THE MACHTRONICS TIẾNG VIỆT 4 ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN VI XỬ LÍ

THE MACHTRONICS TIẾNG VIỆT 4 ĐIỀU KHIỂN DỰA TRÊN VI XỬ LÍCơ điện tử là một giai đoạn tự nhiên trong quá trình phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật thiết kế hiệnđại. Sự phát triển của máy tính, tiếp theo là máy vi tính, máy tính nhúng,cùng với sự phát triển củacông nghệ thông tin và công nghệ phần mềm đã khiến cho Cơ điện tử trở thành một yêu cầu cấp thiếttrong nửa cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ đã được dự báo trong các hệ cơđiệnsinhhọc, máy tính lượng tử, hệ pico và nano cùng những phát triển khác, tương lai của Cơ điện tử sẽ đầytiềm năng và triển vọng.

4 Các bộ điều khiển dựa trên

vi xử lý và vi điện tử

Ondrej Novak

Đại học kỹ thuật Liberec

Ivan Dolezal

Đại học kỹ thuật Liberec

4.1 Giới thiệu vi điện tử 4-1 4.2 Logic số 4-2 4.3 Tổng quan về các máy tính điều khiển 4-2 4.4 Các bộ vi xử lý và vi điều khiển 4-4 4.5 Các bộ điều khiển logic khả trình 4-5 4.6 Truyền thông số 4-6

4.1 Giới thiệu vi điện tử

Lĩnh vực vi điện tử đã thay đổi mạnh mẽ trong hai thập kỷ gần đây và công nghệ số đã thống trị trong phần lớn các lĩnh vực ứng dụng của điện tử Việc thiết kế các hệ thống số được thực hiện trên hàng ngàn mạch tích hợp khác nhau của nhiều nhà sản xuất trên khắp thế giới Nó làm cho việc thiết kế và chế tạo các sản phẩm điện tử trở nên dễ dàng với giá thành rẻ hơn Việc phát triển thường xuyên của tốc độ mạch tích hợp, tỷ lệ tích hợp, sự giảm giá thành đã làm cho các mạch số đang dần thay thế cho các giải pháp tương tự cổ điển trong các bộ điều khiển, bộ lọc và bộ điều chế

Sự lớn mạnh của khả năng tính toán được minh họa bằng ví dụ dưới đây Một vi điều khiển đơn chíp

có khả năng tính toán bằng một máy tính xách tay tiêu biểu của năm 1992 Một vi điều khiển đơn chíp

có khả năng tính toán bằng 4 máy tính cá nhân IBM tiêu biểu của năm 1981 hoặc bằng 2 máy tính lớn IBM 370 của năm 1972

Các mạch tích hợp số được thiết kế cho nhiều mục đích và được sản xuất với số lượng lớn Các mạch tích hợp hiện đại có nhiều tính năng cải tiến từ các thiết kế gần đây, nó cho phép truy cập và điều khiển

“thân thiện hơn” Do các tham số của mạch tích hợp (IC) tác động không chỉ với các IC riêng biệt mà còn với tất cả các mạch liên quan tới nó, một định hướng cho sự phát triển trong tương lai của công nghệ

IC phải được cập nhật hàng năm Từ định hướng này, chúng ta có thể ước lượng được các tham số sau này của các IC và làm cho các thiết kế phù hợp với những yêu cầu của tương lai Sự phát triển tương đối của số lượng các tranzito tích hợp trên một chíp là khá ổn định Với các phần tử nhớ, nó xấp xỉ bằng 1,5 lần số lượng hiện thời Đối với các IC số khác, nó xấp xỉ 1.35 lần số lượng hiện thời

Trong điện tử số, chúng ta dùng các đại lượng được gọi các giá trị logic thay vì các đại lượng tương

tự của điện thế và dòng điện Các giá trị logic thường liên quan đến điện thế của tín hiệu, nhưng chúng chỉ có 2 giá trị: 1 hoặc 0 Nếu một mạch số xử lý một giá trị logic, một giá trị đúng được nhận biết do giữa các giá trị điện thế logic có một khoảng cách (xem hình 4.1) Chúng ta có thể cải thiện tùy ý độ phân giải của tín hiệu bằng cách đơn giản là dùng thêm nhiều bit

