thiết kế mạch giám sát đồng hồ điện công nghiệp

Dựa trên những tìm hiểu về sản phẩm đồng hồ của hãng Selec, tôi đã quyết định thiết kế một mạch điện có thể thay thế được máy tính và mạch giao tiếp giữa đồng hồ với máy tính.. Đề tài gi

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ths Đỗ Bình Nguyên đã

tận tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong quá trình thực hiện đồ án nghiên cứu khoa học

Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô khoa Điện-Điện tử trường đại học Lạc Hồng cùng các bạn lớp 08DV112 đã giúp đỡ tôi trong thời gian khóa học vừa qua Đặc biệt là bạn Nguyễn Bá Cường đã giúp đỡ tôi hoàn thành việc thực hiện đề tài này

Kế đó chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến ban giám đốc của công ty TNHH Điện - Điện tử Nguyên Thịnh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập và thực hiện đề tài này

Những lời cảm ơn sau cùng xin gởi đến ba mẹ đã quan tâm, tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt đồ án nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn !

Mục Lục

LỜI CẢM ƠN i

Mục Lục ii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ iv

LIỆT KÊ BẢNG vi

LỜI NÓI ĐẦU vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn đề tài 3

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Giao thức MODBUS – RTU 4

2.1.1, MODBUS là gì? 4

2.1.2, Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU 5

2.1.3, Bản đồ bộ nhớ MODBUS 6

2.1.4, Đọc và viết dữ liệu 7

2.1.5, MODBUS chế độ RTU 7

2.2 Chuẩn RS232 9

2.2.2, Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232 9

2.2.3, Các mức điện áp thường truyền 10

2.2.4, Cổng RS232 trên PC 11

2.2.5, Truyền dữ liệu 12

2.2.6, Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232 13

2.3 Chuẩn RS485 13

2.3.1, Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485 14

2.3.2, Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485 19

2.4 Kỹ thuật CRC 22

2.4.1, Lý thuyết CRC 23

2.4.2, Thuật toán CRC 23

2.5 Chuẩn truyền I2C 24

2.5.1, Các hàm thiết lập I2C 25

2.5.2, Định dạng dữ liệu truyền 26

2.5.3, Định dạng địa chỉ thiết bị 27

2.5.4, Phương thức truyền dữ liệu tới Slave 27

2.6 Đồng hồ Selec MFM – 383 28

2.6.1, Giới thiệu đồng hồ tủ điện đa năng Selec MFM 383 28

2.6.2, Thông số kỹ thuật 29

CHƯƠNG 3 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 31

3.1 PIC 24FJ128GB206 31

3.2 Reatime DS1302 32

3.3 MAX485 33

3.4 EEPROM 24LC256 34

3.5 74LVC1T45 35

3.6 Graphic LCD 128x64 36

3.7 74ALVC164245/SO 38

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 40

4.1.1, Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 40

4.1.2, Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ và đồng hồ thời gian thực 41

