MẠNG TRUYỀN THÔNG CỒNG NGHIỆP

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, nó khác ở chỗ là các yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trư

PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN

Chương 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bít nối tiếp dùng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

Đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp là truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp

Đối tượng của mạng công nghiệp thuần tuý là các thiết bị công nghiệp, do đó dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu

Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, nó khác ở chỗ là các yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một mạng máy tính thông thường và các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp

So sánh giữa mạng viễn thông, mạng máy tính và mạng công nghiệp

Bảng 1.1

NGHIỆP

Đối tượng giao tiếp Con người là chính Con người là chính Máy là chính

Thông tin trao đổi tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu tiếng nói, hình ảnh, dữ

Trong đa số các trường hợp, mạng công nghiệp sử dụng một phần là các mạng máy tính ở cấp điều hành và giám sát Tương tự mạng máy tính có thể là một phần của mạng viễn thông

Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp

Mạng truyền thông công nghiệp có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực đo lường, điều khiển và tự động hoá ngày nay Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm tới điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích như sau:

+ Giảm giá thành dây nối và công lắp đặt

+ Nâng cao độ chính xác, tin cậy

+ Có tính năng mở nên độ linh hoạt cao

+ Dễ chuẩn đoán, định vị lỗi

+ Dễ dàng mở rộng, thêm các ứng dụng mới vào hệ

Phân loại và đặc trưng mạng công nghiệp

Ưu thế của giải pháp dùng mạng công nghiệp không những nằm ở phương diện kỹ thuật, mà còn ở khía

khiển quá trình, tự động hoá xí nghiệp, tự động hoá toà nhà, điều khiển giao thông … Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp là không thể thiếu được trong việc tích hợp các hệ thống tự động hoá hiện đại

Nhận xét

Càng ở cấp dưới thì yêu cầu càng cao về độ nhanh nhạy và tốc độ phản ứng, yêu cầu về tính thời gian thực cao Càng ở cấp trên thì yêu cầu trao đổi dữ liệu càng nhiều nhưng yêu cầu về tốc độ phản ứng giảm

đi

Một chức năng của cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng của cấp dưới

Mô hình phân cấp chức năng cho ta dễ dàng thiết kế lựa chọn thiết bị, tuỳ vào yêu cầu cụ thể mà ta chọn và phân chia mạng cho phù hợp Với yêu cầu điều khiển trong một nhà máy hiện đại, quy mô lớn như nhà máy lọc dầu, điện, hoá chất có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện điều khiển, giám sát Đối với những nhà máy nhỏ, nhà cao tầng hay tàu biển số cấp chức năng sẽ giảm xuống để giảm giá thành và chi phí vận hành

Bus trường (fieldbus)

Là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển ( PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Các thiết bị có khả năng nối mạng là các bộ vào/ ra phân tán, các thiết bị cảm biến hoặc cơ cấu chấp hành có tích hợp khả năng xử lý truyền thông Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các

bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến Còn khái niệm bus thiết bị (device bus) được

Quản lý

Điều hành sản xuất

Giám sát, hiển thị ,vận hành, bảo dưỡng

toàn quá trình Điều khiển, điều chỉnh, máy CNC, Robot,

PLC

Đo lường, truyền động,

Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng của hệ hệ thống tự động hóa

Điều khiển

Chấp hành

Bus trường ( bus thiết bị)

Quản lí công ty

Bus hệ thống Bus quá trình Mạng xí nghiệp

Hình 1.2 Mô hình phân cấp chức năng của một nhà máy công nghiệp

Mạng công ty Điều hành sản xuất

Điều khiển giám sát

dùng phổ biến trong công nghiệp chế tạo như tự động hoá dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hoá toà nhà, sản xuất xe hơi Bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau Tuy nhiên sự khác nhau này ngày càng không rõ rệt, trong thực tế người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường

Nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành vì vậy yêu cầu tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi 0,1-10 ms Yêu cầu về dữ liệu cho một phiên trao đổi thường chỉ hạn chế vài chục byte vì vậy tốc độ truyền chỉ yêu cầu đến phạm vi Mbit/s Việc trao đổi thông tin mang tính định kỳ tuần hoàn Một số hệ thống bus trường tiêu biểu hiện nay :Profibus, Control Net

Bus hệ thống, bus quá trình ( system bus, process bus)

Là hệ thống bus dùng để nối mạng các máy tính cấp điều khiển với các máy tính cấp điều khiển giám sát

Thông qua bus hệ thống các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu điều khiển quá trình cho các thiết bị chấp hành hay các trạm kỹ thuật và nhận dữ liệu, nhiệm vụ từ các trạm phía trên Thông tin trong hệ thống bus này không chỉ được trao đổi theo chiều dọc mà còn được trao đổi theo chiều ngang

Đối với bus hệ thống thời gian đáp ứng tiêu biểu phụ thuộc yêu cầu đòi hỏi của ứng dụng cụ thể thường ở mức vài trăm ms, tốc độ truyền thông trong phạm vi vài trăm kb/s tới vài Mb/s

Mạng xí nghiệp không yêu cầu cao về tính thời gian thực Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, tuy nhiên mỗi phiên truyền thông thường trao đổi với số lượng lớn tới hàng Mb Mạng hay dùng Ethernet, tokenring

Mạng công ty

Là hệ thống mạng nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty Đặc trưng của mạng là gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính điện rộng Nhiệm vụ của mạng là kết nối máy tính các văn phòng, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với khách hàng Trong nhiều trường hợp mạng công ty và mạng xí nghiệp là một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý nhưng được chia thành các phạm vi khác nhau phù hợp với nhóm công việc

+ Cấp chấp hành (actuation level):

Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, dẫn động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lường, truyền động được chính xác và nhanh nhạy Các thiết bị thông minh “smart” có thể đảm nhận việc xử lí và chuẩn bị thông tin trước khi đưa lên cấp điều khiển

+ Cấp điều khiển (control level):

Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các bộ cảm biến, xử lí các thông tin theo

vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhận qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóng/ mở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay… Trong một hệ thống điều khiển tự động, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính

Do đặc tính nổi bật của cấp điều khiển là xử lí thông tin, khái niệm cấp xử lí ( process level) cũng hay được dùng Tuy nhiên, khái niệm này không được xác đáng lắm vì trong hệ thống hiện đại, việc xử lí thông tin không phải là độc quyền ở cấp này Như đã nêu trên, các thiết bị thông minh ở cấp cảm biến/ chấp hành cũng có thể đảm nhận một phần việc này Ngoài ra, việc thực hiện các chức năng ở bất kỳ cấp nào bên trên, dù dưới dạng này hay dạng khác đều mang bản chất là xử lý thông tin

Cấp điều khiển và cấp chấp hành cũng hay được gọi chung là cấp trường( field level) chính vì các

bộ điều khiển, cảm biến và chấp hành được cài đặt trực tiếp tại hiện trường, gần kề với hệ thống kỹ thuật + Cấp điều hành(operation level):

Điều hành quá trình có nghĩa đen là: “điều khiển” và “vận hành” một quá trình kỹ thuật Khi đa số các chức năng như đo lường điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của các cấp điều hành quá trình là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển khởi động/ dừng và điều khiển theo công thức (ví dụ như trong chế biến dược phẩm, hoá chất) Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều hành quá trình thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt có giao diện mạng ngoài các máy tính điều hành

Gần đây, do nhu cầu tự động hoá tổng thể kể cả ở các cấp sản xuất và quản lý công ty, việc tích hợp hệ thống và loại bỏ các cấp trung gian không cần thiết trong mô hình chức năng trở nên cần thiết Cũng chính vì lí do này, ranh giới giữa cấp điều hành quá trình và điều hành sản xuất nhiều khi không rõ ràng, hình thành xu hướng hội nhập hai cấp này thành một cấp duy nhất, gọi chung là cấp điều hành

1.2 Thông tin, tín hiệu và dữ liệu

1.2.1 Các khái niệm

Thông tin

Là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống

Là sự phản ánh mang tính hướng đích, thể hiện sự quan tâm của người nhận, của sự vật khách quan đối với sự nhận biết của con người

Một tin nếu được ai đó, một hệ thống nào đó quan tâm sử dụng thì nó là thông tin đối với người đó, hệ thống đó

Thông tin chính là sự loại trừ tính bất định

‘ số lượng hoá’ để có thế xử lý và lưu trữ trong máy tính Nói trong ngữ cảnh cấu trúc của một bức điện,

dữ liệu là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng các bít 0,1 theo một luật nhất định

Trong thực tế, các khái niệm xử lý thông tin, xử lý tín hiệu, truyền tải thông tin, hay truyền tải dữ liệu được dùng với ý nghĩa tương tự Cần phân biệt rõ giữa thông tin và dữ liệu Hai tập tin khác nhau nhờ cách mã hoá khác nhau có thể cùng mô tả một nội dung tin, ngược lại hai tập tin giống nhau cũng có thể mang những thông tin khác nhau tuỳ theo cách mô tả

Lượng thông tin

Thông tin chính là sự loại bỏ tính bất định Mức độ xoá bỏ tính bất định này ( giá trị của một nguồn tin) được gọi là lượng thông tin

Với dữ liệu được biểu diễn để có thể xử lý trong máy tính thì lượng thông tin được đo bằng đơn vị bit

Tín hiệu

Việc trao đổi thông tin giữa người với người, người với máy, trao đổi dữ liệu giữa máy với máy chỉ

có thể thực hiện được nhờ tín hiệu

Tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa tham số thông tin, dữ liệu có thể truyền dẫn được Trong kỹ thuật các loại tín hiệu thường dùng là Điện, quang, khí nén, thuỷ lực, điện từ

Các tham số của tín hiệu

+ Biên độ (dòng, áp, cường độ sáng, áp suất )

+ Tần số (nhịp xung, kiểu xung, độ rộng xung )

+ Pha

Phân loại tín hiệu

Để phân loại tín hiệu ta dựa vào tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến của thời gian

+ Tín hiệu tương tự: Tham số thông tin có giá trị bất kỳ trong một khoảng thời gian được xét

+ Tín hiệu số: Là dạng tín hiệu có một tập giá trị xác định hữu hạn

+ Tín hiệu liên tục : Là tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian mà ta quan tâm Một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của thời gian trong một khoảng xác định

+ Tín hiệu gián đoạn: Tín hiệu có nghĩa tại những thời điểm nhất định

+ Ngoài ra còn có tín hiệu tiền định, tín hiệu ngẫu nhiên, tín hiệu tuần hoàn, không tuần hoàn

1.2.2 Các tham số thông tin

Tốc độ truyền, tốc độ bit

Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền tải trong 1s (Baud,bps)

V=f * n với v: tốc độ bit

f tần số xung nhịp

n số bit truyền trong 1 nhip

Tốc độ truyền tin tổng thể bao giờ cũng nhỏ hơn tốc độ truyền tin hữu ích, Trong thực tế tốc độ truyền thông tin hữu ích khó xác định được một cách chính xác

Thời gian bit, chu kỳ bit

Thời gian bit là thời gian trung bình cần thiết để truyền một bit (là nghịch đảo của tốc độ truyền tải)

v

T B  1

Thời gian lan truyền tín hiệu

Là thời gian cần thiết để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, nó phụ thuộc vào chiều dài và cấu tạo dây dẫn

