KHÁI NIỆM CHUNG
Máy tính trong điề u khi ể n
Ngày nay, việc sử dụng máy tính và vi xử lý trong các dây chuyền sản xuất hiện đại là yêu cầu bắt buộc nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Đối với các sản phẩm dân dụng, vi xử lý không chỉ tăng cường tính thông minh mà còn mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Vi xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và đo lường, được ứng dụng dưới nhiều hình thức khác nhau.
- Máy tính điều khiển Máy tính điều khiển
- Vi xử lý điều khiển nhúng Vi xử lý điều khiển nhúng (embedded (embedded microprocessor, embedded micro-controller) microprocessor, embedded micro- controller)
- Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC) Bộ điều khiển logic lập trình được (PLC)
Cả ba dạng đều được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của vi xử lý, với chức năng chính là xử lý thông tin một cách hiệu quả.
Hình 1 Máy tính điều khiển
1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình
Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển quá trình gồm các phần sau: gồm các phần sau:
- Bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm
- Các kênh truyền thông liên lạc giữa người - máy Các kênh truyền thông liên lạc
Nguyễn Trường Sanh 13 giữa người - máy tính tính (HMI) (HMI) và giữa máy tính –máy tính và giữa máy tính –máy tính
Các thiết bị ghép nối và chuyển đổi giữa tín hiệu tương tự và số, bao gồm bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) và bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC), đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và truyền tải dữ liệu ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự thành dạng số để dễ dàng xử lý, trong khi DAC chuyển đổi tín hiệu số trở lại dạng tương tự cho các ứng dụng thực tế.
- Thiết bị đo lường (cảm biến) Thiết bị đo lường (cảm biến)
- Cơ cấu chấp hành (relay, động cơ, van khí và thủy Cơ cấu chấp hành (relay, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh thủy khí…)
Khi sử dụng máy tính để đo lường và điều khiển, cần giải quyết vấn đề xuất dữ liệu 8 bit ra một thanh ghi hoặc đọc dữ liệu 8 bit từ thanh ghi vào một biến.
Vấn đề này có thể được giải quyết hiệu quả thông qua các ngôn ngữ lập trình như hợp ngữ, Pascal, C và Visual.
Hệ điều khiển nhúng là hệ thống máy tính được tích hợp vào quá trình điều khiển sản phẩm, nhằm quản lý và điều chỉnh các đối tượng cũng như quy trình công nghệ theo những yêu cầu cụ thể.
Hệ thống điều khiển nhúng thu thập và xử lý thông tin từ các cảm biến, thực hiện các thuật toán điều khiển và phát tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu chấp hành.
Hình 2 Hệ thống điều khiển nhúng
HMI (Human Machine Interface)
HMI, viết tắt của Human-Machine Interface, là thiết bị giao tiếp giữa người điều hành và máy móc Nó bao gồm mọi phương thức mà con người tương tác với máy móc, từ màn hình cảm ứng đến các công cụ điều khiển HMI đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Khi quy trình tự động hóa tại nhà máy gia tăng, người điều khiển cần nhiều thông tin hơn về quá trình, dẫn đến yêu cầu hiển thị và điều khiển trở nên phức tạp hơn Một trong những cải tiến nổi bật là việc sử dụng màn hình cảm ứng, cho phép người điều khiển chỉ cần chạm vào các phần của màn hình để thực hiện các chức năng cần thiết Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của bàn phím, chuột và các thiết bị điều khiển khác, ngoại trừ trong những trường hợp lập trình phức tạp ít xảy ra.
Một ưu điểm nổi bật của màn hình tinh thể lỏng (LCD) là kích thước gọn nhẹ, chiếm ít không gian hơn so với màn hình CRT Nhờ vào thiết kế mỏng, màn hình LCD có thể được sử dụng trong những không gian hạn chế, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người sử dụng.
Người điều khiển làm việc trong không gian hạn chế tại nhà máy, đôi khi không có đủ chỗ cho họ cùng các công cụ và phụ tùng cần thiết Do đó, việc sử dụng HMI (Giao diện Người-Máy) có thể di chuyển được là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả làm việc.
ADC – DAC (analog digital converter- digital analog converter) (analog digital converter- digital analog converter) Kỹ thuật tương tự (analog techique) Kỹ thuật tương tự (analog techique)
Khi nói trước micro, lực của không khí tác động vào micro sẽ thay đổi, khiến micro hoạt động như một màng nhỉ Sự thay đổi này dẫn đến sự biến đổi điện áp ở hai đầu micro theo lực của không khí Điện áp này sẽ phản ánh sự rung động của màng nhỉ, tạo nên âm thanh mà chúng ta nghe thấy.
Kỹ thuật tương tự (Analog) có đặc điểm là bất kỳ sự thay đổi nào của điện áp đều mang ý nghĩa quan trọng Tuy nhiên, nhiễu có thể làm biến đổi biên độ tín hiệu, dẫn đến những nhược điểm trong hệ thống Sự nhạy cảm với nhiễu xâm nhập chính là điểm yếu lớn nhất của kỹ thuật này.
Hình 4 Tín hiệu tương tự
K ỹ thu ậ t s ố (Digital techique)
Hệ số là tập hợp những chữ số mà ta dùng để hệ số là tập hợp những chữ số mà ta dùng để đếm Hệ 10 Hệ 10 : 0 1 2 4 5 6 7 8 9
Hệ nhị phân: chỉ gồm 2 chữ số: 0 1
- Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit
- Chữ số của hệ nhị phân được người ta gọi là bit
2 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số:
Hình 5 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số
Ta thấy tín hiệu tương tự là: 1 miền liên tục
Trên hình, có chỗ điện áp là 4V nhưng vẫn là mức 1 Nhiễu chỉ có thể tăng/giảm biên là mức 1
Lấy mẫu: (SAMPLING) (SAMPLING) : T1, T2 là các lần lấy mẫu T1, T2 là các lần lấy mẫu t1, t2 là thời gian
Lấy mẫu là giai đoạn đầu của quá trình
Số lần lấy mẫu trong 1 giây gọi là tần số lấy Số lần lấy mẫu trong 1 giây gọi là tần số lấy mẫu Sampling rate
ADC – DAC, ADC – DAC (analog digital converter- digital analog converter)
Độ rộng của mẫu, hay còn gọi là Resolution, xác định số mức mà tín hiệu có thể đạt được; ví dụ, độ rộng 16 mức tương ứng với việc sử dụng 4 bit nhị phân để lưu trữ Tốc độ lấy mẫu, hay sampling rate, được tính bằng tần số lấy mẫu nhân với độ rộng; ví dụ, với tần số 22kHz và độ rộng 8 bit, tốc độ lấy mẫu sẽ đạt 176kb/s.
Sau khi giải mã, chúng ta thu được một đường gấp khúc thay vì một đường cong như ban đầu Điều này cho thấy rằng, khi tăng tần số lấy mẫu và độ rộng mẫu, đường giải mã sẽ trở nên mịn màng hơn và gần giống với đường gốc.
Theo nghiên cứu của Nyquist, tần số lấy mẫu phải lớn hơn 2 lần băng thông để đảm bảo kết quả thu được gần với thực tế Chẳng hạn, tai người có khả năng nghe từ 0 đến 20 kHz, với băng thông là 20 kHz Do đó, tần số lấy mẫu tối thiểu cần đạt 40 kHz (2 x 20 kHz) để đảm bảo chất lượng âm thanh chính xác.
CẢ M BI Ế N VÀ CHUY ỂN ĐỔ I
Nguyên lý các m ạch đo và chuyển đổ i
Hình 14 Nguyên lý các mạch đo và chuyển đổi
Có nhiều loại cảm biến đo lường khác nhau, nhưng trong điều khiển quá trình, chúng ta chủ yếu sử dụng các cảm biến đo nhiệt độ, lực, dịch chuyển, vận tốc, áp suất và lưu lượng Khi thực hiện các phép đo giá trị của các đại lượng như nhiệt độ hay điện áp, sẽ luôn có sai số xuất hiện.
Theo hình thức mà hệ thống xảy ra sai số:
Sai số hệ thống là sai số xuất hiện trong kết quả đo lường khi quá trình đo lặp lại dưới cùng một điều kiện làm việc Loại sai số này có thể do nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của dụng cụ đo, quy trình hiệu chuẩn thang đo, và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, cũng như sự ảnh hưởng của từ trường hoặc điện trường nhiễu.
Sai số ngẫu nhiên là loại sai số hoàn toàn khác với sai số hệ thống, vì khi thực hiện đo lường nhiều lần, giá trị của sai số này sẽ thay đổi mỗi lần.
GIAO TI Ế P QUA C Ổ NG SONG SONG (LPT)
Gi ớ i thi ệ u chung
Cổng song song gồm có 4 đường điều khiển, 5 đường trạng thái và 8 đường dữ liệu bao gồm 5 chế độ hoạt động:
- Chế độ tương thích (compatibility)
- Chế độ EPP (Enhanced Parallel Port)
- Chế độ ECP (Extended Capabilities Port)
Ba chế độ đầu tiên sử dụng cổng song song chuẩn (SPP - Standard Parallel Port), trong khi đó, chế độ 4 và 5 yêu cầu phần cứng bổ sung để hoạt động với tốc độ cao hơn.
