Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu chế tạo hệ thống mạng điều khiển và kiểm soát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) từ xa. Ứng dụng trong bảo quản các trang thiết bị quốc phòng

Chia sẻ: Tomjerry001 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là chế tạo thành công hệ thống mạng điều khiển và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm hướng tới ứng dụng trong bảo quản vũ khí, trang bị kỹ thuật trong quân đội. Hệ thống gồm các modul đo nhiệt độ, độ ẩm trong các thùng bảo quản (các slave), đồng thời điều khiển máy hút ẩm duy trì độ ẩm trong khoảng từ 45%-55%. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm được truyền về master được lưu trữ trong thẻ nhớ tại master. Khoảng cách tối đa giữa master và các slave là 1200m và có thể lớn hơn nếu sử dụng các bộ lặp. Phần mềm trên máy tính sẽ thu thập dữ liệu do master truyền về, hiển thị lên giao diện màn hình và lưu các số liệu nhiệt ẩm vào file excel.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ điện tử viễn thông: Nghiên cứu chế tạo hệ thống mạng điều khiển và kiểm soát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) từ xa. Ứng dụng trong bảo quản các trang thiết bị quốc phòng

IH QU GI H N I ƢỜ Ọ Ệ ỒNG PH M KHÔI NGHIÊN CỨU CHẾ T O HỆ THỐNG M ỀU KHIỂN VÀ KIỂM SOÁT CÁC THÔNG SỐ M ƢỜNG (NHIỆ Ộ, Ộ ẨM) TỪ XA. ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN CÁC TRANG THIẾT BỊ QUỐC PHÒNG. Ệ Ệ - Ễ Ộ – 2014
IH QU GI H N I ƢỜ Ọ Ệ ỒNG PH M KHÔI NGHIÊN CỨU CHẾ T O HỆ THỐNG M ỀU KHIỂN VÀ KIỂM SOÁT CÁC THÔNG SỐ M ƢỜNG (NHIỆ Ộ, Ộ ẨM) TỪ XA. ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN CÁC TRANG THIẾT BỊ QUỐC PHÒNG. Ng nh: Công nghệ iện tử - Viễn thông huy n ng nh: Kỹ thuật iện tử Mã số: 60 52 02 03 Ệ Ệ - Ễ ƢỜ ƢỚ Ẫ Ọ -TS. TRẦN QUANG VINH Ộ – 2014
2 MỤC LỤC LỜI M O N.................................................................................................. 0 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................... 5 Danh mục các bảng ............................................................................................... 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................ 5 MỞ ẦU ............................................................................................................... 8 hƣơng 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 9 1.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống........................................................................... 9 1.2. Mục ti u đề tài .......................................................................................... 10 1.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 10 1.3.1. Nghiên cứu lý thuyết: ........................................................................ 10 1.3.2. Thiết kế hệ thống:.............................................................................. 10 1.4. Giới hạn đề tài .......................................................................................... 10 1.5. Ý nghĩa thực tiễn. ..................................................................................... 11 hƣơng 2: Ơ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................ 12 2.1. Chuẩn EIA RS-232-C .............................................................................. 12 2.1.1. Những đặc điểm cần lƣu ý trong chuẩn RS-232 ............................... 12 2.1.2. Các mức điện áp thƣờng truyền ........................................................ 12 2.1.3. Cổng RS-232 trên PC ........................................................................ 13 2.1.4. Truyền dữ liệu ................................................................................... 13 2.1.5. Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC max232 ......................................... 14 2.2. Chuẩn RS-422/RS-485 ............................................................................. 15 2.2.1. Cấu hình mạng 2-dây RS-485 ........................................................... 16 2.2.2. Cấu hình mạng 4-dây RS-485 ........................................................... 16 2.2.3. Kết thúc cáp ....................................................................................... 17 2.2.4. ịnh thiên trong mạng RS-485 ......................................................... 17 2.3. Giao thức MODBUS ................................................................................ 19 2.3.1. MODBUS là gì? ................................................................................ 19 2.3.2. Nguyên tắc hoạt động của MODBUS ............................................... 19 2.3.3. Sơ đồ trạng thái của Modbus ............................................................ 21 2.4. Kỹ thuật CRC ........................................................................................... 23 2.3.1. Lý thuyết CRC .................................................................................. 23 2.3.2. Thuật toán CRC................................................................................. 23 hƣơng 3 CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG .............................................. 25 3.1. ATmega128 .............................................................................................. 25 3.1.1. Giới thiệu về ATmega128 ................................................................. 25 3.1.2. Cấu trúc bộ nhớ ................................................................................. 26
