Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (13)

CHÀO MỪNG THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN
ĐẾN VỚI BÀI THUYẾT TRÌNH CỦA NHĨM 9


NỘI DUNG CỦA BUỔI THUYẾT TRÌNH

Giới
Giới thiệu
thiệu về
về giao
giao tiếp
tiếp UART,
UART, RS485
RS485

Ứng
Ứng dụng
dụng của
của UART,
UART, RS485
RS485

Cách
Cách thức
thức hoạt
hoạt động
động tổ
tổ chức
chức của
của UART,
UART, RS485

RS485

Ưu
Ưu và
và nhược
nhược điểm
điểm của
của UART
UART và
và RS485
RS485


Thành viên trong nhóm

Nguyễn
Nguyễn Ngọc
Ngọc Quang
Quang

Vũ
Vũ Văn
Văn Minh
Minh

Hồng
Hồng Minh
Minh Tân
Tân

Đặng
Đặng Quốc
Quốc Đăng
Đăng


Phần I. Chuẩn giao tiếp UART

1.Giới thiệu về giao tiếp UART, RS485

•
•
•
•

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter – Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ)
Là một trong những giao thức truyền thông giữa thiết bị với thiết bị được sử dụng nhiều nhất.
Được sử dụng trong các ứng dụng được khai báo ở trên.
Khi được cấu hình đúng cách, UART có thể hoạt động với nhiều loại giao thức nối tiếp khác nhau liên quan đến việc truyền và nhận dữ liệu
nối tiếp.


Tất cả các loại kiến trúc vi điều khiển đều có phần cứng UART tích hợp do giao tiếp nối tiếp và chỉ sử dụng hai cáp để liên lạc.  Dữ liệu truyền từ
chân Tx của UART truyền (Transmiter) đến chân Rx của UART nhận (Receiver):

1.TX (Transmiter) – Dây truyền dữ liệu
2.RX (Receiver) – Dây nhận dữ liệu

Hình 1. Chuẩn giao tiếp UART

Hình 2. Giao diện UART trên chân 0 và chân 1


•

UART truyền dữ liệu khơng đồng bộ, có nghĩa là khơng có tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa đầu ra của các bit từ UART truyền đến việc lấy
mẫu các bit bởi UART nhận.

•

Thay vì tín hiệu đồng hồ, UART truyền thêm các bit start và stop vào gói dữ liệu được chuyển. Các bit này xác định điểm bắt đầu và điểm kết
thúc của gói dữ liệu để UART nhận biết khi nào bắt đầu đọc các bit.

•

Khi UART nhận phát hiện một bit start, nó bắt đầu đọc các bit đến ở một tần số cụ thể được gọi là tốc độ truyền (baud rate). Tốc độ truyền là
thước đo tốc độ truyền dữ liệu, được biểu thị bằng bit trên giây (bps – bit per second).

•

Cả hai UART đều phải hoạt động ở cùng một tốc độ truyền. Tốc độ truyền giữa UART truyền và nhận chỉ có thể chênh lệch khoảng 10%
trước khi thời gian của các bit bị lệch quá xa.

•

Cả hai UART cũng phải được cấu hình để truyền và nhận cùng một cấu trúc gói dữ liệu.


Số lượng dây sử dụng

2

Tốc độ truyền

9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800, 921600,
1000000, 1500000

Phương pháp truyền

Bất đồng bộ

Truyền nối tiếp hay song song?

Nối tiếp

Số lượng thiết bị chủ tối đa

1

Số lượng thiết bị tớ tối đa

1

Bảng 1. Tổng quan UART


2. Ứng dụng

Là chuẩn giao tiếp thông dụng và phổ biến trong công nghiệp từ trước đến nay.

Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232.

Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART.


3. Cách thức hoạt động tổ chức

B1. UART sẽ truyền dữ liệu nhận được từ một bus dữ liệu (Data Bus).
B2. Sau khi UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một
bit stop, tạo ra gói dữ liệu.
B3. Gói dữ liệu được xuất ra nối tiếp từng bit tại chân Tx.
B4. UART nhận đọc gói dữ liệu từng bit tại chân Rx của nó.
B5. Chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng song song và loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop.
B6. UART nhận chuyển gói dữ liệu song song với bus dữ liệu ở đầu nhận.


