Hệ thống thông tin công nghiệp

Hình 0-2 aTruyền song song b Có bắt tay b Truyền số liệu nối tiếpTrong phương pháp truyền này các bit được truyền đi tuần tự nối tiếp nhau, ưu điểm dễ thấycủa phương pháp này là tiết kiệ

Lời nói đầu

Hệ thống thông tin công nghiệp hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến

Sự phát triển của các hệ thống này đã tạo ra những ưu điểm vượt trội như:tài nguyên trở nên hiệu quả hơn, độ tin cây của mạng cao hơn và đặc biệttrong hệ thống thông tin công nghiệp đã đảm bảo cho hệ thống làm việctrong thời gian thực…

Nội dung xuyên suốt của cuốn giáo trình được biên soạn là trình bày về cơ

sở của Hệ thống thông tin công nghiệp Các đặc trưng cũng như trình bày vềcác giao thức công nghiệp điển hình hiện nay Ngoài ra cuốn sách cũng trìnhbày về các Hệ thống thông tin công nghiệp tiêu biểu hiện nay như hệCentum CS3000 của Yokogawa, PCS7 của Siemens, IIT của ABB Đây làphần tài liệu cập nhật mới được đúc kết từ kinh nghiệm giảng dạy trong cácnhà máy công nghiệp hiện đại gần đây của các tác giả và các đồng nghiệp.Tài liệu này dùng giảng dạy cho sinh viên hệ cao đẳng ngành Công nghệ Tựđộng, hệ thống điện, và các ngành kỹ thuật khác có liên quan

Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, mọi thông tingóp ý xin gửi về: Khoa Công nghệ Tự động-Trường Đại học Điện lực-235Hoàng Quốc Việt-Hà nội Tel 042185636

Ths Bùi Đăng Thảnh

TS Hoàng Ngọc Nhân

Thế nhưng, để có những thành công trong việc ứng dụng hệ thống thông tin côngnghiệp phải là thời kỳ sau những năm 1970 Điển hình là hệ CAMAC (Mỹ) và UBK (củaNga) Cũng vào thời điểm này khái niệm phòng máy tính dần biến mất để ra đời khái niệm tậphợp máy tính.

Giai đoạn sau đó, những năm 1980, là giai đoạn ứng dụng kỹ thuật vi xử lí dẫn đếncấu trúc của các bộ điều khiển lập trình có cấu trúc nhỏ gọn hơn, tính năng kỹ thuật tăng lên.Các hệ thống điển hình là các hệ thống có cấu trúc tập trung, là hệ thống SCADA trong đó sửdụng các bộ điều khiển lập trình PLC là các thiết bị thu thập và điều khiển trong cấp điềukhiển Mạng máy tính ngày một hoàn thiện hơn

Và đến thời kỳ sau này vào những năm 90, các hệ thống điều khiển có cấu trúc tậptrung hoạt động không thích hợp với các hệ thống lớn bởi sự phức tạp và tính năng thời gianthực, khả năng mở bị hạn chế Do đó, hệ thống điều khiển với cấu trúc phân tán ra đời nhằmkhắc phục các nhược điểm mà hệ thống điều khiển tập trung mang lại Hệ thống có thể thựchiện đồng thời nhiều nhiệm vụ khác nhau

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin công nghiệp

Hệ thống thông tin công nghiệp là hệ thống thực hiện các chức năng trao đổi thông tin mộtcách tin cậy trong công nghiệp trong đó các đối tức truyền thông được kết nối theo các cấutrúc mạng thực hiện việc truyền tin tuân theo các giao thức công nghiệp

Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng đa cấp, từcấp hiện trường (như cảm biến,cơ cấu chấp hành) đến cấp quản lí

1.3 Vai trò của hệ thống thông tin công nghiệp

Ghép nối các thiết bị trao đổi thông tin là một trong các vấn đề cơ bản trong bất cứmột giải pháp tự động hoá nào Một bộ điều khiển luôn cần phải ghép nối với các cảm biến và

cơ cấu chấp hành Giữa các bộ điều khiển trong một hệ thống điều khiển phân tán cũng cầntrao đổi thông tin với nhau để phối hợp thực hiện cả quá trình điều khiển sản xuất Ở một cấpcao hơn, các trạm vận hành trong trung tâm điều khiển cũng cần ghép nối với nhau và giaotiếp với các bộ điều khiển để có thể theo dõi, giám sát toàn bộ quá trình sản xuất và hệ thốngđiều khiển

Sử dụng hệ thống thông tin công nghiệp đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại một loạt những lợi ích sau:

điểm Đơn giản hoá cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lớn các thiết bịthuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối thông qua một đường truyền duy nhất

- Tiết kiệm dây nối và công thiết kế lắp đặt hệ thống

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

- Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: một hệ thống mạng chuẩn hoáquốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau

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

1.4 Mô hình phân cấp của hệ thống thông tin công nghiệp

.

Hình 1-1 Mô hình phân cấp của hệ thống thông tin công nghiệp

Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống hệ thống thông tin công nghiệp,người ta dựa vào mô hình phân cấp cho các công ty, xí nghiệp sản xuất Với loại mô hình này,các chức năng được phân thành nhiều cấp khác nhau, như minh hoạ ở hình trên

Ở các cấp dưới, các chức năng mang tính cơ bản và đòi hỏi yêu cầu cao về độ nhanh nhạy,thời gian phản ứng Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấpdưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượngthông tin cần trao đổi xử lý lại lớn hơn nhiều Có thể coi đây là một mô hình phân cấp chứcnăng cho cả hệ thống tự động hóa nói chung cũng như hệ thống truyền thông công nhiệp nóiriêng của một công ty

Thiết bị và chức năng của từng cấp bao gồm:

Cấp chấp hành: Bao gồm các thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành, các thiết bị trường thông

minh Có chức năng cảm nhận đối tượng đo chuyển đổi chúng thành đại lượng điện hoặcmạng thông tin về điện rồi gửi lên cấp điều khiển, đồng thời thực hiện việc điều khiển từ cấptrên truyền xuống Việc kết nối các thiết bị cở cấp này với nhau và với các thiết bị cở cấp điêềkhiển được thực hiện nhờ hệ thống Bus trường hoặc kết nối trực tiếp theo các tiêu chuẩn vềdòng hoặc áp đã được quy định

Cấp điều khiển: Bao gồm các máy tính điều khiển (CPU, IP, PLC), các Module vào ra Thực

hiện việc ghép nối trạm vận hành với dây chuyền công nghệ thông qua các môdul cấp nguồnModul xử lý tín hiệu Các Module điều khiển được đặt riêng rẽ có khả năng thực hiện cácchức năng thu nhập số liệu, điều khiển dây truyền thông qua các ghép nối vào ra Ngoài racòn thực hiện chức năng điều khiển cơ sở, điểu khiển logic, tổng hợp dữ liệu, bảo vệ thiết bị

và quan sát tại hiện trường

Cấp điều khiển và giám sát: (điều khiển qúa trình)

Cấp này bao gồm:

- Trạm thiết kế kỹ thuật (EWS Engineering WorkStation): Thực hiện các chức năng như thiết

kế, định nghĩa các thiết bị kết nối trong hệ thống EWS thực hiện được chức năng phân vùngquản lí hệ thống Máy tính thực hiện chức năng của EWS có thể dùng chung với trạm vậnhành có thể dùng riêng EWS có thể là máy tính công nghiệp hoặc là máy tính thông thườngđược cài đặt các phần mềm chuyên dụng phục vụ cho hệ thống no quản lí Thực chất khi cần

mở rộng công nghệ thì trạm EWS chính là công cụ đắc lực để thực hiện

Cấp chấp hànhCấp điều khiểnCấp điều khiển và giám sát

Cấp quản lí

- Trạm vận hành (OS- Operating Station): Thực hiện chức năng giao dịên người Human Interface Station), bao gồm các máy tính cá nhân (PC), màn hình chuyên dụng cókhả năng hiện thị các thông tin của hệ thống

máy(HMI-Chức năng:

- Điều khiển giám sát(Supervisory Control), vận hành và giám sát quá trình (Operating andMonitoring) Người vận hành có thể điều chỉnh các thông số của hệ thống, giám sát các hoạtđộng về công nghệ …

- Tối ưu hoá quá trình (Process Optimization) về mặt chất lượng, năng lượng tiêu thụ

- Xử lí các sự kiện sự cố (Event and Alarm Horling)

- Chuẩn đoán quá trình (Process Diagnosis)

- Bảo toàn hệ thống (System Safety)

Cấp quản lí: Cấp quản lí bao gồm quản lí kỹ thuật và quản lí kinh tế Cấp này bao gồm các

máy tính công ty được nối mạng với nhau Hệ thống này có thể nối với máy tính ở xa theomạng Internet

Chức năng của quản lí kỹ thuật: Quản lí tình trạng hoạt động của các thiết bị trong hệ thống,kịp thời đưa ra các cảnh báo giúp người quản lí hệ thống

Chức năng của quản lí kinh tế: Theo dõi đánh giá kết quả sản xuất Lập kế hoạch sản xuấtdựa vào tình trạng thiết bị Tính toán tối ưu hoá sản xuất Tính toán giá thành lãi suất…

1.5 Kiến trúc phân lớp và mô hình OSI

Kiến trúc phân lớp

Để giảm độ phức tạp của thiết kế và cài đặt mạng, hầu hết các hệ thống thông tin côngnghiệp đều được phân tích thiết kế theo quan điểm phân lớp (Layering) Mỗi hệ thống thànhphần của mạng được xem như là một cấu trúc đa lớp, trong đó mỗi lớp lại được xây dựng trên

cơ sở của lớp trước đó Số lượng các lớp cũng như chức năng của chúng phụ thuộc vào cácnhà thiết kế Có nhiều cách phân lớp mạng như: SNA (của IBM), DECnet (của Digital),Arpanet (của Bộ quốc phòng Mỹ) Tuy nhiên trong hầu hết các mạng, mục đích của các lớpđều là để cung cấp một số dịch vụ nhất định (Services) cho các lớp cao hơn Hình sau mô tảtổng quát kiến trúc phân tầng trong đó giả thiết A và B là hai hệ thống (thành phần của mạng)được nối với nhau

