Thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị bằng máy tính dùng sóng vô tuyến

Chương 4 CHUẨN GIAO TIẾP MÁY TÍNH Giao tiếp giữa máy tính với thiết bị ngoại vi là việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính với một hay nhiều thiết bị ngoại vi. Máy tính có nhiều cổng vào ra (I/O) để thực hiện chức năng trên. Các cổng vào ra gồm có: Cổng nối tiếp ( Port COM). Cổng song song (cổng máy in). Khe cắm trong máy tính (Slot Card). IV.1 Giới thiệu chuẩn RS232: Để bảo đảm sự tương thích giữa các thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp do các hãng khác nhau sản xuất, năm 1960 hiệp hội Công Nghiệp Điện Tử EIA đã xây dựng một chuẩn giao diện được gọi là RS232. Năm 1963, chuẩn này được cải tiến và gọi là RS232A, RS232B và RS232C vào những năm 1965 và 1969. Ngày nay, RS232 là chuẩn giao diện I/O được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, do chuẩn này ra đời khá lâu, trước khi có họ mạch vi điện tử TTL, vì vậy các mức điện áp vào/ra không tương thích với TTL. Ở RS232, mức “1” tương ứng từ -3V ÷ -25V, còn mức “0” tương ứng từ 3V ÷ 25V, khoảng từ -3V ÷ +3V không xác định. Do đó để nối RS232 với máy tính đều phải qua bộ biến đổi điện áp như MAX232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện áp của RS232 và ngược lại. Nhìn chung, các chip IC MAX232 được dùng để điều khiển đường truyền. IV.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp chuẩn RS232: Cổng nối tiếp chuẩn RS232 là giao tiếp phổ biến rộng rãi nhất, nó còn gọi là cổng COM. Cổng này truyền dữ liệu dưới dạng nối tiếp theo một tốc độ do người lập trình quy định (thường là 1200, 2400, 4800, 9600bps…). Cổng nối tiếp chuẩn RS232 không phải là hệ thống Bus, do đó nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm giữa 2 thiết bị cần trao đổi thông tin với nhau. Chiều dai dữ liệu truyền đi có thể là 7 hoặc 8 bit, và kèm theo các bit Start, Stop, Parity để tạo thành một khung truyền (Frame). Do việc truyền dữ liệu là nối tiếp nên tốc độ truyền bị hạn chế do đó nó thường không được sử dụng trong những ứng dụng cần tốc độ truyền cao. Khung truyền dữ liệu như sau: Start bit D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Parity bit Stop bit Cổng COM 9 chân: Các chân của cổng nối tiếp máy tính: Chân Chức năng Ý nghĩa 1 Data Carrer Detect (DCD) Tách tín hiệu mang dữ liệu 2 Received Data (RxD) Dữ liệu được nhận 3 Transmitted Data (TxD) Dữ liệu được gởi 4 Data Terminal Ready (DTR) Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng 5 Signal Ground (GND) Đất của tín hiệu 6 Data Set Ready (DSR) Dữ liệu sẵn sàng 7 Request to Send (RTS) Yêu cầu gởi 8 Clear to Send (CTS) Xóa để gởi 9 Ring Indicator (RI) Báo chuông Kiểm tra tín hiệu bắt tay của RS232: Để bảo đảm truyền dữ liệu nhanh và tin cậy giữa 2 thiết bị thì việc truyền dữ liệu phải phối hợp tốt. Chẳng hạn như trong trường hợp máy in, do thực tế là trong truyền tin nối tiếp, thiết bị thu có thể không đủ để chứa dữ liệu, khi đó phải có cách để báo cho bên phát ngừng gởi dữ liệu. Có một số chân của RS232 được dùng làm các tín hiệu bắt tay. Quá trình thực hiện chế độ bắt tay: Data Terminal Ready(DTR): thiết bị đầu cuối sẵn sàng. Sau khi được