Ts: Thời gian lan truyền tín hiệu

l: Chiều dài dây dẫn

C: Tốc độ ánh sáng 300.000 km/s

K: hệ số giảm tốc độ

Tính thời gian thực

Một hệ thống bus có tính thời gian thực là một hệ có

+ Độ nhạy: Tốc độ truyền thông phải đủ nhanh để đáp ứng yêu cầu trao đổi dữ liệu trong một giải pháp cụ thể

+ Tính tiền định: Dự đoán đượcthời gian phản ứng tiêu biểu và thời gian phản ứng chậm nhất của từng trạm

Độ tin cậy: Đảm bảo được tổng thời gian cần cho việc vận chuyển dữ liệu một cách tin cậy giữa hai trạm

Yêu cầu của mã hoá

Trong hệ thống truyền tin thường chịu tác động của nhiễu do vậy thông tin trong qúa trình truyền dẫn

có thể bị biến đổi gây ra lỗi thông tin Để tìm ra lỗi và khắc phục người ta cần dùng đến phương pháp mã hoá nguồn tin

Mã hoá nguồn:

Dữ liệu mang thông tin thực dụng (dữ liệu nguồn) được bổ xung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn ( địa chỉ bên gửi và bên nhận, kiểu dữ liệu, thông tin kiểm lỗi ) Ngoài ra trước khi gửi dữ liệu được phân chia thành các gói nhỏ để phù hợp với phương thức truyền

Trong kỹ thuật mã hoá nguồn có 2 giai đoạn

Mã hoá Giải mã

Hệ thống truyền dẫn tín hiệu

Mã hoá Giải mã

Đối tác truyền thông

Đối tác truyền thông

Hình1.3 Sơ đồ cơ bản của hệ truyền thông

+ Mã hoá bằng phần mềm : Áp dụng trong các hệ thống thông tin công nghiệp có sử dụng đến kỹ thuật truyền dữ liệu bằng máy tính

+ Mã hoá bằng các thiết bị phần cứng

Mã hoá đường truyền

Là qúa trình tạo tín hiệu tương ứng với thông tin trong gói dữ liệu theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền

Trong truyền thông công nghiệp mã hoá đường truyền đồng nghĩa với mã hoá bit Trong các hệ thống thông tin khác mã hoá đường truyền còn có thể bao gồm cả điều biến tín hiệu và dồn kênh

Khi tín hiệu được truyền tải đi, để phân biệt giới hạn giữa các bit dữ liệu nối tiếp nhau người ta sử dụng phương pháp đồng bộ hoá

Giải mã

Là quá trình ngược lại với qúa trình mã hoá Tức là chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành các dãy bit tương ứng, sau đó loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin nguồn

1.3.2 Điều biến và điều chế tín hiệu

Điều chế tín hiệu là qúa trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin( được thể hiện qua biên độ, tần số, pha )

Điều chế tín hiệu thường thấy ở các bộ chuyển đổi A/D, D/A các bộ tạo xung

Điều biến tín hiệu là qúa trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ hai( tín hiệu mang) Nó được ứng dụng để thực hiện các phương pháp dồn kênh, phân chia tần số hoặc tránh nhiễu

1.3.3 Chế độ truyền tải

Chế độ truyền tải là phương thức các bit dữ liệu được truyền giữa các đối tác truyền thông

Các phương pháp truyền tải

+ Truyền song song, truyền nối tiếp

+ Truyền đồng bộ, không đồng bộ

+ Truyền một chiều, hai chiều gián đoạn, hai chiều toàn phần

+ Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang, truyền tải dải rộng

Truyền song song, nối tiếp

Truyền song song dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính,PLC như bus địa chỉ, bus điều khiển

Đặc điểm:

Tốc độ truyền dẫn phụ thuộc vào số kênh dẫn

Yêu cầu về tính đồng bộ hoá

chỉ truyền ở khoảng cách nhỏ, tốc độ xung nhịp vừa phải

Truyền nối tiếp:Dùng phổ biến trong truyền thông công nghiệp

Khoảng cách truyền xa

Thực hiện đơn giản, độ tin cậy cao

Tốc độ xung nhịp cao

Truyền một chiều,hai chiều gián đoạn, 2 chiều toàn phần

Trong chế độ truyền một chiều một trạm chỉ chuyên nhận dữ liệu và một trạm chuyên phát tín hiệu Thông tin chỉ có thể đi theo một chiều cố định

Trong mạng công nghiệp phù hợp với kiểu liên kết điểm-điểm

Ví dụ: hệ thống truyền thanh, truyền hình

Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép một trạm có thể gửi và nhận thông tin Tuy nhiên tại một thời điểm chỉ có 1 trạm phát, trạm còn lại ở chế độ thu

Với một cấu hình không phức tạp lắm có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao, nó thích hợp với kiểu liên kết điểm-nhiều điểm (Cấu trúc bus)

Chế độ truyền này yêu cầu phải có phương pháp phân chia thời gian để tránh xung đột Khi một trạm phát thì tất cả các trạm khác ở chế độ thu

Chế độ hai chiều toàn phần, các trạm có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc Chế độ này yêu cầu

sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát Nó chỉ phù hợp với kiểu liên kết điểm-điểm

Truyền tải dải cơ sở

Tín hiệu truyền đi nằm trong một dải tần tương đối hẹp nào đó gọi là dải tần cơ sở Tại mỗi thời điểm chỉ có một kênh thông tin duy nhất được truyền, vì vậy tốc độ truyền tải bị hạn chế nhưng phương pháp này tin cậy và dễ thực hiện

Truyền tải dải mang

Trong một số trường hợp truyền tải tại dải tần cơ sở không phù hợp do nó gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh hoặc bị các thiết bị xung quanh gây nhiễu Để khắc phục người ta dùng tín hiệu cần truyền tải

để điều chế tần số, biên độ, hoặc pha của một tín hiệu khác có tần số lớn hơn nhiều so với tần số nhịp gọi

là tín hiệu mang Bên nhận được sẽ thực hiện quá trình ngược lại để nhận thông tin

Truyền tải dải rộng

Để tăng hiệu suất truyền thông người ta kết hợp các tín hiệu cần truyền có tần số khác nhau theo một cách thức nhất định sau đó đưa vào điều chế một tín hiệu mang có dải tần rộng rồi truyền đi Bên nhận sẽ tiến hành quá trình ngược lại để tách ra các tín hiệu cần thiết Đây chính là kỹ thuật dồn kênh, phân tần trong truyền tải thông tin Phương thức này được thực hiện rộng rãi trong viễn thông Trong truyền thông công nghiệp nó không có vai trò rõ rệt do giá thành, tính thời gian thực…

1.4 Kênh liên lạc và đặc tính của chúng

Phổ tần

Mọi truyền dẫn vô tuyến đều sử dụng các sóng điện từ phát sinh từ các dòng điện xoay chiều chạy qua một anten Tần số của các dao động này có thể biến đổi từ 1 hz tới hàng tỉ Hz và toàn bộ dải các tần số này được gọi là phổ tần

Băng tần

Phổ tần số được chia thành các nhóm lớn gọi là các băng tần, mỗi băng tần có một tên mô tả

VD VHF, UHF

Dải thông

Kích cỡ của một băng tần được xác định bởi dải thông ( độ rộng dải, band width ) là hiệu số giữa tần

số cao nhất và tần số thấp nhất trong một băng tần nào đó

Kênh liên lạc

Để thực hiện một phiên truyền thông giữa hai đối tác cần một đường truyền thông với một khoảng tần

số nhất định, đường truyền này được gọi là một kênh liên lạc Trong kỹ thuật viễn thông cũng như trong

kỹ thuật thông tin công nghiệp tại một thời điểm có thể xảy ra rất nhiều phiên truyền thông giữa các đối tác khác nhau do vậy cần phải có nhiều kênh liên lạc khác nhau

Đặc điểm của kênh liên lạc

Mỗi kênh liên lạc có một dải thông cố định cho trước thoả mãn nhu cầu truyền thông

Kênh liên lạc có thể là kênh truyền hữu tuyến, kênh truyền vô tuyến hoặc cáp quang

1.4.1 Kênh truyền hữu tuyến

Kênh truyền hữu tuyến thường sử dụng cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục hoặc cáp trần

Tần số làm việc

Cáp trần 3-300 Khz

Cáp đôi dây xoắn 12-268 Khz

Cáp đồng trục 0,006-60Mhz

Ví dụ Hãng Bell sử dụng đường truyền

Bảng 1.2 Thông số cáp viễn thông

Năm Loại dây Số kênh thoại Khoảng cách Tần số

Đặc điểm

Băng thông hẹp, tốc độ truyền thấp, khoảng cách truyền gần

Bảng 1.3 Cáp dùng trong công nghiệp

Loại dây Khoảng cách Tốc độ truyền

Cáp đồng trục 5 Km Đến 3 Mhz

1.4.2 Kênh truyền vô tuyến

Dải tần dùng cho truyền vô tuyến rộng từ vài trăm Hz đến Thz Khoảng cách truyền thông phụ thuộc vào tần số truyền và công suất đài phát

Kênh truyền vô tuyến được chia thành các băng tần

Ví dụ Mạng thông tin di động của Mỹ Các nhà cung cấp dịch vụ được phân bổ 25 Mhz trong dải tần 800Mhz với sự phân bố này họ chia ra làm 832 kênh thoại mỗi kênh có độ rộng là 30Khz

1.4.3 Kênh truyền cáp quang

Bước sóng truyền thông 0,82-1,3m

Ví dụ hãng AT&T năm 1987 đưa vào sử dụng truyền thông cáp quang với số kênh 24192 tốc độ 1668 Mbit/s khoảng cách 46,4 Km bước sóng 1,3m

Trong truyền thông công nghiệp thường chỉ truyền với khoảng cách nhỏ vài km nên có

Tốc độ truyền*khoảng cách =1 Gbit.Km đối với sợi đa mode

=100 Gbit.Km đối với sợi đơn mode

1.4.4 Hệ thống thông tin di động qua vệ tinh MSS (Mobile satellite System)

Đặc điểm

Giá cả ổn định, độ rộng băng tần lớn, tỉ lệ lỗi thấp, vùng phủ sóng rộng

Chi phí cho mỗi đường truyền dẫn là như nhau bất kể khảng cách giữa các trạm phát và thu như thế nào

Chi phí ban đầu cho việc thiết lậpdịch vụ vệ tinh di động có thể rất cao Giá ước tính chỉ riêng đối với các vệ tinh vào khoảng 10-20 triệu USD một quả

Các hệ thống vệ tinh có thể cung cấp các kênh liên lạc có dải thông biến đổi trong phạm vi 5Khz tới 10 Mhz Thông thường dữ liệu được truyền trên các kênh vệ tinh 5Khz với tốc độ 2,4Kbit/s Tuy nhiên dải thông càng cao cho phép dung lượng càng lớn và có cơ chế sửa sai tinh vi nhờ vậy những khối

dữ liệu lớn có thể được truyền với tỉ lệ lỗi rất thấp

CÁc vệ tinh có vùng phủ sóng rất rộng chúng có thể nằm trong khoảng một châu lục (34% bề mặt trái đất) hay có vùng phủ sóng nhỏ hơn tuỳ thuộc vào quỹ dạo của vệ tinh