4.1.3, Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485 42

4.1.4, Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 43

4.2 Sơ đồ nguyên lý 43

4.3 Lưu đồ giải thuật 45

Chương 5: KẾT LUẬN 46

5.1 Các điểm đạt và chưa đạt được 46

5.1.1, Các điểm đạt được 46

5.1.2, Các điểm chưa đạt 46

5.2 Hướng phát triển đề tài 46

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC 1

Hình 1.2: Phần mềm EN-VIEW 1

Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính 2

Hình 2.1: Khung tryền MODBUS 8

Hình 2.2: Định dạng khung truyền 8

Hình 2.3: Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS232 10

Hình 2.4: Cổng RS232 trên PC 11

Hình 2.5: Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232 13

Hình 2.6: Kiểu truyền cân bằng 2 dây 15

Hình 2.7: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng 15

Hình 2.8: Cặp dây xoắn trong RS485 16

Hình 2.9: Cách xác định áp kiểu chung 16

Hình 2.10: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất 17

Hình 2.11: Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485 18

Hình 2.12: Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT 18

Hình 2.13: Phân cực cho đường truyền RS485 19

Hình 2.14: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485 19

Hình 2.15: Sơ đồ một phát, nhiều nhận trong RS485 20

Hình 2.16: Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485 20

Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485 21

Hình 2.18: Đoạn dây rẽ nhánh trong RS485 21

Hình 2.19: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí 22

Hình 2.20: Biểu đồ truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 22

Hình 2.21: START và STOP 26

Hình 2.22: Gửi bit định địa chỉ Slave 27

Hình 2.23: Khung truyền I2C 28

Hình 2.24: Đồng hồ tủ điện đo đa năng SELEC MFM-383 28

Hình 2.25: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 3 pha 30

Hình 2.26: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 1 pha 30

Hình 3.1: PIC24FJ28GB206 31

Hình 3.2: Reatime DS1302 32

Hình 3.3: Max485 33

Hình 3.4: EEPROM 24LC256 34

Hình 3.5: 74LV1T45 35

Hình 3.6: Graphic LCD 128x64 36

Hình 3.7: 74LVC164245/SO 37

Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch thiết kế 39

Hình 4.2: Khối hiển thị 39

Hình 4.3: Khối lưu dữ liệu và Reatime 40

Hình 4.4: Khối RS485 41

Hình 4.5: Khối nguồn 42

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Bảng mã chức năng 6

Bảng 2.2: Địa chỉ bộ nhớ 6

Bảng 2.3: Bảng tóm tắt thông số của RS485 14

Bảng 3.1: Chân và chức năng chân của DS1302 33

Bảng 3.2: Chân và chức năng các chân của MAX485 33

Bảng 3.3: Chân và chức năng các chân của EEPROM 24LC256 34

Bảng 3.4: Điều kiện để xác định input/output 74LV1T45 35

Bảng 3.5: Chân và chức năng các chân của 74LV1T45 35

Bảng 3.6: Chân và chức năng các chân của GRAPHIC LCD 36

Bảng 3.7: Chân và chức năng các chân của 74LV164245/SO 37

Bảng 3.8: Điều kiện để xác định input/output 74LV164245/SO 37

LỜI NÓI ĐẦU

Các công ty, xí nghiệp lớn và trung bình dù sản xuất mặt hàng nào cũng đều sử dụng các đồng hồ điện công nghiệp để kiểm soát lượng điện sử dụng Các đồng hồ điện sẽ được đặt tại các phân xưởng và giá trị điện của đồng hồ sẽ được đưa về phòng giám sát để dễ dàng cho việc kiểm tra Ngày nay, hãng Selec đã sản xuất ra Đồng hồ tủ điện đa năng MFM-383, đi kèm đồng hồ là module giao tiếp giữa đồng hồ và máy tính Module này có giá thành cao nên tôi đã quyết định nghiên cứu và thiết kế ra mạch điện thay thế có giá thành rẻ hơn mà vẫn đáp ứng được các ứng dụng như của Selec đưa ra Đề tài của tôi đã được công ty TNHH Điện - Điện tử Nguyên Thịnh chấp thuận và cho tiến hành nghiên cứu thử nghiệm tại công ty

Trong quá trình thực hiện đề tài, do trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót mong được sự góp ý của các thầy trong khoa Tôi xin gửi lời cám ơn đến các thầy trong khoa đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường đặc biệt là thầy Th.s Đỗ Bình Nguyên đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay đồng hồ đo điện năng cơ đã được thay thế bằng đồng hồ đo điện năng số Đồng hồ MFM-383 là đồng hồ đo điện số do hãng Selec sản xuất

Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC

Đi kèm đồng hồ là mạch giao tiếp đồng hồ và máy tính, phần mềm chuyên dụng VIEW giúp người sử dụng kiểm tra và điều khiển trực tiếp ngay trên máy tính