Cổng song song bao gồm ba thanh ghi cho phép truyền dữ liệu và điều khiển máy in, với địa chỉ cơ sở của các thanh ghi cho tất cả cổng LPT (line printer) từ LPT1 đến LPT4 được lưu trữ trong vùng dữ liệu của BIOS Cụ thể, thanh ghi dữ liệu nằm ở offset 00h, thanh ghi trạng thái ở 01h, và thanh ghi điều khiển ở 02h Địa chỉ cơ sở của LPT1 thường là 378h và LPT2 là 278h, dẫn đến địa chỉ thanh ghi trạng thái là 379h hoặc 279h, trong khi địa chỉ thanh ghi điều khiển là 37Ah hoặc 27Ah Tuy nhiên, trong một số trường hợp, địa chỉ của cổng song song có thể khác do quá trình khởi động của BIOS.
Thanh ghi dữ liệu (hai chiều):
Thanh ghi trạng thái máy in (chỉ đọc):
Thanh ghi điều khiển máy in:
Nguyễn Trường Sanh 33 x: không sử dụng IRQ Enable: yêu cầu ngắt cứng; 1 = cho phép; 0 = không cho phép
Chân BUSY được kết nối với cổng đảo trước khi truyền vào thanh ghi trạng thái, và các bit sẽ đi qua cổng đảo trước khi xuất ra các chân của cổng máy in.
Tốc độ xử lý dữ liệu của các thiết bị ngoại vi như máy in thường chậm hơn so với PC, vì vậy các tín hiệu ACK, BUSY và STR được sử dụng trong kỹ thuật bắt tay Đầu tiên, PC đưa dữ liệu lên bus và kích hoạt tín hiệu STR xuống mức thấp để thông báo cho máy in rằng dữ liệu đã ổn định Sau khi máy in hoàn thành việc xử lý dữ liệu, nó sẽ gửi tín hiệu ACK xuống mức thấp để xác nhận PC sẽ chờ cho đến khi tín hiệu BUSY từ máy in xuống thấp (tức là máy in không bận) trước khi tiếp tục đưa dữ liệu lên bus.
1 Giao tiếpvới thiết bị ngoại vi
Quá trình giao tiếp với cổng song song bao gồm hai chế độ chính: chế độ chuẩn SPP và chế độ mở rộng Giao tiếp trong chế độ chuẩn được mô tả cụ thể như sau.
Hình 27 cổng giao tiếp song song
Sơ đồ chân kết nối mô tả như sau:
2 Giao tiếp thiết bị khác
Quá trình giao tiếp với thiết bị ngoại vi được thực hiện qua chế độ chuẩn Để đọc dữ liệu, có thể sử dụng IC ghép kênh 2→1 74LS257 kết hợp với 4 bit trạng thái của cổng song song Đối với việc xuất dữ liệu, cần sử dụng 8 đường dữ liệu từ D0 đến D7.
Hình 28 Giao tiêp qua cổng máy in
Hình 29 Sơ đồ bắt tay
- Là sản phẩm của Intel, Xircom
- Cĩ 2 chuẩn EPP1.7 và EPP1.9
- Vận tốc truyền 500kbytes/s, 2 Mbytes/s
- Có 4 chu kỳ truyền: Chu kỳ ghi dữ liệu
- Chu kỳ đọc dữ liệu
- Chu kỳ ghi địa chỉ
- Chu kỳ đọc địa chỉ
- Các giao diện song song chế độ EPP
- Chế độ EPP cần nhiều thanh ghi hơn và bổ sung thêm 3 thanh ghi (địa chỉ lệch từ
Các cổng từ 3 đến 7 được xác định bằng cách cộng địa chỉ lệch với địa chỉ cơ sở của cổng song song 378h Trong chế độ EPP, các thanh ghi có vai trò quan trọng trong việc quản lý dữ liệu và điều khiển thiết bị ngoại vi.
- Khi ghi lên các cổng cơ bản 378h-37Ah sẽ nhận được phản ứng của giao diện song song chuẩn SPP
- Chu kỳ đọc ghi địa chỉ được tiến hành khi ghi hoặc đọc cổng 37Bh
- Khi ghi dữ liệu ra cổng 37Ch phần cứng sẽ tự động quản lý tín hiệu bắt tay của chu kỳ ghi
- Tốc độ truyền: 500KB đến 2MB/1giây
Chế độ ECP, được phát triển bởi Hewlett Packard và Microsoft, cải thiện tốc độ truyền dữ liệu giữa máy chủ và máy in Chế độ này cho phép hai chu kỳ truyền dữ liệu diễn ra đồng thời theo hai hướng khác nhau.
- Chu kỳ lệnh được chia thành hai loại:
- Đếm chiều dài chạy-RLE (run-length count)
Kênh địa chỉ (channel address)
- Tốc độ truyền: 2MB/giây
Ưu điểm cổng song song: Tốc độ truyền nhanh do khả năng xuất ra 8 bit dữ liệu cùng một lúc
Khi truyền tín hiệu, không nên vượt quá khoảng cách 8m do hiện tượng lệch tín hiệu và chập chờn Hiện tượng lệch tín hiệu xảy ra khi các tín hiệu không đến đầu nhận đồng thời, mặc dù chúng được phát đi cùng lúc Cáp dài sẽ làm gia tăng độ lệch, khiến khoảng thời gian giữa tín hiệu đầu tiên và tín hiệu cuối cùng đến đầu nhận trở nên lớn hơn.
Sự chập chờn tín hiệu xảy ra khi các tín hiệu dao động xung quanh điện áp định mức trong khoảng thời gian ngắn Ở tốc độ cao, tín hiệu song song có xu hướng gây nhiễu lẫn nhau giữa các đường tín hiệu gần kề.
GIAO TIẾ P QUA C Ổ NG N Ố I TI Ế P
Cơ bả n và ghép n ố i v ề chu ẩ n giao ti ế p c ổ ng Com RS232
RS stands for Recommended Standard, with the numbers 232, 422, and 485 representing a sequential part of the EIA standards list.
So Sánh 3 chuẩn truyền thông
RS232, RS422 và RS485 là các tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp được phát triển bởi hiệp hội điện tử (EIA) RS232, được phát hành vào năm 1962 với tên gọi EIA-232-E, là một tiêu chuẩn công nghiệp nhằm đảm bảo tính tương thích trong kết nối giữa các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau.
RS422, được phát triển từ RS232, khắc phục những hạn chế của RS232 như khoảng cách ngắn và tốc độ thấp Với tín hiệu giao tiếp cân bằng, RS422 cho phép tốc độ truyền lên tới 10 Mb/s và khoảng cách truyền tối đa 4000 ft (ở tốc độ dưới 100 kb/s) Nó hỗ trợ tối đa 10 máy thu trên một bus cân bằng và được thiết kế cho truyền một máy và tiếp nhận nhiều máy Tiêu chuẩn này được biết đến với tên gọi TIA/EIA-422-A Để mở rộng ứng dụng, EIA đã phát triển RS485 từ RS422 vào năm 1983, cho phép giao tiếp hai điểm và đa điểm, nghĩa là nhiều máy phát có thể kết nối cùng một bus và thêm máy phát mới.
Là một chuẩn truyền thông được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và
“Telecommunications Industry Association” (EIA/TIA) RS232 là chuẩn truyền thông phổ biến nhất một thời, thường được gọi tắt là RS232 hoặc RS-232 thay vì EIA/TIA-232-
E Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment)
Phiên bản đầu tiên của RS232 được phát hành vào năm 1962, với các mức logic khác biệt so với logic TTL Ở ngõ ra của mạch điều khiển, mức cao (logic 0) có điện áp từ +5 đến +15 V, trong khi mức thấp (logic 1) có điện áp từ -5 đến -15 V Tại ngõ vào của bộ thu, mức cao được định nghĩa từ +3 đến +15 V (gọi là space), còn mức thấp từ -3 đến -15 V (gọi là mark).
Có 2 phiên bản RS232 được sử dụng trong thời gian dài nhất là RS232B và RS232C Tuy nhiên, hiện nay chúng ta chỉ thấy xuất hiện phiên bản RS232C và thường được gọi với tên ngắn là RS232 Trong phần cứng máy tính, thường có 1 hoặc 2 cổng RS232C và được gọi là cổng COM Cổng COM này thường được chia thành 2 loại là 9 chân hoặc 25 chân tùy theo đời máy, hay main máy tính (tuy nhiên hiện tại thì chúng ta thấy nhiều loại 9 chân hơn)
- Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
- Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện
- Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp
- Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm – 7000 ôm
- Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V
- Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)
- Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF
- Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm
- Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m
- Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng: 9600, 19200, 28800, 38400…
Để giảm thiểu nguy cơ nhiễu giữa các tín hiệu gần nhau, tốc độ thay đổi (slew rate) được giới hạn tối đa là 30 V/μs, trong khi tốc độ truyền dữ liệu cũng được giới hạn tối đa là 20 kbps Giới hạn này hiện đã được nâng lên nhiều lần.
Trở kháng của mạch điều khiển được quy định trong khoảng 3 đến 7 kΩ Tải dung tối đa cho đường truyền là 2500 pF, do đó chiều dài tối đa của cáp có thể được xác định dựa trên điện dung trên mỗi đơn vị chiều dài của cáp.
RS232 được chia thành hai loại chân chính là 9 chân (DB9) và 25 chân (DB25), nhưng hiện nay loại DB25 đã trở nên hiếm gặp trong các thiết bị hiện đại Do đó, bài viết sẽ tập trung vào việc tìm hiểu về loại DB9 Các tín hiệu RS-232 được định nghĩa tại DTE, cụ thể là các tín hiệu của đầu nối 9 chân.