Packet
Dữ liệu truyền qua UART được tập hợp thành gói (packet). Mỗi gói chứa 1 bit start, 5 đến 9 bit dữ
liệu (tùy thuộc vào UART), một bit chẵn lẻ (parity bit) tùy chọn và 1 hoặc 2 bit stop.

Hình 5. Packet trong UART

Data Frame (Khung dữ liệu)

Start bit (Bit bắt đầu)
- Đường truyền dữ liệu UART mức điện áp cao khi nó khơng truyền dữ liệu.
- Để truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo đường truyền từ mức cao xuống mức thấp trong một chu kỳ
đồng hồ.
- Khi UART nhận phát hiện sự chuyển đổi điện áp cao xuống thấp, nó bắt đầu đọc các bit trong khung
dữ liệu ở tần số của tốc độ truyền.

•
•
•
•

Khung dữ liệu chứa dữ liệu thực tế đang được truyền.
Nó có thể dài từ 5 bit đến 8 bit nếu sử dụng bit chẵn lẻ.
Nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, khung dữ liệu có thể dài 9 bit.
Trong hầu hết các trường hợp, dữ liệu được truyền với bit có trọng số bé nhất (LSB – Least
Significant Bit) trước tiên.


Parity Bit (Bit chẵn lẻ)

- Tính chẵn lẻ mơ tả tính chẵn hoặc lẻ của một số.
- Bit chẵn lẻ là một cách để UART nhận cho biết liệu có bất kỳ dữ liệu nào đã thay đổi trong quá trình truyền hay khơng.
- Bit có thể bị thay đổi bởi bức xạ điện từ, tốc độ truyền không khớp hoặc truyền dữ liệu đường dài.

Hình 8. Parity Bit trong UART

Stop Bit (Bit kết thúc)

Để báo hiệu sự kết thúc của gói dữ liệu, UART gửi sẽ điều khiển đường truyền dữ liệu từ điện áp thấp đến điện áp cao
trong ít nhất hai khoảng thời gian bit.

Hình 9. Stop bit trong UART


Các bước truyền UART

B1. UART truyền nhận dữ

B3. Toàn bộ gói được gửi nối tiếp từ UART

liệu song song từ bus dữ

truyền đến UART nhận. UART nhận lấy mẫu

liệu.

đường dữ liệu ở tốc độ truyền được định cấu
hình trước.
Hình 12. Mẫu đường dữ liệu trong UART

B4. UART nhận loại bỏ bit start, bit
Hình 10. Tryền nhận dữ liệu trong UART

chẵn lẻ và bit stop khỏi khung dữ liệu.

B2. UART truyền thêm bit

Hình 13. Loại bit trong UART

start, bit chẵn lẻ và bit dừng
B5. UART nhận chuyển đổi dữ liệu nối

vào khung dữ liệu.

tiếp trở lại thành song song và chuyển
nó đến bus dữ liệu ở đầu nhận.

Hình 11. Truyền bit trong UART

Hình 14. Nhận chuyển bus dữ liệu trong UART


4. Ưu và nhược điểm của UART
1.Ưu điểm

•

Chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu

•

Khơng cần tín hiệu đồng hồ

•

Có một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi

•

Cấu trúc của gói dữ liệu có thể được thay đổi miễn là cả hai bên được thiết lập cho nó

•

Phương pháp truyền đơn giản, giá thành thấp

2.Nhược điểm

•

Kích thước của khung dữ liệu được giới hạn tối đa là 9 bit

•

Khơng phù hợp với các hệ thống địi hỏi nhiều thiết bị chủ và tớ

•

Tốc độ truyền của mỗi UART phải nằm trong khoảng 10% 


PHẦN II. Chuẩn giao tiếp RS485
1. Giới thiệu về giao tiếp RS485
RS là chữ viết tắt của Recommended Standard (Tiêu chuẩn khuyến nghị).
RS485 hay được biết đến với tên gọi đầy đủ là chuẩn giao tiếp RS485 hay cáp RS485, đây là phương thức giao tiếp kết nối
với máy tính và các thiết bị khác. RS485 không chỉ đơn thuần là giao diện đơn lẻ mà nó chính là tổ hợp truyền thơng có khả
năng tạo ra các mạng đơn giản của nhiều thiết bị.
Chuẩn giao tiếp RS485 có thể kết nối max lên đến 32 thiết bị trên một cặp dây đơn và một hệ thống dây nối đất ở khoảng
cách lên đến 1200m.

