2.3.1. Master/Slave
Với phương pháp truy nhập này, trạm chủ sẽ ựược quyền phân chia thời gian truy cập ựường truyền cho các trạm tới hình 2.8
Hình 2.8. Truy cập Master/Slave
Trạm chủ có thể gửi các yêu cầu tuần tự ựến các trạm tớ hoặc có thể chỉ ựịnh trạm tớ bất kỳ theo mục ựắch truy nhập. Ưu ựiểm của phương pháp này là cấu trúc mạng ựơn giản, nhưng các hoạt ựộng của mạng lại phụ thuộc vào trạm chủ nên ựòi hỏi ựộ tin cậy của trạm chủ là rất cao, mặt khác do thông tin giữa các trạm tớ ựều phải thông qua trung gian là trạm chủ ựã khiến cho hiệu suất ựường truyền trong phương pháp này là không caọ
2.3.2. Token Passing
Cấu trúc của một token như hình 2.9 trong ựó DA là ựịa chỉ ựắch, SA là ựịa chỉ nguồn. Start là byte khởi ựầu ựánh dấu sự bắt ựầu của khung token
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 25
Hình 2.9. Cấu trúc khung Token
Token Passing là 1 khung truyền có cấu trúc ựặc biệt với các thông tin dữ liệu chắnh, nó ựược sử dụng như thẻ bài có thể tác dụng trao quyền gửi thông tin khi một trạm nào ựó có ựược thẻ bào nàỵ Việc gửi thẻ bài ựược thực hiện theo 1 chu trình ựịnh sẵn. đối với các mạng có cấu trúc khép kắn người ta ựưa ra khái niệm Token ring.
Hình 2.10. Phương pháp truy cập Token Ring (IEEE8-2.4)
Trong các mạng có cấu trúc Bus, nếu ứng dụng phương pháp token người ta gọi ựó là Token bus, sơ ựồ nguyên lý của phương pháp truy cập này ựược trình bày trên hình 2.11.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 26
Một trạm ựang giữ Token không những có quyền giữ thông tin ựi mà còn có thể kiểm soát thông tin của các trạm khác. Nếu thấy trạm chuẩn bị nhận Token bị lỗi nó sẽ không giữ Token cho trạm này, hoặc nếu token không ựược gửi (có nghĩa là trạm token bị lỗi) thì 1 trạm nào ựó sẽ tự tạo ra token ựể ựảm bảo hoạt ựộng của hệ thống là thông suốt.
2.3.3. CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)
Trong phương pháp này, các trạm ựều ựược truy nhập ựường truyền mà không có 1 sự kiểm soát nàọ Nguyên tắc hoạt ựộng ựược mô tả như sau:
- Mỗi trạm ựều cảm nhận ựường truyền (carier sense), chỉ khi ựường truyền rỗi thì mới ựược truyền thông tin trên ựó.
- Do ựộ trễ của sự lan truyền mà vẫn xảy ra trường hợp lặp 2 hay nhiều trạm cùng ựưa thông tin lên ựường truyền (hình 2.12) và khi phát các trạm này vẫn phải cảm nhận xem có xảy ra xung ựột không (Collision Detection)
Hình 2.12. Nhiều trạm cùng gửi thông tin lên Bus
- Khi hai hay hiều trạm nhận cùng ựưa thông tin lên ựường truyền (tức xung ựột xảy ra) thì các trạm này ựều phải huỷ bỏ bản tin gửi của mình
Hình 2.13. Các thông báo bị huỷ bỏ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 27
Hình 2.14. Trạm n1 gửi thông báo
Thực tế việc phát hiện xung ựột ựược thực hiện bằng cách so sánh tắn hiệu phát và tắn hiệu phản hồị Nếu nội dung phát và nội dụng nhận ựược là khác nhau trong trường hợp này xung ựột ựã xảy ra, các trạm này lập tức ngừng phát, và các trạm nhận thì không nhận ựược byte kết thúc của khung truyền nên coi như thông báo này bị huỷ bỏ.
Ưu ựiểm của phương pháp này là ựơn giản và linh hoạt nhưng không phù hợp với các hệ thống mạng cấp thấp do tắnh không ổn ựịnh về thời gian ựáp ứng.