3 3.1.3. Các cổng vào ra ................................................................................. 28 3.1.4. Các bộ định thời của ATmega128 .................................................... 29 3.1.6. Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp USART........................................... 31 3.2. ATmega16 ................................................................................................ 32 3.3. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11 ............................................................ 33 3.3.1. Các thông số kỹ thuật .................................................................... 33 3.3.2. Khởi động cảm biến ...................................................................... 34 3.3.3. Gửi một lệnh.................................................................................. 34 3.3.4. o độ ẩm và nhiệt độ .................................................................... 35 3.3.5. Chuỗi reset kết nối ........................................................................ 35 3.3.6. Tính toán tổng kiểm tra CRC-8..................................................... 35 3.3.7. Thanh ghi trạng thái ...................................................................... 36 3.3.8. Chuyển đổi tín hiệu ra ....................................................................... 37 3.4. MMC/SD card .......................................................................................... 39 3.4.1. Sơ lƣợc về MMC/SD card................................................................. 39 3.4.2. Giao tiếp AVR với MMC/SD card ................................................... 40 hƣơng 4 : THIẾT KẾ HỆ TH NG .................................................................. 47 4.1. Phần cứng ................................................................................................. 47 4.1.1. Sơ đồ nguyên lý master ..................................................................... 47 4.1.2. Sơ đồ nguyên lý slave ....................................................................... 51 4.2. Phần mềm ................................................................................................. 52 4.2.1. Giới thiệu công cụ lập trình CodeVisionAVR .................................. 52 4.2.2. Phần mềm cho master ....................................................................... 53 4.2.3. Phần mềm cho slave .......................................................................... 59 4.3. Lập trình phần mềm giao diện PC sử dụng VB.NET .............................. 62 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 64 Kết quả ............................................................................................................ 64 Hạn chế ............................................................................................................ 64 Hƣớng phát triển đề tài.................................................................................... 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA H LIÊN QU N ẾN LUẬN VĂN . 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 64 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 66
4 LỜ M Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn n y l do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy giáo PGS-TS. Trần Quang Vinh. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều đƣợc trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đ o tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tác giả luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) ồng Phạm Khôi
5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt SD card Secure Digital card EIA Electronic Industries Alliance TIA Telecommunications Industry Association IC Integrated circuit MMC card Multi Media Card PC Personal computer LCD Liquid-crystal display TTL Time to live ASCII American Standard Code for Information Interchange RTU Remote terminal unit CRC Cyclic Redundancy Check UART Universal asynchronous Receiver/Transmitter USART Universal Synchronous Receiver/Transmitter SPI Serial Peripheral Interface TQFP Thin quad flat pack EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory SRAM Static random-access memory I/O Input/output SHT Digital humidity and temperature sensor MSB Most Significant Byte or Most Significant Bit LSB Least Significant Byte or Least Significant Bit RH Relative humidity RxD Receive data pin TxD Transmit data pin INT Interrupt FAT File Allocation Table RTC Real-time clock VB.NET Visual Basic.NET Danh mục các bảng Bảng 3.1: bảng véc tơ ngắt của ATmega128 Bảng 3.2: Danh sách lệnh của SHT1x Bảng 3.3: Các hệ số chuyển đổi tối ưu cho sensor độ ẩm V4 Bảng 3.4: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.5: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.6: Các tham số để tính toán điểm sương (Td). Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Hình 1.2: Kho bảo quản tên lửa hàng không
