3.2.1. Tổng quát.
3.2.1.1. Giới thiệu.
Chuẩn RS232 chỉ định tín hiệu điện áp, tín hiệu thời gian, tín hiệu chức năng, một giao thức cho việc trao đổi thơng tin, và kết nối vật lý.
Chuẩn này đã đƣợc sử dụng hơn 40 năm qua , do hiệp hội cơng nghiệp điện tử phát hành cĩ 3 sự bổ sung, gần đây nhất là chuẩn EIA232F. Ngịai ra cịn cĩ sự thay đổi tên từ RS232 sang EIA232, một vài đƣờng tín hiệu cũng bị đổi tên và cĩ định nghĩa thêm một vài chức năng. Hiện nay, tất cả các giao tiếp nối tiếp là EIA232 cũng nhƣ là tín hiệu điện áp, giao thức, và kết nối, trên cơ sở giống nhƣ kết nối modem.
Nếu chuẩn EIA232 thực thi nhƣ chỉ định, thiết bị ở xa đầu cuối đƣợc kết nối cĩ tên là thiết bị DTE (thiết bị đầu cuối dữ liệu, thƣờng là máy tính hay đầu
cuối), cĩ đầu nối đực DB25, và sử dụng 22 trong số 25 chân sẵn cĩ cho đƣờng tín hiệu và đất (ground). Thiết bị ở gần đầu cuối sự kết nối (giao tiếp đƣờng dây điện thọai) đƣợc đặt tên là thiết bị DCE (thiết bị mạch cuối dữ liệu, thƣờng là modem), cĩ đầu kết nối cái DB25, và sử dụng 22 chân cho tín hiệu và đất. Cáp kết nối giữa DTE và DCE là cáp song song.
Hình 3.3. Chức năng thơng tin EIA232, và lọai đầu nối cho máy tính cá nhân và modem. Thiết bị DCE đơi khi được gọi “thiết bị thơng tin dữ liệu” thay vì thiết bị mạch đầu cuối dữ liệu.
3.2.1.2. Phân lọai chuẩn giao tiếp RS232.
Cĩ 2 lọai chuẩn RS232, là DB9 và DB25, mỗi lọai bao gồm cặp kết nối đƣợc gọi là đầu “cái - female” và “đực - male” nhƣ trình bày ở hình 3.4.
DB25 Male
Shield
Sec. Clear to send Sec. Received line Signal Data
Test Mode
Transmitter Signal Timing (DTE Source) Data signal Rate selector Ring Indicator Remote Loopback
DTE ready
Sec. Request To Send Local Loopback Receiver Signal Timing (DCE Source) Sec. Received Data Transmitter Signal Timing (DCE Source) Sec. Transmitted Data (unassigned)
(Received for testing) (Received for testing) Received Line Signal Detect Signal Ground DCE Ready Clear To Send Request To Send Received Data Transmitted Data Shield DB9 Male Shield Ring Indicator Clear To Send Request To Send DCE Ready DTE ready Signal Ground Transmitted Data Received Data Received Line Signal Detect
Received by DTE Device Transmitted from DTE Device 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 DB25 Female Shield
Sec. Request to send Sec. Received line Signal Data
Test Mode
Transmitter Signal Timing (DTE Source) Data signal Rate selector Ring Indicator Remote Loopback
DTE ready
Sec. Clear To Send Local Loopback Receiver Signal Timing (DCE Source) Sec. Transmitted Data Transmitter Signal Timing (DCE Source) Sec. Received Data
(unassigned) (Received for testing) (Received for testing) Received Line Signal Detect Signal Ground DCE Ready Clear To Send Request To Send Received Data Transmitted Data Shield DB9 Female Shield Ring Indicator Clear To Send Request To Send DCE Ready DTE ready Signal Ground Transmitted Data Received Data Received Line Signal Detect 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (b) (a)
Hình 3.4 (a) định nghĩa tín hiệu đầy đủ EIA232 cho thiết bị DTE (thƣờng là máy tính cá nhân). Tín hiệu thƣờng sử dụng phổ biến nhất là những chữ in đậm. Hình 3.4 (b) định nghĩa tín hiệu đầy đủ EIA232 cho thiết bị DCE (thƣờng là modem). Tín hiệu thƣờng sử dụng phổ biến nhất là những chữ in đậm.
