Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet docx

Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 36
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
tính không có chuẩn RS485 nên ta phải có một bộ chuyển đổi giữa chuẩn
RS232 và RS485.

Như vậy giải pháp mà nhóm thực hiện đề tài lựa chọn cho việc giao tiếp giữa
máy chủ và các mô-đun điều khiển sẽ là sự kết hợp giữa chuẩn RS232 và
RS485. Sau đây là sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển:

MẠNG INTERNET
BOARD
CHUYỂN ĐỔI
GIỮA RS232
VÀ RS485
MÔ-ĐUN1 MÔ-ĐUN2
MÔ-ĐUN31
RS232
RS485
MÁY
KHÁCH
MÁY
KHÁCH
MÁY
KHÁCH
MÁY CHỦ


Hình 5. 1: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển thiết bị
qua mạng Internet.

Với một hệ thống như trên ta có thể có tới 31 mô-đun điều khiển. Chi tiết về

chuẩn RS232, RS485 và cách thức truyền nhận dữ liệu sẽ được trình bày ở
những phần sau.

5.2 Chuẩn RS232C và chuẩn RS485

5.2.1 Chuẩn RS232C

Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối ti
ếp theo chuẩn RS232C, được gọi
là cổng Com. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo
lường,…Khi cần dùng nhiều cổng hơn ta có thể lắp đặt các card mở rộng trên
đó có thêm một đến hai cổng Com. Có hai dạng cổng Com: cổng Com 25 chân
và cổng Com 9 chân. Hiện nay thì cổng Com 9 chân (DB9) theo chuẩn RS232C
trở nên rất phổ biến.
Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 37
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232C

− Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao.
− Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện.
− Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nối
tiếp.

Hình 5. 2: Chân ra cổng Com DB9.

Bảng 5. 6: Các Chân và chức năng của cổng Com DB9.

DB-9 Tên Ký hiệu Chức năng
1
Data Carrier
Detect
DCD
Phát hiện tín hiệu mang dữ
liệu
2 Receive Data RxD Nhận dữ liệu
3 Transmit Data TxD Truyền dữ liệu
4
Data Terminal
Ready
DTR
Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng,
được kích hoạt bởi bộ nhận
khi muốn truyền dữ liệu
5 Singal Ground SG Mass của tín hiệu
6 Data Set Ready DSR
Dữ liệu sẵn sàng, được kích
hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn
sàng nhận dữ liệu
7
Request to
Send
RTS
Yêu cầu gửi, bộ truyền đặt
đường này lên mức hoạt
động khi sẵn sàng truyền dữ
liệu

8 Clear To Send CTS
Xóa để gửi, bộ nhận đặt
đường này lên mức hoạt
động để thông báo cho bộ
truyền là nó sẵn sàng nhận
dữ liệu.
9 Ring Indicate RI
Báo chuông, cho biết là bộ
nhận đang nhận tín hiệu rung
chuông.
Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 38
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232C

− Trong chuẩn RS232C, các giới hạn trên đối với mức logic 0 và
logic 1 là ±12V. Chuẩn RS232C ngày nay đang được áp dụng còn cố định
trở kháng tải trong phạm vi từ 3000Ω đến 7000Ω.
− Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng –3V đến –12V, mức
logic 0 từ +3V đến +12V.
− Trở kháng tải phải lớn hơn 3000Ω nhưng phải nhỏ hơn 7000
Ω.
− Tốc độ truyền/nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể
đạt được 200 kbps).
− Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF
− Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua
cổng nối tiếp RS232C không thể vượt quá 15 m nếu không sử dụng
Modem.
− Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là : 50, 75, 110, 150, 300,
600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800 …… 56600, 115200bps.

5.2.2 Chuẩn RS485

Có thể coi chuẩ
n RS485 là một phát triển của RS232 trong việc truyền dữ liệu
nối tiếp. Những bộ chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp
với bất kì thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua liên kết RS485.
Liên kết RS485 được hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa
và điều khiển cho những ứng dụng. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó
có thể hỗ
trợ 1 mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng 1 đường truyền, tốc độ
có thể lên tới 115.200 baud cho 1 khoảng cách là 4000feet (1200m).

