thiết kế mạch giám sát đồng hồ điện công nghiệp

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
i

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ths Đỗ Bình Nguyên đã
tận tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong quá trình thực hiện đồ án nghiên cứu
khoa học.

Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô khoa Điện-Điện tử trường đại học Lạc Hồng
cùng các bạn lớp 08DV112 đã giúp đỡ tôi trong thời gian khóa học vừa qua. Đặc biệt là
bạn Nguyễn Bá Cường đã giúp đỡ tôi hoàn thành việc thực hiện đề tài này.

Kế đó chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến ban giám đốc của công ty TNHH Điện -
Điện tử Nguyên Thịnh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập và thực hiện đề tài này.

Những lời cảm ơn sau cùng xin gởi đến ba mẹ đã quan tâm, tạo điều kiện để tôi hoàn
thành tốt đồ án nghiên cứu này.


Xin chân thành cảm ơn !

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
ii
Mục Lục
LỜI CẢM ƠN i
Mục Lục ii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ iv
LIỆT KÊ BẢNG vi
LỜI NÓI ĐẦU vii
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1
1.1. Đặt vấn đề. 1
1.2. Mục tiêu đề tài. 2
1.3. Nội dung nghiên cứu. 3
1.4. Giới hạn đề tài. 3
1.5. Ý nghĩa thực tiễn. 3
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1. Giao thức MODBUS – RTU 4
2.1.1, MODBUS là gì? 4
2.1.2, Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU. 5
2.1.3, Bản đồ bộ nhớ MODBUS. 6
2.1.4, Đọc và viết dữ liệu. 7
2.1.5, MODBUS chế độ RTU. 7
2.2. Chuẩn RS232. 9
2.2.2, Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232. 9
2.2.3, Các mức điện áp thường truyền. 10
2.2.4, Cổng RS232 trên PC. 11
2.2.5, Truyền dữ liệu. 12
2.2.6, Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232. 13
2.3. Chuẩn RS485. 13
2.3.1, Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485. 14

2.3.2, Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485. 19
2.4. Kỹ thuật CRC. 22
Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
iii
2.4.1, Lý thuyết CRC. 23
2.4.2, Thuật toán CRC 23
2.5. Chuẩn truyền I2C. 24
2.5.1, Các hàm thiết lập I2C. 25
2.5.2, Định dạng dữ liệu truyền 26
2.5.3, Định dạng địa chỉ thiết bị. 27
2.5.4, Phương thức truyền dữ liệu tới Slave 27
2.6. Đồng hồ Selec MFM – 383. 28
2.6.1, Giới thiệu đồng hồ tủ điện đa năng Selec MFM 383. 28
2.6.2, Thông số kỹ thuật. 29
CHƢƠNG 3 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 31
3.1. PIC 24FJ128GB206. 31
3.2. Reatime DS1302. 32
3.3. MAX485. 33
3.4. EEPROM 24LC256. 34
3.5. 74LVC1T45. 35
3.6. Graphic LCD 128x64. 36
3.7. 74ALVC164245/SO. 38
CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 40
4.1.1, Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. 40
4.1.2, Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ và đồng hồ thời gian thực. 41
4.1.3, Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485 42
4.1.4, Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. 43
4.2. Sơ đồ nguyên lý . 43
4.3. Lưu đồ giải thuật. 45
Chƣơng 5: KẾT LUẬN 46

5.1. Các điểm đạt và chưa đạt được. 46
5.1.1, Các điểm đạt được 46
5.1.2, Các điểm chưa đạt. 46
5.2. Hướng phát triển đề tài. 46

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

iv
LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình Trang
Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC. 1
Hình 1.2: Phần mềm EN-VIEW .1
Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính .2
Hình 2.1: Khung tryền MODBUS 8
Hình 2.2: Định dạng khung truyền 8
Hình 2.3: Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS232 10
Hình 2.4: Cổng RS232 trên PC 11
Hình 2.5: Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232 13
Hình 2.6: Kiểu truyền cân bằng 2 dây 15
Hình 2.7: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng .15
Hình 2.8: Cặp dây xoắn trong RS485 .16
Hình 2.9: Cách xác định áp kiểu chung .16
Hình 2.10: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất .17
Hình 2.11: Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485 .18
Hình 2.12: Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT .18
Hình 2.13: Phân cực cho đường truyền RS485 .19
Hình 2.14: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485 .19
Hình 2.15: Sơ đồ một phát, nhiều nhận trong RS485 .20
Hình 2.16: Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485 .20
Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485 .21

