Đang tải... (xem toàn văn)
Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Đo lường và điều khiển bằng máy tính phần 2 gồm các nội dung chính sau: Giao tiếp qua cổng USB; Thiết kế hệ thống nhúng giao tiếp máy tính; Lập trình giao tiếp và điều khiển trên PC. Mời các bạn cùng tham khảo!
Đo lường điều khiển máy tính CHƯƠNG GIAO TIẾP QUA CỔNG NỐI TIẾP Mục tiêu bài: - Trình bày nhiệm vụ chức cổng RS232; - Trình bày phương thức truyền liệu qua cổng RS232; - Thực việc truyền liệu qua cổng RS232Cơ ghép nối I Cơ ghép nối chuẩn giao tiếp cổng Com RS232 RS chữ viết tắt Recommended Standard (Tiêu chuẩn khuyến nghị) Các số 232/422/485 phía sau chữ “RS” phần danh sách tiêu chuẩn EIA So Sánh chuẩn truyền thông RS232, RS422 RS485 tiêu chuẩn truyền thông giao tiếp nối tiếp phát triển phát hành hiệp hội ngành công nghiệp điện tử (EIA) RS232 phát hành vào năm 1962 đặt tên EIA-232-E tiêu chuẩn công nghiệp nhằm đảm bảo khả kết nối tương thích sản phẩm nhà sản xuất khác RS422 phát triển từ RS232 Để cải thiện thiếu sót giao tiếp RS232 khoảng cách ngắn tốc độ thấp, RS422 cải tiến với tín hiệu giao tiếp truyền thông cân giúp tăng tốc độ truyền lên 10 Mb / giây khoảng cách truyền lên 4000 ft (ở tốc độ 100 kb / s) Nó cho phép tối đa 10 máy thu kết nối bus cân RS422 đặc trưng truyền dẫn cân chiều cho truyền máy tiếp nhận nhiều máy Nó đặt tên theo tiêu chuẩn TIA / EIA-422-A Để mở rộng phạm vi ứng dụng, EIA phát triển tiêu chuẩn RS485 dựa RS422 vào năm 1983 đặt tên TIA / EIA-485-A, bổ sung khả giao tiếp hai điểm, đa điểm, nghĩa cho phép nhiều máy phát kết nối với bus thêm máy phát RS232: Là chuẩn truyền thông phát triển “Electronic Industry Association” “Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) RS232 chuẩn truyền thông phổ biến thời, thường gọi tắt RS232 RS-232 thay EIA/TIA-232E Chuẩn đề cập đến việc truyền liệu nối tiếp host (DTE-Data Terminal Equipment) ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment) Phiên RS232 phát hành vào năm 1962, mức logic định nghĩa khác với logic TTL Ở ngõ mạch điều khiển, mức cao (tương ứng với logic 0) điện áp từ +5 đến +15 V, mức thấp (tương ứng với logic 1) điện áp từ -5 đến -15 V Tại ngõ vào thu, mức cao định nghĩa từ +3 đến +15 V (gọi space), mức thấp định nghĩa từ -3 đến -15 V (gọi mark) Có phiên RS232 sử dụng thời gian dài RS232B RS232C Tuy nhiên, thấy xuất phiên RS232C thường gọi với tên ngắn RS232 Trong phần cứng máy tính, thường có cổng RS232C gọi cổng COM Cổng COM thường chia thành loại chân 25 chân tùy theo đời máy, hay main máy tính (tuy nhiên thấy nhiều loại chân hơn) 1/ Đặc điểm RS232 - Khả chống nhiễu cổng nối tiếp cao - Thiết bị ngoại vi tháo lắp máy tính cấp điện Nguyễn Trường Sanh 49 Đo lường điều khiển máy tính Các mạch điện đơn giản nhận điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp - Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn (logic 1) +-12V Hiện cố định trở kháng tải phạm vi từ 3000 ơm – 7000 ơm - Mức logic có điện áp nằm khoảng -3V đến -12V, mức logic từ +-3V đến 12V - Tốc độ truyền nhận liệu cực đại 100kbps ( ngày lớn hơn) - Các lối vào phải có điện dung nhỏ 2500pF - Trở kháng tải phải lớn 3000 ôm phải nhỏ 7000 ôm - Độ dài cáp nối máy tính thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m - Các giá trị tốc độ truyền liệu chuẩn hay dùng: 9600, 19200, 28800, 38400… 56600, 115200 bps Để giảm nguy bị nhiễu tín hiệu kế cận, tốc độ thay đổi (slew rate) giới hạn tối đa 30 V/μs, tốc độ giới hạn tối đa 20 kbps (kilobit per second) (giới hạn nâng lên nhiều lần) Trở kháng mạch điều khiển định từ đến kΩ Tải dung tối đa đường truyền giới hạn 2500 pF, tùy thuộc vào loại cáp mà chiều dài tối đa xác định từ điện dung đơn vị chiều dài cáp 2/ Chức chân RS232 Như nêu trên, RS232 phân số chân chân (DB9) 25 chân (DB25); nhiên với dịng máy đại ngày loại DB25 khơng thấy xuất nữa, tập chung tìm hiểu loại DB9 Các tín hiệu RS-232 định nghĩa DTE, theo bảng sau (chỉ nói đến tín hiệu đầu nối chân): - Chức Chân số - Chiều thông tin Data Carrier Detect (DCD) Từ DCE Receive Data Line (RD) Từ DCE Transmit Data Line (TD) Đến DCE Data Terminal Ready (DTR) Đến DCE Ground Data Set Ready (DSR) Từ DCE Request To Send (RTS) Đến DCE Clear To Send (CTS) Từ DCE Ring Indicate (RI) Từ DCE Chân : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang liệu Chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận liệu Chân : Transmit Data (TxD) : Truyền liệu Nguyễn Trường Sanh 50 Đo lường điều khiển máy tính Chân : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối liệu sẵn sàng kích hoạt phận muốn truyền liệu - Chân : Singal Ground ( SG) : Mass tín hiệu - Chân : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, kích hoạt truyền sẵn sàng nhận liệu - Chân : Request to Send : yêu cầu gửi, truyền đặt đường lên mức hoạt động sẵn sàng truyền liệu - Chân : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi, nhận đặt đường lên mức kích hoạt động để thơng báo cho truyền sẵn sàng nhận tín hiệu - Chân : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết nhận nhận tín hiệu rung chng Các hệ thống logic chủ yếu sử dụng chuẩn logic TTL hay CMOS, cần giao tiếp chuẩn RS-232 phải dùng mạch điều khiển thu (RS232 driver receiver, hay RS-232 transceiver) để chuyển đổi TTL/CMOS RS232 vật lý Các transceiver thường có sẵn bơm điện tích (charge pump) để tạo mức áp RS-232 vật lý (phổ biến +12 V -12 V) từ điện áp nguồn đơn cực giá trị nhỏ (5 V hay 3.3 V) Vì chuẩn RS-232 dành cho giao tiếp DTE DCE, hai máy tính (là DTE) cần giao tiếp với thông qua chuẩn RS-232 cần phải có DCE (chẳng hạn modem) làm trung gian Các DCE ngoại vi nên giao tiếp trực tiếp với thơng qua chuẩn RS422 Là chuẩn truyền thông phát triển “Electronic Industry Association” “Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA); thường gọi tắt RS422 hay RS-422 thay EIA/TIA-422 Chuẩn đề cập đến việc truyền liệu nối tiếp host (DTE-Data Terminal Equipment) ngoại vi (DCEData Circuit-Terminating Equipment) Chuẩn truyền thông RS-422 chuẩn truyền thông nối tiếp (serial) RS-422 hỗ trợ truyền thông tốc độ cao khoảng cách truyền liệu dài Mỗi tín hiệu truyền cặp dây ( dây) khác biệt với chuẩn truyền thông khác RS-422 chế vận chuyển phổ biến cho mở rộng RS-232 Chúng bao gồm cổng RS-232 hai đầu kết nối RS-422 Với khoảng cách 40 feet ( tương đương 12m) tốc độ truyền liệu tối đa 100 Kilobytes giây Một điện trở 120 – Ohm mắc nối tiếp cuối đường truyền để ngăn chặn tín hiệu phản xạ giao thoa RS422 thường sử dụng cặp thu phát cặp thu phát khác Tuy nhiên, đầu ra, truyền tới tối đa 10 đầu nhận Chuẩn bao gồm máy thu vi sai, trình điều khiển vi sai tốc độ liệu cao tới 10 Megabits giây tốc độ 12 mét (40 ft).Vì chất lượng tín hiệu suy giảm theo chiều dài cáp, tốc độ liệu tối đa giảm chiều dài cáp tăng - Nguyễn Trường Sanh 51 Đo lường điều khiển máy tính Hình 30.RS422 1/ Thơng số kỹ thuật chuẩn RS422 - Tiêu chuẩn : TIA/DTE-422 - Phương tiện vật lý : Cáp xoắn đôi - Cấu trúc mạng : liên kết điểm – điểm , liên kết điểm đa – đa điểm - Khoảng cách truyền tối đa : 1200m (4000 ft) - Tốc độ truyền tối đa : 100KBS -10MBS - Mức điện áp : – 6V đến + 6V (điện áp chênh lệch cực) - Tín hiệu khả dụng : Tx +, Tx-, Rx +, Rx- (Full duplex) 2/ Thông số kỹ thuật chuẩn RS422A - Driver up to 10 Receivers - Chiều dài đường truyền tốc độ tối đa: - 40 Feet = 12m 10 Mbits/sec - 400 Feet = 122m Mbits/sec - 4000 Feet = 1219m 100 kbits/sec 3/ Ưu nhược điểm RS422 RS-422 tương tự giao thức RS-232 thiết lập theo cách, nhiên, có vài ưu điểm nhược điểm khác Đặc biệt vấn đề bạn cần mua PC hỗ trợ cổng RS422 chuyển đổi RS422 sang RS232, PC thường khơng sử dụng tiêu chuẩn RS422 Tốc độ truyền RS-422 nhanh có khả đa điểm Ngồi ra, bạn thấy có thiết bị hỗ trợ RS422 4/ Ứng dụng RS422 RS-422 sử dụng rộng rãi máy tính Macintosh đời đầu Điều thực đầu nối nhiều chân có đủ chân để hỗ trợ phần lớn chân RS- Nguyễn Trường Sanh 52 Đo lường điều khiển máy tính 232 phổ biến; mẫu sử dụng đầu nối D chân, điều nhanh chóng thay đầu nối mini-DIN-8 Các cổng đặt chế độ RS-232 Trước sử dụng hệ thống phát chỉnh sửa dựa đĩa cứng, hệ thống tự động hóa phát sóng sở chỉnh sửa tuyến tính hậu sản xuất sử dụng RS422A để điều khiển từ xa đầu phát / máy ghi âm phòng máy trung tâm Khi cần truyền thông tốc độ cao khoảng cách lớn điều kiện nhà xưởng thực tiễn, phương pháp truyền chuẩn RS- 232 không đáp ứng nỗi yêu cầu Kỹ Thuật đặt độ tin cậy truyền thông theo kiểu sai biệt tín hiệu sai biệt đường truyền cân – Balanced Lines tỏ hiệu hầu hết ứng dụng người ta sử dụng RS 422 chuẩn thiết kế với tốc độ cao khoảng cách truyền dẫn lớn nhiều so với chuẩn RS-232 II Bộ chuyễn đổi mức Các mức điện áp đường truyền RS232 sử dụng phương thức truyền thơng khơng đối xứng, tức sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch dây dẫn đất Do từ đời mang vẻ lỗi thời chuẩn TTL, sử dụng mức điện áp tương thích TTL để mơ tả mức logic Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cố định giá trị trở kháng tải đấu vào bus phận trở kháng phát Mức điện áp tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) mô