Chân số Chức năng Chiều thông tin
1 Data Carrier Detect (DCD) Từ DCE
2 Receive Data Line (RD) Từ DCE
3 Transmit Data Line (TD) Đến DCE
4 Data Terminal Ready (DTR) Đến DCE
6 Data Set Ready (DSR) Từ DCE
7 Request To Send (RTS) Đến DCE
8 Clear To Send (CTS) Từ DCE
9 Ring Indicate (RI) Từ DCE
- Chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu
- Chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu
- Chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu
- Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu
- Chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu
- Chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu
- Chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu
Chân 8 (Clear To Send - CTS) là tín hiệu quan trọng trong giao tiếp không dây, cho phép bộ nhận thông báo cho bộ truyền rằng nó đã sẵn sàng nhận tín hiệu Khi CTS được kích hoạt, bộ truyền có thể bắt đầu gửi dữ liệu mà không lo bị mất mát thông tin Việc sử dụng chân 8 giúp cải thiện hiệu suất truyền tải và giảm thiểu xung đột trong mạng.
- Chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông
Các hệ thống logic hiện nay chủ yếu dựa vào các chuẩn TTL hoặc CMOS Khi cần giao tiếp qua chuẩn RS-232, việc sử dụng các mạch điều khiển và thu là cần thiết.
232 driver và receiver, hay RS-232 transceiver) để chuyển đổi giữa TTL/CMOS và RS-
Các bộ transceiver hiện nay thường tích hợp bơm điện tích (charge pump) để tạo ra các mức điện áp RS-232 vật lý, thường là +12 V và -12 V, từ một nguồn điện áp đơn cực thấp như 5 V hoặc 3.3 V.
Chuẩn RS-232 chỉ dành cho giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối dữ liệu (DTE) và thiết bị điều chế/demodulation (DCE) Khi hai máy tính (DTE) cần giao tiếp qua RS-232, cần sử dụng DCE (như modem) làm trung gian Các DCE, là các thiết bị ngoại vi, có thể giao tiếp trực tiếp với nhau qua một chuẩn khác.
RS-422, developed by the Electronic Industry Association and Telecommunications Industry Association (EIA/TIA), is a standard for serial data transmission between a host (Data Terminal Equipment - DTE) and a peripheral device (Data Circuit-Terminating Equipment - DCE).
Chuẩn truyền thông RS-422 là một chuẩn truyền thông nối tiếp hỗ trợ tốc độ cao và khoảng cách truyền dữ liệu dài Điểm khác biệt của RS-422 là mỗi tín hiệu được truyền qua một cặp dây, giúp cải thiện hiệu suất so với các chuẩn khác RS-422 thường được sử dụng như một cơ chế vận chuyển cho các bộ mở rộng RS-232, với các cổng RS-232 nằm ở hai đầu của kết nối RS-422.
Với khoảng cách 40 feet ( tương đương 12m) thì tốc độ truyền dữ liệu tối đa là
Tốc độ truyền tải đạt 100 kilobytes mỗi giây, với một điện trở 120 Ohm được kết nối ở cuối đường truyền nhằm ngăn chặn tín hiệu phản xạ và giao thoa Giao thức RS422 thường được áp dụng giữa các cặp thu phát tín hiệu.
Tuy nhiên, ở mỗi đầu ra, có thể truyền tới tối đa 10 đầu nhận
B ộ chuy ễn đổ i m ứ c
1 Các mức điện áp đường truyền
RS232 là một phương thức truyền thông không đối xứng, sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa dây dẫn và đất Mặc dù ra đời từ lâu, nó vẫn mang tính chất lỗi thời của chuẩn TTL, với các mức điện áp tương thích TTL để biểu thị logic 0 và 1 Ngoài ra, mức điện áp tiêu chuẩn còn xác định các giá trị trở kháng tải kết nối vào bus và trở kháng ra của bộ phát.
Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau:
Các mức điện áp từ -3V đến 3V được coi là trạng thái chuyển tuyến, trong đó phạm vi này không được định nghĩa rõ ràng Khi giá trị logic thay đổi từ thấp lên cao hoặc ngược lại, tín hiệu cần vượt qua quãng quá độ trong thời gian ngắn hợp lý Điều này yêu cầu phải hạn chế điện dung của các thiết bị và đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn, và hầu hết các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tốc độ 19,2 kBd.
2 Quá trình truyền dữ liệu
Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 diễn ra theo phương thức không đồng bộ, cho phép chỉ một bit (1 ký tự) được truyền tại một thời điểm Bộ truyền bắt đầu quá trình bằng một bit bắt đầu (bit start) với mức 0, giúp bộ nhận nhận biết một ký tự sắp được gửi Sau bit bắt đầu, các bit dữ liệu (bits data) được truyền dưới dạng mã ASCII, có thể là 5, 6, 7 hoặc 8 bit Tiếp theo là một bit kiểm tra (Parity bit) để xác định tính chẵn lẻ, và cuối cùng là bit dừng (bit stop), có thể là 1, 1.5 hoặc 2 bit.
3 Tốc độ Baud Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây hay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)
Tốc độ Baud là một tham số quan trọng để mô tả tốc độ truyền dữ liệu, bên cạnh tốc độ bit Tốc độ Baud phản ánh tốc độ mà các phần tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để truyền đạt từng bit, trong khi tốc độ bit thể hiện tốc độ thực tế của việc truyền bit Khi mỗi phần tử mã hóa một bit, tốc độ bit và tốc độ Baud sẽ tương đương nhau Một số tốc độ Baud phổ biến bao gồm 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400 và 4800.
9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200 … Trong thiết bị họ thường dùng tốc độ là
Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232, thời gian chuyển mức logic không được vượt quá 4% thời gian truyền 1 bit Do đó, với tốc độ bit cao, thời gian truyền 1 bit sẽ giảm, yêu cầu thời gian chuyển mức logic cũng phải nhỏ hơn Điều này giới hạn tốc Baud và khoảng cách truyền tín hiệu.
Bit chẵn lẻ, hay còn gọi là Parity bit, là một loại bit dùng để kiểm tra lỗi trong quá trình truyền dữ liệu Quá trình này thực hiện bằng cách bổ sung thêm thông tin vào dữ liệu truyền để phát hiện và sửa chữa lỗi có thể xảy ra Trong chuẩn RS232, kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ được áp dụng để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu truyền.
Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để ch thấy số lượng các bit
“1” được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ
Parity bit chỉ có thể phát hiện một số lỗi lẻ như 1, 3, 5, 7, 9, nhưng không thể phát hiện lỗi khi một bit chẵn bị mắc lỗi, vì lúc đó giá trị của Parity bit vẫn giống như khi không có lỗi Do đó, kỹ thuật mã hóa lỗi này không phù hợp trong các tình huống có khả năng xảy ra nhiều lỗi bit.
Mạch giao tiếp cổng com
1 Sơ đồ bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485
Hình 31 Sơ đồ bộ chuyển đổi tín hiệu TTL thành RS485
2 Dây chuyển đổi USB sang RS485
Hình 32 Dây chuyển đổi USB sang RS485
Bộ chuyển đổi USB sang RS485 là thiết bị phổ biến trong ngành công nghiệp, với thiết kế nhỏ gọn và tính di động cao Nó được trang bị các mạch bảo vệ chống rỉ, giúp bảo vệ hiệu quả trước những tác động từ môi trường khắc nghiệt.
Hoạt động: Bộ chuyển đổi này có khả năng liên lạc nhanh, ổn định và bảo mật cao nên có thể tự động thu phát
3 Cáp điều khiển RS485 – Grove
Grove được biết đến là mẫu kết nối hệ thống tiêu chuẩn hóa đơn giản và dễ dàng ứng dụng trong học tập
Grove cho phép Arduino của người sử dụng kết nối trực tiếp với RS485, cắm trực tiếp và tiến hành sử dụng
Hình 33 Kết nối RS485 với máy tính
Bộ chuyển đổi S177P1 do Nguyễn Trường Sanh phát triển được thiết kế với mạch bảo vệ cách ly nguồn hoặc cách ly từ tính, chuyên dụng cho các tín hiệu Modbus RTD RS 485 và RS232 Thiết bị này cho phép giao tiếp với máy tính qua cổng USB, giúp chuyển đổi tín hiệu USB sang RS485, và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.
Bộ chuyển đổi này nổi bật với tính năng dễ sử dụng, cho phép thu phát tự động mà không gây trễ thông tin, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu giao tiếp hiệu quả.
4 Bộ chuy ển đổ i tín hi ệ u RS485 sang USB
Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB giúp người dùng dễ dàng kết nối thiết bị với máy tính, giải quyết hiệu quả các vấn đề phức tạp.
Hiện nay, hầu hết các loại laptop đã loại bỏ cổng COM hoặc RS232 để giảm kích thước và tăng tính di động Việc sử dụng RS485 giúp laptop trở nên nhỏ gọn hơn và tiết kiệm diện tích, đáp ứng nhu cầu sử dụng hiện đại.
5 Bộ chuy ển đổ i tín hi ệ u RS485 sang Ethernet
Hình 34 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet
Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet cho phép truyền tín hiệu một cách tập trung và quản lý hiệu quả trên diện rộng, khắc phục mọi giới hạn về khoảng cách địa lý, diện tích và độ dài dây dẫn.
Bộ chuyển đổi tín hiệu này là phát minh vĩ đại cho các hệ thống lớn trong xưởng sản xuất lớn, nhà máy lớn, hệ thống công nghiệp lớn,….
