Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet docx

Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 36 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển tính không có chuẩn RS485 nên ta phải có một bộ chuyển đổi giữa chuẩn RS232 và RS485. Như vậy giải pháp mà nhóm thực hiện đề tài lựa chọn cho việc giao tiếp giữa máy chủ và các mô-đun điều khiển sẽ là sự kết hợp giữa chuẩn RS232 và RS485. Sau đây là sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển: MẠNG INTERNET BOARD CHUYỂN ĐỔI GIỮA RS232 VÀ RS485 MÔ-ĐUN1 MÔ-ĐUN2 MÔ-ĐUN31 RS232 RS485 MÁY KHÁCH MÁY KHÁCH MÁY KHÁCH MÁY CHỦ Hình 5. 1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet. Với một hệ thống như trên ta có thể có tới 31 mô-đun điều khiển. Chi tiết về chuẩn RS232, RS485 và cách thức truyền nhận dữ liệu sẽ được trình bày ở những phần sau. 5.2 Chuẩn RS232C và chuẩn RS485 5.2.1 Chuẩn RS232C Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối ti ếp theo chuẩn RS232C, được gọi là cổng Com. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường,…Khi cần dùng nhiều cổng hơn ta có thể lắp đặt các card mở rộng trên đó có thêm một đến hai cổng Com. Có hai dạng cổng Com: cổng Com 25 chân và cổng Com 9 chân. Hiện nay thì cổng Com 9 chân (DB9) theo chuẩn RS232C trở nên rất phổ biến. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 37 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232C − 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 cổng nối tiếp. Hình 5. 2: Chân ra cổng Com DB9. Bảng 5. 6: Các Chân và chức năng của cổng Com DB9. DB-9 Tên Ký hiệu Chức năng 1 Data Carrier Detect DCD Phát hiện tín hiệu mang dữ liệu 2 Receive Data RxD Nhận dữ liệu 3 Transmit Data TxD Truyền dữ liệu 4 Data Terminal Ready DTR Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ nhận khi muốn truyền dữ liệu 5 Singal Ground SG Mass của tín hiệu 6 Data Set Ready DSR Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu 7 Request to Send RTS Yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu 8 Clear To Send CTS Xóa để gửi, bộ nhận đặt đường này lên mức hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận dữ liệu. 9 Ring Indicate RI Báo chuông, cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 38 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232C − Trong chuẩn RS232C, các giới hạn trên đối với mức logic 0 và logic 1 là ±12V. Chuẩn RS232C ngày nay đang được áp dụng còn cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000Ω đến 7000Ω. − Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng –3V đến –12V, mức logic 0 từ +3V đến +12V. − Trở kháng tải phải lớn hơn 3000Ω nhưng phải nhỏ hơn 7000 Ω. − Tốc độ truyền/nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể đạt được 200 kbps). − Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF − Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232C không thể vượt quá 15 m nếu không sử dụng Modem. − Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là : 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800 …… 56600, 115200bps. 5.2.2 Chuẩn RS485 Có thể coi chuẩ n RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệu nối tiếp. Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với bất kì thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua liên kết RS485. Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ 1 mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng 1 đường truyền, tốc độ có thể lên tới 115.200 baud cho 1 khoảng cách là 4000feet (1200m). Bảng 5. 7: Bảng tóm tắt thông số của RS485. Thông số Điều kiện Min Max Đơn vị Áp ngõ ra điều khiển khi hở mạch 1.5 -1.5 6 -6 V V Áp ngõ ra điều khiển khi có tải R L = 100Ω 1.5 -1.5 5 -5 V V Dòng ngắn mạch ngõ ra điều khiển 1 ngõ ra nối với điểm chung ±250 mA Thời gian cạnh lên ngõ ra điều khiển R L = 54Ω C L = 50 pF 30 % độ rộng bit Áp kiểu chung điều khiển R L = 54Ω ±3 V Ngưỡng nhạy thu vào -7V <V CM < 12 V ±200 mV Phạm vi áp kiểu chung thu vào -7 12 V Tổng trở ngõ vào phía thu 12 kΩ Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là 2 dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa 2 dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 39 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Liên kết RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều quan trọng. Bên cạnh đó khả năng truyền thông qua khoảng cách xa ở tốc độ cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao tiếp được trải ra trên diện rộng. Sau đây là bảng tóm tắt những đặc điểm của chuẩn RS485. Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485  Truyền dẫn cân bằng Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có 2 dây tín hiệu A, B nhưng không có dây mass. Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu trên dây kia. Nghĩa là nếu dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại. Hình 5. 3: Kiểu truyền cân b ằng 2 dây. Hình 5. 4: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng.  Mức tín hiệu Với 2 dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV. Nếu điện áp V AB mà nằm trong khoảng -200mV < V AB < 200mV thì tín hiệu lúc này được xem như là rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V. A B 1 A 0 1 B 0 Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 40 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển  Cặp dây xoắn Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau. Sử dụng cặp dây xoắn sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ cao. Hình 5. 