Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet

Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet Mục lục Lời nói đầu Chương I – Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.1- Đặt vấn đề 1.2- Mục tiêu đề tài 1.3- Nhiệm vụ đề tài Chương II– Tổng quan mạng Ethernet 2.1-Kiến trúc giao thức 2.2-Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn 2.3-Cơ chế giao tiếp 2.4-Cấu trúc điện 2.5-Truy nhập bus 2.6-Chuẩn IEEE 802 14 Chương III– Các phương thức truyền tin dựa theo chuẩn Ethernet 3.1-Họ giao thức TCP/IP 3.2-Cấu trúc gói tin IP,TCP,UDP 3.2.1 Cấu trúc địa IP 3.2.2 Cấu trúc gói tin IP 3.2.3 Cấu trúc gói tin TCP trình kết nối giao thức TCP 3.2.4 Cấu trúc gói tin UDP 28 3.3-Cấu trúc phần cứng, phần mềm 3.3.1 Vi điều khiển 3.3.2 Thiết bị ghép nối Ethernet với vi điều khiển 3.3.3 Một số thành phần khác Chương IV– Mơ hình ứng dụng sử dụng Ethernet 4.1- Phần cứng 4.1.1 Các thành phần mạch 4.1.2 Sơ đồ mạch nguyên lý, mạch in Trang 6 10 11 17 21 22 24 29 44 49 50 50 4.2- Phần mềm 4.2.1 Các hàm dùng cho vi điều khiển PIC16F877A Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet mikroC 4.2.2 Các hàm API dùng cho PC 4.3- Một số kết thực Chương V– Kết luận hướng phát triển đề tài 5.1-Đánh giá kết thực đồ án 5.2- Hướng phát triển đồ án Tài liệu tham khảo Phụ lục Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 51 54 58 63 63 64 65 Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet Danh mục hình vẽ Hình 1: Ethernet/IEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 Hình 2: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet Hình 3: Minh họa phương pháp CSMA/CD Hình 4: Kiến trúc giao thức TCP/IP Hình 5:Gói liệu lớp liên kết liệu Hình 6: Tổ chức địa IP Hình 7: Mạng mặt nạ Hình 8: Quá trình thiết lập kết nối giao thức TCP Hình 9: Vi điều khiển PIC 16F877A Hình 10: Sơ đồ khối cấu trúc vi điều khiển PIC 16F877A Hình 11: Bộ nhớ chương trình PIC16F877A Hình 12: Bộ nhớ liệu PIC16F877A Hình 13: Sơ đồ khối Timer Hình 14: Sơ đồ khối Timer Hình 15: Sơ đồ khối Timer Hình 16: Sơ đồ kết nối chuẩn giao tiếp SPI Hình 17: Sơ đồ kết nối chuẩn giao tiếp SPI Hình 18: Giản đồ xung SPI chế độ Master Mode Hình 19: Giản đồ xung chuẩn giao tiếp SPI chế độ Slave Mode Hình 20: Sơ đồ logic tất ngắt vi điều khiển PIC 16F877A Hình 21: ENC28J60 Hình 22 : Giao diện ENC28J60 Hình 23: Các vùng nhớ ENC28J60 Hình 24: Vùng đệm truyền nhận ENC28J60 Hình 25: RJ45 tích hợp biến áp Hình 26: Giắc RJ45 cáp đơi dây xoắn Hình 27: Sơ đồ mạch in Hình 28 : Đo hiển thị nhiệt độ LCD Hình 29 : Hiển thị nhiệt độ nhận PC Hình 30 : Gửi liệu xuống vi điều khiển, sử dụng giao thức TCP Hình 31 : Nhận liệu từ PC, theo giao thức TCP Hình 32 : Đặt IP Port Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 10 12 17 20 21 22 26 29 31 32 33 34 36 36 39 40 41 42 43 45 45 46 47 49 49 51 58 58 59 59 60 Giao diện truyền thơng điều khiển với Ethernet Hình 33 : Hiển thị IP Port Hình 34 : Gửi nhận liệu theo giao thức UDP Hình 35 : Hiển thị liệu nhận theo giao thức UDP Hình 36: Các lựa chọn chương