Hình 2.18: Đoạn dây rẽ nhánh trong RS485 .21
Hình 2.19: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí .22
Hình 2.20: Biểu đồ truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 .22
Hình 2.21: START và STOP 26
Hình 2.22: Gửi bit định địa chỉ Slave 27
Hình 2.23: Khung truyền I2C 28
Hình 2.24: Đồng hồ tủ điện đo đa năng SELEC MFM-383. 28

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

v
Hình 2.25: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 3 pha .30
Hình 2.26: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 1 pha 30
Hình 3.1: PIC24FJ28GB206 31
Hình 3.2: Reatime DS1302 32
Hình 3.3: Max485 33
Hình 3.4: EEPROM 24LC256 34
Hình 3.5: 74LV1T45 .35
Hình 3.6: Graphic LCD 128x64 36
Hình 3.7: 74LVC164245/SO 37
Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch thiết kế 39
Hình 4.2: Khối hiển thị 39
Hình 4.3: Khối lưu dữ liệu và Reatime 40
Hình 4.4: Khối RS485 41
Hình 4.5: Khối nguồn 42

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

vi
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Bảng 2.1: Bảng mã chức năng .6
Bảng 2.2: Địa chỉ bộ nhớ 6
Bảng 2.3: Bảng tóm tắt thông số của RS485 14
Bảng 3.1: Chân và chức năng chân của DS1302 33
Bảng 3.2: Chân và chức năng các chân của MAX485 33
Bảng 3.3: Chân và chức năng các chân của EEPROM 24LC256 34
Bảng 3.4: Điều kiện để xác định input/output 74LV1T45 .35
Bảng 3.5: Chân và chức năng các chân của 74LV1T45 35
Bảng 3.6: Chân và chức năng các chân của GRAPHIC LCD 36
Bảng 3.7: Chân và chức năng các chân của 74LV164245/SO 37
Bảng 3.8: Điều kiện để xác định input/output 74LV164245/SO 37

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

vii

LỜI NÓI ĐẦU

Các công ty, xí nghiệp lớn và trung bình dù sản xuất mặt hàng nào cũng đều sử dụng
các đồng hồ điện công nghiệp để kiểm soát lượng điện sử dụng. Các đồng hồ điện sẽ được
đặt tại các phân xưởng và giá trị điện của đồng hồ sẽ được đưa về phòng giám sát để dễ
dàng cho việc kiểm tra. Ngày nay, hãng Selec đã sản xuất ra Đồng hồ tủ điện đa năng
MFM-383, đi kèm đồng hồ là module giao tiếp giữa đồng hồ và máy tính. Module này có
giá thành cao nên tôi đã quyết định nghiên cứu và thiết kế ra mạch điện thay thế có giá
thành rẻ hơn mà vẫn đáp ứng được các ứng dụng như của Selec đưa ra. Đề tài của tôi đã
được công ty TNHH Điện - Điện tử Nguyên Thịnh chấp thuận và cho tiến hành nghiên
cứu thử nghiệm tại công ty.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nên đề tài còn

nhiều thiếu sót mong được sự góp ý của các thầy trong khoa. Tôi xin gửi lời cám ơn đến
các thầy trong khoa đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường đặc biệt là
thầy Th.s Đỗ Bình Nguyên đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi xin
chân thành cảm ơn.











Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 1
CHƢƠNG 1:
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề.
Ngày nay đồng hồ đo điện năng cơ đã được thay thế bằng đồng hồ đo điện năng số.
Đồng hồ MFM-383 là đồng hồ đo điện số do hãng Selec sản xuất.

Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC.
Đi kèm đồng hồ là mạch giao tiếp đồng hồ và máy tính, phần mềm chuyên dụng EN-
VIEW giúp người sử dụng kiểm tra và điều khiển trực tiếp ngay trên máy tính.


Hình 1.2 : Phần mềm EN-VIEW.