Đối với vệ tinh một số dịch vụ có thể khó được chấp nhận do độ trễ truyền thông, thời gian trễ có thể lên tới 0,25s cho mỗi chặng (từ mặt đất đến vệ tinh hay từ vệ tinh về mặt đất) Thời gian trễ này ảnh hưởng đáng kể đến lưu lượng thoại tuy nhiên thời gian trễ này không ảnh hưởng tới truyền dữ liệu Tín hiệu từ các vệ tinh quỹ đạo cao thường yếu hơn các quỹ đạo tầm thấp, muốn thu được phải có anten thích hợp điều này làm cho các thiết bị cầm tay có thể không liên lạc trực tiếp được tới các vệ tinh Các thành phần của hệ thống vệ tinh

Các thành phần hệ thống vệ tinh về cơ bản có 3 phần chính là vệ tinh, các trạm mặt đất và thiết bị sử dụng đầu cuối

Phần vệ tinh

Vệ tinh thực chất là các trạm chuyển tiếp trên trời chúng chứa các thiết bị thu nhận tín hiệu từ mặt đất, khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi chúng sang tần số khác rồi phát trở về trái đất Thiết bị thực hiện quá trình này gọi là bộ phát đáp Tuỳ từng loại vệ tinh có thể có 12 đến 48 bộ phát đáp

Các thiết bị khác trên vệ tinh cung cấp các chức năng về năng lượng, điều hoà môi trường và quản lý trạm

Năng lượng thông thường được dùng cho vệ tinh là các pin mặt trời và nguồn pin dự phòng Trong một số hệ thống nhu cầu điện năng có thể tiêu tốn tới 250w cho một kênh thoại Điều này có nghĩa trong một số trường hợp phải có nguồn cấp điện với khả năng 500Kw, lượng điện này lớn hơn lượng điện cần

để cung cấp cho một thị trấn nhỏ

Vệ tinh trên không gian cần được giữ cho không chao đảo Các anten cần được giữ ở vị trí tương đối

ổn định để đảm bảo hiệu suất truyền thông Sự ổn định này được thực hiện nhờ phương pháp ổn định 3 trục toạ độ Các panel pin măt trời có cấu tạo như những chiếc cánh ngoài việc dùng để thu năng lượng mặt trời còn tham gia vào việc giữ ổn định

Quỹ đạo ấn định của vệ tinh cần được duy trì trong phạm vi 0.1o Ngay cả khi ổn định hoá vệ tinh vẫn

có xu hướng trôi ở mức độ nào đó, nhằm điều chỉnh những sự chệch hướng này những ống phụt khí nhỏ được đốt theo chu kỳ để dịch chuyển vệ tinh về đúng quỹ đạo Thời gian sử dụng vệ tinh bị phụ thuộc bởi nhiên liệu của các ống phụt này

Các trạm đo xa và điều khiển vệ tinh được sử dụng để cung cấp thông tin liên quan đến trạng thái các

hệ thống khác nhau trên vệ tinh và vị trí của nó, thiết bị này được triển khai ở một hay nhiều vị trí khác nhau

Phần người sử dụng đầu cuối

Thiết bị đầu cuối cho người sử dụng khác nhau đáng kể về kích thước, trọng lượng, khả năng di chuyển được và công suất Các thiết bị này còn phụ thuộc vào đặc tính của chính hệ thống vệ tinh

Các loại hệ thống vệ tinh

Có một vài loại vệ tinh khác nhau dùng cho MSS Sự phân biệt chủ yếu do độ cao qũy đạo vệ tinh Độ cao quỹ đạo bị ảnh hưởng bởi vành đai Van allen đó là hai lớp bụi nằm ở khoảng cách 1600km và 10000km quanh trái đất do vậy các vệ tinh được chế tạo nằm trên, giữa hay dưới hai lớp bụi này kết quả

là có các vệ tinh địa tĩnh GEO, quỹ đạo trái đất trung bình MEO, quỹ đạo trái đất tầm thấp LEO

Quỹ đạo địa tĩnh

Độ cao khoảng 36000km các vệ tinh là tĩnh tại so với trái đất vì chúng chuyển động với cùng một tốc

độ với trái đất, các vệ tinh có thể bao trùm một vùng rộng lớn nhưng khoảng cách lớn gây ra sự trễ làm ảnh hưởng xấu tới liên lạc điện thoại.Nó phù hợp với các ứng dụng số liệu, lưu trữ và chuyển tiếp

Vd Công ty vệ tinh di động Mỹ giới thiệu dịch vụ mạng tế bào mà vệ tinh có dung lượng 1.820kênh Quỹ đạo trái đất tầm thấp

Hệ thống Iridium của hãng Motorola đưa ra khái niệm hệ thống vệ tinh tầm thấp với quỹ đạo khoảng 800km, nó bao gồm 66 vệ tinh hoạt động và 7 vệ tinh dự phòng, các vệ tinh này bay quanh trái đất với các quỹ đạo khác nhau,dung lượng mỗi vệ tinh là 3840 kênh, do quỹ đạo tầm thấp nên cho phép sử dụng

cả thiết bị trên xe và thiết bị cầm tay Quỹ đạo tầm thấp đòi hỏi chi phí cao, thời gian hoạt động của mỗi

vệ tinh khoảng 3 đến 7 năm

Quỹ đạo trung bình

Độ cao quỹ đạo này khoảng 10000 km Nó cho phép sử dụng ít vệ tinh hơn và vẫn có thể sử dụng thiết bị cầm tay Hệ thống Odyssey của TRW có 12 vệ tinh hoạt động và 2 vệ tinh dự phòng Độ cao này cho phép mỗi vệ tinh phục vụ một địa điểm trong 2h, thời gian quá cảnh là 60ms

Phổ vô tuyến

Có nhiều băng tần khác nhau được dùng cho MSS băng tần này đặc trưng cho tần số gửi từ mặt đất lên uplink và tần số gửi về mặt đất downlink Các tần số quy định theo từng cặp như 6/4 Ghz,

Bảng 1.4 Một số hệ vệ tinh

Thời gian mào đầu Không hạn định 10 phút 1-2h

Chương 2 : HỆ THỐNG TRUYỀN TIN TƯƠNG TỰ VÀ HỆ THỐNG SỐ

2.1 Cơ sở chung

Lịch sử phát triển

Năm 1844 điện báo ra đời

Năm 1876 Bell phát minh ra điện thoại

Năm 1878 tổng đài điện thoại đầu tiên ra đời sử dụng cáp đồng để truyền tin

Năm 1895 Ứng dụng bức xạ điện từ truyền tín hiệu vô tuyến

Thập niên 60 của thế kỉ 20 xuất hiện thiết bị số và tổng đài điện thoại số Cũng vào thời gian này phát minh về tia laze ra đời, về lý thuyết có thể truyền đến 10 triệu kênh tivi trên một kênh truyền laze

Bảng 2.1 Phân bố phổ tần vô tuyến

255m-800nm Laze Sợi quang Thoại, hình ảnh số liệu

1cm-10cm Tần số siêu cao

SHF 10cm-1m Tần số cực cao

UHF 1m-10m Tần số rất cao

VHF 10m-100m Tần số cao HF

100m-1km Tần số trung

bình MF 1km-10km Tần số thấp LF

Hàn hải, vệ tinh ra đa, vi ba

Truyền hình UHF, VHF, radio

Tách sóng

mang

Xử lý tín hiệu

Truyền dẫn Thông

tin vào

Thông tin ra

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống tương tự

- Điều chế và điều biến

Các mạch sóng mang

Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA, Frequency Division Multiple Access)

Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA, Time division Multiple Access)

Đa truy cập phân chia theo mã ( CDMA, Code Division Multiple Access)

Ví dụ Dịch vụ thông tin di đông bắc Mỹ thời điểm đầu được phân phối 25MHz trong phổ tần số, các nhà khai thác dịch vụ chia toàn bộ băng tần được phân phối thành các kênh rời rạc Mỗi kênh có dải thông 30khz nên hệ thống có 832 kênh khả dụng, mỗi cuộc đàm thoại cần sử dụng hai tần số nên mỗi nhà khai thác có 416 cặp tần số khả dụng, mỗi cặp được gán cho một thuê bao mạng tế bào

Để tăng dụng lượng kênh truyền, mỗi kênh được chia thành các khe thời gian, các tín hiệu cần truyền được gán các khe thời gian này

Tín hiệu mạng tin tức được biến đổi thành tín hiệu số sau đó được trộn với một loại mã giống mã ngẫu nhiên Tín hiệu tổng cộng sau đó được phát đi trong một dải tần số rộng nhờ kỹ thuật trải phổ Truyền dẫn CDMA cần các kênh có dải thông rộng (1,25Mhz) Tuy nhiên theo lý thuyết thì CDMA có thể chứa số thuê bao gấp 20 lần so với FDMA với cùng một dải thông

2.3 Hệ thống số

Điều chế biên độ xung (PAM, Pulse Amplitude Modulation)

Dùng kỹ thuật chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kiểu xung trong đó biên độ xung biểu thị tin tức tương tự Đây là bước đầu cho quá trình chuyển đổi tương tự sang số

Điều chế mã xung (PCM, Pulse Code Modulation)

Là sự chuyển đổi tương tự sang số trong đó tin tức chứa trong các mẫu tức thời của một tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng các từ số trong một chuỗi bit nối tiếp

Tín hiệu PCM được tạo ra từ ba hoạt động lấy mẫu, lượng tử hoá, mã hoá

Dải thông kênh truyền

Một tín hiệu tiếng nói chiếm băng tần 300-3400Hz, tần số lấy mẫu tối thiểu là 6800 hz Trên thực tế tần số lấy mẫu chuẩn là 8khz Nếu mỗi mẫu mã hoá bằng 8 bit thì tốc độ truyền bit là

R= 8 k * 8 bit = 64 kbit/s Như vậy để truyền thông tốt thì cần dải thông 64khz, như vậy để truyền tín hiệu PCM cần dải thông lớn hơn rất nhiều so với dải thông tín hiệu tương tự

Điều chế mã xung vi phân

Khi lấy mẫu các tín hiệu thường ở cạnh nhau có tín hiệu rất gần nhau Điều này dẫn đến nếu truyền theo PCM thì sẽ rất lãng phí vì có các giá trị mẫu dư thừa được truyền lại Để giảm dải thông, tăng dung lượng kênh truyền người ta dùng điều chế mã xung vi phân

Ghép kênh phân chia theo thời gian

Mục đích là gửi các mẫu xen kẽ thời gian sao cho thông tin từ vài nguồn khác nhau có thể được truyền trên một kênh thông tin đơn

Tạp âm lượng tử hoá

+Tạp âm quá tải

+ Tạp âm ngẫu nhiên

+ Tạp âm hạt

+ Tạp âm tìm kiếm

PHẦN 2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

Chương 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT

1.1 Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát dùng máy tính

Cấu trúc chung của hệ điều khiển và giám sát cụ thể tạm chia thành ba loại gồm:

+ Việc nối dây phức tạp, giá thành cao

+ Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn

+ Độ tin cậy của hệ thống điều khiển phụ thuộc vào một thiết bị duy nhất

Ta có thể nâng cao độ tin cậy của hệ thống bằng cách dùng thêm một máy tính dự phòng giống hệt máy tính chính, nhưng cách làm này làm nâng cao giá thành Để khắc phục nhược điểm thứ nhất và một phần nhược điểm thứ hai ta có thể khắc phục bằng cách dùng một mạng dây dẫn chung gọi là bus trường ( fieldbus )

1.1.2 Cấu trúc phân quyền

Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính và tăng tính linh hoạt của hệ thống, trong cấu trúc phân quyền, mỗi quá trình con được điều khiển bằng một máy tính riêng cùng đặt tại trung tâm điều khiển

