Tìm hiểu về chuẩn giao tiếp uart và rs485

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - - BÁO CÁO THIẾT KẾ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI TÌM HIỂU VỀ CHUẨN GIAO TIẾP UART VÀ RS485 Giảng viên: Dương Quang Duy LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi đến Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng lời cảm ơn trân trọng mang đến cho chúng em kiến thức môn học vơ bổ ích mơn “Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối” Trong trình tìm hiểu học tập môn học, chúng em nhận nhiều hướng dẫn, giúp đỡ, chia sẻ thực tế, kiến thức mơn học hữu ích thầy Dương Quang Duy giúp nhóm em hồn thành báo cáo; Chúng em xin chân thành cảm ơn tiếp thu hướng dẫn tận tình thầy Tuy nhiên, báo cáo em không tránh khỏi sai sót Rất mong nhận góp ý thầy để báo cáo chúng em hoàn thiện Cuối cùng, chúng em kính chúc thầy dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý, hồn thành tốt cơng việc giao đạt nhiều thành tựu to lớn nghiệp MỤC LỤC I CHUẨN GIAO TIẾP UART Giới thiệu giao tiếp UART Cách thức hoạt động giao tiếp UART .6 Các bước truyền UART Ưu nhược điểm UART Các ứng dụng giao tiếp UART 10 II CHUẨN GIAO TIẾP RS485 11 Định nghĩa 11 Cấu tạo – nguyên lý RS485 11 Nguyên lý hoạt động RS485 gì? 11 Phân loại cáp RS485 12 4.1 Cấu hình dây 12 4.2 Sơ đồ dây 12 Ưu điểm nhược điểm RS485 13 5.1 Ưu điểm RS485 13 5.2 Nhược điểm RS485 13 So sánh RS485 với RS232 .13 So sánh RS485 với UART .15 RS485 ứng dụng thực tế 16 8.1 Dây chuyển đổi USB sang RS485 .16 8.2 Cáp điều khiển RS485 – Grove 17 8.3 Kết nối RS485 với máy tính .17 8.4 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB 18 8.5 Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet .18 DANH MỤC HÌNH V Hình Chuẩn giao tiếp UART .4 Hình Giao diện UART chân Hình Truyền liệu UART Hình Packet UART Hình Start bit UART Hình Data Frame UART Hình Parity Bit UART Hình Stop bit UART Hình Truyền nhận liệu UART Hình 10 Truyền bit UART Hình 11 Mẫu đường truyền liệu UART .9 Hình 12 Loat bit UART 10 Hình 13 Nhận chuyển bus liệu UART .10 Hình 14 Cấu tạo RS485 12 Hình 15 Cấu hình dây RS485 .13 Hình 16 Cấu hình dây RS485 .13 Hình 17 USB - RS485 17 Hình 18 RS485 - Grove 18 Hình 19 Bộ chuyển đổi S177P1 .19 Hình 20 RS485 - USB 19 Hình 21 RS485 - Ethernet 20 Hình 22 RS485 công nghiệp 21 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tổng quan UART Bảng So sánh RS485 RS232 15 Bảng So sánh RS485 với UART 16 I CHUẨN GIAO TIẾP UART Giới thiệu giao tiếp UART - - - - - Giao thức truyền thơng đóng vai trị quan trọng việc tổ chức giao tiếp thiết bị Nó thiết kế theo nhiều cách khác dựa yêu cầu hệ thống giao thức có quy tắc cụ thể thống thiết bị để việc truyền liệu thực thành công Các hệ thống nhúng, vi điều khiển máy tính hầu hết sử dụng UART dạng giao thức giao tiếp phần cứng thiết bị thiết bị Trong số giao thức truyền thơng có, UART sử dụng hai dây cho bên truyền bên nhận Mặc dù phương pháp giao thức truyền thông phần cứng sử dụng rộng rãi, khơng phải lúc tối ưu hóa hồn tồn Việc thực giao thức khung truyền thường bị bỏ qua sử dụng module UART bên vi điều khiển Theo định nghĩa, UART giao thức truyền thông phần cứng sử dụng giao tiếp nối tiếp không đồng với tốc độ định cấu hình Khơng đồng có nghĩa khơng có tín hiệu đồng hồ để đồng hóa bit đầu từ thiết bị truyền đến bên nhận Trong giao tiếp UART, hai UART giao tiếp trực tiếp với UART