6 Hình 2.1 : Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS-232 Hình 2.2: Cổng RS-232 trên PC Hình 2.3: Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC Max232 Hình 2.4: Liên kết RS-422 điểm-điểm Hình 2.5: Cấu hình mạng 2-dây RS-485 Hình 2.6: Đường truyền với kết thúc cáp Hình 2.7: Mạng RS-485 với hai điện trở 120Ω kết thúc cáp Hình 2.8: Khung Modbus trên đường truyền nối tiếp Hình 2.9: Cấu trúc khung ký tự ASCII Hình 2.10: Cấu trúc khung ký tự RTU Hình 2.11: Sơ đồ trạng thái của master Hình 2.12: Sơ đồ trạng thái của slave Hình 3.1: Bố trí chân của ATMEGA128 Hình 3.2: Bản đồ bộ nhớ dữ liệu Hình 3.3: Sơ đồ khối đơn giản của khối USART Hình 3.4: Hình dạng và kích thước của cảm biến nhiệt ẩm SHT11 Hình 3.5: Độ chính xác và dải hoạt động của các loại cảm biến SHT Hình 3.6:Sơ đồ chân của SHT11 Hình 3.7:Mạch ứng dụng của SHT11 Hình 3.8: Chuỗi khởi tạo truyền “Transmission Start” Hình 3.9: Chuỗi khởi tạo kết nối Connetion Reset Sequence Hình 3.10: Ghi vào thanh ghi trạng thái Hình 3.11: Đọc thanh ghi trạng thái Hình 3.13: Ví dụ về chuỗi đo RH Hình 3.12: Tổng quan của chuỗi đo. TS=khởi tạo truyền, MSB=Byte tín hiệu cao nhất, LSB = Byte tín hiệu sau cùng, LSb= Bít tín hiệu cuối cùng. Bảng 6: Các hệ số chuyển đổi tối ưu cho sensor độ ẩm V4 Hình 3.13: Chuyển đổi từ SORH sang độ ẩm tương đối Bảng 3.3: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.4: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.5: Các tham số để tính toán điểm sương (Td). Hình 3.14: Bố trí chân của MMC và SD card Hình 3.15: IC CD4050 chuyển đổi mức tín hiệu giữa vi điều khiển và MMC/SD card Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của master Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý khối thu/phát dữ liệu Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp giữa master và PC Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch thời gian thực DS1307 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh thời gian Hình 4.7: Sơ đồ mạch in master Hình 4.8: Mạch in master sau khi lắp ráp linh kiện
7 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của slave Hình 4.10: Sơ đồ mạch in của các slave Hình 4.11: Mạch in slave sau khi lắp ráp linh kiện và chạy thử Hình 4.12: Tạo một Project mới trong CodeVisionAVR Hình 4.12: Lựa chọn dòng vi điều khiển Hình 4.13: Chọn loại vi điều khiển và tần số hoạt động Hình 4.24: Chọn ngắt ngoài và chế độ hoạt động của ngắt Hình 4.15: Cấu hình cho timer1 Hình 4.16: Cấu hình cho UART0 Hình 4.17: Cấu hình cho UART1 Hình 4.18: Cấu hình cho I2C giao tiếp với DS1307 Hình 4.19: Cấu hình để giao tiếp với LCD2004 Hình 4.20: Tạo và lưu Project Hình 4.21: Tạo một Project mới Hình 4.22: Lựa chọn dòng vi điều khiển Hình 4.23: Chọn loại vi điều khiển và tần số hoạt động Hình 4.24: Cấu hình cho UART Hình 4.25: Cấu hình giao tiếp với LCD 1602 Hình 4.26: Giao diện chương trình trên PC Hình 4.27: Giao diện chương trình khi hoạt động Hình 4.28: Chạy thử toàn bộ hệ thống
8 MỞ ẦU Hiện nay Quân đội ta đang bảo quản một số lƣợng lớn các trang bị quân sự, với khí hậu nhiệt đới, độ ẩm và nhiệt độ cao v bi n độ thăng giáng lớn ảnh hƣởng rất lớn tới tuổi thọ và khả năng sẵn sang chiến đấu của các trang bị quân sự. Theo các nghiên cứu về kỹ thuật nhiệt đới thì khoảng độ ẩm từ 40-60% là phù hợp cho hầu hết các loại vật liệu. Trong khoảng này các loại vật liệu từ kim loại đến phi kim ít bị ăm mòn nhất, khoảng độ ẩm n y cũng hạn chế sự phát triển của các loại nấm mốc. Với các vũ khí trang bị hiện đại thì đƣợc bảo quản trong điều kiện này là cần thiết. Hệ thống tôi dự kiến chế tạo sẽ gồm các modul đo nhiệt độ v độ ẩm của các hòm bảo quản tên lửa, các thông số đo đƣợc l cơ sở để điều khiển máy hút ẩm duy trì độ ẩm trong các thùng bảo quản từ 40-60%, các số liệu về nhiệt độ v độ ẩm của từng thùng bảo quản cũng đƣợc gửi về máy tính dựa trên giao thức Modbus qua đƣờng truyền RS-485 để hiển thị lên máy tính. Phần mềm trên máy tính có chức năng hiển thị độ ẩm hiện thời, trạng thái hoạt động của máy hút ẩm v lƣu các giá trị n y v o cơ sở dữ liệu trên máy tính. Ngoài việc lƣu giữ số liệu trên máy tính thì hệ thống còn có thể lƣu số liệu vào thẻ nhớ SD card, đảm bảo khi tắt máy tính hoặc khi đƣờng truyền có sự cố thì số liệu vẫn đƣợc lƣu giữ trong SD card. Hệ thống đƣợc thiết kế đơn giản, dễ vận hành, bảo trì và sửa chữa, có độ chính xác cao, giá thành rẻ các vật tƣ linh kiện hầu hết có sẵn trên thị trƣờng Việt Nam.