Phương pháp này ựược ứng dụng trong mạng Ethernet IEEE 802.3
2.3.4. CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance)
Phương pháp này cũng giống phương pháp CSMA/CD, nhưng chúng sử dụng phương pháp mã hoá bit thắch hợp ựể khi xảy ra xung ựột 1 tắn hiệu này sẽ lấn át tắn hiệu kiểm trạ Chẳng hạn:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 28
Hình 2.15. Nguyên lắ của CSMA/CA
Phương pháp này ra ựời ựã cải thiện ựược tắnh năng thời gian thực của phương pháp CSMA/CD
2.4. Các phương thức truyền dẫn tắn hiệu
2.4.1. Truyền dẫn không cân bằng (Unbalanced)
Trong truyền số liệu theo phương thức không cân bằng, tắn hiệu truyền dạng áp trên một dây, tắn hiệu áp trên dây này ựược so sánh với ựất ựể thể hiện trạng thái logic (0 và 1). Việc truyền tắn hiệu trên "n" kênh sẽ cần "n" dây tắn hiệu và thêm một dây ựất chung
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 29
Hình 2.16. Truyền tắn hiệu không cân bằng
S- là thiết bị gửi tin R- là thiết bị nhận tin
Phương thức truyền số liệu này khiến cho khả năng chống nhiễu kém do tắn hiệu truyền so sánh với ựất, có nhiều nguyên nhân gây ra nhiễu như: sự chênh lệch ựiện áp ựất so với các tắn hiệu truyền trên các kênh khác nhau, do tác ựộng của môi trường xung quanh nhiễu xuyên kim...
2.4.2. Truyền dẫn cân bằng (Balanced)
Truyền số liệu theo phương thức cân bằng: đây là kiểu truyền tắn hiệu vi sai, sự sai khác tắn hiệu giữa hai dây dẫn (trên một kênh truyền) sẽ biểu diễn trạng thái logic (0 và 1). Khi có sự tác ựộng của nhiễu ựến kênh truyền này thì nó tác ựộng ựến ựồng thời hai dây của kênh truyền và như vậy nhiễu sẽ bị triệt tiêu dẫn ựến số liệu truyền trong hệ thống không bị sai lệch. Chắnh vì khả năng chống nhiễu tốt mà phương thức truyền số liệu này ựược ứng dụng trong các hệ thống truyền tin với khoảng cách lớn và tốc ựộ caọ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 30
Hình 2.17. Truyền tắn hiệu cân bằng
2.4.3. Vấn ựề trở ựầu cuối
Vấn ựề phối hợp trở kháng trên ựường dây truyền thông là vô cùng quan trọng. Một tắn hiệu truyền tắn hiệu từ bên phát ựến bên thu nói chung sẽ phản xạ lại, tắn hiệu phản xạ này lại gặp các tắn hiệu truyền tới, các tắn hiệu này có thể ựược cộng thêm vào hoặc triệt tiêu ựi như thế sẽ làm sai lệch tắn hiệu truyền trên ựường dây thông tin. Chắnh vì vậy việc phối hợp trở kháng ựể tạo ra ựường dây dài vô hạn sẽ giải quyết tốt vấn ựề nàỵ
2.5. Các chuẩn thông tin nối tiếp 2.5.1. Chuẩn truyền tin RS232 2.5.1. Chuẩn truyền tin RS232
- Ra ựời vào năm 1969 bởi hiệp hội EIA và Bell Laboratory
- được dùng chủ yếu trong các giao tiếp ựiểm - ựiểm giữa các DTE/DCE (Data Terminal Equipment/Data Communication Equipment) (Các thiết bị ựầu cuối DTE có thể là máy tắnh, PLC, máy in... Thiết bị truyền số liệu DCE có thể là Modem)
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 31
Hình 2.18. Kết nối giữa DTE và DCE
- RS232 sử dụng phương thức truyền số liệu không ựối xứng. điện áp dao ựộng trong khoảng -25V ựến +25V. Với thiết bị nhận quy ựịnh mức logic 1 ứng với khoảng ựiện áp -25V ựến -3V và mức logic "0" ứng với khoảng ựiện áp từ +3V ựến +25V. Khoảng ựiện áp từ -3V ựến +3V không ựược ựịnh nghĩa, ựây là khoảng chuyển tiếp giữa các mức logic. Biểu diễn các mức ựiện áp tương ứng với các mức logic ựược trình bày trên hình 2.19
Hình 2.19. Biểu diễn các mức logic trong RS232
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 32
- Khoảng cách truyền cho phép 15m.
- RS232 làm việc ở chế ựộ truyền song công(full-duplex) - Tốc ựộ dữ liệu cực ựại khoảng 20 Kb/s
- Chế ựộ truyền không ựồng bộ
Hầu hết dữ liệu truyền trong RS232 là mã ASCII mặc dù ựây không phải là loại mã chuẩn.