M ạ ng RS485
RS485 là một chuẩn truyền thông phát triển từ RS422, cho phép kết nối tối đa 32 cặp thu phát đồng thời trên cùng một đường truyền Để ngăn chặn tín hiệu phản xạ và giao thoa, cần sử dụng trở kháng 120 Ohm ở cuối đường truyền Khi có nhiều thiết bị cần truyền dữ liệu, đường RTS sẽ được sử dụng như một đường điều khiển để đảm bảo việc truyền dữ liệu hiệu quả.
1 Thông số kỹ thuật chuẩn RS485A
- Up to 32 Driver/Receiver Pairs
- Chiều dài đường truyền và tốc độ tối đa cho phép:
Hệ thống truyền dẫn cân bằng sử dụng hai dây tín hiệu A và B mà không cần dây mass Tín hiệu trên hai dây này có đặc điểm đối kháng, tức là khi một dây phát tín hiệu cao, dây còn lại sẽ phát tín hiệu thấp và ngược lại Điều này giúp giảm thiểu nhiễu và cải thiện chất lượng truyền dẫn tín hiệu.
Trong truyền dẫn cân bằng với hai dây A và B, tín hiệu mức cao TTL được xác định khi điện áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu 200mV, trong khi tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi điện áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu 200mV Nếu điện áp VAB nằm trong khoảng -200mV đến 200mV, tín hiệu sẽ rơi vào vùng bất định Ngoài ra, điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu cần nằm trong khoảng -7V đến +12V.
Cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) là loại dây gồm hai sợi có chiều dài bằng nhau được xoắn lại với nhau Việc sử dụng cặp dây xoắn giúp giảm thiểu nhiễu, đặc biệt khi truyền tín hiệu ở khoảng cách xa và với tốc độ cao.
5 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn
Trở kháng đặc tính (Characteristic impedance - Zo) của dây dẫn phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện, và thường được nhà sản xuất chỉ rõ Theo khuyến cáo, trở kháng đặc tính của đường dây thường nằm trong khoảng từ
100 – 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy
Tín hiệu truyền dẫn với hai dây không có dây mass cần được tham chiếu đến một điểm chung, có thể là mass hoặc một mức điện áp cho phép Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage - VCM) được định nghĩa toán học là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hoặc điểm chung.
Khi tín hiệu trên hai dây được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground), cần xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác Bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách so sánh với đất tại nơi nhận; nếu có sự chênh lệch điện thế giữa nơi nhận và nơi phát vượt quá ngưỡng cho phép, tín hiệu thu được có thể bị sai hoặc gây hỏng thiết bị Điều này cho thấy mạng RS485, mặc dù chỉ có hai dây, nhưng lại liên quan đến ba mức điện áp khác nhau Đất, với tính chất là một vật dẫn điện không hoàn hảo, có điện trở xác định, dẫn đến chênh lệch điện thế giữa các điểm, đặc biệt trong các khu vực có sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn và các bộ chuyển đổi nối đất.
Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất tối đa là 7V; vượt quá mức này sẽ không đảm bảo độ tin cậy Do đó, để cải thiện việc truyền tín hiệu, một giải pháp hiệu quả là thêm một dây thứ ba, kết nối với mass tại nguồn cung cấp, nhằm tạo ra điện áp tham chiếu ổn định hơn.
8 Điện trở đầu cuối Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại hai điểm tận cùng kết thúc của đường truyền Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng 100 – 120Ω
Nếu điện trở đầu cuối không tương thích với giá trị trở kháng của đường dây, hiện tượng phản xạ có thể gây ra nhiễu Nhiễu ở mức độ nhỏ thường không gây ảnh hưởng, nhưng nếu mức độ nhiễu lớn, tín hiệu có thể bị sai lệch Dưới đây là hình minh họa cho dạng tín hiệu thu được khi sử dụng hai điện trở đầu cuối khác nhau.
Khi mạng RS485 không có dữ liệu truyền, tất cả các thiết bị thu sẽ ở chế độ lắng nghe, trong khi các thiết bị phát sẽ ở trạng thái tổng trở cao, cách li với đường truyền Trong thời gian này, trạng thái của đường truyền được coi là bất định.
Khi giá trị VAB nằm trong khoảng -200mV đến 200mV, trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ phản ánh bit cuối cùng nhận được Tuy nhiên, để đảm bảo đường truyền rảnh trong truyền dữ liệu nối tiếp không bị hiểu nhầm là có dữ liệu, cần duy trì mức cao Việc phân cực đường truyền (Biasing) là cần thiết, với một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B, nhằm đảm bảo VAB ≥ 200mV, từ đó ép đường truyền lên mức cao.
RS485 có khả năng tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông nhờ vào phương pháp truyền 2 dây vi sai, giúp loại trừ nhiễu chung nhờ vào hiệu số điện áp giữa hai dây có đặc tính giống nhau Bên cạnh đó, trong khi RS232 chỉ cho phép tối đa 2 thiết bị truyền nhận trên đường dây, RS485 cho phép kết nối lên đến 32 thiết bị thu phát trên cùng 2 dây.
Nguyễn Trường Sanh 59 phép tạo thành 1 mạng cục bộ Cáp tín hiệu truyền thông công nghiệp RS485 bao gồm các chuẩn 22AWG và 24AWG.
MOSBUS RTU
RS485 là phương thức giao tiếp phổ biến trong ngành công nghiệp, viễn thông và POS, đặc biệt hiệu quả trong môi trường nhiễu nhờ khả năng truyền tải qua khoảng cách dài Ngoài ra, RS485 còn được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống máy tính, điều khiển, PLC và cảm biến thông minh.
RS485, hay còn gọi là chuẩn giao tiếp RS485, là phương thức kết nối giữa máy tính và các thiết bị khác Nó không chỉ là một giao diện đơn lẻ mà còn là một tổ hợp truyền thông, cho phép tạo ra các mạng đơn giản với nhiều thiết bị kết nối.
Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối max lên đến 32 thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ở khoảng cách lên đến 1200m
1 Nguyên lý hoạt động của RS485
Nguyên lý hoạt động của RS485 dựa trên việc truyền dữ liệu qua hai dây xoắn lại với nhau, được gọi là cáp xoắn Thiết kế này giúp RS485 có khả năng chống nhiễu cao và cải thiện khả năng truyền tín hiệu ở khoảng cách xa.
RS485 được chia làm 2 loại cấu hình, hiện đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là cấu hình 2 dây và cấu hình 4 dây
Hình 37 minh họa sơ đồ chân RS485 2 dây, trong đó dữ liệu được truyền theo một hướng tại một thời điểm nhất định Cấu hình này cho phép tín hiệu TX và RX sử dụng chung một cặp dây, giúp tiết kiệm chi phí cài đặt cho người sử dụng.
2 Sơ đồ chân RS485 2 dây
Cấu hình RS485 4 dây cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời từ các nút, với 2 dây đảm nhận nhiệm vụ truyền và 2 dây còn lại đảm nhận nhiệm vụ nhận.
Cáp RS485 là sản phẩm tiên tiến nhất hiện nay, khắc phục những nhược điểm của RS232 Đây là chuẩn giao tiếp duy nhất cho phép kết nối đồng thời nhiều máy phát và máy thu trong cùng một hệ thống mạng.
Máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ cho phép kết nối tối đa 32 thiết bị qua RS485 Đối với các đầu vào khác, RS485 có khả năng kết nối lên tới 256 thiết bị.
Khi RS485 kết nối các thiết bị ở khoảng cách xa, người dùng có thể sử dụng bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tín hiệu ổn định hơn và giảm thiểu nhiễu đường truyền.
- RS485 có lắp đặt 2 dây truyền tín hiệu nên tín hiệu sẽ được truyền đi nhanh hơn trên khoảng cách xa và rộng hơn
- Khi truyền quá nhiều thiết bị trên cùng một đường dây thì gian đáp ứng sẽ chậm
- Các thiết bị cần phải dùng chung chuẩn RS485 thay cho chuẩn Analog hiện hữu
- Cần có một kiến thức nhất định để sử dụng RS485 hiệu quả
5 Sự khác nhau giữa RS485 và RS232
RS485 là phiên bản nâng cấp, khắc phục các nhược điểm của giao tiếp RS232 Sự khác biệt giữa hai chuẩn giao tiếp này nằm ở khả năng truyền dữ liệu, khoảng cách và số lượng thiết bị kết nối.
6 Sốlượng trình điều khiển và nút Điểm khác nhau đầu tiên giữa RS485 và RS232 chính là số lượng điều khiển và nút:
- RS485: Điều khiển được 32 thiết bị cùng một lúc
- RS232: Điều khiển được duy nhất 1 trình điều khiển và 1 bộ thu
7 Khoảng cách trong giao tiếp Điểm khác nhau tiếp theo phải kể đến chính là khoảng cách trong giao tiếp của Rs485 và RS232:
- RS485: Khoảng cách giao tiếp tối đa đạt mức 1200m
- RS232: Khoảng cách giao tiếp tối đa chỉ đạt mức 15m
8 Ứng dụng của RS485 trong công nghiệp
Hình 39 RS485 được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
RS485 là một giao thức truyền thông phổ biến trong ngành công nghiệp, đặc biệt là trong tự động hóa Nó được sử dụng để điều khiển động cơ từ xa thông qua VFD và biến tần, cũng như trong các hệ thống mạng đơn giản như PLC và HMI Những ứng dụng này cho phép điều khiển động cơ hiệu quả từ khoảng cách xa, góp phần nâng cao hiệu suất trong quy trình sản xuất công nghiệp.