Phần mềm EN-VIEW là phần mềm hỗ trợ trên máy tính để thiết lập cho đồng hồ cũng
như lấy số liệu từ đồng hồ về máy tính để giám sát. Phần mềm có các tính năng: hiển thị

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 2
số liệu từ đồng hồ về máy tính và cập nhật số liệu liên tục, mô phỏng giao diện đồng hồ
đồng hồ trên máy tính, hỗ trợ vẽ biểu đồ dạng sóng, số liệu cũ được lưu dưới dạng file
excel.

Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính.
Tuy có nhiều tính năng nhưng nhà sử dụng phải mất một khoản vốn đầu tư khá lớn
ban đầu. Vì vậy cần phải thiết kế một mạch điện tử sao cho vẫn đảm bảo được các tính
năng như cũ nhưng giảm chi phí đầu tư.
1.2. Mục tiêu đề tài.
Dựa trên những tìm hiểu về sản phẩm đồng hồ của hãng Selec, tôi đã quyết định thiết
kế một mạch điện có thể thay thế được máy tính và mạch giao tiếp giữa đồng hồ với máy
tính. Tôi đặt ra các mục tiêu khi nghiên cứu thiết kế mạch điện thay thế như sau:
 Giao tiếp được với đồng hồ MFM-383 của hãng Selec.
 Chạy ổn định, độ trễ thấp.
 Số liệu nhận được hiển thị ngay trên mạch.
 Mạch lưu trữ được dữ liệu trong thời gian dài và cập nhập dữ liệu mới chính xác,
nhanh chóng.
 Giá thành rẻ.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 3
1.3. Nội dung nghiên cứu.
Đề tài nghiên cứu những vấn đề sau:

 Giao thức Modbus – RTU.
 Chuẩn giao tiếp RS485.
 Chuẩn giao tiếp RS232.
 Kỹ thuật CRC.
 Giao thức TCP/IP, Enthernet.
 Đồng hồ SELEC MFM-383.
 Vi điều khiển PIC24FJ128GB206 và các module tích hợp sẵn trong vi điều khiển
PIC24FJ128GB206.
 GRAPHIC LCD.
1.4. Giới hạn đề tài.
Do thời gian nghiên cứu hạn chế nên chúng tôi chỉ giới hạn đề tài trong phạm vi thu
thập và kiểm soát số liệu lấy từ đồng hồ điện. Chưa triển khai được phần lưu số liệu đồng
hồ trên mạch và truyền lên máy tính theo chuẩn Ethernet.
1.5. Ý nghĩa thực tiễn.
Đề tài giải quyết được yêu cầu thực tiễn đặt ra là giao tiếp được với đồng hồ MFM-
383 của hãng Selec và hiển thị các số liệu ngay trên mạch nên có thể thay thế được máy
tính. Mạch đạt được các ưu điểm khi ứng dụng vào thực tế là chạy ổn định trong môi
trường công nghiệp, độ trễ thấp, giá thành rẻ.










Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 4
CHƢƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giao thức MODBUS – RTU.
2.1.1, MODBUS là gì?
MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, là
một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban
đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao
hơn, khoảng cách dài hơn và 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 được kết nối với một hay nhiều
Slave. Master thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. Slave MODBUS RTU thường là
các thiết bị hiện trường. 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 này nhưng chỉ có thiết bị nào được 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 được sử dụng ngày nay là:
 MODBUS ASCII.
 MODBUS RTU.
 MODBUS/TCP.
Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại
MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa. Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp
được mã hóa bằng hexadecimal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối 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 trên, nhưng 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 phương tiện truyền dẫn sẽ không làm
thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm,