truyền chuyển đổi liệu song song từ thiết bị điều khiển CPU thành dạng nối tiếp, truyền nối tiếp đến UART nhận, sau chuyển đổi liệu nối tiếp trở lại thành liệu song song cho thiết bị nhận Hình Chuẩn giao tiếp UART Hình Giao diện UART chân - - - Hai đường dây mà thiết bị UART sử dụng để truyền liệu là:  Transmitter (Tx)  Receiver (Rx) UART truyền liệu khơng đồng bộ, có nghĩa khơng có tín hiệu đồng hồ để đồng hóa đầu bit từ UART truyền đến việc lấy mẫu bit UART nhận Thay tín hiệu đồng hồ, UART truyền thêm bit start stop vào gói liệu chuyển Các bit xác định điểm bắt đầu điểm kết thúc gói liệu để UART nhận biết bắt đầu đọc bit Khi UART nhận phát bit start, bắt đầu đọc bit đến tần số cụ thể gọi tốc độ truyền (baud rate) Tốc độ truyền thước đo tốc độ truyền liệu, biểu thị bit giây (bps – bit per second) Cả hai UART phải hoạt động tốc độ truyền Tốc độ truyền UART truyền nhận chênh lệch khoảng 10% trước thời gian bit bị lệch xa Cả hai UART phải cấu hình để truyền nhận cấu trúc gói liệu Số lượng dây sử dụng Tốc độ truyền Phương pháp truyền Truyền nối tiếp hay song song Số lượng thiết bị chủ tớ tối đa Số lượng thiết bị tớ tối đa 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600, 1000000, 1500000 Bất đồng Nối tiếp 1 Bảng Tổng quan UART Cách thức hoạt động giao tiếp UART - UART truyền liệu nhận từ bus liệu (Data Bus) Bus liệu sử dụng để gửi liệu đến UART thiết bị khác CPU, nhớ vi điều khiển Dữ liệu chuyển từ bus liệu đến UART truyền dạng song song Sau UART truyền nhận liệu song song từ bus liệu, thêm bit start, bit chẵn lẻ bit stop, tạo gói liệu Tiếp theo, gói liệu xuất nối tiếp bit chân Tx UART nhận đọc gói liệu bit chân Rx UART nhận sau chuyển đổi liệu trở lại dạng song song loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ bit stop Cuối cùng, UART nhận chuyển gói liệu song song với bus liệu đầu nhận Hình Truyền liệu UART - Dữ liệu truyền qua UART tập hợp thành gói (packet) Mỗi gói chứa bit start, đến bit liệu (tùy thuộc vào UART), bit chẵn lẻ (parity bit) tùy chọn bit stop Hình Packet UART  Start bit (Bit bắt đầu) Đường truyền liệu UART thường giữ mức điện áp cao khơng truyền liệu Để bắt đầu truyền liệu, UART truyền kéo đường truyền từ mức cao xuống mức thấp chu kỳ đồng hồ Khi UART nhận phát chuyển đổi điện áp cao xuống thấp, đọc bit khung liệu tần số tốc độ truyền Hình Start bit UART  Data Frame (Khung liệu) Khung liệu chứa liệu thực tế truyền Nó dài từ bit đến bit sử dụng bit chẵn lẻ Nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, khung liệu dài từ bit Trong hầu hết trường hợp, liệu truyền với bit có trọng số bé (LSB – Least Significant Bit) trước tiên Hình Data Frame UART  Parity Bit (Bit chẵn lẻ) Tính chẵn lẻ mơ tả tính chẵn tính lẻ số Bit chẵn lẻ cách để UART nhận cho biết liệu có liệu thay đổi trình truyền hay khơng Bit bị thay đổi xạ điện từ, tốc độ truyền không khớp truyền liệu đường dài Sau UART nhận đọc khung liệu, đếm số bit có giá trị kiểm tra xem tổng số số chẵn hay lẻ Nếu bit parity (even parity – parity chẵn), tổng số bit khung liệu phải số chẵn Nếu bit parity (odd parity – parity lẻ) số tổng bit khung liệu số lẻ Khi bit chẵn lẻ khớp với liệu, UART biết q trình truyền khơng có lỗi Nhưng bit chẵn lẻ tổng số lẻ, bit chẵn lẻ tổng số chẵn, UART biết bit khung liệu thay đổi Hình Parity Bit UART  Stop bit (Bit kết thúc) Hình Stop bit UART Để báo hiệu kết thúc gói liệu, UART