EN-Hình 1.2 : Phần mềm EN-VIEW

Phần mềm EN-VIEW là phần mềm hỗ trợ trên máy tính để thiết lập cho đồng hồ cũng như lấy số liệu từ đồng hồ về máy tính để giám sát Phần mềm có các tính năng: hiển thị

số liệu từ đồng hồ về máy tính và cập nhật số liệu liên tục, mô phỏng giao diện đồng hồ đồng hồ trên máy tính, hỗ trợ vẽ biểu đồ dạng sóng, số liệu cũ được lưu dưới dạng file excel

Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính

Tuy có nhiều tính năng nhưng nhà sử dụng phải mất một khoản vốn đầu tư khá lớn ban đầu Vì vậy cần phải thiết kế một mạch điện tử sao cho vẫn đảm bảo được các tính năng như cũ nhưng giảm chi phí đầu tư

1.2 Mục tiêu đề tài

Dựa trên những tìm hiểu về sản phẩm đồng hồ của hãng Selec, tôi đã quyết định thiết

kế một mạch điện có thể thay thế được máy tính và mạch giao tiếp giữa đồng hồ với máy tính Tôi đặt ra các mục tiêu khi nghiên cứu thiết kế mạch điện thay thế như sau:

 Giao tiếp được với đồng hồ MFM-383 của hãng Selec

 Chạy ổn định, độ trễ thấp

 Số liệu nhận được hiển thị ngay trên mạch

 Mạch lưu trữ được dữ liệu trong thời gian dài và cập nhập dữ liệu mới chính xác, nhanh chóng

 Giá thành rẻ

1.3 Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu những vấn đề sau:

 Giao thức Modbus – RTU

 Chuẩn giao tiếp RS485

 Chuẩn giao tiếp RS232

Đề tài giải quyết được yêu cầu thực tiễn đặt ra là giao tiếp được với đồng hồ

MFM-383 của hãng Selec và hiển thị các số liệu ngay trên mạch nên có thể thay thế được máy tính Mạch đạt được các ưu điểm khi ứng dụng vào thực tế là chạy ổn định trong môi trường công nghiệp, độ trễ thấp, giá thành rẻ

MODBUS là một hệ thống “Master - Slave”, Master được kết nối với một hay nhiều Slave Master thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU Slave MODBUS RTU thường là các thiết bị hiện trường Khi một Master MODBUS RTU muốn có thông tin từ thiết bị Slave, Master sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Slave Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ định mới có phản ứng Các thiết bị Slave trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối, chúng chỉ có thể phản ứng Nói cách khác, Slave sẽ gửi data về cho Master chỉ khi Master

điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác Đối với MODBUS-RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm, tốc độ baud từ 1200 đến 115.200 Tốc độ baud phổ biến nhất là 9600 đến 19200 MODBUS-RTU là giao thức công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất MODBUS/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet Thiết bị Master không kết nối trực tiếp với các thiết

bị Slave, thay vào đó các địa chỉ IP được sử dụng Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP Do đó, bất cứ mạng Ethernet

hỗ trợ MODBUS/IP sẽ có hỗ trợ MODBUS/TCP

2.1.2, Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU

Để kết nối với Slave, Master sẽ gửi một thông điệp bao gồm các trường dữ liệu sau:

 Địa chỉ thiết bị: là một con số từ 0 đến 247 Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0 (truyền thông điệp) có thể được tất cả các thiết bị Slave chấp nhận, nhưng các con số từ 1-247 là các địa chỉ của các thiết bị cụ thể Một Slave luôn phản ứng với một thông điệp MODBUS do đó Master sẽ biết rằng thông điệp đã được nhận

 Mã chức năng: dùng để xác định yêu cầu mà Master yêu cầu Slave thực hiện như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái v.v… Mã chức năng

là từ 1 – 255 Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ

 Dữ liệu: để xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu được viết trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các thông tin cần thiết khác mang chức năng như yêu cầu

 Giá trị kiểm tra lỗi (CRC): là giá trị 16 bit dùng để kiểm tra lỗi trong quá trình truyền nhận CRC được Master tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra Nếu giá trị CRC không thỏa mãn, thiết bị đòi hỏi truyền lại thông điệp này