HÌNH 4.1 Các mức điện áp và các giá trị logic tương ứng

HÌNH 4.2 Kỹ thuật tự động hóa trạng thái hữu hạn: X-vectơ nhị phân đầu vào, Y-vectơ

nhị phân đầu ra, Q-vectơ trạng thái nội tại

4.2 Logic số

Các mạch số gồm các cổng logic, như các mạch điện tử cơ bản chỉ hoạt động với 2 trạng thái Các cổng này hoạt động theo cách mà các giá trị logic nhận được tương ứng với giá trị nhận được của các mệnh đề đại số Boolean Điều này có nghĩa là với sự trợ giúp của các cổng chúng ta có thể thực hiện tất

cả các phép toán số học và logic Những phép toán này được thực hiện trong các mạch tổ hợp cho giá trị kết quả là chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của các giá trị đầu vào Dĩ nhiên, các cổng logic không thể đủ cho các cấu trúc tự động Để tạo ra một cấu trúc tự động, chúng ta cũng cần một số phần tử nhớ

để lưu giữ các đáp ứng của các khối logic và số học

Một sơ đồ điển hình của cấu trúc tự động số có trạng thái hữu hạn được thấy trên hình 4.2 Cấu trúc

tự động có thể được xây dựng từ các IC chuẩn bao gồm các cổng logic, các khối logic tổ hợp phức tạp hơn, các thanh ghi, các bộ đếm, các bộ nhớ và các IC tuần tự chuẩn khác được cấy trên một bo mạch in Một khả năng khác là việc dùng các mạch tích hợp riêng cho ứng dụng (ASIC), hoặc có khả năng lập trình hoặc được đặt hoàn toàn, với một thiết kế tiên tiến hơn Cách tiếp cận này thích hợp cho các thiết

kế mà ở đó các giải pháp phần cứng nhanh được ưu tiên Một khả năng nữa là dùng các bộ vi điều khiển được thiết kế để hoạt động như một thiết bị tự động đa năng mà chức năng của nó có thể được chỉ ra bằng việc lập trình bộ nhớ

4.3 Tổng quan về các máy tính điều khiển

Các máy tính lớn đồ sộ, phức tạp và tốn năng lượng, và sau đó, các máy tính nhỏ đơn hộp đã từng được dùng phần lớn cho các tính toán khoa học và kỹ thuật (chẳng hạn như trong FORTRAN, ALGOL)

và cho các ứng dụng cơ sở dữ liệu (như trong COBOL) Việc phát minh vào năm 1971 của một đơn vị

xử lý trung tâm (CPU) chung trong một bộ vi xử lý đơn chíp đã dẫn đến một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính Bắt đầu từ năm 1981, các vi máy tính đa hộp (máy tính để bàn, màn hình, bàn phím, chuột) hay đơn hộp (máy tính xách tay) đã trở thành một công cụ cá nhân trong đời sống hàng ngày

dùng cho xử lý văn bản, tính toán dữ liệu công tác, chơi trò chơi, vẽ, xử lý đa phương tiện, và trình bày báo cáo Khi được kết nối trong một mạng cục bộ (LAN – Local Area Network) hay Internet, các “máy tính cá nhân (PC)” này có khả năng trao đổi dữ liệu và truy cập vào mạng diện rộng toàn cầu (WWW-World Wide Web)

HÌNH 4.3 Ví dụ về một hệ cơ điện tử nhỏ: Thiết bị ALAMBETA dùng cho đo lường tính chất nhiệt của

tấm thủy tinh và vải (được sản xuất bởi SENSORA, Cộng hòa Séc) Nó thực hiện môt phương pháp đo lường duy nhất dùng cảm biến luồng nhiệt mỏng mở rộng, đo lường độ dày mẫu kết hợp trong truyền