Bảng 5. 7: Bảng tóm tắt thông số của RS485.
Thông số
Điều kiện Min Max Đơn vị
Áp ngõ ra điều khiển khi hở
mạch

1.5
-1.5
6
-6
V
V
Áp ngõ ra điều khiển khi có tải
R
L
= 100Ω
1.5
-1.5

5
-5
V
V
Dòng ngắn mạch ngõ ra điều
khiển
1 ngõ ra nối với
điểm chung
±250 mA
Thời gian cạnh lên ngõ ra điều
khiển
R
L
= 54Ω
C
L
= 50 pF
30
% độ
rộng bit
Áp kiểu chung điều khiển
R
L
= 54Ω
±3 V
Ngưỡng nhạy thu vào -7V <V
CM
< 12 V ±200 mV
Phạm vi áp kiểu chung thu vào -7 12 V
Tổng trở ngõ vào phía thu 12

kΩ

Với kiểu truyền cân bằng và các dây được xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy
ra ở dây này thì cũng xảy ra ở dây kia, tức là 2 dây cùng nhiễu giống nhau.
Điều này làm cho điện áp sai biệt giữa 2 dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi
thu vẫn nhận được tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ
nhiễu.

Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 39
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
Liên kết RS485 được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nơi mà môi
trường nhiễu khá cao và sự tin tưởng vào tính ổn định của hệ thống là điều
quan trọng. Bên cạnh đó khả năng truyền thông qua khoảng cách xa ở tốc độ
cao cũng rất được quan tâm, đặc biệt là tại những nơi mà có nhiều trạm giao
tiếp được trải ra trên diện rộng. Sau đây là bảng tóm tắt những
đặc điểm của
chuẩn RS485.

Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485

 Truyền dẫn cân bằng

Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có 2 dây tín hiệu A, B nhưng không có dây
mass. Sở dĩ được gọi là cân bằng là do tín hiệu trên dây này ngược với tín hiệu
trên dây kia. Nghĩa là nếu dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang
phát mức thấp và ngược lại.



Hình 5. 3: Kiểu truyền cân b

ằng 2 dây.



Hình 5. 4: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng.

 Mức tín hiệu

Với 2 dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL được quy định khi
áp của dây A lớn hơn dây B tối thiểu là 200mV, tín hiệu mức thấp TTL được
quy định khi áp của dây A nhỏ hơn dây B tối thiểu cũng là 200mV. Nếu điện áp
V
AB
mà nằm trong khoảng -200mV < V
AB
< 200mV thì tín hiệu lúc này được
xem như là rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass
bên phía thu phải nằm trong khoảng –7V đến +12V.
A
B
1
A
0
1
B
0
Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 40
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
 Cặp dây xoắn

Như chính tên gọi của nó, cặp dây xoắn (Twisted-pair wire) đơn giản chỉ là cặp
dây có chiều dài bằng nhau và được xoắn lại với nhau. Sử dụng cặp dây xoắn
sẽ giảm thiểu được nhiễu, nhất là khi truyền ở khoảng cách xa và với tốc độ
cao.



Hình 5. 5: Cặp dây xoắn trong RS485.

 Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1 trở
kháng đặc tính (Characteristic impedence-Z
o
), điều này thường được chỉ rõ bởi
nhà sản xuất. Theo như khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đường dây vào
khoảng từ 100 - 120Ω nhưng không phải lúc nào cũng đúng như vậy.

 Điện áp kiểu chung

Tín hiệu truyền dẫn gồm 2 dây không có dây mass nên chúng cần được tham
chiếu đến 1 điểm chung, điểm chung lúc này có thể là mass hay bất kì một mức
điện áp cho phép nào đó. Đi
ện áp kiểu chung (Common-mode voltage -V
CM
) về
mặt toán học được phát biểu như là giá trị trung bình của 2 điện áp tín hiệu
được tham chiếu với mass hay 1 điểm chung.

Hình 5. 6: Cách xác định áp kiểu chung.

 Vấn đề nối đất

Tín hiệu trên 2 dây khi được tham chiếu đến điểm chung là đất (Ground) thì khi
đó nó cần được xem xét kỹ lưỡng. Lúc này bộ nhận sẽ xác định tín hiệu bằng
cách tham chiếu tín hiệu đó với đất của nơi nhận, nếu đất giữa nơi nhận và nơi
Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 41
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
phát có một sự chênh lệch điện thế vượt qua ngưỡng cho phép thì tín hiệu thu
được sẽ bị sai hoặc phá hỏng thiết bị. Điều này cho thấy mạng RS485 gồm 2
dây nhưng có tới 3 mức điện áp được xem xét. Do đất là một vật dẫn điện
không hoàn hảo nên nó có một điện trở xác định, gây ra chênh lệch điện thế từ
điểm này tới điểm kia,
đặc biệt là tại các vùng có nhiều sấm sét, máy móc tiêu
thụ dòng lớn, những bộ chuyển đổi được lắp đặt và có nối đất.



Hình 5. 7: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất.

