Bài giảng Mạng truyền thông trong ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG Ô TÔ SỐ TÍN CHỈ: 02 LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ Hưng Yên - 2015 1 MỤC LỤC MỤC LỤC TÍN CHỈ 1 ........................................................................Error! Bookmark not defined. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRÊN Ô TÔ ...................... 1 1.1. Sơ đồ tổng quát ....................................................................................................... 2 1.2. Ƣu điểm của MPX ..................................................................................................... 8 1.3. Định nghĩa MPX ....................................................... Error! Bookmark not defined. 1.4. Đặc điểm chính của MPX ......................................... Error! Bookmark not defined. 1.5. Nguyên tắc cơ bản của truyền thông trên MPX ....... Error! Bookmark not defined. 1.6. Các loại giao thức truyền thông sử dụng trên ô tô ..................................................... 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA TRUYỀN THÔNG ................................... 8 2.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................................ 8 2.2. Chế độ truyền tải ...................................................................................................... 12 2.3. Cấu trúc mạng .......................................................................................................... 14 2.4. Truy nhập bus .......................................................................................................... 18 2.5. Bảo toàn dữ liệu ....................................................................................................... 22 2.6. Mã hóa bít ................................................................................................................ 25 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn .................................................................................................. 29 TÍN CHỈ 2 ................................................................................................................ 40 CHƢƠNG 3. CÁC GIAO THỨC CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG TRÊN ÔTÔ 40 3.1. Giao thức BEAN...................................................................................................... 40 3.2. Giao thức AVC-LAN .............................................................................................. 45 3.3. Giao thức CAN ........................................................................................................ 51 3.4. Giao thức LIN .......................................................................................................... 58 CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN .................................................. 62 4.1. Hƣớng dẫn đọc và phân tích một số sơ đồ mạng tiêu biểu ........................... 62 4.2. Thực hành lập trình CAN điều khiển điện thân xe .......... 62 CÂU HỎI ÔN TÂP. 63 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRÊN Ô TÔ 1.1. KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG Sù phæ biÕn cña c¸c gi¶i ph¸p tù ®éng ho¸ sö dông hÖ thèng truyÒn th«ng sè lµ kÕt qu¶ tæng hîp cña c¸c tiÕn bé trong kü thuËt vi ®iÖn tö, kü thuËt m¸y tÝnh, kü thuËt th«ng tin vµ ®-¬ng nhiªn lµ cña c¶ kü thuËt tù ®éng ho¸. M¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp nãi chung vµ m¹ng truyÒn th«ng trªn «t« nãi riªng lµ mét kh¸i niÖm chung chØ c¸c hÖ thèng m¹ng truyÒn th«ng sè, truyÒn bÝt nèi tiÕp, ®-îc sö dông ®Ó ghÐp nèi c¸c thiÕt bÞ c«ng nghiÖp, c¸c thiÕt bÞ trong mét hoÆc nhiÒu hÖ thèng víi nhau C¸c hÖ thèng truyÒn th«ng phæ biÕn hiÖn nay cho phÐp liªn kÕt m¹ng ë nhiÒu møc kh¸c nhau, tõ c¸c c¶m biÕn, c¬ cÊu chÊp hµnh d-íi cÊp tr-êng cho ®Õn c¸c m¸y tÝnh ®iÒu khiÓn, thiÕt bÞ quan s¸t, m¸y tÝnh ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t vµ c¸c m¸y tÝnh cÊp ®iÒu hµnh xÝ nghiÖp, qu¶n lý c«ng ty. M¹ng truyÒn th«ng thùc chÊt lµ mét d¹ng ®Æc biÖt cña m¹ng m¸y tÝnh, cã thÓ so s¸nh víi m¹ng m¸y tÝnh th«ng th-êng ë nh÷ng ®iÓm gièng nhau vµ kh¸c nhau nh- sau: * Kü thuËt truyÒn th«ng sè hay truyÒn d÷ liÖu lµ ®Æc tr-ng chung cña c¶ hai lÜnh vùc. * Trong nhiÒu tr-êng hîp, m¹ng m¸y tÝnh sö dông trong « t« ®-îc coi lµ mét phÇn trong m« h×nh ph©n cÊp cña m¹ng c«ng nghiÖp. * Yªu cÇu vÒ tÝnh n¨ng thêi gian thùc, ®é tin cËy vµ kh¶ n¨ng t-¬ng thÝch trong « t« cña m¹ng truyÒn th«ng cao h¬n so víi mét m¹ng m¸y tÝnh th«ng th-êng, trong khi ®ã m¹ng m¸y tÝnh th-êng ®ßi hái cao h¬n vÒ ®é b¶o mËt. * M¹ng m¸y tÝnh cã ph¹m vi tr¶i réng rÊt kh¸c nhau, vÝ dô cã thÓ nhá nh- m¹ng LAN cho mét nhãm vµi m¸y tÝnh, hoÆc rÊt lín nh- m¹ng Internet. Trong nhiÒu tr-êng hîp, m¹ng m¸y tÝnh gi¸n tiÕp sö dông dÞch vô truyÒn d÷ liÖu cña m¹ng viÔn th«ng. Trong khi ®ã, cho ®Õn nay c¸c hÖ thèng m¹ng truyÒn th«ng trªn « t« th-êng cã tÝnh chÊt ®éc lËp, ph¹m vi ho¹t ®éng t-¬ng ®èi hÑp. Sù kh¸c nhau trong ph¹m vi vµ môc ®Ých sö dông gi÷a c¸c hÖ thèng m¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp vµ m¹ng truyÒn th«ng trªn « t« víi c¸c hÖ thèng m¹ng viÔn th«ng vµ m¹ng m¸y tÝnh dÉn ®Õn sù kh¸c nhau trong c¸c yªu cÇu vÒ mÆt kü thuËt còng nh- kinh tÕ. VÝ dô, do yªu cÇu kÕt nèi nhiÒu m¸y tÝnh kh¸c nhau vµ cho nhiÒu ph¹m vi øng dông kh¸c nhau, kiÕn tróc giao thøc cña c¸c m¹ng m¸y tÝnh phæ th«ng th-êng phøc t¹p h¬n so víi kiÕn tróc giao thøc c¸c m¹ng c«ng nghiÖp vµ m¹ng truyÒn th«ng trªn «t«. §èi víi c¸c hÖ thèng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp vµ m¹ng truyÒn th«ng trªn «t«, ®Æc biÖt lµ ë c¸c cÊp d-íi th× c¸c yªu cÇu vÒ tÝnh n¨ng thêi gian thùc, kh¶ n¨ng thùc hiÖn ®¬n gi¶n, gi¸ thµnh h¹ l¹i lu«n ®-îc ®Æt ra hµng ®Çu. 3 1.2. VAI TRÒ CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG GhÐp nèi thiÕt bÞ, trao ®æi th«ng tin lµ mét trong nh÷ng vÊn ®Ò c¬ b¶n trong bÊt cø mét gi¶i ph¸p tù ®éng ho¸ nµo. Mét bé hoÆc nhiÒu bé ®iÒu khiÓn cÇn ®-îc ghÐp nèi víi c¸c c¶m biÕn vµ c¬ cÊu chÊp hµnh,. Gi÷a c¸c bé ®iÒu khiÓn trong mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn ph©n t¸n còng cÇn trao ®æi th«ng tin víi nhau ®Ó phèi hîp thùc hiÖn ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh ghÐp nèi vµ giao tiÕp víi c¸c bé ®iÒu khiÓn ®Ó cã thÓ theo dâi, gi¸m s¸t toµn bé qu¸ tr×nh ho¹t ®éng vµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn. VËy, m¹ng truyÒn th«ng trªn «t« cã vai trß quan träng nh- thÕ nµo trong c¸c lÜnh vùc ®o l-êng, ®iÒu khiÓn vµ tù ®éng hãa c¸c hÖ thèng? Sö dông m¹ng truyÒn th«ng trªn «t«, ®Æc biÖt lµ bus tr-êng ®Ó thay thÕ c¸ch nèi ®iÓm - ®iÓm cæ ®iÓn gi÷a c¸c thiÕt bÞ đã mang l¹i hµng lo¹t nh÷ng lîi Ých nh- sau: * §¬n gi¶n ho¸ cÊu tróc liªn kÕt gi÷a c¸c thiÕt bÞ: Mét sè l-îng lín c¸c thiÕt bÞ thuéc c¸c chñng lo¹i kh¸c nhau ®-îc ghÐp nèi víi nhau th«ng qua mét ®-êng truyÒn duy nhÊt. * TiÕt kiÖm d©y nèi vµ c«ng thiÕt kÕ, l¾p ®Æt hÖ thèng: Nhê cÊu tróc ®¬n gi¶n, viÖc thiÕt kÕ hÖ thèng trë nªn dÔ dµng h¬n nhiÒu. Mét sè l-îng lín c¸p truyÒn ®-îc thay thÕ b»ng mét ®-êng duy nhÊt, gi¶m chi phÝ ®¸ng kÓ cho nguyªn vËt liÖu vµ c«ng l¾p ®Æt. * N©ng cao ®é tin cËy vµ ®é chÝnh x¸c cña th«ng tin: Khi dïng ph-¬ng ph¸p truyÒn tÝn hiÖu t-¬ng tù cæ ®iÓn, t¸c ®éng cña nhiÔu dÔ lµm thay ®æi néi dung th«ng tin mµ c¸c thiÕt bÞ kh«ng cã c¸ch nµo nhËn biÕt. Nhê kü thuËt truyÒn th«ng sè, kh«ng nh÷ng th«ng tin truyÒn ®i khã bÞ sai lÖch h¬n, mµ c¸c thiÕt bÞ nèi m¹ng cßn cã thªm kh¶ n¨ng tù ph¸t hiÖn lçi vµ chÈn ®o¸n lçi nÕu cã. H¬n thÕ n÷a, viÖc bá qua nhiÒu lÇn chuyÓn ®æi qua l¹i t-¬ng tù - sè vµ sè – t-¬ng tù n©ng cao ®é chÝnh x¸c cña th«ng tin. * N©ng cao ®é linh ho¹t, tÝnh n¨ng më cña hÖ thèng: Mét hÖ thèng m¹ng chuÈn ho¸ quèc tÕ t¹o ®iÒu kiÖn cho viÖc sö dông c¸c thiÕt bÞ cña nhiÒu h·ng kh¸c nhau. ViÖc thay thÕ thiÕt bÞ, n©ng cÊp vµ më réng ph¹m vi chøc n¨ng cña hÖ thèng còng dÔ dµng h¬n nhiÒu. Kh¶ n¨ng t-¬ng t¸c gi÷a c¸c thµnh phÇn (phÇn cøng vµ phÇn mÒm) ®-îc n©ng cao nhê c¸c giao diÖn chuÈn. * §¬n gi¶n ho¸ /tiÖn lîi ho¸ viÖc tham sè ho¸, chÈn ®o¸n, ®Þnh vÞ lçi, sù cè cña c¸c thiÕt bÞ; Víi mét ®-êng truyÒn duy nhÊt, kh«ng nh÷ng c¸c thiÕt bÞ cã thÓ trao ®æi d÷ liÖu qu¸ tr×nh, mµ cßn cã thÓ göi cho nhau c¸c d÷ liÖu tham sè, d÷ liÖu tr¹ng th¸i, d÷ liÖu c¶nh b¸o vµ d÷ liÖu chÈn ®o¸n. C¸c thiÕt bÞ cã thÓ tÝch hîp kh¶ n¨ng tù chÈn ®o¸n, c¸c tr¹m trong m¹ng còng cã 4 thÓ cã kh¶ n¨ng c¶nh giíi lÉn nhau. ViÖc cÊu h×nh hÖ thèng. lËp tr×nh, tham sè ho¸, chØnh ®Þnh thiÕt bÞ vµ ®-a vµo vËn hµnh cã thÓ thùc hiÖn tõ xa qua mét tr¹m kü thuËt trung t©m. * Më ra nhiÒu chøc n¨ng vµ kh¶ n¨ng øng dông míi cña hÖ thèng: Sö dông m¹ng truyÒn th«ng cho phÐp ¸p dông c¸c kiÕn tróc ®iÒu khiÓn míi nh- ®iÒu khiÓn ph©n t¸n, ®iÒu khiÓn ph©n t¸n víi c¸c thiÕt bÞ tr-êng, ®iÒu khiÓn gi¸m s¸t hoÆc chÈn ®o¸n lçi tõ xa qua Internet, tÝch hîp th«ng tin cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ gi¸m s¸t th«ng tin. Cã thÓ nãi, m¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp nãi chung vµ m¹ng truyÒn th«ng trªn «t« nãi riªng ®· lµm thay ®æi h¼n t- duy vÒ thiÕt kÕ vµ tÝch hîp hÖ thèng. -u thÕ cña gi¶i ph¸p dïng m¹ng truyÒn th«ng kh«ng nh÷ng n»m ë ph-¬ng diÖn kü thuËt, mµ cßn ë khÝa c¹nh hiÖu qu¶ kinh tÕ. ChÝnh v× vËy, øng dông cña nã réng r·i trong hÇu hÕt c¸c lÜnh vùc c«ng nghiÖp, nh- ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh, tù ®éng hãa xÝ nghiÖp, tù ®éng ho¸ toµ nhµ, ®iÒu khiÓn giao th«ng, v.v.. Trong ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh, c¸c hÖ thèng bus tr-êng ®· dÇn thay thÕ c¸c m¹ch dßng t-¬ng tù (current loop) 4-20mA. Trong c¸c hÖ thèng tù ®éng ho¸ xÝ nghiÖp hoÆc tù ®éng hãa toµ nhµ, mét sè l-îng lín c¸c phÇn tö trung gian ®-îc bá qua nhê c¸c hÖ bus ghÐp nèi trùc tiÕp c¸c thiÕt bÞ c¶m biÕn vµ chÊp hµnh. Nãi tãm l¹i, sö dông m¹ng truyÒn th«ng lµ kh«ng thÓ thiÕu ®-îc trong viÖc tÝch hîp c¸c hÖ thèng tù ®éng hãa hiÖn ®¹i. 1.3. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT Hình 1.1. Minh họa về số lƣợng ECU sử dụng trên ô tô Những năm gần đây, những hệ thống điều khiển tự động và điều khiển thông minh trên ôtô đã đƣợc tạo ra ngày càng nhiều để đáp ứng những yêu cầu khắt khe về tính năng an toàn, thoải mái và tiện nghi trên xe. Điều này đã tạo nên sự đột phá trong công nghệ chế tạo hộp điều khiển điện tử (ECU) và công nghệ cảm biến (Sensor). Số lƣợng ECU trên một chiếc xe (hình 1.1) đã tăng lên rất nhiều, có thể lên đến 40 ECU trên chiếc xe con và 25 ECU trên những chiếc xe tải. Chính vì thế, nó đã làm tăng trọng lƣợng xe do sự gia tăng mạnh của số lƣợng dây điện. 5 Hình 1.2. Mạng không dây trong hệ thống giao thông hiện đại Để đối phó với điều này, mỗi nhà sản xuất ôtô đã chủ động nghiên cứu và phát minh ra một hệ thống có thể kết nối tất cả các ECU trên xe mà không sử dụng dây dẫn điện thông thƣờng. Hệ thống này đƣợc gọi là mạng truyền thông đa dẫn (MPX- Multiplex Communication System). Chính việc kết nối giữa các ECU của các hệ thống thông qua các bus dữ liệu đã làm tăng tốc độ truyền tín hiệu và làm giảm trọng lƣợng của xe. Ví dụ về một mạng truyền thông của hãng Lexus đƣợc trình bày trên hình 1.2. 