tả sau: Mức logic : +3V , +12V Mức logic : -12V, -3V Các mức điện áp phạm vi từ -3V đến 3V trạng thái chuyển tuyến Chính từ – 3V tới 3V phạm vi không định nghĩa, trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao từ cao xuống thấp, tín hiệu phải vượt qua quãng độ thơì gian ngắn hợp lý Điều dẫn đến việc phải hạn chế điện dung thiết bị tham gia đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số hệ thống hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd Quá trình truyền liệu Truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 thực không đồng Do nên thời điểm có bit truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho nhận biết kí tự gửi đến lần truyền bit tiếp the Bit ln bắt đầu mức Tiếp theo bit liệu (bits data) gửi dạng mã ASCII (có thể 5,6,7 hay bit liệu) Sau Parity bit ( Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) cuối bit dừng – bit stop 1, 1,5 hay bit dừng Tốc độ Baud Đây tham số đặc trưng RS232 Tham số đặc trưng cho q trình truyền liệu qua cổng nối tiếp RS232 tốc độ truyền nhận liệu hay gọi tốc độ bit Tốc độ bit định nghĩa số bit truyền thời gian giây hay số bit truyền thời gian giây Tốc độ bit phải thiết lập bên phát bên nhận phải có tốc độ ( Tốc độ vi điều khiển máy tính phải chung tốc độ truyền bit) Nguyễn Trường Sanh 53 Đo lường điều khiển máy tính Ngồi tốc độ bit cịn tham số để mơ tả tốc độ truyền tốc độ Baud Tốc độ Baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa liệu sử dụng để diễn tả bit truyền cịn tơc độ bit phản ánh tốc độ thực tế mà bit truyền.Vì phần tử báo hiệu mã hóa bit nên hai tốc độ bit tốc độ baud phải đồng Một số tốc độ Baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ 19200 Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 yêu cầu sử dụng chuẩn thời gian chuyển mức logic không vượt 4% thời gian truyền bit Do vậy, tốc độ bit cao thời gian truyền bit nhỏ thời gian chuyển mức logic phải nhỏ Điều làm giới hạn tốc Baud khoảng cách truyền Bit chẵn lẻ hay Parity bit Đây bit kiểm tra lỗi đường truyền Thực chất trình kiểm tra lỗi truyền liệu bổ xung thêm liệu truyền để tìm sửa số lỗi q trình truyền Do chuẩn RS232 sử dụng kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ Một bit chẵn lẻ bổ sung vào liệu truyền để ch thấy số lượng bit “1” gửi khung truyền chẵn hay lẻ Một Parity bit tìm số lẻ lỗi chả hạn 1,3,,5,7,9… Nếu bit chẵn mắc lỗi Parity bit trùng giá trị với trường hợp khơng mắc lỗi khơng phát lỗi Do kỹ thuật mã hóa lỗi khơng sử dụng trường hợp có khả vài bit bị mắc lỗi III Mạch giao tiếp cổng com Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 Hình 31 Sơ đồ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485 Nguyễn Trường Sanh 54 Đo lường điều khiển máy tính Dây chuyển đổi USB sang RS485 Hình 32 Dây chuyển đổi USB sang RS485 Bộ chuyển đổi USB sang RS485 thường dùng ngành công nghiệp, thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng mang theo Bộ chuyển đổi có mạch bảo vệ chống rỉ, chống lại tác động từ mơi trường xấu bên ngồi Hoạt động: Bộ chuyển đổi có khả liên lạc nhanh, ổn định bảo mật cao nên tự động thu phát Cáp điều khiển RS485 – Grove Grove biết đến mẫu kết nối hệ thống tiêu chuẩn hóa đơn giản dễ dàng ứng dụng học tập Grove cho phép Arduino người sử dụng kết nối trực tiếp với RS485, cắm trực tiếp tiến hành sử dụng Hình 33 Kết nối RS485 với máy tính Nguyễn Trường Sanh 55 Đo lường điều khiển máy tính Đây chuyển đổi cấu tạo có mạch bảo vệ cách ly nguồn cách ly từ tính Bộ chuyển đổi S177P1 thiết kế riêng cho tín hiệu Modbus RTD RS 485, RS232 giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB Bộ chuyển đổi dùng để cách ly USB sang RS485, sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp Bộ chuyển đổi đánh giá dễ dùng, thu phát tự động mà không gây tình trạng trễ thơng tin, lựa chọn tuyệt vời cho ứng dụng yêu cầu giao tiếp cao Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng từ RS485 sang USB giúp người sử dụng giải trường hợp khó khăn máy tính trở nên dễ dàng Hiện nay, loại laptop cắt tồn cổng COM RS232 chúng làm cho laptop cồng kềnh hơn, sử dụng RS485 laptop nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet Hình 34 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet giúp tín hiệu truyền tập trung tuyệt đối quản lý diện rộng, khơng cịn bị giới hạn khoảng cách địa lý hay diện tích, độ dài dây dẫn Bộ chuyển đổi tín hiệu phát minh vĩ đại cho hệ thống lớn xưởng sản xuất lớn, nhà máy lớn, hệ thống công nghiệp lớn,… IV Mạng RS485 RS485 chuẩn truyền thông xây