Xây dựng được chương trình hỗ trợ bài thí nghiệm vật lý đại cương “Đo độ hấp thu ánh sáng” thông qua giao tiếp với máy NoVaSpec II

Giao tiếp hai chiều Cổng nối tiếp trên máy tính là một thiết bị hai chiều, có thể gởi và nhận dữ liệu cùng một lúc.. Bằng cách dùng giá trị này để chỉ ra rằng không có dữ liệu nào đang đ

Sự hấp thu ánh sáng và đo sụ hấp thụ ánh sáng bằng máy NoVaSpec II

Khảo sát sự phụ thuộc của độ hấp thu ánh sáng của dung dịch với bước

sóng ánh sáng hấp thụ và nồng độ dung dịch

Ghép nối các thiết bị đo lường với máy tính thông qua cổng RS232C

Chương trình giao tiếp qua cổng nối tiếp của ngôn ngữ Matlab

Xây dựng chương trình nhận và xử lý dữ liệu từ máy NovaSpec II, bằng

ngôn ngữ Matlab

Các kết quả:

Xây dựng được chương trình hỗ trợ bài thí nghiệm vật lý đại cương “Đo

độ hấp thu ánh sáng” thông qua giao tiếp với máy NoVaSpec II

Thu thập và xử lý được các kết quả thí nghiệm

Nếu nói Vật lý là chiếc chìa khoá của thời kì Công nghiệp hoá ở thế kỉ 20,

thì Tin học chính là cánh cửa bước vào Thế giới công nghệ thông tin ở thế

kỉ 21 Con người luôn luôn muốn chinh phục thế giới, tìm cách kết hợp

những ưu điểm đã có, để tạo ra những ưu điểm mới, ưu việt hơn Nhờ vậy,

đã tạo nên những thành tựu to lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học kĩ thuật

Có thể xem Công nghệ tự động, và Công nghệ phân tích là hai ví dụ điển

hình

Nói về công nghệ phân tích, không thể không nhắc đến Phân tích quang

phổ Phân tích thành phần hoá học của các thiên thạch xa hàng nghìn

hàng triệu năm ánh sáng hay phân tích thành phần hoá học của ADN, đơn

vị cấu trúc của protein, chỉ nhỏ cỡ phần tỉ centimet có thể đạt được là nhờ

vào việc Phân tích quang phổ của các mẫu chất đó Sẽ rất khó khăn nếu

ta ngồi hàng giờ, hàng ngày, thậm chí hàng tháng để thu thập các kết quả

phân tích và xử lý bằng tay những con số cực kì phức tạp Kết nối các thiết

bị phân tích với máy tính đã góp phần tăng mức độ tự động hoá trong việc

thu thập và xử lý các dữ liệu, kể cả việc lập bảng thống kê cũng như in ra

kết quả Lợi ích mang đến không chỉ trong việc nghiên cứu khoa học mà

còn ứng dụng hiệu quả trong sản xuất( ví dụ trong công nghệ thực phẩm )

Khoá luận tốt nghiệp với đề tài XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH NHẬN DỮ

LIỆU TỪ MÁY NOVASPEC II VÀO MÁY TÍNH VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU

nhằm bước đầu tìm hiểu về sự ghép nối thiết bị ( mà cụ thể là máy so màu

NovaSpec II ) với máy tính thông qua cổng RS232, cũng như khảo sát về

sự hấp thu ánh sáng của dung dịch, từ đó đi sâu hơn vào ứng dụng thực

tiễn

1 Hiện tượng hấp thu ánh sáng

Khi một chùm sáng chiếu vào một dung dịch thì có ba hiện tượng xảy

Các chất hấp thu các bức xạ một cách chọn lọc, khi chiếu ánh sáng vào

một vật, vật đó sẽ hấp thu các bức xạ này mạnh hơn các bức xạ khác

Thí dụ vật màu vàng hấp thu mạnh các tia màu lam và ngược lại, vật

màu lam hấp thu ánh sáng vàng mạnh nhất Ta nói màu vàng và màu

lam là hai màu phụ nhau ( hay hai màu hỗ bổ)

Vậy màu của vật và màu mà nó hấp thu mạnh là hai màu hỗ bổ như

Khi cho bức xạ có bước sóng λ đi qua lớp dung dịch màu có bề dầy d,

gọi Io là cường độ bức xạ tới, I là cường độ bức xạ ló ra khỏi chất hấp

thụ, ta có:

kd

e I

k: hệ số hấp thụ

d: bề dầy lớp dung dịch hấp thụ, thường tính bằng centimét (cm)

e: cơ số logarit tự nhiên

b Chứng minh

Xét độ biến thiên năng lượng trong một chùm phóng xạ dựa vào sự

truyền qua một vật có bề dày cho trước, ta có:

dP = [emission] – [absorption]

= dI dA dΩ = J(dA ds)dΩ - K(I dA dΩ)ds (1)

Trong đó

dI dA dΩ : năng lượng bị mất

dA ds : thể tích của vật mà chùm bức xạ xuyên qua

I dA dΩ : năng lượng tới

I(r,θ,φ) : cường độ tính theo erg cm-2 sterradian-1 s-1.

J : độ truyền qua tính theo erg cm-3 s-1 sterradian-1

K ≡ Ka + Ks : hệ số hấp thụ tính theo cm-1

Chia (1) cho dA ds, ta có :

KI J

= 0

 Ánh sáng đi qua dung dịch phải là ánh sáng đơn sắc, vì hệ số tắt ε

thay đổi theo bước sóng Để định luật có thể áp dụng ta chọn bước

sóng λ cực đại của đường cong hấp thụ hoặc nằm ở khoảng nằm

ngang của đường cong đó (Hình 1)

 Định luật Beer không còn đúng nữa khi cân bằng hoá học bị dịch

chuyển mạnh do pha loãng (Hình 2)

=0

Người ta thường viết hệ thức trên dưới dạng:

ε gọi là hệ số tắt, phụ thuộc vào bản chất chất hấp thụ, vào bước sóng

ánh sáng đi qua, vào nhiệt độ và về nguyên tắc không phụ thuộc vào

dung môi

Nếu nồng độ C biểu thị bằng số gam trong 1 lít dung dịch thì giá trị ε

tương ứng gọi là hệ số tắt riêng

Nếu C biểu thị số ion gam hoặc phân tử gam trong 1 lít dung dịch thì ε

gọi là hệ số tắt phân tử

Độ truyền qua T (Transmit): là tỷ số giữa cường độ chiếu sáng ló ra và

cường độ ánh sáng ban đầu T thường được biểu diễn theo phần trăm

Mật độ quang hay độ hấp thu (độ tắt), ký hiệu là D hay A (Absort): là

logarit nghịch đảo của đại lượng T

cd I

I T

D = log 1 = log o = ε

Ta thấy mật độ quang D tỷ lệ với nồng độ chất trong dung dịch

Nếu độ truyền qua T = 100% thì độ hấp thu D = 0

Nếu độ truyền qua T = 0 thì độ hấp thu là cực đại Dmax = 2

Người ta thường ứng dụng định luật Lambert – Beer để đo độ truyền

qua T hay độ hấp thụ D của một dung dịch

Mỗi dung dịch hấp thu cực đại tại mỗi bươc sóng khác nhau

Độ hấp thụ ánh sáng phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch hấp thụ

II BÀI THÍ NGHIỆM

1 Máy quang phổ (so màu) NoVaSpec II

Máy quang phổ được dùng trong khoá luận này là máy digital

NoVaSpec II, cho phép sử dụng bước sóng liên tục Kết quả đo độ hấp

thu hay độ truyền suốt được hiển thị ngay trên máy, với sai số

0.001nm

Máy có cổng giao tiếp nối tiếp RS-232C cho phép ghép nối với máy in

hay máy tính có cổng nối tiếp tương ứng

a Nguyên tắc hoạt động của máy

Dựa vào các định luật về sự hấp thụ ánh sáng trên, mà cụ thể là ba định

luật: Định luật Lambert, Định luật Beer, Định luật Lambert-Beer, các

nhà khoa học đã xây dựng nên các nguyên tắc hoạt động cho các máy

đo độ hấp thụ ánh sáng nói chung, và máy NoVaSpec II nói riêng

Tế bào quang điện cho phép so sánh những cường độ sáng không bằng

nhau và không cần thiết tiến hành đo chúng cùng một lúc

Máy so màu sử dụng đo là loại máy một chùm tia, có thể dùng điện kế

để chỉnh 0, khi thay cường độ bức xạ I0 bằng cường độ I, sự tụt thế của

dòng sinh ra bởi tế bào quang điện sẽ thay đổi ở điện trở nào đó, có

một điện kế phụ điều chỉnh kim điện kế về vị trí ban đầu, sự chuyển

động của điện kế gắn liền với sự chuyển dịch thang chia độ trên đó sẽ

đọc được kết quả đo

b Cấu trúc

Máy được phân tích thành bốn vùng:

Vùng chứa nguồn bức xạ:

Nguồn bức xạ là đèn đốt nóng bằng bản Tungsten có thể phát ra các

bức xạ có bước sóng từ 325nm đến 900nm Nguồn bức xạ này phải ổn

định vì nếu điện thế cao làm cho dòng điện qua đèn thay đổi, nhiệt độ

bản Tungsten cũng thay đổi, dẫn đến cường độ các bức xạ và thành

phần quang phổ của chúng cũng thay đổi theo Do đó nguồn dùng cho

đèn phải được ổn định

Vùng chứa cách tử:

Vùng chứa cách tử để phân tích ánh đèn Tungsen thành ánh sáng đơn

sắc

Vùng chứa mẫu đo:

Ánh sáng đơn sắc sẽ đi qua curvet chứa mẫu đo Khi xác định mật độ

quang D theo nồng độ C của dung dịch, độ nhạy của phép đo được xác

định bởi giá trị

cd I

Sau khi ánh sáng qua mẫu đo sẽ đến tế bào quang điện để chuyển

cường độ ánh sáng I thành cường độ dòng điện i theo hệ thức tuyến

tính :

i k

Hệ số kλ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

Người ta thường sử dụng hai tế bào quang điện Selen và tế bào quang

điện chân không

Kết quả đo được sẽ hiển thị trên máy

c Các thành phần

Tế bào quang điện:

Tế bào quang điện biến ánh sáng đập lên chúng thành dòng điện giữa

cường độ ánh sáng và cường độ dòng điện sinh ra trong tế bào quang

điện có sự phụ thuộc tuyến tính I = kλi, hệ số kλ phụ thuộc độ dài sóng

λ Tế bào quang điện có thể làm tăng cường độ dòng điện nên được

dùng khi cường độ ánh sáng bị yếu (ánh sáng đi qua máy đơn sắc), độ

nhạy của tế bào thay đổi theo độ dài ánh sáng Trong điều kiện tốt nhất,

tế bào có độ lập lại tới 0.03%

Bằng thuỷ tinh màu hoặc màng gelatin, bề rộng của dải ánh sáng đi qua

thường vượt quá 20µm

Đường cong hấp thụ của lọc sáng bị dịch chuyển và biến đổi theo nhiệt

độ, do đó thành phần quang phổ của bức xạ đi qua lọc sáng phụ thuộc

vào nhiệt độ

Các lọc sáng giao thoa cho những dải bức xạ hẹp hơn đi qua

Máy đơn sắc:

Để có những dải bức xạ hẹp hơn, thay vì dùng máy đơn sắc lăng kính,

máy Novaspec II dùng cách tử nhiễu xạ cho bức xạ đi qua một khe rất

hẹp, cỡ 1µm

Máy khuếch đại quang:

Có thể làm tăng dòng sinh ra trong tế bào quang điện (tỉ lệ với cường

độ bức xạ), và như thế làm tăng độ nhạy của máy

2 Chuẩn bị

a Trên máy:

Cắm dây nối vào nguồn điện 220V

Bật công tắc phía bên trái, sau máy về vị trí ON’

Trong khi chờ khoảng 15 phút cho máy đạt đến trạng thái ổn định, tiến

hành pha loãng dung dịch

b Pha loãng dung dịch:

Dùng ống đong có chia vạch 10ml để pha loãng Trên giá ống nghiệm,

Hai mặt phẳng của curvet nơi ánh sáng truyền qua phải khô, chỉ được

cầm ở bên hông (phần lõm) hoặc phía gần miệng curvet

Nước hoặc dung dịch màu chứa khoảng ½ curvet ngang chỗ thắt eo

Mở nắp ngăn chứa curvet

Mặt curvet (phía trên có dấu ∇) hướng về người làm thí nghiệm, từ tư

thế này đưa curvet vào máy

Chú ý:

Không được đặt các curvet lên mặt máy

Đèn led phải sáng ở vị trí ABS (Absort)

Đo khoảng 15 – 20 phút rồi tắt máy ngay

Đưa curvet chứa nước vào máy đúng tư thế đã hướng dẫn, đậy nắp lại

Nhấn nút Set ref Đợi màn hình về 0.000

Thay curvet chứa nước bằng curvet chứa dung dịch C0 có ở phòng thí

nghiệm

Đo lần 2: Đưa curvet nước vào kiểm tra, nếu màn hình không về 0.000

thì phải nhấn nút Set ref Thay curvet chứa C0 vào, đọc D

Ứng với mỗi bước sóng λ, đo 3 lần mật độ quang D

Chú ý:

Phải dùng curvet nước kiểm tra màn hình về 0.000, sau đó mới đưa

dung dịch C0 vào đo

Từ đường biểu diễn D = f(λ) ở trên, xác định λmax = nm

Tại bước sóng này, tiến hành đo mật độ quang D của các dung dịch C0;

Có một số nguyên nhân sai số làm hạn chế độ chính xác của phương

pháp, đặc biệt nếu trong máy không có máy đơn sắc để tạo các bước

sóng liên tục

Nếu trong máy hấp thụ có máy đơn sắc cũng gây ra một số phức tạp vì

dải độ dài sóng của chùm sáng càng hẹp thì cường độ của nó càng nhỏ,

do đó cần tăng cường độ dòng trong tế bào quang điện

Ngày nay, một máy tính có thể có rất nhiều cổng giao tiếp, từ những

cổng lâu đời như cổng COM, hay các cổng hiện đại như cổng hồng

ngoại, v.v Nhưng xét về phương thức truyền, có thể chia ra làm 2 loại

cổng chính: cổng nối tiếp và cổng song song

Tất cả các máy tính tương thích thuộc họ IBM được trang bị hai cổng

nối tiếp và một cổng song song Mặc dù hai loại cổng này đều được

dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, nhưng chúng hoạt động theo

những cách khác nhau

Cổng song song:

Một cổng song song gởi và nhận dữ liệu 8 bit cùng lúc qua tám đường

dây riêng biệt Điều này cho phép dữ liệu được truyền đi rất nhanh; tuy

nhiên, đòi hỏi cáp lớn hơn bởi lượng dây riêng mà nó chứa

Cổng song song được dùng chủ yếu để nối một máy tính cá nhân với

một máy in và hiếm khi sử dụng cho các mục đích khác

Cổng nối tiếp:

Một cổng nối tiếp gởi và nhận dữ liệu theo từng bit một qua một đường

dây điện Theo cách này phải mất tám lần để truyền một byte dữ liệu,

nhưng chỉ đòi hỏi một số ít dây Thực tế, giao tiếp nối tiếp theo hai

chiều có thể thực hiện chỉ với ba dây riêng biệt - một để gởi, một để

nhận, và một nối đất cho tín hiệu chung

2 Giao tiếp nối tiếp

Là giao thức ở mức thấp phổ biến nhất cho việc giao tiếp giữa hai hay

nhiều thiết bị Bình thường, một thiết bị là một máy tính, thiết bị kia có

thể là một modem, một máy in, máy tính khác hay một thiết bị khoa

học như một máy dao động nghiệm hay một máy chức năng Như tên

gọi, cổng nối tiếp gởi và nhận các byte thông tin theo kiểu nối tiếp -

mỗi lần một bit Các byte này được truyền dưới dạng nhị phân hay

dạng text

Giao tiếp hai chiều

Cổng nối tiếp trên máy tính là một thiết bị hai chiều, có thể gởi và nhận

dữ liệu cùng một lúc Để có thể làm được điều này, nó sử dụng những

đường truyền riêng biệt cho việc truyền và nhận dữ liệu Một vài loại

thiết bị nối tiếp chỉ hỗ trợ giao tiếp một chiều và vì vậy chỉ sử dụng hai

dây trong cáp – dây truyền và dây nối đất

Giao tiếp theo bit

Khi bit start được gởi, máy truyền gởi các bit dữ liệu hiện thời đi Có

thể là 5, 6, 7, hay 8 bit, phụ thuộc vào số bit được chọn Cả máy nhận

và gởi phải chấp nhận số bit dữ liệu, cũng như tốc độ baud Hầu hết các

thiết bị truyền dữ liệu đều sử dụng 7 hay 8 bit dữ liệu

Khi chỉ 7 bit dữ liệu được sử dụng, không thể gởi mã ASCII có giá trị

lớn hơn 127 Tương tự, khi dùng 5 bit thì giá trị cao nhất có thể là 31

Sau khi dữ liệu được truyền đi, một bit stop được gởi Bit stop có giá trị

là 1 - hay trạng thái đánh dấu - và nó có thể được kiểm tra chính xác

thậm chí nếu bit dữ liệu trước đó cũng có giá trị là 1 Điều này đạt được

bởi thời hạn hiệu lực của bit stop Bit stop có thể là có chu kì với độ dài

1, 1.5 hay 2 bit

Giao tiếp đồng bộ và không đồng bộ

Có hai loại giao tiếp nối tiếp cơ bản, đồng bộ và không đồng bộ Với

giao tiếp đồng bộ, hai thiết bị, ban đầu đồng bộ hóa chính chúng với

nhau, và tiếp đó gởi các kí tự để giữ ở trạng thái đồng bộ.Thậm chí khi

dữ liệu không đang được gởi, một luồng bất biến các bit cho phép mỗi

thiết bị biết thiết bị kia ở đâu tại một thời điểm cho trước Đó là, mỗi kí

tự được gởi là dữ liệu thực hay một kí tự vu vơ Giao tiếp đồng bộ cho

phép tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn so với phương pháp không đồng

