Truyền dữ liệu, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phương pháp này, các bit được truyền từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền. Cũng chính vì không có một đường dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc đồng bộ hóa thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thỏa thuận trên cơ sở một giao thức truyền thông.
Các chuẩn truyền dẫn TIA/EIA:
EIA (Electronic Industry Association) và TIA (Telecommunication Industry Association) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện cho truyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp.
Theo nghĩa truyền thống, một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là các quy định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị cuối xử lý dữ liệu (Data Terminal Equipment – DTE) và các thiết bị truyền dữ liệu (Data Communication Equipment – DCE). Một ví dụ tiêu biểu của giao diện DTE/DCE là chuẩn RS-232 giữa máy tính và Modem. Tuy vậy, phạm vi sử dụng các chuẩn truyền nối tiếp không chỉ hạn chế ở việc kết nối gữa các DTE và DCE theo nghĩa cổ điển.
1. RS-232.
1. Khái niệm và chuẩn quốc tế.
RS-232 (Hiện nay được gọi với tên quốc tế là EIA/TIA-232) tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V2.4 lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm – điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE – Data Terminal Equipment) ví dụ giữa hai máy (PC, PLC, v.v…), giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối
và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE – Data Communication Equipment) ví dụ giữa máy tính và Modem (dùng dây Console để cấu hình mạng cho Modem qua máy tính).
2. Đặc tính điện học.
RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và mass. Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng -15V 15V. Khoảng từ 3V 15V ứng với giá trị logic 0, từ -15V -3V ứng với giá trị logic 1.
Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2KBd (chiều dài cho phép 30-50m). Hiện nay đã có những mạch thu phát đạt tốc độ 460KBd và hơn nữa, tuy nhiên tốc độ truyền dẫn thực tế lớn hơn 115.2KBd theo chuẩn RS-232 trong một hệ thống làm việc dựa vào ngắt là một điều khó có thể thực hiện.
Một ưu điểm của chuẩn RS-232 là có thể sử dụng công suất phát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7KΩ.
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa
Điện áp đầu ra hở mạch 25V
Điện áp đẩu ra khi có tải 3KΩ≤ RL≤ 7KΩ 5V 15V
Trở kháng đẩu ra khi cắt nguồn -2V ≤ VO ≤ 2V 300Ω
Điện dung tải 2500pF
Trở kháng đầu vào 3V ≤ VI≤ 25V 3KΩ 7KΩ
Ngưỡng cho giá trị logic 0 3V
Ngưỡng cho giá trị logic 1 -3V
Bảng 1: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-232.
3. Giao diện cơ học.
Chuẩn EIA/TIA-232F quy định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9 (9 chân), DB-25 (25 chân) và ALT-A (26 chân), trong đó hai loại đầu được sử dụng rộng rãi hơn, nhất là loại DB-9. Loại DB-9 cũng đã được chuẩn hóa riêng trong EIA/TIA-574.
o Pin 1 - DCD (Data Carrier Detect) được dùng để kiểm soát truy nhập đường truyền. Một trạm nhận tín hiệu DCD là OFF sẽ hiểu là trạm đối tác chưa đóng mạch yêu cầu gửi dữ liệu (chân RTS – Pin 7) và vì thế có thể đoạt quyền kiểm soát đường truyền nếu cần thiết. Ngược lại, tín hiệu DCD là ON chỉ thị bên đối tác đã gửi tín hiệu RTS và giành quyền kiểm soát đường truyền.
o Pin 2 - RxD (Receive Data) nhận dữ liệu từ đường truyền.
o Pin 3 - TxD (Transmit Data) gửi dữ liệu lên đường truyền.
o Pin 4 - DTR (Data Terminal Ready) thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông. Qua việc giữ mạch DTR ở trạng thái ON, thiết bị đầu cuối cho phép DCE của nó ở chế độ tự trả lời chấp nhận lời kêu gọi không yêu cầu. Mạch DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa (chế độ cục bộ).
o Pin 5 - GND: Chân nối mass.
o Pin 6 - DSR (Data Set Ready, DCE Ready): Cả hai Modem chuyển mạch DSR sang ON khi một đường truyền thông đã được thiết lập giữa hai bên.