Giao thức tầng N

Lớp N

… Lớp i +1

Lớp i

… Lớp 1

Lớp i -1

Lớp N

… Lớp i +1 Lớp i

… Lớp 1 Lớp i -1

Giao thức tầng i +1Giao thức tầng i Giao thức tầng i - 1

Giao thức tầng 1

Hình 1-2 Mô hình kiến trúc phân lớp

Nguyên tắc của mỗi kiến trúc phân lớp là: mỗi hệ thống trong một mạng đều có cùng cấu trúclớp (Số lượng lớp, chức năng của lớp) Sau khi đã xác định số lượng và chức năng của lớp thìviệc định nghĩa quan hệ của các lớp liền kề nhau là rất quan trọng ngoài ra cũng cần có cácđịnh nghĩa cho các lớp tương đương của hai hệ thống kết nối Thực tế dữ liệu không thể trựctiếp từ tầng thứ i của hệ thống này sang lớp thứ i của hệ thống kia tất nhiên là phải trừ tầngthấp nhất vì nó trực tiếp sử dụng đường truyền vật lí để truyền tín hiệu đi Trong quy ước này

dữ liệu được truyền từ bên gửi (sender) sang bên nhận (receiver) theo đường truyền vật lí vàchúng cứ tuần tự được chuyển lên các lớp tiếp theo Rõ ràng trong kiến trúc phân tầng này chỉtồn tại liên kết vật lí ở lớp thấp nhất, còn các lớp còn lại chỉ tồn tại liên kết logic để hình thứchoá các hoạt động của mạng thuận tiện cho việc thiết kế và cài đặt các phần mềm truyềnthông

Mô hình tham chiếu OSI (Open Systems Interconnection)

Năm 1983 tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Standards Organization) đã đưa

ra 1 kiến trúc giao thức với chuẩn ISO 7498 được gọi là mô hình tham chiếu OSI, nhằm hỗtrợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng giao tiếp với nhau

Chuẩn này không đưa ra quy định nào về cấu trục một bản tin, và cũng không định nghĩa mộtchuẩn dịch vụ cụ thể nào OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụviệc xắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn, trong đó bao gồm việc so sánhđối chiếu các giao thức và dịch vụ truyền thông, cũng như làm cơ sở cho phát triển hệ thống

Hình 1-3 Mô hình tham chiếu OSI + Lớp vật lý (Physical Layer)

Lớp này được định nghĩa là sự kết nối vật lý giữa PC và mạng như sau:

- Theo cấu trúc mạng

- Theo các chuẩn truyền dẫn: áp hoặc dòng

- Theo phương thức mã hoá tín hiệu

- Theo giao diện cơ học (cáp hoặc giắc cắm)

A Protocol

NDP

Môi trường truyền dẫn Immediate data

Communication network

Lớp ứng dụng

Lớp biểu diễn dữ liệu

Lớp kiểm soát nối

Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lí Lớp mạng

+Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer)

Lớp này được định nghĩa như sau:

- là giao thức phù hợp với việc truy cập mạng theo các bản tin nhận và gửi

- Chia các khối dữ liệu lớn thành các khung định dạng dữ liệu

Cả hai lớp này được gọi là lớp phần cứng, trong mạng cục bộ lớp này được chia làm 2 lớpcon: lớp điều khiển truy nhập môi trường ( MAC - Media Access Control) và lớp điều khiểnliên kết logic (LLC - Logical Link Control) Trong một số hệ thống lớp này có thể đảm nhiệmthêm chức năng như kiểm soát lưu thông và đồng bộ hoá việc chuyển giao các khung dữ liệu

+ Lớp mạng (Network Layer)

Lớp này được định nghĩa như sau:

Truyền thông tin tối ưu trên mạng

Điều khiển các thông điệp trạng thái để gửi chúng tới các thiết bị khác trong mạng

+ Lớp vận chuyển (Transport Layer)

Lớp này được định nghĩa như sau:

- Quản lý địa chỉ của thiết bị trên mạng

- Định vị các đối tác truyền thông thông qua địa chỉ

- Đồng bộ hoá giữa các đối tác

- Xử lí lỗi và kiểm soát dòng thông tin

+ Lớp kiểm soát nối (Session Layer)

Chức năng của lớp này là kiểm soát mối liên kết truyền thông giữa các chương trình ứngdụng, bao gồm việc tạo lập, quản lí và kết thúc các đường nối giữa các ứng dụng của đối tác

+ Lớp biểu diễn dữ liệu (Presentation Layer)

Chức năng của lớp này là chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau về cú pháp thànhdạng chuẩn, để các đối tác truyền thông khác nhau có thể giao tiếp với nhau

+ Lớp ứng dụng (Application Layer)

Có chức năng cung cấp các dịch vụ cao cấp (dựa trên cơ sở các giao thức cao cấp) cho người

sử dụng và các chương trình ứng dụng Các dịch vụ ở lớp này chủ yếu được thực hiện bằngphần mềm

Ví dụ về mô hình OSI ứng dụng trong thực tế của môi trường thực

Hình 0-1 Mô hình tham chiếu OSI

Hình 1.4 Mô hình OSI trong hệ thống thực

Môi trường các hệ thống thực

M«i tr êng m¹ng

NDP

Mạng dữ liệu

Lớp ứng dụng Lớp biểu diện dữ liệu Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lí Lớp mạng

APComputer A

Môi trường mạngMôi trường OSI

M«i tr êng m¹ng

Lớp ứng dụng Lớp biểu diện dữ liệu Lớp kiểm soát nối Lớp vận chuyển

Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lí Lớp mạng

APComputer A

Câu hỏi ôn tập

1 Mô hình OSI ra đời để

a) Quy định về cấu trúc 1 bản tin nhằm phục vụ việc truyền tin trên mạng

b) Định nghĩa một số chuẩn dịch vụ cụ thể

c) Hỗ trợ việc xây dựng các hệ thống truyền thông có khả năng giao tiếp với nhaud) Chỉ b, c

2 Trình bày vai trò của hệ thống thông tin công nghiệp

3 Trình bày về các đặc trưng của hệ thống thông tin công nghiệp

4 Trình bày về kiến trúc phân lớp

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu

Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số thông tin, dữ liệu và có

thể truyền dẫn được

Thông tin là một trong các khái niệm cở sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật,

cũng giống như vật chất và năng lượng Các đầu vào và đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ

có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin Thông tin là chủ thể của tin học và công nghệthông tin Tóm lại có thể hiểu thông tin là sự loại trừ tính bất định

Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần biểu diễn dưới một hình thức

khác Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được

biểu diễn bằng dãy các bit [1,0]

Lượng thông tin là giá trị về sự hiểu biết một nguồn thông tin mang lại

Tín hiệu đo trong công nghiệp là loại tín hiệu mang các đặc tính thông tin, nó chứađựng thông tin về giá trị của chúng Như vậy tín hiệu mang bản chất và trạng thái của mộthiện tượng vật lí

Tín hiệu đo nhằm mục đích nối liền các khâu trong hệ thống

Các loại tín hiệu thông dụng thường gặp là điện, quang, khí nén, âm thanh

Các thông số của tín hiệu có thể thay đổi theo thời gian và nhiều đại lượng khác nữa,nói chung các tín hiệu đều thay đổi theo thời gian và vì thế ta sẽ xét các tín hiệu này Như vậytín hiệu có thể là hàm của một hoặc nhiều biến

Chúng có thể là tín hiệu một chiều, chẳng hạn như: 0-5V, 0-10V, 4-20mA Hoặc chúng cũng

có thể là tín hiệu xoay chiều hình sin

b) Tín hiệu gần tiền định

Là loại tín hiệu đã biết trước được quy luật biến đổi theo thời gian nhưng không biết một haymột vài thông số mà ta cần phải đo nó

c) Tín hiệu ngẫu nhiên

Là loại tín hiệu mà giá trị của nó tại mỗi thời điểm là đại lượng ngẫu nhiên Tín hiệu ngẫunhiên là một hàm ngẫu nhiên theo thời gian hay còn gọi là quá trình ngẫu nhiên

VD: Khi đo nhiệt độ biến đổi của môi trường, tốc độ gió ta thu được các đường đặc tínhkhác nhau

Tuỳ theo phương pháp biến đổi mà ta có thể chia làm 4 loại tín hiệu sau:

1) Tín hiệu đo liên tục

Là một hàm liên tục của một đối số liên tục (hình 2.1)

2) Tín hiệu đo liên tục lượng tử

Là các giá trị lượng tử của một hàm có đối số liên tục (hình 2.2)

3) Tín hiệu đo rời rạc

Là một hàm liên tục của một đối số rời rạc (rời rạc hoá theo thời gian) hình 2.3

4) Tín hiệu đo rời rạc lượng tử

Là giá trị lượng tử của một đối số rời rạc (hình 2.4)

Theo đặc tính của tín hiệu có thể chia thành

1) Tín hiệu tương tự

- Các đại lượng vật lí đều là tín hiệu tương tự như: nhiệt độ, áp suất, điện áp

- Các đại lượng tương tự thường liên tục theo thời gian

- Các hệ thống xử lí tín hiệu tương tự thường rất nhạy cảm với nhiễu và các yếu tố ảnhhưởng

- Không thể tách tín hiệu có ích ra khỏi nhiễu và các yếu tố ảnh hưởng

2) Tín hiệu số

- Tín hiệu số nhận được từ sự biến đổi tín hiệu tương tự Chúng có thể được mã hoá dướidạng nhị phân hoặc các loại mã hoá khác

- Các hệ thống xử lí tín hiệu số có khả năng chống nhiễu tốt

- Có thể tách tín hiệu có ích ra khỏi nhiễu và các yếu tố ảnh hưởng

2.1.3 Tốc độ truyền và tốc độ bít

Thời gian cần để truyền một bản tin phụ thuộc vào hai yếu tố là: tốc độ baud vàphương pháp mã hoá tín hiệu Tốc độ baud được định nghĩa là số lần tín hiệu thay đổi giá trịtham số thông tin (chẳng hạn như biên độ) trong 1 giây và có đơn vị là baud Do hầu hết các

hệ thống truyền dữ liệu đều hoạt động theo nhịp tuần hoàn nên tốc độ baud tương đương vớitần số nhịp của thiết bi thu phát Tuy nhiên, trong nhiều phương pháp mã hoá, tín hiệu không

bị thay đổi trạng thái sau mỗi nhịp bus do đó một khái niệm khác để mô tả chính xác tốc độtruyền gọi là tốc độ bít

Tốc độ bít được tính bằng số bít dữ liệu được truyền đi trong một đơn vị thời gian.Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f và số bít truyền đi là n, thì số bít truyền đi trong một giây sẽ

vậy với các phương pháp mã hoá bít sử dụng hai trạng thái tín hiệu và trạng thái tín hiệu thayđổi luân phiên sau mỗi nhịp thì tốc độ bit sẽ tương đương với tốc độ baud.

2.1.4 Tính năng thời gian thực

Đây là tính năng quan trọng đối với hệ thống thông tin công nghiệp Sự hoạt động bìnhthường của hệ thống thông tin công nghiệp không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác, đúng đắncủa kết quả đầu ra mà nó còn phụ thuộc vào thời điểm đưa ra kết quả Một mạng máy tính làmviệc trong thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng quá nhanh mà nó phải có phảnứng kịp thời với các yêu cầu, tác động từ bên ngoài Như vậy hệ thống thông tin công nghiệplàm việc trong thời gian thực phải có khả năng truyền tải thông tin một cách tin cậy và kịpthời đối với yêu cầu của các đối tác truyền thông

Để đảm bảo tính năng thời gian thực, hệ thống thông tin công nghiệp phải có các đặc điểmsau đây:

Độ nhanh nhạy: Tốc độ truyền thông tin hữu ích phải đủ nhanh để đáp ứng các yêu cầu về

trao đổi dữ liệu một cách cụ thể

Tính tiền định: Tức phải dự đoán trước được về thời gian đáp ứng tiêu biểu và thời gian phản

ứng chậm nhất với yêu cầu của từng trạm

Độ tin cậy kịp thời: Đảm bảo tổng thời gian cần cho việc truyền tải thông tin một cách tin cậy

2.2 Các chế độ truyền dẫn

2.2.1 Truyền song song và truyền nối tiếp

a) Truyền song song

Là truyền đồng thời một nhóm bít trên đường truyền Phương pháp truyên này đượcdùng phổ biến trong các hệ thống Bus bên trong máy tính, truyền số liệu giữa máy tính vàmáy in truyền số liệu giữa các thiết bị công nghiệp… Ưu điểm nổi bật của phương pháptruyền này là tốc độ truyền nhanh nhưng nhược điểm dễ thấy là đối với các đường truyền dàithì chi phi cho đường dây là quá đắt không thích hợp với các đường truyền xa

Mô tả về truyền song song được trình bày trên hình sau:

Hình 0-2 a)Truyền song song b) Có bắt tay b) Truyền số liệu nối tiếp

Trong phương pháp truyền này các bit được truyền đi tuần tự nối tiếp nhau, ưu điểm dễ thấycủa phương pháp này là tiết kiệm dây dẫn đặc biệt khi thực hiện việc truyền thông trênkhoảng cách xa, đây là phương pháp truyền chủ yếu được áp dụng trong các hệ thống truyềnthông công nghiệp hiện nay Nhược điểm dễ thấy của phương pháp này là dung lượng truyền

bị hạn chế

Hình 0-3 Truyền số liệu nối tiếp

2.2.2 Truyền đồng bộ và truyền không đồng bộ

Dữ liệu hữu hiện trên Bus -DAV

Đã nhận được dữ liệu DACTruyền trên 8 dây

a)DAV

1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

tV

bên phát và bên thu Tức là nhịp đưa tín hiệu ra và nhịp đưa tín hiệu vào được quyết định bởicác xung nhịp này Nếu tần số làm việc của hai nhịp khác nhau (fT ≠ fR), khi đó thông tinphía nhận sẽ khác thông tin phía thu, vậy phải có fT = fR Theo nguyên lý tín hiệu số, điểmlấy mẫu tín hiệu phải nằm giữa độ rộng của xung nhận được Nếu khác pha thì dù cùng tần sốcũng làm cho điểm lấy mẫu tín hiệu bị dịch chuyển dẫn đến sai số Vậy yêu cầu 2 clock phảicùng tần số và cùng pha (fT = fR , PT = PR ).

Nếu đảm bảo được điều này ta nói đã đồng bộ được dao động chủ của bên phát và bên thu

ở phía bên thu phải nhận biết được các sự kiện về việc xuất hiện/ kết thúc một bản tin, mộtđoạn tin và một tin (đồng bộ sự kiện)

Hai bộ tạo sóng chủ không đồng bộ với nhau là do: mọi bộ dao động đều có độ ổn định vớitần số xác định, độ ổn định này phụ thuộc vào rất nhiều nguyên nhân khác nhau mà chủ yếu là

sự thay đổi của môi trường Người ta thống kê nếu dùng bộ dao động RC thì độ ổn địnhkhông vợt quá 10-3 , nếu dùng bộ dao động thạch anh thì độ ổn định không vượt quá 10-6 cònnếu sử dụng hốc cộng hưởng hạt nhân thì độ ổn định không thể vượt quá 10-12 rõ ràng khôngthể có hai bộ dao động có tần số bằng nhau trong thời gian đủ lớn

Sai lệch về tần số luôn dẫn đến sự sai lệch về pha Thực tế đặc tính của đường truyền luônthay đổi theo thời gian và theo môi trường bên ngoài, do đó pha của sóng truyền đến bên thu

là luôn thay đổi Người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng rung pha của sóng tới

Sóng tới thì pha rung còn ở phía thu thì ta cố làm cho pha cố định hoặc nếu có rung thì cũngkhác sự rung pha sóng tới Do đó luôn luôn có sự sai pha

Tín hiệu đến máy thu có thể có cả giá trị 0, có thể có cả giá trị 1, cho nên phía máy thu khôngthể biết được khi nào có một sự kiện nếu như không có quy định cụ thể về sự kiện đến máythu

Thực tế trong mọi giao thức truyền đầy có các quy định hết sức chặt chẽ về sự kiện, việc đồng

bộ sư kiện được giải quyết bằng các giao thức Tuy nhiên còn có vấn đề là nếu như ta khôngnhận được các tín hiệu đồng bộ sự kiện ta phải giải quyết ở khâu nhận bit cho đúng mà khôngphải giải quyết đồng bộ ở khâu sự kiện

Sai khác nhịp của các kênh vào: Nằm trong bản chất của việc dồn kênh và phân kênh, vấn đềnày không giải quyết bằng đồng bộ mà giải quyết bằng một cơ chế phối hợp Trong cơ chếnày, người ta thường tổ chức dồn kênh với kênh vào có tần số max, sau đó người ta sẽ thêmnhững thông tin phụ vào những kênh có tần số thấp hơn Để phía thu có thể tách được nhữngthông tin phụ này, trong các tin phụ sẽ có 1 bit đặc biệt (chính xác là tin nào cũng phải có 1 bitđặc biệt - ví dụ truyền 8 bit phải thêm 1 bit đặc biệt)

Cách phối hợp thứ 2 là phối hợp thống kê hay dồn kênh thống kê, trong phương pháp nàyngười ta không coi kênh vào là có cùng quyền chiếm kênh ra như nhau mà kênh có tần số cao

sẽ chiếm nhiều lát thời gian hơn, các vấn đề nảy sinh là phải nhận dạng kênh có tần số caohơn Thường ta hay giải quyết bằng một cơ chế quản lý FIFO Mỗi kênh vào dùng một bộ nhớđệm mà khi bộ nhớ đệm đã đầy ta thêm khe cho nó, ở phía thu không phải cứ khe thứ nhất làcủa kênh thứ nhất, do vậy ta không biết khe thời gian nào của kênh nào để tách ra, nếu gửithêm số kênh vào cùng với tin sẽ rất cồng kềnh, trong trường hợp này người ta sử dụng kênhriêng để giải quyết vấn đề này

Vấn đề lọt thông tin: Do bộ nhớ đệm đầy quá, hoặc không chứa thông tin trong nó, vấn đế lọtqua không xẩy ra ở những hệ làm việc vào và tốc độ ra là luôn cố định Lọt qua sẽ xẩy ra ởnhững hệ làm việc không trong thời gian thực và việc xuất hiện những cuộc truyền tin là hoàntoàn ngẫu nhiên Để giải quyết vấn đề lọt qua người ta buộc phải làm một số phép toán thống

kê về tần suất xuất hiện các cuộc truyền tin, dung lượng của mỗi cuộc truyền tin, từ đó tínhtoán ra dung lượng bộ nhớ đệm sao cho sự lọt qua có thể chấp nhận được với một yêu cầu cụthể nào đó

* Phương pháp đồng bộ hoá

+ Truyền xung đồng bộ đến máy thu

Tuy đường truyền tin và đường truyền đồng bộ là riêng biệt, nhưng với các đường truyền tintốc độ cao vẫn có sự rung pha Đối với đường truyền tin xa là rất tốn kém Phương án đồng bộđược thực hiện bằng cách từ clock phía phát, đưa đến một mạch đặc biệt và trộn vào đườngtruyền tín hiệu Người ta chỉ truyền vết của xung đồng bộ chứ không phải truyền toàn bộ xungnhịp Có mạch hồi phục xung đồng bộ Phương án này vẫn có sai số của bộ trộn và bộ phụchồi nhưng giá rẻ đi nhiều và ta vẫn đạt được độ chính xác nhất định.