Do cỏc quỏ trỡnh con cú liờn quan hệ quả với nhau, để điều khiển quỏ trỡnh tổng hợp cần cú sự kết hợp cỏc quỏ trỡnh với nhau Một mỏy tớnh trung tõm được dựng để điều khiển cao cấp cũng như phối hợp hoạt động của cỏc mỏy phõn quyền Mỏy phối hợp này cú thể thuộc cấp điều khiển hoặc thuộc cấp điều hành, tuỳ thuộc chức năng được thực hiện Cỏc mỏy tớnh điều khiển và mỏy tớnh trung tõm nối với nhau qua mạng Cấu trỳc phõn quyền vẫn cũn nhược điểm là số lượng dõy nối lớn

1.1.3 Cấu trỳc phõn tỏn

Phõn tỏn là sự phõn tỏch việc bố trớ trớ tuệ cũng như cỏc chức năng theo bề rộng cũng như chiều sõu, kết hợp mạng truyền thụng thay cho phương phỏp dựng dõy nối và bảng điện cổ điển Bờn cạnh cỏch sử dụng phương phỏp cỏc cụm vào ra tại chỗ và cỏc thiết bị chấp hành thụng minh, người ta cũn đưa vào cỏc mỏy điều khiển nhỏ ( như cỏc bộ điều chỉnh chuyờn dụng, vi điều khiển ) xuống cỏc vị trớ gần kề quỏ trỡnh

kỹ thuật Cấu trỳc này cung cấp khả năng mềm dẻo cao nhất cho việc bố trớ phõn tỏn về mặt địa lý Hỡnh 1.2 mụ tả sơ đồ một giải phỏp tiờu biểu trong một hệ điều khiển phõn tỏn

Trạm kỹ thuật ES

Máy tính điều khiển

Máy tính phối hợp BUS xử lý

Trạm thao tác OS

Trạm phục vụ SS

Một giải pháp tiêu biểu trong một hệ điều khiển phân tán

Máy tính điều khiển

BUS trường Trung tâm

Hỡnh 1.2

+ Trung tâm điều hành bao gồm: Trạm kỹ thuật (Engineering Station – ES ), trạm thao tác ( Operator Station – OS ) và trạm phục vụ ( Sevice Station – SS )

+ Trung tâm điều khiển bao gồm các máy tính điều khiển như bộ logic khả trình ( Programable Logic Control - PLC ), máy tính công nghiệp ( Industrial Personal Computer - IPC) và các máy tính phối hợp được nối với nhau và nối lên trung tâm điều hành quá trình qua bus xử lý

+ Khu vực gần với khu vực kỹ thuật bao gồm các bộ điều khiển tại chỗ như các bộ vi điều khiển ( Micro Controller – MC ), các bộ điều khiển thu gọn ( Compact Controller ), các cụm vào ra tại chỗ, các thiết bị cảm biến , chấp hành được nối lên trung tâm qua bus trường Trong thực tế tuỳ theo tính chất ứng dụng mà cấu trúc trên có thể được đơn giản hoá hoặc mở rộng hơn

Những ưu điểm của giải pháp này là:

+ Giải quyết được vấn đề dây nối nhờ mạng truyền thông

+ Hiệu suất cũng như độ tin cậy hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới

+ Độ linh hoạt cao, tạo ra hệ thống mở

Cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, sự chuyển hướng giải quyết trong hệ thống tự động sang cấu trúc phân tán là một hướng hợp lý vì nó đáp ứng được các yêu cầu bức thiết ở phía người sử dụng là đảm bảo tính năng kỹ thuật nhưng phải giảm giá thành

1.2 Cấu trúc mạng

Liên kết

Là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hay nhiều đối tác truyền thông

Đối với liên kết vật lý các đối tác chính là các trạm truyền thông được liên kết với nhau qua một môi trường vật lý

Ví dụ Các bộ lặp, các bộ xử lý truyền thông

Với khái niệm liên kết logic thì có thể hiểu theo hai nghĩa

+ Một đối tác truyền thông không nhất thiết phải là một thiết bị phần cứng mà có thể là một chương trình hệ thống hay một chương trình ứng dụng trên một trạm Như vậy tương ứng với mỗi đối tác vật lý thường có nhiều đối tác logic cũng như nhiều đối tác logic có thể xây dựng trên cơ sở một đối tác, một mối liên kết vật lý

+ Mặc dù bản thân các đối tác vẫn là các thiết bị phần cứng nhưng quan hệ của chúng về mặt logic hoàn toàn khác với quan hệ về mặt vật lý

Các kiểu liên kết

Liên kết điểm- điểm

Liên kết điểm- điểm ( point to point) là kiểu liên kết chỉ có 2 đối tác tham gia trong một mối liên kết

Về mặt vật lý thì đối với một đường truyền chỉ có thể nối được hai trạm với nhau Để xây dựng một mạng truyền thông trên cơ sở này sẽ cần rất nhiều đường dây riêng biệt

Liên kết điểm- nhiều điểm( multi drop)

Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia tuy nhiên chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng truyền tin trong khi các đối tác còn lại (trạm tớ) cùng nhận tin một lúc Việc giao tiếp theo chiều ngược lại từ trạm tới tới trạm chủ chỉ được thực hiện theo kiểu điểm-điểm Về mặt vật lý nhiều đối tác có thể được nối với nhau qua một cáp chung duy nhất

Liên kết nhiều điểm ( multipoint)

Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hướng nào Bất cứ đối tác nào cũng có quyền phát tin và bất cứ trạm nào cũng nhận được tin

Một hệ thống truyền thông không nhất thiết phải hỗ trợ tất cả các kiểu liên kết trên, tuy nhiên khả năng liên kết đa điểm đã bao hàm khả năng liên kết điểm- nhiều điểm cũng như khả năng liên kết điểm- nhiều điểm bao hàm khả năng liên kết điểm-điểm Khả năng liên kết đa điểm là đặc trưng của mạng truyền thông công nghiệp

Có 3 kiểu kết nối bus:

+ Daisy- chain : Mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn không qua một đoạn dây dẫn phụ nào

+ Trunkline-dropline : Mỗi trạm được nối với đường bus chung thông qua một đường nhánh Dây dẫn đường nhánh thường nhỏ hơn đường trục và chiều dài trong phạm vi vài met

+ Mạch vòng không tích cực : Đường bus chung được nối thành một mạch vòng kín Các trạm được nối với vòng chính thông qua các đường nhánh

Cấu trúc bus được dùng phổ biến nhất trong các mạng truyền thông công nghiệp, kiểu cấu trúc này

có những ưu, nhược điểm như sau:

- Tiết kiệm được cáp truyền và công lắp đặt

- Đơn giản, dễ thực hiện

- Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, do cắt nguồn … ) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại Một số hệ thống còn cho việc tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi

cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường

- Phải có phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu

- Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát được vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm Trong thực tế, công việc gán địa chỉ này gây ra rất nhiều khó khăn

- Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa Đây chính là

lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp

- Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xảy ra hiện tượng phản

xạ tại mỗi đầu dây, làm giảm chất lượng của tín hiệu Để khắc phục vấn đề này người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối Việc sử dụng các trở đầu cuối cũng làm tăng tải của hệ thống

- Trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống Việc định vị lỗi ở đây cũng gặp khó khăn nhiều

- Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm cố hữu gây khó khăn trong việc áp dụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang

Một số mạng công nghiệp tiêu biểu sử dụng cấu trúc bus: PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks, AS-i và Ethernet Cấu trúc này thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ

Có hai kiểu mạch vòng như sau:

a, Kh«ng cã ®iÒu khiÓn trung t©m

Những ưu nhược điểm của cấu trúc này như sau:

- Có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn vì mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuyếch đại

- Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc

- Biện pháp tránh xung đột tín hiệu thực hiện đơn giản hơn vì mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra

thành hai phần, và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều

- Cấu trúc mạch vòng thực chất dựa trên cơ sở liên kết điểm - điểm, vì vậy thích hợp cho việc sử dụng

các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại…

- Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách

hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sắp xếp vật lý của các trạm trong mạch vòng

- Có khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố Trong trường hợp sự cố mạng vẫn có thể hoạt động bình

thường nhờ có đường dây dự phòng

Cấu trúc mạch vòng được sử dụng trong một số hệ thống có độ tin cậy cao như Interbus,

Token-Ring (IBM) và đặc biệt là FDDI

1.2.3 Cấu trúc hình sao

Trong cấu trúc này có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác, nút này sẽ điều khiển

sự truyền thông của toàn mạng Các thành viên khác được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm

CÊu tróc h×nh saoCấu trúc này có kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm - điểm, tuy nhiên liên kết về mặt logic vẫn có thể

là nhiều điểm Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn

bộ việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch Nhược điểm của cấu trúc hình sao là:

- Khi có sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng, vì vậy

trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao

- Tốn dây dẫn nếu như khoảng trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm trung

tậm

Cấu trúc hình sao được dùng trong các phạm vi nhỏ, ví dụ các bộ chia, thường dùng vào mục đích

mở rộng các cấu trúc khác Các hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày nay sử dụng phổ biến cấu trúc

này kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch và phương pháp truyền dẫn tốc độ cao

1.2.4 Cấu trúc cây

Cấu trúc cây là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao

Dạng cấu trúc này như sau:

bé nèi bé lÆp bé nèi sao

bé nèi vßng

CÊu tróc c©yĐặc trưng của cấu trúc này là sự phân cấp đường dẫn Để chia từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực, hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như bridge, router và gateway

Một số hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho một mạng đồng nhất là: Foundation Fieldbus, LonWorks, DeviceNet và AS-I

1.3 Truy nhập bus

Trong hệ mạng cấu trúc dạng bus các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn Để tránh xung đột thông tin, tại một thời điểm nhất định trên đường dẫn chỉ duy nhất một thành viên được phép gửi tín hiệu Cách thức phân chia quyền được phép gửi tín hiệu gọi là phương pháp truy nhập bus Đối với một số cấu trúc mạng khác vấn đề xung đột tín hiệu vẫn có thể xảy ra tuy nhiên không phức tạp như cấu trúc bus

Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống Trên cơ sở phương pháp truy nhập bus được áp dụng, để đạt được hiệu suất sử dụng đường truyền tối đa, cần phải tính toán hoặc thử nghiệm để tìm ra các thông số cho thiết kế cấu hình mạng Cụ thể ta cần quan tâm đến 3 vấn đề:

Độ tin cậy

Tính thời gian thực: Là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy có 2 yếu

tố đánh giá tính thời gian thực

+ Thời gian đáp ứng tối đa: là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của một trạm với một trạm bất kỳ khác Nó là một hàm của độ dài dữ liệu cần trao đổi Trong một ứng dụng cụ thể thường biết trước độ dài dữ liệu tối đa, độ dài dữ liệu tiêu biểu mà các trạm cần trao đổi thông tin do vậy bên cạnh thời gian đáp ứng tối đa người ta cũng quan tâm đến thời gian đáp ứng tiêu biểu

+ Chu kỳ bus: Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông trở lại như cũ Trong điều khiển tự động chu kỳ bus là cơ sở cho việc chọn chu kỳ lấy mẫu tín hiệu đo

Trong kỹ thuật điều khiển tự động, đa số các hệ thống bus làm việc theo chu kỳ, phần lớn các dữ liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàn của hệ thống bus