9 hƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1. ơ đồ tổng quan hệ thống LCD2004 MASTER MAX232 PC ATMEGA128 MAX485 DS1307 MMC/SD CARD BUS RS485 SHT11 SLAVE 1 LCD1602 Hòm bảo quản 1 Máy hút ATMEGA16 MAX485 ẩm 1 RELAY ... BUS RS485 SHT11 SLAVE N LCD1602 Hòm bảo quản N Máy hút ATMEGA16 MAX485 ẩm N RELAY Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Trên hình 1.1 hệ thống gồm 1 master và các slave đƣợc nối với nhau theo chuẩn truyền thông EIA/TIA-485. Master và các slave giao tiếp với nhau theo giao thức MODBUS RTU. Các thành phần chính của master: Vi điều khiển ATmega128, màn hình LCD2004 gồm 20 cột và 4 hàng, IC MAX232 giao tiếp với máy tính PC theo chuẩn RS-232, IC thời gian thực DS1307, thẻ nhớ để lƣu trữ dữ liệu nhiệt độ v độ ẩm theo chu kỳ đặt trƣớc, IC MAX485 nối với đƣờng truyền theo chuẩn EIA/TIA-485. Các thành phần chính của slave: Vi điều khiển ATmega16, màn hình LCD1602 gồm 16 cột và 2 hàng, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11, rơ le để điều khiển máy hút ẩm, IC truyền nhận dữ liệu MAX485. Nhiệm vụ của master: - Chịu trách nhiệm điều khiển đƣờng truyền RS-485 dựa trên giao thức MOSBUS RTU để giao tiếp với các slave nhằm thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng, trạng thái các máy hút ẩm…
10 - Hiển thị các dữ liệu thu đƣợc lên màn hình LCD2004. - Truyền toàn bộ dữ liệu tới máy tính P thông qua đƣờng truyền RS-232. - ọc thông tin thời gian trên IC thời gian thực DS1307 rồi lƣu dữ liệu vào thẻ nhớ (MMC/SD card) theo chu kỳ đặt trƣớc. Nhiệm vụ của các slave: - Giao tiếp với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để lấy thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng. - Hiển thị các giá trị này lên màn hình LCD 1602. - iều khiển máy hút ẩm để duy trì độ ẩm trong các thùng bảo quản trong khoảng từ 45% đến 55%. - Truyền các dữ liệu tới master khi đƣợc master yêu cầu. Nhiệm vụ của PC: - Nhận dữ liệu từ master qua cổng COM. - Hiển thị dữ liệu lên giao diện của chƣơng trình phần mềm thu thập số liệu. - Lƣu dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng, trạng thái hoạt động của các máy hút ẩm theo thời gian. 1.2. Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống mạng điều khiển và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm hƣớng tới ứng dụng trong bảo quản vũ khí, trang bị kỹ thuật trong quân đội. - Hệ thống gồm các modul đo nhiệt độ, độ ẩm trong các thùng bảo quản (các slave), đồng thời điều khiển máy hút ẩm duy trì độ ẩm trong khoảng từ 45%-55%. - Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đƣợc truyền về master đƣợc lƣu trữ trong thẻ nhớ tại master. Khoảng cách tối đa giữa master và các slave là 1200m và có thể lớn hơn nếu sử dụng các bộ lặp. - Phần mềm trên máy tính sẽ thu thập dữ liệu do master truyền về, hiển thị lên giao diện m n hình v lƣu các số liệu nhiệt ẩm vào file excel. 1.3. Nội dung nghiên cứu 1.3.1. Nghiên cứu lý thuyết: - Chuẩn EIA RS-232-C - Chuẩn EIA/TIA-485 - Giao thức Modbus - Các linh kiện chính sử dụng trong hệ thống 1.3.2. Thiết kế hệ thống: - Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho master - Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in cho slave - Lập trình phần mềm cho master - Lập trình phần mềm cho slave - Lập trình phần mềm cho PC 1.4. Giới hạn đề tài Do thời gian nghiên cứu hạn chế nên tôi mới chỉ chế tạo mẫu gồm 1 master, 4 slave. Tuy nhiên hệ thống hoàn toàn có thể tăng số lƣợng slave lên 32 slave.