6 Hình 1.3. Sơ đồ tổng quát của mạng truyền thông trên xe Lexus 1.4. CÁC LOẠI GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG TRÊN ÔTÔ B¶ng 1.1. Các loại giao thức truyền thông hay sử dụng trên ô tô Protocol BEAN (TOYOTA Original) CAN (ISO Standard) LIN (ISO Standard) AVC-LAN (TOYOTA Original) Application Body Electrical Power Train Body Electrical Audio Communication Speed 10 kbps 500 kbps (HS) 250 kbps (MS) 9.6 kbps 17.8 kbps Data Length 1 – 11 Byte (Variable) 1 – 8 Byte (Variable) 0 – 8 Byte (0, 2, 4, 8) 0 – 32 Byte (Variable) Communication Wire AV Signal Wire Twisted-pair wire AV Signal Wire Twisted-pair wire Drive Type Single Wire Voltage Drive Differential Voltage Drive Single Wire Voltage Drive Differential Voltage Drive Communication Direction One-way and Two-way Communications Two-way Communication Two-way Communication Two-way Communication Access System CSMA/CD (Multi Master) CSMA/CR (Multi Master) Master/Slave (Single Master) Master/Slave (Single Master) Topology Bus (Daisy Chain) Bus Star Star Sleep/Wake-up Available N.A. Available N.A. Error Detection CRC CRC N.A. Parity Check Response ACK, NAK ACK N.A. ACK 7 + Truyền dữ liệu một chiều tốc độ thấp giữa công tắc chính cửa sổ điện và ECU thân xe. Đây chỉ là việc giao tiếp một chiều đến ECU định trƣớc do hệ thống truyền tín hiệu một chiều (tốc độ truyền là 1 kbps). + BEAN (Body Electronics Area Network - Mạng điện tử thân xe): Hệ thống này có tốc độ truyền dữ liệu là 10kbps. + AVC-LAN (Audio Visual Communication-Local area Network): Hệ thống này đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu cho hệ thống âm thanh, nghe nhìn, hệ thống dẫn đƣờng, định vị toàn cầu, (tốc độ truyền dữ liệu là 17kbps). + UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitting- Truyền/Nhận dữ liệu nối tiếp không đồng bộ): Hệ thống này đƣợc dùng trong việc truyền tín hiệu giữa các ECU có liên quan đến việc điều khiển xe: giữa ECU động cơ và ECU điều khiển trƣợt, ECU động cơ và ECU của xe HV (xe dùng động cơ lai),(tốc độ truyền dữ liệu là 9600 - 19200 bps). + LIN (Local Interconnect Network- mạng cục bộ trên xe): Hệ thống này cũng sử dụng để truyền dữ liệu giữa các ECU của thân xe (tốc độ truyền dữ liệu là 20kps). + CAN (Controller Area Network): Dùng để truyền tín hiệu giữa các ECU trên xe (có 2 tốc độ truyền: CAN tốc độ thấp-125kbps và CAN tốc độ cao- 1Mbps) Ngoài ra còn có các giao thức khác cũng đƣợc sử dụng trên mạng truyền thông trên ôtô, gồm: Byteflight, TTP/C, TTCAN, FlexRay, Trong tài liệu này chỉ tập chung nghiên cứu các giao thức BEAN, AVC-LAN, LIN và CAN. 8 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA TRUYỀN THÔNG 2.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1.1. Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 2.1.1.1. Thông tin Th«ng tin lµ mét trong nh÷ng kh¸i niÖm c¬ së quan träng nhÊt trong khoa häc kü thô©t, còng gièng nh- vËt chÊt vµ n¨ng l-îng. C¸c ®Çu vµo còng nh- c¸c ®Çu ra cña mét hÖ thèng kü thuËt chØ cã thÓ lµ vËt chÊt, n¨ng l-îng hoÆc th«ng tin, nh- m« t¶ trªn h×nh 2.1. Mét hÖ thèng xö lý th«ng tin hoÆc mét hÖ thèng truyÒn th«ng lµ mét hÖ thèng kü thuËt chØ quan t©m tíi c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra lµ th«ng tin. Tuy nhiªn, ®a sè c¸c hÖ thèng kü thô©t kh¸c th-êng cã c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra hçn hîp (vËt chÊt, n¨ng l-îng vµ th«ng tin). H×nh 2.1. Vai trß cña th«ng tin trong hÖ thèng kü thuËt Th«ng tin lµ th-íc ®o møc nhËn thøc, sù hiÓu biÕt vÒ mét vÊn ®Ò, mét sù kiÖn hoÆc mét hÖ thèng. VÝ dô, mét th«ng tin cho chóng ta biÕt mét c¸ch chÝnh x¸c hay t-¬ng ®èi vÒ nhiÖt ®é ngoµi trêi hay mùc n-íc trong bÓ chøa. Th«ng tin gióp chóng ta ph©n biÖt gi÷a c¸c mÆt cña mét vÊn ®Ò, gi÷a c¸c tr¹ng th¸i cña mét sù vËt. Nãi mét c¸ch kh¸c, th«ng tin chÝnh lµ sù lo¹i trõ tÝnh chÊt bÊt ®Þnh. Trong khi vËt chÊt vµ n¨ng l-îng lµ nÒn t¶ng cña vËt lý vµ ho¸ häc, th× th«ng tin chÝnh lµ chñ thÓ cña tin häc vµ c«ng nghÖ th«ng tin. Th«ng tin lµ c¬ së cho sù giao tiÕp. Th«ng qua viÖc giao tiÕp mµ c¸c ®èi t¸c cã thªm hiÓu biÕt lÉn nhau hoÆc vÒ cïng mét vÊn ®Ò, mét sù kiÖn hoÆc mét hÖ thèng. 2.1.1.2. Dữ liệu Th«ng tin lµ mét ®¹i l-îng kh¸ trõu t-îng, v× vËy cÇn ®-îc biÓu diÔn d-íi mét h×nh thøc kh¸c. Kh¶ n¨ng biÓu diÔn th«ng tin rÊt ®a d¹ng, vÝ dô qua ch÷ viÕt, h×nh ¶nh, cö chØ, vv.. D¹ng biÓu diÔn th«ng tin phô thuéc vµo môc ®Ých, tÝnh chÊt cña øng dông. §Æc biÖt th«ng tin cã thÓ ®­îc m« t¶, hay nãi c¸ch kh¸c lµ ®­îc ‘sè l­îng hãa” b»ng d÷ liÖu ®Ó cã thÓ l­u tr÷ vµ xö lý trong m¸y tÝnh. Trong tr-êng hîp ®ã, ta còng nãi r»ng th«ng tin ®-îc sè ho¸ sö dông hÖ ®Õm nhÞ ph©n, hay m· ho¸ nhÞ ph©n. Nãi trong ng÷ c¶nh cÊu tróc mét bøc ®iÖn, d÷ liÖu chÝnh lµ phÇn th«ng tin h÷u Ých ®-îc biÓu diÔn b»ng d·y c¸c bit [1.0]. Tuy trong thùc tÕ, c¸c kh¸i niÖm nh- xö lý th«ng tin vµ xö lý d÷ liÖu, truyÒn t¶i th«ng tin vµ truyÒn t¶i d÷ liÖu hay ®-îc dïng víi c¸c ý nghÜa t-¬ng tù, ta cÇn ph©n biÖt râ rµng gi÷a th«ng tin vµ d÷ liÖu. VÝ dô, hai tËp d÷ liÖu kh¸c nhau cã thÓ m« t¶ cïng mét néi dung th«ng tin. Ng-îc l¹i, hai tËp d÷ liÖu gièng nhau cã thÓ mang nh÷ng th«ng tin kh¸c nhau, tuú theo 9 c¸ch m« t¶. Ta cã thÓ so s¸nh quan hÖ gi÷a d÷ liÖu vµ th«ng tin víi quan hÖ trong to¸n häc gi÷a sè vµ ý nghÜa sö dông cña sè. Theo nghÜa thø hai, d÷ liÖu ®-îc hiÓu lµ phÇn biÓu diÔn th«ng tin h÷u dông (th«ng tin nguån) trong mét bøc ®iÖn. Tuy nhiªn, c¨n cø vµo ng÷ c¶nh cô thÓ mµ ta kh«ng sù nhÇm lÉn gi÷a hai c¸ch sö dông thuËt ng÷ nµy. L-îng th«ng tin Thông tin là thƣớc đo mức độ nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Thông tin là cơ sở cho sự giao tiếp, thông qua giao tiếp các đối tác có thể hiểu biết lẫn nhau hoặc về cùng một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống Th«ng tin chÝnh lµ sù xo¸ bá tÝnh bÊt ®Þnh, vÝ dô mét sù kh¼ng ®Þnh vÒ mét sù kiÖn cã x¶y ra hay kh«ng, mét c©u tr¶ lêi ®óng hay sai. Møc ®é cña sù xãa bá tÝnh bÊt ®Þnh nµy – hay nãi c¸ch kh¸c, gi¸ trÞ vÒ sù hiÓu biÕt mét nguån th«ng tin mang l¹i - ®-îc gäi lµ l-îng th«ng tin. ChÝnh v× d÷ liÖu lµ mét d¹ng biÓu diÔn th«ng tin cã thÓ xö lý ®-îc trong m¸y tÝnh, nªn l-îng th«ng tin ®-îc còng ®-îc ®o b»ng ®¬n vÞ d÷ liÖu (bit = binary digit). Trong tr-êng hîp th«ng tin vÒ sù kh¼ng ®Þnh ®óng /sai, râ rµng chØ cÇn mét bit ®Ó ghi m· 1 hoÆc 0, hay nãi c¸ch kh¸c lµ l-îng th«ng tin b»ng 1 bit. Víi mét vÝ dô kh¸c, ®Ó biÓu diÔn hay ph©n biÖt mét mµu nµo trong sè 16 mµu ta cÇn 4 bit, trong 256 mµu ta cÇn 8 bit. §Ó biÓu diÔn hay ph©n biÖt mét ch÷ c¸i trong b¶ng ký tù cã 256 ch÷ c¸i vµ ký hiÖu cÇn 8 bit. Mét th«ng b¸o cÇn göi ®i nh­ “Hello” gåm cã 5 ký tù sÏ cÇn 40 bit. Ta nãi r»ng, l-îng th«ng tin ë ®©y lµ 4 bit, 8 bit, 40 bit Ta cã 1 kbit = 1024 bit, 1Mbit = 1024 kbit vµ 1Gbit = 1024 Mbit. . 2.1.1.3. Tín hiệu Là một đại lƣợng vật lý mang thông tin/dữ liệu (chứa đựng thông tin trong nó) và có thể đƣợc truyền dẫn. Tín hiệu đƣợc đặc trƣng bởi các tham số vật lý: Biên độ, pha, tần số, và đƣợc phân chia thành các dạng cơ bản sau: + Tín hiệu tƣơng tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó + Tín hiệu rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định. + Tín hiệu liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm. (hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định). + Tín hiệu gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa ở những thời điểm nhất định. + Tín hiệu số: Tín hiệu số dùng để truyền tải thông tin đã đƣợc mã hóa nhị phân. 10 Dạng tín hiệu: tuơng tự, liên tục Tham số mang thông tin: biên độ Dạng tín hiệu: tuơng tự, gián đoạn Tham số mang thông tin: biên độ xung Dạng tín hiệu: rời rạc, liên tục Tham số mang thông tin: biên độ Dạng tín hiệu: rời rạc (số), gián đoạn Tham số mang thông tin: tần số xung Hình 2.2. Một số dạng tín hiệu thông dụng 2.1.2. Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu 2.1.2.1. Giao tiếp và truyền thông: Giao tiếp hay truyền thông là một quá trình trao đổi thông tin giữa hai chủ thể với nhau, đƣợc gọi là các đối tác giao tiếp, theo một phƣơng pháp đƣợc quy định trƣớc. Đối tác này có thể điều khiển đối tác kia hoặc quan sát trạng thái của đối tác. Đối tác có thể là con ngƣời hoặc các hệ thống kỹ thuật (Phần cứng, phần mềm). với các hệ thống kỹ thuật thì hai khái niệm giao tiếp và truyền thông đƣợc sử dụng với nghĩa tƣơng đƣơng. Truyền dữ liệu là phƣơng pháp truyền thông duy nhất giữa các máy tính (mạng máy tính). Để có thể truyền dữ liệu trong hệ truyền thông phải thực hiện quá trình mã hóa và giải mã tín hiệu. 2.1.2.2. Mã hóa và giải mã Hình 2.3. Nguyên tắc cơ bản của truyền thông 11 - Mã hóa: là quá trình biến đổi nguồn thông tin (dữ liệu) cần trao đổi sang một chuỗi tín hiệu thích hợp để truyền dẫn. Quá trình này gồm ít nhất hai bƣớc là mã hóa nguồn và mã hóa đƣờng truyền. + Mã hóa nguồn: Dữ liệu nguồn (ban đầu) đƣợc bổ sung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn nhƣ địa chỉ bên gửi và bên nhận, kiểu dữ liệu, thông tin kiểm lỗi nhƣ v ậy lƣợng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lƣợng thông tin thực cần truyền tải. + Mã hóa đƣờng truyền: Là quá trình tạo tín hiệu tƣơng ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phƣơng pháp nhất định để phù hợp với đƣờng truyền và kỹ thuật truyền dẫn. Trong mạng truyền thông công nghiệp mã hóa đƣờng truyền đồng nghĩa với việc mã hóa bít, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bít tạo ra cũng chính là tín hiệu đƣợc truyền dẫn. Khi một tín hiệu đƣợc truyền tải đi, cần có một phƣơng pháp để bên nhận phân biệt giới hạn giữa các bít dữ liệu nối tiếp nhau, gọi là phƣơng thức đồng bộ hóa. Nhƣ hình minh họa dƣới đây. Hình 2.4. Ví dụ về mã hóa bít - Giải mã: Là quá trình chuyển đổi các tín hiệu nhận đƣợc thành dãy bít tƣơng ứng và sau đó xử lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin gốc. 2.1.2.3. Điều chế và điều biến tín hiệu Điều chế: là một quá trình tạo một tín hiệu trực tiếp mang tham số thông tin, thể hiện qua biên độ, tần số hoặc pha, trong đó tham số thông tin có thể lấy một giá trị bất kỳ. Điều biến: chỉ quá trình dùng tín hiệu mang thông tin để điều khiển, biến đổi các tham số thích hợp của một tín hiệu thứ 2 (tín hiệu mang) 2.1.2.4. Tốc độ truyền và tốc độ bít - Tốc độ Baud: Là số lần tín hiệu thay đổi giá trị tham số thông tin (nhƣ biên độ) trong một giây và có đơn vị là baud. Đối với nhiều phƣơng pháp mã hóa bit, tín hiệu không bắt buộc phải thay đổi trạng thái trong mỗi nhịp, vì thế tốc độ baud không hoàn toàn chính xác. Vì vậy ngƣời ta sử dụng khái niệm tốc độ truyền hay tốc độ bit. - Tốc độ truyền hay tốc độ bit: đƣợc tính bằng số bit dữ liệu truyền đi trong một giây, và đƣợc tính bằng bit/s hoặc bps Nếu tần số nhịp là f và số bit đƣợc truyền đi trong một nhịp là n. thì số bit đƣợc truyền đi trong một giây là: v = f*n. Nếu mỗi nhịp chỉ có duy nhất một bit đƣợc truyền thì v = f và lúc này tốc độ bit là tƣơng đƣơng với tốc độ baud. Hay 1 baud tƣơng đƣơng với 1bit/s. 12 2.1.2.5. Tính năng thời gian thực Tính năng thời gian thực là một trong những đặc trƣng quan trọng nhất đối với hệ thống tự động hóa. Một hệ thống có tính năng thời gian thực không nhất thiết phải có phản ứng thật nhanh, mà quan trọng hơn là phải có phản ứng kịp thời với các tác động bên ngoài 2.2. CHẾ ĐỘ TRUYỀN TẢI Chế độ truyền tải là phƣơng thức các bit dữ liệu đƣợc chuyền gi ữa các đối tác truyền thông. Các chế độ truyền tải: - Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp - Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ - Truyền một chiều (simplex), hai chiều đồng thời (full-duplex), hai chiều dán đoạn (halp- duplex). - Truyền tải dải cơ sở, truyền tải dải mang và truyền tải dải rộng. 2.2.1. Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 2.2.1.1. Truyền bit song song - Truyền đồng thời nhiều bit (8 bit, 16 bit hoặc 32 bit) - Khoảng cách truyền ngắn - Đƣợc dùng phổ biến trong các bus nội của máy tính nhƣ: bus dữ liệu, bus địa chỉ, bus điều khiển. Hình 2.5. Truyền bit song song 2.2.1. 2. Truyền bit nối tiếp Từng bít một đƣợc truyền đi tuần tự qua một đƣờng truyền duy nhất. Do vậy tốc độ bị hạn chế nhƣng bù lại việc thực hiện lại đơn giản, truyền đƣợc đi xa. Do đó tất cả các mạng truyền thông đều sử dụng phƣơng thức truyền này. Hình 2.6. Truyền bít nối tiếp Hình 2.7. Nguyên tắc truyền bit nối tiếp 13 Mặt khác cần phải lƣu ý rằng các thiết bị kỹ thuật dùng để xử lý thông tin trong mạng dù tồn tại ở dạng này hay dạng khác thì bản chất của nó chính là một máy tính có bộ vi xử lý và hệ thống bus nội song song. Vì vậy để dùng phƣơng pháp truyền nối tiếp ta cần phải chuyển đổi giữa bus song song và nối tiếp nhƣ hình 2.7 2.2.2. Truyền đồng bộ và không đồng bộ Sự phân biệt giữa truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phƣơng thức truyền bit nối tiếp. Nội dung đƣợc đề cập ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên nhận và bên gửi dữ liệu, nói cách khác làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đƣờng truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không. 2.2.2.1. Chế độ đồng bộ Các đối tác truyền thông làm viêc theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Trong đó bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu. Để đồng bộ đƣợc thì có thể có các giải pháp sau: - Một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đƣờng dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. - Dùng phƣơng pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. - Bổ xung vào gói dữ liệu một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu. 2.2.2.2. Chế độ không đồng bộ Bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thƣờng đƣợc chia thành từng nhóm 7 đến 8 bit, gọi là ký tự. Các ký tự đƣợc chuyển đi vào các thời điểm không đồng đều, vì vậy cần thêm hai bit để đánh dấu khởi đầu và kết thúc cho mỗi ký tự. việc đồng bộ hóa đƣợc thực hiện với từng ký tự. 2.2.3. Truyền một chiều và truyền hai chiều 2.2.3.1. Chế độ truyền một chiều Thông tin chỉ đƣợc truyền đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát hoặc bên nhận thông tin trong suốt quá trình giao tiếp. Chế độ này không đƣợc ứng dụng trong công nghiệp 2.2.3.2. Chế độ truyền hai chiều gián đoạn Một trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhƣng không cùng một lúc, nhờ vậy thông tin đƣợc trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đƣờng truyền vật lý. 2.2.3.3. Chế độ truyền hai chiều toàn phần Chế độ truyền hai chiều toàn phần mỗi trạm đều có thể gửi và nhận thông tin cùng một lúc. Thực chất chế độ này chỉ khác với chế độ truyền hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đƣờng truyền riêng biệt cho thu và phát. Tức là khác cấu hình hệ thống mạng truyền thông 14 2.2.4. Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng 2.2.4.1. Truyền tải dải cơ sở Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều giao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, đƣợc gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu đƣợc truyền đi là tín hiệu đƣợc tạo ra sau khi mã hóa bít, nên có một tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó. Tùy thuộc vào phƣơng pháp mã hóa bít. Với phƣơng pháp truyền tải này, đƣờng truyền chỉ mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đƣờng truyền. vì vậy, tốc độ truyền tải bị hạn chế, nhƣng nó dễ thực hiện và độ tin cậy cao nên đƣợc dùng chủ yếu trong mạng truyền thông công nghiệp. 2.2.4.2. Truyền tải dải mang Trong một số trƣờng hợp dải tần cơ sở không tƣơng thích trong môi trƣờng làm việc. nó chịu ảnh hƣởng của các thiết bị điện tử khác, khi đó ngƣời ta sử dụng một tín hiệu khác gọi là tín hiệu mang, có tần số nằm trong một dải tần thích hợp gọi là dải mang. Dải tần này thƣờng lớn hơn nhiều so với tần số nhịp. dữ liệu cần truyền tải sẽ dùng để điều chế tần số, biên độ hoặc pha của tín hiệu mang. Sau đó bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn. Phƣơng pháp này chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giống nhƣ truyền tải dải cơ sở. 2.2.4.3. Truyền tải dải rộng Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách kết hợp nhiều thông số thông tin bằng cách xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số khác nhau mang nguồn thông tin khác nhau . Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã đƣợc mã hóa bít, mỗi tín hiệu đƣợc tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thƣờng có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệu mang. Các tín hiệu mang đã đƣợc điều biến có tần số khác nhau, nên có thể pha trộn, xếp chồng thành một tín hiệu duy nhất có phổ tần trải rộng. Tín hiệu này cuối cùng lại đƣợc dùng để điều chế một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu đƣợc ở khâu này mới đƣợc truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải thông tin, nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn đƣờng truyền. phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến và phân kênh, khôi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau. Do giá thành thực hiện và tính năng thời gian nên phƣơng pháp này hầu nhƣ không đƣợc dùng trong mạng truyền thông công nghiệp. 2.3. CẤU TRÚC MẠNG 2.3.1. Khái niệm Liên kết là mối quan hệ vật lý hoặc logic giữa hai hoặc nhiều đối tác truyền thông. 15 Ở đây các đối tác chính là các trạm truyền thông đƣợc liên kết với nhau qua một môi trƣờng vật lý. Các kiểu liên kết: - Liên kết điểm- điểm (point to point): Là một mối liên kết chỉ có hai đối tác tham gia. - Liên kết điểm- nhiều điểm (multi - drop): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia, nhƣng chỉ có một đối tác cố định duy nhất (trạm chủ) có khả năng phát trong khi các đối tác còn lại (trạm tớ) thu nhận thông tin cùng một lúc. Còn việc giao tiếp theo chiều ngƣợc lại chỉ đƣợc thực hiện theo kiểu điểm – điểm. - Liên kết nhiều điểm (multipoint): Trong một mối liên kết có nhiều đối tác tham gia và có thể trao đổi thông tin qua lại tự do theo bất kỳ hƣớng nào. Bất cứ một đối tác nào cũng có quyền phát và bất cứ trạm nào cũng nghe đƣợc. có thể sử dụng một cáp duy nhất để nối mạng giữa các đối tác. Khả năng liên kết nhiều điểm là đặc trƣng của mạng truyền thông công nghiệp. 2.3.2. Topology Topology đƣợc hiểu là cách sắp xếp, tổ chức về mặt vật lý của mạng, nhƣng cũng có thể là cách sắp xếp logic của các nút mạng, cách định nghĩa về tổ chức logic các mối liên kết giữa các nút mạng. 2.3.2.1. Cấu trúc bus - Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đƣờng dẫn duy nhất cho tất cả các trạm do vậy có thể tiết kiệm đƣợc cáp dẫn. - Phân loại: gồm 3 loại + Daisy-chain + Trunk-line/drop-line + Mạch vòng không tích cực Daisy-chain (dãy bệ) Mỗi trạm đƣợc nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào. c) Mạch vòng không tích cực Hình 2.8. Các kiểu cấu trúc dạng bus 16 Trunk-line/drop-line Mỗi trạm đƣợc nối qua một đƣờng nhánh (drop-line) để đến đƣờng trục (Trunk-line).. Mạch vòng không tích cực Đƣờng truyền đƣợc khép kín và các trạm có vai trò là ngang nhau. Ƣu điểm: - Mỗi nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy số trạm trong mạng có thể tăng lên rất lớn. mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu cùng một lúc. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần và tín hiệu đƣợc truyền theo một chiều - Biện pháp tránh xung đột đƣờng truyền đƣợc thực hiện đơn giản. Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng nhƣ nhau trong nhận và phát tín hiệu. Việc kiểm soát đƣờng dẫn do các trạm tự phân chia. Với kiểu có điều khiển trung tâm, một trạm chủ sẽ đảm nhiệm vai trò kiểm soát việc truy nhập đƣờng dẫn. Cấu trúc mạch vòng thực chất là dựa trên liên kết điểm – điểm nên thích hợp trong việc sử dụng các phƣơng tiện truyền dẫn hiện đại nhƣ cáp quang Cấu trúc hình sao Cấu trúc hình sao là một cấu trúc mạng có một trạm trung tâm quan trọng hơn tất cả các nút khác. Nút này sẽ điều khiển hoạt động truyền thông của toàn mạng. các thành viên khác đƣợc kết nối gián tiếp qua trạm trung tâm. Do đó nếu trạm trung tâm bị hỏng thì sẽ làm tê liệt toàn bộ hệ thống. Hình 2.9. Cấu trúc hình sao Cấu trúc này ít đƣợc sử dụng trong mạng truyền thông công nghiệp. 2.3.3. Kiến trúc giao thức Để có thể giao tiếp đƣợc với nhau thì các đối tác phải sử dụng chung một ngôn ngữ. trong kỹ thuật truyền thông, bên cung cấp dịch vụ cũng nhƣ bên sử dụng dịch vụ đều phải tuân thủ theo các quy tắc, thủ tục cho việc giao tiếp, gọi là giao thức. Một quy chuẩn giao thức gồm các thành phần sau: - Cú pháp (syntax): Quy định về cấu trúc bức điện, gói dữ liệu dùng khi trao đổi, trong đó có phần thông tin hữu ích (dữ liệu) và các thông tin bổ trợ nhƣ: địa chỉ, thông tin điều khiển, thông tin kiểm lỗi - Ngữ nghĩa (semantic): Quy định ý nghĩa cụ thể của tầng phần trong một bức điện, nhƣ phƣơng pháp định địa chỉ, phƣơng pháp bảo toàn dữ liệu, xử lý lỗi - Định thời (Timing): Quy định về trình tự, thủ tục giao tiếp, chế độ truyền (đồng bộ hay không đồng bộ), tốc độ truyền thông Có hai loại giao thức: giao thức cấp thấp và giao thức cấp cao: 17 - Giao thức cấp cao gần với ngƣời thực hiện và thƣờng đƣợc xử lý bằng phần mềm. - Giao thức cấp thấp gần với phần cứng và đƣợc thực hiện trực tiếp bởi các mạch điện tử. Các giao thức cấp thấp thƣờng đƣợc dùng là HDLC (High level Data – Link Control) và UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Giao thức UART là một mạch điện tử đƣợc sử dụng rất rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng nhƣ chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đƣờng truyền và bus máy tính. Khung truyền có dạng nhƣ sau: - Bít khởi đầu (start bit): bao giờ cũng là bit 0 và bít kết thúc (stop bit) bao giờ cũng là 1. Các bit đƣợc truyền đi theo thứ tự từ bit thấp tới bit cao, giá trị của bit chẵn lẻ P phụ thuộc vào cách chọn: + Nếu chọn parity chẵn, thì p = 0 khi tổng số bit 1 là chẵn. + Nếu chọn parity lẻ, p = 0 khi tổng số bit 1 là lẻ. Đây là phƣơng thức truyền không đồng bộ, do đó bên nhận và bên gửi phải tự chỉnh nhịp của mình để đồng bộ với đối tác. 2.3.4. Mô hình lớp Để thực hiện một dịch vụ truyền thông, mỗi bức điện đƣợc xử lý qua nhiều lớp trên cơ sở các giao thức quy định, gọi là xử lý giao thức theo mô hình lớp. Mỗi lớp ở đây có thể thuộc chức năng của phần cứng hoặc phần mềm. Càng ở lớp cao hơn thì phần mềm càng đóng vai trò quan trọng, trong khi việc xử lý giao thức ở các lớp dƣới thƣờng đƣợc các vi mạch điện tử trực tiếp thực