trình Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 60 61 61 62 Giao diện truyền thơng điều khiển với Ethernet Lời nói đầu Internet ngày trở thành công cụ hiệu tất lĩnh vực đời sống xã hội, việc kết nối máy tính trở nên dễ dàng nhiều Với mong muốn xây dựng phương thức kết nối máy tính thiết bị điều khiển theo chuẩn Ethernet nhằm mục đích nâng cao kiến thức thực tiễn, chúng em giúp đỡ thầy giáo - Tiến sĩ Lưu Hồng Việt, tiến hành nghiên cứu, xây dựng mạch thiết bị điều khiển tích hợp giao diện truyền thơng Ethernet Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – TS Lưu Hồng Việt tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Chúng em xin cảm ơn môn điều khiển tự động tạo điều kiện thuận lợi trình chúng em thực đồ án Nhóm sinh viên Trác Quang Hòa Nguyễn Tiến Tùng Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet CHƯƠNG : MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển nhanh chóng thiết bị điện- điện tử, việc giao tiếp với máy tính cần thiết Điều tận dụng tài nguyên, khả xử lý máy tính mà giúp người sử dụng theo dõi đối tượng làm việc phía Hiện nay, có nhiều phương pháp kết nối máy tính với thiết bị điều khiển thực việc kết nối theo chuẩn RS232, RS485 phổ biến, nhiên thực việc kết nối theo chuẩn gặp phải số vấn đề sau:  Khoảng cách kết nối máy tính với thiết bị điều khiển khoảng 30-40m  Tốc độ truyền thông RS232 khoảng 19.2kBd  Ghép nối điểm-điểm Những nhược điểm phương pháp giao tiếp ưu điểm mạng Ethernet Với lợi mình, mạng Ethernet trở thành mạng phổ biến hệ thống nhà máy cơng nghiệp Để kết nối thiết bị điều khiển với máy tính theo chuẩn Ethernet, chúng em thực đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài Thực việc kết nối thiết bị điều khiển với PC thông qua mạng Ethernet Qua đó, thực việc trao đổi liệu, thực số ứng dụng cụ thể : thu thập hiển thị nhiệt độ; điều khiển, hiển thị tốc độ động dùng Ethernet… 1.3 Nhiệm vụ đề tài Để thực mục tiêu đề tài, nhiệm vụ cần đặt : Thiết kế mạch phần cứng thiết bị điều khiển Xây dựng phần mềm giao diện Ethernet Thiết kế phần mềm giao diện PC giúp người sử dụng thực đặt giá trị đặt theo dõi trạng thái đối tượng bên Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Tổng quan Ethernet CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ETHERNET Ethernet kiểu mạng cục (LAN) sử dụng rộng rãi Thực chất, Ethernet mạng cấp (lớp vật lý phần lớp liên kết liệu), sử dụng giao thức khác phía trên, TCP/IP tập giao thức sử dụng phổ biến Tuy vậy, nhà cung cấp sản phẩm thực giao thức riêng theo chuẩn quốc tế cho giải pháp sở Ethernet High Speed Ethernet (HSE) Fieldbus Foundation tám hệ bus trường chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158 Ethernet có xuất xứ tên gọi sản phẩm công ty Xerox, sử dụng vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm máy tính với cáp đồng trục dài 1km, tốc độ truyền 2,94 Mbit/s áp dụng phương pháp truy nhập bus CSMA/CD Từ thành công phương pháp này, Xerox DEC Intel xây dựng chuẩn 10 Mbit/s- Ethernet Chuẩn sở cho IEEE 802.3 sau Đặc biệt, với phiên 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày đóng vai trò quan trọng hệ thống cơng nghiệp Bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn cáp quang, gần Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) thu hút quan tâm lớn 2.1 Kiến trúc giao thức Kiến trúc giao thức Ethernet theo chuẩn IEEE 802.3 bao gồm lớp vật lí lớp MAC (Medium Access Control, lớp điều khiển truy nhập mơi trường) Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Tổng quan Ethernet Hình 1: Ethernet/IEE 802.3 tập chuẩn IEEE 802 2.2 Cấu trúc mạng kỹ thuật truyền dẫn Về mặt logic, Ethernet có cấu trúc bus Cấu trúc mạng vật lí đường thẳng hình tùy theo phương tiện truyền dẫn Bốn loại cáp thông dụng : cáp đồng trục dầy, cáp đồng trục mỏng, cáp đôi dây xoắn, cáp quang Tên hiệu 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE-F Loại cáp Cáp đồng trục dầy Cáp đồng trục mỏng Cáp đôi dây xoắn Cáp quang Chiều dài tối đa 500m 200m 100m 200m Số trạm tối đa 100 30 1024 1024 Bảng : Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng Loại 10BASE5 gọi cáp dầy ( thick Ethernet), loại cáp đồng trục thường có màu vàng Kí hiệu 10BASE5 có nghĩa tốc độ truyền tối đa 10Mbit/s, phương pháp truyền tải dải sở chiều dài đoạn mạng tối đa 500m Loại cáp đồng trục thứ hai có kí hiệu 10BASE2 gọi cáp mỏng ( thin Ethernet), rẻ hạn chế đoạn mạng phạm vi 200m số lượng 30 trạm Với 10BASE5, nối gọi vòi hút ( vampire tap), đóng vai trò thu phát ( transceiver ) Bộ thu phát chứa vi mạch điện tử thực chức nghe ngóng đường truyền nhận biết xung đột Trong trường hợp xung đột phát hiện, thu phát gửi tín hiệu khơng hợp lệ để tất thu phát khác nhận biết xung đột xảy Như vậy, chức module giao diện mạng giảm nhẹ Cáp nối thu phát card giao diện mạng gọi cáp thu phát, dài tới 50m chứa tới năm đôi dây xoắn bọc lót riêng biệt ( STP) Hai đơi dây cần cho trao đổi liệu, hai đơi cho truyền tín hiệu điều khiển, đơi dây thứ năm sử dụng để cung cấp nguồn cho thu Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Tổng quan Ethernet phát Một số thu phát cho phép nối tới tám trạm qua cổng khác nhau, nhờ tiết kiệm số lượng nối công lắp đặt Với 10BASE2, card giao diện mạng nối với cáp đồng trục thông qua nối thụ động BNC hình chữ T Bộ thu phát tích hợp bảng mạch điện tử module giao diện mạng bên máy tính Như vậy, trạm có thu phát riêng biệt Về chất, hai kiểu dây với cáp đồng trục nói thực cấu trúc bus ( vật lí logic), có ưu điểm tiết kiệm dây Tuy nhiên, lỗi phần cứng đứt cáp, lỏng phận nối khó phát trực tuyến Mặc dù có số biện pháp khắc phục, phương pháp tin cậy sử dụng cấu trúc hình với chia ( hub) chuyển mạch ( switch ) Cấu trúc thông thường áp dụng với cáp đôi dây xoắn, áp dụng với cáp đồng trục ( ví dụ Industrial Ethernet) Đa số cấu hình mạng Ethernet có kết nối với thiết bị điều khiển thường sử dụng chuẩn chung 10BASE-T Trong mạng trạm nối với qua chia giống cách nối mạng điện thoại Ưu điểm cấu trúc việc bổ xung tách trạm khỏi mạng việc phát cáp truyền đơn giản Nhược điểm thấy rõ tốn dây dẫn cơng dây chi phí cho chia chất lượng cao vấn đề Bên cạnh đó, khoảng cách tối