11 1.5. Ý nghĩa thực tiễn. Hình 1.2: Kho bảo quản tên lửa hàng không - Hệ thống có khả năng ứng dụng trong thực tiễn bảo quản vũ khí trang bị của Quân đội nhằm hạn chế ảnh hƣởng của khí hậu nhiệt đới l n vũ khí, trang bị, kéo dài tuổi thọ của vũ khí trang bị, đặc biệt l các vũ khí trang bị đắt tiền. - Hệ thống cũng có thể đƣợc ứng dụng trong các kho bảo quản quân trang, quân nhu, các kho lƣơng thực, thực phẩm…
12 hƣơng 2 Ơ Ở LÝ THUYẾT 2.1. Chuẩn EIA RS-232-C Chuẩn giao tiếp RS-232 là một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay để nối ghép các thiết bị ngoại vi với máy tính. Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là hai thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu l 12.5m đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi l tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. Chuẩn RS-232 đƣợc nối ra một dắc cắm (gọi là cổng COM). Khi sử dụng có thể dùng hai hay toàn bộ chân của dắc cắm này, nếu mục đích chỉ truyền hoặc nhận tín hiệu giữa hai thiết bị thì ta chỉ cần sử dụng hai dây (một dây truyền hoặc nhận và một dây nối đất). Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp là trong một thời điểm chỉ có một bít đƣợc gửi đi dọc theo đƣờng truyền. ác máy tính thƣờng có một hoặc hai cổng nối tiếp theo chuẩn RS-232 đƣợc gọi là cổng OM. húng đƣợc dùng để ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lƣờng…Tr n main máy tính có loại 9 chân hoặc loại 25 chân tùy v o đời máy và main của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS-232 cũng tƣơng đối dễ d ng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động l không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp. 2.1.1. Những đặc điểm cần lƣu ý trong chuẩn RS-232 - Trong chuẩn RS-232 có mức giới hạn tr n v dƣới( logic 0 và 1) là 12V. Hiện nay đang đƣợc cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000-7000 - Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ 3V đến 12V. - Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể lớn hơn). - Các lối vào phải có diện dung nhỏ hơn 2500pF. - Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 nhƣng phải nhỏ hơn 7000 . - ộ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS-232 không vƣợt quá 15m nếu không sử dụng modem. - Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 750, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, …, 56600, 115200bps. 2.1.2. Các mức điện áp thƣờng truyền RS-232 sử dụng phƣơng thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn v đất. Do đó ngay từ lúc mới ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vẫn sử dụng các mức điện áp tƣơng thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1. Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải và các trở kháng ra của bộ phát. Hình 2.1 : Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS-232
13 Mức điện áp của tiêu chuẩn RS-232 (chuẩn thƣờng đƣợc dùng bây giờ) đƣợc mô tả nhƣ sau: - Mức logic 0: +3V, +12V. - Mức logic 1: -12V, -3V. Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến. Chính vì từ -3V tới 3V là phạm vi không đƣợc định nghĩa, trong trƣờng hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vƣợt qua quãng quá độ trong một thời gian ngắn hợp lý. iều này dẫn tới việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đƣờng truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. a số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2kbit/s [2, 3]. 2.1.3. Cổng RS-232 trên PC Chức năng của các chân : - Chân 1 : data carier detect (DCD) là chân phát tín hiệu mang dữ liệu. - Chân 2 : Receive data (RxD) là chân nhận dữ liệu. - Chân 3 : Transmit Data (TxD) là chân truyền dữ liệu. - hân 4 : Data Termial Ready (DTR) l chân đầu cuối dữ liệu sẵn s ng đƣợc kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu. - Chân 5 : Signal Ground (SG) chân mass của tín hiệu - Chân 6: Data set ready (DSR) chân dữ liệu sẵn s ng, đƣợc kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu. - Chân 7: Request to send chân yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đƣờng này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu. - Chân 9: Ring Indicate (RI) báo chuông cho biết là bộ phận đang nhận tín hiệu rung chuông. Hình 2.2: Cổng RS-232 trên PC 2.1.4. Truyền dữ liệu 2.1.4.1. Quá trình truyền dữ liệu. Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 đƣợc thực hiện không đồng bộ. Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit đƣợc truyền. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một ký tự sẽ đƣợc gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo. Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo đó l các bit dữ liệu (bit data) đƣợc gửi dƣới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7, hay 8 bit dữ liệu) sau đó l một Parity bit (kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng( bit stop) có thể là 1 hay 2 bit dừng [2].