bộ, bởi các bit thêm vào để đánh dấu sự bắt đầu và kết thúc của mỗi

byte dữ liệu là không cần thiết Các cổng trên các PC hệ IBM là các

thiết bị không đồng bộ và vì vậy chỉ hỗ trợ các giao tiếp không đồng

bộ

Phương pháp không đồng bộ không cần nhận và gởi các kí tự vô ích

Tuy nhiên, bắt đầu và kết thúc của mỗi byte dữ liệu phải được xác định

bằng các bit khởi đầu và các bit dừng Bit đầu chỉ ra khi nào byte dữ

liệu sẵn sàng bắt đầu và bit dừng ra hiệu khi nào nó kết thúc Việc yêu

cầu phải gởi hai bit thêm vào này làm cho giao tiếp không đồng bộ

chậm hơn giao tiếp đồng bộ một ít, tuy vậy nó có thuận lợi là bộ xử lý

máy tính không phải chú ý đến các kí tự vô ích thêm vào

Một đường dây không đồng bộ nhàn rỗi được xác định giá trị là 1 ( còn

được gọi là trạng thái đánh dấu ) Bằng cách dùng giá trị này để chỉ ra

rằng không có dữ liệu nào đang được gởi, các thiết bị có thể phân biệt

giữa một trạng thái nhàn rỗi và một đường dây không được nối kết Khi

một kí tự chuẩn bị được truyền, một bit đầu được gởi Một bit đầu có

giá trị là 0 ( được gọi là trạng thái trống ) Vì vậy, khi đường dây

chuyển từ giá trị 1 sang giá trị 0, máy nhận được thông báo rằng một kí

tự dữ liệu là sẵn sàng được gởi

3 Các giao diện và truyền thông nối tiếp

Các giao diện và thiết bị truyền thông nối tiếp truyền tín hiệu thông qua

kết nối điểm-điểm Bit này được truyền sau bit khác trong một dãy nối

tiếp Cổng nối tiếp trên PC thường được dùng để kết nối với modem,

mặc dù chúng có thể dùng để nối kết với các thiết bị hiển thị, các thiết

bị đầu cuối từ xa hoặc các thiết bị điều khiển từ xa Ngược lại cổng

song song, thường được dùng để nối kết với máy in, có 8 đường dây để

truyền dữ liệu bit (một byte một lần) song song với nhau Kết nối song

song có tốc độ truyền dữ liệu cao, nhưng khoảng cách bị hạn chế để

tránh vấn đề đồng-bộ-bit

Cổng nối tiếp trên PC thường là cổng 9 chân (DB-9) hoặc 25 chân

(DB-25) được gọi là COM1 tới COM4 Phần cổng nối kết trên máy

tính được gọi là DTE (data terminal equipment) và thiết bị được nối

kết, thường là modem, được gọi là DCE (data circuit-terminating

equipment) Khi dữ liệu được truyền trên đường dây nối tiếp, một nối

kết thông thường dùng một vài đường dây trên cùng một đường cáp

Dữ liệu được truyền trên một đường dây này và được nhận trên một

đường dây khác Các chân khác được sử dụng để gửi các tín hiệu điều

khiển như “yêu cầu gửi” và “được phép gửi”

Chuẩn cho giao diện nối tiếp là EIA/TIA-232 (DB-25) và EIA/TIA-574

(DB-9) Chuẩn đầu tiên còn được gọi là giao diện nối tiếp RS-232-C

nhưng EIA được đổi tên vào năm 1987 Gần đây nó được thay thế bằng

chuẩn nối tiếp tốc độ cao mới là USB (Universal Serial Bus) Các PC

được sản xuất năm 1997 có các cổng USB và chuẩn mới sẽ thay thế các

chuẩn cũ trên PC trong vài năm tới USB được phát triển bởi Intel và

Microsoft và hiện nay được sản xuất trong board mạch chính

(motherboard) của Intel Các công nghệ nối tiếp khác bao gồm Firewire

(IEEE 1394), SSA (Serial Storage Architecture), và HSSI (High-Speed

Serial Interface) Vì tốc độ truyền dữ liệu cao, các công nghệ này đang

được dùng để nối kết các đĩa hoặc xây dựng các mạng cục bộ dạng

nhỏ

Các loại thiết bị DCE và DTE

DTE: Data Terminal Equipment

DCE: Data Communication Equipment

Hai thuật ngữ trên chỉ định các chân ra cho bộ kết nối lên một thiết bị

và hướng các tín hiệu trên các chân

Máy tính là một thiết bị DTE, các thiết bị khác thường là DCE

Cáp, không modem, và cầu nối

Trong thế giới hoàn hảo, tất cả các cổng nối tiếp trên mỗi máy tính là

các thiết bị DTE với các phích cắm loại 25 chân Tất cả các thiết bị

khác là DCE với các ổ cắm loại 25 chân Điều này cho phép dùng một

cáp mà mỗi chân trên đầu dây cáp này được nối với chân cùng loại trên

đầu dây cáp kia Rất tiếc thế giới không thể hoàn hảo Các cổng nối

tiếp dùng cả loại 9 chân và 25 chân, nhiều thiết bị có thể được cấu hình

DTE hay DCE, và - trong trường hợp nhiều thiết bị thu thập dữ liệu -

có thể dùng hoàn toàn các đầu ra độc quyền hay không chuẩn Do sự

thiếu chuẩn hóa này, các loại cáp đặc biệt được gọi là cáp không

modem, cầu nối, và các loại cáp đặt hàng thường cần thiết

Cầu nối

Vấn đề có thể gặp phải là hai đầu cắm cùng chủng loại cần được nối

với nhau, thì phải dùng các cầu nối

Chú ý: Cổng song song trên máy tính sử dụng đầu cắm 25 chân female

thỉnh thoảng gây nhầm lẫn bởi vì nó trông giống một cổng nối tiếp trừ

khi nó có chủng loại nhầm Cả hai cổng nối tiếp 9 chân và 25 chân trên

PC luôn có một đầu cắm male

Cáp không modem và adapter không modem

Nếu nối hai thiết bị DTE ( hay hai thiết bị DCE ) dùng một cáp RS232

thường, thì đường truyền trên mỗi thiết bị sẽ được kết nối đến đường

truyền trên thiết bị kia và các đường nhận sẽ được kết nối theo cách đó

với nhau Một cáp không modem hay adapter không modem đơn giản

bắt qua các đường dây nhận và truyền để truyền trên đầu dây được nối

kết để nhận trên đầu dây kia và ngược lại Thêm vào đó, để truyền và

nhận, DTR & DSR, cũng như RTS & CTS cũng chéo nhau trong kết

nối không modem

II Chuẩn RS-232C

Giao diện nối tiếp cho việc nối kết hai thiết bị được định rõ bởi chuẩn

TIA/EIA-232C được công bố bởi Telecommunications Industry

Association

Chuẩn giao diện cổng nối tiếp gốc là RS-232, viết tắt của

Recommended Standard number 232) C là kí hiệu phiên bản của

chuẩn này

Thuật ngữ “RS-232” vẫn còn được dùng rộng rãi RS-232 qui định các

đặc tính sau đây của cổng nối tiếp :