dựng tảng chuẩn RS422 Điểm khác biệt RS485 cho phép tối đa 32 cặp thu phát có mặt đường truyền lúc Tương tự, RS485 cần trở kháng 120 Ohm cuối đường truyền để ngăn chặn tín hiệu phản xạ giao thua Nếu có nhiều thiết bị cần truyền liệu, đường RTS sử dụng đường điều khiển, cho phép truyền liệu Nguyễn Trường Sanh 56 Đo lường điều khiển máy tính Hình 35 Sơ đồ dây Thông số kỹ thuật chuẩn RS485A - Up to 32 Driver/Receiver Pairs - Chiều dài đường truyền tốc độ tối đa cho phép: - 40 Feet = 12m 10 Mbits/sec - 400 Feet = 122m Mbits/sec - 4000 Feet = 1219m 100 kbits/sec Truyền dẫn cân Hệ thống truyền dẫn cân gồm có hai dây tín hiệu A,B khơng có dây mass Sở dĩ gọi cân tín hiệu dây ngược với tín hiệu dây Nghĩa dây phát mức cao dây phải phát mức thấp ngược lại Mức tín hiệu Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL quy định áp dây A lớn dây B tối thi ểu 200mV, tín hiệu mức thấp TTL quy định áp dây A nhỏ dây B tối thiểu 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm khoảng -200mV < VAB< 200mV tín hiệu lúc xem rơi vào vùng bất định Điện dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm khoảng –7V đến +12V Cặp dây xoắn Như tên gọi nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản cặp dây có chiều dài xoắn lại với Sử dụng cặp dây xoắn giảm thiểu nhiễu, truyền khoảng cách xa với tốc độ cao Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn Phụ thuộc vào hình dáng chất liệu cách điện dây mà có trở kháng đặc tính (Characteristic impedence -Zo), điều thường rõ nhà sản xuất Theo khuyến cáo trở kháng đặc tính đường dây vào khoảng từ 100 – 120Ω lúc Điện áp kiểu chung Nguyễn Trường Sanh 57 Đo lường điều khiển máy tính Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây khơng có dây mass nên chúng cần tham chiếu đến điểm chung, điểm chung lúc mass hay mức điện áp cho phép Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) mặt toán học phát biểu giá trị trung bình hai điện áp tín hiệu tham chiếu với mass hay điểm chung Vấn đề nối đất Tín hiệu hai dây tham chiếu đến điểm chung đất (Ground) cần xem xét kỹ lưỡng Lúc nhận xác định tín hiệu cách tham chiếu tín hiệu với đất nơi nhận, đất nơi nhận nơi phát có chênh lệch điện vượt qua ngưỡng cho phép tín hiệu thu bị sai phá hỏng thiết bị Điều cho thấy mạng RS485 gồm hai dây có tới ba mức điện áp xem xét Do đất vật dẫn điện khơng hồn hảo nên có điện trở xác định, gây chênh lệch điện từ điểm tới điểm kia, đặc biệt vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, chuyển đổi lắp đặt có nối đất Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện đất lên tới 7V, lớn 7V không Như đất điểm tham chiếu không đáng tin tưởng cách tốt cho việc truyền tín hiệu lúc ta thêm dây thứ ba, nối mass nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản điện trở đặt hai điểm tận kết thúc đường truyền Giá trị điện trở đầu cuối lí tưởng giá trị trở kháng đặc tính đường dây xoắn, thường vào khoảng 100 – 120Ω Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính đường dây nhiễu xảy có phản xạ xuất đường truyền, nhiễu mức độ nhỏ khơng mức độ lớn làm tín hiệu bị sai lệch Sau hình minh họa dạng tín hiệu thu dùng hai điện trở đầu cuối khác Phân cực đường truyền Khi mạng RS485 trạng thái rảnh tất khối thu trạng thái lắng nghe đường truyền tất khối phát trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền Lúc trạng thái đường truyền xem bất định Nếu -200mV ≤ VAB ≤ 200mV trạng thái logic ngõ khối thu mang giá trị bit cuối nhận Điều khơng đảm bảo đường truyền rảnh truyền liệu nối tiếp đòi hỏi phải mức cao để khối thu khơng hiểu nhầm có liệu xuất đường truyền Để trì trạng thái mức cao đường truyền rảnh việc phân cực đường truyền (Biasing) phải thực Một điện trở R kéo lên nguồn đường A điện trở R kéo xuống mass đường B cho VAB ≥ 200mV ép đường truyền lên mức cao Nguyên nhân mà RS485 tăng tốc độ khoảng cách truyền thông RS485 sử dụng phương pháp truyền dây vi sai (vì dây có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền hiệu số điện áp dây loại trừ nhiễu chung) Mặt khác chuẩn truyền thơng RS232 khơng cho phép có thiết bị truyền nhận tin đường dây với chuẩn RS485 ta nồi 32 thiết bị thu phát dây cho Nguyễn Trường Sanh 58 Đo lường điều khiển máy tính Hình 65 Sơ đồ giao tiếp cổng song song IC 89c051 giao tiếp &4HC299 Hình 66 IC 89c051 giao tiếp &4HC299 Địa 12 bít đưa vào port1 bit thấp đưa vào port2 , code đưa vào port P2.7, P2,8, P37, P38, RST,/PSEN,/EA có logic phù hợp ALE có xung âm rộng 1,2 ms Nguyễn Trường Sanh 88 Đo lường điều khiển máy tính Xóa