động đỉnh, điều khiển vi xử lý, và kết nối với một máy tính cá nhân

Bên cạnh những máy tính “hữu hình” này, nhiều vi máy tính nhúng được ẩn trong các sản phẩm như máy móc, phương tiện giao thông, thiết bị đo lường, thiết bị viễn thông, dụng cụ gia đình, sản phẩm điện

tử dân dụng (máy ảnh, hệ thống hi-fi, vô tuyến truyền hình, máy quay phim, điện thoại di động, nhạc cụ,

đồ chơi, điều hòa nhiệt độ) Chúng được kết nối với các cảm biến, các giao diện cho người dùng (các nút bấm và màn hình hiển thị), và các cơ cấu chấp hành Khả năng lập trình của các bộ điều khiển này mang lại sự linh hoạt cho các thiết bị (chọn chức năng bằng chương trình), một số tính chất thông minh (logic mờ), và hoạt động thân thiện với người dùng Nó bảo đảm độ tin cậy cao hơn và sự bảo trì, sửa chữa, hiệu chuẩn (tự động), chẩn đoán (tự động) một cách dễ dàng hơn, và đưa ra khả năng tương hỗ – truyền thông qua lại hoặc điều khiển phân cấp trong thiết bị tổng thể hay trong một ngôi nhà thông minh Một hình ảnh về một thiết bị hoạt động điện tử được đưa ra trên hình 4.3

Các vi máy tính nhúng dựa trên kiến trúc Harvard nơi mà các bộ nhớ dữ liệu và mã được tách riêng Chương trình cơ sở (Firmware) được dịch chéo trong một hệ thống phát triển và sau đó được tập trung vào một bộ nhớ không thay đổi Theo cách này, chương trình chính đơn có thể chạy ngay lập tức sau khi nguồn được bật Các thiết bị nhớ cơ học nhạy với sốc và tương đối đắt (các ổ cứng) và các màn hình ống chân không được thay thế bằng các thẻ nhớ và các đĩa bán dẫn (nếu một bộ nhớ lưu trữ là cần thiết) và các thiết bị hiện thị thanh LED hay các LCD Một bàn phím máy tính có thể được thay thế bởi một thiết bị/bộ các phím được gán chức năng riêng biệt và/hoặc các phím thường dùng (các phím mũi tên, Enter, Escape) được thực hiện bằng các phím số, nếu cần thiết Những bộ phím, công tắc hỗ trợ, nút bấm lớn, công tắc chính và màn hình hiển thị này có thể được đặt trong các bảng điều khiển chịu được nước và bụi

Sự tiến bộ trong việc tích hợp mạch dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của các bộ vi điều khiển trong

2 thập kỷ gần đây Bộ nhớ mã, bộ nhớ dữ liệu, bộ tạo nhịp, và tập hợp các mạch ngoại vi khác nhau được tích hợp với CPU (Hình 4.4) để chèn các vi máy tính đơn chíp hoàn toàn này vào trong một PCB ứng dụng riêng

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) là các bộ vi xử lý nhúng đặc biệt với một vài thiết bị ngoại vi trên chíp nhưng với ADC/DAC bên ngoài đại diện cho kênh vào/ra quan trọng nhất Các DSP có một kiến trúc tính toán song song và một tập hợp thanh ghi con trỏ động hoặc con trỏ cố định được tối ưu cho các thao tác xỷ lý tín hiệu điển hình như phép biến đổi rời rạc, lọc, chập, và mã hóa Chúng ta có thể tìm thấy các

DSP trong các ứng dụng như tạo/xử lý âm thanh, phân tích tín hiệu cảm biến (như dao động), truyền thông qua đường điện thoại (ví dụ như bộ lọc dải và bộ điều chế/giải điều chế số trong điện thoại di động, bộ thu phát cho truyền thông, các modem), và điều khiển vector của động cơ AC

HÌNH 4.4 Sơ đồ khối của một vi điều khiển

Sản xuất hàng loạt (tức là giá thành hạ), kiến thức rộng lớn về sự hoạt động, sự truy cập toàn diện tới các công cụ gỡ lỗi và phát triển phần mềm, và hàng triệu dòng mã sẵn có làm cho các PC trở lên hữu ích cho các ứng dụng điều khiển và đo lường cần độ tập trung tính toán, mặc dù kiến trúc và hệ điều hành của chúng không hẳn thích hợp cho mục đích này

Với sự phát triển mạnh của máy tính, có rất nhiều công cụ siêu máy tính, các PC đầu cuối và các hệ thống VXI (64/32 bit, trên 1000 MFLOPS/MIPS, 1000 MB bộ nhớ, công suất đầu vào 100 W, giá khoảng 10,000 USD), đến các mô-đun/thẻ máy tính PC (32 bit, 100-300 MFLOPS/MIPS, 10-100 MB, giá thấp hơn 1000 USD) Các mô-đun/thẻ vi xử lý (16/8 bit, 10-30 MIPS, 1 MB, giá khoảng 100 USD)

và các bộ vi điều khiển 8 chân đơn giản (8 bit, 1-5 MIPS, 1 KB, 10 mW, giá khoảng 1 USD) cũng có sẵn với giá thành rất rẻ

4.4 Các bộ vi xử lý và vi điều khiển

Không có một ranh giới rõ ràng giữa các bộ vi xử lý và các bộ vi điều khiển bởi vì các chíp này đều

có thể truy cập đến bộ nhớ dữ liệu hoặc/và mã ngoài (dạng vi xử lý) và được trang bị các thành phần ngoại vi riêng biệt

Một số vi điều khiển có một bộ tạo dao động RC bên trong và không cần có một bộ bên ngoài Tuy nhiên, một bộ cộng hưởng thạch anh hay gốm ngoài hoặc mạng RC được nối thường xuyên với các phần

tử tích cực, bên trong bộ phát xung nhịp Tần số nhịp thay đổi từ 32 kHz (công suất thấp) tới 75 MHz Một mạch phụ khác tạo tín hiệu xác lập lại cho một chu kỳ thích hợp sau khi nguồn được bật Các mạch Watchdog tạo sự điều chỉnh chíp khi một chu kỳ khởi động lại tín hiệu không đến đúng thời gian do lỗi chương trình Một số chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng được kích động bởi các lệnh chương trình

Sự phức tạp và cấu trúc của hệ thống ngắt (tổng số nguồn và sự lựa chọn cấp độ ưu tiên của chúng), xác lập về độ nhạy cấp/góc của các nguồn ngoài và các sự kiện của các nguồn bên trong (như thiết bị ngoại vi), và sự bố trí các sự kiện ngắt đồng thời được coi là những tiêu chuẩn phân loại vi điều khiển quan trọng nhất

Mặc dù các bộ vi điều khiển 16 và 32 bit được thực hiện trong các ứng dụng đặc biệt, yêu cầu cao (điều khiển các hệ servo), nhưng hầu hết ứng dụng đều dùng các chíp 8 bit Một số bộ vi điều khiển có thể hoạt động bên trong với dữ liệu 16 bit hoặc thậm chí 32 bit chỉ trong phạm vi dấu phẩy tĩnh – các bộ

vi điều khiển không được cung cấp bộ dấu phẩy động (FPU) Các họ vi điều khiển mới được xây dựng trên lõi RISC (Reduced Instruction Set - Tập lệnh rút gọn) vận chuyển một lệnh trên một vài chu kì nhịp hay thậm chí trên mỗi chu kì

Có thể thấy sự khác nhau nữa trong các chế độ địa chỉ hóa, số lượng các thanh ghi có thể truy cập trực tiếp, và loại bộ nhớ mã (dải từ 1 đến 128 KB) điều quan trọng cho sự tầm nhìn của sự phát triển chương trình cơ sở Bộ nhớ flash có thể nhanh và thậm chí là lập trình ngay trong hệ thống (ISP) bằng cách dùng 3 – 5 dây, trái lại các EPROM truyền thống tạo ra các chíp đắt hơn do việc đóng gói cửa sổ gốm Một số bộ vi điều khiển có sẵn khả năng gỡ lỗi và khởi động nhằm tải mã từ một PC vào trong bộ nhớ flash dùng UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Bộ truyền/nhận không đồng bộ

