự đống hoá toà nhà BACnet

được sáng lập bởi một hiệp hội các kỹ sư trong lĩnh vực cơ điện lạnh tại Mỹ có tên

là ASHRAE.[9]

Với tư cách là một chuẩn truyền thông mở giành cho toà nhà nó tạo ra nền

chuẩn cho phép các thiết bị của các hãng khác nhau trao đổi thông tin với nhau

trong toà nhà như: Cảnh báo, lịch biểu, theo dõi bằng đồ thị và báo cáo Chính vì

vậy, BACnet tỏ ra rất cạnh tranh so với các chuẩn giao thức khác thể hiện ở chỗ:

- Chi phí tích hợp hệ thống thấp

- Tính năng tích hợp hệ thống cao

- Thu việc điều hành về một máy chủ

- Loại bỏ sự ràng buộc vào một nhà cung cấp thiết bị[9]

2.3.2 Giao thức mạng Ethernet

Ethernet hay còn biết đến dưới tên gọi IEEE 802.3 là một giao thức mạng

chuẩn hóa việc truyền thông tin gói trong mạng cục bộ Giao thức Ethernet được

xếp vào lớp thứ hai trong mô hình OSI tức tầng data link Phương thức truyền gói

tin của Ethernet là Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Detect

(CSMA/CD).[9]

Trang - - 36

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MỘT HỆ THỐNG THÀNH PHẦN

TRONG HỆ THỐNG BMS 3.1 Mục tiêu của đề tài

Ngày nay chiếu sáng không chỉ đáp ứng nhu cầu có ánh sáng mà chiếu sáng còn phải đảm bảo các yêu cầu về chất lượng ánh sáng, độ thẩm mỹ, mức độ hiệu quả và độ tiện dụng của việc chiếu sáng Với sự phát triển của Công nghệ điện tử tin học, ngành công nghiệp chiếu sáng đã được nâng lên một tầm mới với mô hình chiếu sáng tòa nhà thông minh

Ở những nơi công cộng như hành lang, cầu thang, những nơi có không gian lớn hoặc những nơi không cần sự chiếu sáng thường xuyên, việc bật sáng thường xuyên sẽ gây ra tình trạng lãng phí điện, làm giảm tuổi thọ của bóng đèn Vì vậy chúng ta có thể sử dụng thiết bị cảm biến hồng ngoại để tự động điều khiển bật tắt các thiết bị Các cảm biến hồng ngoại được đặt ngay tại nơi cần chiếu sáng, trong vùng quét Khi có người đi qua cảm biến hồng ngoại sẽ nhận biết và truyền tín hiệu

về bộ điều khiển trung tâm để điều khiển bật tắt thiết bị Thời gian bật tắt được tùy biến cài đặt đảm bảo sự chiếu sáng tiện nghi Do đó việc lắp đặt hệ thống cảm biến không những đảm bảo tính tiện lợi, hiện đại mà còn nâng cao tính hiệu quả tiết kiệm điện, nhất là các tòa nhà lớn

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bo mạch điện tử ứng dụng trong Tự động hóa và xây dựng phần mềm điều khiển cho bo mạch nêu trên để điều khiển bật/ tắt đèn chiếu sáng và điều khiển đóng ngắt các thiết bị điện dân dụng khác một cách tự động nhằm nâng cao đời sống tiện ích cho con người và tiết kiệm năng lượng, góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

Trang - - 37

- Rơle đóng/ ngắt nguồn điện cấp cho bóng đèn (tải)

Các modul trong hệ thống được kết nối với nhau như hình dưới đây:

Hình 17: Sơ đồ khối hệ thống

3.3 Thiết kế phần cứng của hệ thống

3.3.1 Giới thiệu tổng quan họ vi điều khiển AVR

AVR là họ vi diều khiển mới khá mạnh, tích hợp tính năng cao, hơn hẳn họ

89xx của hãng Atmel theo công nghệ RISC(Reduced Instruction Set Computer )

Những đặc điểm nổi trội của AVR đó là về tốc độ sử lý nhanh hơn, nhiều

tính năng hơn, giao tiếp đơn giản, khả năng chống nhiễu tốt hơn

Có thể xem AVR ngang hàng với những họ vi điều khiển mới như: Pic, psoc

cùng thời Tuy mỗi họ có những tính năng riêng tuỳ thuộc vào ứng dụng thực tế

của chúng ta, sử dụng cho phù hợp yêu cầu

Những tính năng mạnh hơn như:

- Kiến trúc (RISC) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy cập bộ nhớ

nạp - lưu dữ liệu và 32 thanh ghi đa năng

- Kiến trúc đường ống lệnh kiểu 2 tầng làm tăng tốc độ thực thi lệnh

- Có chứa nhiều bộ phận ngoại vi: giao diện SPI đồng bộ, các đường dẫn

vào/ra (I/O) lập trình được, giao tiếp I2C, bộ biến đổi ADC 10 bit, các kênh

băm xung PWM, chế độ sleep, standby, 1 bộ định thời Watchdog, 3 bộ

Cảm

Keyboard

Tải LCD

Trang - - 38 timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter 16 bit, 1 bộ só sánh tương tự (analog), có

bộ nhớ EEPROM , giao tiếp UART

Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong 1 chu kỳ xung nhịp

- Hoạt động với tốc độ đồng hồ đến 12 MHZ, vi điều khiển AVR có khả năng đạt đến tốc độ xử lý 12MPIS (1 triệu lệnh trên giây)

- Bộ nhớ chương trình và dữ liệu tích hợp ngay trên chip AVR có 3 công nghệ bộ nhớ khác nhau: EPROM( luôn lập trình mới được) xoá được kiểu flash, EEPROM xoá được bằng tín hiệu xung điện nhưng nội dung bộ nhớ vẫn dữ nguyên khi mất điện áp nguồn, RAM dùng cho các biến thông thường

- Khả năng lập được trình trong hệ thống, do cách thiết kế và công nghệ bộ nhớ có thể lập trình ngay trong khi đang được cấp nguồn trên mạch, không cần phải nhấc chip ra như các vi điều khiển khác

- Hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C

- Điện áp làm việc thay đổi trong khoảng rộng từ 2.7->6V.[17]

3.3.2 Giới thiệu vi điều khiển AVR Atmega 128 3.3.2.1 Sơ đồ chân

Hình 18: Sơ đồ chân

Trang - - 39

Vi điều khiển AVR Atmega128 có 64 chân Cụ thể các chân như sau:

52 VCC - Positive Power Supply

Bảng 4: Các chân của Atmega128

3.3.2.2 Cấu trúc bộ nhớ

Bộ nhớ vi điều khiển AVR có đường Bus riêng cho bộ nhớ chương trình và

bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ AVR được chia làm 2 phần chính: Bộ nhớ chương trình (

program memory ) và bộ nhớ dữ liệu ( Data memory )

Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có

dung lượng 128 K bytes Bộ nhớ chương trình có độ rộng bus là 16 bit Vi

điều khiển Atmega128 bộ nhớ chương trình còn có thể được chia làm 2 phần: phần

boot loader ( Boot loader program section ) và phần ứng dụng ( Application

program section )

Trang - - 40 Phần boot loader chứa chương trình boot loader Chương trình Boot loader là một phần mềm nhỏ nạp trong vi điều khiển và được chạy lúc khởi động Phần mềm này có thể tải vào trong vi điều khiển chương trình của người sử dụng và sau

đó thực thi chương trình này Mỗi khi reset vi điều khiển CPU sẽ nhảy tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi điều khiển hay không, nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chương trình vào vùng nhớ ứng dụng (Application program section ), rồi thực thi chương trình này Ngược lại, boot loader sẽ chuyển tới chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này

Phần ứng dụng (Application program section ) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích thước của phần boot loader và phần ứng dụng

có thể tùy chọn Hình 19 thể hiện cấu trúc bộ nhớ chương trình có sử dụng và không sử dụng boot loader, khi sử dụng phần boot loader ta thấy 4 word đầu tiên thay vì chỉ thị cho CPU chuyển tới chương trình ứng dụng của người dùng (là chương trình có nhãn start ) thì chỉ thị CPU nhảy tới phần chương trình boot loader