đa cho phép từ trạm tới chia thường bị hạn chế vòng 100 – 150m Bên cạnh cáp đồng trục cáp đôi dây xoắn cáp quang sử dụng nhiều Ethernet, đặc biệt 10BASE-F Với cách ghép nối điểm – điểm, cấu trúc mạng daisy-chain, hình hình Thơng thường, chi phí cho nối chặn đầu cuối lớn khả kháng nhiễu tốt tốc độ truyền cao yếu tố định nhiều phạm vi ứng dụng Trong nhiều trường hợp, ta sử dụng phối kết hợp nhiều loại mạng Ethernet Ví dụ, cáp quang cáp đồng trục dầy sử dụng đường trục hay xương sống ( backbone ) cấu trúc cây, với đường nhánh cáp mỏng đôi dây xoắn Đối với mạng quy mơ lớn, sử dụng lặp, đường dẫn hai thu phát không phép dài 2,5km khơng qua q bốn lặp Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 Tổng quan Ethernet 2.3 Cơ chế giao tiếp Sự phổ biến Ethernet có nhờ tính mở Thứ nhất, Ethernet qui định lớp vật lí lớp MAC, cho phép hệ thống khác tùy ý thực giao thức dịch vụ phía Thứ hai, phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD không yêu cầu trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, bổ xung hay tách trạm khỏi mạng mà không ảnh hưởng tới phần lại Thứ ba, việc chuẩn hóa sớm IEEE 802.3 giúp cho nhà cung cấp sản phẩm thực dễ dàng Trong mạng Ethernet, không kể tới chia chuyển mạch tất có vai trò bình đẳng Mỗi trạm có địa Ethernet riêng biệt thống Việc giao tiếp trạm thơng qua giao tiếp phía ví dụ NetBUI, IPX/SPX TCP/IP Tùy theo giao thức cụ thể, cước bên gửi bên nhận điện lớp phía dịch sang địa Ethernet trước chuyển xuống lớp MAC Bên cạnh chế giao tiếp tay đơi, Ethernet hỗ trợ phương pháp gửi thông báo đồng loạt ( multicast broadcast ) Một thông báo multicast gửi tới nhóm trạm, thơng báo broadcast gửi tới tất trạm 2.4 Cấu trúc điện IEEE 802.3/ Ethernet quy định lớp MAC lớp vật lý, điện gọi khung MAC Cấu trúc khung MAC minh họa Mở đầu SFD Địa Địa Độ dài Dữ liệu PA FCS 555…5H (D5H) đích nguồn kiểu gói D byte byte 2/6 byte 2/6 byte byte 46-1500 byte byte Hình 2: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet Mở đầu (Preamble ) khung MAC trường byte giống có giá trị 55H, bên nhận sử dụng để đồng nhịp với bên gửi Việc đồng hóa thực lần cho điện Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 10 Xây dựng mơ hình minh họa Hình 36: Các lựa chọn chương trình Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 65 Kết luận hướng phát triển đề tài CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Đánh giá kết thực đồ án Thiết bị điều khiển tích hợp giao diện truyền thơng Ethernet, trình bày đồ án thiết bị phục vụ tốt cho việc học tập nghiên cứu sinh viên Việc xây dựng thiết bị liên quan đến nhiều mảng kiến thức, từ kiến thức lý thuyết kiến thức thực tiễn Với cố gắng nhóm, chúng em thực phần sau :  Xây dựng module ghép nối Ethernet, bao gồm phần cứng phần mềm, giúp cho việc ghép nối thiết bị điều khiển với mạng Ethernet đơn giản  Trong module ghép nối Ethernet tích hợp thêm thiết bị đo nhiệt độ, ứng dụng nhỏ việc truyền thông theo chuẩn Ethernet  Xây dựng phần mềm PC giúp người sử dụng dễ dàng giám sát, gửi liệu xuống đối tượng phía nhận liệu từ gửi lên