Thời gian đáp ứng và chu kỳ bus có liên quan với nhau nhưng ràng buộc không lớn Chu kỳ bus lớn

sẽ làm tăng thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng tối đa có thể lớn hoặc nhỏ hơn một chu kỳ bus

Hiệu suất sử dụng đường truyền : Là phần trăm thời gian đường truyền được sử dụng thực sự hiệu

Cú thể phõn loại cỏch truy nhập bus thành cỏc phương phỏp tiền định và cỏc phương phỏp ngẫu nhiờn như sau:

Phương pháp truy nhập bus

Kiểm soát tập trung

Phân loại các phương pháp truy nhập bus

Cỏc phương phỏp tiền định, trỡnh tự truy nhập bus được xỏc định rừ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soỏt chặt chẽ theo cỏch tập trung ở một trạm chủ (phương phỏp Master/Slave), theo sự qui định trước về thời gian (phương phỏp TDMA) hoặc phõn tỏn bởi cỏc thành viờn (phương phỏp Token Passing) Thụng thường hoạt động truyền thụng được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định, thời gian đỏp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus cú thể tớnh toỏn được Cỏc hệ thống này vỡ thế được gọi cú khả năng thời gian thực

Phương phỏp ngẫu nhiờn, trỡnh tự truy nhập bus khụng được quy định chặt chẽ trước, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của cỏc trạm Mỗi thành viờn trong mạng cú thể thử truy nhập bus để gửi thụng tin đi bất cứ lỳc nào Để loại trừ tỏc hại của việc xung đột gõy nờn, cú những phương phỏp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc trỏnh xung đột (CSMA/CA) Người ta thường khụng đỏnh giỏ cao khả năng thời gian thực của phương phỏp này Tuy nhiờn, tuỳ theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà tớnh năng thời gian thực của một hệ thống được đỏnh giỏ khỏc nhau

Trong một số hệ thống, cỏc trạm tớ khụng giao tiếp trực tiếp với nhau, bất cứ dữ liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ Nếu hoạt động giao tiếp diễn ra theo chu kỳ, trạm chủ sẽ cú trỏch nhiệm chủ động yờu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và sau đú sẽ chuyển tới trạm tớ cần nhận Trong trường hợp một trạm tớ cần trao đổi dữ liệu bất thường với một trạm khỏc phải thụng bỏo yờu cầu của mỡnh khi được trạm chủ hỏi đến và sau đú chờ được phục vụ

Trỡnh tự được tham gia giao tiếp, hay trỡnh tự được hỏi của cỏc trạm tớ cú thể do người sử dụng qui định trước (tiền định) bằng cỏc cụng cụ tạo lập cấu hỡnh

Thời gian cần thiết cho trạm chủ hỏi tuần tự một vũng cũng chớnh là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus Do vậy với số trạm xỏc định cú thể tớnh toỏn được chu kỳ bus một cỏch tương đối chắc chắn nờn hệ thống cú khả năng thời gian thực

Những ưu - nhược điểm của phương phỏp này như sau:

- Việc kết nối mạng cỏc trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kộm bởi tạo lập kết nối thường tập trung tại trạm chủ

- Hiệu suất trao đổi thụng tin giữa cỏc trạm tớ bị giảm do dữ liệu phải đi qua khõu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền

- Độ tin cậy của hệ thống truyền thụng phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất Cỏch khắc phục là sử dụng một trạm tớ đúng vai trũ giỏm sỏt trạm chủ và cú khả năng thay thế trạm chử khi cần thiết

Phương phỏp chủ/tớ chỉ được dựng phổ biến trong cỏc hệ thống bus cấp thấp, nhu cầu trao đổi thụng tin chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và cỏc trạm tớ là thiết bị trường hoặc cỏc module vào/ra phõn tỏn

1.3.2 Phõn chia thời gian (TDMA)

Trong phương phỏp đa truy nhập phõn chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi trạm được phõn một thời gian truy nhập bus nhất định Cỏc trạm cú thể lần lượt thay nhau gửi thụng tin trong khoảng thời gian cho phộp – gọi là khe thời gian hay lỏt thời gian – theo một tuần tự qui định sẵn Việc phõn chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định) Mỗi trạm đều cú khả năng đảm nhiệm vai trũ chủ động trong giao tiếp với cỏc trạm khỏc

cầuChu kỳ bus (chu kỳ TDMA)

Phương pháp TDMANgoài cỏc lỏt thời gian phan chia cố định cho cỏc trạm dựng để trao đổi dữ liệu định kỳ thường cũn

cú một khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi dữ liệu bất thường theo yờu cầu, vớ dụ gửi thụng tin cảnh bỏo, mệnh lệnh đặt lại cấu hỡnh, dữ liệu tham số, setpoint,…

Về nguyờn tắc TDMA cú thể thực hiện theo nhiều cỏch khỏc nhau cú thể phõn chia thứ tự truy nhập bus theo vị trớ sắp xếp của cỏc trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ, hoặc theo thứ tự của cỏc mạng truyền thụng, cũng cú thể kết hợp TDMA với phương phỏp chủ/tớ nhưng cho phộp cỏc trạm tớ giao tiếp trực tiếp Cú hệ thống lại sử dụng một bức điện tổng hợp cú cấu trỳc giống như sơ đồ phõn chia thời gian trờn Phương phỏp này thớch hợp cho cỏc ứng dụng thời gian thực

Ưu, nhược điểm :

Hệ cú tớnh thời gian thực cao

Mang tớnh tiền định, phự hợp với trao đổi dữ liệu mang tớnh chu kỳ tuần hoàn

Cú thể phõn chia quyền điều khiển truy nhập cho cỏc đối tượng

Hiệu suất truyền dữ liệu cú thể khụng cao

Việc đồng bộ húa tương đối phức tạp

1.3.3 Thẻ bài (Token Passing)

Token là một bức điện ngắn khụng mang dữ liệu, cú cấu trỳc đặc biệt dể phõn biệt với cỏc bức điện mang thụng tin nguồn, được dựng tương tự như một chỡa khoỏ Một trạm được gửi thụng tin đi chỉ trong thời gian nú được giữ token Sau khi khụng cú nhu cầu gửi thụng tin hay hết thời gian cho phộp, trạm đang cú token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khỏc theo một trỡnh tự nhất định Nếu trỡnh tự này đỳng với trỡnh tự sắp xếp vật lý trong một mạch vũng, ta dựng khỏi niệm Token Ring (chuẩn IEEE 802.4) cũn nếu trỡnh tự được quy định chỉ cú tớnh chất logic như ở cấu trỳc bus (vớ dụ theo tứ tự địa chỉ), ta núi Token Bus (chuẩn IEEE802.5)

Một trạm bất kỳ bao giờ cũng cú khả năng tham gia kiểm soỏt truyền thụng, vớ dụ như sau một thời gian nhất định mà token khụng được đưa tiếp, cú thể do trạm đang giữ token cú vấn đề Trong trường hợp

đú, một trạm sẽ cú chức năng tạo một token mới Chớnh vỡ vậy, Token Passing được xếp vào phương phỏp kiểm soỏt phõn tỏn Do thời gian được quyền giữ token hạn chế dẫn đến việc tớnh toỏn được thời gian phản ứng cũng như chu kỳ bus tối đa, cỏc hệ thống sử dụng phương phỏp truy nhập này cũng cú khả năng thời gian thực

Trong thời gian xỏc lập cấu hỡnh, cỏc trạm sẽ được cài đặt thời gian dựng token của mỡnh, từ đú đi đến thoả thuận một chu kỳ bus thớch hợp để tất cả cỏc trạm đều cú quyền tham gia gửi thụng tin và kiểm soỏt hoạt động truyền thụng của mạng, việc kiểm soỏt bao gồm cỏc cụng việc sau:

Hai dạng của phương pháp Token Passing

- Khởi tạo token: Sau khi khởi động hệ thống mạng, một trạm cú trỏch nhiệm tạo một token mới

- Tỏch trạm ra khỏi mạch vũng logic: Một trạm cú sự cố phải được phỏt hiện và tỏch ra khỏi trỡnh tự được nhận token

- Bổ sung trạm mới: Một trạm mới được kết nối mạng, một trạm cũ được thay thế hoặc đưa trở lại sử dụng phải được bổ sung vào mạch vũng logic để cú quyền nhận token

Ưu nhược điểm

Mang tớnh tiền định

Phự hợp với nhiều cấu hỡnh mạng khỏc nhau

Token Passing cũng có thể sử dụng kết hợp với phương pháp chủ/ tớ tạo thành phương pháp nhiều chủ (Multi-master), trong đó những trạm có quyền giữ token là trạm chủ, hay còn được gọi là trạm tích cực Các trạm chủ này có thể là các bộ điều khiển (PLC, PC), còn các trạm tớ (trạm không tích cực) là các

bộ vào/ra phân tán, các thiết bị trường thông minh

Truy nhËp bus kÕt hîp nhiÒu chñ ( Multi-Master)

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

Nguyên tắc làm việc: Mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

- Mỗi trạm đều phải tự kiểm tra đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu) thì mới được phép gửi dữ liệu

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

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

Ưu nhược điểm

Phương pháp này đơn giản, linh hoạt, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng gì tới hoạt động của hệ thống vì vậy phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet Nhược điểm của phương pháp này là tính bất định của thời gian phản ứng vì các trạm đều bình đẳng như nhau nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được tương đối chính xác thời gian Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp Nếu không kết hợp thêm với các kỹ thuật khác thì phương pháp này không thích hợp với các bus cấp thấp, đòi hỏi trao đổi dữ liệu định kỳ, thời gian thực Thời gian chờ ngẫu nhiên được xác định theo một thuật toán nhất định, vì vậy có thể xác định tính

ưu tiên cho từng trạm cụ thể, trạm nào có tính ưu tiên cao hơn sẽ có thời gian chờ ngẫu nhiên nhỏ hơn

Điều kiện ràng buộc khi thực hiện phương phỏp truy nhập này:

- Khi thực hiện phương phỏp này bị hạn chế bởi một điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dõy dẫn, tốc

độ truyền thụng và chiều dài bức điện Điều kiện thực hiện phương phỏp này là thời gian gửi một bức điện phải lớn hơn hai lần thời gian lan truyền tớn hiệu:

(Chiều dài bức điện n/ Tốc độ truyền v) > 2Ts

1.3.5 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thụng tin Tuy nhiờn, một phương phỏp mó hoỏ bit thớch hợp được sử dụng ở đõy để trong trường hợp xảy ra xung đột một tớn hiệu

Mức tín hiệu lấn át -> phát tiếp

Phương pháp CSMA/CA

Điều kiện ràng buộc khi thực hiện phương pháp này như sau: Mỗi trạm đều phải nhận biết được tín hiệu phản hồi tương ứng với bit vừa được gửi trước khi gửi đi bit tiếp theo, khi đó nếu có xung đột trạm

có thể dừng lại để tránh ảnh hưởng đến bit tiếp theo Thời gian bit TB phải lớn hơn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS, hay là 1/v > 2TS

Sử dụng mức ưu tiên:

Mỗi bức điện đều được bắt đầu bằng một dãy bit đặc biệt được gọi là cờ hiệu, sau đó là các phần khác như thông tin kiểm soát, địa chỉ Đối với phương pháp này, có thể sử dụng mức ưu tiên cho mỗi trạm và gắn mã ưu tiên vào phần đằng sau cờ hiệu của mỗi bức điện Bức điện nào có mức ưu tiên cao hơn sẽ lấn át các bức điện khác

Ưu nhược điểm

Hiệu suất sử dụng đường truyền cao hơn CSMA/CD vì nếu xảy ra xung đột thì vẫn có một trong hai bức điện tiếp tục được gửi đi

Đơn giản không cần đặt cấu hình trước

Nhược điểm là bị hạn chế về tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn

Phương pháp này phù hợp với mạng cấp cao như Ethernet

1.4 Kiến trúc giao thức:

1.4.1 Dịch vụ truyền thông

Một hệ thống cung cấp dịch vụ truyền thông cho các thành viên tham gia nối mạng, các dịch vụ đó dùng cho việc thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như

+ Trao đổi dữ liệu

+ Báo cáo trạng thái

+ Tạo lập cấu hình

Mỗi hệ thống truyền thông khác nhau có thể quy định một chuẩn riêng về tập hợp các dịch vụ truyền thông của mình

Có thể phân loại dịch vụ truyền thông dựa theo các cấp khác nhau

+ Dịch vụ cấp thấp ( tạo và ngắt truyền thông)

+ Dịch vụ cấp trung (Truyền dữ liệu )

+ Dịch vụ cấp cao (Tạo lập cấu hình)

Một dịch vụ cấp cao hơn có thể sử dụng các dịch vụ cấp thấp để thực hiện chức năng của nó

Ví dụ dịch vụ tạo lập cấu hình phải sử dụng dịch vụ trao đổi dữ liệu để thực hiện chức năng của mình Phân cấp dịch vụ truyền thông có tác dụng tạo sự linh hoạt cho người sử dụng

Các thành phần chuẩn của giao thức

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

+ Ngữ nghĩa (semantic) : Quy định ý nghĩa cụ thể của từng phần trong một bức điện như thủ tục điều khiển dòng thông tin, phương pháp định địa chỉ

+ Định thời (timing) : Quy định trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền (Đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông

Việc thực hiện một dịch vụ truyền thông trên cơ sở các giao thức tương ứng gọi là xử lý giao thức Quá trình xử lý giao thức có thể là mã hoá ( bên gửi), và giải mã (bên nhận)

Tương tự như dịch vụ truyền thông có thể phân biệt giao thức cấp thấp và giao thức cấp cao Giao thức cấp cao là cơ sở cho các dịch vụ cấp cao và giao thức cấp thấp là cơ sở cho các dịch vụ cấp thấp Giao thức cấp cao gần với người sử dụng thường được thực hiện bằng phần mềm

VD: FTP (File Transfer Protocol) dùng trao đổi file từ xa

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) Dùng trao đổi trang HTML

MMS (Manufactoring Message Specification) dùng trong mạng công nghiệp

Giao thức cấp thấp gần với phần cứng và thường được thực hiện bằng mạch điện tử

VD: TCP/IP ( Transmission Control Protocol/ Internet Protocol ) dùng phổ biến trong mạng Internet HART ( Highway Adressable Remote Transducer) dùng trong điều khiển quá trình

HDLC ( High Level Data link control) là cơ sở cho nhiều giao thức khác

UART dùng chủ yếu trong các giao diện vật lý của các hệ thống bus trường

1.4.3 Mô hình lớp

Để trao đổi dữ liệu giữa hai đối tác, các thủ tục, các giao thức có thể sẽ phức tạp Thay vì việc phải thực hiện tất cả các bước cần thiết trong một module duy nhất ta chia nhỏ thành các phần việc có thể thực hiện độc lập

Trong mô hình lớp, các phần việc được sắp xếp theo chiều dọc thành từng lớp tương ứng với các lớp

Kết nối.Yc Kết nối.Ct Kết nối.Dư Kết nối.Xn

Không kết nối.Yc

Không kết nối.ct

Dịch vụ có xác nhận và không xác nhận kết nối

Mỗi lớp có thể thuộc chức năng của phần cứng hoặc phần mềm Càng ở lớp cao hơn thì phần mềm càng chiếm vai trò quan trọng hơn Việc xử lý giao thức ở các lớp dưới thường do các mạch điện tử thực hiện

Trong liên lạc máy tính, truyền thông tin giữa các hệ thống có thiết kế khác nhau là một nhiệm vụ rất khó khăn Vào đầu những năm 1980 tổ chức chuẩn hoá quốc tế ISO (International organization for Standardization), thấy rằng cần phải có một mô hình mạng chung nhằm giúp cho các nhà thiết kế có cơ

sở để căn cứ theo khi xây dựng Mô hình mạng OSI (Open Systerm Interconnection) được ISO cho ra đời năm 1984 đã đáp ứng được nhu cầu thực tế này (Hình 1.1)

Mô hình OSI gồm 7 tầng như sau:

+ Tầng ứng dụng (Application Layer): Đây là tầng trên cùng trong bộ giao thức và có giao diện trực tiếp với người sử dụng Tầng này khác với các tầng còn lại trong mô hình OSI ở chỗ tầng ứng dụng không cung cấp dịch vụ cho các tầng khác trong mô hình mà cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng cao cấp không thuộc trong mô hình OSI Các dịch vụ thuộc lớp ứng dụng hầu hết được thực hiện bằng phần mềm Các phần mềm này được thiết kế dưới dạng

- Tích hợp sẵn trong giao diện mạng

- Các drivers có thể nạp khi cần thiết

- Thư viện cho một ngôn ngữ lập trình chuyên dụng hoặc phổ thông

- Các khối hàm xử lý truyền thông

+ Tầng biểu diễn (Presentation Layer): Tầng biểu diễn đảm bảo một ứng dụng có thể đọc được thông tin của ứng dụng trên hệ thống khác Khi cần thiết tầng biểu diễn có thể chuyển đổi các dạng biểu diễn dữ liệu khác nhau bằng cách sử dụng một dạng dữ liệu chung Ngoài ra tầng biểu diễn còn có thể cung cấp một số dịch vụ bảo mật dữ liệu

Đối với hệ thống bus trường hầu hết dữ liệu trao đổi đã được chuẩn hoá nên chức năng của lớp này không thể hiện rõ rệt do vậy lớp này được tích hợp trực tiếp vào lớp 7 để đơn giản hoá giao tiếp và nâng cao hiệu suất xử lý giao thức

+ Tầng phiên (Session Layer) Tầng phiên thiết lập quản lí và kết thúc phiên liên lạc giữa các ứng dụng Mỗi phiên liên lạc có nhiều lần trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống có các biểu diễn khác nhau Tầng phiên đồng bộ hoá việc đối thoại giữa các thực thể trong tầng biểu diễn và quản lí việc trao đổi dữ liệu giữa các thực thể này

Giao thức tầng 7 Giao thức tầng 6 Giao thức tầng 5 Giao thức tầng 4 Giao thức tầng 3 Giao thức tầng 2 Giao thức tầng 1

Đường truyền vật lý

Mô hình mạng OSI 7 tầng

Trong các hệ thống bus trường, quan hệ nối giữa các chương trình ứng dụng được xác định sẵn nên tầng phiên không đóng vai trò gì đáng kể, chức năng của lớp này thường được đẩy lên tầng ứng dụng vì

lý do hiệu suất truyền thông

+ Tầng vận chuyển (Transport Layer): Ranh giới giữa tầng phiên và tầng vận chuyển cũng có thể được xem là ranh giới giữa các giao thức thuộc tầng ứng dụng và giao thức phía dưới trong khi các tầng ứng dụng, tầng biểu diễn và tầng phiên có liên quan đến ứng dụng thì 4 tầng nằm dưới gắn với việc truyền dữ liệu Tầng vận chuyển cung cấp các dịch vụ vận chuyển dữ liệu cho các tầng trên như thiết lập mạch ảo (Virtual Circuit) giữa hai hệ thống, phát hiện và khôi phục các lỗi trong quá trình vận chuyển dữ liệu + Tầng mạng (Network Layer): Tầng mạng là một tầng phức tạp, cung cấp các dịch vụ về chọn đường đi

và kết nối giữa hai hệ thống, điều khiển và phân phối dòng truyền trên mạng để tránh tắc nghẽn

+ Tầng kết nối dữ liệu ( Data Link Layer): Tầng kết nối dữ liệu đảm nhận công việc truyền thông tin qua kết nối giữa các hệ thống, quản lí địa chỉ vật lí, cách sử dụng đường truyền của các hệ thống máy tính phát hiện lỗi và phân phối các khung dữ liệu (Frame)

+ Tầng vật lí (Physical Layer): đây là tầng thấp nhất trong mô hình OSI, xác định các đặc tính điện tử, cơ khí, giao thức Cho việc khởi tạo, duy trì và kết thúc các liên kết vật lí giữa các hệ thống Các tính chất như mức điện áp, thời gian thay đổi điện áp, tốc độ truyền dữ liệu vật lí, khoảng cách truyền dẫn lớn nhất, các đầu nối vật lí xác định và quản lí

Như vậy qua các chức năng của các tầng thì ta nhận thấy rằng: để đảm bảo một hệ thống làm việc thì các tầng 1, 2, 4 là không thể thiếu được trong mạng, các tầng khác có thể khuyết thiếu tuỳ thuộc vào chức năng sử dụng Hệ thống mạng truyền thông công nghiệp của chúng ta sẽ xây dưng dựa trên cơ sở 3 lớp mạng trên

1.5 Bảo toàn dữ liệu

Trong môi trường công nghiệp, truyền thông chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiễu và chất lượng môi trường truyền dẫn do vậy không tránh khỏi bị sai lệch Ngay cả trong trường hợp sử dụng truyền thông

số, sai lệch vẫn có thể sảy ra Vấn đề đặt ra là phải hạn chế lỗi tối đa, trong trường hợp sảy ra lỗi phải có biện pháp phát hiện và khắc phục lỗi Có hai biện pháp thực hiện:

+ Sử dụng các phần cứng cao cấp, các mạch lọc nhiễu và nâng cao biện pháp bọc lót đường truyền + Sử dụng phương pháp bảo toàn dữ liệu (xử lý bằng giao thức) để phát hiện và khắc phục lỗi

Biện pháp thứ nhất chỉ có thể hạn chế được nhiễu mà không loại trừ hoàn toàn được nhiễu do vậy không thể đảm bảo chắc chắn lỗi sẽ không xảy ra, không thể nhận biết và khắc phục lỗi hơn nữa giá thành đầu tư cao Biện pháp thứ hai có ưu điểm là giá thành đầu tư thấp, cách thức linh hoạt tuy nhiên nó chỉ có

ý nghĩa khi xác suất xảy ra lỗi trên đường truyền thấp, hơn nữa nó ảnh hưởng đến tốc độ xử lý thông tin của các trạm truyền thông Trong thực tế tuỳ từng yêu cầu cụ thể mà áp dụng hai phương pháp trên một cách linh hoạt

Có thể phân biệt các loại lỗi như sau:

+ Lỗi không thể phát hiện được

+ Lỗi phát hiện được nhưng không sửa được ( không có thông tin chỉnh sửa )

+ Lỗi phát hiện được và sửa được

Nguyên lý cơ bản của bảo toàn dữ liệu:

Bảo toàn dữ liệu là nhiệm vụ được thực hiện ở lớp 2, theo mô hình quy chiếu OSI Trong quá trình

mã hoá nguồn bên gửi sẽ bổ xung một số thông tin phụ trợ cho mục đích bảo toàn dữ liệu vào bức điện cần gửi đi, thông tin phụ trợ này được tính toán theo một thuật toán nhất định Bên nhận sẽ dựa vào phần thông tin bổ trợ này để phát hiện và khắc phục lỗi