cấp nguồn, và sau khi kết thúc quá trình tự kiểm tra, thiết bị đầu cuối(hoặc cổng COM máy tính) gửi tín hiệu DTR để báo rằng thiết bị đã sẵn sàng để truyền tin. Nếu có lỗi ở cổng COM, tín hiệu này sẽ không được kích hoạt. Đây là tín hiệu tích cực thấp và có thể được dùng để thông báo cho Modem biết rằng máy tính đang hoạt động, đây là chân ra từ DTE(cổng COM máy tính) và đưa vào Modem. Data Set Ready (DSR): dữ liệu sẳn sàng. Khi thiết bị truyền thông DCE được cấp nguồn và thực hiện xong quá trình tự kiểm tra, tín hiệu DSR được sử dụng để xác nhận dữ liệu đã sẵn sàng để truyền tin. Như vậy DSR là chân ra từ Modem (DCE) và vào máy tính (DTE). Tín hiệu này có mức tích cực thấp. Nếu vì một lý do nào đó Modem không thể kết nối được vào mạng điện thoại thì tín hiệu này sẽ không được kích hoạt để báo cho máy tính rằng nó không thể nhận hoặc gửi dữ liệu. Request to Send (RTS): yêu cầu gửi dữ liệu. Tín hiệu RTS được sử dụng để báo cho Modem biết thiết bị DTE có 1 byte cần gửi, RTS là đầu ra tích cực thấp từ thiết bị DTE và vào thiết bị DCE. Clear to Send (CTS): tín hiệu thông. Để trả lời tín hiệu RTS, và khi đã sẵn sàng, Modem gửi tín hiệu CTS đến thiết bị DTE báo máy tính biết Modem đang sẵn sàng nhận dữ liệu. CTS là tín hiệu vào thiết bị DTE và được DTE sử dụng để bắt đầu truyền dữ liệu. Data Carrer Detect (DCD): dò sóng mang dữ liệu. Modem gửi tín hiệu DCD để báo cho thiết bị DTE rằng đã phát hiện được sóng mang và sự kết nối giữa thiết bị DTE với Modem đã được thiết lập. DCD là tín hiệu ra từ Modem và đưa vào DTE. Ring Indicator (RI): chỉ thị chuông. Đây là tín hiệu ra từ Modem(DCE) đưa vào PC(DTE) để báo rằng điện thoại đang reo chuông. Tín hiệu này tắt hoặc mở đồng bộ với tiếng chuông. Trong 6 tín hiệu bắt tay, đây là tín hiệu ít được sử dụng nhất. Từ những trình bày trên, có thể tóm tắt quá trình truyền tin giữa PC và Modem như sau: khi có các tín hiệu DTR và DSR của PC và Modem, chúng báo hiệu là PC và Modem làm việc tốt, các tín hiệu RTS và CTS điều khiển luồng dữ liệu. Khi PC muốn gửi dữ liệu thì nó gửi tín hiệu RTS cho Modem và để trả lời lại, nếu Modem đã sẵn sàng để nhận dữ liệu từ PC thì nó gửi lại cho PC tín hiệu CTS. Nếu Modem bận thì nó không phát tín hiệu CTS, PC sẽ hủy tín hiệu DTR và sẽ thử lập lại quá trình này. Tín hiệu CTS và RTS còn gọi là tín hiệu điều khiển luồng phần cứng. Còn nếu thiếu chỗ chứa dữ liệu thì Modem không kích hoạt CTS và PC thôi không yêu cầu DTR và tiến hành thử lại lần nữa. Các tín hiệu RTS và CTS cũng được coi là tín hiệu điều khiển luồng phần cứng. DTE DTE TxD RxD TxD RxD Ground Hình 4.1 - Kết nối Modem rỗng IV.3 Giao tiếp qua cổng máy in (LTP): Cổng nối giữa máy tính và máy in còn được gọi là cổng song song. Việc nối máy in với máy tính được thực hiện thông qua cổng cắm 25 chân ở phía sau máy tính, nhưng đây không chỉ là chỗ nối với máy in mà khi sử dụng máy tính vào việc điều khiển thiết bị ngoại vi thì việc ghép nối cũng có thể thực hiện được qua cổng này. Cổng này truyền dữ liệu song song, tốc độ truyền cao. Cổng có các đường dẫn tương thích với TTL. Mô tả cổng máy in: Cổng máy in có 17 đường dẫn bao gồm 12 đường dẫn ra và 5 đường dẫn vào. Các đường dữ liệu