hiện. Hình 2.10. Xử lý giao thức theo mô hình lớp 18 Hình 2.10 minh họa quá trình thông tin đƣợc gửi đi từ bên gửi, qua mỗi lớp từ trên xuống dƣới, một số thông tin bổ trợ lại đƣợc gắn thêm vào phần dữ liệu do lớp trên đƣa xuống, gọi là đầu giao thức. Bên cạnh đó thông tin cần đƣợc truyền đi có thể đƣợc chia thành nhiều bức điện có đánh số thứ tự, hoặc một bức điện có thể tổng hợp nhiều nguồn thông tin khác nhau. Hoặc ta có thể dùng các khái niệm “đóng gói dữ liệu” hay tạo khung để chỉ các thao tác này. Quá trình ngƣợc lại sẽ diễn ra bên nhận thông tin. Các phần header sẽ đƣợc các lớp tƣơng ứng đọc, phân tích và tách ra trƣớc khi gửi tiếp lên lớp trên. Các bức điện mang một nguồn thông tin sẽ đƣợc tổng hợp lại. Hoặc một bức điện mang nhiều nguồn thông tin khác nhau sẽ đƣợc phân chia tƣơng ứng. Đến lớp trên cùng thông tin nguồn đƣợc tái tạo. 2.4. TRUY NHẬP BUS 2.4.1. Phân loại Phân loại truy nhập bus thành nhóm các phƣơng pháp tiền định và nhóm các phƣơng pháp ngẫu nhiên. Với các phƣơng pháp tiền định, trình tự truy nhập bus đƣợc xác định rõ ràng. Việc truy nhập bus đƣợc kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (Master/Slave – chủ/ tớ) theo sự quy định trƣớc về thời gian (phƣơng pháp TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phƣơng pháp token passing). Nếu mỗi hoạt động truyền thông đƣợc hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định, thì thời gian đáp ứng tối đa cũng nhƣ chu kỳ bus có thể tính toán đƣợc các hệ thống này vì thế đƣợc gọi là có tính năng thời gian thực. Hình 2.11. Phân loại các phƣơng pháp truy nhập bus Ngƣợc lại, trong các phƣơng pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không đƣợc quy định chặt chẽ trƣớc, mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các trạm. Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy nhập bus để gửi thông tin đi bất cứ lúc nào. Để loại trừ tác hại của việc xung đột gây nên, có những phƣơng pháp phổ biến nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA). Ngƣời ta thƣờng coi các hệ thống sử dụng phƣơng pháp này không có khả năng thời gian thực. Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể mà yêu cầu về tính năng thời gian thực cũng khác nhau. 19 2.4.2. Chủ tới ( Master/Slave) Trong phƣơng pháp chủ/tớ, một trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slave). Các trạm tớ đóng vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phƣơng pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy, các trạm tớ có thể gửi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tới trạm chủ cũng nhƣ nhận các thông tin từ trạm chủ. Hình 2.12. Phƣơng pháp chủ tớ Trong một số hệ thống, thậm chí các hệ thống không có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, khi cần trao đổi bắt buộc phải qua trạm chủ. Trình tự đƣợc tham gia giao tiếp, hay trình tự đƣợc hỏi của các trạm tớ có thể do ngƣời sử dụng quy định trƣớc (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình. Trong trƣờng hợp chỉ có một trạm chủ duy nhất thời gian cần cho trạm chủ hoàn thành việc hỏi tuần tự một vòng cũng chính là thời gian tối thiểu của chu kỳ bus. Do vậy, chu kỳ bus có thể tính toán đƣợc một cách tƣơng đối chắc chắn. Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Phƣơng pháp chủ tớ có một ƣu điểm là việc kết nối các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi gần nhƣ toàn bộ “trí tuệ” tập trung ở trạm chủ. Một trạm chủ thƣờng lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là hiệu suất truyền thông thấp do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ. Một nhƣợc điểm nữa của phƣơng pháp này là độ tin cậy của hệ thống truyền thông dựa hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất. Do đó, nếu trạm chủ có lỗi thì toàn bộ hệ thống truyền thông bị tê liệt. Chính vì lý do trên nên phƣơng pháp này chỉ phổ biến dùng trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trƣờng hay bus thiết bị khi việc trao đổi thông tin hầu nhƣ chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và trạm tớ là thiết bị trƣờng hoặc các modul vào/ra phân tán. Trong trƣờng hợp giữa các thiết bị tớ có nhu cầu trao đổi dữ liệu trực tiếp trạm chủ chỉ đóng vai trò phân chia quyền truy nhập bus chứ không kiểm soát hoàn toàn hoạt động giao tiếp trong hệ thống. 20 2.4.3. Phƣơng pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) Trong phƣơng pháp này mỗi trạm đƣợc phân chia một thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm đƣợc phép lần lƣợt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép – gọi là khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice) theo một tuần tự quy định sẵn. Việc phân chia này đƣợc thực hiện trƣớc khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định). Khác với phƣơng pháp chủ/tớ. Ở đây có ho ặc không có một trạm chủ. Trong trƣờng hợp có trạm chủ thì vai trò của nó chỉ là ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác Hình 2.13. Phƣơng pháp TDMA Ngoài các lát thời gian phân chia cố định cho các trạm dùng để trao đổi dữ liệu định kỳ (đánh số từ 1 tới N ), thƣờng có một số khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi dữ liệu bất thƣờng theo yêu cầu, ví dụ thông tin cảnh báo mệnh lệnh đặt cấu hình, dữ liệu tham số, setpoint. Do tính chất tiền định của cách phân chia thời gian mà phƣơng pháp này thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực 2.4.4. CSMA/CD (carrier Sence Multiple Access with Collison Detection) Hình 2.14. Minh họa phƣơng pháp CSMA/CD Mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào. Phƣơng pháp đƣợc tiến hành nhƣ sau: 21 Mỗi trạm đều phải tự nghe đƣờng dẫn (Carrier Sence) nếu đƣờng dẫn rỗi không có tín hiệu thì mới đƣợc phát. - Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đƣờng dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đƣờng dẫn để so sánh với tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận đƣợc xem có sảy ra xung đột hay không. - Trong trƣờng hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại. Trạm A và C cùng nghe đƣờng dẫn. Đƣờng dẫn rỗi nên A có thể gửi trƣớc. Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chƣa kịp tới nên trạm C không biết và cũng gửi gây ra xung đột tại một điểm gần C. A và C sẽ nhận đƣợc tín hiệu phản hồi, so sánh với tín hiệu gửi đi và phát hiện xung đột. Cả hai trạm sẽ cùng phải hủy bức điện đã gửi đi bằng cách không phát tiếp, các trạm muốn nhận sẽ không nhận đƣợc cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi nhƣ bức điện không hợp lệ. A và C cũng có thể gửi đi một tín hiệu “jam” đặc biệt để báo cho các trạm cần nhận biết. Sau đó mỗi trạm sẽ chờ một thời gian ngẫu nhiên, trƣớc khi thử phát lại. Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải đƣợc tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời gian chờ ngắn một cách hợp lý và không giống nhau giữa các trạm cùng chờ. Thông thƣờng thời gian chờ này là một bội số của hai lần của thời gian lan truyền tín hiệu Ts. Ƣu điểm của CSMA/CD là tính chất đơn giản, linh hoạt. Khác với các phƣơng pháp tiền định, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hƣởng gì tới hoạt động của hệ thống. Chính vì vậy phƣơng pháp này đƣợc áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet. Nhƣợc điểm của CSMA/CD là tính bất định của thời gian phản ứng, các trạm đều bình đẳng nhƣ nhau nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định đƣợc chính xác thời gian. Hiệu suất sử dụng đƣờng truyền vì thế cũng thấp. Rõ ràng nếu không kết hợp với các kỹ thuật khác thì phƣơng pháp này không thích hợp với cấp thấp, đòi hỏi trao đổi dữ liệu định kỳ, thời gian thực. 2.4.5. CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access with Collison Avoidance) Tƣơng tự nhƣ CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đƣờng dẫn trƣớc khi gửi cũng nhƣ sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên một phƣơng pháp mã hóa bit thích hợp đƣợc sử dụng ở đây để trong trƣờng hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia. Ví dụ tƣơng ứng với mức 0 là mức điện áp cao sẽ lấn át mức điện áp thấp của bít 1. T1 là thông tin do trạm 1 gửi đi R1 là thông tin trạm 1 nghe đƣợc phản hồi từ đƣờng dẫn, T2 là thông tin do trạm 2 phát đi và R2 là thông tin trạm 2 nghe đƣợc. Khi hai bức điện khác nhau ở một bít nào đó, trạm thứ hai sẽ phát hiện ra xung đột và ngừng phát còn trạm thứ nhất có mức tín hiệu lấn át nên coi nhƣ không có chuyện gì xảy ra và tiếp tục phát. Trạm thứ hai có thể chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên hoặc chờ khi nào đƣờng dẫn rỗi trở lại sẽ gửi. 22 Hình 2.15. Minh họa phƣơng pháp CSMA/CA Điều kiện để thực hiện theo cơ chế trên là mỗi trạm đều phải nhận đƣợc tín hiệu phản hồi tƣơng ứng với bít vừa gửi, trƣớc khi gửi một bít tiếp theo, nhƣ vậy mới có khả năng dừng lại kịp thời khi xảy ra xung đột cũng nhƣ để bít tiếp theo không bị ảnh hƣởng. Nhƣ vậy thời gian TB phải lớn hơn hai lần thời gian truyền tín hiệu TS hay: 1/v > 2TS với v là tốc độ truyền 2.5. BẢO TOÀN DỮ LIỆU 2.5.1. Đặt vấn đề Trong quá trình truyền thông do ảnh hƣởng của nhiễu và chất lƣợng môi trƣờng truyền dẫn mà thông tin đƣợc truyền tải cũng không tránh khỏi bị sai lệch. Vậy làm thế nào để hạn chế lỗi cũng nhƣ khi đã xẩy ra lỗi thì phải có biện pháp khắc phục. có thể phân loại lỗi nhƣ sau: - Lỗi phát hiện đƣợc không sửa đƣợc. - Lỗi phát hiện đƣợc và sửa đƣợc. - Lỗi không phát hiện đƣợc. Biện pháp thứ nhất là sử dụng các thiết bị phần cứng cao cấp và các biện pháp bọc lót đƣờng truyền để giảm thiểu tác động của nhiễu. Song đây chỉ là biện pháp hạn chế mà không loại trừ hoàn toàn khả năng bị lỗi. Mặt khác giá thành cao cũng cản trở trong việc thực hiện. Bảo toàn dữ liệu chính là phƣơng pháp sử dụng xử lý giao thức để phát hiện và khắc phục lỗi, trong đó phát hiện lỗi đóng vai trò hàng đầu. Khi đã phát hiện đƣợc lỗi, có thể có cách khôi phục dữ liệu, hay biện pháp đơn giản hơn là yêu cầu gửi lại dữ liệu. Các phƣơng pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng là: - Parity bit 1 chiều và hai chiều - CRC (Cyclic Redundancy Check) - Nhồi bít (Bit stuffing) Nguyên lý cơ bản Nhiệm vụ bảo toàn dữ liệu có thể xắp xếp thuộc lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình quy chiếu OSI. Trong quá trình mã hóa nguồn, bên gửi bổ xung một số thông tin phụ trợ , 23 đƣợc tính theo một thuật toán quy ƣớc vào bức điện cần gửi đi. Dựa vào thông tin bổ trợ này mà bên nhận có thể kiểm soát và phát hiện ra lỗi trong dữ liệu nhận đƣợc (giải mã). Chú ý rằng có thể cả thông tin nguồn và thông tin phụ trợ đều có thể bị lỗi, nên phải cân nhắc quan hệ giữa lƣợng thông tin nguồn và lƣợng thông tin phụ trợ, nếu không sẽ không đạt đƣợc sự mong muốn về độ tin cậy của dữ liệu, thậm chí có thể phản tác dụng. 2.5.2. Bít chẵn lẻ (Parity bít) Bít chẵn lẻ là một phƣơng pháp kiểm tra lỗi đơn giản, đƣợc áp dụng rất rộng rãi. Nguyên tắc làm việc đƣợc mô tả nhƣ sau: Tùy theo tổng số các bít 1 trong thông tin nguồn là chẵn hay lẻ mà ta thêm vào một bít thông tin phụ trợ p = 0 hoặc p = 1, gọi là parity bít, hay bít chẵn lẻ. Trong trƣờng hợp này, ta cũng gọi là prity bít một chiều. Phƣơng pháp này rất đơn giản và hiệu quả. Giá trị của bít chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn - Nếu chọn parity chẵn, thì p = 0 khi tổng số bít 1 là chẵn. - Nếu chọn parity lẻ, thì p = 0 khi tổng số bít 1 là lẻ. - Ví dụ dùng parity chẵn: Dãy bit nguyên bản: 1001101 Dãy bít gửi đi: 10011010 Giả sử chỉ một hoặc ba bít trong một bức điện gửi đi bị đảo, bên nhận sẽ so sánh và phát hiện đƣợc. Nhƣng chỉ cần hai bít trong một bức điện bị lỗi, thì bên nhận sẽ không phát hiện đƣợc nhờ bít chẵn lẻ. Nói cách khác số bít chắc chắn phát hiện đƣợc ở đây chỉ là 1. 2.5.4. CRC (Cyclic Redundancy Check) Là phƣơng pháp mã đa thức hoặc mã vòng . Phƣơng pháp này sƣ̉ dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thông. Ý tƣởng của phƣơng pháp này là thông tin kiểm lỗi đƣợc gọi là checksum , phải đƣợc tính bằng một thuật toán thích hợ p, trong đó giá trị mỗi bít của thông tin nguồn đƣợc tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán . Để tính toán thông tin kiểm lỗi đó , ngƣời ta dùng một đa thƣ́c phát G (Generator polynomial ) có một dạng đặc biệt . Vì vậy phƣơ ng pháp này còn đƣợc gọi là phƣơng pháp dùng đa thức . G đƣợc quy ƣớc dƣới dạng nhị phân , tƣ́c các hệ số của nó chỉ có giá trị 1 hoặc 0 tƣơng ƣ́ng với các chƣ̃ số trong một dãy bít . Ví dụ: Nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp CRC Giả sử đa thức G có bậc n , ví dụ x 3 + x + 1, tƣơng ƣ́ng với dãy bít (1011) dãy bít mang thông tin nguồn I đƣợc thêm vào n bít 0 coi nhƣ một đa thƣ́c nhị phân P . Ví dụ thông tin nguồn là (110101) thì sau khi thêm 3 bít 0, ta có dãy bít (110101000) tƣơng ƣ́ng với đa thƣ́c P = x 8 + x 7 + x 5 + x 3 24 Đa thƣ́c P đƣợc chia cho đa thƣ́c G dƣ̣a vào quy tắc đơn giản của phép trƣ̀ không có nhớ nhƣ sau: 1 - 1 = 0 0 – 0 = 0 1 – 0 = 1 0 – 1 = 1 Không cần quan tâm tới kêt quả của phép chia , phần dƣ R (lấy n chƣ̃ số ) của phép chia đƣợc thay thế vào chỗ của n chƣ̃ 0 bổ xung trong P , tƣ́c là ta có D = P + R. Theo tính chất của phép chia đa thức nhị phân , nếu D – R chia hết cho G thì D = P + R cũng vậy . R đƣợc gọi là checksum và D chính là dãy bít đƣợc gƣ̉i đi thay cho I . Giả sử dãy bít nhận đƣợc là D’ không chia hết cho G thì tức là D khác D’ , ta có thể khẳng định đƣợc rằng bƣ́c điện chắc chắn bị lỗi . Ngƣợc lại , nếu D’ c hia hết cho G , thì xác suất rất cao là bƣ́c điện nhận đƣợc không có lỗi . “Xác suất cao” là vì mỗi bít trong thông tin nguồn tham gia nhiều vòng (cyclic) vào tính toán thông tin bổ trợ nên khả năng dữ liệu sai mà kết quả đúng là rất ít. Ví dụ Phƣơng pháp CRC có vẻ phƣ́c tạp nhƣng việc thƣ̣c hiện nó là hết sƣ́c đơn giản . Phép chia đa thƣ́c nhị phân ở đây đƣợc thƣ̣c hiện thuần túy bởi phép trƣ̀ không có nhớ hay chính là các phép logic XOR . Bên cạnh đó chỉ cần các phép sao chép và so sánh bít thông thƣờng . 25 2.5.5. Nhồi bít (Bit Stuffing) Nhồi bít (Bit Stuffing) thƣờng không đƣợc coi nhƣ một phƣơng pháp bảo toàn dƣ̃ liệu độc lập, mà thƣờng đƣợc sử dụng với m ục đích chính là tạo một dãy bít thuận lợi cho việc đóng gói dữ liệu và mã hóa bít. Các bức điện thƣờng dùng một dãy bít đặc biệt làm cờ hiệu khởi đầu và kết thúc . Do vậy, đòi hỏi trong phần còn lại không đƣợc phép x uất hiện mẫu bít này . Bên cạnh đó, trong quá trình mã hóa bít cũng chú ý phải triệt tiêu dòng một chiều bằng cách loại bỏ các chuỗi bít dài 1 liên tục . Vì vậy , ngƣời ta tìm cách nhồi thêm một số bít vào dãy bít nguyên bản để tránh xuất hiện một chuỗi dài bít 1 liên tục cũng nhƣ tránh trùng lập với mẫu bít đặc biệt. Hiệu ƣ́ng phụ của cách làm này chính tà tạo điều kiện cho bên nhận dễ phát hiện lỗi hơn, ví dụ trong trƣờng hợp mẫ u bít đặc biệt xuất hiện trong phần nội dung của bức điện nhận đƣợc. Phƣơng pháp nhồi bít đƣợc thƣ̣c hiện theo nguyên tắc sau : - Bên gƣ̉i: Nếu trong dƣ̃ liệu có n bít 1 đƣ́ng liền nhau thì thêm một bít 0 vào ngay sau đó . Nhƣ vậy trong dãy bít đƣợc chuyển đi không thể xuất hiện n +1 bít 1 đi liền nhau. - Bên nhận: nếu phát hiện thấy n bít 1 liền nhau mà tiếp theo là 0 thì đƣợc tách ra, còn nếu là bít 1 thì dữ liệu chắc chắn bị lỗi. Ví dụ với n = 5 nhƣ ở CANBus - Thông tin nguồn I = 0111111 - Thông tin gƣ̉i đi D = 01111101 - Nếu thông tin nhận đƣợc D’ = 01111101, bên nhận có thể coi xác xuất cao không có lỗi , thông tin nguồn I sẽ đƣợc phục hồi bằng cách bỏ đi bít 0 đƣ́ng sau 5 bít 1. - Nếu thông tin nhận đƣợc D’ = 011111101, thì thông tin nhận đƣợc bị lỗi. Trong thƣ̣c tế, cả 3 phƣơng pháp bít chẵn lẻ , CRC và nhồi bít đều có thể sƣ̉ dụng phối hợp . Ví dụ một thông tin nguồn , sau khi đã áp dụng phƣơng phá p CRC, có thể tính bít chẵn lẻ cho phần thông tin bổ xung (R). Toàn bộ dãy bít nhận đƣợc có thể có thể lại đƣa qua khâu nhồi bít hoặc bƣ́c điện có thể đƣợc truyền theo tƣ̀ng ký tƣ̣ UART với kiểm tra chẵn lẻ cho tƣ̀ng ký tƣ̣, trƣớc khi thƣ̣c hiện mã hóa bít. 2.6. Mà HÓA BIT Mã hóa bít là quá trình chuyển đổi dãy bít (1,0) sang một tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn trong môi trƣờng vật lý. Việc chuyển đổi này chính là sƣ̉ dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bít cần truyền tải . Các tham số thông tin có thể đƣợc chứa đựng trong biên độ, tần số pha hoặc sƣờn xung Sƣ̣ thích hợp ở đây phải đƣợc đánh giá dƣ̣a theo các yêu cầu kỹ thuật nhƣ khả năng chống nhiễu cũng nhƣ gây nhiễu , khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều. 26 2.6.1. Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit Tần số của tín hiệu Các tín hiệu đƣợc sử dụng trong truyền dữ liệu không phải là các dao đ ộng điều hòa, tần số của chúng biến thiên theo thời gian , phụ thuộc vào dãy bít cần mã hóa và phụ thuộc vào phƣơng pháp mã hóa bít . Cần phân biệt giƣ̃a tần số tín hiệu và tần số nhịp của bus . Đối với một tốc độ truyề n cố định thì tần số nhịp là một hằng số , còn tần số tín hiệu có thể thay đổi . Tuy nhiên tần số tín hiệu cũng tỷ lệ một cách tƣơng đối với tần số nhịp , nó có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số nhịp, tùy theo cách mã hóa bít. Tần số của tín hiệu ảnh hƣởng tới nhiều tính năng của hệ thống . Tín hiệu có tần số càng cao hoặc dải tần rộng một mặt sẽ gây ra suy giảm tín hiệu càng lớn , mặt khác sẽ gây nhiễu điện tƣ̀ lớn hơn ra môi trƣ ờng xung quanh . Nhƣợc điểm thƣ́ nhất dẫn đến phải hạn chế chiều dài dây dẫn hoặc phải sƣ̉ dụng các bộ lặp . Nhƣợc điểm thƣ́ hai ảnh hƣởng tới phạm vi sƣ̉ dụng . Điều này cũng ảnh hƣởng trực tiếp trở lại tới khả năng nâng c ao tốc độ đƣờng truyền . Trong phƣơng pháp truyền tải dải cơ sở thì cách duy nhất để nâng cao tốc độ truyền là tăng tần số nhịp của bus, đồng nghĩa với gián tiếp tăng tần số tín hiệu. Tần số tín hiệu cao cũng đòi hỏi cá c thiết bị có khả năng làm việc với tần số cao . Đồng nghĩa với việc tăng giá thành của các thiết bị . Thông tin đồng bộ hóa có trong tín hiệu Trong trƣờng hợp chế độ truyền dẫn đƣợc chọn là đồng bộ , nếu một phƣơng ph áp mã hóa bít tạo ra tín hiệu có mang kèm theo thông tin đồng bộ hóa nhịp sẽ tiết kiệm dây dẫn tín hiệu nhịp. Ví dụ, nếu tín hiệu mang thông tin là một dao động điều hòa có tần số trùng với tần số nhịp của bus hoặc l à một bội số của tần số nhịp , tƣ́c là ở mỗi nhịp của bus đều có ít nhất một xung tín hiệu thì việc đồng bộ hóa giƣ̃a bên gƣ̉i và bên nhận thông tin sẽ đƣợc dễ dàng hơn . Tuy nhiên, các hệ thống thƣờng không yêu cầu tín h iệu đồng bộ có ở mỗi nhịp, mà có thể cách quãng đều đặn vài nhịp. Triệt tiêu dòng một chiều Hiện tƣợng dòng một chiều sinh ra do một loạt các bít giống nhau (0 hoặc 1) ứng với một mƣ́c tín hiệu cao đƣợc phát liện tụ c. Điều này không nhƣ̃ng gây khó khăn cho việc đồng bộ hóa giữa các đối tác truyền thông, mà còn ảnh hƣởng tới nhiều yếu tố kỹ thuật khác . Cũng để tiết kiệm dây dẫn và đơn giản hóa công việc lắp đặt , đặc biệt trong môi trƣờng dễ cháy nổ, khả năng đồng tải nguồn nuôi cho các thiết bị tham gia mạng với cùng một dây dẫn là rất thiết thƣ̣c . Dòng nuôi có thể xếp chồng lên tín hiệu mang thông tin , nếu nhƣ tín hiệu này không mang sẵn dòng một c hiều. Muốn vậy, phƣơng pháp mã hóa bít cần tạo ra sƣ̣ trung hòa mƣ́c tín hiệu ƣ́ng với các bít 0 và 1 để triệt tiêu dòng một chiều. Sƣ̣ tồn tại dòng một chiều còn gây rất nhiều khó khăn trong kỹ thuật truyền dẫn tín hiệ u. Cụ thể, mƣ́c độ trội tín hiệu rất khó xác định một cách đúng mƣ́c , dẫn đến việc nhận biết tham số thông tin ví dụ giá trị biên độ gặp trở ngại . Chế độ làm việc của các thiết bị thu phát cũng sẽ bị 27 ảnh hƣởng bởi sƣ̣ tồn tại của dòng một chiều . Nếu vƣợt qua một giới hạn nhất định , dòng một chiều dễ gây phát xung nguy hiểm trong môi trƣờng dễ cháy nổ . Tính bền vững đối với nhiễu và khả năng phối hợp nhận biết lỗi. Khả năng khá ng nhiễu của một số tín hiệu số cũng phụ thuộc nhiều vào phƣơng pháp mã hóa bít . Ví dụ , dải tần càng hẹp thì tín hiệu càng bền vững đối với nhiễu . Hoặc các phƣơng pháp mã hóa chênh lệch bền vững với nhiễu hơn các p hƣơng pháp mã hóa giá trị tuyệt đối , các phƣơng pháp mã hóa điều tần bền vƣ̃ng hơn phƣơng pháp mã hóa điều biên . Nếu một phƣơng pháp mã hóa bít tạo ra một tín hiệu có nhƣ̃ng đặc thù riêng , theo một mẫu biệt lập thì bên nhận có thêm khả năng để nhận biết lỗi nếu tín hiệu bị sai lệch mà không cần bổ xung thông tin kiểm lỗi. 2.6.2. NRZ, RZ NRZ (Non-Return To Zero) Là phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống bus trƣờng . Thƣ̣c chất, cả NRZ, RZ đều là phƣơng pháp điều chế biên độ xung Hình 2.16. Mã hóa bít NRZ và RZ Hình vẽ 2.16 mô tả bít 0 và bít 1 đƣợc mã hóa với hai mƣ́c biên độ tín hiệu khác nhau , mƣ́c tín hiệu này không thay đổi trong suốt chu kỳ T (một nhịp bus). Tên NRZ đƣợc sƣ̉ dụng b ởi mƣ́c tín hiệu không quay trở về 0 sau mỗi nhịp. Các khả năng thể hiện hai mức có thể là : - Đất và điện áp dƣơng. - Điện áp âm và đất. - Điện áp âm và điện áp dƣơng cùng giá trị (tín hiệu lƣỡng cực). Một trong nhƣ̃ng ƣu điểm của phƣơng pháp NRZ là tín hiệu có ần số thƣờng thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus . Phƣơng pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa , bởi một dãy bít 0 hoặc 1 liên tục không làm thay đổi mƣ́c tín hiệu . Tín hiệu không đƣợc triệt tiêu dòng một chiều, ngay cả khi sƣ̉ dụng tín hiệu lƣỡng cƣ̣c, nên không có khả năng đồng tải nguồn. Phƣơng pháp RZ (Return To Zero) cũng mã hóa bít 0 và 1 với hai mƣ́c tín hiệu khác nhau giống nhƣ ở NRZ . Tuy nhiên mƣ́c tín hiệu cao chỉ tồn tại trong nƣ̉a đầu của chu kỳ bít T , sau đó quay trở lại 0. Tần số cao nhất của tín hiệu chính bằng tần số nhịp bus . Giống nhƣ NRZ, tín hiệu mã RZ không mang thông tin đồng bộ hóa, không có khả năng đồng tải nguồn. 2.6.3. Mã Manchester Mã Manchester (hình 2.17) đƣợc sƣ̉ dụng rất rộng rãi trong truyền thông công nghiệp , mà còn phổ biến trong các hệ thông truyền dữ liệu khác . Thƣ̣c chất đây là một trong các phƣơng 28 pháp điều chế pha xung , tham số thông tin đƣợc thể hiện qua các sƣờn xung . Bít 1 đƣợc mã hóa bằng sƣờn lên , bít 0 bằng sƣờn xuống của xung ở giƣ̃a chu kỳ bus T , hoặc ngƣợc lại (mã Manchester II) Hình 2.17. Mã hóa bít Manchester II Đặc điểm của tín hiệu là có tần số tƣơng đƣơng với tần số nhịp bus , các xung của nó có thể sƣ̉ dụng trong việc đồng bộ hóa giƣ̃a bên gƣ̉i và bên nhận . Sƣ̉ dụng tín hiệu lƣỡng cƣ̣ c, dòng một chiều sẽ bị triệt tiêu . Do đó , phƣơng pháp này thích hợp với ƣ́ng dụng đòi hỏi khả năng đồng tải nguồn . Một điểm đáng chú ý nƣ̃a là do sƣ̉ dụng sƣờn xung , mã Manchester rất bền vƣ̃ng đối với nhiễu ngoài . Nhƣng ngƣợc lại , nhiễu xạ của tín hiệu cũng tƣơng đối lớn bởi tần số cao. 2.6.4. AFP (Alternate Flanked Pulse) Với phƣơng pháp xung sƣờn xoay chiều AFP, mỗi sự thay đổi trạng thái logic đƣợc đánh dấu bằng một xung có cực thay đổi luân phiên (xung xoay chiều). Có thể xắp xếp AFP thuộc nhóm phƣơng pháp điều chế vị trí xung. Ví dụ thay đổi từ bít 1 sang bít 0 bằng một xung sƣờn xuống (hoặc có thể ngƣợc lại). Đặc điểm tín hiệu là tần số thấp, không mang thông tin đồng bộ hóa và không tồn tại dòng một chiều. Sử dụng các xung có hình sin ở đây sẽ làm giảm nhiễu xạ một cách đáng kể. Hơn thế nữa, cũng nhƣ mã Manchester, mã AFP rất bền vững đối với tác động của nhiễu bên ngoài. Hình 2.18. Mã hóa bít AFP 2.6.5. FSK (Frequency Shift Keying) Phƣơng pháp điều chế dịch tần số FSK, hai tần số khác nhau đƣợc dùng để mã hóa các trạng thái logic 0 và 1, nhƣ mô tả trên hình 2.19. Đây chính là phƣơng pháp điều chế tần số tín hiệu mang, hay truyền tải dải mang. Hình 2.19. Mã hóa dich tần số FSK 29 Tín hiệu có dạng hình sin, các tần số có thể bằng hoặc là bội số tần số nhịp bus nên có thể dùng để đồng bộ nhịp. Một ƣu điểm nữa của phƣơng pháp này là bền vững với tác động của nhiễu. Nhờ tính chất điều hòa của tín hiệu mà dòng một chiều đƣợc triệt tiêu, nên có thể sử dụng chính đƣờng truyền để đồng tải nguồn nuôi các thiết bị kết nối mạng. Nhƣợc điểm của FSK là tần số tín hiệu tƣơng đối cao. Dẫn đến một mặt gây nhiễu mạnh đối với bên ngoài mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền. Thực tế, phƣơng pháp này chỉ đƣợc sử dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền tƣơng đối thấp. 2.7. KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phƣơng pháp đƣợc sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phƣơng pháp này các bít đƣợc truyền từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đƣờng truyền. Cũng chính vì không có một đƣờng dây riêng biệt mang tín hiệu nhịp, nên việc đồng bộ hóa thuộc trách nhiệm do bên gửi và bên nhận thỏa thuận trên cơ sở một giao thức truyền thông 2.7.1. Phƣơng thức truyền dẫn tín hiệu Các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có bộ phát (transmitter) ký hiệu là D, và một bộ thu (receiver) ký hiệu là R. Một thiết bị vừa thu vừa phát đƣợc gọi với tên ghép transceiver. Hai phƣơng thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản đƣợc dùng trong các hệ thống truyền thông công nghiệp đó là phƣơng thức chênh lệch đối xứng (balanced differential mode) và phƣơng thức không đối xứng hay phƣơng pháp đơn cực (unbalanced mode hay single-ended mode ) Truyền dẫn không đối xứng Truyền dẫn không đối xứng sử dụng điện áp của một dây dẫn so với đất để thể hiện các trạng thái logic 1 và 0 của một tín hiệu số. Chú ý rằng sự liên quan giữa trạng thái logic của một tín hiệu với trạng thái logic của dãy bít mang thông tin đƣợc truyền phụ thuộc vào phƣơng pháp mã hóa bít, tức là giá trị logic của một tín hiệu tại một thời điểm không nhất thiết phải đồng nhất với giá trị logic của một bít tƣơng ứng mang thông tin. Một trong những ƣu điểm của phƣơng thức truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần một đƣờng dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu trong trƣờng hợp cần thiết nhƣ hình 2.20. Nhờ vậy tiết kiệm đƣợc số dây dẫn và linh kiện ghép nối. Hình 2.20. Truyền dẫn không đối xứng 3 pha 4 dây 30 Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đánh giá mức tín hiệu bộc lộ một nhƣợc điểm cơ bản là khả năng chống nhiễu kém. Nguyên nhân gây nhiễu ở đây có thể là môi trƣờng xung quanh, sự xuyên âm (crosstalk) hoặc do chênh lệch điện áp đất của các đối tác truyền thông. Điều này cũng dẫn đến sự hạn chế về chiều dài dây dẫn cũng nhƣ tốc độ truyền. Truyền dẫn chênh lệch đối xứng Truyền dẫn chênh lệch đối xứng sử dụng điện áp giữa hai dây dẫn (A và B hay dây – và dây +) để biểu diễn trạng thái logic (1 và 0) của tín hiệu, không phụ thuộc vào đất. Hình 2.21. Truyền dẫn chênh lệch đối xứng (3 kênh 7 dây dẫn) Trở đầu cuối (terminating resistance): Thông thƣờng, một tín hiệu đƣợc phát đi khi tới một đầu dây sẽ phản xạ ngƣợc trở lại, giống nhƣ hiện tƣợng phản xạ ánh sáng. Khi tốc độ truyền tƣơng đối thấp hoặc dây dẫn tƣơng đối ngắn, sao cho thời gian bít TB lớn hơn gấp nhiều lần so với thời gian truyền tín hiệu TS, tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau một vài lần qua lại, không gây ảnh hƣởng tới chất lƣợng của tín hiệu mang bít dữ liệu đƣợc phát tiếp theo. Trong trƣờng hợp khác sẽ xảy ra xung đột tín hiệu, vì vậy ngƣời ta dùng một trở kết thúc, hay trở đầu cuối để hấp thụ tín hiệu ban đầu. Ý tƣởng ở đây là khi một đƣờng dây dẫn dài vô hạn thì sẽ không xảy ra hiện tƣợng phản xạ tín hiệu. Vì vậy, trở đầu cuối đƣợc chọn có giá trị tƣơng đƣơng với trở kháng đặc trƣng (trở kháng sóng) của cáp truyền. 2.7.2. RS-485 VÒ c¸c ®Æc tÝnh ®iÖn häc, RS-485 sö dông tÝn hiÖu ®iÖn ¸p chªnh lÖch ®èi xøng gi÷a hai d©y dÉn A vµ B. RS-485 cã kh¶ n¨ng ghÐp nèi nhiÒu ®iÓm, v× thÕ ®-îc dïng phæ biÕn trong c¸c hÖ thèng bus tr-êng cô thÓ lµ 32 tr¹m cã thÓ tham gia ghÐp nèi, ®-îc ®Þnh ®Þa chØ vµ giao tiÕp ®ång thêi trong mét ®o¹n RS-485 mµ kh«ng cÇn bé lÆp.  Sè tr¹m tham gia RS-485 cho phÐp nèi m¹ng 32 t¶i ®¬n vÞ, øng víi 32 bé thu ph¸t hoÆc nhiÒu h¬n, tïy theo c¸ch chän t¶i cho mçi thiÕt bÞ thµnh viªn. Giíi h¹n 32 t¶i ®¬n vÞ suÊt ph¸t tõ ®Æc tÝnh kü thuËt cña hÖ thèng truyÒn th«ng nhiÒu ®iÓm. C¸c t¶i ®-îc m¾c song song vµ v× thÕ t¨ng t¶i sÏ lµm suy gi¶m tÝn hiÖu v-ît qu¸ møc cho phÐp. 31 Theo quy ®Þnh chuÈn, mét bé kÝch thÝch tÝn hiÖu ph¶i ®¶m b¶o dßng tæng céng 60 mA võa ®ñ ®Ó cung cÊp cho: + Hai trë ®Çu cuèi m¾c song song t-¬ng øng t¶i 60 (120 t¹i mçi ®Çu) víi ®iÖn ¸p tèi thiÓu 1.5V, t¹o dßng t-¬ng ®-¬ng 25mA. + 32 t¶i ®¬n vÞ m¾c song song víi dßng 1mA qua mçi t¶i (tr-êng hîp xÊu nhÊt), t¹o dßng t-¬ng ®-¬ng víi 32mA. -7V -3V 1mA 12V -0.8mA H×nh 2.22. §Þnh nghÜa mét t¶i ®¬n vÞ  Tèc ®é truyÒn t¶i vµ chiÒu dµi d©y dÉn Kho¶ng c¸ch tèi ®a gi÷a ch¹m ®Çu vµ tr¹m cuèi trong mét ®o¹n m¹ng lµ 1200m, kh«ng phô thuéc vµo sè tr¹m tham gia. Tèc ®é truyÒn dÉn tèi ®a cã thÓ lªn tíi 10Mbit/s, mét sè hÖ thèng gÇn ®©y cã kh¶ n¨ng lµm viÖc víi tèc ®é 12Mbit/s. Tuy nhiªn cã sù rµng buéc gi÷a tèc ®é truyÒn dÉn tèi ®a vµ ®é dµi d©y dÉn cho phÐp, tøc lµ mét m¹ng dµi 1200m kh«ng thÓ lµm viÖc víi tèc ®é 10MBd. Quan hÖ gi÷a chóng phô thuéc nhiÒu vµo chÊt l-îng d©y c¸p ®-îc dïng còng nh- phô thuéc vµo viÖc ®¸nh gi¸ chÊt l-îng tÝn hiÖu. Mét vÝ dô ®Æc tr-ng về tốc độ truyền vµ chiÒu dµi d©y dÉn trong RS-485 sö dông d©y ®«i so¾n AWG 24 ®-îc thể hiện qua ®å thị hình 2.23. 3 30 300 3000 100 1K 10K 100K 1M 10M 12 C h iề u d à i d â y d ẫ n ( m ) Tốc độ truyền tải bit/s H×nh 2.23. Quan hÖ gi÷a tèc ®é truyÒn  CÊu h×nh m¹ng Lµ chuÈn duy nhÊt do EIA ®-a ra mµ cã kh¶ n¨ng truyÒn th«ng ®a ®iÓm thùc sù chØ dïng mét ®-êng dÉn chung duy nhÊt, ®-îc gäi lµ bus. ChÝnh v× vËy mµ nã ®-îc lµm chuÈn cho líp vËt lý ë ®a sè hÖ thèng bus hiÖn t¹i. 32 CÊu h×nh phæ biÕn nhÊt lµ sö dông d©y dÉn cho viÖc truyÒn tÝn hiÖu nh- ®-îc minh häa trªn h×nh 2.24. D R D R D R D R RT RT H×nh 2.24. CÊu h×nh m¹ng RS-485 hai d©y Trong tr-êng hîp nµy, hÖ thèng chØ cã thÓ lµm viÖc víi chÕ ®é hai chiÒu gi¸n ®o¹n vµ c¸c tr¹m cã thÓ nhËn quyÒn b×nh ®¼ng trong viÖc truy nhËp ®-êng dÉn. Chó ý r»ng ®-êng dÉn ®-îc kÕt thóc b»ng hai trë t¹i hai ®Çu chø kh«ng ®-îc phÐp ë gi÷a ®-êng d©y. v× môc ®Ých ®¬n gi¶n d©y ®Êt kh«ng ®-îc vÏ ë ®©y, tuy nhiªn trong thùc tÕ viÖc vÏ d©y ®Êt lµ rÊt cÇn thiÕt. Mét m¹ng RS-485 còng cã thÓ ®-îc nèi theo kiÓu 4 d©y nh- h×nh 2.25. D R D R D R D R RT RT RT RT Master Slave Slave Slave H×nh 2.25. CÊu h×nh m¹ng RS-485 sö dông 4 d©y Mét tr¹m chñ ®ãng vai trß ®iÒu khiÓn toµn bé giao tiÕp gi÷a c¸c tr¹m kÓ c¶ viÖc truy nhËp ®-êng dÉn. C¸c tr¹m tí kh«ng thÓ liªn hÖ trùc tiÕp mµ ®Òu ph¶i qua tr¹m chñ. Tr¹m chñ ph¸t tÝn hiÖu yªu cÇu vµ c¸c tr¹m tí cã tr¸ch nhiÖm ®¸p øng. VÊn ®Ò kiÓm so¸t th©m nhËp ®-êng dÉn ë ®©y chÝnh lµ viÖc khèng chÕ c¸c tr¹m tí kh«ng tr¶ lêi cïng mét lóc. Víi cÊu h×nh nµy, viÖc truyÒn th«ng cã thÓ thùc hiÖn chÕ ®é hai chiÒu toµn phÇn, phï hîp víi c¸c øng dông ®ßi hái tèc ®é truyÒn t¶i th«ng tin cao,tuy nhiªn ë ®©y ph¶i tr¶ gi¸ cho hai ®-êng d©y bæ xung  C¸p nèi RS-485 kh«ng ph¶i lµ mét chuÈn chän vÑn mµ chØ lµ mét chuÈn vÒ ®Æc tÝnh ®iÖn häc. V× vËy, kh«ng ®-a ra c¸c quy ®Þnh cho c¸p nèi còng nh- c¸c bé nèi. Cã thÓ dïng c¸p ®«i d©y xo¾n, 33 c¸p tr¬n hoÆc c¸c lo¹i c¸p kh¸c. Tuy nhiªn, c¸p ®«i d©y xo¾n vÉn lµ lo¹i c¸p ®-îc sö dông phæ biÕn nhÊt nhê ®Æc tÝnh chèng t¹p nhiÔu vµ xuyªn ©m.  Trë ®Çu cuèi Do tèc ®é truyÒn th«ng vµ chiÒu dµi d©y dÉn cã thÓ kh¸c nhau rÊt nhiÒu trong c¸c øng dông, hÇu nh- tÊt c¶ c¸c bus RS-485 ®Òu yªu cÇu sö dông trë ®Çu cuèi t¹i hai ®Çu d©y. Sö dông trë ®Çu cuèi cã t¸c dông chèng c¸c hiÖu øng phô trong truyÒn dÉn tÝn hiÖu, vÝ dô sù ph¶n x¹ tÝn hiÖu. Trë ®Çu cuèi dïng cho RS-485 cã thÓ tõ 100 ®Õn 120. Mét sai lÇm th-êng g©y t¸c h¹i nghiªm träng trong thùc tÕ lµ dïng trë ®Çu cuèi t¹i mçi tr¹m. §èi víi mét m¹ng bus cã 10 tr¹m th× trë kh¸ng t¹o ra do c¸c trë ®Çu cuèi m¾c song song sÏ lµ 10 chø kh«ng ph¶i lµ 50 nh- th«ng th-êng.Chó ý r»ng t¶i cña c¸c trë ®Çu cuèi chiÕm phÇn lín trong toµn m¹ch, nªn trong tr-êng hîp nµy hËu qu¶ g©y ra lµ dßng qua c¸c trë ®Çu cuèi sÏ lÊn ¸t, c¸c tÝn hiÖu mang th«ng tin tíi c¸c bé thu sÏ suy yÕu m¹nh dÉn tíi sai lÖch hoµn toµn.  Nèi ®Êt MÆc dï møc tÝn hiÖu ®-îc x¸c ®Þnh b»ng ®iÖn ¸p chªnh lÖch gi÷a hai d©y dÉn A vµ B kh«ng cã liªn quan tíi ®Êt, hÖ thèng RS-485 vÉn cÇn mét ®-êng d©y nèi ®Êt ®Ó t¹o mét ®-êng tho¸t cho nhiÔu chÕ ®é chung vµ c¸c dßng kh¸c, vÝ dô dßng ®Çu vµo bé thu. Mét sai lÇm th-êng gÆp trong thùc tÕ lµ chØ dïng hai d©y ®Ó nèi hai tr¹m. Trong tr-êng hîp nh- vËy, dßng chÕ ®é chung sÏ t×m c¸ch quay ng-îc trë l¹i nguån ph¸t, bøc x¹ nhiÔu ra m«i tr-êng xung quanh,¶nh h-ëng tíi tÝnh t-¬ng thÝch ®iÖn tõ cña hÖ thèng. Nèi ®Êt sÏ cã t¸c dông t¹o mét ®-êng tho¸t trë kh¸ng nhá t¹i mét vÞ trÝ x¸c ®Þnh, nhê vËy gi¶m thiÓu t¸c h¹i g©y nhiÔu. H¬n thÕ n÷a, víi cÊu h×nh trë ®Çu cuèi tin cËy, viÖc nèi ®Êt t¹o thiªn ¸p sÏ gi÷ mét møc ®iÖn ¸p tèi thiÓu gi÷a hai d©y A vµ B trong tr-êng hîp kÓ c¶ khi bus rçi hoÆc cã sù cè. 2.8. PHƢƠNG TIỆN TRUYỀN DẪN M«i tr-êng truyÒn dÉn hay ph-¬ng tiÖn truyÒn dÉn ¶nh h-ëng tíi chÊt l-îng tÝn hiÖu, tíi ®é bÒn v÷ng cña tÝn hiÖu víi nhiÔu bªn ngoµi vµ tÝnh t-¬ng thÝch ®iÖn tõ cña hÖ thèng truyÒn th«ng. Tèc ®é truyÒn vµ kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn tèi ®a cho phÐp còng phô thuéc vµo sù lùa chän ph-¬ng tiÖn truyÒn dÉn. Ngoµi c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt, c¸c ph-¬ng tiÖn truyÒn dÉn cßn kh¸c nhau ë møc ®é tiÖn lîi sö dông (l¾p ®Æt, ®Êu d©y) vµ gi¸ thµnh. Bªn c¹nh chuÈn truyÒn dÉn, mçi hÖ thèng bus ®Òu cã quy ®Þnhu chÆt chÏ vÒ chñng lo¹i vµ c¸c chØ tiªu chÊt l-îng cña m«i tr-êng truyÒn dÉn ®-îc phÐp sö dông. Tuy nhiªn, trong khi quy ®Þnh vÒ chuÈn truyÒn dÉn thuéc líp vËt lý th× m«i tr-êng truyÒn dÉn l¹i n»m ngoµi ph¹m vi ®Ò cËp cña m« h×nh quy chiÕu OSI. NÕu kh«ng xÐt tíi c¸c ®Æc ®iÓm riªng biÖt cña tõng hÖ thèng m¹ng cô thÓ (vÝ dô ph-¬ng ph¸p truy nhËp bus), tèc ®é truyÒn tèi ®a cña mét kªnh truyÒn dÉn phô thuéc vµo (®é réng) b¨ng th«ng cña kªnh truyÒn. §èi víi m«i tr-êng kh«ng cã nhiÔu, theo thuyÕt Nyquist th×: Tèc ®é bit tèi ®a (bits/s) = 2H log2X, 34 Trong ®ã H lµ b¨ng th«ng cña kªnh truyÒn vµ X lµ sè møc tr¹ng th¸i tÝn hiÖu ®-îc sö dông trong m· ho¸ bit. §èi víi c¸c hÖ thèng m¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp sö dông tÝn hiÖu nhÞ ph©n, ta cã X = 2 vµ tèc ®é bit (tÝnh b»ng bit/s) sÏ kh«ng bao giê v-ît qu¸ hai lÇn ®é réng b¨ng th«ng. Bªn c¹nh sù h¹n chÕ bëi b¨ng th«ng cña kªnh truyÒn dÉn, tèc ®é truyÒn tèi ®a thùc tÕ cßn bÞ gi¶m ®¸ng kÓ bëi t¸c ®éng cña nhiÔu. Shannon ®· chØ ra r»ng, tèc ®é truyÒn bit tèi ®a cña mét kªnh truyÒn dÉn cã b¨ng th«ng H (Hz) vµ tØ lÖ tÝn hiÖu – nhiÔu S/N (signal – to – noise ratio) ®-îc tÝnh theo c«ng thøc; Tèc ®é bit tèi ®a (bit/s) = H log2 (1+S/N) Tõ c¸c ph©n tÝch trªn ®©y, ta cã thÓ thÊy r»ng ®é réng b¨ng th«ng vµ kh¶ n¨ng kh¸ng nhiÔu lµ hai yÕu tè quyÕt ®Þnh tíi chÊt l-îng cña ®-êng truyÒn. Bªn c¹nh ®ã, kho¶ng c¸ch truyÒn tèi ®a phô thuéc vµo ®é suy gi¶m cña tÝn hiÖu trªn ®-êng truyÒn. Trong kü thuËt truyÒn th«ng nãi chung còng nh- truyÒn th«ng c«ng nghiÖp nãi riªng, ng-êi ta sö dông c¸c ph-¬ng tiÖn truyÒn dÉn sau: * C¸p ®iÖn: c¸p ®ång trôc, ®«i d©y xo¾n, c¸p tr¬n * C¸p quang: C¸p sîi thuû tinh (®a chÕ ®é, ®¬n chÕ ®é), sîi chÊt dÎo * V« tuyÕn: Sãng truyÒn thanh (radio AM, FM), sãng truyÒn h×nh (TV), vi sãng (microwave), tia hång ngo¹i (UV). D¶i tÇn cña mét sè ph-¬ng tiÖn truyÒn dÉn tiªu biÓu ®-îc m« t¶ trªn h×nh 2.26. Hình 2.26. Dải tần của các phƣơng tiện truyền dẫn tiêu biểu Lo¹i c¸p ®iÖn phæ biÕn nhÊt trong c¸c hÖ bus tr-êng lµ ®«i d©y xo¾n. §èi víi c¸c øng dông cã yªu cÇu cao vÒ tèc ®é truyÒn vµ ®é b Òn víi nhiÔu th× c¸p ®ång trôc lµ sù lùa chän tèt h¬n. C¸p quang còng ®-îc sö dông réng r·i trong c¸c øng dông cã ph¹m vi ®Þa lý réng, m«i tr-êng xung quanh nhiÔu m¹nh hoÆc dÔ x©m thùc, hoÆc cã yªu cÇu cao vÒ ®é tin cËy còng nh- tèc ®é truyÒn d÷ liÖu. 35 2.8.1. §«i d©y xo¾n §«i d©y xo¾n (Twisted Pair) lµ mét ph¸t minh cña A. Grahm Bell vµo n¨m 1881 vµ tõ ®ã trë thµnh ph-¬ng tiÖn kinh ®iÓn trong c«ng nghiÖp ®iÖn tho¹i. Mét ®«i d©y xo¾n bao gåm hai sîi d©y ®ång ®-îc quÊn c¸ch ly «m vµo nhau. T¸c dông thø nhÊt cña viÖc quÊn d©y lµ tr-êng ®iÖn tõ cña hai d©y sÏ trung hoµ lÉn nhau, nh- h×nh 2.27 minh ho¹, v× thÕ nhiÔu x¹ ra m«i tr-êng xung quanh còng nh- t¹p nhiÔu do xuyªn ©m sÏ ®-îc gi¶m thiÓu. HiÖn t-îng nhiÔu xuyªn ©m (crosstalk) xuÊt hiÖn do sù giao thoa tr-êng ®iÖn tö cña chÝnh hai d©y dÉn. Kh¸i niÖm xuyªn ©m cã nguån gèc ë kü thô©t ®iÖn tho¹i, chØ sù chång chÐo lµm mÐo tiÕng nãi do t¸c ®éng qua l¹i gi÷a hai d©y dÉnl. NÕu kÝch th-íc, ®é xo¾n cña ®«i d©y ®-îc thiÕt kÕ, tÝnh to¸n phï hîp, tr-êng ®iÖn tõ do chóng g©y ra sÏ tù triÖt tiªu lÉn nhau vµ hÇu nh- kh«ng lµm ¶nh h-ëng tíi chÊt l-îng tÝn hiÖu. Hình 2.27. Đôi dây xoắn và tác dụng trung hòa trƣờng điện từ Trong c¸c hÖ thèng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp, ®«i d©y xo¾n th-êng sö dông ®i kÌm víi chuÈn RS-485. Che ch¾n ®-êng truyÒn ®èi víi RS-485 kh«ng ph¶i bao giê còng b¾t buéc, tuú theo ®ßi hái vÒ chÊt l-îng ®-êng truyÒn vµ tÝnh t-¬ng thÝch ®iÖn tõ trong lÜnh vùc øng dông kh¸c nhau. C¸c líp bäc lãt, che ch¾n sÏ gi¶m t¸c ®éng cña nhiÔu bªn ngoµi ®Õn tÝn hiÖu truyÒn dÉn, ®ång thêi h¹n chÕ nhiÔu x¹ tõ chÝnh ®-êng truyÒn ra m«i tr-êng xung quanh. Mét c¸p dÉn th-êng gåm nhiÒu ®«i d©y xo¾n, tr-êng hîp phæ biÕn lµ hai ®«i d©y. Còng cã chuÈn LAN nh- IEEE 802.12 quy ®Þnh sö dông bèn ®«i d©y. Tuú theo c¸ch che ch¾n mµ ng-êi ta ph©n biÖt hai lo¹i c¸p dÉn: Shielded Twisted Pair (STP) vµ Unshielded Twisted Pair (UTP). Sù kh¸c nhau gi÷a STP vµ UTP ë chç, ngoµi vá bäc chung bªn ngoµi cña c¶ c¸p th× STP cßn cã thªm mét líp che ch¾n riªng cho tõng ®«i d©y, nh- thÊy trªn h×nh 2.28. 36 §iÖn trë ®Æc tÝnh cña STP vµ UTP th-êng lµ 120. §Æc ®iÓm cña STP lµ kh¶ n¨ng chèng t¸c ®éng nhiÔu tõ bªn ngoµi cao h¬n nhiÒu so víi UTP, trong khi b¶n th©n STP còng to¶ it nhiÔu h¬n ra m«i tr-êng xung quanh. Nh×n chung, ®èi víi c¸c hÖ thèng bus tr-êng víi chuÈn truyÒn dÉn RS-485 th× STP ®-îc sö dông phæ biÕn nhÊt. Còng chÝnh v× kh¶ n¨ng kh¸ng nhiÔu tèt mµ STP cho phÐp truyÒn víi tèc ®é t-¬ng ®èi cao (110Mbit/s) Hình 2.28. Hai kiểu cáp đôi dây xoắn Tuú theo chÊt l-îng cña c¸p truyÒn, chiÒu dµi d©y dÉn tèi ®a kh«ng dïng bé lÆp cã thÓ tíi 3000m. Tuy nhiªn, mét ph-¬ng thøc truyÒn kh«ng cho phÐp ®¹t ®-îc c¸c tèc ®é truyÒn tèi ®a vµ chiÒu dµi tèi ®a cïng mét lóc. VÝ dô, ®Ó ®¹t tèc ®é truyÒn tèi ®a th× chiÒu dµi d©y dÉn kh«ng ®-îc lín h¬n 100m. B¶ng 2.1 liÖt kª mét sè kiÓu c¸p theo quy chuÈn AWG (American Wire Gauge) B¶ng 2.1. Mét sè kiÓu c¸p STP theo quy chuÈn AWG AWG 28 26 24 22 20 TiÕt diÖn d©y (mm2) §-êng kÝnh d©y (mm) §iÖn trë R(/m) 0.08 0.32 0.436 0.13 0.40 0.280 0.2 0.51 0.178 0.32 0.64 0.106 0.50 0.80 0.070 ChÊt l-îng truyÒn cña STP tèt h¬n lu«n ®i ®«i víi gi¸ thµnh cao h¬n. V× vËy ë kho¶ng c¸ch truyÒn dÉn ng¾n hoÆc trong c¸c ®iÒu kiÖn Ýt cã t¸c ®éng nhiÔu bªn ngoµi, UTP còng ®-îc sö dông. Do d¶i tÇn bÞ h¹n chÕ vµ nh¹y c¶m víi nhiÔu, tèc ®é truyÒn sö dông UTP trong c¸c hÖ thèng m¹ng truyÒn th«ng c«ng nghiÖp th-êng bÞ h¹n chÕ ë møc 167kbit/s, còng nh- chiÒu dµi ®-êng truyÒn tèi ®a kh«ng dïng bé lÆp lµ 200m. Tuy tèc ®é truyÒn cña c¸c lo¹i c¸p ®«i d©y xo¾n kh«ng cao l¾m, nh-ng -u ®iÓm cña nã lµ gi¸ thµnh hîp lý vµ dÔ l¾p ®Æt, nèi d©y. V× vËy, øng dông chñ yÕu cña chóng lµ ë cÊp tr-êng, cã thÓ sö dông trong hÇu hÕt c¸c hÖ thèng bus tr-êng. §Õn nay, c¸p ®«i d©y xo¾n cïng ®-îc thiÕt kÕ, chÕ t¹o víi nhiÒu c¶i tiÕn kh¸c nhau. Tuú theo kiÓu c¸ch vµ chÊt l-îng cña s¶n phÈm, ng-êi ta cïng chia thµnh c¸c h¹ng tõ 1-5. Lo¹i c¸p dïng tr«ng c«ng nghiÖp ®iÖn tho¹i hoÆc trong m¹ng th-êng thuéc h¹ng 3, cho phÐp truyÒn tíi 37 tèc ®é 12Mbit/s. H¹ng 5 cho phÐp truyÒn tíi tèc ®é 100Mbit/s, ®-îc dïng trong Fast Ethiernet (100 BASE-TX). ChuÈn IEC 61158 còng ®-a ra 4 lo¹i ®«i d©y xo¾n xÕp h¹ng tõ A tíi D víi chÊt l-îng cao nhÊt thuéc h¹ng A. 2.8.2. C¸p ®ång trôc Mét lo¹i c¸p truyÒn th«ng dông kh¸c lµ c¸p ®ång trôc (coaxial cable hay coax) Nh- trªn h×nh 2.29 minh ho¹, mét c¸p ®ång trôc bao gåm mét d©y lâi bªn trong vµ mét d©y (kiÓu èng) bao bäc phÝa ngoµi, ®-îc ng¨n c¸ch bëi mét líp c¸ch ly (®iÖn m«i). Còng nh- ®«i d©y xo¾n, chÊt liÖu ®-îc sö dông cho d©y dÉn ë ®©y lµ ®ång. Líp c¸ch ly th-êng lµ Polyethyelen (PE), trong khi vá bäc lµ nhùa PVC. Hình 2.29. Cáp đồng trục C¸p ®ång trôc thÝch hîp cho c¶ truyÒn tÝn hiÖu t-¬ng tù vµ tÝn hiÖu sè. Ng-êi ta ph©n biÖt hai lo¹i c¸p ®ång trôc lµ c¸t d¶i c¬ së (baseband coax) vµ c¸p d¶i réng (broadband coax). Lo¹i thø nhÊt cã trë ®Æc tÝnh lµ 50 ®-îc sö dông réng r·i trong truyÒn d÷ liÖu, trong khi lo¹i thø hai cã trë ®Æc tÝnh 75 , th-êng ®-îc sö dông lµ m«i tr-êng truyÒn tÝn hiÖu t-¬ng tù. Ph¹m vi øng dông cæ ®iÓn cña c¸p ®ång trôc chÝnh lµ trong c¸c hÖ thèng c¸p truyÒn h×nh. Nhê cÊu tróc ®Æc biÖt còng nh- t¸c dông cña líp dÉn ngoµi, c¸c ®iÖn tr-êng vµ tõ tr-êng ®-îc gi÷ gÇn nh- hoµn toµn bªn trong mét c¸p ®ång trôc. ChÝnh v× vËy hiÖn t-îng xuyªn ©m kh«ng ®¸ng kÓ so víi ë c¸p ®«i d©y xo¾n. Bªn c¹nh ®ã, hiÖu øng bÒ mÆt còng lµm gi¶m sù tæn hao trªn ®-êng truyÒn khi sö dông c¸p truyÒn cã ®-êng kÝnh lín.. VÒ ®Æc tÝnh ®éng häc, c¸p ®ång trôc cã d¶i tÇn lín h¬n ®«i d©y xo¾n nªn viÖc t¨ng tÇn sè nhäp ®Ó n©ng tèc ®é truyÒn còng dÔ thùc hiÖn h¬n. Tèc ®é truyÒn tèi ®a cho phÐp cã thÓ tíi 1 -2 Gbit/s. Víi tèc ®é thÊp, kho¶ng c¸ch truyÒn cã thÓ tíi vµi ngh×n mÐt mµ kh«ng cÇn bé lÆp. Tuy nhiªn, bªn c¹nh gi¸ thµnh cao h¬n ®«i d©y xo¾n th× viÖc l¾p ®Æt, ®Êu d©y phøc t¹p còng lµ mét nh-îc ®iÓm cña chóng. V× vËy trong truyÒn th«ng c«ng nghiÖp, c¸p ®ång trôc chñ yÕu ®-îc dïng ë c¸c cÊp trªn (bus hÖ thèng, bus xÝ nghiÖp) nh- ControlNet vµ Ethernet. 2.8.3. C¸p Quang C¸p quang ®-îc sö dông trong c¸c lÜnh vùc øng dông ®ßi hái tèc ®é truyÒn t¶i rÊt cao, ph¹m vi truyÒn dÉn lín hoÆc trong c¸c m«i tr-êng lµm viÖc chÞu t¸c ®éng m¹nh cña nhiÔu. Víi kü thuËt tiªn tiÕn hiÖn nay, c¸c lo¹i c¸p quang cã thÓ ®¹t tíi tèc ®é truyÒn 20Gbit/s. C¸c hÖ 38 thèng ®-îc l¾p ®Æt th«ng th-êng cã tèc ®é truyÒn kho¶ng vµi Gbit/s. Sù suy gi¶m tÝn hiÖu ë ®©y rÊt nhá, v× vËy chiÒu dµi c¸p dÉn cã thÓ tíi hµng chôc, thËm chÝ hµng tr¨m kilomet mµ kh«ng cÇn mét bét lÆp hay mét bé khuÕch ®¹i tÝn hiÖu. Mét -u ®iÓm lín cña c¸p quang lµ tÝnh n¨ng kh¸ng nhiÔu còng nh- tÝnh t-¬ng thÝch ®iÖn – tõ. C¸p quang kh«ng chÞu t¸c ®éng cña nhiÔu ngo¹i c¶nh nh- tr-êng ®iÖn tõ, sãng v« tuyÕn. Ng-îc l¹i, b¶n th©n c¸p quang còng hÇu nh- kh«ng bøc x¹ nhiÔu ra m«i tr-êng xung quanh, v× thÕ kh«ng ¶nh h-ëng tíi ho¹t ®éng cña c¸c thiÕt bÞ kh¸c. Bªn c¹nh ®ã, sö dông c¸p quang còng n©ng cao ®é b¶o mËt cña th«ng tin ®-îc truyÒn. Thùc tÕ rÊt khã cã thÓ g¾n bÝ mËt c¸c thiÕt bÞ nghe trém ®-êng truyÒn mµ kh«ng g©y ra sôt gi¶m tÝn hiÖu mét c¸ch ®ét ngét. Víi c¸c thiÕt bÞ kü thô©t ®Æc biÖt ng-êi ta cã thÓ dÔ dµng x¸c ®Þnh ®-îc vÞ trÝ bÞ can thiÖp. Nguyªn t¾c lµm viÖc cña c¸p quang dùa trªn hiÖn t-îng ph¶n x¹ toµn phÇn cña ¸nh s¸ng t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a hai vËt liÖu cã hÖ sè khóc x¹ n1 vµ n2 kh¸c nhau tho¶ m·n ®iÒu kiÖn. n 1arctan n 2           Víi  lµ gãc lÖch cña tia ¸nh s¸ng tíi so víi ®-êng trùc giao, nh- h×nh 2.30 minh ho¹. Th«ng th-êng n1 ®-îc chän lín h¬n n2 kho¶ng 1%. Mét sîi c¸p quang gåm mét sîi lâi, mét líp bäc vµ mét líp vá b¶o vÖ. Sîi lâi còng nh- líp bäc cã thÓ ®-îc lµm b»ng thuû tinh hoÆc chÊt dÎo trong suèt. Mét tia ¸nh s¸ng víi gãc lÖch  so víi chiÒu däc c¸p dÉn tÝnh theo c«ng thøc sau sÏ ®-îc n¾n ®i theo mét ®-êng rÝch r¾c ®Òu ®Æn: Sin  = 2 2 1 2 n n Nguyªn t¾c lµm viÖc cña c¸p quang ®-îc minh ho¹ trªn h×nh 2.31 Hình 2.31. Nguyên tắc làm việc của cáp quang Hình 2.30. Nguyên tắc phản xạ toàn phần 39 TØ lÖ cña c¸c hÖ sè khóc x¹ còng nh- ®-êng kÝnh cña sîi lâi vµ líp bäc ¶nh h-ëng tíi ®Æc tÝnh ®-êng ®i cña tia ¸nh s¸ng. Ng-êi ta ph©n lo¹i c¸p quang sîi thuû tinh thµnh hai nhãm chÝnh sau: Bảng 2.2. Các loại sợi thủy tinh * Sîi ®a chÕ ®é (Multimode Fiber, MMF); Sîi quang nhiÒu kiÓu sãng, tÝn hiÖu truyÒn ®i lµ c¸c tia laser cã tÇn sè kh«ng thuÇn nhÊt. C¸c LED ®-îc sö dông trong c¸c bé ph¸t. HiÖn t-îng t¸n x¹ g©y khã kh¨n trong viÖc n©ng cao tèc ®é truyÒn vµ chiÒu dµi c¸p dÉn. Kh¶ n¨ng truyÒn h¹n chÕ trong ph¹m vi Gbit/s * km * Sîi ®¬n chÕ ®é (Single – Mode Fiber, SMF): Sîi quang mét kiÓu sãng, tÝn hiÖu truyÒn ®i lµ c¸c tia laser cã tÇn sè thuÇn nhÊt. C¸c ®ièt laze ®-îc sö dông trong c¸c bé ph¸t. Tèc ®é truyÒn cã thÓ ®¹t tíi hµng tr¨m Gbit/s ë kho¶ng c¸ch 1km. Nhãm thø nhÊt còng ®-îc chia tiÕp thµnh hai lo¹i: Sîi cã hÖ sè b-íc (Step index Fiber) vµ sîi cã hÖ sè dèc (Gradient Index Fiber). B¶ng 2.2 tãm t¾t mét sè ®Æc tÝnh vµ th«ng sè tiªu biÓu cña ba lo¹i c¸p quang nµy. Bªn c¹nh sîi thuû tinh, mét sè lo¹i sîi chÊt dÎo còng ®-îc sö dông t-¬ng ®èi réng r·i. Sîi chÊt dÎo cho phÐp truyÒn víi tèc ®é thÊp (kho¶ng vµi chôc tíi vµi tr¨m Mbit/s) vµ kho¶ng c¸ch truyÒn ng¾n (tèi ®a 80m), nh-ng gi¸ thµnh thÊp vµ l¾p ®Æt dÔ dµng h¬n nhiÒu. 