Bảng 2.1. định nghĩa các chân tắn hiệu của RS232
TT định nghĩa chuẩn Ký hiệu Vào/ ra Chân
1 Carrier Detect CD 1
2 Transmit Data TxD Ra 2
3 Receiver Data RxD Vào 3
4 Data Terminal Ready DTR Ra 4
5 Signal Ground SG 5
6 Data Set Ready DSR Vào 6
7 Request to Send RTS Ra 7
8 Clear to Send CTR Vào 8
9 Ring Indicator RI 9
Kết nối RS232 không có bắt tay ựược trình bày trên hình 2.20
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 33
Ngoài ra có thể thực hiện bắt tay dùng phần mềm và chúng ựược chỉ ra trên hình 2.21
Hình 2.21. Bắt tay bằng phần mềm sử dụng X-ON và X-OFF
để bắt tay ựầy ựủ bằng dữ liệu giữa hai nút, các ựường dẫn RTS và CTS ựược bắt tay (tương tự như các ựường dẫn DTR và DSR). Cách ựấu nối này bao gồm cả các trường hợp các nút ở rất xa nhaụ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 34
Hình 2.23. Ghép nối ựể truyền thông có bắt tay qua cổng RS232
Các yêu cầu của chuẩn RS232 ựối với phần tạo dạng phát: - đầu ra phải chịu ựược trạng thái ngắn mạch hoặc không tảị - điện trở khi ngắn mạch nguồn lớn hơn 300 Ω.
- điện áp ra cực ựại khi không tải là -25V. - Dòng ra cực ựại khi ngắn mạch là 500mẠ
- Thời gian chuyển tắn hiệu giữa hai mức tắn hiệu phải nhỏ hơn 1ms. - Tốc ựộ tăng hay giảm tắn hiệu không nhỏ hơn 30V/ms.
- Tải của bộ kắch thắch lớn hơn 3KΩ
Các yêu cầu ựối với phần thu: - điện trở vào từ 3000Ω - 7000Ω. - Tụ kắ sinh nhỏ hơn 2500 ộF.
2.5.2. Chuẩn truyền tin RS422
đây là loại chuẩn truyền tin ựược dùng nhiều trong công nghiệp, nó thường ựược lựa chọn ựể thay thế RS232 dùng trong các ứng dụng ựòi hỏi chống nhiễu tốt, khoảng cách truyền xa và tốc ựộ truyền caọ
đặc ựiểm của RS422:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 35
- Khoảng cách truyền 200m không cần bộ lặp - Tốc ựộ truyền tối ựa là 10Mb/s.
- Chỉ cho phép 1 trạm truy nhập ựiều khiển ựường truyền (Master) - Cho phép 10 trạm tớ tham gia trong cấu hình mạng
- Tải của bộ kắch thắch 100Ω
- điện trở vào lớn hơn 4KΩ
- độ nhạy ựầu vào: ổ200mV
Quy ựịnh về mức logic trong RS422 ựược trình bày trên hình 2.24:
Hình 2.24. Biểu diễn mức logic trong RS422
Giao tiếp trong RS422 là giao tiếp ựiểm nhiều ựiểm
Nguyên lắ hoạt ựộng của RS422 ựược trình bày trên hình 2.25:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 36
2.5.3. Chuẩn truyền tin RS485
đây là chuẩn ựược dùng phổ biến nhất trong hệ thống thông tin công nghiệp, ựặc ựiểm cơ bản của RS485 là:
- Hoạt ựông dựa trên phương thức truyền ựối xứng. - Cho phép kết nối nhiều ựiểm trên cùng ựường Bus. - Khoảng cách truyền cực ựại là 1200m.
- Tốc ựộ dữ liệu cực ựại là 10Mb/s.
- Cho phép tới 32 trạm thu phát trên cùng ựường truyền
Bảng 2.2. Thông số cơ bản của RS485
Thông số điều kiện Tối thiểu Tối ựa
điện áp ựầu ra hở mạch ổ1,5V ổ6V
điện áp ựầu ra khi có tải RLOAD = 54Ω ổ1,5V ổ5V
Dòng ra ngắn mạch ổ250mA
Thời gian quá ựộ ựầu ra RLOAD = 54Ω CLOAD = 54pF
30% Tb*
điện áp chế ựộ chung ựầu ra Voc RLOAD = 54Ω -1V 3V
độ nhậy cảm ựầu vào -7V≤VCM≥12V ổ200mV
điện áp chế ựộ chung VCM -7V 12V
Trở kháng ựầu vào 12kΩ
Tb thời gian bit
VOC (Output Common Mode Voltage) ựược xác ựịnh bằng chênh lệch từ ựiểm giữa của tải ựầu ra so sánh với ựất của bộ kắch thắch.