gửi điều khiển đường truyền liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao it hai khoảng thời gian bit Các bước truyền UART a UART truyền nhận liệu song song từ bus liệu Hình Truyền nhận liệu UART b UART truyền thêm bit start, bit chẵn lẻ bit dừng vào khung liệu Hình 10 Truyền bit UART c Tồn gói gửi nối tiếp từ UART truyền đến UART nhận UART nhận lấy mẫu đường truyền liệu tốc độ truyền cấu hình trước Hình 11 Mẫu đường truyền liệu UART d UART nhận loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ bit stop khỏi khung liệu Hình 12 Loat bit UART e UART nhận chuyển đổi liệu nối tiếp trở thành song song chuyển đến bus liệu đầu nhận Hình 13 Nhận chuyển bus liệu UART 10 Ưu nhược điểm UART a Ưu điểm:  Chỉ sử dụng hai dây để truyền liệu  Khơng cần tín hiệu CLK  Có bit chẵn lẻ phép kiểm tra lỗi  Cấu trúc gói liệu thay đổi miễn hai bên thiết lập cho  Phương pháp truyền đơn giản, giá thành thấp b Nhược điểm:  Kích thước khung liệu giới hạn tối đa bit  Khơng phù hợp với hệ thống địi hỏi nhiều thiết bị chủ tớ  Tốc độ truyền UART phải nằm khoảng 10% Các ứng dụng giao tiếp UART - Giao tiếp UART thường sử dụng vi điều khiển cho yêu cầu xác chúng có sẵn thiết bị truyền thơng khác giao tiếp không dây, thiết bị GPS, module Bluetooth nhiều ứng dụng khác - Các tiêu chuẩn truyền thông RS422 & TIA sử dụng UART ngoại trừ RS232 Thông thường, UART IC riêng sử dụng giao tiếp nối tiếp UART Ví dụ Ví dụ: Viết chương trình truyền kí tự ‘A’, hiển thị kết thông qua cổng com máy tính, sử dụng USART1, Baudrate = 9600 • Cấp clock cho ngoại vi • Cấu hình chân Tx,Rx 11 • Cấu hình USART cho phép USART hoạt động • Chương trình truyền kí tự 12 II CHUẨN GIAO TIẾP RS485 Định nghĩa RS485 hay biết đến với tên gọi đầy đủ chuẩn giao tiếp RS485 hay cáp RS485, phương thức giao tiếp kết nối với máy tính thiết bị khác RS485 không đơn giao diện đơn lẻ mà tổ hợp truyền thơng có khả tạo mạng đơn giản nhiều thiết bị Chuẩn giao tiếp RS485 phát triển vào năm 1983 Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế (ISO) quản lý Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa Quốc tế (IEC) Nó phát triển để giải vấn đề truyền liệu khoảng cách xa hơn, tốc độ truyền liệu nhanh giảm chi phí hệ thống RS485 phương thức giao tiếp ứng dụng phổ biến ngành công nghiệp, viễn thông, POS,… Đặc biệt, RS485 sử dụng nhiều môi trường nhiễu phạm vi đường truyền rộng lớn, đường cáp truyền lại dài môi trường nhiễu Không dừng lại đó, RS485 ứng dụng nhiều hệ thống máy tính, điều khiển, PLC hay cảm biến thơng minh, … Chuẩn giao tiếp RS485 kết nối lên đến 32 thiết bị cặp dây đơn hệ thống dây nối đất khoảng cách lên đến 1200m Nguyên lý hoạt động RS485 gì? Hình 14 Cấu tạo RS485 Nguyên lý hoạt động RS485 đơn giản, liệu truyền qua dây xoắn lại với nhau, dây gọi cáp xoắn Khi dây xoắn lại tạo cho RS485 khả chống nhiễu cao khả truyền tín hiệu đường dài tốt RS485 chia làm loại cấu hình, sử dụng nhiều cấu hình dây cấu hình dây 13 Phân loại cáp RS485 4.1 Cấu hình dây Hình 15 Cấu hình dây RS485 Đối với cấu hình dây, liệu truyền theo hướng thời điểm định Với kiểu thiết lập này, tín hiệu TX RX dùng chung cặp dây giúp người sử dụng tiết kiệm chi phí cài đặt Nhìn vào hình trên, ta thấy hệ thống phát hệ thống thu kết nối với nút cặp xoắn Tuy nhiên, cấu hình dây lại làm giới hạn nút cặp xoắn nên người sử dụng phải ý đến độ trễ quay vịng 4.2 Sơ đồ dây Hình 16 Cấu hình dây