Chuẩn RS485 cho phép chênh lệch điện thế đất lên tới 7V, lớn hơn 7V là không
được. Như vậy đất là điểm tham chiếu không đáng tin tưởng và một cách tốt
hơn cho việc truyền tín hiệu lúc này là ta đi thêm một dây thứ 3, nó sẽ được nối
mass tại nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu.

 Điện trở đầu cuố

i

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại 2
điểm tận cùng kết thúc của đường truyền. Giá trị của điện trở đầu cuối lí tưởng
là bằng giá trị trở kháng đặc tính của đường dây xoắn, thường thì vào khoảng
100 - 120Ω.



Hình 5. 8: Cách đặt điện trở đầu cuối R
T
trong RS485.

Nếu điện trở đầu cuối không phù hợp với giá trị trở kháng đặc tính của đường
dây thì nhiễu có thể xảy ra do có sự phản xạ xuất hiện trên đường truyền, nhiễu
ở mức độ nhỏ thì không sao nhưng nếu ở mức độ lớn thì có thể làm tín hiệu bị
sai lệch. Sau đây là hình minh họa dạng tín hiệu thu được khi dùng 2 điện trở
đầu cuối khác nhau.

Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 42
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển


R
T
=54Ω R
T
=120Ω

Hình 5. 9: Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở R

T.

 Phân cực đường truyền

Khi mạng RS485 ở trạng thái rãnh thì tất cả các khối thu đều ở trạng thái lắng
nghe đường truyền và tất cả khối phát đều ở trạng thái tổng trở cao cách li với
đường truyền. Lúc này trạng thái của đường truyền được xem là bất định. Nếu
-200mV ≤ V
AB
≤ 200mV thì trạng thái logic tại ngõ ra khối thu sẽ mang giá trị
của bit cuối cùng nhận được. Điều này không đảm bảo vì đường truyền rãnh
trong truyền dữ liệu nối tiếp đòi hỏi phải ở mức cao để khối thu không hiểu
nhầm là có dữ liệu xuất hiện trên đường truyền.

Để duy trì trạng thái mức cao khi đường truyền rãnh thì việc phân cực đường
truyền (Biasing) phải được thự
c hiện. Một điện trở R kéo lên nguồn ở đường A
và một điện trở R kéo xuống mass ở đường B sao cho V
AB
≥ 200mV sẽ ép
đường truyền lên mức cao.



Hình 5. 10: Phân cực cho đường truyền RS485.



Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 43
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển

Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485

 Một phát, một nhận



Hình 5. 11: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485.

Trong kiểu mẫu có sử dụng cặp dây xoắn, 2 điện trở đầu cuối R
T
.

 Một phát, nhiều nhận



Hình 5. 12: Sơ đồ một phát, nhiều nhận trong RS485.

 Hai bộ truyền nhận



Hình 5. 13: Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485.

Ở đây việc truyền và nhận dữ liệu được thực hiện bởi 1 cặp dây xoắn nên
truyền nhận dữ liệu không thể diễn ra đồng thời mà phải theo hình thức bán
song công (half duplex), trong một thời điểm chỉ có một bộ truyền.


Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 44

Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
 Nhiều bộ truyền nhận



Hình 5. 14: Sơ đồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485.

Tương tự như trong sơ đồ 2 bộ truyền nhận, hình thức truyền nhận dữ liệu ở
đây là bán song công.

Đoạn dây rẽ nhánh


Hình 5. 15: Đoạn dây rẽ nhánh trong RS485.

Đoạn dây rẽ nhánh (Stub) là đoạn dây nối từ cặp dây chính tới một trạm. Đoạn
dây rẽ nhánh dài sẽ làm ảnh hưởng tới sự phối hợp trở kháng. Vì vậy nên giữ
cho chiều dài đoạn dây rẽ nhánh càng ngắn càng tốt.

Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí:


Hình 5. 16: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí.

Điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng Internet Trang 45
Chương 5: Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển
Cách thức truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485

Hình 5. 17: Biểu đồ truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485.

Bình thường đường truyền rãnh (Idle line) sẽ ở mức cao, V
AB
> 200mV. Tín
hiệu TX Control cho phép phát tín hiệu đi. Mỗi bit tín hiệu TXD phát đi sẽ được
biểu diễn tương ứng dưới dạng tín hiệu V
AB
theo chuẩn RS485. Bit 1 tương
ứng với V
AB
dương, bit 0 tương ứng với V
AB
âm. Sau khi phát đi đủ 10 bit thì
đường truyền lại lên mức cao báo hiệu trạng thái rãnh.