5: Cặp dây xoắn trong RS485.  Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1 trở kháng đặc tính (Characteristic impedence-Z o ), điều này thường được chỉ rõ bởi nhà sản xuất. Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào khoảng từ 100 - 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy.  Điện áp kiểu chung Tín hiệu truyền dẫn gồm 2 dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến 1 điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó. Đi ện áp kiểu chung (Common-mode voltage -V CM ) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của 2 điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay 1 điểm chung. Hình 5. 6: Cách xác định áp kiểu chung.  Vấn đề nối đất Tín hiệu trên 2 dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng. Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 41 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị. Điều này cho thấy mạng RS485 gồm 2 dây nhưng có tới 3 mức điện áp được xem xét. Do đất là một vật dẫn điện không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ điểm này tới điểm kia, đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất. Hình 5. 7: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất. Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không được. Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ 3, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu.  Điện trở đầu cuố i Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại 2 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. Hình 5. 8: Cách đặt điện trở đầu cuối R T trong RS485. Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị sai lệch. Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng 2 điện trở đầu cuối khác nhau. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 42 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển R T =54Ω R T =120Ω Hình 5. 9: Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở R T.  Phân cực đường truyền Khi mạng RS485 ở trạng thái rãnh thì tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách li với đường truyền. Lúc này trạng thái của đường truyền được xem là bất định. Nếu -200mV ≤ V AB ≤ 200mV thì trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ mang giá trị của bit cuối cùng nhận được. Điều này không đảm bảo vì đường truyền rãnh trong truyền dữ liệu nối tiếp đòi hỏi phải ở mức cao để khối thu không hiểu nhầm là có dữ liệu xuất hiện trên đường truyền. Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rãnh thì việc phân cực đường truyền (Biasing) phải được thự c hiện. Một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B sao cho V AB ≥ 200mV sẽ ép đường truyền lên mức cao. Hình 5. 10: Phân cực cho đường truyền RS485. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 43 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485  Một phát, một nhận Hình 5. 11: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485. Trong kiểu mẫu có sử dụng cặp dây xoắn, 2 điện trở đầu cuối R T .  Một phát, nhiều nhận Hình 5. 12: Sơ đồ một phát, nhiều nhận trong RS485.  Hai bộ truyền nhận Hình 5. 13: Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485. Ở đây việc truyền và nhận dữ liệu được thực hiện bởi 1 cặp dây xoắn nên truyền nhận dữ liệu không thể diễn ra đồng thời mà phải theo hình thức bán song công (half duplex), trong một thời điểm chỉ có một bộ truyền. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 44 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển  Nhiều bộ truyền nhận Hình 5. 14: Sơ đồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485. Tương tự như trong sơ đồ 2 bộ truyền nhận, hình thức truyền nhận dữ liệu ở đây là bán song công. Đoạn dây rẽ nhánh Hình 5. 15: Đoạn dây rẽ nhánh trong RS485. Đoạn dây rẽ nhánh (Stub) là đoạn dây nối từ cặp dây chính tới một trạm. Đoạn dây rẽ nhánh dài sẽ làm ảnh hưởng tới sự phối hợp trở kháng. Vì vậy nên giữ cho chiều dài đoạn dây rẽ nhánh càng ngắn càng tốt. Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí: Hình 5. 16: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 45 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Cách thức truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 Hình 5. 17: Biểu đồ truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485. Bình thường đường truyền rãnh (Idle line) sẽ ở mức cao, V AB > 200mV. Tín hiệu TX Control cho phép phát tín hiệu đi. Mỗi bit tín hiệu TXD phát đi sẽ được biểu diễn tương ứng dưới dạng tín hiệu V AB theo chuẩn RS485. Bit 1 tương ứng với V AB dương, bit 0 tương ứng với V AB âm. Sau khi phát đi đủ 10 bit thì đường truyền lại lên mức cao báo hiệu trạng thái rãnh. . chuông. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 38 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232C − Trong chuẩn RS232C, các. đường truyền RS485. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 43 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485  Một phát,. loại bỏ nhiễu. Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 39 Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển Liên kết RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp,