1.2.1. Phương pháp truy cập Chủ - Tớ
Phƣơng pháp truy cập Chủ/Tớ hay còn gọi là phƣơng pháp Master/Slave, ở đây trạm chủ có vai trò chủ động còn các trạm tớ là các phần tử bị động. Tất cả các trạm tớ đều chịu sự chi phối bởi trạm chủ. Trạm chủ có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy cập bus cho các trạm tớ và các trạm tớ chỉ có quyền truy cập bus để nhận hay gửi dữ liệu đi khi nhận đƣợc sự cho phép từ phía trạm chủ. Ngƣợc lại chúng phải đợi sự cho phép từ trạm chủ hay thực hiện một công việc nào đó của riêng mình. Đối với trạm chủ, ta có thể dùng phƣơng pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động mạng, nhờ vậy yêu cầu trả lời các thông tin kỹ thuật hay đƣa ra các thông tin điều khiển đƣợc gửi từ trạm chủ tới trạm tớ theo một thủ tục tuần tự với một vòng luân phiên trên mạng.
Để đảm bảo cho một hệ thống hoạt động tốt thì trong một số hệ thống các trạm tớ hoàn toàn chịu sự giám sát chặt chẽ từ phía trạm chủ, tất cả mọi hoạt động nảy sinh từ phía các trạm tớ với nhau đều phải thông qua trạm chủ (sự trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ nhất thiết phải có sự phân bổ của trạm chủ). Với hoạt động giao tiếp theo phƣơng pháp hỏi tuần tự có chu kỳ, nếu có yêu cầu gửi dữ liệu từ một trạm tớ này đến một trạm tớ khác thì trạm chủ sẽ yêu cầu dữ liệu từ phía trạm tớ gửi sau đó trạm chủ sẽ gửi cho trạm tớ nhận, nhƣ vậy trạm chủ đóng vai trò trung gian trong việc giao tiếp giữa hai trạm tớ với nhau. Do đó khi có yêu cầu trao đổi dữ liệu bất thƣờng của trạm tớ này với trạm tớ khác thì trƣớc hết trạm tớ muốn gửi phải thông báo yêu cầu khi đƣợc trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ cho đến khi đƣợc phục vụ.
Phƣơng pháp truy cập cũng nhƣ cách thức truyền dữ liệu giữa các trạm đều đƣợc xây dựng một cách có quy định do ngƣời thiết kế tạo ra. Thời gian cần thiết để trạm chủ hoàn thành công việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của một chu kỳ bus. Ta có thể tính toán trƣớc đƣợc một cách tƣơng đối chắc chắn thời gian của một chu kỳ bus bởi tất cả các thành viên tham gia ta có thể biết trƣớc về mặt số lƣợng cũng nhƣ chiều dài tối đa của một khung dữ liệu và tốc độ truyền. Tốc độ đáp ứng của chu kỳ bus chính là một tính năng thời gian thực của hệ thống mà tính năng này đóng một vai rò quan trọng trong hệ thống điều khiển công nghiệp.
Trạm chủ
Trạm tớ 1 Trạm tớ 2 Trạm tớ n
16
Phƣơng pháp truy cập chủ/tớ thích hợp cho một hệ thống điều khiển. Bởi lẽ tính đơn giản trong quá trình kết nối và lắp đặt cũng nhƣ khả năng thêm bớt số lƣợng thành viên trong mạng. Toàn bộ kỹ thuật của mạng hầu nhƣ tập trung vào trạm chủ, các trạm tớ chỉ đóng một vai trò nhƣ một thiết bị có thể dễ dàng thêm vào hay bớt đi. Tuy nhiên, phƣơng pháp truy cập chủ/tớ cũng có một số nhƣợc điểm.
Thứ nhất, phƣơng pháp truy cập chủ/tớ là quá trình kiểm soát tập trung bởi trạm
chủ. Đây là một nhƣợc điểm làm giảm hiệu suất thông tin vì khi một yêu cầu trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ phát sinh sẽ không đƣợc thực hiện nếu không qua trạm chủ. Chính vì lý do này mà thời gian thực hiện quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ với nhau sẽ lớn hơn một chu kỳ bus.
Để khắc phục tình trạng này có thể sử dụng một hệ thống cho phép các trạm tớ có thể thông tin trực tiếp cho nhau nhƣng đƣợc kiểm soát trong một chừng mực nào đó.