tồn : ALE có xung âm tồn 10ms Ghép nối máy tính Có cách ghép nối : ghép song song ghép nối tiếp Thông qua tiện ích Direct Cable Connection Hình 67 Tiện ích Direct Cable Connection Sử dụng cổng ECP Hình 68 truyền liệu ngoại vi vào máy tính Nguyễn Trường Sanh 89 Đo lường điều khiển máy tính Hình 69 Truyền liệu máy tính vào ngoại vi IV Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus MODBUS Modicon (hiện thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua cặp dây xoắn đơn Ban đầu, hoạt động RS232, sau sử dụng cho RS485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách dài hơn, mạng đa điểm (multi-drop) MODBUS nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thơng dụng ngành tự động hóa MODBUS RTU thường thiết bị trường, tất kết nối với mạng cấu hình multi-drop Khi chủ MODBUS RTU muốn có thơng tin từ thiết bị, chủ gửi thơng điệp liệu cần, tóm tắt dị lỗi tới địa thiết bị Mọi thiết bị khác mạng nhận thơng điệp có thiết bị định có phản ứng MODBUS RTU có chủ, PLC, PC, DCS 247 thiết bị tớ kết nối cấu hình multi-drop Hình 70 Một mạng MODBUS RTU có chủ, PLC, PC, DCS 247 thiết bị tớ kết nối cấu hình multi-drop Nguyễn Trường Sanh 90 Đo lường điều khiển máy tính Các thiết bị mạng MODBUS tạo kết nối; chúng phản ứng Ba phiên MODBUS phổ biến sử dụng ngày là: - MODBUS ASCII - MODBUS RTU - MODBUS/TCP Tất thông điệp gửi format Sự khác loại MODBUS cách thức thông điệp mã hóa Với MODBUS ASCII, thơng điệp mã hóa hexadeci-mal, sử dụng đặc tính ASCII bit Đối với byte thông tin, cần có byte truyền thơng, gấp đơi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP Tuy nhiên, MODBUS ASC II chậm số loại protocol, lại thích hợp modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio ASC II sử dụng tính phân định thơng điệp Do tính phân định này, rắc rối phương tiện truyền dẫn không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Điều quan trọng đề cập đến modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay phương tiện truyền thông khó tính khác Đối với MODBUS RTU, liệu mã hóa theo hệ nhị phân, cần byte truyền thông cho byte liệu Đây thiết bị lí tưởng RS 232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ từ 1200 đến 115 baud Tốc độ phổ biến 9600 đến 19200 baud MODBUS RTU protocol công nghiệp sử dụng rộng rãi nhất, viết tập trung đề cập đến sở ứng dụng MODBUS/TCP đơn giản MODBUS qua Ethernet Thay sử dụng thiết bị cho việc kết nối với thiết bị tớ, địa IP sử dụng Với MODBUS/TCP, liệu MODBUS tóm lược đơn giản gói TCP/IP Do đó, mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP hỗ trợ MODBUS/TCP Phiên MODBUS đề cập chi tiết viết lần sau với tiêu đề MODBUS qua Ethernet Nguyên tắc hoạt động MODBUS RTU Để kết nối với thiết bị tớ, chủ gửi thơng điệp có: - Địa thiết bị - Mã chức - Dữ liệu - Kiểm tra lỗi Địa thiết bị số từ đến 247 Thông điệp gửi tới địa (truyền thơng điệp) dược tất tớ chấp nhận, số từ 1-247 địa thiết bị cụ thể Với ngoại lệ việc truyền thông điệp, thiết bị tớ phản ứng với thơng điệp MODBUS chủ biết thơng điệp nhận Yêu cầu Mã chức Nguyễn Trường Sanh 01 Đọc cuộn cảm 02 Đọc đầu rời rạc 03 Đọc ghi phần 91 Đo lường điều khiển máy tính 04 Đọc bơ ghi đầu vào 05 Viết cuộn cảm đơn 06 Viết ghi đơn 07 Đọc trạng thái ngoại lệ 08 Chẩn đoán xx 255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị Mỗi thiết bị MODBUS có nhớ chứa liệu q trình Thơng số kỹ thuật MODBUS cách liệu gọi nào, loại liệu gọi Tuy nhiên, không đặt giới hạn cách thức vị trí mà nhà cung cấp đặt liệu nhớ Dưới ví dụ cách thức mà nhà cung cấp đặt loại liệu biến thiên q trình hợp lí Các đầu vào cuộn cảm rời rạc có giá trị bit, thiết bị lại có địa cụ thể Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) lưu ghi 16 bit Bằng cách sử dụng ghi này, MODBUS hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit Bộ ghi Holding sử dụng ghi bên 16 bit hỗ trợ điểm floating Địa - 9999 Loại Tên Đọc viết Cuộn cảm 10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc 30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào 40001 - 49999 Đọc viết Bộ ghi Holding Dữ liệu nhớ xác định thông số kỹ thuật MODBUS Giả sử nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (không phải tất cả), liệu truy cập dễ dàng chủ, thiết bị tuân theo thông số kỹ thuật nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị cơng bố vị trí nhớ, tao điều kiện cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ Mỗi thiết bị MODBUS có nhớ chứa liệu q trình Thơng số kỹ thuật MODBUS cách liệu gọi nào, loại liệu gọi MODBUS có tới 255 mã chức