Ví dụ truyền hình quảng bá dùng nguyên lý này, hoặc trong ghép nối với ổ đĩa mỗi tín hiệughép cùng một xung đồng bộ

+ Dùng các máy thu có khả năng bám tín hiệu đồng bộ

Trong dữ liệu truyền có những tín hiệu đồng bộ bởi những nhịp lặp lại của thông tin, trong dữliệu chứa tín hiệu đồng bộ Máy thu chỉ cần chỉ cần tách ra nhịp thông tin và điều kiển bộ daođộng chủ của nó sao cho nhịp thông tin nó quyết định trùng với nhịp dữ liệu nhận được Lúcnày có thể coi hai dao động là trùng nhau Nguyên lý này được dùng hết sức phổ biến trong

hệ thống truyền tin hiện nay, nhưng có nhược điểm là phải mất ít nhất 1, 2 nhịp bit ta mới bámđược đồng bộ Việc bám đồng bộ này chỉ gần đúng, tách sai rồi sửa sai Nếu như đườngtruyền bị mất liên lạc do một lý do nào đó thì ta lại coi như bắt đầu lại từ đầu Thường để đảmbảo độ tin cậy tốt trong truyền tin, ta thường kết hợp các phương pháp đồng bộ với việctruyền gói hoặc truyền tin không đồng bộ

Trong nguyên lý bám đồng bộ thường dùng VCO - Voltage Controler Oscilator - Bộ dao động

có thể điều khiển bằng điện áp Tần số của bộ dao động có thể thay đổi khi thay đổi điện áptrên một cửa nào đó Cả mạch này gọi là PLL - Phase Lock Loop Từ hai nguyên lý trên -truyền số liệu sử dụng các phương thức đồng bộ có tên sau đây:

Chế độ định thời phụ: trong nguyên lý này không có đồng bộ, mỗi trạm làm việc có chủ sóng

riêng Nguyên lý VCO bao giờ cũng được thực hiện Phương án này chỉ dùng cho nhữngđường truyền có độ tin cậy thấp, thời gian làm việc ngắn Ví dụ: bộ đàm

Chế độ đồng bộ tương hỗ: trong chế độ này cứ từng cặp trạm gửi tín hiệu đồng bộ cho nhau Đồng bộ cưỡng bức: Toàn bộ mạng lưới được đồng bộ bởi một chủ sóng theo nguyên lý gửi

xung đồng bộ từ chủ sóng, trong chế độ này có thể có những đường truyền dài ngắn khácnhau dẫn đến sai số Thường trong trường hợp này người ta sẽ chọn cách truyền xung đồng bộ

đi Chế độ đồng bộ cưỡng bức được dùng ở các trạm viễn thông vì những trạm này truyền tinvới tốc độ khá cao và làm việc trong thời gian dài

b) Truyền không đồng bộ

Trong chế độ truyền này các trạm thu phát không cùng nhịp Clock việc phát hiện ra nội dung

dữ liệu được thực hiện thông qua các bit đánh dấu có trong các byte truyền

Ví dụ về định dạng khung dữ liệu với các bít Start và Stop

Data bits Hình 0-4 Định dạng khung truyền ở chế độ truyền không đồng bộ

2.2.3. Truyền đơn công, bán song công và truyền song công

a) Truyền dẫn đơn công (simplex)

Hình 2-7 Truyền dẫn đơn công

b) Truyền bán song công (half-duplex)

Trong chế độ truyền này tín hiệu có thể được truyền theo hai chiều nhưng tại mỗi thời điểmchỉ được truyền theo một chiều nhất định Chẳng hạn tại thời điểm t1 nào đó thì trạm A đượctruyền tín hiệu tời trạm B và khi đó trạm B không truyền được tới trạm A, chỉ khi việc truyềnđến trạm B kết thúc thì trạm B mới được truyền

c) Truyền song công (full-duplex)

Chế độ truyền này cho phép tín hiệu được truyền đồng thời theo hai chiều Thích hợp với các

hệ thống mạng đòi hỏi truyền thông tin với tốc độ cao

2.3 Mã hoá đường truyền (line codes)

2.3.1 Các đặc tính của mã hoá đường truyền

Khái niệm: Mã hoá đường truyền là quá trình mã hoá số liệu (dạng nhị phân 0, 1) sang dạng

tín hiệu thích hợp để truyền trong môi trường vật lý

Việc chuyển đổi nay chính là sử dụng một số thông tin thích hợp để mã hoá số liệu, chẳng hạnnhư biên độ, tần số, góc pha,

Các đặc tính chính của mã hoá đường truyền:

+ Thông tin đồng bộ hoá có trong tín hiệu:

Với truyền dẫn đồng bộ, một phương pháp mã hoá bit tạo ra tín hiệu có mang kèm thông tinđồng bộ hoá nhịp sẽ rất hiệu quả về kinh tế (tiết kiệm dây mang thông tin nhịp), chẳng hạnnếu tín hiệu mang thông tin là 1 dao động điều hoà có tần số dao động là bộ số của tần số nhịpcủa Bus thì việc đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận là dễ dàng

+ Tần số tín hiệu:

Tín hiệu sử dụng trong truyền số liệu nối chung là có tần số thay đổi theo thời gian, nó phụthuộc vào số liệu cần mã hoá và phương pháp mã hoá Với tốc độ truyền cố định thì tần sốnhịp của Bus là không thay đổi, còn tần số tín hiệu thì thay đổi

Tần số tín hiệu cũng ảnh hưởng tới tính năng của hệ thống Tín hiệu có tần số càng cao hoặcphổ tần rộng nó sẽ gây ra 1 nhiễu điện từ cho môi trường xung quanh (liên quan đến khoảngcách truyền và phạm vi sử dụng)

Trong phương pháp truyền tải dải cơ sở cách để nâng cao tốc độ truyền là tăng tần số nhịp củaBus, tức là gián tiếp tăng tần số tín hiệu

+ Khả năng nhận biết lỗi

Hình 08 Truyền bán song công

Transmitter

Receiver

TransmitterReceiver

Hình 09 Truyền dẫn song công

Transmitter

Receiver

Phương pháp mã hoá bit có thể tạo ra tín hiệu với dấu hiệu nhận dạng riêng với mực đích đểbên nhận kiểm tra nhận biết lỗi.

+ Loại bỏ giá trị lệch một chiều

Hiện tượng dòng một chiều sinh ra do một loạt các bít giống nhau ứng với một mức tín hiệucao hay thấp được phát liên tục Hiện tượng này không những gây khó khăn cho đồng bộ hoágiữa các đối tác mà còn ảnh hưởng tới nhiều tính năng của hệ thống

Để tiết kiệm dây dẫn và đơn giản hoá nhân công lắp đặt, đặc biệt là trong các môi trường dễcháy nổ, một giải pháp đưa ra là truyền tải tín hiệu cùng nguồn nuôi Nguồn nuôi có thể xếpchồng lên tín hiêu mang thông tin, nếu tín hiệu này không mang sẵn nguồn một chiều Muốnvậy phương pháp mã hoá phải có khả năng triệt tiêu nguồn một chiều tức là phải tạo ra sựtrung hoà giữa các mức tín hiệu

Việc tồn tại nguồn một chiều có thể gây ra trôi tín hiệu dẫn đến việc nhận biết các tham sốmang thông tin rất kho khăn mặt khác chế độ làm việc của bên thu cũng bị ảnh hưởng bởi sựtồn tại của nguồn một chiều Nếu vượt quá giới hạn cho phép nguồn một chiều có thể tạo racác xung điện gây nguy hiểm trong các môi trường dễ cháy nổ

2.3.2 Mã hoá NRZ và RZ

Phương pháp mã hoá NRZ ( non- return-to-zero) và RZ (return-to-zero) là phương pháp điềuchế độ rộng xung Nhưng phương pháp NRZ được sử dung rất phổ biến trong các hệ thốngBus trường

Hình sau mô tả giá trị logic 0 và 1 , điện áp dương để thể hiện mức logic 1 và điện áp âm đểthể hiện mức logic 0

Với NRZ mức tín hiệu không nhất thiết phải về 0 sau mỗi nhịp, ưu điểm của NRZ là tín hiệu

có tần số thường thấp hơn nhiều so với tần số nhịp Bus; nhược điểm là không thích hợp cho

Với RZ mức tín hiệu nhất thiết phải về 0 sau mỗi nhịp do đó nói chung tần số tín hiệu bằngtần số nhịp Bus, tín hiệu mã RZ không mang thông tin đồng bộ hoá.

2.3.3 Mã hoá AMI

Với AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion), giá trị logic 0 được thể hiện bằng điện áp đườngdây bằng 0 và bằng 1 với giá trị điện áp là dương hoặc âm (hình ) Giải tần trong phươngpháp mã hoá này không yêu cầu rộng như trong phương pháp RZ tuy nhiên có thể mất đồng

bộ khi giải mã chuỗi số nhị phân dài Phương pháp này cũng loại bỏ được giá trị lệch mộtchiều

Hình 0-12 Mã hoá AMI

2.3.4 Mã hoá Manchester

- Mã Manchester là phương pháp điều chế pha xung, giá trị logic được thể hiện thông qua cácsườn xung Bit 1 ứng với sườn lên và 0 ứng với sườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit T

- Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin công nghiệp

Tín hiệu có tần số tương đương với tần số nhịp Bus, do đó các xung của nó có thể sử dụngtrong việc đồng bộ hoá giữa các bên thu, phát Việc sử dụng tín hiệu lưỡng cực dòng 1 chiều

bị triệt tiêu do đó thích hợp với các ứng dụng cho phép truyền cùng nguồn nuôi Mặt khác do

sử dụng sườn xung để quy định mức logic mà phương pháp này tỏ ra chống nhiễu tốt

2.3.5 FSK (Frequency Shift Keying)

Đây là phương pháp mã hoá điều chế dịch tần số, hai tần số khác nhau được dùng để mã hoácác trạng thái logic 0 và 1 Thực chất đây là phương pháp điều chế số tín hiệu mang, haytruyền tải dải mang Hình sau mô tả mã hoá dịch tần số:

Tín hiệu có dạng sin, các tần số khác nhau có thể bằng hoặc là bội số tần số nhịp bus nên cóthể dùng để đồng bộ nhịp Một ưu điểm khác của phương pháp này là rất bền vững với các tácđộng của nhiễu Nhờ tính chất điều hoà của tín hiệu mà dòng một chiều bị triệt tiêu, nên cóthể sử dụng đường truyền này để truyền tín hiệu cùng nguồn nuôi.