Tốc độ truyền bit tối đa và độ dài của cáp

Tên, các tính chất về điện và các chức năng của các tín hiệu

Sự nối kết máy móc và các qui ước về các chân của cổng

Các cổng nối tiếp trên hầu hết các máy tính sử dụng một nhóm con của

chuẩn RS232C Chuẩn RS232C chỉ qui định tín hiệu cho ổ cắm 25

chân trong đó 22 chân được dùng Hầu hết các chân này không cần cho

giao tiếp máy tính thông thường, do vậy, các máy tính PC mới nhất

được trang bị với loại ổ cắm chỉ 9 chân

Chuẩn RS-232 qui định thiết bị DTE dùng đầu cắm 25 chân, và thiết bị

DCE dùng ổ cắm 25 chân Vì vậy có thể nối một thiết bị DTE với thiết

bị DCE dùng một kết nối thẳng giữa các chân Tuy vậy, để kết nối 2

thiết bị, phải dùng thay thế một cáp modem rỗng Các cáp này nối với

các dây truyền và nhận trong cáp Bảng sau đây chỉ ra cách kết nối và

hướng tín hiệu cho cả hai loại ổ cắm 25 chân và 9 chân

1 Độ dài cáp

Chuẩn RS-232C qui định giới hạn độ dài cáp là 15.24m Thường có

thể phớt lờ chuẩn này, bởi một cáp có thể dài đến 3048m với tốc độ

baud lên đến 19200 nếu dùng loại cáp được bọc kĩ, chất lượng cao Môi

trường bên ngoài tác động lớn đến độ dài của những cáp không được

che chắn tốt Trong môi trường nhiễm điện, thậm chí các cáp rất ngắn

Bảng dưới đây cung cấp một số thông số hợp lí cho lõi tiêu chuẩn 24

dưới các điều kiện điển hình Có thể tăng độ dài cáp bằng việc sử dụng

các thiết bị thêm vào như các thiết bị cách li quang học và máy tăng thế

tín hiệu Các thiết bị cách li quang học sử dụng LEDS và Photo Doides

để tách biệt mỗi đường dây trong mỗi cáp nối tiếp bao gồm cả dây nối

đất Bất cứ sự tạp nhiễu điện nào cũng ảnh hưởng đến tất cả các dây

trong cáp được cách li quang học Điều này tạo cho điện thế trên các

đường dây tín hiệu liên hệ với đường dây nối đất để phản ánh điện thế

thực của tín hiệu và như vậy loại bỏ được ảnh hưởng của bất kì tín hiệu

2 Các đặc điểm kỹ thuật về điện của RS-232C

Mức điện áp logic của RS232C là khoảng điện áp giữa +15V và -15V

Các đường dữ liệu sử dụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa -5V

và -15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và 15V, tuy nhiên các đường

điều khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng logic

dương: giá trị TRUE = +5V đến +15V, và FALSE = -5V đến -15V

Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào là ±3V trái

lại mức ±5V là ngưỡng nhỏ nhất với ngõ ra Ngõ ra bộ kích phát khi

không có tải có điện áp là ±25V

III Các đặc tính của RS-232C

1 Bit đầu (startbit), các bit dữ liệu (databits), bit chẵn lẻ (parity), và

các bit dừng (stopbit)

Định dạng của dữ liệu nối tiếp bao gồm một bit start, năm đến tám bit

dữ liệu, và một bit stop Một bit chẵn lẻ và một bit stop thêm vào có thể

cũng được kèm theo định dạng Biểu đồ dưới đây minh hoạ sự định

dạng của dữ liệu nối tiếp :

Định dạng của dữ liệu cổng nối tiếp được biểu diễn bằng kí hiệu sau :