đa năng) và đường nối tiếp RS-232C OTP (One Time Programmable – có lập trình một lần) EPROM hay ROM có hiệu quả trong một số lượng lớn sản phẩm EEPROM dữ liệu (từ 64 B đến 4 KB) dùng để lưu các hằng số hiệu chuẩn, các bảng tham số, lưu trữ trạng thái, và các mật mã có thể được viết bởi các chương trình cơ sở bên cạnh SRAM chuẩn (từ 32 B đến 4 KB)

Phạm vi của các thiết bị ngoại vi là rất rộng lớn Mọi chip đều có các chân I/O (vào/ra) hai hướng kết hợp các cổng 8 bit, nhưng chúng thường có chức năng xen kẽ Một vài chíp có thể đặt một mức đầu vào (TTL, MOS, hay trigger Schmitt) và tăng hoặc giảm các nguồn dòng Các bộ điều khiển đầu ra thay đổi theo collector hở mạch, hoặc đầu ra 3 trạng thái và các dòng lớn nhất

Ít nhất một bộ định thời/bộ đếm 8 bít (thường được cung cấp với bộ đếm gộp trước) sẽ đếm các sự kiện bên ngoài (các xung tùy chọn từ một cảm biến vị trí) hoặc từ các bộ định thời bên trong, để đo các khoảng thời gian, và tạo định kỳ một ngắt hay tốc độ baud thay đổi cho truyền thông nối tiếp Các bộ đếm 16 bit và các thanh ghi thích hợp thông thường dựa trên các bộ bắt để lưu trữ thời gian của các đột biến đầu vào hoặc so sánh các bộ phận để tạo các đột biến đầu ra như là trạng thái điều khiển động cơ bước hay tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung) Một bộ đếm thời gian thực (RTC - real-time counter) đại diện cho một loại bộ đếm đặc biệt có thể chạy thậm chí trong chế độ sleep Một hay hai giao diện nối tiếp đồng bộ tùy chọn và không đồng bộ (UART/USART) truyền thông với một máy tính chủ trong khi các giao diện nối tiếp khác như SPI, CAN, và I2C điều khiển các chíp chuyên dụng khác được dùng trong thiết bị hay hệ thống

Hầu hết các họ vi điều khiển có những thành viên được xây dựng với một bộ chuyển đổi A/D và một

bộ dồn kênh các đầu vào đơn cuối Dải đầu vào thường là đơn cực và bằng với điện áp nguồn hay ít khi bằng điện áp trên chíp Thời gian chuyển đổi được tính bằng nguyên lý xấp xỉ liên tiếp của ADC và số bit có hiệu dụng (ENOB-effective number of bits) thường không tới độ phân giải danh nghĩa 8, 10, hay

12 bit

Có các mạch giao diện đặc biệt khác, như dãy cổng khả trình phạm vi (FPGA – Field Programmable Gate Array), có thể được định hình như một mạch số tùy ý

Chương trình cơ sở của bộ vi điều khiển thường được lập trình trong một hợp ngữ hoặc trong ngôn ngữ C Nhiều công cụ phần mềm, bao gồm cả các bộ mô phỏng chip, có sẵn miễn phí trên trang web của các nhà sản xuất chip hay các công ty hỗ trợ thứ 3 Một môi trường phát triển tích hợp chuyên nghiệp và phần cứng gỡ rối (bộ mô phỏng bằng mạch) là rất đắt (cỡ hàng nghìn đôla) Tuy nhiên, việc dùng linh hoạt một bộ mô phỏng ROM rẻ trong một hệ thống vi xử lý hay một vòng phát triển từng bước dùng một

bộ chương trình ISP của bộ vi xử lý nhanh có thể phát triển khá tốt các ứng dụng phức tạp