Khi Slave thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp cho Master Thông điệp chứa địa chỉ của Slave và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá trị kiểm tra lỗi

04 Đọc bộ ghi đầu vào

05 Viết cuộn cảm đơn

06 Viết bộ ghi đơn

Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ

cụ thể Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit Bằng cách sử dụng hai bộ ghi này, MODBUS có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit Bộ ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating

Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật MODBUS Giả sử rằng nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (không phải tất cả), mọi dữ liệu có thể được truy cập dễ dàng bởi Master, thiết bị Slave tuân theo các thông số kỹ thuật Trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện cho nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ

Bảng 2.2 : Địa chỉ bộ nhớ

10001 – 19999 Chỉ đọc Đầu vào rời rạc

30001 – 39999 Chỉ đọc Bộ ghi đầu vào

40001 - 49999 Đọc hoặc viết Bộ ghi Holding

2.1.4, Đọc và viết dữ liệu

MODBUS có tới 255 mã chức năng, nhưng 1 (cuộn cảm đọc), 2 (đầu vào rời rạc đọc), 3 (bộ ghi Holding đọc), và 4 (bộ ghi đầu vào đọc) là các chức năng đọc được sử dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu từ các thiết bị Slave Thí dụ, để đọc 3 giá trị 16 bit

dữ liệu analog từ bản đồ bộ nhớ của thiết bị 5, Master sẽ gửi một yêu cầu như sau:

Địa chỉ Mã hàm Địa chỉ khởi đầu Số lượng giá trị cần đọc Giá trị Kiểm tra lỗi

Trong đó, 5 là địa chỉ thiết bị Slave, 4 đọc bộ ghi đầu vào, 2 là địa chỉ khởi đầu (địa chỉ 30002) 3 có nghĩa là để đọc 3 giá trị dữ liệu kề nhau xuất phát từ địa chỉ 30002, và CRC là giá trị kiểm tra lỗi thông điệp này

Thiết bị tớ, sau khi nhận dữ liệu này, sẽ gửi lại một trả lời như sau:

Địa chỉ Mã hàm 3 giá trị yêu cầu đọc về Giá trị Kiểm tra lỗi

lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi xảy ra Phần kiểm lỗi giúp Master xác định độ chính xác của nội dung thông báo nhận được

Hình 2.1 : Khung tryền MODBUS

2.1.5.2, Khung thông báo modbus chế độ RTU

Hình 2.2 : Định dạng khung truyền

Khi các thiết bị một mạng MODBUS chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote Terminal Unit - Khối thiết bị đầu cuối ở xa), mỗi byte trong thông báo được gửi thành một kí tự 8 bit Mỗi thông báo phải truyền kí tự thành dòng liên tục Sự thuận lợi chính của chế độ này là nó có mật độ kí tự lớn nhất, năng suất dữ liệu lớn hơn chế độ ASCII trong cùng tốc độ baud

2.2 Chuẩn RS232

Chuẩn giao tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi hiện nay để nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là hai thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép

để đảm bảo dữ liệu là 12.5m đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt

Chuẩn RS232 được nối ra một dắc cắm (gọi là cổng COM) Khi sử dụng có thể dùng hai hay toàn bộ chân của dắc cắm này, nếu mục đích chỉ truyền hoặc nhận tín hiệu giữa hai thiết bị thì ta chỉ cần sử dụng hai dây (một dây truyền hoặc nhận và một dây nối đất)

Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp là trong một thời điểm chỉ có một bít được gửi đi dọc theo đường truyền Các máy tính thường có một hoặc hai cổng nối tiếp theo chuẩn RS232 được gọi là cổng COM Chúng được dùng để ghép nối cho chuột, modem, thiết bị

đo lường…Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc loại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi

chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp

2.2.1, Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232

 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

2.2.2, Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232

 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 -7000

 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 diện dung nhỏ hơn 2500pF

 Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 nhưng phải nhỏ hơn 7000

 Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt quá 15m nếu không sử dụng modem

 Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200,

2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, …, 56600, 115200bps

2.2.3, Các mức điện áp thường truyền

Hình 2.3 : Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS232

RS232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do đó ngay từ lúc mới ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vẫn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải và các trở kháng ra của bộ phát

Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232( chuẩn thường được dùng bây giờ) được mô tả như sau:

 Mức logic 0: +3V, +12V

 Mức logic 1: -12V, -3V

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính vì

từ -3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic

từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thời gian ngắn hợp lý Điều này dẫn tới việc phải hạn chế về điện dung của các thiết

bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2kbit/s

2.2.4, Cổng RS232 trên PC

Hình 2.4 :Cổng RS232 trên PC Chức năng của các chân :

 Chân 1 : data carier detect (DCD) là chân phát tín hiệu mang dữ liệu

 Chân 2 : Receive data (RxD) là chân nhận dữ liệu

 Chân 3 : Transmit Data (TxD) là chân truyền dữ liệu

 Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) là chân đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu

 Chân 5 : Signal Ground (SG) chân mass của tín hiệu

 Chân 6: Data set ready (DSR) chân dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

 Chân 7: Request to send chân yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu

 Chân 9: Ring Indicate (RI) báo chuông cho biết là bộ phận đang nhận tín hiệu rung chuông

2.2.5, Truyền dữ liệu

2.2.5.1, Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một ký tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bit data) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7, hay 8 bit dữ liệu) sau đó là một Parity bit (kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng( bit stop) có thể là 1 hay 2 bit dừng

2.2.5.2, 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 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 một tốc độ truyền bit)

Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ baud Tốc

độ baud liên quan đến tốc độ mà phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được truyền còn tốc độ bit thì phản ánh tốc độ mà phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn

tả bit được truyền Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất

2.2.5.3, Bit chẵn lẻ hay Parity bit

Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền Do đó trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ Một bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để thấy số lượng các bit “1” được gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ

Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi như là 1, 3, 5, 7, 9… Nếu như một bit mắc lỗi thì bit Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện ra lỗi Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi

2.2.6, Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232

Hình 2.5 : Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232

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 hai dây cùng nhiễu giống nhau Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa hai 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

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

6 -6

V

V Dòng ngắn mạch ngõ ra

điều khiển

1 ngõ ra nối với điểm chung

dây kia Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và ngược lại

Hình 2.6: Kiểu truyền cân bằng 2 dây

2.3.1.2, Mức tín hiệu

Với hai 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

Hình 2.7 : Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng

2.3.1.3, 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 2.8 : Cặp dây xoắn trong RS485

2.3.1.4, Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở kháng đặc tính (Characteristic impedence-Zo), 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

2.3.1.5, Điện áp kiểu chung

Tín hiệu truyền dẫn gồm hai dây không có dây mass nên chúng cần được tham chiếu đến một điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức điện áp cho phép nào đó Điện áp kiểu chung (Common-mode voltage -VCM) về mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của hai điện áp tín hiệu được tham chiếu với mass hay một điểm chung

Hình 2.9 : Cách xác định áp kiểu chung

2.3.1.6, Vấn đề nối đất

Tín hiệu trên hai 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 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 hai dây nhưng có tới ba 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 2.10 : 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 ba, nó sẽ được nối mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu

2.3.1.7, 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

Hình 2.11 : Cách đặt điện trở đầu cuối RT 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 hai điện trở đầu cuối khác nhau

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 rảnh 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 rảnh thì việc phân cực đường truyền (Biasing) phải được thực 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 2.13 : Phân cực cho đường truyền RS485

2.3.2, Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485

2.3.2.1, Một phát, một nhận

Hình 2.14 : Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485

Trong kiểu mẫu có sử dụng cặp dây xoắn, hai điện trở đầu cuối RT

(half duplex), trong một thời điểm chỉ có một bộ truyền

Hình 2.16 : Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485