Trong số 22 đƣờng tín hiệu trong chuẩn EIA232 gắn liền với sự kết nối ở đây thiết bị DCE là modem, và chỉ đƣợc sử dụng khi sử dụng giao thức phần mềm của nĩ. Đối với thiết bị DCE nĩ khơng phải là modem, hay khi hai thiết bị DTE trực tiếp nối với nhau, thì các đƣờng tín hiệu đƣợc sử dụng ít hơn.
Chúng ta cĩ thể chú ý trong hình vẽ ở chân ra, nĩ cĩ kênh thứ cấp, mà nĩ gồm cĩ hai chân giống nhau của luồng tín hiệu điều khiển. Kênh thứ cấp này cung cấp cho việc quản lí modem từ xa, cho phép thay đổi tốc độ baud, gởi tín hiệu phản hồi đƣợc yêu cầu nếu lỗi kiểm tra đƣợc phát hiện, và các chức năng điều khiển khác. Kênh thứ cấp này, khi đƣợc sử dụng, tốc độ baud rất chậm so với kênh sơ cấp, để bảo đảm độ tin cậy trong các đƣờng điều khiển. Hơn nữa, nĩ cĩ thể họat động đơn cơng, bán song cơng hay song cơng, phụ thuộc vào khả năng của modem.
Tín hiệu thời gian của bộ phát và bộ thu (chân 15, 17, và 24) chỉ đƣợc sử dụng cho giao thức truyền dẫn đồng bộ. Đối với chuẩn truyền dẫn bất đồng bộ giao thức 8 bit, tín hiệu thời gian bên ngịai là khơng cần thiết.
3.2.2. Kết nối sử dụng DB25 và DB9 3.2.2.1. Kết nối sử dụng DB9 3.2.2.1. Kết nối sử dụng DB9
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) và DCE (modem hay thiết bị nối tiếp khác)
Dùng cho kết nối DTE tới DCE thơng qua cáp cĩ đầu nối DB9. Tất cả 9
chân đều đƣợc kết nối trục tiếp từ DB9 đực vào DB9 cái nhƣ (hình 3.5), khơng
cĩ nối chéo hay tự nối vào nhau. Sử dụng cáp này để nối modem, máy in, hay bất kỳ thiết bị nào khác sử dụng đầu nối DB9 tới cổng nối tiếp của máy tính cá nhân. Cáp này cũng cĩ thể xem nhƣ đƣợc dùng cho việc mở rộng hay gia tăng khoảng cách giữa máy tính và thiết bị nối tiếp.
3.2.2.2. Bộ thích ứng DB25 tới DB9
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và DCE (modem) 9 chân
Các tín hiệu ở phía DTE DB25 đƣợc kết nối trực tiếp tới các chân chỉ định DB9 cho thiết bị DCE. Sử dụng đầu nối cổng COM 25 chân này nĩ thích hợp cho mặt sau của máy tính với thiết bị DCE nối tiếp 9 chân, nhƣ là chuột hay modem 9 chân nối tiếp nhƣ trình bày trong (hình 3.6). Bộ thích ứng này cũng cĩ thể dùng cáp để làm.
3.2.2.3. Bộ thích ứng DB9 tới DB25
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và DCE (modem) 25 chân
Các tín hiệu ở phía DTE 9DB đƣợc nối trực tiếp tới các chân đƣợc chỉ định DB25 của thiết bị DCE. Sử dụng đầu nối cổng COM 9 chân này nĩ thích
hợp cho mặt sau của máy tính với thiết bị DCE nối tiếp 25 chân, chẳng hạn modem nhƣ trình bày trong (hình 3.7). Bộ thích ứng này cũng cĩ thể dùng cáp để làm.