14 2.1.4.2. Tốc độ baud ây là một tham số đặc trƣng của RS-232. Tham số n y chính l đặc trƣng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS-232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit. Tốc độ bit đƣợc định nghĩa l số bit truyền đƣợc trong thời gian 1 giây. Tốc độ bit này phải đƣợc thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ nhƣ nhau ( tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau một tốc độ truyền bit). Ngoài tốc độ bit còn một tham số để mô tả tốc độ truyền là tốc độ baud. Tốc độ baud liên quan đến tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu đƣợc sử dụng để diễn tả bit đƣợc truyền còn tốc độ bit thì phản ánh tốc độ mà phần tử mã hóa dữ liệu đƣợc sử dụng để diễn tả bit đƣợc truyền. Khi một phần tử mã hóa một bit dữ liệu thì hai tốc độ bit và tốc độ baud là phải đồng nhất. Một số tốc độ baud thƣờng dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200. Trong thiết bị thƣờng dùng tốc độ baud là 19200. Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS-232 thì yêu cầu khi sử dụng chuẩn là thời gian chuyển mức logic không vƣợt qua 4% thời gian truyền 1 bit. Do vậy, nếu tốc độ bit càng cao thì thời gian truyền 1 bit càng nhỏ thì thời gian chuyển mức logic càng phải nhỏ. iều này làm giới hạn tốc độ baud và khoảng cách truyền. 2.1.4.3. Bit chẵn lẻ hay Parity bit ây l bit kiểm tra lỗi tr n đƣờng truyền. Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu đƣợc truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền. Do đó trong chuẩn RS-232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ. Một bit chẵn lẻ đƣợc bổ sung vào dữ liệu đƣợc truyền để thấy số lƣợng các bit “1” đƣợc gửi trong một khung truyền là chẵn hay lẻ. Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi nhƣ l 1, 3, 5, 7, 9… Nếu nhƣ một bit mắc lỗi thì bit Parity bit sẽ trùng giá trị với trƣờng hợp không mắc lỗi vì thế không phát hiện ra lỗi. Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi n y không đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi. 2.1.5. Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC max232 VCC C5 C3 1µF/25V P2 U6 16 1µF/25V 1 RxD 13 12 6 VCC 8 R1IN R1OUT 9 2 R2IN R2OUT 7 11 14 3 TxD 10 T1IN T1OUT 7 8 C1 T2IN T2OUT 4 1µF/25V 1 9 3 C1+ 5 4 C1- C2 5 C2+ 2 C2- Toi PC(Female) GND 1µF/25V 6 V+ V- C4 15 MAX232 1µF/25V Hình 2.3: Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC Max232
15 2.2. Chuẩn RS-422/RS-485 RS-422 và RS-485 l các t n thƣờng gọi cho 2 chuẩn truyền thông nối tiếp. Các chuẩn n y đƣợc quy ƣớc bởi Hiệp hội điện tử công nghiệp EIA (Electronics Industry Association) tên chính xác của các chuẩn này là EIA/TIA-422 và EIA/TIA-485. Các hệ thống truyền thông dựa trên RS-422 và RS-485 truyền các thông tin số trên cặp dây xoắn đôi từ các bộ phát tới các bộ thu. Các thiết bị có thể truyền nhận trong khoảng cách lên tới 4000 feet (1220 mét) khi không có bộ lặp. Các bộ truyền RS-422 có thể truyền tới 10 bộ nhận. Trong RS-485 32 bộ truyền cũng có thể dùng chung 1 đƣờng truyền. Tốc độ truyền tối đa của các hệ thống RS-422/RS-485 có thể lên tới 10 Mbit/s. Cả hai hệ thống đều dùng lối ra cân bằng và lối vào vi sai vì thế cho khả năng chống nhiễu tốt hơn so với chuẩn RS-232. Kết quả là chúng có khả năng truyền xa hơn v tốc độ truyền cao hơn so với chuẩn RS-232 [4, 6]. RS-422 là một lựa chọn tốt để mở rộng khoảng cách và tốc độ của các kết nối điểm-điểm. Trong các trƣờng hợp dữ liệu phải truyền qua một khoảng cách lớn v đi qua các vùng có nhiễu điện từ thì RS-422 có thể thay thế cho RS-232 với độ tin cậy cao. Hình 2.4: Liên kết RS-422 điểm-điểm RS-422 cũng có thể tạo ra liên kết điểm-đa điểm. Trong liên kết này, Master có thể truyền dữ liệu tới tất cả các Slave. Tuy nhi n để master có thể nhận dữ liệu trả lời của chỉ một slave trong một thời điểm thì phải sử dụng RS-485. RS-485 có thể đƣợc dùng trong các hệ thống mạng 2 dây hoặc 4 dây. Khả năng điều khiển đƣờng truyền 3 trạng thái của các bộ truyền RS-485 cho phép nhiều bộ truyền đƣợc kết nối tới một đôi dây theo cấu hình bus (truyền/nhận tr n cùng 1 đôi dây). Với hệ thống 4 dây, bộ truyền của master đƣợc kết nối tới tất cả các slave nhận tr n 1 đôi dây và tất cả các slave truyền đƣợc kết nối với master nhận tr n đôi dây còn lại [4]. RS-485 đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp nhƣ PROFIBUS, INTERBUS, v các hệ thống khác đƣợc xây dựng dựa trên công nghệ RS-485. Các chuẩn EIA/TIA-422 và EIA/TIA-485 không quy định các giao thức. Chúng chỉ đơn giản là các chuẩn của lớp vật lý. ó nghĩa l RS-422 và RS-485 có thể đƣợc áp dụng trong nhiều hệ thống và ứng dụng khác nhau. Thƣờng thì các chuẩn n y đƣợc dùng cho các liên kết nối tiếp. Các hệ thống sử dụng giao thức MODBUS thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạng đa điểm RS-485 [4, 5].