Hình 15. RS-485

Cấu tạo của RS485
Cáp RS485 được cấu tạo rất đơn giản, chỉ từ các sợi dây được xoắn lại với nhau theo từng cặp. Tuy nhiên, chính cấu tạo này lại sinh ra một nhược điểm
nghiêm trọng, khi hiện tượng nhiễu xuất hiện ở 1 cặp dây thì ngay lập tức cặp dây khác cũng sẽ bị. Điều này dẫn đến điện áp hoạt động giữa 2 dây sẽ khơng
có q nhiều sự chênh lệch, bộ phận thu của RS485 vẫn có thể nhận được tín hiệu vì bộ thu đã loại bỏ hết được hiện tượng nhiễu.

2. Ứng dụng
Dây chuyển đổi USB sang RS485

– Bộ chuyển đổi USB sang RS485 thường được dùng trong ngành công nghiệp, được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng
mang theo. Bộ chuyển đổi này có các mạch bảo vệ chống rỉ, chống lại sự tác động từ môi trường xấu bên ngồi.
– Hoạt động: Bộ chuyển đổi này có khả năng liên lạc nhanh, ổn định và bảo mật cao nên có thể tự động thu phát.

Cáp điều khiển RS485 – Grove
– Grove được biết đến là mẫu kết nối hệ thống tiêu chuẩn hóa đơn giản và dễ dàng ứng dụng
trong học tập.
– Grove cho phép Arduino của người sử dụng kết nối trực tiếp với RS485, cắm trực tiếp và tiến
hành sử dụng.


Kết nối RS485 với máy tính
– Đây là bộ chuyển đổi được cấu tạo có mạch bảo vệ cách ly nguồn hoặc cách ly từ tính. Bộ chuyển đổi S177P1 được thiết kế riêng cho các
tín hiệu Modbus RTD RS 485, RS232 giao tiếp với máy tính thơng qua cổng USB. Bộ chuyển đổi này được dùng để cách ly USB sang
RS485, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.
– Bộ chuyển đổi này được đánh giá khá dễ dùng, thu phát tự động mà không gây ra tình trạng trễ thơng tin, là sự lựa chọn tuyệt vời cho
những ứng dụng yêu cầu sự giao tiếp cao.

Hình 17. Bộ chuyển đổi S117P1

Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB
– Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyên dụng từ RS485 sang USB giúp người sử dụng giải quyết được những trường hợp khó khăn nhất
trong máy tính trở nên rất dễ dàng.
– Hiện nay, các loại laptop đều sẽ cắt sự tồn tại của cổng COM hoặc RS232 vì chúng làm cho laptop cồng kềnh hơn, sử dụng
RS485 thì laptop sẽ nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích.

Hình 18. Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang USB

Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet

– Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet giúp tín hiệu truyền được tập trung tuyệt đối và quản lý trên diện rộng,
khơng cịn bị giới hạn bởi khoảng cách địa lý hay diện tích, độ dài dây dẫn.
– Bộ chuyển đổi tín hiệu này là phát minh vĩ đại cho các hệ thống lớn trong xưởng sản xuất lớn, nhà máy lớn, hệ
thống cơng nghiệp lớn,….