4.5 Các bộ điều khiển logic khả trình

Một bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển dựa trên vi xử lý được thiết kế cho các cài đặt công nghiệp (vỏ bọc, thiết bị đầu cuối, chịu ảnh hưởng môi trường, chấp nhận lỗi) trong một bảng ngắt công suất để điều khiển máy móc hay một quá trình công nghiệp Nó bao gồm một CPU với các bộ nhớ và một giao diện I/O đặt trong một hộp hoặc trong các mô-đun được chốt trong một cơ cấu và được nối với các kênh riêng Hộp này bắt đầu với khoảng 16 giao diện I/O, trong khi thiết kế mô-đun có thể có hàng ngàn giao diện I/O Các đầu vào độc lập thường chấp nhận mức logic công nghiệp, điện áp 24 V DC hay AC mang lưới, trong khi các đầu ra thường được cung cấp hoặc với các công tắc trạng thái hoàn toàn độc lập (24 V cho các van hoặc công tắc sôlênôit) hoặc với các rơ-le Các bảng đầu vít cho phép nối ghép dễ dàng, cái mà được ưa thích trong các PLC để mắc chúng với các hệ thống cần điều khiển Các mức logic I/O có thể hiển thị với đèn LED gần thiết bị đầu cuối

Khi các PLC được dùng thường xuyên thay thế các rơ-le, chúng thực hiện các phép toán Boolean (bit, logic) và các chức năng định thời/đếm (thiết bị tự động trạng thái hữu hạn) I/O tương tự, số nguyên hoặc số dấu phẩy động, các đầu ra PWM, và RTC được bổ sung trong các PLC hiện đại Một PLC hoạt động bởi một chương trình được quét liên tục, như mã máy, được dịch bởi một bộ vi xử lý nhúng (CPU) Thời gian quét là thời gian để kiểm tra trạng thái đầu vào, để thực hiện tất cả các nhánh (tất cả các nấc thang riêng biệt của một biểu đồ bậc thang) của một chương trình bằng cách dùng các biến số bit bên trong (biến trạng thái), và để cập nhật các trạng thái đầu ra Thời gian quét là độc lập với độ phức tạp của chương trình (cỡ hàng mili giây hoặc hàng chục ms) Thao tác quét tiếp theo liền ngay thao tác trước (chạy tự do) hoặc bắt đầu một cách định kỳ

Ngôn ngữ lập trình cho các PLC được miêu tả trong chuẩn IEC-1131-3:

LD – biểu đồ bậc thang (xem hình 4.5)

IL – danh sách lệnh (một chương trình hợp ngữ)

SFC – biểu đồ chức năng dãy (thường được gọi bằng cái tên riêng GRAFCET)

ST – văn bản có cấu trúc (tương tự một ngôn ngữ bậc cao)

FBD – sơ đồ khối chức năng

HÌNH 4.5 Ví dụ về biểu đồ bậc thang PLC: 000.xx/010.xx – nhóm địa chỉ của đầu vào/đầu ra, TIM000

– bộ định thời trễ 5 s, 000.00 – đầu vào mở tiếp xúc thông thường, 000.02 – đầu vào đóng tiếp xúc thông

thường Các PLC được lập trình dùng các công cụ dịch chéo và gỡ lỗi chạy trên một PC hay với các thiết bị lập trình (thường dùng với IL), cả hai được nối bằng một đường nối tiếp Các bảng điều khiển từ xa có thể được dùng như một giao diện người – máy Một khái niệm thay thế mới (được gọi là SoftPLC) bao gồm các mô-đun I/O giống như PLC được điều khiển bởi một máy tính PC công nghiệp, có sẵn một bảng điều khiển cảm ứng

4.6 Truyền thông số

Truyền thông giữa các hệ cơ điện tử đóng một vai trò quan trọng khi thực hiện các ứng dụng, cả các cấu hình cố định và linh hoạt (một ô tô, một hệ thống hi-fi, một dây chuyền sản xuất cố định và một thiết

bị linh hoạt, một mạng pico không dây của các thiết bị máy tính ngoại vi) Rõ ràng rằng truyền thông số phụ thuộc vào mục đích của các nhà thiết kế với số lượng dữ liệu cần truyền, khoảng cách giữa các hệ thống, và các yêu cầu về độ tin cậy và an toàn của dữ liệu