Nhược điểm của FSK là tín hiệu có tần số tương đối cao, nó có thể gây ra nhiễu mạnh đối vớimôi trường xung quanh và làm ảnh hưởng tới khả năng tăng tốc độ truyền Thực tế phươngpháp mã hoá này chỉ được ứng dụng trong các mạng có tốc độ truyền tương đối thấp

2.3.6 Cơ số mã, sự dư thừa và hiệu suất

Cơ số mã được định nghĩa là số các trạng thái tín hiệu khác nhau được sử dụng Trong các hệthống dải cơ sở, nó là số các mức điện áp khác nhau được biểu diễn bởi các kí hiệu Chẳnghạn, với mã AMI thì cơ số của nó sẽ là 3

Hiệu suất của mã được định nghĩa là hệ số của thông tin trên số kí hiệu sử dụng với thông tintrên số kí hiệu hữu ích Ta có thể viết hiệu suất như sau:

Và sự dư thừa của mã hoá đường truyền được xác định như sau:

l

l l

VD: Xác định hiệu suất và sự dư thừa trong mã hoá AMI

Mã hoá AMI có 3 mức tín hiệu vi vậy cơ số của nó là 3 Như vậy 3 mức tín hiệu là hữu íchcho thông tin gửi, xác xuất của bất cứ mức nào hữu ích là 1/3 do đó thông tin hữu ích là

la = log23 = 1.58bit trên một tín hiệu

Tuy nhiên trong mã AMI chỉ có 2 mức tín hiệu được sử dụng, là các số nhị phân 0 và 1 đượcbiểu diễn bởi hai mức khác nhau, do đó thông tin sử dụng là:

lu = log22 =1 bit trên một kí hiệu

Ta xác định được hiệu suất của mã:

n = 63%

Và sự dư thừa:

K = 59%

2.4 Cấu trúc mạng

2.4.1 Liên kết trong hệ thống thông tin công nghiệp

Liên kết: là mối liên hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông Với liên kết

0 1 1 0 1 0 1

Hình 014 Mã hoá dịch pha FSK

DE

F

Hình 016 Cấu trúc mạng hình sao

trạm nên quan hệ giữa các đối tác này chỉ có tính logic Tương ứng với một đối tác vật lýthường có nhiều đối tác logic và tất nhiên nhiều mối liên kết logic được xây dựng trên cơ sởmột mối liên kết vật lý

Có thể có các kiểu liên kết sau:

- Liên kết điểm - điểm (Point to Point): Mối liên kết này chỉ có 2 đối tác thạm gia, về mặt vật

lý hai trạm được nối với nhau bởi một đường truyền Để thực hiện một mạng truyền tin dựatrên liên kết này sẽ là tập hợp của nhiều đường dây độc lập

- Liên kết điểm - nhiều điểm (multi - drop): Nhiều trạm được nối chung với một trạm chủ

(master) Như vậy các đối tác sẽ được nối chung vào một đường dây

- Liên kết nhiều điểm - nhiều điểm (multi - point): nhiều đối tác tham gia và thông tin được

trao đổi theo nhiều hướng Cũng tương tự liên kết điểm - nhiều điểm với liên kết này các đốitác cũng được nối trên cùng một đường dây

Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trưng của mạng trong điều khiển phân tán

2.4.2 Cấu trúc mạng (Topology)

Định nghĩa: Cấu trúc mạng là tổng hợp của các mối liên kết.

Topology hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng nhưng cũng hiểu là cách sắpxếp logic của các nút mạng

Các loại cấu trúc mạng

+ Topology mạng kết nối đầy đủ:

Với cấu trúc đầy đủ này thì sự giao tiếp giữa các trạm là nhanh, một đối tác bị sự cố sẽ khôngảnh hưởng tới các đối tác còn lại nhưng cấu trúc này giá thành cao do tốn kém dây dẫn

+ Topology hình sao:

B

C

AE

D

Hình 015 Cấu trúc mạng đầy đủ

Các đối tác trao đổi thông tin với nhau thông qua một trạm chủ, tuy nhiên một sự cố của trạmchủ sẽ dẫn đến sự tê liệt của toàn hệ thống do đó trạm chủ đòi hỏi phải có độ tin cậy cao

+ Topology vòng lặp

Trong cấu trúc này các thành viên được nối với nhau tạo thành mạch vòng khép kín, tín hiệuđược truyền đi theo chiều cố định ưu điểm của phương pháp này là mỗi nút mạng có thể là bộkhuếch đại điều đó khiển cho khoảng cách đối với cấu trúc này có thể là rất xa Mặt khác mỗiđối tác ngăn mạch vòng làm hai phần nên khả năng xảy ra xung đột sẽ giảm do tín hiêụ chỉđược truyền đi theo một chiều

+ Topology bus

Trong cấu trúc này các đối tác truyền thông được nối trên cung một dây dẫn Với cấu trúcdaisy-chain các đối tác được nối trực tiếp vào đường truyền Còn cấu trúc trunk-line/drop-linethì có các dây phụ để nối các đối tác vào đường Bus chung ưu điểm của phương pháp này làđơn giản và tiết kiệm dây dẫn

+ Cấu trúc cây

A

B

CD

Hình 017 Cấu trúc mạng mạch vòng

Hình 018 Cấu trúc

trunk-line/drop-line Hình 019 Cấu trúc daisy-chain

Bộ chuyển đổi I Bộ lặp Bộ chuyển đổi sao

Các đối tác truyền thông

Cấu trúc cây là tổng hợp của nhiều liên kết với các cấu trúc khác như: cấu trúc Bus, sao, mạchvòng Đây là cấu trúc thường gặp trong các hệ thống thông tin công nghiệp.

2.5 Truy nhập đường truyền

2.5.1 Yêu cầu với các phương pháp truy nhập đường truyền

Trong mạng truyền tin có nhiều đối tác tham gia, cần thiết phải có sự điều khiển để sao cho ởmỗi thời diểm chỉ có đối tác được gửi thông tin đi, rõ ràng cần thiết phải có phương phápthích hợp để phân chia thời gian gửi dữ liệu trên đường truyền

Việc truy nhập đường truyền liên quan đến các yếu tố sau:

- Độ tin cậy khi truyền thông tin

- Tính năng thời gian thực

- Hiệu suất sử dụng đường truyền

2.5.2 Các phương pháp truy nhập tiền định

a) TDMA và FDMA.

TDMA: Time Division Multiplexing

FDMA: Frequency Division Multiplexing

Đây là các phương pháp truy nhập phân chia thời gian và phân chia tần số Phương phápTDMA sẽ dành cho mỗi trạm một thời gian truy nhập đường truyền có định và các trạm này

sẽ được gửi thông tin theo trình tự định sẵn Các trạm đều có quyền trao đổi thông tin trực tiếpđến các trạm khác

Với phương pháp truy nhập phân chia tần số lại định cho mỗi trạm một tần số

Có thể thấy được ưu điểm của FDMA so với TDMA như sau:

- FDMA truy nhập nhanh hơn TDMA bởi người sử dụng có thể truy cập vào mạng một cáchđồng thời

- FDMA được dùng nhiều trong truyền tín hiệu tiếng nói và tín hiệu hình ảnh

- Cáp đồng trục được sử dụng rất thích hợp với FDMA

- TDMA rẻ hơn, có thể sử dụng với cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn và cáp quang

Ưu điểm của phương pháp này là cấu trúc mạng đơn giản, nhưng các hoạt động của mạng lạiphụ thuộc vào trạm chủ nên đòi hỏi độ tin cậy của trạm chủ là rất cao, mặt khác do thông tingiữa các trạm tớ đều phải thông qua trung gian là trạm chủ đã khiến cho hiệu suất đườngtruyền trong phương pháp này là không cao.

c) Token Passing

Cấu trúc của một token như hình 2.22 trong đó DA là địa chỉ đích, SA là địa chỉ nguồn Start

là byte khởi đầu đánh dấu sự bắt đầu của khung token

Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc đặc biệt với các thông tin dữ liệu chính, nó được

sử dụng như thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi thông tin khi một trạm nào đó có được thẻbào này Việc gửi thẻ bài được thực hiện theo 1 chu trình định sẵn Đối với các mạng có cấutrúc khép kín người ta đưa ra khái niệm Token rinh Sơ đồ như sau:

Trong các mạng có cấu trúc Bus, nếu ứng dụng phương pháp token người ta gọi đó là Tokenbus, sơ đồ nguyên lý của phương pháp truy cập này được trình bày trên hình sau:

Hình 023 Phương pháp truy nhập Token Ring (IEEE802.4)

Một trạm đang giữ Token không những có quyền giữ thông tin đi mà còn có thể kiểm soátthông tin của các trạm khác Nếu thấy trạm chuẩn bị nhận Token bị lỗi nó sẽ không giữ Tokencho trạm này, hoặc nếu token không được gửi (có nghĩa là trạm token bị lỗi) thì 1 trạm nào đó

sẽ tự tạo ra token để đảm bảo hoạt động của hệ thống là thông suốt

2.5.3 Các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên

a) CSMA/ CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Trong phương pháp này, các trạm đều được truy nhập đường truyền mà không có 1 sự kiểmsoát nào Nguyên tắc hoạt động được mô tả như sau:

+ Mỗi trạm đều cảm nhận đường truyền (carier sense), chỉ khi đường truyền rỗi thì mới đượctruyền thông tin trên đó

+ Do độ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra trường hợp lặp 2 hay nhiều trạm cùng đưa thôngtin lên đường truyền (hình 2.26) và khi phát các trạm này vẫn phải cảm nhận xem có xảy raxung đột không (Collision Detection)

Hình 0-25 Nhiều trạm cùng gửi thông tin lên Bus

+ Khi hai hay hiều trạm nhận cùng đưa thông tin lên đường truyền (tức xung đột xảy ra) thì các trạm này đều phải huỷ bỏ bản tin gửi của mình

Hình 0-26 Các thông báo bị huỷ bỏ

+ Chờ trong thời gian ngẫu nhiên các trạm này sẽ gửi lại thông báo

Hình 0-27 Trạm n1 gửi thông báo

Thực tế việc phát hiện xung đột được thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu phát và tín hiệuphản hồi Nếu nội dung phát và nội dụng nhận được là khác nhau trong trường hợp này xung

đột đã xảy ra, các trạm này lập tức ngừng phát, và các trạm nhận thì không nhận được bytekết thúc của khung truyền nên coi như thông báo này bị huỷ bỏ.