để thực hiện trước, rồi mới quay trở lại thực hiện chương trình ứng dụng.[2]

Trang - - 41

Hình 19: Bộ nhớ chương trình có và không có sử dụng boot loader

Bộ nhớ dữ liệu : Bộ nhớ dữ liệu của AVR chia làm 2 phần chính là bộ nhớ

SRAM và bộ nhớ EEPROM Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại

tách biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng

+ Bộ nhớ SRAM có dung lượng 4 K bytes, Bộ nhớ SRAM có hai chế độ

hoạt động là chế độ thông thường và chế độ tương thích với Atmega103, muốn

thiết lập bộ nhớ SRAM hoạt động theo chế độ nào ta sử dụng bit cầu chì M103C

Bộ nhớ SRAM ở chế độ bình thường: Ở chế độ bình thường bộ nhớ SRAM

được chia thành 5 phần: Phần đầu là 32 thanh ghi chức năng chung (General

Purpose Register ) R0 đến R31 có địa chỉ từ $0000 tới $001F Phần thứ 2 là không

gian nhớ vào ra với 64 thanh ghi vào ra ( I/O Register ) có địa chỉ từ $0020 tới

$005F Phần thứ 3 dùng cho vùng nhớ dành cho các thanh ghi vào ra mở rộng (

Extended I/O Registers ) có địa chỉ từ $0060 tới $00FF Phần thứ 4 là vùng SRAM

nội với 4096 byte có địa chỉ từ $0100 tới $10FF Phần thứ 5 là vùng nhớ SRAM

ngoài ( External SRAM ) bắt đầu từ địa chỉ $1100, vùng SRAM mở rộng này có

thể mở rộng lên đến 64 K byte Khi nói bộ nhớ SRAM có dung lượng 4 K byte là

nói tới phần thứ 4 ( SRAM nội ) Nếu tính cả các thanh ghi thì bộ nhớ SRAM trong

chế độ bình thường sẽ là 4.25 K byte = 4352 byte

64 thanh ghi vào ra trong vùng nhớ vào ra ( phần số 2 ) có 2 kiểu chọn địa

chỉ : Nếu xem chúng là vùng nhớ vào ra thì địa chỉ sẽ là $00 - $3F, khi sử dụng các

lệnh in, out … ta phải sử dụng địa chỉ này Nếu xem chúng như là một phần của bộ

nhớ SRAM thì sẽ có địa chỉ là $0020 - $005F, khi ta dùng các lệnh như LD, ST…

ta phải sử dụng kiểu địa chỉ này

Hình 21: Chức năng con trỏ của các thanh ghi R26 –R31

Trang - - 43

+ Bộ nhớ EEPROM là bộ nhớ dữ liệu có thể ghi xóa ngay trong lúc vi điều

khiển đang hoạt động và không bị mất dữ liệu khi nguồn điện cung cấp bị cắt Có

thể ví bộ nhớ dữ liệu EEPROM giống như là ổ cứng ( Hard disk ) của máy vi tính

Với vi điều khiển Atmega128, bộ nhớ EEPROM có kích thước là 4 Kbyte

EEPROM được xem như là một bộ nhớ vào ra được đánh địa chỉ độc lập với

SRAM, điều này có nghĩa là ta cần sử dụng các lệnh in, out … khi muốn truy xuất

tới EEPROM Để điều khiển vào ra dữ liệu với EEPROM ta sử dụng 3 thanh ghi

sau:

* Thanh Ghi EEAR ( EEARH và EEARL )

EEAR là thanh ghi 16 bit lưu giữ địa chỉ của các ô nhớ của EEPROM, thanh

ghi EEAR được kết hợp từ 2 thanh ghi 8 bit là EEARH và thanh ghi EEARL Vì

bộ nhớ EEPROM của ATmega128 có dung lượng 4 Kbyte = 4096 byte = 212 byte

nên ta chỉ cần 12 bit của thanh ghi EEAR , 4 bit từ 15 -12 được dự trữ, ta nên ghi 0

vào các bit dự trữ này

* Thanh Ghi EEDR

Đây là thanh ghi dữ liệu của EEPROM, là nơi chứa dữ liệu ta định ghi vào

hay lấy ra từ EEPROM

* Thanh Ghi EECR

Trang - - 44 Đây là thanh ghi điều khiển EEPROM, ta chỉ sử dụng 4 bit đầu của thanh ghi này, 4 bit cuối là dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bit dự trữ Sau đây ta xét chức năng của từng bit