Khi có một yêu cầu trao đổi dữ liệu giữa trạm tớ B đến trạm tớ A, trong khi đó một yêu cầu từ phía trạm chủ yêu cầu tạm tớ A nhận dữ liệu (Yêu cầu nhận) và trạm B gửi dữ liệu (Yêu cầu gửi) thì trạm B gửi dữ liệu trực tiếp cho trạm A (Gửi dữ liệu). Sau khi trạm A nhận đƣợc tín hiệu báo kết thúc quá trình gửi (Gửi hoàn thành) từ trạm B thì trạm A có trách nhiệm thông báo lại (Nhận hoàn thành) cho trạm chủ. Nhƣ vậy việc truy cập đƣờng truyền cũng không chồng chéo nhau mà hai trạm tớ vẫn thực hiện trao đổi dữ liệu đƣợc với nhau trong một chu kỳ bus.
Trạm chủ Trạm tớ (A) Trạm tớ (B)
Yêu cầu nhận
Yêu cầu gửi Gửi dữ liệu Gửi hoàn thành Nhận hoàn thành
Hình 1.7. Mô tả quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ
Thứ hai, độ tin cậy của hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào trạm chủ. Nếu trong
một trƣờng hợp nào đó có sự cố ở trạm chủ thì toàn bộ hệ thống mạng sẽ ngƣng hoạt động gây ảnh hƣởng tiến độ sản xuất trong phạm vi tự động hóa công nghiệp. Để khắc phục nhƣợc điểm này chúng ta có thể sử dụng một trạm tớ có khả năng đóng vai trò nhƣ một trạm chủ khi cần thiết.
17
1.2.2. Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA–485
Truyền nhận dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phƣơng pháp chủ yếu trong truyền thông công nghiệp. Với phƣơng pháp này, các bit đƣợc truyền đi một các tuần tự trên cùng một đƣờng truyền. Với phƣơng pháp này sẽ không có đƣờng dây riêng biệt truyền dẫn tín hiệu xung nhịp nên việc đồng bộ hoá do bên nhận và bên gửi thoả thuận trên cơ sở giao thức truyền thông.
Một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trƣớc hết đƣợc hiểu là các quy định đƣợc thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu và các thiết bị truyền dữ liệu. Có thể coi chuẩn RS485 là một phát triển của RS232 với một số ƣu điểm vƣợt trội:
Khả năng kết nối: Thay vì chỉ giới hạn ở hai thiết bị nhƣ ở chuẩn RS232 thì chuẩn RS485 có thể kết nối đồng thời nhiều thiết bị truyền/nhận. Nếu tín hiệu có trở kháng vào đủ lớn thì một mạng RS485 có thể có tới 32 nút mạng. Nếu sử dụng bộ lặp (Repeater) thì số nút mạng có thể đạt tới 256 nút.
Khoảng cách truyền nhận: Một kết nối RS485 có thể có chiều dài lên tới 1.2 Km (4000 feet), trong khi đó RS232 chỉ là 15 – 40 m (50 – 130 feet).
Tốc độ truyền nhận: Tốc độ có thể đạt tới 10 Mbps.
Có khả năng truyền nhận song công trên cùng một cable xoắn duy nhất.
1.2.2.1. Đường truyền cân bằng trong RS485
Chuẩn RS232 dùng đƣờng truyền không cân bằng. Do các tín hiệu đều lấy điểm chuẩn là điểm đất chung nên tốc độ truyền và khoảng cách truyền bị giới hạn. Khi cần tăng khoảng cách và tốc độ truyền thì phƣơng pháp sử dụng đƣờng dây cân bằng trở nên hữu hiệu hơn.
GND GND
Hình 1.8. Đƣờng truyền không cân bằng A
B
VA VB
GND GND
18
Chuẩn RS485 sử dụng đƣờng truyền tín hiệu gồm hai đƣờng dây kí hiệu là A và B. Ở phía phát, tín hiệu TTL ở mức cao tƣơng ứng với điện thế dây A cao hơn điện thế dây B và ngƣợc lại. Ở phía thu, nếu điện thế dây A cao hơn dây B thì tín hiệu ngõ ra TTL sẽ có mức cao và ngƣợc lại. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với đất của phần thu phải nằm trong khoảng –7V tới +12V. Điều này cho phép chênh lệch điện thế đất giữa phần phát và phần thu. Độ lớn điện áp vi sai giữa dây A và B không đƣợc phép lớn hơn 6V.
Cũng nhờ sử dụng đƣờng dây cân bằng nên RS485 có tính chống nhiễu cao. Hai dây tín hiệu có đặc tính giống nhau, tín hiệu truyền đi là hiệu số điện áp giữa hai dây. Khi có nhiễu trên đƣờng truyền thì nhiễu sẽ xuất hiện đồng thời trên cả hai dây với cùng biên độ, vì vậy nhiễu trên đƣờng dây này sẽ bị nhiễu trên đƣờng còn lại triệt tiêu. Nhiễu có thể phát ra từ tín hiệu của một đƣờng dây khác trong cùng một dây cáp truyền dẫn hay từ bên ngoài dây cáp nhƣng đƣờng dây cân bằng sẽ duy trì tín hiệu cần đƣợc truyền với nhiễu bằng không hay giảm xuống mức tối tiểu.
Một ƣu điểm nữa của việc sử dụng đƣờng dây cân bằng là không cần quan tâm đến sự chênh lệch của điện thế đất (trong một giới hạn cho phép nào đó) giữa hai thiết bị truyền nhận. Khi truyền ở khoảng cách xa, điện thế đất ở nơi phát và nơi thu có thể chênh lệch nhau. Trên đƣờng dây không cân bằng, sự sai lệch này sẽ gây ra sự lầm lẫn giữa mức logic 0 và 1. Đƣờng dây cân bằng sẽ không bị ảnh hƣởng bởi sự chênh lệch này vì tín hiệu nhận đƣợc là sự chênh lệch điện thế giữa hai đƣờng dây.
Bus giao tiếp RS485 có thể đƣợc thiết kế để giao tiếp đơn công hoặc song công. Chế độ truyền đơn công chỉ sử dụng một cặp dây tín hiệu (2 dây) và tại cùng thời điểm chỉ xảy ra quá trình truyền hay nhận. Vì vây mỗi khi muốn tham gia quá trình truyền hay nhận sẽ phải điều khiển đƣờng tín hiệu cho phép truyền hay nhận để đảm bảo không xảy ra sự xung đột.
` RO RE DE DI RO RE DE DI R D R D GND GND D R D R RO RE DE DI RO RE DE DI GND GND A B RT A B RT A B A B Trạm chủ Trạm tớ Trạm tớ Trạm tớ
19
Chế độ truyền song công cần 2 cặp dây tín hiệu (4 dây). Quá trình truyền nhận song công sử dụng các đƣờng dây truy cập bus riêng biệt cho quá trình truyền hay nhận vì vậy một node có thể truyền và nhận đồng thời.
RO RE DE DI RO RE DE DI R D R D GND GND D R D R RO RE DE DI RO RE DE DI GND GND A B A B A B RT Z Y B RT A Y Z Z B Z Y Trạm chủ Trạm tớ Trạm tớ Trạm tớ
Hình 1.11. Cấu hình bus RS485 truyền nhận song công
1.2.2.2. Đặc tính điện học
Về cơ bản giao tiếp RS485 cần nguồn đơn 5V hoặc 3.3V nhƣng mức điện áp logic ngõ ra ở các bộ phát và thu không theo chuẩn TTL hay CMOS.
Với bộ phát thì điện áp vi sai giữa hai ngõ ra A và B ít nhất là 1.5V. Điện áp chênh lệch giữa đất chung và ngõ ra không đƣợc quy định, tuy nhiên chế độ chung của ngõ ra so với đất phải nằm trong khoảng ±7V. Nếu giao tiếp RS485 là hoàn toàn cân bằng thì các ngõ ra sẽ bị dịch đi một mức điện áp DC là ½ VCC. Sự mất cân bằng sẽ làm thay đổi mức điện áp lệch này.
+1.5V -1.5V
D
Hình 1.12. Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485
Tại đầu ra của bộ phát, điện thế đƣờng dây A dƣơng hơn điện thế đƣờng dây B (VOA > VOB) nếu mức logic ở đầu vào của bộ phát là cao (DI = 1). Ngƣợc lại, nếu mức logic đầu vào của bộ phát là thấp (DI = 0) thì tại đầu ra của bộ phát sẽ có điện thế đƣờng dây B lớn hơn điện thế đƣờng dây A (VOB > VOA).
Ở phía nhận, nếu điện thế đƣờng dây A lớn hơn đƣờng dây B nhỏ nhất 200mV (VIA - VIB > 200mV) thì đầu ra của bộ nhận có mức logic là cao (RO = 1), nếu điện thế đƣờng dây B lớn hơn đƣờng dây A nhỏ nhất 200mV (VIB - VIA > 200mV) thì đầu ra
20
của bộ nhận có mức logic là thấp (RO = 0). Nếu điện áp giữa A và B nhỏ nhơn 0.2V thì mức logic đầu ra không đƣợc xác định.
VOA VOB VIA VIB VOD RO RE DI DE A B
Hình 1.13. Mức điện áp vi sai tại bộ phát và bộ nhận
Từ sự chênh lệch giữa điện áp cần thiết của bên truyền và bên nhận của RS485 ta có một khoảng gây nhiễu là 1.3V. Nhƣ vậy tín hiệu có thể chấp nhận một điện áp nhiễu có biên độ 1.3V mà không làm sai lệch tín hiệu. Khoảng gây nhiễu cho phép này nhỏ hơn so với RS232 nhƣng bù lại đƣờng truyền cân bằng của RS485 lại cung cấp một khả năng triệt nhiễu khá tốt.