Số bit dữ liệu - loại chẵn lẻ - số bit dừng

Ví dụ, 8-N-1 được hiểu như 8 bit dữ liệu, không bit chẵn lẻ, và một bit

dừng, trong khi đó 7-N-2 được hiểu là 7 bit dữ liệu, bit chẵn, và hai bit

dừng

Các bit dữ liệu thường được xem như là một kí tự bởi các bit này đại

diện cho một kí tự ASCII Các bit còn lại được gọi là các bit khung bởi

vì nó đóng khung cho các bit dữ liệu

Tập hợp các bit tạo thành kiểu định dạng của dữ liệu nối tiếp được gọi

là một byte Lúc đầu, thuật ngữ này dường như không chính xác bởi vì

một byte bằng 8 bit và kiểu định dạng dữ liệu nối tiếp có thể từ 7 bit

đến 12 bit Tuy nhiên, khi dữ liệu nối tiếp được lưu trữ trong máy tính,

các bit khung bị mất, chỉ còn lại các bit dữ liệu Thêm vào đó, 8 bit dữ

liệu luôn được dùng bất chấp số bit dữ liệu được dùng riêng cho việc

truyền dữ liệu, với các bit không được dùng có giá trị là 0 Khi đọc và

ghi dữ liệu, cần phải định rõ một giá trị có thể gồm một hay nhiều byte

Ví dụ, nếu đọc một giá trị từ thiết bị dùng kiểu định dạng số nguyên 32

bit, thì giá trị này là 4 byte

Startbit : Là bit đầu tiên của một byte dữ liệu Khi có ký tự được

truyền, startbit hạ xuống mức logic 0 để thông báo có một kí tự đang

được truyền tới

Databits: là các bit dữ liệu của một ký tự được truyền ngay sau starbit

Tổng số bit của databits dao động từ 5 đến 8 bit Dữ liệu có mã ASCII

cần tối thiểu 7 bit databits Dữ liệu kiểu nhị phân bắt buộc 8 bit

databits Các dữ liệu đặc biệt khác có thể dùng 5 hay 6 bit databits

Parity: Bên cạnh sự đồng bộ được cho bởi cách sử dụng các bit start và

các bit stop, còn dùng một bit được gọi là bit chẵn lẻ tùy chọn được

truyền cùng với dữ liệu

Bit chẵn lẻ có khả năng thực hiện một phần nhỏ công việc kiểm tra lỗi,

bằng việc kiểm tra các bit dữ liệu bị gián đoạn trong quá trình truyền

Kiểm tra lỗi chẵn lẻ là rất đơn giản Nó cho biết liệu có một lỗi bit đơn

nào trong kí tự không, mà không chỉ ra bit được nhận nào có lỗi Cũng

vậy, nếu một số các bit chẵn bị lỗi thì bit chẵn lẻ sẽ không phản ánh bất

kì lỗi nào

Bit chẵn lẻ có thể có 1 trong 4 lựa chọn sau: chẵn ( even), lẻ (odd),

đánh dấu (mark), hay trống (space)

Khi bit chẵn lẻ được dùng, tổng số các bit có giá trị logic 1 ở mỗi byte

dữ liệu được đếm, và bit đơn được truyền theo sau các bit dữ liệu để

chỉ ra tổng số bit 1 vừa được gởi là chẵn hay lẻ

Ví dụ, khi bit chẵn lẻ được chọn là even, nó được truyền với giá trị 0

nếu tổng số bit đánh dấu trước đó là một số chẵn Nếu số nhị phân có

giá trị là 0110 0011 thì bit chẵn lẻ là 0 Nếu bit chẵn lẻ được hiệu lực

và số nhị phân 1101 0110 được gởi đi, thì bit chẵn lẻ có giá trị là 1

Ngược lại, khi bit chẵn lẻ được chọn là odd, nó được truyền với giá trị

là 0 khi tổng số các bit đánh dấu ở chữ trước là một số lẻ

Bit chẵn lẻ mark là bit chẵn lẻ luôn luôn ở trạng thái tín hiệu đánh dấu

Bit chẵn lẻ space luôn được truyền dưới dạng trạng thái tín hiệu trống

Vì sự chọn lựa 2 bit chẵn lẻ này không có mục đích hữu dụng, chúng

hầu như không bao giờ được sử dụng đến

Trong truyền thông không đồng bộ và lưu trữ sơ cấp, đây là một bit

ngoài được bổ sung vào một từ dữ liệu để kiểm tra bậc chẵn lẻ

Nếu bạn đang sử dụng một chương trình truyền thông, bạn hãy thiết lập

bit bậc vào chế độ không bậc và số bit dữ liệu là 8 bit Nếu phương án

đó không hoạt động thì thay bằng bậc chẳn và 7 bit dữ liệu

Stopbit: bit cuối của byte dữ liệu, dùng để báo cho bên thu biết việc

truyền ký tự này đã kết thúc

Tổng số bit dừng có thể chọn 1 trong 3 giá trị sau: 1 bit, 1.5 bit, hay 2

bit Nếu chọn stopbit là 1, thì 1 bit dừng được truyền đi Nếu chọn

stopbit là 2, thì 2 bit dừng được truyền đi Còn nếu stopbit là 1.5 thì

thời gian bit dừng được truyền đi bằng 150% thời gian nó truyền đi khi

stopbit là 1

2 Tốc độ baud

Đơn vị baud được đặt tên theo Jean Maurice Emile Baudot, một viên

chức ở Cục Điện Tín Pháp Ông được công nhận đã phát minh

mã-năm-bit-kết-hợp đầu tiên cho các kí tự alphabet ở cuối thế kỉ 19

Điều mà baud muốn ám chỉ đến đến là tốc độ điều biên hay số lần một

đường dây thay đổi trạng thái trong một giây Điều này không luôn

giống số bit mỗi giây (BPS) Nếu nối hai thiết bị nối tiếp cùng nhau sử

dụng các cáp trực tiếp thì baud và BPS thực sự giống nhau Vì vậy, nếu

đang chạy với tốc độ 19200 BPS, thì đường dây cũng thay đổi trạng

thái 19200 lần mỗi giây

Đối với các modem, điều này không còn đúng Bởi vì các modem

truyền tín hiệu qua một đường dây điện thoại, tốc độ baud thực sự bị

giới hạn ở giá trị tối đa là 2400 baud Đây là một giới hạn vật lí của các

đường dây do công ty điện thoại cung cấp Số lượng dữ liệu được đưa

vào trong một thời gian đạt đến với các modem là 9600 baud hay cao

hơn có được bằng việc dùng bộ điều biến pha, và các kĩ thuật nén dữ

liệu phức tạp Tốc độ truyền của các modem thường được biểu diễn

theo bps

Theo định ước truyền thông RS- 232 C, 300 baud thường tương đương

với 300 bit mỗi giây ( bps), nhưng ở các tốc độ baud cao hơn thì số

lượng bit được truyền đi trong mỗi giây thường gấp đôi tốc độ baud, vì

hai bit dữ liệu có thể được truyền đi trong mỗi lần thay đổi của trạng

thái mạch

IV Cấu trúc của RS-232C:

1 Sơ đồ chân

Dưới đây là sơ đồ chân của cổng RS-232 loại 9 chân và 25 chân

trên thiết bị DTE

Chân số Loại tín hiệu

1 Carrier Detect (CD) (from DCE) Incoming signal

from a modem

2 Received Data (RD) Incoming Data from a DCE

3 Transmitted Data (TD) Outgoing Data to a DCE

4 Data Terminal Ready (DTR) Outgoing handshaking

signal

5 Signal Ground Common reference voltage

6 Data Set Ready (DSR) Incoming handshaking signal

7 Request To Send (RTS) Outgoing flow control signal

8 Clear To Send (CTS) Incoming flow control signal

9 Ring Indicator (RI) (from DCE) Incoming signal

from a modem

7 Signal Ground Common reference voltage

8 Carrier Detect (CD) Incoming signal from a modem

20 Data Terminal Ready (DTR) Outgoing handshaking

signal controlled by DTE

22 Ring Indicator (RI) Incoming signal from a modem

2 Các tín hiệu của cổng nối tiếp RS-232C và chức năng các chân của

nó

Các cổng nối tiếp có hai loại tín hiệu : các tín hiệu dữ liệu và các tín

hiệu điều khiển Để hỗ trợ các loại tín hiệu này, cũng như tín hiệu nối

đất, chuẩn RS-232 định ra một kết nối 25 chân Tuy nhiên, hầu hết các

PC và các nền UNIX sử dụng kết nối 9 chân Thực tế, chỉ có ba chân

cần thiết cho các giao tiếp cổng nối tiếp : một cho nhận dữ liệu, một

cho truyền dữ liệu, và một cho tín hiệu nối đất Dưới đây là sơ đồ chân

của loại bộ nối 9-pin male trên một thiết bị DTE :