- Bit 3 – EERIE: EEPROM Ready Interrupt Enable : Đây là bit cho

phép EEPROM ngắt CPU, khi bit này được set thành 1 và ngắt toàn cục được cho phép ( bằng cách set bit I trong thanh ghi SREG lên 1 ) thì EEPROM sẽ tạo ra một ngắt với CPU khi bit EEWE được xóa, điều này có nghĩa là khi các ngắt được cho phép ( bit I trong thanh ghi SREG và bit EERIE trong thanh ghi EECR được set thành 1 ) và quá trình ghi vào ROM vừa xong thì sẽ tạo ra một ngắt với CPU, chương trình sẽ nhảy tới véc tơ ngắt có địa chỉ là $002C để thực thi chương trình phục vụ ngắt ( ISR ) Khi bit EERIE là 0 thì ngắt không được cho phép

- Bit 2 – EEMWE: EEPROM Master Write Enable : Khi bit EEMWE và

bit EEWE là 1 sẽ ra lệnh cho CPU ghi dữ liệu từ thanh ghi EEDR vào EEPROM, địa chỉ của ô nhớ cần ghi trong EEPROM được lưu trong thanh ghi EEAR Khi bit này là 0 thì không cho phép ghi vào EEPROM Bit EEMWE sẽ được xóa bởi phần cứng sau 4 chu kì máy

- Bit 1 – EEWE: EEPROM Write Enable : Bit này vừa đóng vai trò như

một bit cờ, vừa là bit điều khiển việc ghi dữ liệu vào EEPROM Ở vai trò của một bit điều khiển nếu bit EEMWE đã được set lên 1 thì khi ta set bit EEWE lên 1 sẽ bắt đầu quá trình ghi dữ liệu vào EEPROM Trong suốt quá trình ghi dữ liệu vào EEPROM bit EEWE luôn giữ là 1 Ở vai trò của một bit cờ khi quá trình ghi dữ liệu vào EEPROM hoàn tất, phần cứng sẽ tự động xóa bit này về 0 Trước khi ghi

dữ liệu vào EEPROM ta cần phải biết chắc là không có quá trình ghi EEPROM nào khác đang xảy ra, để biết được điều này ta cần kiểm tra bit EEWE Nếu bit EEWE

là 1 tức là EEPROM đang được ghi, ta phải chờ cho cho quá trình ghi vào EEPROM hoàn tất thì mới ghi tiếp Nếu bit EEWE là 0 tức là không có quá trình ghi EEPROM nào đang diễn ra, lúc này ta có thể bắt đầu ghi dữ liệu vào EEPROM Khi bit EEWE được set lên 1 ( bắt đầu ghi vào EEPROM ) CPU sẽ tạm nghỉ trong

2 chu kì máy trước khi thực hiện lệnh kế tiếp

- Bit 0 – EERE: EEPROM Read Enable : Khi bit này là 1, sẽ cho phép đọc

dữ liệu từ EEPROM, dữ liệu từ EEPROM có địa chỉ lưu trong thanh ghi EEAR lập tức được chuyển vào thanh ghi EEDR Khi bit EERE là 0 thì không cho phép đọc EEPROM Trước khi đọc dữ liệu từ EEPROM ta cần biết chắc là không diễn ra quá trình ghi EEPROM bằng cách kiểm tra bit EEWE Để ý là sau khi quá trình đọc EEPROM hoàn tất, bit EERE sẽ được tự động xoá bởi phần cứng Nếu EEPROM

Trang - - 45

đang được ghi thì ta không thể đọc được dữ liệu từ EEPROM Khi bắt đầu quá

trình đọc dữ liệu từ EEPROM, CPU sẽ tạm nghỉ 4 chu kì máy trước khi thực hiện

lệnh kế tiếp

Tóm lại để ghi vào EEPROM ta cần thực hiện các bước sau:

1 Chờ cho bit EEWE về 0

2 Cấm tất cả các ngắt

3 Ghi địa chỉ vào thanh ghi EEAR

4 Ghi dữ liệu mà ta cần ghi vào EEPROM vào thanh ghi EEDR

5 Set bit EEMWE thành 1

6 Set bit EEWE thành 1

7 Cho phép các ngắt trở lại

Nếu một ngắt xảy ra giữa bước 5 và 6 sẽ làm hỏng quá trình ghi vào

EEPROM bởi vì bit EEMWE sau khi set lên 1 chỉ được giữ trong 4 chu kì máy,

chương trình ngắt sẽ làm hết thời gian ( time out ) duy trì bit này ở mức 1

Một ngắt xuất hiện ở cuối bước 4 cũng có thể làm cho địa chỉ và dữ liệu cần

ghi vào EEPROM trở nên không chính xác nếu trong chương trình phục vụ ngắt có

chỉnh sửa lại các thanh ghi EEAR và EEDR Đó là lí do ta cần cấm các ngắt trước

khi thực hiện tiếp các bước 3, 4, 5, 6

Quá trình ghi dữ liệu vào EEPROM cũng có thể không an toàn nếu điện thế

nguồn nuôi ( Vcc ) quá thấp.[2]

Đọc dữ liệu từ EEPROM:

Việc đọc dữ liệu từ EEPROM đơn giản hơn ghi dữ liệu vào EEPROM, để

đọc dữ liệu từ EEPROM ta thực hiện các bước sau:

1 Chờ cho bit EEWE về 0

2 Ghi địa chỉ vào thanh ghi EEAR

3 Set bit EERE lên 1

Tóm tắt: Bản đồ bộ nhớ bên trong của ATmega128 có thể tóm tắc lại như

sau:

Trang - - 46

Hình 22: Tóm tắt bản đồ bộ nhớ ATmega128

3.3.2.3 Cổng vào ra 3.2.2.3.1 Giới thiệu

Cổng vào ra là một trong số các phương tiện để vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị ngoại vi Atmega128 có cả thảy 7 cổng ( port ) vào ra 8 bit là : PortA, PortB, PortC, PortD, PortE, PortF, PortG, tương ứng với 56 đường vào ra Các cổng vào ra của AVR là cổng vào ra hai chiều có thể định hướng, tức có thể chọn hướng của cổng là hướng vào (input ) hay hướng ra (output ) Tất các các cổng vào

ra của AVR điều có tính năng Đọc – Chỉnh sửa – Ghi ( Read – Modify – write ) khi

sử dụng chúng như là các cổng vào ra số thông thường Điều này có nghĩa là khi ta thay đổi hướng của một chân nào đó thì nó không làm ảnh hưởng tới hướng của các chân khác Tất cả các chân của các cổng ( port ) đều có điện trở kéo lên ( pull-up ) riêng, ta có thể cho phép hay không cho phép điện trở kéo lên này hoạt động.[17] Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thiết kế các mạch điện tử logic Nó có một đầu được nối với nguồn điện áp dương (thường là Vcc hoặc Vdd)

và đầu còn lại được nối với tín hiệu lối vào/ra của một mạch logic chức năng Điện trở kéo lên có thể được lắp đặt tại các lối vào của các khối mạch logic để thiết lập mức logic lối vào của khối mạch khi không có thiết bị ngoài nối với lối vào Điện

Trang - - 47

trở kéo lên cũng có thể được lắp đặt tại các giao diện giữa hai khối mạch logic

không cùng loại logic, đặc biệt là khi hai khối mạch này được cấp nguồn khác

nhau Ngoài ra, điện trở kéo lên còn được lắp đặt tại lối ra của khối mạch khi lối ra

không thể nối nguồn để tạo dòng, ví dụ các linh kiện logic TTL có cực góp hở Đối

với họ logic lưỡng cực với nguồn nuôi 5 Vdc thì giá trị của điện trở kéo lên thường

nằm trong khoảng 1000 đến 5000 Ohm, tùy theo yêu cầu cấp dòng trên toàn giải

hoạt động của mạch Với lôgíc CMOS và lôgíc MOS chúng ta có thể sử dụng các

điện trở có giá trị lớn hơn nhiều, thường từ vài ngàn đến một triệu Ohm do dòng rò

rỉ cần thiết ở lối vào là rất nhỏ Trong việc thiết kế các vi mạch ứng dụng, nếu một