Các biện pháp khắc phục lỗi chỉ có thể được thực hiện khi phát hiện ra lỗi, Cách khắc phục lỗi phụ thuộc vào cách thức kiểm soát lỗi, trong truyền thông có các cách khắc phục lỗi sau:

+ Bức điện gửi đi chỉ có phần thông tin kiểm soát lỗi, không có phần thông tin khắc phục lỗi Trường hợp này bên nhận yêu cầu bên gửi sẽ gửi lại một bản tin mới

+ Bức điện gửi đi có phần thông tin khắc phục lỗi Khi đó bên nhận dựa vào phần thông tin khắc phục lỗi

để chỉnh sửa lại bản tin

Theo lý thuyết phần thông tin phụ trợ kiểm soát lỗi càng nhiều khả năng phát hiện lỗi càng cao Tuy nhiên trong quá trình truyền thông, thông tin nguồn và thông tin phụ trợ đều được gửi trên cùng một đường truyền nên phần thông tin phụ trợ cũng có thể bị lỗi do đó phải cân nhắc quan hệ giữa lượng thông tin nguồn và lượng thông tin phụ trợ để đạt được hiệu quả cao nhất

Bức điện truyền đi càng dài khả năng gặp lỗi trong bức điện càng lớn, đồng thời thời gian và công sức để khắc phục lỗi cũng lớn, trong truyền thông các bức điện được tính toán có độ dài hợp lý, Khi lượng thông tin nguồn lớn, thông tin nguồn sẽ được cắt nhỏ cho phù hợp với các bức điện và được đánh

Tỉ lệ bit lỗi còn lại

Là thông số đặc trưng cho độ tin cậy của một hệ truyền thông sau khi đã áp dụng các biện pháp bảo toàn dữ liệu

Tỉ lệ bit lỗi còn lại phụ thuộc vào tỉ lệ bit lỗi, phương pháp bảo toàn, chiều dài bức điện

Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi

Khoảng cách Hamming(Hamming Distance,HD)

Là thông số đo độ bền vững của một mã dữ liệu, có giá trị bằng số lượng bit lỗi tối thiểu mà không đảm bảo chắc chắn phát hiện được trong một bức điện khi áp dụng một phương pháp bảo toàn dữ liệu Nếu trong một bức điện có khả năng phát hiện được k bit lỗi một cách chắc chắn thì HD=k+1;

Trong các hệ thống Bus trường HD thường có giá trị 4 hoặc 6

Theo lý thuyết thông tin số lượng bit lỗi chắc chắn phát hiện được bao giờ cũng lớn hơn số lượng bit dùng để kiểm lỗi, do vậy để tăng HD cần tăng lượng thông tin phụ trợ

Hiệu suất truyền dữ liệu:

Hiệu suất truyền dữ liệu là một thông số đặc trưng cho việc sử dụng hiệu quả các bức điện phục vụ chức năng bảo toàn dữ liệu, được tính bằng tỉ lệ số bit mang thông tin nguồn không bị lỗi trên toàn bộ số bit được truyền

n

p m

E

n

)1

( 



Các phương pháp bảo toàn dữ liệu:

1 Parity bit

Dùng một bit thông tin phụ trợ cho mục đích phát hiện lỗi (P) Có 2 loại P

+ P chẵn : Khi tổng số bit 1 của nguồn tin là chẵn thì bit phụ trợ P=0;

+ P lẻ: Khi tổng số bit 1 của nguồn tin là lẻ thì P=0;

VD: dùng P chẵn

Thông tin nguồn cần gửi 10000111

Thông tin gửi đi 100001110

Với phương pháp P ta thấy nếu sai một bit bất kỳ trong phần thông tin gửi đi (kể cả P) thì bên nhận đều có thể phát hiện được Nếu sai 2 bit bất kỳ thì bên nhận không thể phát hiện được Như vậy HD=1+1=2

Phương pháp Parity có thể phát hiện được sổ lẻ các lỗi Phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho giao thức UART

Theo ví dụ trên ta thấy

+ P tính cho hàng và cột là như nhau do vậy bit cuối cùng của P có thể tính theo hàng hoặc cột, đối với bên truyền dữ liệu bit cuối cùng này được tính theo P hàng

+ Trong quá trình truyền thông, nếu sai một bit bất kỳ ( kể cả P) bên nhận có thể phát hiện được và định

vị được chính xác vị trí bị sai, như vậy phát hiện được và sửa được

+ Khi sai 2 bit ở vị trí bất kỳ, bên nhận luôn phát hiện được nhưng không thể định vị chính xác vị trí xảy

ra lỗi, trường hợp này chỉ phát hiện được mà không sửa được

+ Khi sai 3 bit luôn phát hiện được

+ Nếu có 4 bit bị lỗi theo cùng hàng và cột bên nhận sẽ không phát hiện được, các trường hợp lỗi 4 bit khác đều có khả năng phát hiện được

Như vậy khoảng cách Hamming của dữ liệu trong trường hợp này HD = 3+1 = 4

Về cơ bản phương pháp này có khả năng sửa lỗi, tuy nhiên nó chỉ có thể sửa khi một khối dữ liệu gửi

đi chỉ có một lỗi, do vậy khả năng sửa lỗi không phải là hoàn toàn đáng tin cậy (sẽ xảy ra sai lệch khi sai

3 lỗi kề nhau) Nếu đường truyền có độ tin cậy cao kết hợp với một số phương pháp bảo toàn bức điện khác thì Parity bit 2 chiều là một biện pháp có thể phát hiện sai lệch và sửa chữa đáng tin cậy

3 CRC (Cyclic Redundancy Check)

Hai phương pháp bảo toàn dữ liệu trên hiệu suất truyền dữ liệu khá thấp, với Parity một chiều 8 bit tỉ

lệ giữa thông tin phụ trợ và dữ liệu là 1/8 Parity hai chiều là 17/64 CRC được gọi là phương pháp mã vòng, xuất phát từ ý tưởng tìm ra một phương pháp bảo toàn dữ liệu nâng cao hiệu suất truyền thông bằng cách giảm tỉ lệ giữa thông tin phụ trợ kiểm tra lỗi trên thông tin dữ liệu cần truyền Ý tưởng ở đây là thông tin phụ trợ được tính bằng một thuật toán thích hợp sao cho các bit dữ liệu được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán, khi đó lượng thông tin phụ trợ sẽ giảm xuống mà vẫn đảm bảo được yêu cầu bảo toàn dữ liệu

Nội dung phương pháp

Để tính toán thông tin kiểm lỗi người ta dùng một chuỗi bit đặc biệt được gọi là đa thức phát G (generator polynominal).Chuỗi bit này được biểu diễn dưới dạng một đa thức nhị phân bậc n, phần thông tin phụ trợ cho bảo toàn dữ liệu sẽ có n bit, n càng lớn khả năng bảo toàn dữ liệu sẽ càng cao nhưng phải trả giá bằng khối lượng tính toán nhiều và lượng thông tin phụ trợ cho mục đích bảo toàn dữ liệu tăng Trong thực tế thường chỉ chọn n=7 hoặc 15

Ví dụ : Chuỗi bit 11100101 tương đương với đa thức

G = 1.x7 + 1.x6 +1.x5 + 0.x4 + 0.x3 + 1.x2 + 0.x 1+ 1.x0 là đa thức bậc n=7

Bên gửi tin tính toán thông tin bảo toàn dữ liệu như sau:

Thêm vào phần dữ liệu cần gửi(S) n bit 0 và coi phần dữ liệu mới là một đa thức (P)

Dùng đa thức P chia cho đa thức G, sử dụng phép chia modulo 2, phép chia này dựa vào quy tắc trừ không nhớ

Đa thức D là nguồn thông tin đã áp dụng phương pháp bảo toàn dữ liệu sẽ được gửi đi trên đường truyền Đối với bên nhận sẽ thực hiện như sau:

Giả sử nhận được một chuỗi bit tương ứng với đa thức D’

Dùng D’ chia cho đa thức phát G, ở đây vẫn sử dụng phương pháp chia modulo 2

+ Nếu kết quả phép chia được phần dư R’=0 thì khẳng định rằng xác suất rất cao bức điện không bị lỗi,

có thể coi D = D’ Bỏ n bit cuối của đa thức D’ sẽ được đa thức S’ S’ chính là thông tin dữ liệu nguồn mà bên nhận cần Ta nói xác suất cao bởi mỗi bit thông tin nguồn tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán thông tin bổ trợ nên khả năng “ dữ liệu sai mà kết quả đúng “ là rất thấp

+ Nếu kết quả phép chia được phần dư R’ khác 0 thì có thể khẳng định chắc chắn bức điện D’ nhận được

đã bị lỗi, tức là D’ D

Phương pháp CRC nhìn qua có vẻ phức tạp nhưng thực tế việc thực hiện nó lại rất đơn giản Phép chia ở đây được thực hiện thuần tuý bởi phép logic XOR giữa dữ liệu và đa thức phát G kết hợp với các phép so sánh và dịch bit thông thường Phương pháp CRC đa số được thực hiện bằng phần cứng hoặc bằng phần mềm ở giao thức cấp thấp

Phương pháp CRC chỉ có khả năng phát hiện lỗi, không có khả năng định vị lỗi nên nếu phát hiện ra lỗi trong một bức điện thì chỉ khắc phục được bằng cách yêu cầu bên gửi gửi lại bức điện

Khả năng phát hiện lỗi được đặc trưng bằng khoảng cách Hamming phụ thuộc hoàn toàn vào đa thức phát G Chiều dài dãy bit mang thông tin nguồn không ảnh hưởng tới khả năng phát hiện lỗi nhưng để đạt được hiệu quả truyền thông tối ưu cần chú ý tới quan hệ giữa chiều dài của dãy bit mang thông tin nguồn trong một bức điện cần gửi với bậc của đa thức G Bức điện càng dài thì xác suất gặp lỗi càng tăng, nếu bức điện ngắn thì tỉ lệ thông tin bảo toàn dữ liệu / thông tin nguồn tăng

Ví dụ sau đây sẽ minh hoạ các bước thực hiện phương pháp này:

Giả sử cần truyền bức điện S=10110100

Chọn đa thức phát G=1011(x3 + x + 1)

Bên gửi:

+ Thêm 3 bit 0 vào S để được P=10110100000

+ Chia P cho G theo phương pháp modulo 2

+ Sau phép chia dãy bit được truyền đi :D = P OR R = 10110100111

0 0 0 0 0 1 0 0 1 10000101 -1 0 1 1

0 0 1 0 1 1 -1 0 1 1 R= 0 0 0 0

Khôi phục dữ liệu gốc bằng cách bỏ 3 bit cuối của D’ sẽ được S’=10110100

Giả sử bên nhận nhận được bức điện sai 1 bit D’=10110100011

Chia D’ cho G

Phần dư R0, kết luận bức điện nhận được đã bị lỗi

4 Nhồi bit (bit Stuffing)

Nhồi bit thực chất không phải là một phương pháp bảo toàn dữ liệu độc lập mà nó là phương pháp sử dụng cho mục đích đóng gói dữ liệu và mã hoá bit Trong một số giao thức, định dạng bức điện dùng một dãy bit đặc biệt làm cờ hiệu khởi đầu hay kết thúc, dãy bit này sẽ không được phép xuất hiện trong các vị trí khác của bức điện Để làm được điều này người ta thêm vào dãy bit nguyên bản một số bit để tránh một chuỗi dài các bit 1 Hệ quả là cách làm này tạo điều kiện để dễ dàng nhận biết lỗi hơn