3.2.2.4. Kết nối sử dụng DB25
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và DCE (modem) 25 chân
Dùng cho kết nối DTE tới DCE thơng qua cáp cĩ đầu nối DB25. Tất cả 25 chân đều đƣợc kết nối trục tiếp từ DB25 đực vào DB25 cái nhƣ (hình 3.8), khơng cĩ nối chéo hay tự nối vào nhau. Sử dụng cáp này để nối modem, máy in, hay bất kỳ thiết bị nào khác sử dụng đầu nối DB25 tới cổng nối tiếp của máy tính cá nhân. Cáp này cũng cĩ thể xem nhƣ đƣợc dùng cho việc mở rộng hay gia tăng khỏang cách giữa máy tính và thiết bị nối tiếp.
3.2.2.5. Bổ chuyển đổi USB tới RS232
Mỗi máy tính cá nhân đều cĩ cổng giao tiếp nối tiếp chuẩn RS-232C, cho phép truyền dẫn đồng bộ ký tự. Cĩ 4 ports chuẩn bị trong máy tính cho giao tiếp RS-232C (nhƣ COM1 tới COM4), và hai lọai đầu nối của giao tiếp này. Một trong số đầu nối RS-232C đƣợc dùng để nối với chuột (mouse), một cái khác cĩ thể đƣợc dùng nối với thiết bị đo lƣờng. Hầu hết các thiết bị đo hiện nay là thiết bị số (nhƣ đồng hồ số, dao động ký số và tần số kế số) cũng cĩ các điều khiển cho cổng giao tiếp RS-232C. Do đĩ việc truyền dẫn nối tiếp dữ liệu đo lƣờng cũng nhƣ việc truyền dẫn hƣớng dẫn điều khiển trong đo lƣờng cũng cĩ thể thực hiện đƣợc. Việc kết nối máy tính và thiết bị đo lƣờng số bằng cáp giao tiếp RS- 232C cho phép hệ thống đo lƣờng đơn giản khơng cần modem hay bao gồm cả hai phần.
Cũng nhƣ đƣợc trình bày ở đây, máy tính chỉ cĩ đầu nối RS-232C nối tới thiết bị đo. Do đĩ, nguồn áp suất điều khiển và dữ liệu yêu cầu từ RS232, cho nên phải sử dụng chuyển đổi USB sang RS232. Hình 3.9 trình bày kiểu bộ chuyển đổi.
Hình 3.9. Bộ chuyển đổi USB sang RS232
Một khi đƣợc cài đặt, bộ chuyển đổi USB sẽ đƣợc chỉ định cổng COM sẵn cĩ kế tiếp trên máy tính host. Chúng ta cĩ thể kiểm tra sự thiết lập này bằng cách mở “system” trong “control panel” rồi “click” vào “device manager”. Bây giờ chúng ta sẽ thấy tên của cổng COM mới “USB serial port”.
3.3. XÂY DỰNG HỆ ĐO DÙNG CHUẨN GIAO TIẾP RS-232
Tiến hành kết nối MC100 cĩ đầu nối cổng COM 25 chân. Tên tín hiệu và chức năng các chân dùng kết nối, đƣợc trình bày trong (hình 3.4). Trong ứng dụng này chân 6, chân 8 tới chân 25 khơng sử dụng.
Đối với Keithley cĩ 9 chân, do đĩ nĩ cĩ thể kết nối trực tiếp tới máy tính, thơng qua RS-232 hay cổng USB.
Bus giao tiếp kết nối tới 2 thiết bị DTE, Keithley 2000 và MC100, và máy tính cho việc truyền dẫn đồng bộ ký tự, đƣợc trình bày (hình 3.10). Sơ đồ kết nối chi tiết thể hiện ở hình 3.5 và 3.7, giữa máy tính và Keithley 2000, và giữa máy tính và MC100. Ở đây, chúng ta thực hiện việc truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính DTE1 và Keithley DTE2 nhƣ ví dụ minh họa. Sự truyền dẫn giữa DTE1 và DTE3 thì tƣơng tự. Trong hệ thống modem rỗng (null modem) trình bày ở hình 3.10, hệ thống bus cĩ 5 đƣờng, 2 dùng cho đƣờng dữ liệu (phát và
thu), 2 dùng cho đƣờng điều khiển (RTS và CTS) và một dùng cho đƣờng đất (SG).