IC có ngõ ra loại cực thu để hở giao tiếp với nhiều IC khác thì giá trị của điện trở

kéo lên sẽ tương đối nhỏ (khoảng vài trăm Ohm) Bởi vì lúc này hệ số fanout lớn

dẫn đến dòng ngõ ra của IC phải lớn để đủ cung cấp cho các ngõ vào của các IC

khác, nếu không vi mạch sẽ hoạt động chập chờn hoặc có thể không hoạt động.[8]

3.2.2.3.2 Hoạt động

Khi khảo sát các cổng như là các cổng vào ra số thông thường thì tính chất

của các cổng ( PortA, PortB,…PortG ) là tương tự nhau, nên ta chỉ cần khảo sát

một cổng nào đó trong số 7 cổng của vi điều khiển là đủ

Mỗi một cổng vào ra của vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi :

PORTx, DDRx, PINx ( ở đây x là để thay thế cho A, B,…G ) Ba thanh ghi này sẽ

được phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng, chẳng hạn thiết lập cổng

thành lối vào có sử dụng điện trở pull-up, v.v Sau đây là diễn tả cụ thể vai trò

của 3 thanh ghi trên

- Thanh Ghi DDRx

Đây là thanh ghi 8 bit ( có thể đọc ghi ) có chức năng điều khiển hướng của

cổng (là lối ra hay lối vào ) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân

tương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại, nếu bit của thanh ghi

DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thiết lập thành ngõ vào Lấy ví dụ: Khi

ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRA đều là 1, thì 8 chân tương ứng của portA là

PA1, PA2, … PA7 ( tương ứng với các chân số 50, 49, …44 của vi điều khiển )

được thiết lập thành ngõ ra.[17]

Trang - - 48

Thanh ghi DDRA

- Thanh Ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx, Nếu thanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị logic lên 1 bit của thanh ghi này thì chân tương ứng với bit đó cũng

có cùng mức logic Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thể, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo ( pull-up resistor ) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lại nếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái cao trở ( Hi-Z )

Thanh ghi PORTA

- Thanh Ghi PINx

PINx không phải là một thanh ghi thực sự, đây là địa chỉ trong bộ nhớ I/O kết nối trực tiếp tới các chân của cổng Khi ta đọc PORTx tức ta đọc dữ liệu được chốt trong PORTx, còn khi đọc PINx thì giá trị logic hiện thời ở chân của cổng tương ứng được đọc Vì thế đối với thanh ghi PINx ta chỉ có thể đọc mà không thể ghi

Thanh ghi PINA

Bảng 5: Cấu hình cho các chân cổng

Trang - - 49

DDRxn là bit thứ n của thanh ghi DDRx

PORTxn là bit thứ n của thanh ghi PORTx

Dấu “x” ở cột thứ 3 để chỉ giá trị logic là tùy ý

Hình 23 Sơ đồ một cổng vào ra Hình 23 thể hiện sơ đồ của một chân của cổng vào ra Ở sơ đồ trên ta thấy

ngoài 2 bit của các thanh ghi DDRx và PORTx tham gia điều khiển điện trở treo

(pull-up resistor), còn có một tín hiệu nữa điều khiển điện trở treo, đó là tín hiệu

PUD, đây là bit nằm trong thanh ghi SFIOR, khi set bit này thành 1 thì điện trở

kéo lên sẽ không được cho phép bất kể các thiết lập của các thanh ghi DDRx và

PORTx Khi bit này là 0 thì điện trở kéo lên được cho phép nếu { DDRxn,

Trang - - 51

Hình 24: Sơ đồ khối bộ định thời 1 (3)