RS485 Nguyên lý hoạt động cấu hình dây tương đối khác, liệu truyền đến đồng thời từ nút Tại đây, dây đảm nhận nhiệm vụ truyền dây lại đảm nhận nhiệm vụ nhận Nhìn vào hình trên, ta thấy cổng máy phát kết nối lại với hệ thống nút nhận liệu cặp xoắn Tuy nhiên, bạn cần ý kết bị 14 giới hạn giao tiếp phụ, hay hiểu đơn giản bị giới hạn nơi nút khơng thể nhận tín hiệu từ Ưu điểm nhược điểm RS485 5.1 Ưu điểm RS485 – Là sản phẩm tân tiến nay, khắc phục yếu điểm mà RS232 để lại – Cáp RS485 chuẩn giao tiếp kết nối lúc nhiều máy phát máy thu hệ thống mạng – Những máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ RS485 kết nối lên 32 thiết bị Ngoài ra, với đầu vào khác, RS485 kết nối tối đa lên 256 thiết bị – Khi RS485 kết nối thiết bị khoảng cách xa người sử dụng khắc phục cách lắp thêm lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tín hiệu ổn định hơn, tránh nhiễu đường truyền – RS485 có lắp đặt dây truyền tín hiệu nên tín hiệu truyền nhanh khoảng cách xa rộng 5.2 Nhược điểm RS485 – Khi truyền nhiều thiết bị đường dây gian đáp ứng chậm – Các thiết bị cần phải dùng chung chuẩn RS485 thay cho chuẩn Analog hữu – Cần có kiến thức định để sử dụng RS485 hiệu 15 So sánh RS485 với RS232 ĐẶC ĐIỂM RS232 RS485 Đường truyền Đường truyền đơn điểm Đường truyền đa điểm Số dây kết nối dây (DB9) 25 dây (DB25) dây Tốc độ truyền Thường 115,2 kbps Lên đến 10 Mbps Khoảng cách truyền tối đa 50 feet (15m) 4000 feet (1200m) Độ tin cậy Thấp nhiễu độ ổn định Cao khả chống nhiễu độ ổn định tốt Độ phức tạp hệ thống Đơn giản Phức tạp phải cấu hình kiểm sốt đường truyền Bảng So sánh RS485 RS232 Điểm giống RS232 RS485 là chuẩn truyền thông dạng không đồng (asynchronous), sử dụng để truyền tín hiệu thiết bị điện tử Điểm khác biệt lớn hai chuẩn truyền thông đường truyền RS232 hỗ trợ đường truyền đơn điểm, RS485 hỗ trợ đường truyền đa điểm, cho phép kết nối nhiều thiết bị đường truyền Do đó, RS485 sử dụng phổ biến ứng dụng công nghiệp điều khiển tự động hóa 16 Ngồi ra, RS485 cịn có tốc độ truyền nhanh khoảng cách truyền tối đa xa so với RS232 Tuy nhiên, RS232 lại đơn giản độ tin cậy thấp so với RS485, sử dụng phổ biến ứng dụng Điểm giống RS485 UART sử dụng để truyền tín hiệu thiết bị điện tử, hai sử dụng phổ biến ứng dụng công nghiệp điều khiển tự động hóa Điểm khác biệt lớn hai chuẩn truyền thông đường truyền RS485 hỗ trợ đường truyền đa điểm, cho phép kết nối nhiều thiết bị đường truyền, UART hỗ trợ đường truyền đơn điểm RS485 có độ tin cậy cao khả chống nhiễu độ ổn định tốt so với UART Tuy nhiên, RS485 phức tạp phải cấu hình kiểm sốt đường truyền, UART tích hợp sẵn vi xử lý IC giao tiếp đơn giản để sử dụng Tốc độ truyền RS485 nhanh khoảng cách truyền tối đa xa so với UART Ví dụ  Lập trình: - Các bước lập trình: Kết nối RS485 : Trước lập trình cần nối dây, kết nối cổng Cài đặt tốc độ đường truyền Thiết lập giao thức truyền thông: Các giao thức phổ biến bao gồm Modbus, PROFIBUS, CAN bus, Lập trình chức giao tiếp 17 Kiểm tra thử nghiệm  Vd: (Bên phát) Tạo cổng kết nối RS485 chân số Arduino Sau đó, chương trình gửi chuỗi "Hello world!" thơng qua cổng kết nối RS485 chờ giây trước gửi chuỗi RS485 ứng dụng thực tế 7.1 Dây chuyển đổi USB sang RS485 Hình 17 USB - RS485 18 – 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 7.2 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 18 RS485 - Grove 7.3 Kết nối RS485 với máy tính 19