Nội dung phương pháp:

Bên gửi: Nếu trong bức điện có n bit 1 đứng liền nhau( trừ dãy bit được dùng làm cờ hiệu) thì thêm một bit 0 vào ngay sau đó, dãy bit truyền đi sẽ không thể có n+1 bit 1 liền nhau

Bên nhận: Nếu thấy n bit 1 liền nhau mà bit tiếp theo là 0 thì tách bỏ bit 0, nếu bit tiếp theo là 1 thì kiểm tra xem có phải là cờ hiệu không Nếu không phải là cờ hiệu thì chắc chắn dữ liệu bị lỗi

Ví dụ sau minh hoạ phương pháp này:

Giả sử n chọn =5 (CAN Bus)

Thông tin nguồn (Không phải là cờ hiệu) :0101111101

Nếu thông tin nhận được :01011111001 thì coi như không có lỗi, thông tin nguồn được khôi phục bằng cách bỏ bit 0 sau 5 bit 1

Nếu thông tin nhận được :01111111001 qua mẫu bit sẽ phát hiện ra lỗi

Trong thực tế hầu hết các lớp giao thức đều áp dụng phương pháp bảo toàn dữ liệu, do đặc thù của mỗi lớp mà các phương pháp bảo toàn tương ứng được sử dụng vì vậy cả 3 phương pháp có thể được phối hợp sử dụng Ví dụ một thông tin nguồn ở lớp trên có thể sử dụng phương pháp CRC cho khung bức điện, đến lớp vật lý sẽ được đưa vào khung UART và áp dụng phương pháp Parity

1.6 Mã hoá bit

Mã hoá bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (0,1) sang một dạng tín hiệu thích hợp để truyền dẫn Các tham số thông tin có thể được thể hiện qua biên độ, tần số, pha, sườn xung

Các tiêu chuẩn trong mã hoá bit:

+ Triệt tiêu dòng một chiều:

+ Thông tin đồng bộ hoá có trong tín hiệu

+Khả năng đồng tải nguồn

+ Khả năng phối hợp nhận biết lỗi

1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1011 -1 0 1 1

0 0 0 0 0 1 0 0 0 10000101 -1 0 1 1

0 0 1 1 1 1 -1 0 1 1 R= 0 1 0 0

1.6.1 Mã NRZ (None Return to Zero)

Là một trong những mã được sử dụng phổ biến trong bus trường NRZ là phương pháp điều biến biên độ xung, trong đó bit 0 và 1 được mã hoá với hai mức biên độ khác nhau mức biên độ này không thay đổi trong một chu kỳ T ( chu kỳ xung nhịp) Có 3 khả năng thể hiện mức sau:

Đặc điểm:

Tín hiệu có tần số tương đương với tần số nhịp bus, sườn xung có thể được sử dụng làm tín hiệu đồng bộ hoá giữa bên gửi và bên nhận Tín hiệu sử dụng là lưỡng cực, dòng một chiều bị triệt tiêu do đó phương pháp này thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng đồng tải nguồn

Mã manchester bền vững với nhiễu bên ngoài đồng thời nhiễu xạ ra môi trường xung quanh cũng lớn

1.6.4 Mã AFP ( Alternate Flanks Pulse)

Đây là phương pháp điều chế vị trí xung Sự thay đổi trạng thái logic đựoc đánh dấu bằng một xung

có cực thay đổi luân phiên Khi không có sự thay đổi mức logic trên đường truyền sẽ không có xung

Đặc điểm:

Tần số tín hiệu thấp hơn rất nhiều tần số nhịp bus Không mang thông tin đồng bộ hoá, dòng một chiều được triệt tiêu Các xung được sử dụng là xung sin sẽ giảm nhiễu xạ đáng kể Mã AFP bền vững với nhiễu bên ngoài

1.6.5 Mã FSK(Frequency Shift Keying)

FSK là phương pháp điều chế dịch tần số, hai tần số khác nhau được dùng để mã hoá các trạng thái logic 0 và 1 Tín hiệu có dạng hình sin, các tần số có thể bằng hoặc là bội số của tần số nhịp bus

Đặc điểm:

Tín hiệu bền vững đối với tác động của nhiễu Nhờ tính chất điều hoàcủat tín hiệu mà dòng một chiều được triệt tiêu, có thể dùng đường truyền để đồng tải nguồn nuôi các thiết bị kết nối mạng Tần số tín hiệu cao hơn tần số nhịp bus nên có khả năng gây nhiễu mạnh với bên ngoài đồng thời hạn chế tốc độ truyền Trong thực tế phương pháp này chỉ được sử dụng cho các hệ thống mạng có tốc độ truyền tương đối thấp

1.7 Chuẩn truyền dẫn

1.7.1 Truyền dẫn không đối xứng

Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với một dây đất để thể hiện trạng thái logic (0,1) của tín hiệu

Ưu điểm nổi bật của phương thức truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần dùng một đường dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu nhờ vậy tiết kiệm được dây dẫn và các linh kiện ghép nối, tuy nhiên đối với cấu hình mạng công nghiệp số đường dây cần sử dụng là ít (1 hoặc 2 đôi dây)

Sử dụng dây đất chung cho nhiều kênh dẫn sẽ làm giảm chất lượng đường truyền, khả năng chống nhiễu giảm rõ rệt Đường truyền chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu xuyên âm, và sự chênh lệch điện áp đất, điều này dẫn đến khoảng cách và tốc độ truyền thông không lớn

1.7.2 Truyền dẫn chênh lệch đối xứng

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

để biểu hiện trạng thái logic (0,1) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất Ở đây có sự cân xứng tương đối

về điện áp của 2 dây A và B so với đất Trong điều kiện làm việc bình thường một tác động nhiễu bên ngoài sẽ làm tăng hay giảm điện áp ở hai dây với một giá trị gần tương đương vì thế hiệu điện áp gần như không đổi, tín hiệu ít bị sai lệch Ngoài ra sự khác nhau về điện áp đất của các trạm tham gia truyền thông hầu như không ảnh hưởng đến việc đánh giá giá trị logic của tín hiệu, tốc độ và khoảng cách truyền lớn Với ưu điểm này phương thức truyền dẫn chênh lêch đối xứng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

Các tham số trong truyền dẫn chênh lệch đối xứng

- V0D: Điện áp chênh lệch đầu ra của bộ phát giữa 2 dây Avà B ( còn được gọi là điện áp đầu cuối, Termination voltage), VOD không phụ thuộc vào điện áp đất Chuẩn quy định VOD min là 1,5v ở đầu ra của

bộ phát, điện áp này sẽ bị suy giảm trên đường truyền và có thể bị sai lệch do nhiễu, ở đầu thu yêu cầu tín hiệu tối thiểu là 200mv để xác định trạng thái logic của tín hiệu

- VOS: Điện áp lệch của bộ kích thích ( Driver ‘s offset voltage) hay còn được gọi là điện áp chế độ chung đầu ra VOC ( output common mode voltage) được xác định bằng chênh lệch từ điểm giữa tải đầu ra so với điện áp đất của bộ phát

1.7.3 Môi trường truyền dẫn, phương tiện truyền dẫn

Môi trường truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu, độ bền vững của tín hiệu Tốc độ và khoảng cách truyền dẫn tối đa cho phép cũng phụ thuộc vào sự lựa chọn này Ngoài các đặc tính kỹ thuật truyền dẫn chúng còn khác nhau ở độ linh hoạt trong cấu hình và giá thành lắp đặt Hầu hết các hệ thống mạng công nghiệp bên cạnh các chuẩn truyền dẫn đều quy định chặt chẽ về chủng loại và chỉ tiêu chất lượng của môi trường truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn được phép

sử dụng

Trong kỹ thuật người ta sử dụng các phương tiện truyền dẫn sau:

- Cáp điện : Cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn

- Cáp quang: Cáp sợi thuỷ tinh, sợi nhựa tổng hợp

- Thuỷ lực:

- Khí nén:

- Vô tuyến: Tia hồng ngoại, sóng radio, siêu âm, vi ba

Đối với mạng truyền thông công nghiệp phổ biến nhất là cáp đôi dây xoắn, cáp đồng trục Với các ứng dụng có yêu cầu cao về tốc độ, khoảng cách và chất lượng truyền thông hay sử dụng trong môi trường nhiễu mạnh, dễ bị ăn mòn thì cáp quang là lựa chọn số một Thuỷ lực, khí nén và vô tuyến thường

sử dụng ở những hệ rời rạc, quy mô nhỏ, chúng không phải là đối tượng của mạng công nghiệp

1.Cáp đôi dây xoắn

Cáp đôi dây xoắn là một phát minh của A Grahm Bell vào năm 1881 và trở thành phương tiện chính trong hệ thống mạng viễn thông đặc biệt là điện thoại

Cấu tạo: Cáp đôi dây xoắn gồm 2 sợi dây đồng quấn ôm vào nhau và cách ly với nhau bởi lớp nhựa tổng hợp PE

Đặc điểm: Nhiễu xạ ra môi trường xung quanh cũng như tạp nhiễu xuyên âm được giảm thiểu Nếu kích thước, độ xoắn của đôi dây dẫn được tính toán phù hợp trường điện từ do chúng sinh ra sẽ được tự triệt tiêu lẫn nhau mà hầu như không làm ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu cần truyền dẫn

Cáp đôi dây xoắn được sử dụng trong mạng truyền thông công nghiệp thường có cấu tạo phức tạp hơn, chủ yếu là các lớp che chắn, bọc lót đường truyền để chống nhiễu đồng thời giảm nhiễu xạ ra môi trường xung quanh, tuỳ vào yêu cầu truyền dẫn, chất lượng đường truyền trong từng môi trường khác nhau mà chọn các loại cáp khác nhau Có 2 loại cáp dẫn cơ bản STP (Shielded Twisted Pair) và UTP (Unshielded Twisted Pair) Cáp dẫn STP ngoài vỏ bọ chung bên ngoài của cả cáp còn có một lớp che chắn riêng cho từng đôi dây Một cáp dẫn có thể có 1 hoặc nhiều đôi dây xoắn, phổ biến là loại một và 2 đôi dây Cáp đôi dây xoắn thường đi kèm với chuẩn truyền dẫn RS 485, RS422 Điện trở đặc tính của STP và UTP thường là 120 Cáp STP có khả năng chống nhiễu cao hơn nhiều so với UTP đồng thời nhiễu xạ ra môi trường xung quanh cũng ít hơn Cáp STP được dùng trong công nghiệp phổ biến hơn UTP Với cáp STP chiều dài dây dẫn tối đa khi không dùng bộ lặp là 3000m, tốc độ truyền tối đa có thể đến 1Mbit/s Chú ý rằng chiều dài dây dẫn tăng thì khoảng cách truyền thông phải giảm và ngược lại, không thể đạt được đồng thời hai giá trị tối đa cùng một lúc.Ví dụ truyền ở khoảng cách 1200m chỉ cho phép tốc độ là 100Kbit/s Bảng sau cho một số đặc tính cơ bản của cáp đôi dây xoắn trong công nghiệp theo quy chuẩn AWG (American Wire Gauge)