Để theo dõi và kiểm tra lượng nước bơm từ máy bơm, bạn không cần phải ở gần Với công nghệ RS485, bạn có thể điều khiển và giám sát lượng nước từ khoảng cách xa một cách hiệu quả.
- Khi chuẩn giao tiếp RS485 kết nối được hệ thống gồm HMI và PLC thì PLC cũng sẽ được kết nối với VFD thành công thông qua RS485
Hệ thống PLC thường được áp dụng để giám sát mực nước trong các bồn chứa Khi kết nối với RS485, PLC có khả năng theo dõi mức nước từ trung tâm điều khiển, đồng thời cho phép kiểm soát dòng chảy và mực nước theo cách thủ công khi cần thiết.
- Hệ thống VFD khi kết nối với RS485 cho phép kiểm soát tốc độ của máy bơm nước từ trung tâm ở xa.
GIAO TIẾ P QUA C Ổ NG USB
C ấ u trúc c ổ ng USB
USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối quan trọng cho phép truyền dữ liệu và cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện tử dân dụng mà không cần nguồn riêng Cổng USB cho phép kết nối dễ dàng giữa máy tính cá nhân và các thiết bị khác thông qua cáp, tạo thuận lợi cho việc trao đổi thông tin và sạc pin.
USB, được phát triển bởi các công ty hàng đầu như Intel, Compaq, Microsoft, Digital, IBM và Northern Telecom, đã chính thức được cấp chứng nhận vào đầu năm 1996 Công nghệ này hỗ trợ hơn 127 loại thiết bị ngoại vi khác nhau với tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng: 1,5Mbps cho USB đầu tiên, 12Mbps cho USB 1.0, 480Mbps cho USB 2.0, và dự kiến 500Mbps cho USB 3.0 sắp ra mắt.
USB có khả năng thay thế các cổng giao tiếp nối tiếp và song song, đồng thời kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi trên máy tính như chuột, bàn phím, PDA, thiết bị chơi game, máy quét, máy ảnh số, máy in, thiết bị nghe nhạc, bút lưu trữ và nhiều thiết bị gắn ngoài khác Các loại đầu nối USB rất đa dạng.
USB On-The-Go (OTG) hỗ trợ các loại socket khác nhau như: AB, Mini và
Micro Các phiên bản USB
USB 1.0 được trình làng vào năm 1994, có tốc độ 12Mbps, giúp thay thế nhiều cổng kết nối trên máy tính cá nhân
USB 2.0 ra mắt vào năm 2000 và được USB-IF (USB Implementers Forum) chuẩn hóa vào cuối năm 2001 Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (nay là Alcatel-Lucent sau khi sáp nhập với Alcatel năm 2006), Microsoft, NEC và Philips cùng phát triển lên mức tốc độ cao hơn, 480Mbps
USB 3.0 được Promoter Group công bố vào 2008, có tốc độ nhanh gấp 10 lần USB 2.0, 5Gbps - SuperSpeed USB Sản phẩm chính thức sẽ ra mắt vào năm nay hoặc 2010
Hình 42 Cổng USB có 4 chân
Các m ạ ch tích h ợ p chuy ển đổ i
USB sang RS232 hay RS422, RS485
Hình 44 USB To RS232 Giao Diện Sơ Đồ Mạch
4 Sự khác biệt giữa RS232, RS422, RS485
Hình 46 Sự khác biệt giữa RS232, RS422, RS485
Cổng chuyển USB sang COM thiết kế để kết nối phần cứng cổng nối tiếp RS232, bao gồm bốn nhóm: giao diện, CH341T, MAX232 và giao diện USB RS232 Để kết nối thiết bị RS232, người dùng nên chọn kết nối DB9, một lựa chọn phổ biến hiện nay Cổng chuyển USB đến 9-line cổng nối tiếp cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc kết nối các thiết bị cũ với máy tính hiện đại.
Cổng nối tiếp USB đến RS232 được nhận diện bởi chip CH340T, cung cấp tín hiệu cổng nối tiếp thông dụng và tín hiệu MODEM Chip này chuyển đổi tín hiệu cổng nối tiếp TTL thành RS232 thông qua mạch chuyển đổi mức U8 Cổng P11 tương ứng với chân DB9, có chức năng tương tự như cổng nối tiếp 9-pin thông thường trên máy tính Các mô hình tương tự của U8 bao gồm MAX213, ADM213, SP213, MAX211, và nhiều loại khác.
THIẾ T K Ế H Ệ TH Ố NG NHÚNG GIAO TI Ế P MÁY TÍNH
Bo Nhúng
Sơ đồ ứ ng d ụ ng h ệ th ố ng nhúng
Hình 51 Sơ đồ ứng dụng hệ thống nhúng Ngày nay, chúng ta không còn xa lạ với các thiết bị gia dụng: Tủ lạnh, lò vi song, lò nướng,…
Các thiết bị văn phòng: máy photocopy, máy fax, máy in, máy scan,…
Các thiết bị y tế: máy thẩm thấu, máy điều hòa nhịp tim,…
Các thiết bị giải trí: máy nghe nhạc, máy ảnh, máy chơi game,…
Các thiết bị kết nối mạng: router, hub, gateway,…
Các thiết bị công nghiệp: dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp, robots Các thiết bị kể trên đều ứng dụng của hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng (embedded system) là một hệ thống tự trị tích hợp cả phần cứng và phần mềm, được nhúng trong một môi trường hoặc hệ thống mẹ Chúng phục vụ cho các ứng dụng chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, tự động hóa điều khiển, quan trắc và truyền tin Đặc điểm nổi bật của hệ thống nhúng là tính ổn định cao và khả năng tự động hóa mạnh mẽ.
Hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các chức năng chuyên biệt, chỉ tập trung vào một hoặc một vài nhiệm vụ cụ thể Những hệ thống này thường yêu cầu các thiết bị và phần cứng chuyên dụng mà không có trong máy tính đa năng Nhờ vào việc tối ưu hóa cho các nhiệm vụ nhất định, các nhà thiết kế có thể giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất Hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn.
Hệ thống nhúng rất đa dạng, bao gồm từ thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kỹ thuật số và máy chơi nhạc MP3 đến các sản phẩm lớn như đèn giao thông và hệ thống kiểm soát năng lượng hạt nhân Độ phức tạp của hệ thống nhúng có thể dao động từ những vi điều khiển đơn giản đến những hệ thống phức tạp với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi và mạng lưới được tích hợp trong một lớp vỏ máy lớn.
Sơ đồ khối của hệ thống nhúng trên điều hòa
Hình 52.Sơ đồ hệ thống nhúng trên máy điều hòa không khí
Các khối điều khiển như công tắc điện tử, relay máy nén, motor, đèn hiển thị và cảm biến nhiệt độ tạo thành một hệ thống nhúng con hoàn chỉnh.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng là một phần quan trọng của hệ thống điều hòa không khí, bao gồm các thành phần như bộ điều khiển, nguồn điện, motor quạt và máy nén.
Đặc điểm của hệ thống nhúng
Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ chuyên dụng thay vì hoạt động như các hệ thống máy tính đa chức năng Một số hệ thống yêu cầu ràng buộc về thời gian thực nhằm đảm bảo an toàn và tính ứng dụng, trong khi những hệ thống khác không có yêu cầu nghiêm ngặt, cho phép đơn giản hóa phần cứng và giảm chi phí sản xuất.
Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển
Phần mềm dành cho hệ thống nhúng, được gọi là firmware, được lưu trữ trong các chip bộ nhớ ROM hoặc bộ nhớ flash, thay vì trên ổ đĩa.
Có tài nguyên giới hạn: các hệ thống nhúng bị giới hạn nhiều hơn về phần cứng và chức năng phần mềm so với máy tính cá nhân
Hệ thống nhúng tương tác với thế giới thực thông qua việc cảm nhận và tác động đến môi trường xung quanh Để đảm bảo hiệu quả, tốc độ tương tác cần phải đáp ứng yêu cầu thời gian thực Ngoài ra, hệ thống có thể hoạt động mà không cần giao diện giao tiếp với người dùng, như máy tính cá nhân.
Yêu cầu về chất lượng, tính ổn định và độ tin cậy của thiết bị nhúng là rất cao, bởi vì lỗi trong hệ thống nhúng có thể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng và đôi khi không thể khắc phục Do đó, quy trình kiểm tra và kiểm thử trong phát triển hệ thống nhúng cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo an toàn và hiệu suất.
Ứng dụng và tầm quan trọng của hệ thống nhúng
Theo thống kê toàn cầu, thị trường hệ thống nhúng lớn gấp 100 lần so với thị trường PC, với 99% chip xử lý được sử dụng thuộc về các hệ thống nhúng.
Hệ thống nhúng hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, bao gồm các thiết bị gia đình như tivi, tủ lạnh, và nồi cơm điện.
Các thiết bị trong công nghiệp: robot, dây chuyền,…
Giao thông vận tải: Ô tô, máy bay,…
H ệ th ố ng thu th ập, đo đạ c s ố li ệ u t ừ c ả m bi ế n
1 Tổng quan về hệ thống đo lường và điều khiển
Hệ thống đo lường và điều khiển bao gồm các thiết bị kỹ thuật đồng bộ, thực hiện nhiệm vụ và thuật toán chức năng tương tự nhằm thu thập, biến đổi và gia công thông tin Mục tiêu của hệ thống là chuyển đổi dữ liệu thành dạng dễ hiểu cho con người và truyền đạt đến bộ điều khiển.