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và linh hoạt nhưng không phù hợp với các hệthống mạng cấp thấp do tính không ổn định về thời gian đáp ứng

Phương pháp này được ứng dụng trong mạng Ethernet IEEE 802.3

b) CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance)

Phương pháp này cũng giống phương pháp CSMA/ CD, nhưng chúng sử dụng phương pháp

mã hoá bit thích hợp để khi xảy ra xung đột 1 tín hiệu này sẽ lấn át tín hiệu kiểm tra Chẳnghạn

Hình 0-28 Nguyên lí của CSMA/ CA

Phương pháp này ra đời đã cải thiện được tính năng thời gian thực của phương pháp CSMA/CD

2.6 Môi trường truyền dẫn

2.6.1 Các đặc tính của môi trường truyền dẫn

Môi trường truyền dẫn là môi trường để tín hiệu thông tin truyền qua Nó có ảnh hưởng lớntới tốc độ truyền dẫn, chất lượng đường truyền Ta xét các đặc tính sau:

Dung lượng truyền của môi trường truyền dẫn được tính theo công thức sau:

Uk = Tk*Fk*Hk

ở đó: Tk - Thời gian trong đó có mặt tín hiệu truyền đi

Fk - Khoảng tần số làm việc của kênh

Hk - Đặc tính chỉ rõ sự tăng công suất tín hiệu Pth so với công suất nhiễu Pnh trong kênhNgười ta còn gọi Uk là khả năng truyền của môi trường truyền dẫn

Tốc độ truyền thông tin:

V=I/T

ở đó: I - Lượng thông tin truyền

T - Thời gian truyền lượng thông tin I

2.6.2 Các loại môi trường truyền dẫn

a) Cáp đôi dây hở (Open- Two Cable).

Là loại môi trường truyền dẫn đơn giản, hai dây dẫn được cách li với nhau bằng khoảngkhông Loại này có thể nối các thiết bị với chiều dài không lớn lắm và tốc độ truyền khôngquá 19.2 Kbis/s Đường dây này được ứng dụng trong truyền số liệu giữa các DTE và DCE.Nhược điểm của loại dây này là chịu tác động của nhiễu xuyên âm, ngoài ra cấu trúc hở khiến

nó nhạy cảm với nhiễu gây ra bởi các nguồn bức xạ, đó cũng chính là lí do khiến cho môitrường truyền dẫn này hạn chế về tốc độ và chiều dài dây dẫn

b) Cáp đôi dây xoắn (Twisted Pair Cable)

Đây là môi trường truyền dẫn có tính lịch sử trong truyền số liệu và hiện này nó vẫn là môitrường truyền dẫn được dùng rất phổ biến Nó được phát minh cùng thời với điện thoại, và giáthì tương đối rẻ tiền

Cáp dây đôi xoắn có thể loại trừ tốt hơn Trong một cáp có nhiều cặp dây xoắn vào nhau Mộtđôi dây xoắn bao gồm hai sợi dây được quấn cách li ôm vào nhau do cấu trúc như thế màtrường điện từ của hai dây sẽ trung hoà lẫn nhau, mặt khác dây tín hiệu và dây đất xoắn vàonhau giúp cho tín hiệu giao thoa được cả hai dây thu nhận, không làm ảnh hưởng lên tín hiệu

vi sai Chính vì vậy mà nhiễu ra môi trường xung quanh và nhiễu xuyên âm giảm thiểu đángkể

Hình 2-29 Cấu tạo của cáp đôi dây xoắn

Đường dây xoắn đôi thích hợp với thiết bị điều khiển đường dây và mạch thu riêng, sử dụngtốc độ bit dưới 1 Mbps cho khoảng cách từ vài m đến 15Km và tốc độ bit thấp hơn chokhoảng cách dài hơn Điển hình của cáp đôi dây xoắn là việc ứng dụng trong các hệ thốngtruyền thông sử dụng chuẩn RS485 với tốc độ truyền thông thường là 64Kb/s và 96Kb/sTuy vậy cáp đôi dây xoắn có nhược điểm là chịu ảnh hưởng của nhiễu kí sinh và hiện tượngcan nhiệt (couplage)

Có 2 loại cáp xoắn đôi: Cáp xoắn đôi không bọc kim (UTP - Unshielded Twisted Pair) dùngrộng rãi trong mạng điện thoại và trong nhiều ứng dụng truyền số liệu; cáp xoắn đôi bọc kim(STP - Shielded Twisted Pair), có một màn chắn để bảo vệ giảm ảnh hưởng của tín hiệu giaothoa

c) Cáp đồng trục (Coaxial Cable)

Hạn chế chính của cáp xoắn đôi gây ra bởi hiệu ứng bề mặt Khi tốc độ bit (cũng là tần số)của tín hiệu truyền dẫn tăng lên thì luồng chảy của dòng điện trong dây chỉ ở trên bề mặt, dovậy sử dụng ít hơn tiết diện sẵn có, dẫn đến sự tăng điện trở của dây đối với tín hiệu cao tần,làm tăng suy hao Ngoài ra, ở tần số cao, năng suất tín hiệu bị mất mát nhiều hơn do hiệu ứngbức xạ Vì vậy, với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ bit cao hơn 1 Mbps, cần phải có thiết bịđiện tử thu và điều khiển tinh vi hơn hoặc sử dụng một môi trường truyền dẫn khác

Cáp đồng trục làm giảm tối thiểu hai hiệu ứng trên Cáp có chất dẫn điện ở chính giữa trục vàbao quanh trục cũng là chất dẫn điện Khoảng giữa hai lớp chất dẫn điện thường được làm đầybởi chất cách điện rắn hoặc cấu trúc tổ ong

Hình 2-30 Cấu trúc của cáp đồng trục

Chất dẫn điện ở giữa là màn chắn hữu hiệu với tín hiệu nhiễu bên ngoài Sự tổn hao tín hiệurất nhỏ gây ra do bức xạ điện từ và hiệu ứng bề mặt Cáp đồng trục có thể sử dụng với nhiềukiểu tín hiệu khác nhau, tốc độ điển hình là 10Mbps

Cáp đồng trục được sử dụng rộng rãi, chế độ hoạt động có thể sử dụng dải cơ sở (BaseBand)hoặc dải rộng (BroadBand) Với BaseBand toàn bộ hiệu suất đường truyền được dành chomột kênh truyền thông duy nhất trong khi đó BroadBand thì sử dụng cho 2 hoặc nhiều kênhcùng phân chia dải thông của đường truyền Chúng được minh hoạ trên hình

Hình 2-51 Minh hoạ dải cơ sở và dải rộng

Phương thức truyền dải cơ sở có thể truyền được cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Khoảng cách truyền ở giải cơ bản từ 1Km đến 3Km tốc độ trong giải này là 1Mb/s đến10Kb/s

Với giải rộng khoảng cách từ 10Km đến 50Km, tốc độ có thể lên đến 350Mb/s

Với điều chế dải rộng cáp đồng trục rất nhạy cảm với nhiễu tần số thấp, hệ số chống nhiễu từ50dB đến 60 dB Trong trường hợp điều chế dải rộng thì kém nhạy cảm hơn, hệ số chốngnhiễu từ 80dB đến 100dB

d) Đường truyền vô tuyến

nón, phát từ mặt đất lên vệ tinh Chùm tia này được thu và truyền đến đích đã định bằng cáchdùng 1 antenna định hướng và bộ chuyển tiếp Một vệ tinh đơn có nhiều bộ chuyển tiếp nhưvậy, mỗi bộ tiếp nhận một dải tần số riêng Một kênh vệ tinh điển hình có băng thông lớn(500MHz) và có thể cung cấp hàng trăm kênh số liệu tốc độ cao bằng cách dùng kỹ thuậtghép kênh.

Vệ tinh dùng cho mục đích liên lạc thường là vệ tinh địa tĩnh Người ta chọn quỹ đạo của vệtinh để cung cấp một tuyến thông tin tầm nhìn thẳng giữa trạm phát và thu

Hình 2-32 Mô hình thu phát vệ tinh

Mỗi trạm mặt đất thu, phát tại các tần số khác nhau, thực tế thường sử dụng hệ thống nhiềutrạm thu phát, tổ chức thành mạng

* Sóng cực ngắn trên mặt đất (viba)

Đường truyền sóng cực ngắn được sử dụng rộng rãi khi việc xây dựng một môi trường hữutuyến là không thực tế, hoặc quá đắt, ví dụ qua sông hồ, sa mạc Vì sóng cực ngắn truyền quakhông khí nên có thể bị gián đoạn bởi các vật cản do con người va điều kiện thời tiết có hại.Cũng như vệ tinh, chùm tia sóng cực ngắn truyền qua không gian nên không hiệu quả Truyềndẫn bằng sóng cực ngắn có thể cho phép khoảng cách đến 50km

* Sóng vô tuyến tần thấp

Sóng vô tuyến tần thấp được sử dụng ở những nơi có liên kết cố định qua một khoảng cáchvừa phải bằng cách dùng máy phát và thu ở mặt đất Ví dụ, dùng để kết nối các máy tínhtrong thành phố với một máy phát ở xa máy vô tuyến (gọi là trạm gốc) được đặt ở điểm cốđịnh, cung cấp liên kết vô tuyến giữa mỗi máy tính và trạm trung tâm

Nếu ứng dụng yêu cầu khu vực bao phủ rộng lớn, cần phải sử dụng nhiều trạm gốc Khu vựcbao phủ của mối trạm gốc bị giới hạn do giới hạn công suất phát, vì vậy mỗi trạm gốc chỉcung cấp vừa đủ kênh phục vụ cho toàn bộ tải trong khu vực đó Có thể đạt được vùng phủsóng lớn hơn bằng cách sắp xếp nhiều trạm gốc theo cấu trúc tế bào Thực tế, kích thước tếbào thay đổi và được xác định bởi các yếu tố như mật độ đầu cuối và địa thế địa phương

Mỗi trạm gốc hoạt động sử dụng một dải tần khác với trạm lân cận Tuy nhiên, vì phủsóng của mỗi trạm gốc bị giới hạn nên có thể sử dụng lại dải tần của các vùng khác trongmạng Các trạm gốc được kết nối đến mạng cố định Thông thường, tốc dộ truyền số liệu giữacác máy tính trong một tế bào là 10Kbps

- Khi nghiên cứu các phần tử thu quang người ta xử dụng các đặc tính hạt của nó Khi nghiêncứu quá trình lan truyền của cáp quang trên sợi quang người ta lại quan tâm đến tính chấtsóng của nó.