năng, (cuộn cảm đọc), (đầu vào rời rạc đọc), (bộ ghi Holding đọc), (bộ ghi đầu vào đọc) chức đọc sử dụng phổ biến để thu thập liệu từ thiết bị tớ Thí dụ, để đọc từ 16 bit liệu analog từ đồ nhớ thiết bị 5, chủ gửi yêu cầu sau: 04 CRC Trong đó, địa thiết bị, đọc ghi đầu vào, địa khởi đầu (địa 30,002) có nghĩa để đọc giá trị liệu kề xuất phát từ đại 30,002, CRC giá trị kiểm tra lỗi thông điệp Thiết bị tớ, việc nhận liệu này, gửi lại trả lời sau: 04 aa bb cc CRC Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS Nguyễn Trường Sanh 92 Đo lường điều khiển máy tính Hình 71 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS Trong hầu hết nhà máy, thiết bị đo trường kết nối với hệ thống điều khiển với cặp dây xoắn Khi công cụ đo kết nối dây với hệ thống I/O phân tán NCS Moore Industries (giữa), có nhiều thiết bị bổ sung, có cặp dây xoắn đơn cần để truyền tất liệu V Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Ethernet Hệ thống điều khiển Một hệ thống điều khiển tập hợp dụng cụ, thiết bị điện tử, dùng hệ thống cần đảm bảo tính ổn định, xác, chuyển đổi nhịp nhàng quy trình hoạt động sản xuất Nó thực yêu cầu dụng cụ, từ cung cấp lựơng đến thiết bị bán dẫn Với thành phát triển nhanh chóng cơng nghệ việc điều khiển hệ thống phức tạp thực hệ thống điều khiển tự động hóa hồn tồn, PLC, sử dụng kết hợp với máy tính chủ Ngồi ra, cịn giao diện để kết nối với thiết bị khác (như là: bảng điều khiển, động cơ, contact, cuộn dây, ….) Khả chuyển giao mạng PLC Nguyễn Trường Sanh 93 Đo lường điều khiển máy tính cho phép chúng phối hợp xử lý, điều khiển hệ thống lớn Ngoài ra, cịn thể linh hoạt cao việc phân loại hệ thống điều khiển Mỗi phận hệ thống điều khiển đóng vai trị quan trọng Mạng truyền thông công nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp khái niệm chung hệ thống thông số, truyền bít nối tiếp, sử dụng để ghép nối thiết bị công nghiệp Các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp phổ biến cho phép liên kết mạng nhiều mức khác nhau, từ cảm biến, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty Mạng truyền thông công nghiệp thực chất dạng đặc biệt mạng máy tính, so sánh với mạng máy tính thơng thường điểm giống khác sau: Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng cơng nghiệp coi phần (ở cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất quản lý cơng ty) mơ hình phân cáp mạng cơng nghiệp Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt cấp yêu cầu tính thời gian thực, khả thực đơn giản, giá thành hạ lại đặt hàng đầu Giao thức truyền thông Một giao diện mạng bao gồm thành phần xử lý giao thức truyền thông (phần cứng phần mềm) thành phần thích ứng cho thiết bị nối mạng - Tầng ứng dụng (Application layer) - Tầng trình diễn (Presentation layer) - Tầng phiên (Session layer) - Tầng giao vận (Transport Layer) - Tầng mạng (Network Layer) - Tầng liên kết liệu (Data Link Layer) - Tầng vật lí (Physical Layer) Giao thức giao tiếp hay gọi Giao thức truyền thông, Giao thức liên mạng, Giao thức tương tác, Giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh communication protocol) công nghệ thông tin gọi tắt giao thức (protocol), nhiên, tránh nhầm với giao thức ngành khác - tập hợp quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn liệu, phát tín hiệu, chứng thực phát lỗi liệu - việc cần thiết để gửi thông tin qua kênh truyền thơng, nhờ mà máy tính (và thiết bị) kết nối trao đổi thông tin với Các giao thức truyền thơng dành cho truyền thơng tín hiệu số mạng máy tính có nhiều tính để đảm bảo việc trao đổi liệu cách đáng tin cậy qua kênh truyền thơng khơng hồn hảo Có nhiều giao thức sử dụng để giao tiếp truyền đạt thông tin Internet, số giao thức tiêu biểu: TCP (Transmission Control Protocol): thiết lập kết nối máy tính để truyền liệu Nó chia nhỏ liệu thành gói (packet) đảm bảo việc truyền liệu thành công - IP (Internet Protocol): định tuyến (router) gói liệu chúng truyền qua Internet, đảm bảo liệu đến nơi cần nhận - HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu dạng siêu văn bản) qua Internet Nguyễn Trường Sanh 94 Đo lường điều khiển máy tính FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin thiết bị không dây, điện thoại di động Mạng truyền thông Ethernet Mạng Ethernet công nghiệp mạng phục vụ cho cấp quản lý cấp phân xưởng để thực truyền thơng máy tính hệ thống tự động hố Nó phục vụ cho việc trao đổi lượng thông tin lớn, truyền thông phạm vi rộng Khi xảy xung đột mạng ngừng lại trình gửi điện tín thực lại sau thời gian định Tất trạm mạng (network station) chia tổng băng thông mạng Băng thông 10Mbps (megibit per second = megabit/giây), 100Mbps 1000Mbps Ngày nay, cơng nghệ mạng Ethernet sử dụng Switch hay Hub Ethernet thường sử dụng công nghệ sử dụng cáp đôi xoắn 10Mbps Công nghệ truyền thông 10-Mbps sử dụng hệ thống cáp xoắn đôi Tốc độ chuẩn cho hệ thống Ethernet 100-Mbps Đặc điểm mạng truyền thông Ethernet Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng thủ tục truyền thông OIS TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) Theo phương pháp thâm nhập đường dẫn chọn CSMA/CD thành phần mạng Ethernet cơng nghiệp bình đẳng với Các thông số mạng Ethernet công nghiệp: - Chuẩn truyền thông: IEEE 802.3 - Số lượng trạm : Max 1024 trạm Môi trường truyền thông : Dây dẫn : Cáp đồng trục, Cáp đôi dây xoắn - Cáp quang : Cáp thuỷ tinh chất dẻo - Cáp kết nối Ethernet có cấu trúc bus Cấu trúc mạng vật lí đường thẳng hình tùy theo phương tiện truyền dẫn Phương thức truyền thông Các chuẩn Ethernet hoạt động tầng Data Link mơ hình lớp OSI Theo chuẩn IEEE 802.3/ Ethernet quy định lớp MAC lớp vật lý Địa IP (IPv4) có độ dài 32 bit tách thành vùng, vùng (mỗi vùng byte) thường biểu diễn dạng thập phân cách dấu chấm (.) Ví dụ: 203.162.7.92 Kết nối truyền thơng TCP/ IP dịch vụ truyền thông (Fins/ TCP), xây dựng ứng dụng cách sử dụng lệnh SEND (090), RECV (098), CMND (490) FINS/ TCP chức truyền thơng hỗ trợ Ethernet Option Board (CP1W-CIF41) Nó cung cấp lớp TCP / IP phục hồi tự động từ lỗi truyền thơng xảy q trình định tuyến đa cấp Đây phương thức sử dụng phương pháp chuyển đổi địa IP cho địa IP động TCP/IP dịch vụ truyền thông FINS Máy tính sau nhận địa IP gửi lệnh đến PLC thu nhận tín hiệu phản hồi từ PLC Nó kết nối trực tuyến đến PLC sử dụng CX-Programmer từ máy tính - Nguyễn Trường Sanh 95 Đo lường điều khiển máy tính Các bước thiết lập điều khiển Hình 72a Lưu đồ khối lập điều khiển Hình 72b Lưu đồ khối lập điều khiển Xác định địa IP máy tính địa IP PLC Thiết lập địa IP CX-Programmer phải phù hợp với IP PLC IP mặc định ban đầu PLC 192.168.250.1 Kết nối mạng sử dụng cáp xoắn đơi Ấn khố cần gạt lên/xuống hai phía nắp khe cắm Option Board lúc để tháo nắp sau kéo nắp ngồi Kiểm tra cân chỉnh góc cắt Ethernet Option Board phù hợp với khe cắm Option Board, ấn chắn Ethernet Option Board bắt dính vị trí Nguyễn Trường Sanh 96 Đo lường điều khiển máy tính Cài đặt Hub Kết nối cổng kết nối từ nhà mạng cung cấp đến hup Từ ngõ hup kết nối vào máy tính PLC Cấu trúc kết nối: RJ45 8-pin Modul kết nối (phù hợp với ISO8877) Trình duyệt Web Sau kết nối cáp xong ta truy cập Web browser Thiết lập hệ thống Ethernet Option Board thiết lập cách sử dụng trình duyệt web từ máy tính cá nhân thiết bị khác Cửa sổ web Ethernet Option Board hiển thị cách truy cập vào URL từ trình duyệt Giao diện hiển thị Thơng tin thiết bị Nguyễn Trường Sanh 97 Đo lường điều khiển máy tính Trạng thái thiết bị Xử lý cố Lỗi đăng nhập Ethernet Option Board qui định lỗi đăng nhập để ghi lại lỗi xảy trình Ethernet Option Board hoạt động Nội dung lỗi đăng nhập đọc xố từ trình duyệt web SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Có thể hiểu SCADA hệ thống dùng ứng dụng điều khiển q trình cơng nghiệp hóa chất, truyền tải điện Nó dựa máy tính xử lý trung tâm (máy chủ), liệu thu thập từ cảm biến đặt phân xưởng, tòa nhà, hay trạm từ xa gửi máy tính trung tâm để quản lý điều khiển Trong hệ SCADA nguyên tắc có loại thiết bị : MTU (Master Terminal Unit) RTU (Remote Terminal) Thơng thường MTU đặt trung tâm, máy tính với phần cứng phần mềm chuyên dụng nhận liệu trình từ trạm xa, thiết bị Master (một dạng Controller) làm nhiệm vụ thu thập liệu điều khiển có phần truyền thơng với máy tính chủ Các cảm biến hay cấu chấp hành hệ thống mạng cơng nghiệp nói chung hệ thống SCADA ghép nối với RTU hay PLC để thực trình điều khiển theo thuật toán định Đồng thời liệu thu thập (dạng số) truyền trung tâm theo hệ thống mạng truyền thông Các MTU nhận liệu từ RTU, đồng thời đóng vai trị gửi tham số, lệnh điều khiển (với số lượng hạn chế) từ máy tính chủ tới RTU để điều khiển cấu chấp hành Nguyễn Trường Sanh 98 Đo lường điều khiển máy tính 1/ Sơ đồ khối hệ thống Hình 73 Sơ đồ khối hệ thống Bộ nguồn: cấp nguồn điện điều khiển cho CPU tất phận để đảm bảo cho hệ thống hoạt động - Bộ Điều Khiển 1, 2: xử lý PLC, liên kết với thành phần hệ thống, xử lý tín hiệu nhập xuất đưa tín hiệu điều khiển điến cấu chấp hành Xuất tín hiệu đến phần giao diện ngược lại - Cơ cấu chấp hành: nhận tín hiệu từ điều khiển tham gia trực