100 kPa MC 100
DTE2 DTE1 DTE3
KEITHLEY 2000 2 RxD 3 TxD 7 RTS 8 CTS 5 SG RxD 2 TxD 3 RTS 7 CTS 8 SG 5 RxD 2 TxD 3 RTS 7 CTS 8 SG 5 2 TxD 3 RxD 4 RTS 5 CTS 7 SG 13.6 mV
Hình 3.10. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính và thiết bị MC100 và Keithley.
Dữ liệu ngõ ra TxD của thiết bị DTE2 đƣợc nối tới ngõ vào dữ liệu RxD của máy tính DTE1, và tƣơng ứng với ngõ ra dữ liệu của máy tính đƣợc nối tới ngõ vào dữ liệu của thiết bị đo Keithley 2000. Những tín hiệu cần cho thiết bị DTE để truyền dẫn tới thiết bị DTE đối diện nĩ. Một thiết bị sẵn sàng nhận dữ liệu (chẳng hạn DTE1) thơng tin tới đầu cuối đối diện (trong trƣờng hợp này DTE2) về trạng thái logic 1 ở ngõ ra RTS (trạng thái logic 1 trên đƣờng điều khiển đƣợc biểu hiện bởi “mở” hay “đúng”). Thiếu sự sẵn sang (chẳng hạn do đầu cuối tắt máy) tín hiệu ở trạng thái logic 0.
3.4. THIẾT LẬP HỆ ĐO SỬ DỤNG CHƢƠNG TRÌNH LABVIEW
Các nhà sản xuất dụng cụ đo lƣờng số đƣợc trang bị với giao tiếp RS- 232C thƣờng cung cấp các chƣơng trình máy tính riêng, đƣợc thiết kế điều khiển truyền dẫn số liệu từ thiết bị đo tới máy tính, và tới thiết bị xử lí dữ liệu, và hiển thị. Sử dụng chƣơng trình thực hiện hệ thống đo trở nên dễ dàng hơn nhiều, nhƣng mặc nhiên cĩ sự giới hạn về kết quả từ thực tế, chƣơng trình khơng đáp ứng hết tất cả cơng việc đo lƣờng một cách cụ thể. Việc thực hiện cơng phu chƣơng trình máy tính ban đầu để kiểm sốt việc truyền dẫn dữ liệu đo lƣờng và xử lí dữ liệu để tránh những giới hạn về kết quả, và chƣơng trình dễ dàng sử dụng hơn, cho nên sử dụng ngơn ngữ lập trình nhƣ Visual Basic, Testpoit, hay Labview, các thủ tục chuẩn bị cho cả hai dịch vụ truyền dẫn nối tiếp trong hệ thống RS-232C và xử lí dữ liệu.
Labview, hay Workbench là ngơn ngữ lập trình đồ họa, mà nĩ đƣợc sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp, giới học viện, và trong phịng thực nghiệm nghiên cứu, nhƣ là một tiêu chuẩn cho việc thu đƣợc dữ liệu trong đo lƣờng và phần mềm điều khiển thiết bị.
Begin
Select operation
mode
Keithley interface
RS - 232
configuration
MC 100 interface
No
Yes
No
Sample ? Filter
Data Storage
End
Display
Maximum
Pressure ?
Yes
Hình 3.11. Lưu đồ thuật tốn
LABVIEW là hệ thống phần mềm phân tích và cơng cụ thực hiện nhanh và linh hoạt. Labview bắt đầu từ hệ quả tự nhiên của ngơn ngữ lập trình truyền thống và những đặc tính dễ sử dụng của mơi trƣờng lập trình đồ họa, bao gồm tất cả các cơng cụ cần thiết để thu đƣợc dữ liệu (DAQ), phân tích dữ liệu, và kết quả hiển thị. Với ngơn ngữ lập trình đồ họa, gọi là “G”, chúng ta cĩ thể viết chƣơng trình sử dụng sơ đồ khối minh họa mà cĩ thể biên dịch sang các đọan mã.