Để xây dựng một hệ thống đo đạt hiệu quả, việc thiết kế mô hình ban đầu là rất quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sau này Có nhiều loại mô hình cấu trúc như mô hình nối tiếp, mô hình song song và mô hình nối tiếp song song Mỗi mô hình có ứng dụng riêng và cần phải được lựa chọn phù hợp với yêu cầu cụ thể của công việc.
Hệ thống đo và thu thập thông tin trong công nghiệp cần đảm bảo độ chính xác cao và khả năng đo nhiều kênh Ngoài ra, hệ thống phải có khả năng kết nối với nhiều thiết bị khác nhau và lưu trữ lượng dữ liệu lớn để đánh giá sự biến đổi của đối tượng qua thời gian, từ đó đưa ra các phương án điều khiển phù hợp.
2 Ví dụ về hệ thống đo lường nhiệt độ
Hình 54 Sơ đồ khối của hệ thống đo lường nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để cảm nhận và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành điện áp, sau đó được đưa vào bộ biến đổi ADC để chuyển thành giá trị số Vi điều khiển thực hiện tính toán và xử lý dữ liệu, với kết quả được hiển thị trên LCD Hệ thống còn tích hợp mạch giao tiếp với thẻ nhớ MMC, cho phép lưu trữ nhiều giá trị nhiệt độ mà không lo đầy bộ nhớ, khác với việc sử dụng EPROM truyền thống Một lợi ích khác của thẻ nhớ là dễ dàng tháo lắp và đọc các giá trị đã ghi.
Khóa luận không chỉ dừng lại ở việc đo và lưu trữ nhiệt độ, mà còn phát triển giao tiếp với bàn phím PS/2 và đồng hồ thời gian thực Giao tiếp PS/2 cho phép nhập dữ liệu về địa điểm và thông tin hệ thống, trong khi đồng hồ cung cấp thời gian đo nhiệt độ Tất cả dữ liệu từ bàn phím, cùng với thời gian và nhiệt độ đo được, sẽ được lưu trữ vào thẻ nhớ Hệ thống này rất hữu ích cho việc quản lý và giám sát các thiết bị, đặc biệt khi có nhiều đầu đo được đặt tại nhiều vị trí hoặc triển khai trên diện rộng.
3 Hệ thiết bị đo lường
Việc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm ba phần chính là đo, thu thập truyền và xử lý
- Việc đo thực chất là việc định lượng các đại lượng vật lý thành các con số và đơn vị
Nguyễn Trường Sanh 75 bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ đo
Dụng cụ đo chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo thành các thông số định lượng khác, cho phép hiển thị hoặc đọc được thông tin một cách chính xác và rõ ràng.
Ngày nay, để thuận tiện cho việc lưu trữ, truyền thông và xử lý, các đại lượng cần đo thường được chuyển đổi thành đại lượng điện, cụ thể là hiệu điện thế hoặc dòng điện, nhằm mang thông tin định lượng của đại lượng cần đo.
Điện năng này rất thuận lợi cho việc truyền tải, lưu trữ và xử lý thông qua các thiết bị điện và mạch điện tích hợp, nhờ vào những thành tựu công nghệ điện toán mà nhân loại đã đạt được.
- Việc thu thập gồm truyền và lưu trữ ngày nay thường được thực hiện trên cơ sở điện toán
Xử lý thông tin có thể được thực hiện hoàn toàn tự động hoặc một phần thông qua hệ thống điện toán, thường sử dụng ít nhất một bộ vi xử lý kết hợp với một chương trình hoạt động trên bộ vi xử lý đó.
Người thực hiện công việc liên quan đến hệ thống này có nhiệm vụ xây dựng cả phần cứng và phần mềm, vận hành hệ thống, cũng như sử dụng và đánh giá kết quả đo lường.
Hệ thống đo đạc và điều khiển tự động có khả năng thực hiện các chức năng như đo lường các đại lượng và thông số của đối tượng, truyền thông, lưu trữ, xử lý và phân tích đánh giá Hệ thống này còn có khả năng cung cấp các tín hiệu điều khiển phản hồi một cách hoàn toàn tự động.
Hình 55 Khối xử lý tín hiệu đưa về bộ điều khiển
4 Khảo sát một sốsơ đồ khối của một hệ thống đo tựđộng:
1/ Sơ đồ khối điều khiển của máy điều hòa không khí
Hình 56 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ
2/ Hệ thống giám sát vận hành
Hình 57.Sơ đồ hệ thống giám sát
3/ Mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao
Hình 58 Mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao
5 Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu
Mục đích của thu thập dữ liệu là ghi nhận thông tin về các hiện tượng và đại lượng vật lý như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất và âm thanh Quá trình này trên máy tính kết hợp phần cứng, phần mềm ứng dụng và máy tính để thực hiện thu thập hiệu quả Mỗi hệ thống thu thập dữ liệu được thiết kế dựa trên yêu cầu ứng dụng cụ thể, nhưng tất cả đều nhằm mục đích chung là thu thập, phân tích và cung cấp thông tin có sẵn Những hệ thống này tích hợp các tín hiệu, cảm biến, cơ cấu chấp hành, trạng thái tín hiệu, thiết bị thu thập dữ liệu và phần mềm ứng dụng.
1/ Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu giao tiếp máy tính
Hình 59 Thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu giao tiếp máy tính
2/ Chức năng của hệ thu thập dữ liệu
Hình 60 Sơ đồ hệ thống thu thập dữ liệu
6 Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh
Hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh cho phép giám sát, điều khiển và thu thập thông tin từ nhiều đối tượng cùng lúc, bất kể chúng có giống nhau hay khác nhau.
Hệ thống thu thập dữ liệu nhiều kênh sử dụng máy tính PC kết hợp giữa phần cứng và phần mềm ứng dụng để thu thập thông tin về các đối tượng như nhiệt độ, áp suất, và lưu lượng Các hệ thống này thực hiện nhiều chức năng quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu.
- Thu thập dữ liệu từ các thiết thiết bị công nghiệp hoặc các cảm biến
- Phân tích, xử lý và thực hiện các phép tính toán trên các dữ liệu thu thập được
- Hiển thị các dữ liệu thu thập được, kết quả đã xử lý, lưu trữ thông tin thu thập được lên máy tính
- Viết chương trình giao tiếp, giám sát và điều khiển trên máy tính
- Nhận các lệnh từ người điều hành và gửi các lệnh đó đến các thiết bị điều khiển 1/ Hệ thống dữ liệu 1 kênh
Hình 61 Hệ thống dữ liệu 1 kênh
Chúng ta có thể thiết kế một card thu thập dữ liệu 8 bit hoặc 12 bit để giao tiếp với máy tính, hoặc sử dụng các card thu thập dữ liệu và điều khiển từ các nhà sản xuất như card PLC 818L, PCI 1711/1718 HDU của Advantech S/H là quá trình lấy mẫu và giữ, trong khi ADC thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, và DAC chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự.
2/ Hệ thống dữ liệu nhiều kênh
Hình 62 Hệ thống dữ liệu nhiều kênh
ADC: chuyển đổi tương tự - số
DAC: Chuyển đổi số - tương tự
ADC: chuyển đổi tương tự - số
DAC: Chuyển đổi số - tương tự
- Lập trình điều khiển với hệ thống nhúng dùng bo mạch arduino thu thập dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm dùng cảm biến DTH 11
- Vẽ sơ đồ trên phần mềm protues
- Viết code trên phần mềm arduino biên dịch sửa lổi
- Nạp file Hex vào bo điều khiển trên phần mềm protues
- Tiến hành mô phỏng vận hành hệ thống làm việc
- Nêu quy trình đặt nhiệt độ và thu thập dữ liệu có được
- Ghi lại các bước thực hiện và kết quả làm bài vào giấy gởi file cho gv
LẬ P TRÌNH GIAO TI Ế P V ỚI VI ĐIỀ U KHI Ể N TRÊN PC
Gi ớ i thi ệ u v ề Visual Basic
1 Giới thiệu về Visual Basic 6.0
Visual Basic 6.0 (VB6) là một phiên bản của bộ công cụ lập trình Visual Basic, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận lập trình trong môi trường Windows VB6 cung cấp khả năng phát triển ứng dụng nhanh chóng và hiệu quả.
- Khai thác thế mạnh của các điều khiển mở rộng
Làm việc với các điều khiển mới như MonthView và DateTimePicker giúp quản lý ngày tháng hiệu quả Sử dụng thanh công cụ di động CoolBar tạo sự linh hoạt trong giao diện Bên cạnh đó, việc tích hợp đồ họa với ImageCombo và thanh cuộn FlatScrollBar mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà và trực quan hơn.
- Làm việc với các tính năng ngôn ngữ mới
- Làm việc với cơ sở dữ liệu
- Các bổ sung về lập trình hướng đối tượng
Để cài đặt VB6 lên máy tính, người dùng có thể sử dụng chương trình Setup, điều này cũng sẽ cài đặt các tập tin cần thiết để truy cập tài liệu trên đĩa CD MSDN Nếu cần thiết, người dùng có thể cài đặt riêng phần tài liệu và ví dụ mẫu của Visual Basic Trước khi tiến hành cài đặt, người dùng nên kiểm tra cấu hình máy tính để đảm bảo đáp ứng yêu cầu hệ thống tối thiểu.