Tín hiệu được biểu diễn bởi sự thay đổi của biên độ, tần số, hay pha Nó được thực hiện bởi sự thay đổi điện áp/dòng điện trong các dây kim loại hoặc bởi các sóng điện từ, cả trong truyền vô tuyến và truyền tia hồng ngoại (hoặc “không dây” cho các khoảng cách ngắn hoặc cáp quang cho các khoảng cách khá dài) Tốc độ dữ liệu và độ rộng dải thay đổi từ 300 b/s (máy telex), 3,4 kHz (điện thoại), 144 kb/s (ISDN) đến hàng chục Mb/s (ADSL) trên một dây kim loại (đường thuê bao), lên tới 100 Mb/s trên

cáp xoắn (LAN), khoảng 30 – 100 MHz trên một kênh vi sóng, 1 GHz trên 1 cáp đồng trục (mạng cáp liên tỉnh, cáp TV), và lên tới hàng chục Gb/s cho một cáp quang (mạng xương sống)

Việc truyền dữ liệu dùng các phương pháp phức tạp như điều chế số, nén dữ liệu, và bảo vệ dữ liệu chống lại việc mất mát do nhiễu, méo tín hiệu và đứt mạch Các giao thức chuẩn đa lớp (mô hình tham chiếu 7 lớp ISO/OSI hay nhóm các giao thức 4 lớp dùng cho Internet bao gồm cả giao thức TCP/IP nổi tiếng), “phần cứng đến đâu, phần mềm thực hiện đến đó”, thuận tiện cho việc giao tiếp giữa các hệ thống truyền thông Chúng không chỉ đặt kết nối trên một tốc độ chấp nhận được, kiểm tra việc truyền dữ liệu, định dạng và nén dữ liệu, mà còn có thể tạo sự thông suốt truyền thông cho một ứng dụng Ví dụ, không

có sự khác nhau có thể thấy giữa các nguồn dữ liệu từ xa và địa phương Một ví dụ về khái niệm truyền thông đa lớp được minh họa trên hình 4.6

HÌNH 4.6 Ví dụ về truyền thông đa lớp

Phụ thuộc vào số lượng người dùng, truyền thông được thực hiện theo kiểu điểm tới điểm (RS – 232C từ cổng PC COM tới một thiết bị), điểm tới nhiều điểm (các kênh, các mạng), hoặc thậm chí như một đài phát (radio) Dữ liệu được truyền bằng cách dùng kết nối kiểu chuyển mạch (mạng điện thoại) hoặc chuyển mạch dạng gói (mạng máy tính, ATM) Truyền hai chiều có thể là song công hoàn toàn (điện thoại, RS – 232C) hoặc bán song công (hầu hết các mạng số) Liên quan tới kiểu kết nối, một kết nối hình sao hay một kết nối hình cây dùng một thiết bị (“chủ”) quản lý truyền thông tại nút chính Một kết nối vòng thường yêu cầu phương pháp Token Passing và một truyền thông bus được điều khiển bởi các phương pháp khác nhau như phương pháp chung Master-Slave, với hoặc không với Token Passing, hoặc dùng một truy cập không xác định (CSMA/CD trong Ethernet)

Một cổng LPT PC, SCSI cho các thiết bị ngoại vi của máy tính, và GPIB (IEEE-488) cho các thiết bị dùng truyền thông song song (thường 8 bit) cho phép các khoảng cách ngắn (cỡ mét) RS-232C, RS-485,

I2C, SPI, USB, và fireware (IEEE-1394) tương ứng với truyền thông nối tiếp, một vài trong số đó có thể dùng cho khoảng cách dài (tới 1 km) Truyền thông nối tiếp có thể thực hiện không đồng bộ bằng cách dùng các bit bắt đầu và kết thúc trong khung truyền hoặc đồng bộ bằng cách dùng bit đồng bộ kèm theo, nếu cần thiết Cả mức điện áp đơn cực và lưỡng cực đều được dùng để điều khiển hoặc các đường không cân bằng (LPT, GPIB đối với 232C) hoặc các đường cáp xoắn cân bằng (CAN đối với 422, RS-485)