Tuy nhiên, đồ án số vấn đề sau :  Việc sử dụng, làm chủ chưa hoàn toàn  Ứng dụng đồ án dừng lại mức đơn giản điều kiện thời gian sở vật chất 5.2 Hướng phát triển đồ án Thiết bị điều khiển tích hợp giao diện truyền thơng Ethernet ứng dụng hay có tính chất mở, khả ứng dụng thực tế cao Trong đồ án dừng lại việc thực truyền thông theo chuẩn Ethernet ứng dụng nhỏ đo truyền nhiệt độ liệu Việc tiếp tục phát triển đồ án với ứng dụng lớn cần thiết ứng dụng vào phòng điều khiển giám sát tốc độ động phòng điều khiển… Vì vậy, đồ án phát triển thêm để có ứng dụng thực tế Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 66 Kết luận hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Hoàng Minh Sơn : Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [2] Help mikroC [3] MSDN library [4] PIC16F877X, ENC28J60, LM35 datasheet [5] www.microchip.com [6] www.dientuvietnam.net [7] www.picvietnam.net [8] http://vi.wikipedia.org [9] Nguyễn Quốc Cường, Hoàng Đức Hải : Internetworking với TCP/IP Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 67 Kết luận hướng phát triển đề tài Phụ lục Chương trình vi điều khiển PIC16F877A #define PORT_SD 20000 unsigned char dcMac[6]= {0x11, 0x11, 0x11, 0x11,0x11,0x11}; unsigned char dcIP[4]= {10,0,0,10}; unsigned int port = PORT_SD; unsigned iNhietdo; unsigned char cDem = 0; unsigned char pDemNhietdo[8]; unsigned char cVtNhietdo; char strNhietdo[6]; char cChedo; void interrupt(){ if(INTCON.TMR0IF){ cDem++; INTCON.TMR0IF = 0; } } void XoaSpace (char *str){ char j,i= 0; char ddstr; while (str[i]== ' ') i++; ddstr = strlen(str)-i; for(j= 0; j< ddstr; j++){ str[j]= str[j+i]; } while (j< ddstr+i) str[j++]= ' '; } void VietBandau(){ Lcd8_Out(1,1,"Do an tot nghiep"); Lcd8_Out(2,1,"Nhiet do:"); Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 68 Kết luận hướng phát triển đề tài } void main () { unsigned temp; char i; cChedo= 1; TRISA.F0= 1; TMR0 = 0; OPTION_REG = 0x07; INTCON = 0xA0; TRISD = 0; TRISE = 0; ADCON1 = 0xAE; Lcd8_Config(&PORTE,&PORTD,0,2,1,7,6,5,4,3,2,1,0); VietBandau(); Spi_Init(); SPi_Ethernet_Init(&PORTC,0, &PORTC, 1, dcMac, dcIP, ); iNhietdo = 0; memset(pDemNhietdo, 0, sizeof(pDemNhietdo)); cVtNhietdo = 0; while (1) { Spi_Ethernet_doPacket(); if (cDem == 10){ pDemNhietdo[cVtNhietdo] = (unsigned char) (ADC_Read(0) * 500L/1023); cVtNhietdo++; if (cVtNhietdo==8) cVtNhietdo = 0; temp = 0; for(i=0; i> 3; if(cChedo== 2){ Lcd8_cmd(LCD_CLEAR); Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 69 Kết luận hướng phát triển đề tài VietBandau(); cChedo =1; } if(cChedo==1){ wordToStr (iNhietdo, strNhietdo); XoaSpace (strNhietdo); Lcd8_Out (2,11,strNhietdo); Lcd8_Out (2,13,"(C)"); } else if(cChedo==3){ SPi_Ethernet_Init(&PORTC,0, &PORTC, 1, dcMac, dcIP, ); cChedo = 0; //Lcd8_Out (1,1,"IP:"); Lcd8_Cmd(LCD_CLEAR); for(i=0; i>8) & 0xff); Spi_Ethernet_putByte(iNhietdo & 0xff); return 2; Trác Quang Hòa – Nguyễn Tiến Tùng – ĐKTĐ – K49 70 Kết luận hướng phát triển đề tài }else if(cCommand==255){ cChedo = 2; cDem = 10; }else if(cCommand==254){ cChedo = 3; for(i=0; i