Một đặc tính quan trọng của RS485 là khả năng ghép nối nhiều điểm truyền nhận vì vậy mà RS485 đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống bus. Cụ thể là 32 thiết bị có thể tham gia ghép nối, định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong mạng mà không cần bộ lặp.
Để đạt đƣợc điều này, tại cùng thời điểm chỉ một thiết bị đƣợc phép kiểm soát đƣờng truyền và phát tín hiệu. Vì vậy, một số bộ phát phải đƣa vào trạng thái tổng trở cao sau khi kết thúc quá trình truyền để tạo điều kiện cho các thiết bị khác tham gia vào đƣờng truyền. Một số IC RS485 có khả năng tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trƣờng hợp thì việc này đƣợc thực hiện bởi phần mềm điều khiển. Trong mạch của bộ kích RS485 có một tín hiệu vào cho phép (Enable) đƣợc dùng cho mục đích chuyển bộ kích về trạng thái phát tín hiệu hay tổng trở cao.
Bảng 1.1: Một số thông số của chuẩn truyền dẫn RS-485
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa
Điện áp đầu ra hở mạch ±1.5 V ±6 V
Điện áp đầu ra khi có tải RLoad = 54 Ω ±1.5 V ±5 V
Dòng ra ngắn mạch ±250 mA
Độ nhạy cảm đầu vào -7V < VCM < 12V ±200 mV
Điện áp chế độ chung -7 V 12 V
Trở kháng đầu vào 12 KΩ
1.2.2.3. Mối quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
Với các tốc độ cao hơn, khoảng cách truyền bị giảm xuống. Ví dụ, với tốc độ 1 Mbps khoảng cách là 400 feet còn với tốc độ 10 Mbps khoảng cách lớn nhất chỉ là 50
21
feet. Các số liệu trên đƣợc đo với dây xoắn, không bọc giáp, có điện trở phản sóng theo chuẩn AWG-24.
Tốc độ truyền tải tối đa cũng phụ thuộc vào chất lƣợng cáp mạng, cụ thể là dây xoắn đôi loại STP có khả năng chống nhiễu tốt hơn loại UTP và vì thế có khả năng truyền tải với tốc độ cao hơn. Có thể sử dụng bộ lặp để tăng số thiết bị trong mạng cũng nhƣ chiều dài đƣờng truyền, đồng thời đảm bảo đƣợc tính chính xác của tín hiệu. Số lƣợng các bộ lặp cho phép phụ thuộc vào hệ thống truyền thông cụ thể, ví dụ nhƣ số lƣợng tối đa địa chỉ có thể đánh đƣợc cho các thiết bị.
10.000 1000 100 10 10K 100K 1M 10M Tốc độ truyền (Bits/Second) C hi ều d ài d ây d ẫn ( m )
Hình 1.14: Quan hệ giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn
1.2.2.4. Cáp nối trong mạng RS-485
RS485 không phải là một tiêu chuẩn đầy đủ mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy nó không đƣa ra các quy định cho cáp nối cũng nhƣ các bộ nối. Có thể dùng cáp đôi xoắn, cáp trơn hay các loại cáp khác với trởi kháng 120 Ω và 22–24 AWG. Tuy nhiên cáp đôi xoắn vẫn là cáp đƣợc sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạo nhiễu và xuyên âm của nó.
1.2.2.5. Vai trò của trở đầu cuối
Do tốc độ truyền thông và chiều dài dây dẫn là khác nhau trong các ứng dụng nên hầu nhƣ tất cả các bus RS485 đều yêu cầu sử dụng trở đầu cuối tại hai đầu dây. Sử dụng trở đầu cuối có tác dụng chống lại các hiệu ứng phụ trong truyền dẫn tín hiệu (ví dụ nhƣ sự phản xạ tín hiệu). Trở đầu cuối có thể dùng từ 100 ÷ 120 .
Một sai lầm gây tác hại nghiêm trọng thƣờng gặp trong thực tế đó là dùng trở đầu cuối tại mỗi thiết bị. Vì tải đầu cuối chiếm tải phần lớn trong toàn mạch cho nên trong trƣờng hợp này dòng qua tải đầu cuối lớn dẫn tới tín hiệu mang thông tin bị suy giảm mạnh làm sai lệch hoàn toàn tín hiệu.
22
Trong trƣờng hợp truyền với khoảng cách ngắn và tốc độ truyền thấp ta có thể không cần tải đầu cuối. Tín hiệu suy giảm sẽ đƣợc triệt tiêu sau vài lần qua lại. Tốc độ truyền dẫn thấp đồng nghĩa với chu kỳ nhịp bus dài. Nếu tín hiệu phản xạ triệt tiêu hoàn toàn trƣớc thời điểm trích mẫu ở nhịp tiếp theo (thƣờng vào giữa chu kỳ) thì tín