từ D0 ÷ D7 là những đường dẫn 1 chiều và là đường dẫn ra. Các đường tín hiệu vào ra có chốt. Chân số 1(Strobe): chân ra, khi máy tính đưa tính hiệu này ra thì nó báo cho máy in đọc dữ liệu vào để in. Xung tác động ở mức thấp. Chân 2 ÷ 9 (Data): các chân ra dữ liệu của máy tính. Chân 10 (ACK): chân vào để báo cho máy tính biết là dữ liệu đã nhận được và yêu cầu máy tính gởi dữ liệu tiếp theo. Chân 11 (Busy): chân vào để báo cho máy tính biết là máy in đang bận không thể nhận tiếp dữ liệu từ máy tính gởi vào. Chân này tác động ở mức cao. Chân 12 (PE): chân vào để báo cho máy tính biết là máy in hết giấy. Chân này tác động ở mức cao. Chân 13 (SLCT): chân vào để báo máy tính đang ở trạng thái lựa chọn. Chân này tác động ở mức cao. Cổng máy in 25 chân: Chân 14 (AF): Chân vào tác động ở mức thấp. Khi tác động thì máy tự động dịch thêm một dòng sau khi in. Chân 15 (Error): Chân vào tác động ở mức thấp để báo máy in đang bị lỗi. Chân 16 (INIT): chân ra tác động mức thấp để đặt lại máy in. Chân 17(SLCTIN): chân ra tác động mức thấp để báo máy in đưa dữ liệu vào. Chân 18 ÷ 25 (GND): chân nối mass. Trong 17 đường dẫn tín hiệu thì có 5 vào, vì vậy việc bắt tay giữa máy tính và máy in được thực hiện chẳng hạn như khi máy in không còn đủ chỗ trống trong bộ nhớ thì nó đưa đến máy tính một trang thái (Busy = 1) tức là báo máy in đang bận không nên gởi dữ liệu ra nữa. Địa chỉ thanh ghi dữ liệu với địa chỉ cơ bản của cổng máy in 378H. Địa chỉ thanh ghi trang thái là 379H. Địa chỉ thanh ghi điều khiển là 37AH. Muốn truy xuất dữ liệu qua cổng máy in thì ta phải biết được địa chỉ cơ bản của các thanh ghi dữ liệu gọi là địa chỉ cơ bản của cổng máy in. IV.4 Giao tiếp qua khe cắm máy tính (Slot Card): Trong máy vi tính trên Board mạch hệ thống thường chế tạo sẵn các khe cắm nhằm mục đích mở rộng bộ nhớ cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng của máy tính bằng cách gắn thêm các Board mạch mở rộng vào các khe cắm này. Mỗi Slot đều có các Bus dữ liệu, Bus địa chỉ và các đường tín hiệu điều khiển như: CLK, IOW, IOR, AEN, ALE, Reset. Do đó việc thiết kế các Slot Card từ các đầu cắm Slot sẽ đơn giản, số linh kiện kèm theo it, và tận dụng được các nguồn điện của máy tính (±5V, ±12V) nên giá thành sẽ rẻ đi, dễ dàng đưa tín hiệu điều khiển ra ngoài và tốc độ truyền nhanh. Bên cạnh những ưu điểm đó, Slot Card cũng có một số nhược điểm sau: Slot Card phải cắm vào các Slot trên Board mạch hệ thống nên phải gở nắp máy. Phạm vi truyền tín hiệu gần và cáp truyền phức tạp. Trong một số trường hợp không thực hiện được. Vì vậy khi sử dụng Slot Card để giao tiếp với thiết bị ngoại vi cần cân nhắc kỹ ưu khuyết điểm. Tùy theo mục đích sử dụng mà ta chọn phương án thích hợp nhất. IV.5 Nối ghép 8051 với RS232: Như chúng ta đã biết, chuẩn RS232 không tương thích với mức logic TTL, nên cần bổ xung thêm một bộ điều khiển đường truyền, chẳng hạn như chip MAX232 để chuyển đổi các mức điện áp RS232 về các mức TTL và ngược lại. Chân RxD và TxD của 8051: 8051 có 2 chân được dùng chuyên cho truyền và nhận dữ liệu nối tiếp. Hai chân này là RxD và TxD và là một phần của cổng P3(P3.0 và P3.1). P3.0 là chân số 10 của 8051, còn P3.1 là chân số 11. Các chân này tương thích với mức logic TTL. Do vậy cần có thêm một bộ điều khiển đường truyền để chúng tương thích với RS232. Bộ điều khiển như vậy có thể là chip Max232. Bộ điều khiển đường truyền Max232: Vì RS232 không tương thích với các bộ vi xử lý và vi điều khiển hiện nay nên ta cần một bộ điều khiển đường truyền (bộ chuyển đổi điện áp) để chuyển đổi các tín hiệu RS232 về các mức điện áp TTL được các chân TxD và RxD của 8051 chấp nhận. Bộ Max232 chuyển đổi từ các mức điện áp RS232 về mức TTL và ngược lại. Một điểm mạnh khác của chip Max232 đó là dùng điện áp nguồn +5V, cùng với điện áp nguồn của 8051. DB-9 8051 2 5 2 11 P3.1 TxD Max232 3 4 3 10 P3.0 RxD Hình 4.3 - Sơ đồ kết nối Modem rỗng Max232 với 8051 mass Hình 4.2 - Sơ đồ cấu trúc của Max232 . Max232 có hai bộ điều khiển đường truyền là nhận và truyền dữ liệu như ở hình trên. Các bộ điều khiển đường truyền dùng cho TxD được gọi là T1 và T2. Trong nhiều ứng dụng thì chỉ có một cặp được dùng. Ví dụ T1 và R1 được dùng với nhau cho trường hợp TxD và RxD của 8051, còn cặp R2 và T2 không dùng đến. Để ý rằng, bộ điều khiển T1 của Max232 có gán T1in và T1out trên các chân số 11 và 14 tương ứng. chân T1in là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ vi điều khiển, còn chân T1out là ở phía RS232 được nối tới chân RxD của đầu nối DB của RS232. Bộ điều khiển đường R1 cũng có gán R1in và R1out trên các chân số 13 và 12 tương ứng. Chân R1in là ở phía RS232 được nối tới chân TxD đầu nối DB của RS232 và chân R1out là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ vi điều khiển. Để ý rằng nối ghép Modem rỗng là nối ghép mà chân TxD bên phát được nối với RxD của bên thu và ngược lại. Max232 cần có 4 tụ điện giá trị từ 1 đến 22mF, thường dùng là 22mF. IV.6 Cơ sở của truyền tin nối tiếp: Khi bộ vi xử lý truyền tin với thế giới bên ngoài thì nó cấp dữ liệu dưới dạng từng byte (8bit) một. Trong một số trường hợp, chẳng hạn như máy in, thì thông tin được lấy từ Bus dữ liệu 8 bit của máy tính và gửi tới Bus dữ liệu 8 bit của máy in. Phương pháp này chỉ thực hiện được khi đường cáp không quá dài vì nếu đường cáp quá dài sẽ làm suy giảm thậm chí làm méo tín hiệu. Ngoài ra đường 8 bit dữ liệu giá thành cao. Vì những lý do đó, trong trường hợp hai hệ thống cách xa nhau thì ta phải sử dụng truyền thông nối tiếp. Hình IV. So sánh 2 phương pháp truyền tin nói trên. Máy phát Máy thu Máy phát Máy thu Truyền nối tiếp Truyền song song D0 D7 Hình 4.4 - Truyền dữ liệu song song và nối tiếp Để truyền tin nối tiếp, người ta sử dụng một đường dữ liệu thay cho Bus dữ liệu 8 bit của truyền tin song song. Để tổ chức truyền tin nối tiếp , trước hết Byte dữ liệu được chuyển thành các Bit nối tiếp nhờ thanh ghi dịch vào song song – ra nối tiếp. Tiếp theo, dữ liệu được truyền qua một đường dữ liệu đơn. Như vậy ở đầu thu cũng phải có một thanh ghi dịch vào nối tiếp – ra song song để nhận dữ liệu nối và sau đó gói chúng thành từng Byte một. Truyền tin nối tiếp có 2 phương pháp: đồng bộ và không đồng bộ. Phương pháp đồng bộ chuyển mỗi lần một khối dữ liệu (các ký tự), còn phương pháp không đồng bộ chỉ truyền từng Byte một. IV.6.1 Truyền dữ liệu bán song công và song công: Nếu trong quá trình truyền, dữ liệu vừa có thể phát vừa có thể thu thì gọi là truyền song công. Còn dữ liệu chỉ được phát đi theo một hướng ( máy tính chỉ phát dữ liệu cho máy in). Truyền song công có 2 dạng: song công hoàn toàn và bán song công tùy thuộc vào việc truyền dữ liệu có đồng thời hay không. Nếu tại mỗi thời điểm dữ liệu chỉ truyền một chiều thì được gọi là bán song công. Còn trường hợp dữ liệu truyền được cả 2 chiều đồng thời thì gọi là song công hoàn toàn. Như vậy ở chế độ song công hoàn toàn, để truyền được 2 chiều đồng thời cần có 2 đường dữ liệu, một đường để phát còn đường kia để thu. IV.6.2 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ và định khung dữ liệu: Dữ liệu tới đầu thu của đường truyền nối tiếp là tín hiệu 0 và 1. Việc xác định nội dung của dữ liệu sẽ khó khăn nếu giữa đầu phát và đầu thu không có một quy tắc thống nhất còn được gọi là giao thức (Protocol) như : dữ liệu được sắp xếp như thế nào, có bao nhiêu Bit tạo thành một ký tự, khi nào bắt đầu và khi nào kết thúc dữ liệu,… Bit khởi động và Bit dừng: Truyền tin nối tiếp không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong truyền ký tự, còn truyền dữ liệu định hướng khối sử dụng phương pháp đồng bộ. Ở phương pháp không đồng bộ, mỗi ký tự được bố trí vào giữa Bit khởi động (Start bit) và Bit dừng (Stop bit). Người ta gọi cách thức này là định khung. Như vậy, đối với truyền tin không đồng bộ, để định khung thì dữ liệu ký tự được nén giữa Bit khởi động và Bit dừng. Bit khởi động luôn chỉ có một Bit, còn Bit dừng có thể có 1 hoặc 2 bit. Bit khởi động luôn có giá trị 0 (mức thấp), còn Bit dừng thì có giá trị 1 (mức cao). 0 0 0 0 0 0 1 1 Gửi đi cuối cùng Bit Stop Bit Start Đánh dấu Khoảng trống Gửi đi đầu tiên Chiều dữ liệu 1 khung Ví dụ: Xem hình 4.6 trong đó ký tự “A” ASCII có mã nhị phân là 0100 0001, được định khung giữa 1 bit khởi động và 2 bit dừng. Chú ý là bit có trọng số thấp LSB được gởi đi trước. Hình 4.5 - Định khung ký tự “A” (mã ASCII: 41H) Ở hình 4.6, khi không truyền thì tín hiệu là 1, gọi là dấu (mark). Tín hiệu 0 được gọi là khoảng trống (Space). Quá trình truyền sẽ bắt đầu với bit khởi động, tiếp theo là bit D0 (bit LSB) tiếp theo là các bit còn lại cho đến bit có trọng số lớn nhất MSB là D7, và cuối cùng là bit dừng để báo rằng đã kết thúc ký tự “A”. Tốc độ truyền dữ liệu: Tốc độ truyền tin nối tiếp được tính bằng bit/giây (bps: Bit per Second). Một thuật ngữ khác cũng thường được sử dụng là baud. Tuy nhiên khái niệm bps và baud là không hoàn toàn giống nhau. Baud là đơn vị đo dùng cho Modem và được định nghĩa là số lần thay đổi tín hiệu trong 1 giây. Đối với Modem, mỗi lần thay đổi tín hiệu có thể truyền được nhiều bit dữ liệu. Còn đối với đường truyền thì tốc độ baud và bps là một. Tốc độ truyền dữ liệu của từng máy tính phụ thuộc vào cổng truyền tin của hệ máy đó. Ví dụ, các máy tính của IBM trước kia có thể truyền dữ liệu với tốc độ từ 100 đến 9600 bps. Tuy nhiên trong những năm gần đây, tốc độ của các máy PC dựa trên Pentium đã đạt tốc độ truyền dữ liệu rất cao, lên tới 65Kbps. Đối với truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ thì nói chung tốc độ bị hạn chế đến 100Kbps.