* Các đặc trưng cơ bản

+ Dải phổ bức xạ quang học Đặc trưng cơ bản của các nguồn bức xạ điện từ là dải phổ bức

xạ quang học hay dải bước sóng tương ứng:

)(

+ Đặc tính không kết hợp: Khi các nguồn bức xạ hoạt động, từng nguyên tử sẽ bức xạ ngẫu

nhiên các xung ánh sáng, Mỗi xung ánh sáng chứa đựng một dao động riêng Các xung ánhsáng chỉ tồn tại trong 1 thời gian ngắn (18-8) và đi được khoảng 3m Sau đó các nguyên tửngừng bức xạ trong một thời gian dài, trong thời gian đó các nguyên tử khác lại bức xạ và nótạo ra ánh sáng liên tục

Do các nguyên tử nên pha của chúng là ngẫu nhiên, do đó không thể có hiện tượng giao thoatrong một thời gian dài và người ta gọi đó là đặc tính không kết hợp của ánh sáng

* Nguyên lí truyền dẫn ánh sáng

Dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần

Khi n1>n2 và α > αth

* Cấu tạo sợi quang

Sợi quang là môi trường truyền dẫn khác hẳn các loại trên Thông tin truyền đi ở dưới dạngmột chùm ánh sáng dao động trong sợi thuỷ tinh Sóng ánh sáng có băng thông rất lớn so vớisóng điện, làm cho cáp sợi quang có thể đạt được tốc độ truyền hàng trăm Mbps Hơn nữa,sóng ánh sáng không bị ảnh hưởng của điện từ trường và xuyên âm Do đó, cáp sợi quang cóích khi truyền tín hiệu tốc độ bít thấp trong môi trường nhiễu điện Cáp sợi quang cũng được

sử dụng để tăng độ an toàn, tính bảo mật ở những nơi quan trọng

Cáp sợi quang gồm một sợi thuỷ tinh đơn cho mỗi tín hiệu được truyền, nằm trong vỏ bọcngăn ánh sáng bên ngoài Tín hiệu ánh sáng sinh ra bởi máy phát quang Máy phát quang thực

Hình 2-34 Truyền tín hiệu trong cáp quang

Trong sợi quang đa mode chiết suất bậc, vật liệu chế tạo vỏ và lõi khác nhau nhưng chiết suất

là đồng nhất Các tia sáng do diode phát ra với góc nhỏ hơn góc tới hạn sẽ được phản xạ toàn phần tại giao diện lõi - vỏ và lan truyền dọc theo lõi bằng cách phản xạ nhiều lần Các tia sángphát ra tại diode với góc khác nhau sẽ truyền đi với thời gian khác nhau, dẫn đến tín hiệu thu

có độ rộng xung lớn hơn tín hiệu vào, làm giảm tốc độ bit

* Phân loại sợi quang

Theo đặc tính truyền dẫn người ta chia sợi quang thành 2 loại: Sợi SM và sợi MM

- Sợi SM (Single Mode): được hiểu là một trạng thái dao động điện từ ứng với nghiệm cao của phương trình sóng Số lượng các Mode có quan hệ với sóng điện từ đơn thoả mãn các phương trình Maxwell và điều kiện bờ lấy từ sợi quang

- Sợi MM (Multiple Modes): Được hiểu là có đồng thời nhiều Mode

Sợi MM có đường kính dk lớn hơn sợi SM

Có thể hiểu Mode là các tia sáng thành phần

Theo sự thay đổi của chiết suất mà người ta phân sợi quang thành một số loại sau:

- Sợi SI-MM (Step Index - Multiple Modes):

Đường kính ngoài khoảng 125 µm, độ suy giảm tín hiệu là 1dB/100m ở tần số 1GHz, và giá thành cũng khá cao Phát và thu sử dụng LED (Light-emitting Diode)/ điôt PIN, APD

Khi muốn thay đổi chiết suất người ta thường thêm GeO2 và F (Feuorid) để tăng hoặc giảmchiết suất

* Suy hao đường truyền và nguyên nhân

a) Suy hao đường truyền

Xét 2 tiết diện trên đường truyền có công suất lần lượt là P1 và P2 , đại lượng suy hao đườngtruyền được định nghĩa như sau:

)(lg

Dễ thấy hệ số này suy hao theo đường Hypecbol

b) Nguyên nhân của suy hao

Do hiện tượng hấp thụ: Do cấu tạo của vỏ điện tử, do quan hệ E(f), các nguyên tử của vật liệusợi tác động với ánh sáng theo các đặc tính chọn lọc làm cho một phần năng lượng ánh sángbiến thành nhiệt năng Ngoài ra nó cũng bị hấp thụ do sự không tinh khiết của vật liệu chế tạosợi quang

Do hiện tượng tán xạ: Do ảnh hưởng của các vị trí không đồng nhất trong sợi quang khi làmnguội

Kích thước những chỗ không đồng nhất nói chung là rất nhỏ so với kích thước trong vùnghồng ngoại nên khi bước sóng ánh sáng tăng thì tiêu hao giảm tán xạ có thể được tính bằngbiểu thức sau:

Với thạch anh thì bước sóng là 1µm và hệ số tán xạ là 0.8 db/km

Ngoài ra tán xạ còn do cấu trúc không đồng đều (cong, thay đổi…)

Đồ thị sau chỉ ra sự liên hệ giữa tốc độ truyền và khoảng cách truyền của cáp đôi dây xoắn,cáp đồng trục và cáp quang

Hình 2-38 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ và khoảng cách truyền của

cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục và cáp quang

Câu hỏi và bài tập

1 Truyền đồng bộ là truyền dẫn

a) Cùng nhịp Clock của các trạm thu phát

b) Theo cả 2 chiều đồng thời

c) Đồng bộ bằng các bít đánh dấu

d) Cả a và b

2 Mã hoá đường truyền thực chất là

a) Quá trình sử dụng một số thông tin thích hợp như: A, f để biến tín hiệu đường truyềnthành tín hiệu nhị phân

b) Biến đổi số liệu nhị phân thành tín hiệu thích hợp để truyền đi

c) Thực chất là quá trình điều chế và giải điều chế

4 Ưu điểm của phương pháp truy nhập CSMA/CA là

a) Hiệu suất sử dụng đường truyền cao

b) Độ tin cậy cao

c) Linh hoạt thích hợp với hệ thống nhỏ và vừa

6 Đường dây 2 dây hở là loại đường dây:

a) Dễ chịu tác động của nhiễu

b) Có thể truyền với tốc độ 19 200kb/s

c) Đơn giản được ứng dụng nhiều trong truyền số liệu ở mạng công nghiệp

d) Chỉ a và b

7 Phân tích các ưu điểm của cáp đồng trục so với cáp đôi dây xoắn

8 Trình bày về nguyên lí truyền tín hiệu trong cáp quang

9 Tại sao cáp quang lại có ưu điểm vượt trội về chất lượng so với các môi trường truyền dẫnhữu tuyến hiện nay

10 Nêu các ưu nhược điểm của môi trường truyền dẫn hữu tuyến so với môi trường truyềndẫn vô tuyến

- Một số chuẩn thông dụng như RS232, RS422, RS485, Trước đây người ta dùng RS(Recommended Standard) hiện nay thay bằng EIA/TIA nhưng do thói quen người ta vẫn gọichúng là các chuẩn RS.