tiếp trình hoạt động - Giao diện: điều khiển hiển thị tín hiệu thu nhận từ xử lý - Bộ phận cảm biến: thu thập tín hiệu từ hệ thống gửi tín hiệu điều khiển 2/ Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC Máy tính nối vào Hub máy tính có giao diện điều khiển giám sát hệ thống hoạt động PLC - Chủ ta nối vào Hub với máy tính điều khiển qua cổng Ethernet Option Board CP1W-CIF41 Dùng để nhận tín hiệu từ PLC – Hệ thống truyền tín hiệu điều khiển từ Scada PLC - Chủ PLC – Hệ thống nối mạng với thông qua cổng Built-In RS232 Các ngõ vào PLC Hệ thống dùng để điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC Cổng Option Board CP1W-CIF11 dùng để điều khiển biến tần 3G3JX Nguyễn Trường Sanh 99 Đo lường điều khiển máy tính Hình 74 Điều khiển thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển PLC 3/ Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A Cấu tạo chung PLC gồm phần sau: Cấu trúc phần cứng PLC CP1E có phận sau: xử lý, nhớ, nhập, xuất Hình 76 Cấu trúc PLC CP1E-N30DR-A Nguyễn Trường Sanh 100 Đo lường điều khiển máy tính 4/ Biến tần 3G3JX Biến Tần thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp dòng điện xoay chiều đầu vào từ tần số thành điện áp dòng điện có tần số khác đấu Bộ Biến Tần thường sử dụng để điều khiển vận tốc động xoay chiều theo phương pháp điều khiển tần số, theo tần số lưới nguồn thay đổi thành tần số biến thiên 5/ Ethernet Option Board CP1W-CIF41 Ethernet Option Board cung cấp câu lệnh tiếp nhận tiêu chuẩn giao thức FINS Omron Giao diện mạng Ethernet cho phép ta dễ dàng kết nối với điều khiển lập trình upload/ download chương trình, giao tiếp điều khiển (khơng hỗ trợ thời gian thực quét I/O Ethernet Option Board ) Sử dụng cổng để kết nối PLC – Chủ thơng qua mạng Ethernet với máy tính Để thực việc điều khiển giám sát hệ thống hoạt động Nhãn : Địa IP Subnet Mask Kết nối Ethernet: sử dụng cáp Ethernet twisted-pair Thể trạng thái điều khiển Option Board Cấu hình cho hệ thống Ethernet 100Base-TX bao gồm Hub mà node gắn hình thức dấu cách sử dụng cáp xoắn đôi Các thiết bị hiển thị bảng sau để cấu hình mạng 100Base-TX loại CP1W-CIF41 6/ Cảm biến mức Cảm biến mức dùng để hợp cho kiểm tra mức chất lỏng dẫn điện Thích hợp cho hệ thống bơm tự động cấp nước hay dung dịch Có chống xung chống sét cảm ứng Độ bền, độ tin cậy cao, tránh nhược điểm hệ phao học 7/ Cảm biến quang Cảm biến quang Fotek CDR-30X loại cảm biến quang phát vật thể kim loại phi kim 8/ Giao tiếp truyền thông (Communications) 9/Giao tiếp truyền thông PLC Omron Có nhiều chuẩn giao tiếp truyền thơng PLC với : - Programmable Terminals - No-protocol Communications - Serial PLC Links - Modbus-RTU protocol - Host Link Do yêu cầu thiết bị hệ thống trạm trộn điều khiển nên em sử dụng kiểu Serial PLC Links 1: n Link Phương thức giao tiếp truyền thông PLC, cách kết nối PLC trình bày rõ phần phụ lục B Modbus-RTU điều khiển biến tần 3G3JX Khơng cần lập trình truyền thông truyền nhận liệu với biến tần thực thi dễ dàng Chỉ cần ghi địa chỉ, mã lệnh, liệu vùng nhớ DM Đặc bật bit chức lên ON (A640.00 cho port 1, A641.00 port 2) Thực hành viết chương trình điều khiển ứng dụng Nguyễn Trường Sanh 101 Đo lường điều khiển máy tính Hình 77 Hệ thống trộn rót sản phẩm Quy trình thực hành - Viết lưu đồ - Lắp đặt phần cứng - Kết nối PLC _ Hệ thống với biến tần - Kết nối PLC _ Hệ thống với PLC-Chủ - Kết nối PLC-Chủ với Option Board - Kiểm tra địa IP Address máy tính kết nối mạng Internet - Cài đặt địa IP cho PLC-Chủ - Nạp chương trình cho PLC-Chủ - Nạp chương trình cho PLC-Hệ thống qua cổng USB - Vận hành - Cài đặt thông số - Hiển thị - Lịch sử sản xuất - Sự cố Lưu ý: LẬP TRÌNH CHO MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN - Truy xuất ngoại vi sử dụng ngông ngử lập trình Qbasis, Pascal, C, mơi trường Dos (hợp ngữ) - Viết tập tin liên kết động DDL - Sử dụng ngắt điều khiển - ( Đọc thêm :www.jungo.com) Nguyễn Trường Sanh 102 ... 65 Đo lường điều khiển máy tính Hình 44 USB To RS2 32 Giao Diện Sơ Đồ Mạch USB sang RS485 Hình 45 USB sang RS485 Nguyễn Trường Sanh 66 Đo lường điều khiển máy tính Sự khác biệt RS2 32, RS 422 , RS485... RS 422 4/ Ứng dụng RS 422 RS- 422 sử dụng rộng rãi máy tính Macintosh đời đầu Điều thực đầu nối nhiều chân có đủ chân để hỗ trợ phần lớn chân RS- Nguyễn Trường Sanh 52 Đo lường điều khiển máy tính. .. Arduino Chương trình Nguyễn Trường Sanh 62 Đo lường điều khiển máy tính ……… Nguyễn Trường Sanh 63 Đo lường điều khiển máy tính CHƯƠNG 5: GIAO TIẾP QUA CỔNG USB Mục tiêu bài: - Trình bày nhiệm