Các chân và các tín hiệu liên quan tới bộ kết nối 9 chân được mô tả như

sau :

a Các trạng thái tín hiệu:

Các tín hiệu có thể ở trạng thái hoạt động hay không hoạt động Trạng

thái hoạt động ứng với giá trị nhị phân 1, còn không hoạt động ứng với

giá trị nhị phân 0 Trạng thái tín hiệu hoạt động thường được mô tả là

trạng thái logic 1, on, true, mark Một trạng thái tín hiệu không hoạt

động thì được mô tả là trạng thái logic 0, off, true, hay space

Đối với các tín hiệu dữ liệu, trạng thái “on” xảy ra khi điện áp tín hiệu

được nhận là âm hơn -3V, ở trạng thái “off” khi điện áp dương hơn

+3V Đối với các tín hiệu điều khiển, trạng thái “on” xảy ra khi điện áp

tín hiệu nhận được dương hơn 3V, còn ở trạng thái “off” khi điện áp

âm hơn -3V Điện áp trong khoảng -3V và +3V được xem như vùng

chuyển tiếp, và trạng thái tín hiệu ở đây không được xác định Để đưa

tín hiệu đến trạng thái “on”, thiết bị điều khiển hạ thấp giá trị của các

chân dữ liệu và tăng giá trị cho các chân điều khiển Ngược lại, để đưa

tín về trạng thái “off”, thiết bị điều khiển tăng giá trị của các chân dữ

liệu, và hạ giá trị của các chân điều khiển Các trạng thái “on” và “off”

cho một tín hiệu dữ liệu và tín hiệu điều khiển như sau :

Hầu hết các thiết bị cổng nối tiếp đều hỗ trợ giao tiếp hai chiều, nghĩa

là chúng có thể gởi và nhận dữ liệu cùng một lúc Vì vậy các chân khác

nhau được dùng cho việc gởi và nhận dữ liệu Đối với những thiết bị

này, các chân TD, RD, và GND được dùng Tuy nhiên, một số thiết bị

cổng nối tiếp chỉ hỗ trợ các giao tiếp một chiều Đối với các thiết bị

này, chỉ có các chân TD và GND được dùng đến Chân TD đem dữ liệu

được truyền bởi một thiết bị DTE đến một thiết bị DCE Chân RD

mang dữ liệu được nhận bởi một DTE từ một DCE

c Các chân điều khiển:

Chức năng:

Các chân điều khiển có 2 chức năng chính :

Báo hiệu sự hiện diện của thiết bị được kết nối

Điều khiển luồng dữ liệu

Các loại chân điều khiển:

Các chân điều khiển bao gồm RTS và CTS, DTR và DSR, CD, và RI

Các chân RTS và CTS :

Được dùng để báo hiệu thiết bị đã sẵn sàng để gởi hay nhận dữ liệu

chưa Loại điều khiển luồng dữ liệu này - được gọi là bắt tay phần cứng

- được dùng để chống sự mất mát dữ liệu trong quá trình truyền Khi

được cho phép ở cả hai thiết bị DTE và DCE, việc bắt tay phần cứng

dùng RTS và CTS cho phép các bước sau :

DTE chỉ định chân RTS lên cao để thông báo cho DCE nó đã

sẵn sàng nhận dữ liệu

DCE chỉ định chân CTS lên cao nhằm thông báo nó đã thông

trống để gởi dữ liệu thông qua chân TD Nếu dữ liệu không còn

được gởi, chân CTS xuống thấp

Dữ liệu được truyền đến thiết bị DTE thông qua chân TD Nếu

dữ liệu không còn được cho phép, chân RTS đươc xuống thấp

bởi DTE và việc truyền dữ liệu kết thúc

Các chân DTR và DSR:

Nhiều thiết bị dùng các chân DSR và DTR để xác định chúng được nối

kết hay nối điện chưa Việc kiểm tra sự hiện diện của các thiết bị được

kết nối sử dụng các chân DTR và DSR theo các bước sau :