- Phối ghép chuẩn RS232, RS422, RS485 là các chuẩn về điện (mức điện thế), cơ khí (kíchthước, số lượng tiếp xúc ổ cắm), chức năng (tên gọi và các chân tiếp xúc)

3.2 Các phương thức truyền dẫn tín hiệu

- Hai phương thức truyền số liệu cơ bản sử dụng trong các chuẩn trên là truyền số liệu theophương thức cân bằng(Balanced transmission) và không cân bằng(Unbalanced transmission)

3.2.1 Truyền dẫn không cân bằng (Unbalanced )

Trong truyền số liệu theo phương thức không cân bằng, tín hiệu truyền dạng áp trên một dây,tín hiệu áp trên dây này được so sánh với đất để thể hiện trạng thái logic (0 và 1) Việc truyềntín hiệu trên "n" kênh sẽ cần "n" dây tín hiệu và thêm một dây đất chung

Hình 3-6 Truyền tín hiệu không cân bằng

S- là thiết bị gửi tin

R- là thiết bị nhận tin

Phương thức truyền số liệu này khiến cho khả năng chống nhiễu kém do tín hiệu truyền sosánh với đất, có nhiều nguyên nhân gây ra nhiễu như: sự chênh lệch điện áp đất so với các tínhiệu truyền trên các kênh khác nhau, do tác động của môi trường xung quanh nhiễu xuyênkim

3.2.2 Truyền dẫn cân bằng (Balanced)

Truyền số liệu theo phương thức cân bằng: Đây là kiểu truyền tín hiệu vi sai, sự sai khác tínhiệu giữa hai dây dẫn (trên một kênh truyền) sẽ biểu diễn trạng thái logic (0 và 1)

Khi có sự tác động của nhiễu đến kênh truyền này thì nó tác động đến đồng thời hai dây củakênh truyền và như vậy nhiễu sẽ bị triệt tiêu dẫn đến số liệu truyền trong hệ thống không bịsai lệch Chính vì khả năng chống nhiễu tốt mà phương thức truyền số liệu này được ứngdụng trong các hệ thống truyền tin với khoảng cách lớn và tốc độ cao

3.2.3 Vấn đề trở đầu cuối

Vấn đề phối hợp trở kháng trên đường dây truyền thông là vô cùng quan trọng Một tín hiệutruyền tín hiệu từ bên phát đến bên thu nói chung sẽ phản xạ lại, tín hiệu phản xạ này lại gặpcác tín hiệu truyền tới, các tín hiệu này có thể được cộng thêm vào hoặc triệt tiêu đi như thế sẽlàm sai lệch tín hiệu truyền trên đường dây thông tin Chính vì vậy việc phối hợp trở kháng đểtạo ra đường dây dài vô hạn sẽ giải quyết tốt vấn đề này

Hình 3-7 Truyền tín hiệu cân bằng

3.3 Các chuẩn thông tin nối tiếp

3.3.1 Chuẩn truyền tin RS232

- Ra đời vào năm 1969 bởi hiệp hội EIA và Bell Laboratory

- Được dùng chủ yếu trong các giao tiếp điểm- điểm giữa các DTE/DCE (DataCommunication Equipment) (Các thiết bị đầu cuối DTE có thể là máy tính, PLC, máy in Thiết bị truyền số liệu DCE có thể là Modem)

Kết nối giữa DTE và DCE được thể hiện trên hình sau:

- RS232 sử dụng phương thức truyền số liệu không đối xứng Điện áp dao động trong khoảng-25V đến +25V Với thiết bị nhận quy định mức logic 1 ứng với khoảng điện áp -25V đến -3V

và mức logic "0" ứng với khoảng điện áp từ +3V đến +25V Khoảng điện áp từ -3V đến +3Vkhông được định nghiã, đây là khoảng chuyển tiếp giữa các mức logic Biểu diễn các mứcđiện áp tương ứng với các mức logic được trình bày trên hình sau:

Hình 3-8 Kết nối giữa DTE và DCE

Hình 3-9 Biểu diễn các mức logic trong RS232 Một số thông số chính của RS232:

- Khoảng cách truyền cho phép 15m

- RS232 làm việc ở chế độ truyền song công(full-duplex)

- Tốc độ dữ liệu cực đại khoảng 20 Kb/s

- Chế độ truyền không đồng bộ

- Hầu hết dữ liệu truyền trong RS232 là mã ASCII mặc dù đây không phải là loại mãchuẩn

Định nghĩa các chân tín hiệu của RS232 được chỉ ra ở bảng sau:

Hình dáng jắc loại 9 chân được thể hiện trên hình sau:

Hình 3-5 Các loại giắc đực và giắc cái

Kết nối RS 232 không có bắt tay được trình bày trên hình sau

Hình 3-10 Kết nối ở cổng RS232 không có phần cứng bắt tay

Ngoài ra có thể thực hiện bắt tay dùng phần mềm và chúng được chỉ ra trên hình sau:

Hình 3-11 Bắt tay bằng phần mềm sử dụng X-ON và X-OFF

Để bắt tay đầy đủ bằng dữ liệu giữa hai nút, các đường dẫn RTS và CTS được bắt tay (tương

tự như các đường dẫn DTR và DSR) Cách đấu nối này bao gồm cả các trường hợp các nút ởrất xa nhau

Hình 3-12 Các đường dẫn bắt tay được sử dụng khi truyền dữ liệu

Hình 3-13 Ghép nối để truyền thông có bắt tay qua cổng RS232 Các yêu cầu của chuẩn RS232 đối với phần tạo dạng phát:

• Đầu ra phải chịu được trạng thái ngắn mạch hoặc không tải

• Điện trở khi ngắn mạch nguồn lớn hơn 300 Ω

• Điện áp ra cực đại khi không tải là -25V

• Dòng ra cực đại khi ngắn mạch là 500mA

• Thời gian chuyển tín hiệu giữa hai mức tín hiệu phải nhỏ hơn 1ms

• Tốc độ tăng hay giảm tín hiệu không nhỏ hơn 30V/ms

• Tải của bộ kích thích lớn hơn 3KΩ

Các yêu cầu đối với phần thu:

• Điện trở vào từ 3000Ω - 7000Ω

• Tụ kí sinh nhỏ hơn 2500 µF

Ví dụ về giao diện RS232 xử dụng Modem trong giao thức Modbus được trình bày trên hìnhsau:

Hình 3-14 Ghép nối RS232 trong giao thức Modbus

Ngoài ra cũng có thể xử dụng các bộ chuyển đổi giao diện RS232/ RS422 trong giao thức ModBus để tạo ra các mạng truyền số liệu linh hoạt trên Bus

3.3.2 Chuẩn truyền tin RS422

Đây là loại chuẩn truyền tin được dùng nhiều trong công nghiệp, nó thường được lựa chọn đểthay thế RS232 dùng trong các ứng dụng đòi hỏi chống nhiễu tốt, khoảng cách truyền xa vàtốc độ truyền cao

Đặc điểm của RS422:

• Sử dụng phương thức truyền số liệu cân bằng

• Khoảng cách truyền 200m không cần bộ lặp

• Tốc độ truyền tối đa là 10Mb/s

• Chỉ cho phép 1 trạm truy nhập điều khiển đường truyền (Master)

• Cho phép 10 trạm tớ tham gia trong cấu hình mạng

• Tải của bộ kích thích 100Ω

• Điện trở vào lớn hơn 4KΩ

• Độ nhạy đầu vào: ±200mV

Quy định về mức logic trong RS422 được trình bày trên hình sau:

Hình 3-15 Biểu diễn mức logic trong RS 422

Giao tiếp trong RS422 là giao tiếp điểm nhiều điểm

Nguyên lí hoạt động của RS422 được trình bày trên hình sau:

Hình 3-16 Hoạt động của RS 422

3.3.3 Chuẩn truyền tin RS485

Đây là chuẩn được dùng phổ biến nhất trong hệ thống thông tin công nghiệp, đặc điểm cơ bảncủa RS485 là:

• Hoạt đông dựa trên phương thức truyền đối xứng

• Cho phép kết nối nhiều điểm trên cùng đường Bus

• Khoảng cách truyền cực đại là 1200m

• Tốc độ dữ liệu cực đại là 10Mb/s

Thông số cơ bản của RS485 được tóm tắt trong bảng sau:

Tb thời gian bit

VOC (Output Common Mode Voltage) được xác định bằng chênh lệch từ điểm giữa của tải đầu

ra so sánh với đất của bộ kích thích

VCM (Common Mode Voltage), được tính bằng giá trị trung bình của điện áp hai dây

Quy định vể mức logic trong chuẩn RS485 được trình bày trên hình sau

Hình 3-17 Quy định về mức logic trong RS 485

Mức điện áp từ -1.5V - +1.5V không được định nghĩa nó là khoảng để chuyển trạng thái cácmức logic Khoảng điện áp cho phép từ -6V - +6V Khi tăng số lượng các trạm truyền thôngthì tốc độ truyền vì các trạm có trở kháng lớn sẽ hoạt động chậm hơn

RS485 là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra có khả năng kết nối nhiều điểm trên một dây duy nhấtgọi là Bus Vì vậy nó được dùng làm chuẩn cho lớp vật lí của đa số các hệ thống Bus hiệnthời

Cấu hình phổ biến cho truyền tín hiệu là sử dụng hai dây dẫn, minh hoạ trên hình sau Trongcấu hình này hệ thống làm việc ở chế độ bán song công (Half - duplex) các trạm có quyềntruy nhập bình đẳng trên Bus

b)

Hình 3-18 Cấu hình RS 485: a) 3 dây, b) 5 dây

RS485 không phải là chuẩn hoàn chỉnh, nó chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học nên nókhông đưa ra các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối, có thể dùng cáp trơn, cáp đôi dâyxoắn hoặc các loại cáp khác Tuy nhiên cáp đôi dây xoắn được sử dụng nhiều nhờ khả năngchống nhiễu xuyên âm, và tạp nhiễu

Ngoài ra để tăng hiệu suất khi truyền người ta có thể sử dụng chuẩn RS485 5 dây

Để tăng số lượng các trạm trong cấu hình mạng và truyền số liệu đi xa cần thiết phải xử dụngcác bộ lặp Các bộ chuyển đổi giao diện nối tiếp: Hiện nay rất nhiều các thiết bị công nghiệp

xử dụng chuẩn RS232, để chúng có thể giao tiếp với các thiết bị có cổng truyền thông RS422hay RS485 thì cần thiết phải có các bộ chuyển đổi giao diện nối tiếp

3.4 Các chuẩn thông tin song song

Hai chuẩn giao diện thông tin song song quan trọng nhất là GPIB hay còn gọi là IEEE-488,được xử dụng nhiều trong đo lường điều khiển tự động và chuẩn Centronics được xử dụngchủ yếu trong việc liên kết máy tính và máy in

3.4.1 GPIB (General Purpose Interface Bus, hay IEEE-488)

GPIB ( General Purpose Interface bus) hay còn gọi là bus ghép nối đa năng, đây là loại busđược sử dụng nhiều trong các hệ thống đo lường với chất lượng cao Có thể nói: bus GPIB làmột hệ thống bus chuẩn cho phép thiết bị đo của nhiều hãng khác nhau cùng ghép nối để hìnhthành một hệ đo lường, kiểm tra và điều khiển