o Pin 7 - RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu. Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với Modem của nó. Thông tin này cũng được chuyển tiếp tới Modem xa.
o Pin 8 - CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, một trạm được thông báo rằng modem của nó đã sẵn sàng nhận dữ liệu từ trạm và kiểm soát đường điện thoại cho việc truyền dữ liệu đi xa.
o Pin 9 - RI (Ring Indicator): Khi modem nhận được một lời gọi, mạch RI chuyển ON/OFF một cách tuần tự với chuông điện thoại báo để báo hiệu cho trạm đầu cuối. Tín hiệu này chỉ thị rằng một Modem xa yêu cầu thiết lập liên kết dial-up.
2. Chế độ làm việc.
Chế độ làm việc hai chiều toàn phần (full – duplex): Hai thiết bị tham gia truyền tin đều có thể thu và phát tín hiệu cùng một lúc. Việc thực hiện truyền thông cần tối thiểu 3 dây dẫn, và việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn tín hiệu thuộc về trách nhiệm của phân mềm.
Một số ví dụ về kiểu ghép nối của RS-232 tùy vào các trường hợp.
Hình 10: Ví dụ ghép nối với RS-232
1. RS-485.
RS-485 hiện nay được gọi với tên chuẩn quốc tế là EIA/TIA-485, là chuẩn duy nhất do EIA đưa ra mà có khả năng truyền thông đa điểm thực sự chỉ dùng một đường dẫn chung duy nhất, được gọi là bus. Được thiết kế với mục đích có thể dùng nhiều hơn hai trạm trên một đường truyền mà chuẩn RS-232 không làm được (chuẩn RS-232 chỉ có thể kết nối hai trạm trên một đường truyền).
RS-485 cho phép sử dụng tối đa 32 thiết bị (tải đường truyền) tham gia vào đường một truyền. Vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus trường. 32 trạm được ghép nối được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp.
RS-485 sử dụng cấu hình mạng phổ biến nhất là sử dụng hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu.
Hình 9: Cấu hình mạng RS-485 hai dây (A và B).
RS-485 không phải là một chuẩn chọn vẹn mà chỉ là một chuẩn về đặc tính điện học, vì vậy không có các quy định cho cáp nối cũng như các bộ nối. Có thể dùng đôi dây xoắn, cáp trơn hoặc các loại cáp khác, tuy nhiên đôi dây xoắn vẫn là loại cáp được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính chống tạp nhiễu và xuyên âm.
RS-485 sử dụng phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng, tức là sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây dẫn (dây âm và dây dương) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất.
Thông số Điều kiện Tối thiểu Tối đa
Điện áp đầu ra hở mạch ±1,5V ±6V
Điện áp đầu ra khi có tải RLOAD = 54Ω ±1.5V ±5V
Dòng ra ngắn mạch ±250mA
Thời gian quá độ đầu ra RLOAD = 54Ω
CLOAD = 54pF
30% Tb*
Điện áp chế độ chung đầu ra VOC
RLOAD = 54Ω -1V 3V
Độ nhạy cảm đầu vào -7V≤VCM≤12V ±200mV
Điện áp chế độ chung VCM -7V 12V
Bảng 2: Tóm tắt các thông số quan trọng của RS-485.
Hình 10: Quy định trạng thái logic của tín hiệu RS-485.
3. Chế độ làm việc.
Chế độ truyền bán song công hay hai chiều gián đoạn (half-duplex) đối với cấu hình hai dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, giá thành đầu tư ít hơn.
Và chế độ truyền song công hay hai chiều toàn phần (full-duplex) với cấu hình bốn dây dẫn cho việc truyền tín hiệu, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ truyền tải thông tin cao, tuy nhiên giá thành cao hơn.
Mặc dù mức tín hiệu được xác định bằng điện áp chênh lệch giữa hai dây dẫn A và B không có liên quan tới hệ đất, hệ thống RS-485 vẫn cần một đường dây nối đất để tạo một đường thoát cho nhiễu chế độ chung và các dòng khác, ví dụ dòng đầu vào bộ thu.