Viết các chƣơng trình ứng dụng để điều khiển nguồn áp suất (MC100) và dữ liệu thu đƣợc trên cơ sở mã ASCII thơng qua bộ chuyển đổi USB sang RS232, lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình đƣợc trình bày (hình 3.11) và giao tiếp cuối cùng cho ứng dụng này đƣợc mơ tả (hình 3.12). Trên bảng hiển thị cho phép điều chỉnh tốc độ mẫu thơng qua xoay nút bấm, hiển thị sự phụ thuộc điện
áp ngõ ra với áp suất đặt vào bằng định dạng đồ họa. Giá trị tƣơng ứng của áp suất và điện áp cũng đƣợc hiển thị trên bảng này.
Hình 3.12. Bảng hiển thị kết quả trong chương trình LABVIEW
3.4.1. Khởi động chƣơng trình
LabVIEW bắt đầu với khung cửa sổ đƣợc gọi là “untitled.VI”(hình 3.13). Khung cửa sổ này lƣu những số liệu đƣợc gọi nhƣ áp suất điều khiển và dữ liệu điện áp yêu cầu. Bây giờ chúng ta đặt các giá trị điều khiển khác nhau trên khung cửa sổ hiển thị và nĩ sẽ xuất hiện các chỉ thị hoạt động ứng dụng. Sử dụng menu CONTROLS để đặt các giá trị vào.
3.4.2. Xây dựng chƣơng trình kiểu 1
Ứng dụng này đƣợc sử dụng với phần mềm thơng qua các tập lệnh nhƣ “ESC R” để thiết lập điều khiển từ xa, hay “READ” để chuyển đổi trạng thái và yêu cầu tham số cụ thể để đọc tới bộ Keithley,…
Dữ liệu phải đƣợc hiển thị mặt trƣớc và chỉ ra mối liên hệ giữa áp suất và điện áp ra của cầu thơng qua sơ đồ dạng sĩng. Chƣơng trình cơ bản sẽ lặp lại hoạt động này ở việc quyết định tốc độ bằng cách điều chỉnh tốc độ mẫu Knob. Đối với trƣờng hợp này chúng ta sẽ bắt đầu với việc chọn „CASE STRUCTURE‟ sử dụng „FUNCTIONS/CASE STRUCTURES‟ để thực hiện chọn lựa các kiểu, những „CASE‟ khác và „STECKED SEQUENCE STRUCTURES‟ và „WHILE LOOP‟ sử dụng chung menu để điều khiển số điểm đo. Tất cả những cấu trúc này đƣợc trình bày (hình 3.14).
Hình 3.14. Cửa sổ làm việc cho lập trình
3.4.3. Thiết lập các tham số cho cổng (port) nối tiếp
Trong bƣớc này các chức năng ban đầu cho các cổng nối tiếp sẽ đƣợc đƣa vào bên trong cấu trúc tuần tự nhƣ trình bày ở (hình 3.15). Những chức năng này sẽ thiết lập cấu hình cho các port nối tiếp (tốc độ baud, tốc độ bit, kiểm tra chẳn lẻ, bit dừng và quy trình điều khiển). Dữ liệu điều khiển quy trình đƣợc chọn bởi „FUNCTIONS/CONNECTIVITY/NET/PROPERTY NODE‟ và kích
vào ký hiệu bên phải để thay đổi các thuộc tính mong muốn. Trong bƣớc này cũng thiết lập các port COM4 và COM1 cho việc thơng tin giữa máy tính với MC100 và Keithley.
Hình 3.15. Thiết lập các thơng số cho cổng nối tiếp
3.4.4. Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp
Để viết các lệnh điều khiển tới nguồn áp suất và Keithley, chúng ta đƣa vào các hàm viết nối tiếp từ „FUNCTIONS/INSTRUMENT/I/O/SERISL/ WRITE và đặt nĩ bên trong khung nhƣ trình bày (hình 3.16). Ở đây, các lệnh điều khiển đƣợc thiết lập thơng qua các chuỗi lệnh điều khiển. Do đĩ chúng ta cĩ thể thay đổi nĩ khi chạy chƣơng trình .
3.4.5. Đọc và hiển thị dữ liệu
Dữ liệu lấy từ Keithley sẽ đƣợc đọc dùng „SERIAL READ WITH TIMEOUT‟. Điều này đƣợc thực hiện ở thƣ mục của LabView, nĩ đƣợc đặt trong khung với chức năng „Frac/Exp string to number‟ từ „FUNCTION/