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 5
điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác. Đối với
MODBUS-RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân và chỉ cần một byte truyền thông
cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm,
tốc độ baud từ 1200 đến 115.200. Tốc độ baud phổ biến nhất là 9600 đến 19200.
MODBUS-RTU là giao thức công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất. MODBUS/TCP
đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thiết bị Master không kết nối trực tiếp với các thiết
bị Slave, thay vào đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với MODBUS/TCP, dữ liệu
MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet
hỗ trợ MODBUS/IP sẽ có hỗ trợ MODBUS/TCP.
2.1.2, Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU.
Để kết nối với Slave, Master sẽ gửi một thông điệp bao gồm các trường dữ liệu sau:
 Địa chỉ thiết bị: là một con số từ 0 đến 247. Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0
(truyền thông điệp) có thể được tất cả các thiết bị Slave chấp nhận, nhưng các
con số từ 1-247 là các địa chỉ của các thiết bị cụ thể. Một Slave luôn phản
ứng với một thông điệp MODBUS do đó Master sẽ biết rằng thông điệp đã
được nhận.
 Mã chức năng: dùng để xác định yêu cầu mà Master yêu cầu Slave thực hiện
như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái .v.v… Mã chức năng
là từ 1 – 255. Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ.
 Dữ liệu: để xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu
được viết trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các thông tin cần thiết khác mang
chức năng như yêu cầu.
 Giá trị kiểm tra lỗi (CRC): là giá trị 16 bit dùng để kiểm tra lỗi trong quá trình
truyền nhận. CRC được Master tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra. Nếu giá
trị CRC không thỏa mãn, thiết bị đòi hỏi truyền lại thông điệp này.
Khi Slave thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp cho Master.

Thông điệp chứa địa chỉ của Slave và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá trị
kiểm tra lỗi.


Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 6
Bảng 2.1: Bảng mã chức năng
Yêu cầu
Mã chức năng
01
Đọc cuộn cảm
02
Đọc đầu ra rời rạc
03
Đọc bộ ghi phần
04
Đọc bộ ghi đầu vào
05
Viết cuộn cảm đơn
06
Viết bộ ghi đơn
07
Đọc trạng thái ngoại lệ
08
Chẩn đoán
…

Xx
255 mã chức năng, phụ

thuộc vào thiết bị

2.1.3, Bản đồ bộ nhớ MODBUS.
Mỗi thiết bị MODBUS có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình. Thông số kỹ thuật của
MODBUS chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào?, loại dữ liệu nào có thể được gọi
ra?. Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu
trong bộ nhớ.
Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ
cụ thể. Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit. Bằng cách sử
dụng hai bộ ghi này, MODBUS có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit. Bộ
ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating.
Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật MODBUS. Giả sử rằng
nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (không phải tất cả), mọi dữ liệu có
thể được truy cập dễ dàng bởi Master, thiết bị Slave tuân theo các thông số kỹ thuật.
Trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện cho
nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ.


Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 7
Bảng 2.2 : Địa chỉ bộ nhớ
Địa chỉ
Loại
Tên
1 – 9999
Đọc hoặc viết
Cuộn cảm
10001 – 19999
Chỉ đọc

Đầu vào rời rạc
30001 – 39999
Chỉ đọc
Bộ ghi đầu vào
40001 - 49999
Đọc hoặc viết
Bộ ghi Holding
2.1.4, Đọc và viết dữ liệu.
MODBUS có tới 255 mã chức năng, nhưng 1 (cuộn cảm đọc), 2 (đầu vào rời rạc
đọc), 3 (bộ ghi Holding đọc), và 4 (bộ ghi đầu vào đọc) là các chức năng đọc được sử
dụng phổ biến nhất để thu thập dữ liệu từ các thiết bị Slave. Thí dụ, để đọc 3 giá trị 16 bit
dữ liệu analog từ bản đồ bộ nhớ của thiết bị 5, Master sẽ gửi một yêu cầu như sau:
Địa chỉ
Mã hàm
Địa chỉ khởi đầu
Số lượng giá trị cần đọc
Giá trị Kiểm tra lỗi
5
04
2
3
CRC
Trong đó, 5 là địa chỉ thiết bị Slave, 4 đọc bộ ghi đầu vào, 2 là địa chỉ khởi đầu (địa
chỉ 30002). 3 có nghĩa là để đọc 3 giá trị dữ liệu kề nhau xuất phát từ địa chỉ 30002, và
CRC là giá trị kiểm tra lỗi thông điệp này.
Thiết bị tớ, sau khi nhận dữ liệu này, sẽ gửi lại một trả lời như sau:
Địa chỉ
Mã hàm
3 giá trị yêu cầu đọc về
Giá trị Kiểm tra lỗi

5
04
aa, bb, cc
CRC
Tại vị trí 5 là địa chỉ của thiết bị, 04 là yêu cầu đọc lặp, aa, bb, cc là 3 giá trị 16 bit,
CRC là giá trị kiểm tra lỗi thông điệp.
Trong hầu hết các nhà máy, các thiết bị đo hiện trường kết nối với hệ thống điều
khiển với từng cặp dây xoắn “home run”.
2.1.5, MODBUS chế độ RTU.
2.1.5.1, Chu trình yêu cầu – đáp ứng giữa Master và Slave của giao thức
Modbus.
Địa chỉ ở đây là của Slave đã thực hiện yêu cầu và gửi lại đáp ứng. Mã hàm
được giữ nguyên như trong thông báo yêu cầu và dữ liệu chứa kết quả thực hiện yêu cầu
của Master. Nếu xảy ra lỗi, mã hàm quay lại được sửa để chỉ thị đáp ứng là một thông báo

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 8
lỗi, còn dữ liệu mô tả chi tiết lỗi xảy ra. Phần kiểm lỗi giúp Master xác định độ chính xác
của nội dung thông báo nhận được.
Mã hàm
Dữ liệu
Kiểm soát lỗi
Địa chỉ thiết bị
Mã hàm
Dữ liệu
Kiểm soát lỗi
Địa chỉ thiết bị
Thông báo yêu
cầu từ trạm chủ

Thông báo yêu
cầu từ trạm tớ

Hình 2.1 : Khung tryền MODBUS
2.1.5.2, Khung thông báo modbus chế độ RTU.


Hình 2.2 : Định dạng khung truyền

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 9
Khi các thiết bị một mạng MODBUS chuẩn được đặt chế độ RTU (Remote
Terminal Unit - Khối thiết bị đầu cuối ở xa), mỗi byte trong thông báo được gửi thành
một kí tự 8 bit. Mỗi thông báo phải truyền kí tự thành dòng liên tục. Sự thuận lợi chính
của chế độ này là nó có mật độ kí tự lớn nhất, năng suất dữ liệu lớn hơn chế độ ASCII
trong cùng tốc độ baud.
2.2. Chuẩn RS232.
Chuẩn giao tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được 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 là 12.5m đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với
một số thiết bị đặc biệt.
Chuẩn RS232 được 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 được gửi đi
dọc theo đường truyền. Các máy tính thường có một hoặc hai cổng nối tiếp theo chuẩn
RS232 được gọi là cổng COM. Chúng được dùng để ghép nối cho chuột, modem, thiết bị
đo lường…Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc loại 25 chân tùy vào đời máy và main

của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi
chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
2.2.1, Ƣu điểm của giao diện nối tiếp RS232.
 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.
2.2.2, Những đặc điểm cần lƣu ý trong chuẩn RS232.
 Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới( logic 0 và 1) là

12V.
Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000

-7000

.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 10
 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

nhưng phải nhỏ hơn 7000


.
 Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối
tiếp RS232 không vượt 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.
2.2.3, Các mức điện áp thƣờng truyền.

Hình 2.3 : Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS232
RS232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu
điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và 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 tương 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.
Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232( chuẩn thường được dùng bây giờ) được mô tả
như sau:
 Mức logic 0: +3V, +12V.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 11
 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 được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic
từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong
một thời gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn tới việc phải hạn chế về điện dung của các thiết
bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của
dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2kbit/s.
2.2.4, Cổng RS232 trên PC.

Hình 2.4 :Cổng RS232 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.
 Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) là chân đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được
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 sàng, được kích hoạt bởi bộ
truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu.
 Chân 7: Request to send chân yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức
kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 12
 Chân 9: Ring Indicate (RI) báo chuông cho biết là bộ phận đang nhận tín hiệu
rung chuông.
2.2.5, Truyền dữ liệu.
2.2.5.1, Quá trình truyền dữ liệu.
Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ. Do
vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền. Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit
start) để thông báo cho bộ nhận biết một ký tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp
theo. Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bit data) được gửi
dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7, hay 8 bit dữ liệu) sau đó là 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.
2.2.5.2, Tốc độ baud.
Đây là một tham số đặc trưng của RS232. Tham số này chính là đặc trưng
cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay
còn gọi là tốc độ bit. Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1

giây. Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như
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 phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn tả bit được
truyền còn tốc độ bit thì phản ánh tốc độ mà phân tử mã hóa dữ liệu được sử dụng để diễn
tả bit được truyền. Vì một phần tử báo hiệu sự mã hóa một bit nên khi đó hai tốc độ bit và
tốc độ baud là phải đồng nhất.
Một số tốc độ baud thường dùng: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400,
4800, 9600, 19200, 28800, 38400, 56000, 115200. Trong thiết bị thường dùng tốc độ
baud là 19200.
Khi sử dụng chuẩn nối tiếp RS232 thì yêu cầu khi sử dụng chuẩn là thời gian
chuyển mức logic không vượt 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. Điều
này làm giới hạn tốc độ baud và khoảng cách truyền.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 13
2.2.5.3, Bit chẵn lẻ hay Parity bit.
Đây là bit kiểm tra lỗi trên đường truyền. Thực chất của quá trình kiểm tra lỗi
khi truyền dữ liệu là bổ sung thêm dữ liệu được truyền để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong
quá trình truyền. Do đó trong chuẩn RS232 sử dụng một kỹ thuật kiểm tra chẵn lẻ. Một
bit chẵn lẻ được bổ sung vào dữ liệu được truyền để thấy số lượng các bit “1” được gửi
trong một khung truyền là chẵn hay lẻ.
Một Parity bit chỉ có thể tìm ra một số lẻ các lỗi như là 1, 3, 5, 7, 9… Nếu
như một bit mắc lỗi thì bit Parity bit sẽ trùng giá trị với trường hợp không mắc lỗi vì thế
không phát hiện ra lỗi. Do đó trong kỹ thuật mã hóa lỗi này không được sử dụng trong
trường hợp có khả năng một vài bit bị mắc lỗi.
2.2.6, Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232.

Hình 2.5 : Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232
2.3. Chuẩn RS485.
Có thể coi chuẩn 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 kỳ thiết bị mà
sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua 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 một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng
một đường truyền, tốc độ baud có thể lên tới 115.200 cho một khoảng cách là 4000feet
(1200m).

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 14
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 hai dây cùng nhiễu giống nhau. Điều này làm
cho điện áp sai biệt giữa hai 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.
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.
Bảng 2.3: 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

100
L
R 


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

54
L
R 

50
L
C pF


30
% độ rộng
bit
Áp kiểu chung điều
khiển
54
L
R 



3
V
Ngưỡng nhạy thu vào
-7V

CM
V


12V


200
mV
Phạm vi áp kiểu chung
thu vào

-7
12
V
Tổng trở ngõ vào phía
thu

12

K

2.3.1, Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485.
2.3.1.1, Truyền dẫn cân bằng.
Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai 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

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 15
dây kia. Nghĩa là dây này đang phát mức cao thì dây kia phải đang phát mức thấp và
ngược lại.

Hình 2.6: Kiểu truyền cân bằng 2 dây.
2.3.1.2, Mức tín hiệu.

Với hai 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
AB
V
mà nằm trong
khoảng -200mV <
AB
V
< 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.

Hình 2.7 : Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 16
2.3.1.3, 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 2.8 : Cặp dây xoắn trong RS485.
2.3.1.4, Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn.
Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có một trở
kháng đặc tính (Characteristic impedence-Zo), 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.
2.3.1.5, Điện áp kiểu chung.

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


Hình 2.9 : Cách xác định áp kiểu chung.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 17
2.3.1.6, Vấn đề nối đất.
Tín hiệu trên hai 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 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 hai dây nhưng có tới ba 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 2.10 : 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 ba, nó sẽ được nối mass tại
nguồn cung cấp để dùng làm điện áp tham chiếu.
2.3.1.7, Điện trở đầu cuối.
Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor) đơn giản là điện trở được đặt tại hai

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.

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

Trang 18

Hình 2.11 : Cách đặt điện trở đầu cuối RT 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 hai điện trở đầu cuối khác nhau.

RT=54Ω RT=120Ω
Hình 2.12 : Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT.
2.3.1.8, Phân cực đƣờng truyền.
Khi mạng RS485 ở trạng thái rảnh 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 ≤
AB
V
≤ 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 rảnh 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.