Bộ định thời 1 và 3 là bộ định thời 16 bit, bộ định thời 1 sử dụng 13 thanh

ghi liên quan, còn bộ định thời 3 sử dụng 11 thanh ghi liên quan với nhiều chế độ

thực thi khác nhau.Vì bộ định thời 1 và 3 hoạt động giống nhau nên ở đây chỉ trình

bày bộ định thời 1 Một đểm cần để ý là trong các thanh ghi liên quan tới bộ định

thời 1 và 3 thì có nhiều thanh ghi được chia sẽ cho cả hai bộ định thời, chẳng hạn

thanh ghi ETIPR có bít cuối là OCF1C được dùng cho bộ định thời 1, các bit còn

lại là dùng cho bộ định thời 3 Thậm chí có những thanh ghi chia sẻ cho bộ định

thời 0 hoặc 2, chẳng hạn thanh ghi TIMSK có hai bit cuối dùng cho bộ định thời

2, hai bit đầu dùng cho bộ định thời 0, các bit còn lại dùng cho bộ định thời 1 Các

thanh ghi liên quan tới bộ định thời 3 cũng được liệt kê ra mà không cần giải thích

chi tiết, tuy vậy cũng có vài khác biệt nhỏ giữa bộ định thời 1 và 3 được chú thích

cho từng trường hợp cụ thể trong mục “Bộ Định Thời 3” Để tìm hiểu về bộ định

thời 1 (3) ta cần nắm vững các thanh ghi liên quan tới bộ định thời 1(3) và các chế

độ hoạt động của bộ định thời.[2]

Trang - - 52

 CÁC THANH GHI BỘ ĐỊNH THỜI 1

1 Thanh ghi TCCR1A (Timer/Counter1 Control Register)

• Bit 7:6 – COMnA1:0: Compare Output Mode for Channel A

• Bit 5:4 – COMnB1:0: Compare Output Mode for Channel B

• Bit 3:2 – COMnC1:0: Compare Output Mode for Channel C

• Bit 1:0 – WGMn1:0: Waveform Generation Mode

• Bit 7:2 – COMnX1:0 (X=A, B, C): Compare Output Mode for Channel X : Điều khiển cách hoạt động của ngõ ra so sánh (compare output) của lần lượt các chân OCnA, OCnB và OCnC Nếu một hay cả hai bit COMnA1:0 được set lên 1 thì ngõ ra OCnA sẽ ưu tiên hơn chức năng port I/O thông thường mà nó kết nối tới Nếu một hay cả hai bit COMnB1:0 được set lên 1 thì ngõ ra OCnB sẽ ưu tiên hơn chức năng port I/O thông thường mà nó kết nối tới Nếu một hay cả hai bit COMnC1:0 được set lên 1 thì ngõ ra OCnC sẽ ưu tiên hơn chức năng port I/O thông thường mà nó kết nối tới, điều này có nghĩa là mỗi một chân của vi điều khiển có thể thực hiện nhiều chức năng khác nhau, bình thường các chân OCnA, OCnB, OCnC hoạt động như các chân vào ra thông thường, nhưng khi bộ định thời đang hoạt động ở các chế độ có sử dụng tới chức năng so sánh khớp (compare match) như các chế độ CTC, PWM của bộ định thời thì hành vi của chân ngõ ra OCnA, OCnB, OCnC sẽ do bộ định thời điều khiển Tuy nhiên chú ý là bit của thanh ghi DDR tương ứng với các chân OCnA, OCnB, OCnC phải được set để cho phép ngõ ra Khi OCnA, OCnB, OCnC được kết nối tới chân thì tác dụng của các bit COMnX1:0 còn phụ thuộc vào lựa chọn của các bit WGM3:0, nghĩa là khi

ta set một hay cả hai Bit COMn1:0 lên 1 thì chức năng ngõ ra so sánh được ưu tiên, tuy nhiên cách hoạt động ở ngõ ra OCnX như thế nào thì còn phụ thuộc vào việc lựa chọn của các bit WGMn3:0, được thể hiện trong các bảng dưới Trong các chế

độ PWM, khi giá trị các thanh ghi dùng để so sánh (OCRnX, ICRn) có giá trị bằng với TOP, thì sự kiện so sánh khớp (compare match) bị bỏ qua Tuy vậy các chân OCnX vẫn bị set hay xóa (tùy vào các bit COMnX 1:0) ở BOTTOM