16 2.2.1. Cấu hình mạng 2-dây RS-485 Hình 2.5: Cấu hình mạng 2-dây RS-485 ƣờng truyền ba trạng thái của RS-485 cho phép truyền và nhận tín hiệu bán song công trên cùng một đôi dây, đây còn đƣợc gọi là cấu hình 2-dây, ngoài ra một dây đất phải đƣợc th m v o để nối đất chung các trạm thu phát [4]. 2.2.2. Cấu hình mạng 4-dây RS-485 ũng giống nhƣ hệ thống mạng 2-dây, cái t n “4-dây” đôi khi gây nhầm lẫn. Trong thực tế hệ thống 4-dây phải sử dụng tới 5 dây để đảm bảo độ tin cậy. ặc trƣng cho hệ thống 4-dây là việc thực thi giao thức master-slave. Trong trƣờng hợp này bộ truyền của master đƣợc nối với đôi dây của tất cả các bộ nhận của các slave. ôi dây còn lại nối tất cả các bộ truyền của slave với bộ nhận của master. Dây thứ 5 là dây tín hiệu nối đất chung, nó nối tới tất cả các nút để đảm bảo VCM nằm trong giới hạn cho phép [4]. Hình 2.6: Cấu hình mạng 4-dây RS-485
17 2.2.3. Kết thúc cáp Kết thúc cáp đƣợc dùng để phối hợp trở kháng giữa các nút với trở kháng của đƣờng truyền. Các tín hiệu số liệu truyền tr n đƣờng dây với tốc độ thấp hơn một chút so với tốc độ ánh sáng []. Khi các tín hiệu này tới điểm cuối của đƣờng truyền , nếu đƣờng truyền không có kết thúc cáp với trở kháng bằng trở kháng đƣờng truyền thì tín hiệu đƣợc truyền sẽ không đƣợc bảo toàn vì một phần tín hiệu sẽ phản xạ ngƣợc trở lại đƣờng truyền. Các tín hiệu phản xạ sẽ gây nhiễu cho tín hiệu thật và có thể gây ra lỗi, do đó cần phải hạn chế thấp nhất các tín hiệu phản xạ. Trong thực tế thƣờng sử dụng giải pháp thêm vào một điện trở song song nối giữa 2 đầu đƣờng truyền A và B của bộ thu để phối hợp trở kháng với cáp truyền. Giá trị n y đƣợc quy định bởi nhà máy sản xuất cáp (120Ω l giá trị quy ƣớc chung). Giá trị n y đặc trƣng cho trở kháng thực tế của đƣờng truyền và nó không phải là hàm của độ d i đƣờng truyền. Không n n dùng điện trở kết thúc cáp bé hơn 90Ω [4, 5]. Hình 2.6: Đường truyền với kết thúc cáp 2.2.4. ịnh thiên trong mạng RS-485 Khi một mạng RS-485 ở trạng thái rỗi (không có dữ liệu tr n đƣờng truyền) tất cả các bộ phát RS-485 ở trạng thái thụ động, các bộ phát ở trạng thái trở kháng cao. Các bộ thu đƣợc kích hoạt để nghe ngóng dữ liệu tiếp theo. Trong suốt thời gian này đƣờng truyền phải đƣợc cấu hình ở trạng thái rỗi (mặt nạ logic 1, VAB>200mV) vì thế khi một bộ phát muốn khởi tạo việc gửi dữ liệu nối tiếp thì trƣớc tiên phải truyền bit start bằng cách kéo đƣờng truyền từ mức logic 1 về mức logic 0. Tuy nhiên, vì tất cả các bộ phát đều đang ở trạng thái trở kháng cao vì vậy không có gì để giữ đƣờng truyền trong trạng thái rỗi vì không có bộ phát n o đang hoạt động trên mạng. ƣờng truyền bị rơi v o trạng thái bất định. Nếu VAB
18 Hình 2.7: Mạng RS-485 với hai điện trở 120Ω kết thúc cáp Giả sử một hệ thống có 10 bộ thu phát RS-485 đƣợc nối với nhau theo mạng hình bus (daisy-chain network). Hai điện trở kết thúc cáp 120Ω đƣợc nối vào tại hai điểm kết thúc của mạng. Mỗi nút có 2 điện trở định thi n 4.7kΩ, một điện trở kéo lên và một điện trở kéo xuống. Mỗi nút RS-485 có trở kháng tải đầu vào là 12K Ω. Nhƣ vậy 10 nút nối song song có tổng trở là 1200 Ω. Hai điện trở kết thúc cáp 120 Ω cho tổng trở là 60 Ω. Kết qua là tổng trở kháng tải mà tín hiệu truyền qua l ≈ 57 Ω. Mƣời nút mạng, mỗi nút có các điện trở định thiên là 4.7k Ω (một điện trở kéo l n v 1 điện trở kéo xuống) thì tổng trở định thiên là 470 Ω điện trở kéo lên và 470 Ω điện trở kéo xuống. Nhƣ vậy tổng trở tính từ 5V tới đất là 470 Ω + 57 Ω + 470 Ω = 997 Ω. Suy ra dòng qua các phân áp n y l 5V/997 Ω ≈ 5m [4]. Do đó điện áp tạo ra tr n đƣờng truyền là VAB = 5mA x 57 Ω = -285mV cao hơn mức tiêu chuẩn thấp nhất là -200mV (tiêu chuẩn quy định VAB phải lớn hơn - 200mV) [4, 6]. Cần lƣu ý rằng dòng điện có quan hệ mật thiết với các điện trở kết thúc cáp và các điện trở kết thúc cáp là các tải chính. Việc th m v o các nút có các điện trở định thiên sẽ l m tăng điện áp của đƣờng truyền ở trạng thái rỗi nhƣng dòng ti u thụ cũng