- Microsoft Windows 95 trở lên hoặc là Microsoft Windows NT Workstation 4.0 trở lên
- Tốc độ CPU 66 MHz trở lên
- Màn hình VGA hoặc màn hình có độ phân giải cao được hỗ trợ bởi Microsoft Windows
- 16 MB RAM cho Microsoft Windows 95 hoặc 32MB RAM cho Microsoft Windows NT Workstation
Hình 64 Tạo Project mới trên visual Basic
1/ Tìm hiểu các thành phần của IDE
IDE là tên tắt của môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment), đây là nơi tạo ra các chương trình Visual Basic
IDE của Visual Basic là trung tâm tập hợp các menu, thanh công cụ và cửa sổ cần thiết để phát triển ứng dụng Mỗi thành phần trong IDE đều có những chức năng riêng biệt, ảnh hưởng đến các hoạt động lập trình khác nhau.
Hộp công cụ cho phép người dùng thêm các điều khiển vào biểu mẫu của dự án, trong khi cửa sổ Project Explorer hiển thị các dự án và phần của chúng Người dùng có thể duyệt và cài đặt thuộc tính cho điều khiển, biểu mẫu và module thông qua cửa sổ Properties Cuối cùng, người dùng sẽ xem xét và bố trí một hoặc nhiều biểu mẫu trên màn hình thông qua cửa sổ Form Layout.
Thanh công cụ là một tập hợp các nút bấm có biểu tượng, thường được đặt dưới thanh menu, giúp người dùng truy cập nhanh các chức năng thông dụng như Tạo mới, Mở, và Lưu.
Các thành phần có sẵn để người lập trình tạo giao diện tương tác với người dùng
Mỗi điều khiển được xem như một đối tượng, và do đó, nó sở hữu những đặc điểm riêng biệt, bao gồm các thuộc tính, phương thức và sự kiện.
Chương trình ứng dụng giao tiếp với người dùng thông qua các biểu mẫu, hay còn gọi là cửa sổ, được thiết kế để hiển thị dữ liệu và thu thập thông tin từ người dùng Các điều khiển (Control) được đặt lên trên biểu mẫu giúp thực hiện các chức năng cần thiết, tạo ra một trải nghiệm tương tác hiệu quả.
Các kiểu viết chương trình trong Visual Basic
3/ Lập Trình Cấu Trúc Trong Visual Basic
4/ Lệnh lựa chọn Select Case
Khi phải kiểm tra nhiều điều kiện, việc sử dụng cấu trúc If…Then có thể khiến đoạn lệnh trở nên phức tạp và khó quản lý Ngược lại, cấu trúc Select…Case cho phép tính toán biểu thức điều kiện một lần ở đầu, sau đó so sánh kết quả với từng trường hợp (Case) Nếu kết quả khớp với một trường hợp, khối lệnh tương ứng sẽ được thực thi, giúp mã nguồn trở nên rõ ràng và dễ sửa đổi hơn.
Các cấu trúc lặp cho phép thi hành một khối lệnh nào đó nhiều lần
Lặp không biết trước số lần lặp
Cấu trúc Do Loop là một dạng lặp không xác định số lần, trong đó số lần lặp được quyết định bởi một biểu thức điều kiện Biểu thức điều kiện này phải trả về giá trị True hoặc False Có bốn kiểu cấu trúc Do Loop khác nhau.
Ví dụ: Thiết kế chương trình kiểm tra xem số nguyên N có phải là số nguyên tố hay không?
Bước 1: Thiết kế chương trình có giao diện
Bước 2: Viết thủ tục KtraNgTo trong phần mã lệnh của Form
Bước 3: Xử lý sự kiện Command1_Click; trong thủ tục xử lý sự kiện này ta có gọi thủ tục KtraNgTo như sau:
Bước 4: Lưu dự án và chạy chương trình
Ta được kết quả sau:
L ậ p trình giao ti ế p c ổ ng COM
- Lập trình ngôn ngữ VISUAL BASIC
2 Các chức năng cơ bản
- Lập Trình Del phi và víual C 6.0
Viết chương trình giao tiếp PLC OMRON và SIEMENS
L ậ p trình giao ti ế p c ổ ng song song
Có 2 cách lập trình với VPP = 12V (AT89C51 xxxx yyww) hay VPP = 5V
1 Sơ đồ giao tiếp cổng song song
Hình 65 Sơ đồ giao tiếp cổng song song
Hình 66 mô tả giao tiếp giữa IC 89C051 và 74HC299, trong đó địa chỉ 12 bit được đưa vào Port 1 và 4 bit thấp vào Port 2, với mã được đưa vào Port 0 Các chân P2.7, P2.8, P3.7, P3.8, RST, /PSEN, /EA đều có logic tương thích Tín hiệu ALE có xung âm rộng 1,2 ms.
Xóa toàn bộ : ALE có xung âm toàn bộ 10ms
Có 2 cách ghép nối : ghép song song và ghép nối tiếp
Thông qua tiện ích Direct Cable Connection
Hình 67 Tiện ích Direct Cable Connection
Hình 68 truyền dữ liệu ngoại vi vào máy tính
Hình 69 Truyền dữ liệu máy tính vào ngoại vi.
Lập trình điều khiển thiết bị dùng chuẩn Modbus
MODBUS, được phát triển bởi Modicon (hiện nay thuộc về Schneider Electric) vào năm 1979, là một giao thức truyền thông cho phép kết nối nhiều thiết bị qua một cặp dây xoắn đơn Ban đầu hoạt động trên RS232, MODBUS sau đó đã chuyển sang sử dụng RS485 để tăng tốc độ truyền và mở rộng khoảng cách, đồng thời hỗ trợ mạng đa điểm Giao thức này đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong ngành tự động hóa.
MODBUS RTU là giao thức thường được sử dụng cho các thiết bị hiện trường, kết nối trong cấu hình multi-drop Khi một chủ MODBUS RTU cần thông tin từ thiết bị, chủ sẽ gửi một thông điệp yêu cầu dữ liệu và tóm tắt dò lỗi đến địa chỉ của thiết bị Tất cả các thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này, nhưng chỉ thiết bị được chỉ định mới phản hồi.
1 MODBUS RTU có một chủ, như PLC, PC, DCS và 247 thiết bị tớ được kết nối trong cấu hình multi-drop
Hình 70 Một mạng MODBUS RTU có một chủ, như PLC, PC, DCS và 247 thiết bị tớ được kết nối trong cấu hình multi-drop
Các thiết bị trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản ứng
Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:
Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa
MODBUS ASCII mã hóa mọi thông điệp bằng hệ thập lục phân, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit Mỗi byte thông tin yêu cầu 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU và MODBUS/TCP.
MODBUS ASCII là protocol chậm nhất trong ba loại, nhưng lại phù hợp cho các kết nối như modem điện thoại và sóng radio nhờ vào tính năng phân định thông điệp, giúp ngăn ngừa sai sót trong quá trình truyền tải Điều này rất quan trọng khi làm việc với các modem chậm, điện thoại di động hoặc các phương tiện truyền thông không ổn định Ngược lại, MODBUS RTU mã hóa dữ liệu theo hệ nhị phân, với tỷ lệ 1 byte truyền thông cho 1 byte dữ liệu, lý tưởng cho RS 232 và mạng RS485 đa điểm, với tốc độ từ 1200 đến 115 baud, trong đó 9600 đến 19200 baud là phổ biến nhất MODBUS RTU được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, vì vậy bài viết này sẽ tập trung vào cơ sở và ứng dụng của nó.
MODBUS/TCP là phiên bản MODBUS hoạt động qua giao thức Ethernet, sử dụng địa chỉ IP để kết nối các thiết bị Dữ liệu MODBUS được truyền tải dưới dạng gói TCP/IP, cho phép mọi mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/IP cũng sẽ tương thích với MODBUS/TCP.
Phiên bản MODBUS này sẽ được đề cập chi tiết trong bài viết lần sau với tiêu đề MODBUS qua Ethernet
2 Nguyên tắc hoạt độngcủa MODBUS RTU Để kết nối với thiết bị tớ, chủ sẽ gửi một thông điệp có:
Địa chỉ thiết bị trong hệ thống MODBUS nằm trong khoảng từ 0 đến 247 Thông điệp gửi đến địa chỉ 0 có thể được tất cả các thiết bị chấp nhận, trong khi các địa chỉ từ 1 đến 247 chỉ định các thiết bị cụ thể Ngoại trừ trường hợp gửi thông điệp, mỗi thiết bị sẽ luôn phản hồi lại một thông điệp MODBUS, giúp chủ sở hữu xác nhận rằng thông điệp đã được nhận.
Yêu cầu Mã chức năng
02 Đọc đầu ra rời rạc
04 Đọc bô ghi đầu vào
07 Đọc trạng thái ngoại lệ
08 Chẩn đoán xx 255 mã chức năng, phụ thuộc vào thiết bị
Mỗi thiết bị MODBUS được trang bị bộ nhớ lưu trữ dữ liệu quá trình, với thông số kỹ thuật chỉ định cách gọi và loại dữ liệu có thể truy xuất Tuy nhiên, không có giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ Ví dụ, các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi thiết bị có địa chỉ cụ thể Các đầu vào analog được lưu trong bộ ghi 16 bit, cho phép MODBUS hỗ trợ định dạng điểm floating IEEE 32 bit thông qua việc sử dụng 2 bộ ghi Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit để hỗ trợ điểm floating.