Trang - - 53

• Bit 1:0 – WGMn1:0: Waveform Generation Mode : Kết hợp với các bit

WGMn3:2 tìm trong thanh ghi TCCRnB, những bit này cho phép ta lựa chọn

chế độ thực thi của bộ định thời, nhờ đó có thể điều khiển việc đếm tuần tự của bộ

đếm Giá trị bộ đếm lớn nhất là TOP và dạng sóng tạo ra ở chân OCnX (X=A, B,

C; n=1, 3) được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Các chế độ thực thi được

hỗ trợ bởi khối Timer/counter là : Normal mode ( counter ), Clear Timer on

Compare match (CTC) mode, PWM mode Để ý là với bộ định thời 1 thì có 4 bit

WGM là: WGM13, WGM12,WGM11 và WGM10.[2]

2 Thanh ghi TCCR1B

• Bit 7 – ICNCn: Input Capture Noise Canceler

• Bit 6 – ICESn: Input Capture Edge Select

• Bit 5 – Reserved Bit

• Bit 4:3 – WGMn3:2: Waveform Generation Mode

• Bit 2:0 – CSn2:0: Clock Select

• Bit 7 – ICNCn: Input Capture Noise Canceler (viết tắt: ICNC): Việc set bit

này tới 1 sẽ kích hoạt chức năng chống nhiễu của bộ chống nhiễu lối vào ( ICNC )

Khi chức năng ICNC được kích hoạt thì ngõ vào từ chân ICPn sẽ được lọc Chức

năng lọc đòi hỏi 4 mẫu có giá trị bằng nhau liên tiếp ở chân ICPn cho sự thay đổi

ngõ ra của nó

• Bit 6 – ICESn: Input Capture Edge Select: Bit này lựa chọn cạnh ở chân

Input Capture Pin (ICPn) dùng để bắt “sự kiện trigger” ( Trigger event (10) ) Khi

bit ICESn được thiết lập thành 0 thì một cạnh dương xuống ( falling (3) ) được

dùng như một trigger ( tín hiệu nảy) Ngược lại, khi bit này được set thành 1 thì

một cạnh âm lên (rising (4) ) được dùng như một trigger Khi xảy ra sự kiện Input

capture (2) (theo thiết lập của bit ICESn là 1 hay 0) thì giá trị của bộ đếm được ghi

vào thanh ghi Input Capture Register ICRn (n=1, 3), và khi đó cờ ICFn (Input

Capture Flag) được set Điều này sẽ tạo ra một ngắt Input capture nếu ngắt này

được cho phép Khi thanh ghi ICRn được sử dụng như một giá trị TOP thì chân

ICPn không được kết nối và vì thế chức năng Input capture không được cho phép

• Bit 7 – FOCnA: Force Output Compare for Channel A

• Bit 6 – FOCnB: Force Output Compare for Channel B

• Bit 5 – FOCnC: Force Output Compare for Channel C

• Bit 4:0 – Reserved Bits Các bit FOCnA/FOCnB/FOCnC chỉ hoạt động khi các bit WGMn3:0 chỉ định chế độ Non-PWM Khi các bit FOCnA/FFOCnB/FOCnC được set thành 1 thì ngay lập tức một sự kiện “So sánh khớp cưỡng chế” (Forced Compare Match (1) ) xảy ra trong bộ tạo sóng Ngõ ra OCnA/OCnB/OCnC được thay đổi theo thiết lập của các bit COMnX 1:0 (n=1, 3; X=A, B, C), nghĩa là bình thường sự kiện “so sánh khớp” chỉ xảy ra khi khi giá trị bộ định thời (thanh ghi TCNTn (n=1, 3) ) bằng với giá trị thanh ghi OCRnX( n=1,3; X=A,B,C), nhưng khi các bit FOCnX( n=1, 3; X=A, B, C) được set thành 1 thì sự kiện “so sánh khớp” sẽ xảy ra mặc dù giá trị của bộ định thời không bằng với giá trị của thanh ghi OCRnX( n=1,3; X=A,B,C) Chú ý là các bit FOCnA/FOCnB/FOCnC cũng hoạt động như là những que dò