19 tăng theo. Việc giảm các nút lại làm cho điện áp đƣờng truyền ở trạng thái rỗi giảm đi và có thể không đủ (dƣới 200mV), vì thế cần phải tính toán các giá trị n y để hệ thống hoạt động tin cậy. 2.3. Giao thức MODBUS 2.3.1. MODBUS là gì? MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, là một phƣơng tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban đầu, nó hoạt động trên RS-232, nhƣng sau đó nó sử dụng cho cả RS-485 để đạt tốc độ cao hơn, khoảng cách d i hơn v nhiều slave trên một bus truyền. MODBUS đã nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa. MODBUS là một hệ thống “master - slave”, master đƣợc kết nối với một hay nhiều slave. Master thƣờng là một PLC, PC, DCS, hay RTU. Slave MODBUS RTU thƣờng là các thiết bị hiện trƣờng. Khi một master MODBUS RTU muốn có thông tin từ thiết bị slave, master sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị slave. Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp n y nhƣng chỉ có thiết bị n o đƣợc chỉ định mới có phản ứng. Các thiết bị slave trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối, chúng chỉ có thể phản ứng. Nói cách khác, slave sẽ gửi data về cho master chỉ khi master có yêu cầu. Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất đƣợc sử dụng ngày nay là: - MODBUS ASCII. - MODBUS RTU. - MODBUS/TCP. Tất cả thông điệp đƣợc gửi dƣới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại MODBUS là cách thức thông điệp đƣợc mã hóa. Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp đƣợc mã hóa bằng hexadecimal, sử dụng đặc tính S II 4 bit. ối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP. MODBUS ASCII chậm nhất trong 3 giao thức tr n, nhƣng lại thích hợp với modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASCII sử dụng các tính năng phân định thông điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phƣơng tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin. iều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm, điện thoại di động, kết nối ồn hay các phƣơng tiện truyền thông khó tính khác. ối với MODBUS-RTU, dữ liệu đƣợc mã hóa theo hệ nhị phân và chỉ cần một byte truyền thông cho một byte dữ liệu. ây l thiết bị lí tƣởng đối với RS-232 hay mạng RS-485 đa điểm, tốc độ baud từ 1200 đến 115.200. Tốc độ baud phổ biến nhất l 9600 đến 19200. MODBUS-RTU là giao thức công nghiệp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. MODBUS/T P đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thiết bị Master không kết nối trực tiếp với các thiết bị slave, thay v o đó các địa chỉ IP đƣợc sử dụng. Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS đƣợc tóm lƣợc đơn giản trong một gói T P/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/IP sẽ có hỗ trợ MODBUS/TCP. 2.3.2. Nguyên tắc hoạt động của MODBUS MOSBUS sử dụng giao thức master-slave. Tại một thời điểm chỉ có một master đƣợc kết nối với bus và một hoặc vài slave (tối đa l 247 slave) cùng kết nối tới đƣờng truyền nối tiếp. Chỉ master mới có quyền gửi yêu cầu, các slave không đƣợc truyền dữ