1 - 9999 Đọc hoặc viết Cuộn cảm
10001 - 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc
30001 - 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào
40001 - 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding
Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS, và nếu nhà cung cấp tuân thủ tiêu chuẩn này, mọi dữ liệu sẽ dễ dàng truy cập bởi chủ Trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí bộ nhớ, giúp nhân viên lập trình dễ dàng kết nối với thiết bị.
Mỗi thiết bị MODBUS có bộ nhớ lưu trữ dữ liệu quá trình, với các thông số kỹ thuật quy định cách thức và loại dữ liệu có thể được truy xuất MODBUS hỗ trợ tới 255 mã chức năng, trong đó các chức năng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu bao gồm mã 1 (đọc cuộn cảm), mã 2 (đọc đầu vào rời rạc), mã 3 (đọc bộ ghi Holding) và mã 4 (đọc bộ ghi đầu vào) Ví dụ, để đọc 3 từ dữ liệu analog 16 bit từ bộ nhớ của thiết bị có địa chỉ 5, chủ sẽ gửi yêu cầu: 5 04 2 3 CRC.
Trong giao tiếp thiết bị, 5 là địa chỉ thiết bị, 4 là số lượng bộ ghi đầu vào, 2 là địa chỉ khởi đầu (30,002), và 3 thể hiện việc đọc 3 giá trị dữ liệu liên tiếp từ địa chỉ này CRC là giá trị kiểm tra lỗi cho thông điệp Thiết bị sẽ phản hồi với dữ liệu: 5 04 aa bb cc CRC.
3 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS
Hình 71 Sơ đồ kết nối chuẩn MODBUS
Trong hầu hết các nhà máy, thiết bị đo hiện trường kết nối với hệ thống điều khiển thông qua cặp dây xoắn Khi các công cụ đo được kết nối với hệ thống I/O phân tán như NCS của Moore Industries, nhiều thiết bị có thể được bổ sung nhưng chỉ cần một cặp dây xoắn đơn để truyền tải tất cả dữ liệu.
L ập trình điề u khi ể n thi ế t b ị dùng chu ẩ n Ethernet
Hệ thống điều khiển là tập hợp các dụng cụ và thiết bị điện tử, đảm bảo tính ổn định và chính xác trong quy trình sản xuất Nó thực hiện các yêu cầu từ cung cấp năng lượng đến thiết bị bán dẫn Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, việc điều khiển các hệ thống phức tạp hiện nay được thực hiện bởi hệ thống điều khiển tự động hóa hoàn toàn, như PLC, kết hợp với máy tính chủ PLC cũng có giao diện kết nối với các thiết bị khác như bảng điều khiển, động cơ, contact và cuộn dây, cho phép khả năng chuyển giao mạng hiệu quả.
Nguyễn Trường Sanh 94 cho phép chúng tôi phối hợp hiệu quả trong việc xử lý và điều khiển các hệ thống lớn Nó cũng thể hiện sự linh hoạt cao trong việc phân loại các hệ thống điều khiển, với mỗi bộ phận trong hệ thống đóng vai trò quan trọng.
2 Mạng truyền thông công nghiệp
Mạng truyền thông công nghiệp, hay còn gọi là mạng công nghiệp, là hệ thống truyền thông dùng để kết nối các thiết bị công nghiệp thông qua việc truyền bít nối tiếp Các hệ thống này cho phép kết nối nhiều loại thiết bị, từ cảm biến và thiết bị giám sát đến máy tính điều khiển và hệ thống quản lý doanh nghiệp Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, với những điểm tương đồng và khác biệt so với mạng máy tính thông thường.
Mạng máy tính trong công nghiệp thường được xem là một phần thiết yếu trong mô hình phân cáp của mạng công nghiệp, đặc biệt ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty Đối với hệ thống truyền thông công nghiệp, các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản và giá thành thấp là những yếu tố quan trọng hàng đầu cần được đáp ứng.
Giao diện mạng bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm xử lý giao thức truyền thông, cùng với các thành phần thích ứng cho thiết bị kết nối mạng.
- Tầng ứng dụng (Application layer)
- Tầng trình diễn (Presentation layer)
- Tầng giao vận (Transport Layer)
- Tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer)
- Tầng vật lí (Physical Layer)
Giao thức giao tiếp, hay còn gọi là giao thức truyền thông, là tập hợp các quy tắc chuẩn cho việc biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực và phát hiện lỗi, cho phép các máy tính và thiết bị kết nối và trao đổi thông tin qua các kênh truyền thông Các giao thức này đảm bảo việc truyền tải dữ liệu một cách đáng tin cậy, ngay cả trong các kênh truyền không hoàn hảo Trên Internet, có nhiều giao thức tiêu biểu được sử dụng để giao tiếp và truyền đạt thông tin.
TCP (Giao thức điều khiển truyền tải) thiết lập kết nối giữa các máy tính để truyền dữ liệu hiệu quả Giao thức này chia nhỏ dữ liệu thành các gói (packet) và đảm bảo rằng việc truyền tải diễn ra thành công, giúp duy trì tính toàn vẹn và độ tin cậy của thông tin.
- IP (Internet Protocol): định tuyến (router) các gói dữ liệu khi chúng được truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận
- HTTP (HyperText Transfer Protocol): cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu ở dạng siêu văn bản) qua Internet
- FTP (File Transfer Protocol): cho phép trao đổi tập tin qua Internet
- WAP (Wireless Application Protocol): cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị không dây, như điện thoại di động
Mạng Ethernet công nghiệp là hệ thống truyền thông thiết yếu cho quản lý và phân xưởng, cho phép trao đổi thông tin lớn giữa máy tính và các hệ thống tự động hóa Mạng này có khả năng truyền thông trên phạm vi rộng và sẽ ngừng lại khi xảy ra xung đột, tiếp tục gửi tín hiệu sau một thời gian nhất định Tất cả các trạm trên mạng chia sẻ băng thông tổng, có thể lên tới 10Mbps, 100Mbps hoặc 1000Mbps Hiện nay, công nghệ Ethernet có thể sử dụng Switch hoặc Hub, với cáp đôi xoắn 10-Mbps là phổ biến nhất Tốc độ chuẩn hiện tại cho hệ thống Ethernet là 100-Mbps Mạng Ethernet công nghiệp sử dụng các giao thức OIS và TCP/IP, và theo phương pháp CSMA/CD, tất cả các thành phần trong mạng đều bình đẳng.
- Số lượng trạm : Max 1024 trạm Môi trường truyền thông : Dây dẫn : Cáp đồng trục, Cáp đôi dây xoắn
- Cáp quang : Cáp thuỷ tinh hoặc chất dẻo
- Cáp kết nối Ethernet có cấu trúc bus Cấu trúc mạng vật lí có thể là đường thẳng hoặc hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn
Các chuẩn Ethernet hoạt động tại tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI, theo tiêu chuẩn IEEE 802.3, chỉ quy định lớp MAC và lớp vật lý Địa chỉ IP (IPv4) có độ dài 32 bit, được chia thành 4 vùng, mỗi vùng 1 byte, thường được biểu diễn dưới dạng thập phân và phân cách bởi dấu chấm, ví dụ: 203.162.7.92.
Kết nối truyền thông TCP/IP với dịch vụ FINS/TCP và phát triển ứng dụng thông qua các lệnh SEND (090), RECV (098) và CMND (490) FINS/TCP là chức năng truyền thông được cung cấp bởi Bảng tùy chọn Ethernet (CP1W-CIF41).
Nó cung cấp lớp TCP/IP có khả năng phục hồi tự động từ lỗi truyền thông trong quá trình định tuyến đa cấp, sử dụng phương pháp chuyển đổi địa chỉ IP cho các địa chỉ IP động trong dịch vụ truyền thông FINS Sau khi nhận địa chỉ IP, máy tính có thể gửi lệnh đến PLC và nhận tín hiệu phản hồi, đồng thời kết nối trực tuyến đến PLC qua CX-Programmer từ một máy tính.
5 Các bước thiết lập điều khiển
Hình 72a Lưu đồ các khối lập điều khiển
Hình 72b Lưu đồ các khối lập điều khiển
Để xác định địa chỉ IP trong máy tính và PLC, cần thiết lập địa chỉ IP trong CX-Programmer sao cho phù hợp với địa chỉ IP của PLC Lưu ý rằng địa chỉ IP mặc định ban đầu của PLC là 192.168.250.1.
Để kết nối mạng sử dụng cáp xoắn đôi, hãy ấn khoá cần gạt lên/xuống ở cả hai phía của nắp khe cắm Option Board cùng một lúc để tháo nắp, sau đó kéo nắp ra ngoài Tiếp theo, hãy kiểm tra và cân chỉnh góc cắt của Ethernet Option Board để đảm bảo nó phù hợp với khe cắm Option Board, và ấn chắc chắn Ethernet Option Board cho đến khi nó bắt dính vị trí.
Kết nối cổng từ nhà mạng đến thiết bị HUP, sau đó kết nối các ngõ ra của HUP vào máy tính và PLC Cấu trúc kết nối sử dụng RJ45 8-pin và modul kết nối phù hợp với tiêu chuẩn ISO8877.
Sau khi kết nối cáp xong, bạn có thể truy cập trình duyệt web để thiết lập hệ thống Ethernet Option Board Để thực hiện điều này, bạn có thể sử dụng trình duyệt web từ một máy tính cá nhân hoặc thiết bị khác Để bắt đầu, hãy truy cập vào URL của Ethernet Option Board từ trình duyệt web, cửa sổ web của nó sẽ được hiển thị ngay sau đó.