VCM (Common Mode Voltage), ựược tắnh bằng giá trị trung bình của ựiện áp hai dâỵ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 37
Hình 2.26. Quy ựịnh về mức logic trong RS485
Mức ựiện áp từ -1.5V ọ +1.5V không ựược ựịnh nghĩa nó là khoảng ựể chuyển trạng thái các mức logic. Khoảng ựiện áp cho phép từ -6V ọ +6V. Khi tăng số lượng các trạm truyền thông thì tốc ựộ truyền vì các trạm có trở kháng lớn sẽ hoạt ựộng chậm hơn.
RS485 là chuẩn duy nhất do EIA ựưa ra có khả năng kết nối nhiều ựiểm trên một dây duy nhất gọi là Bus. Vì vậy nó ựược dùng làm chuẩn cho lớp vật lắ của ựa số các hệ thống Bus hiện thờị
Cấu hình phổ biến cho truyền tắn hiệu là sử dụng hai dây dẫn, minh hoạ trên hình saụ Trong cấu hình này hệ thống làm việc ở chế ựộ bán song công (Half - duplex) các trạm có quyền truy nhập bình ựẳng trên Bus
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 38
Hình 2.28. Cấu hình RS485 5 dây
RS485 không phải là chuẩn hoàn chỉnh, nó chỉ là một chuẩn về ựặc tắnh ựiện học nên nó không ựưa ra các quy ựịnh cho cáp nối cũng như các bộ nối, có thể dùng cáp trơn, cáp ựôi dây xoắn hoặc các loại cáp khác. Tuy nhiên cáp ựôi dây xoắn ựược sử dụng nhiều nhờ khả năng chống nhiễu xuyên âm, và tạp nhiễụ Ngoài ra ựể tăng hiệu suất khi truyền người ta có thể sử dụng chuẩn RS485 5 dây
để tăng số lượng các trạm trong cấu hình mạng và truyền số liệu ựi xa cần thiết phải xử dụng các bộ lặp. Các bộ chuyển ựổi giao diện nối tiếp: Hiện nay rất nhiều các thiết bị công nghiệp xử dụng chuẩn RS232, ựể chúng có thể giao tiếp với các thiết bị có cổng truyền thông RS422 hay RS485 thì cần thiết phải có các bộ chuyển ựổi giao diện nối tiếp.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 39
Chương 3. Thiết kế và thực thi hệ thống 3.1. Mô hình hệ thống ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm
Sơ ựồ khối hệ thống kết nối mạng RS485 theo phương pháp truy cập ựường truyền Master/Slave như hình 3.1
Hình 3.1. Sơ ựồ khối của hệ thống
Hệ thống gồm máy tắnh với giao diện giám sát ựóng vai trò là Master và các trạm ựo ựóng vai trò là Slavẹ Các Slave kết nối với Master theo chuẩn RS485. Trong giới hạn của ựề tài chúng tôi tắch hợp hai trạm ựo trong hệ thống.
Sơ ựồ khối mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm của một Slave như hình 3.2.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 40
Hình 3.2. Sơ ựồ khối mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm
Mạch ựo gồm sensor nhận tắn hiệu vào là nhiệt ựộ, ựộ ẩm. Sau ựó qua khâu chuyển ựổi tương tự sang số và ựưa vào bộ ựiều khiển. Bộ ựiều khiển sẽ tắnh toán và ựưa tắn hiệu ựiều khiển ra cơ cấu chấp hành (CH) là một rơle ựiều khiển On/Off. Bộ ựiều khiển còn có thể hiển thị giá trị ựo ra LCD và có thể kết nối với máy tắnh theo chuẩn RS485. Bộ ựiều khiển có thể nhận giá trị ựặt truyền từ máy tắnh. đối tượng ựiều khiển là quạt hút gió ựể ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm trong khọ
3.1.1. Bộ ựiều khiển
Bộ ựiều khiển chúng tôi sử dụng vi ựiều khiển AVR ATmega16, là sản phẩm do công ty Atmel (Na Uy) sản xuất. ATmega16 là một vi ựiều khiển CMOS 8 bit công suất thấp dựa trên kiến trúc RISC. Bằng việc thực hiện ựa số các lệnh trong một chu ký xung nhịp ựơn, ATmega16 ựạt ựược tốc ựộ một triệu phép tắnh trong một giây với tần số 1 MHz. Vi ựiều khiển này cho phép người