DTE cho chân DTR lên cao để yêu cầu DCE nối dây giao tiếp

DCE cho chân DSR lên cao để chỉ rằng nó đã được kết nối

DCE cho chân DSR xuống thấp khi nó không được kết nối từ

đường dây giao tiếp

Các chân DTR và DSR được thiết kế lúc đầu với mục đích cho phép

chọn lựa cách thức bắt tay phần cứng Tuy nhiên, các chân RTS và

Điển hình được dùng để chỉ sự có mặt của các tín hiệu nào đó trong các

quá trình kết nối giữa modem – modem

Chân CD được dùng bởi một modem để cho biết đã thiết lập một kết

nối với một modem khác, hay đã kiểm tra tín hiệu mang Chân CD

được lên cao khi DCE đang nhận một tín hiệu với tần số thích hợp CD

xuống thấp nếu DCE không nhận được tín hiệu thích hợp

Chân RI được dùng để chỉ sự hiện diện của tín hiệu rung có thể nghe

thấy Chân RI lên cao khi DCE đang nhận một tín hiệu rung Chân RI

xuống thấp khi DCE không nhận được một tín hiệu rung

3 Hoạt động

Giao tiếp cơ bản đạt được chủ yếu sử dụng ba chân : chân truyền dữ

liệu, chân nhận dữ liệu, và chân nối đất

Những chân khác dùng cho việc điều khiển luồng dữ liệu, nhưng không

cần thiết Các chuẩn khác như RS-485 định thêm các chức năng như

tốc độ truyền bit cao, độ dài cáp dài hơn, và sự nối kết đến 256 thiết bị

Kết nối hai thiết bị với cáp nối tiếp

Chuẩn RS-232 qui định hai thiết bị được kết nối qua một cáp nối tiếp là

DTE ( Data Terminal Equipment ) và DCE ( Data Circuit-Terminating

Equipment ) Thuật ngữ này phản ánh bản chất của RS-232 như là

chuẩn giao tiếp giữa một thiết bị đầu cuối máy tính và một modem

Thông thường máy tính được xem là một DTE, còn thiết bị ngoại vi

như các modem và các máy in là DCE Chú ý, nhiều thiết bị khoa học

có chức năng như DTE

Bởi vì RS-232 chủ yếu liên quan đến việc nối kết giữa một thiết bị

DTE đến một thiết bị DCE, các chức năng của chân được qui ước cho

việc nối kết thẳng, có nghĩa chân 1 nối với chân 1, chân 2 nối với chân

2, và tương tự cho các cặp chân khác

Một kết nối nối tiếp từ thiết bị DTE đến thiết bị DCE dùng chân truyền

dữ liệu TD và chân nhận dữ liệu RD được biểu diễn dưới đây :

Nếu nối hai thiết bị DTE hay hai thiết bị DCE mà dùng một cáp nối

tiếp thẳng, thì chân TD trên mỗi thiết bị được nối với nhau, và chân TD

trên mỗi thiết bị được nối với nhau Vì vậy, để kết nối hai thiết bị như

vậy, phải sử dụng một cáp không modem Như biểu diễn dưới đây, cáp

không modem nối chéo các dây truyền và nhận với nhau trong cáp :

Chương 4: Ngôn ngữ xây dựng chương trình

I Giới thiệu về Matlab Serial Port Interface

Cung cấp khả năng truy cập trực tiếp đến các thiết bị ngoại vi như các

modem, máy in, các thiết bị dụng cụ khoa học khi được nối với cổng

nối tiếp của máy tính Giao diện này được thiết lập thông qua một đối

tượng cổng nối tiếp Đối tượng cổng nối tiếp này hỗ trợ các hàm và

các đặc tính cho phép :

Cấu hình các giao tiếp cổng nối tiếp

Sử dụng các chân cổng điều khiển

Viết và đọc dữ liệu

Sử dụng các event và các callback

Ghi lại các thông in vào đĩa

Các chuẩn Serial Port Interface được hỗ trợ

Qua nhiều năm, một số chuẩn giao diện cổng nối tiếp đã phát triển

Các chuẩn này bao gồm RS-232, RS-422 và RS-485, tất cả đều được

hỗ trợ bởi đối tượng cổng nối tiếp MATLAB Trong đó, chuẩn giao

diện phổ biến nhất được sử dụng cho việc kết nối giữa các máy tính

với các thiết bị ngoại vi là RS-232

Nền tảng được hỗ trợ

Giao diện cổng nối tiếp MATLAB được phát triển trên các nền

Microsft Windows, Linux, và Sun Solaris

Sơ lược các bước khi giao tiếp với một thiết bị được kết nối với một

cổng nối tiếp dùng

Tạo một đối tượng cổng nối tiếp - tạo một đối tượng cổng cho một

cổng nối tiếp riêng biệt bằng cách sử dụng hàm tạo serial Cũng có

thể cấu hình các thuộc tính trong quá trình tạo đối tượng Đặc biệt,

có thể cấu hình các thuộc tính liên quan với các giao tiếp cổng nối

tiếp như tốc độ baud, số bit dữ liệu,v.v

Kết nối với thiết bị - kết nối đối tượng cổng nối tiếp với thiết bị

dùng hàm fopen Sau khi đối tượng đã được kết nối, có thể thay

đổi các mặc định của thiết bị bằng cách cấu hình các giá trị thuộc

tính, đọc dữ liệu, ghi dữ liệu

Cấu hình các thuộc tính - Để thiết lập các đặc tính đối tượng cổng

nối tiếp như mong muốn, có thể gán cho thuộc tính các giá trị bằng

cách dùng hàm set hay dấu chấm Thực tế, có thể cấu hình nhiều

thuộc tính bất kì lúc nào : trong hay sau khi tạo đối tượng Ngược

lại, tuỳ vào các thiết lập của thiết bị và các yêu cầu của ứng dụng

cổng nối tiếp, có thể chấp nhận các giá trị mặc định của thuộc tính

và bỏ qua bước này

Ghi và đọc dữ liệu – có thể ghi dữ liệu lên thiết bị bằng hàm

fprintf hay fwrite, và đọc dữ liệu từ thiết bị bằng hàm fgetl, fgets,

fread, fscanf, hay readasync Đối tượng cổng nối tiếp hoạt động

theo các giá trị thuộc tính được cấu hình trước hay theo các thuộc

tính mặc định

Ngưng kết nối và xoá – Khi không cần đối tượng cổng nối tiếp

nữa, nên ngưng kết nối nó với thiết bị bằng hàm fclose, xoá nó

khỏi bộ nhớ bằng hàm delete, và xoá khỏi vùng làm việc của

MATLAB bằng câu lệnh clear

II Các hàm giao tiếp nối tiếp

1 Các hàm kiểm tra port

'PropertyName' : tên thuộc tính của đối tượng

PropertyValue : giá trị của thuộc tính

S : cấu trúc của tên và giá trị các thuộc tính

obj : đối tượng, hay một mảng các đối tượng port

các port nối tiếp có tên và giá trị thuộc phù hợp với các đối số

out = instrfind(S): trả về một mảng các port nối tiếp có tên và giá trị

các thuộc tính phù hợp với cấu trúc S đã được định trước.Trong đó

các tên trường của S là tên các tên của thuộc tính, còn các giá trị

trường ứng với các giá trị của thuộc tính

out = instrfind(obj,'PropertyName',PropertyValue, ): giới hạn việc

tìm kiếm các cặp tên và giá trị thuộc tính của các đối tượng port được

liệt kê trong biến đối số obj

out = isvalid(obj): trả về mảng logic out, chứa giá trị 0 ở các phần tử

của đối tượng obj là các đối tượng port không hợp lệ và giá trị 1 ở các

phẩn tử của đối tượng là các đối tượng port hợp lệ