Hình 19. Bộ chuyển đổi tín hiệu RS485 sang Ethernet

Ứng dụng của RS485 trong công nghiệp:
RS485 được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp nói chung và ngành tự động hóa nói riêng.
Những ứng dụng nổi bật của RS485 có thể kể đến như việc ứng dụng trong điều khiển động cơ từ xa VFD hoặc trong
biến tần. RS485 cũng điều khiển những hệ thống mạng đơn giản PLC, HMI

Hình 20. RS485 trong cơng nghiệp


3. Cách thức hoạt động tổ chức
Cấu tạo cáp RS485
Nguyên lý hoạt động của RS485 khá đơn giản, dữ liệu sẽ được truyền qua 2 dây khi xoắn lại với nhau, dây này
được gọi là cáp xoắn. Khi dây được xoắn lại sẽ tạo cho RS485 khả năng chống nhiễu cao và khả năng truyền tín
hiệu đường dài tốt hơn.
RS485 được chia làm 2 loại cấu hình, hiện đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay là cấu hình 2 dây và cấu hình
4 dây. Các bạn hãy tìm hiểu nguyên lý hoạt động của 2 loại cấu hình này nhé!

Hình 21. Cấu tạo cáp RS485

Sơ đồ chân RS485 2 dây

Đối với cấu hình 2 dây, dữ liệu sẽ được truyền đi theo một hướng tại một thời điểm nhất định. Với kiểu thiết
lập này, tín hiệu TX và RX sẽ cùng nhau dùng chung một cặp dây duy nhất giúp người sử dụng tiết kiệm được
chi phí cài đặt.

Hình 22. Sơ đồ chân RS485 2 dây


Sơ đồ chân RS485 4 dây

Nguyên lý hoạt động của cấu hình 4 dây tương đối khác, tại đây dữ liệu sẽ được truyền đi và đến đồng
thời từ các nút.
Tại đây, 2 dây sẽ đảm nhận nhiệm vụ truyền và 2 dây còn lại sẽ đảm nhận nhiệm vụ nhận

Nhìn vào hình trên, ta thấy được rằng cổng chính và máy phát được kết nối lại với hệ thống nút nhận dữ liệu trên
các cặp xoắn.
Tuy nhiên, bạn cần chú ý rằng các kết này sẽ bị giới hạn trong giao tiếp chính và phụ, hay hiểu đơn giản chính là
bị giới hạn tại nơi các nút khơng thể nhận tín hiệu từ nhau.
Hình 23. Sơ đồ chân RS485 4 dây


4. Ưu và nhược điểm của RS485
Ưu điểm của RS485

Nhược điểm RS485

– Là sản phẩm tân tiến nhất hiện nay, khắc phục những yếu điểm mà RS232 để lại.

– Khi truyền quá nhiều thiết bị trên cùng một đường dây thì gian đáp ứng sẽ chậm.

– Cáp RS485 là chuẩn giao tiếp duy nhất có thể kết nối cùng lúc nhiều máy phát và máy thu trên cùng

– Các thiết bị cần phải dùng chung chuẩn RS485 thay cho chuẩn Analog hiện hữu

một hệ thống mạng.
– Cần có một kiến thức nhất định để sử dụng RS485 hiệu quả
– Những máy thu có điện trở đầu vào lên đến 12kΩ thì RS485 vẫn có thể kết nối lên 32 thiết bị. Ngồi
ra, với các đầu vào khác, RS485 có thể kết nối tối đa lên 256 thiết bị.
– Khi RS485 đang kết nối các thiết bị ở khoảng cách khá xa thì người sử dụng có thể khắc phục bằng
cách lắp thêm bộ lặp để tăng số lượng thiết bị kết nối, giúp tín hiệu ổn định hơn, tránh nhiễu đường
truyền.
– RS485 có lắp đặt 2 dây truyền tín hiệu nên tín hiệu sẽ được truyền đi nhanh hơn trên khoảng cách xa
và rộng hơn.


Sự khác nhau giữa UART và RS485
 
Số lượng thiết bị

UART

RS485

1 thiết bị chủ

32- Bộ phát

1 thiết bị tớ

Chế độ truyền thông

Bất đồng bộ

32- Bộ thu

Half-Duplex
Full-Duplex

Tốc độ truyền (bps)

9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400,
460800, 921600, 1000000, 1500000

10M
1M
100k


PHẦN TRÌNH BÀY CỦA NHĨM ĐẾN ĐÂY LÀ KẾT THÚC

THANKS FOR WATCHING!