40 CHƢƠNG 3. CÁC GIAO THỨC CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG TRÊN ÔTÔ 3.1. Giao thức BEAN Là phiên bản mạng truyền thông nối tiếp, đƣợc phát triển bởi hãng TOYOTA năm 1997 và lần đầu tiên đƣợc sử dụng trên LS400. BEAN là một chuẩn (giao thức) thông tin đa chiều mà đƣợc thiết lập để truyền dữ liệu giữa các ECU điều khiển những thiết bị điện hay điện tử trên ô tô. 3.1.1. Chuẩn giao thức Chuẩn giao thức là những quy tắc cần thiết để quản lý việc truyền tín hiệu giữa các loại thiết bị và máy tính khác nhau. Chúng quy định các trạng thái khác nhau, nhƣ phần cứng và phần mềm, cho việc truyền tín hiệu. Ví dụ, định dạng của dữ liệu truyền đi hay những ký hiệu truyền phải đƣợc xác định trƣớc giữa các thiết bị liên lạc. BEAN có chuẩn giao thức dạng Bus, sử dụng chuỗi xích vòng để tăng độ tin cậy truyền dữ liệu cho mạch hở. Hình 3.1. Chuẩn giao thức của BEAN 3.1.2. Định hƣớng giao tiếp (Communication direction) Có 2 loại giao tiếp định hƣớng là giao tiếp 1 đƣờng và giao tiếp 2 đƣờng. Giao tiếp 1 đƣờng sử dụng cho Bus cửa sổ điện để giao tiếp giữa bộ phát tín hiệu (điều khiển từ xa) và bộ nhận tín hiệu (ECU thân xe). Giao tiếp 2 đƣờng có thêm tín hiệu ON của máy nén (trong hệ thống điều hòa không khí tự động) truyền tới ECU động cơ để điều khiển tốc độ không tải và điều khiển nhiên liệu. 41 Hình 3.2. Giao tiếp 1 đƣờng và giao tiếp 2 đƣờng 3.1.3. Hệ truy nhập (Access system) Sử dụng hệ đa truy cập nhận biết sóng với khả năng dò tìm xung đột (CSMA/CD) Hình 3.3. Hệ truy nhập của BEAN 3.1.4.. Thời gian truyền dữ liệu Truyền dữ liệu theo chu kỳ: dữ liệu luôn luôn đƣợc cập nhật để gửi tới các ECU theo một chu kỳ đã đƣợc định trƣớc. Ví dụ, tín hiệu cảm biến nhiệt độ nƣớc làm mát luôn đƣợc cập nhật để gửi về ECU động cơ. Từ đó, ECU động cơ tính toán, xử lý và đƣa tín hiệu xung điều khiển theo chu kỳ định trƣớc tới điều khiển ECU bảng taplo. 42 Hình 3.4. Truyền dữ liệu theo chu kỳ Truyền dữ liệu tức thời: khi công tắc có liên quan hoạt động thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi đi tới các ECU. Hình 3.5. Truyền dữ liệu theo tức thời 3.1.5. Cấu trúc thông điệp của hệ thống BEAN Thông điệp của BEAN bao gồm “bắt đầu mẫu tin” và “kết thúc mẫu tin”. Để tăng hiệu quả truyền, còn có những thông tin “truyền định kỳ” đƣợc truyền theo chu kỳ và “truyền không định kỳ” nó đƣợc truyền khi có điều gì đó bất thƣờng xảy ra trong hệ thống. Hình 3.6. Cấu trúc thông điệp của BEAN Truyền định kỳ và truyền không định kỳ: Truyền định kỳ: Dữ liệu đƣợc truyền tại những chy kỳ nhất định, thời điểm truyền định kỳ (chu kỳ: t) Truyền không định kỳ: Dữ liệu đƣợc truyền theo hoạt động của công tắc, thời điểm truyền không định kỳ. Truyền kết hợp: Kết hợp cả truyền định kỳ và truyền không định kỳ (bộ định thời truyền định kỳ đƣợc đặt lại khi công tắc đƣợc bật ON). 43 Bảng 3.1. Bảng mô tả chi tiết về các thông điệp của BEAN STT Tên viết tắt Tên của thông điệp Chức năng Số lƣợng Bits 1 SOF Bắt đầu mẫu tin Bit khởi đầu 1 2 Priority Tính ƣu tiên của dữ liệu Quyền ƣu tiên (chỉ ra dữ liệu nào quan trọng hơn) 4 3 Message Length Độ dài của dữ liệu Tổng số byte của dữ liệu (bao gồm 2 byte cho ID) đƣợc hiển thị ở dạng nhị phân 4 4 DST-ID Địa chỉ của nơi nhận dữ liệu Bao gồm thông tin chung, thông tin riêng, thông tin phổ biến. 8 5 MES-ID Địa chỉ của thông điệp Thể hiện nội dung của thông điệp 8 6 Data Dữ liệu Có chiều dài thay đổi 8-88 7 CRC Kiểm tra chu kỳ thừa Phát hiện lỗi 8 8 EOM Kết thúc thông điệp Báo rằng thông điệp đến CRC đã kết thúc 8 9 Response Phản hồi Nhận biết bất kỳ các tín hiệu gửi đi đúng hay sai. 2 10 EOF Kết thúc mẫu tin Báo rằng tất cả các thông điệp đã kết thúc. 6 Hình 3.7. Truyền định kỳ và truyền không định kỳ Trong đó: Lỗi nhận RSP (Reception error) và gửi lại Nếu một nút ở đầu nhận phát hiện thấy lỗi trong thông điệp, lỗi đó sẽ đƣợc thông báo đến nút ở đầu truyển bằng RSP. Sau đó, nút truyền đó sẽ truyền lại thông điệp một lần nữa. (đến 3 lần bao gồm cả lần truyền ban đầu). 44 Mã CRC (kiểm tra lỗi của dữ liệu phát đi) Một chuỗi dữ liệu từ PRI đến DATA đƣợc thiết lập bằng số nhị phân. Khi số nhị phân đƣợc chia bởi một đa thức cố định (X8+X4+X+1), sẽ có một số dƣ. Mã CRC đƣợc biễu diễn bằng số dƣ đó. Nếu số nhị phân của dữ liệu từ PRI đến CRC chia hết cho đa thức ở đầu nhận (hay nói theo cách khác, số dƣ bằng không), dữ liệu sẽ đƣợc đánh giá là bình thƣờng. 3.1.6. Kiểm tra và chẩn đoán BEAN a. Các bƣớc kiểm tra - Bƣớc 1: Kiểm tra toàn bộ dữ liệu cài đặt bởi vì có thể có một vài chức năng đã bị thay đổi hoặc ngừng hoạt động. - Bƣớc 2: Kiểm tra mã DTC - Bƣớc 3: Kiểm tra dữ liệu ECU + Danh mục dữ liệu: kiểm tra các công tắc và cảm biến + Kiểm tra hoạt động thực tế của các bộ chấp hành  Kiểm tra mã DTC Các mã DTC đƣợc chứa trong cổng giao tiếp ECU và đƣợc chia làm hai nhóm và có dạng B12xx. Bảng 4.1. Bảng tổng hợp các mã lỗi của BEAN Đƣờng tín hiệu bị đứt hoặc ngắt mạch tại 2 điểm Mã DTC Khu vực cần kiểm tra Điều kiện kiểm tra B1206 P/W master switch communication stop Communication with Gateway ECU stopped 10 sec. or more B1271 Combination meter ECU communication stop Ngắn mạch đƣờng tín hiệu B1266 Short to B+ in instrument panel system communication bus malfunction When a +B short circuit is detected in the instrument panel system communication bus B1267 Short to GND in instrument panel system communication bus malfunction When a body ground short circuit is detected in the instrument panel system communication bus Lỗi khác B1248 AVC-LAN communication impossible Communication with Gateway ECU stopped 10 sec. or more 45 3.2. Giao thức AVC-LAN AVC-LAN đƣợc phát triển bởi 6 công ty của tập đoàn Toyota và đã trở thành một mạng tiêu chuẩn về âm thanh trên xe ô tô. Hệ thống này cho phép kết nối mỗi thành phần của nhà sản xuất theo yêu cầu ngƣời sử dụng. Hình 3.8. Hệ thống AVC- LAN 3.2.1. Cấu trúc liên kết AVC-LAN chủ yếu kết nối giữa các thiết bị của hệ thống âm thanh trên xe nhƣ các thiết bị dò tần số, thiết bị khuếch đại tần số. Những thiết bị này có khả năng dò và kích tần số âm thanh từ các tín hiệu âm thanh của các công tắc, hình ảnh hiển thị của camera, sau đó tín hiệu này đƣợc chuẩn hóa thành đơn vị âm thanh và đƣa ra màn hình hiển thị của xe. Hình 3.9. Cấu trúc liên kết của AVC- LAN trên xe 3.2.2. Truyền tín hiệu trong AVC-LAN Quá trình truyền tín hiệu và các kiểu truyền tín hiệu của hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc của cáp truyền tín hiệu. Có 2 loại cáp truyền tín hiệu chính là cáp đơn và cáp đôi: 46 Loại truyền tín hiệu qua cáp đơn (sử dụng cho mạng BEAN và LIN,): Dây cáp kết nối sử dụng thƣờng mỏng và nhẹ hơn so với cáp đôi và điện áp đƣợc tạo ra ở đây để kết nối giữa các ECU là loại điện áp đơn. Hình 3.10 . Truyền dẫn qua cáp đơn Loại truyền tín hiệu qua cáp đôi (áp dụng nhiều cho các hệ thống truyền thông mới, ví dụ nhƣ: AVC-LAN và CAN): Hai dây cáp truyền tín hiệu ở đây đƣợc xoắn lại với nhau và đƣợc bọc bởi lớp chống nhiễu. Giao tiếp giữa các ECU ở đây đƣợc điều khiển bằng hai tín hiệu điện áp (Hi và Lo). Hình 3.11. Truyền dẫn qua cáp đôi Sự khác biệt điện áp giữa hai dây đƣợc phát hiện nhƣ là một tín hiệu dữ liệu, và có các tính năng mà nó không thể dễ dàng bị ảnh hƣởng bởi tiếng ồn từ bên ngoài. Hình 3.11. Ƣu điểm của truyền tín hiệu giữa cáp đôi và cáp đơn 47 3.2.3. Hệ truyền dẫn trong AVC-LAN Sử dụng truyền dẫn chủ/tớ: hệ thống truyền tín hiệu điều khiển từ ECU chủ tới các ECU thành phần, sau đó dữ liệu đƣợc phản hồi về ECU chủ. Ở đây, ECU chủ có thể gửi tín hiệu giống nhau tới một hoặc nhiều ECU nếu thấy cần thiết. Hình 3.12. Hệ truyền dẫn trong AVC-LAN 3.2.4. Địa chỉ của AVC-LAN Mỗi thành phần và chức năng của AVC-LAN có một quy tắc cho cuộc đàm thoại, và địa chỉ hiển thị của các cuộc đàm thoại đƣợc mã hóa thành các con số có giái thích chức năng chi tiết. Có 2 loại địa chỉ là địa chỉ vật lý (Physical address) và địa chỉ logic (Logical address): Địa chỉ vật lý: Con số này đƣợc phân bổ để xác định mỗi thành phần (ví dụ nhƣ hiển thị đa chức năng, hiển thị định vị, vv) và đƣợc sử dụng để xác định các thành phần cơ bản (gốc). Địa chỉ logic: Con số này đƣợc phân bổ để xác định mỗi chức năng (ví dụ nhƣ công tắc chức năng, công tắc tổ hợp, bộ dò tín hiệu vv). Sau đó mỗi chức năng này đƣợc các ECU thành phần gửi về ECU gốc để xử lý. Hình 3.13. Địa chỉ vật lý và địa chỉ logic trong AVC-LAN 48 3.2.5. Điều khiển AVC-LAN Trong AVC-LAN thì quá trình điều khiển đƣợc thực hiện theo 2 bƣớc: xác định tín hiệu trên bảng điều khiển sau đó đăng ký và xác nhận cho kết nối. Xác định phần bảng điều khiển: Trong mỗi thành phần, tồn tại một thành phần không có chức năng kiểm soát trung tâm. Nếu hai hoặc nhiều thành phần với chức năng điều khiển trung tâm tồn tại trong cùng một hệ thống, các thành phần với một địa chỉ vật lý nhỏ đƣợc xác định nhƣ các thành phần tổng thể. Hình 3.14. Xác định phần bảng điều khiển trong AVC-LAN Đăng ký và xác nhận cho kết nối: Sau khi xác định tín hiệu phần điều khiển, bộ phận này đồng thời nhận đƣợc địa chỉ logic của các thành phần con để xác định các chức năng mà hệ thống có.Sau đó, máy chủ xác nhận kết nối của các thành phần con sau 60 giây. Hình 3.15. Đăng ký và xác nhận cho kết nối trong AVC-LAN 3.2.6. Cấu trúc thông điệp của AVC-LAN Hình 3.16. Cấu trúc thông điệp của AVC-LAN Bảng 3.2. Bảng mô tả chi tiết về thông điệp của AVC-LAN STT Tên viết tắt Chức năng của thông điệp Số lƣợng Bits 1 SOF Bắt đầu mẫu tin 1 2 Indentifier field Nhận dạng trƣờng dữ liệu 1 3 Master address field Địa chỉ vật lý đƣợc xác nhận từ ECU chủ 12 4 Slave address field Địa chỉ vật lý gửi tới cho các thành 12 49 phần con 5 Control field Điều khiển hƣớng nhận dữ liệu (chỉ nhận các tín hiệu yêu cầu) 4 6 Message length Đề xuất độ dài dữ liệu 8 7 Data Độ dài dữ liệu biến thiên 0-256 8 Parity bit Bit chẵn lẻ thể hiện mã lỗi hệ thống 1 9 Acknowledgment Trả lời cho việc kiểm tra xem dữ liệu đƣợc gửi là chính xác 1 3.2.7. Kiểm tra và chẩn đoán AVC_LAN - Đối với những mẫu xe có AVC-LAN và BEAN, chỉ xử lý sự cố của AVC_LAN sau khi xác nhận rằng BEAN hoạt động bình thƣờng. - Bắt đầu chế độ chẩn đoán (đối với loại có màn hình hiển thị) Hình 3.17. Bắt đầu chế độ chẩn đoán của AVC-LAN - Chế độ kiểm tra Hình 3.18. Chế độ kiểm tra của AVC-LAN - Kết quả kiểm tra: 50 Bảng 3.3. Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra các mã lỗi của AVC-LAN - Hiển thị màn hình thông tin mạng LAN - Kết quả chẩn đoán của LAN monitor Bảng 3.4. Bảng tổng hợp kết quả chẩn đoán của AVC-LAN monitor 51 - LAN monitor (cửa sổ riêng) Hình 3.19. Màn hình hiển thị LAN monitor 3.3. Giao thức CAN CAN (Controller Area Network) là một chuẩn giao tiếp quốc tế, đƣợc phát minh đầu tiên bởi hãng Bosch năm 1986. CAN phục vụ cho việc nối mạng trong các phƣơng tiện giao thông cơ giới để thay thế cách nối cổ điển trƣớc đó. Hình 3.20. Mạng CAN- dây và tín hiệu mạng CAN 52 Hình 3.21. Một số ứng dụng mạng CAN Hình 3.22. Kiểm tra tín hiệu mạng CAN 53 3.3.1. Chuẩn giao thức Hình 3.23. Giao thức kết nối của CAN CAN sử dụng chuẩn giao thức dạng bus. Trong đó có 2 đƣờng bus dữ liệu chính là CAN HI (CAN tốc độ truyền dữ liệu cao 500 Kilobits /s) và CAN LOW (CAN tốc độ truyền dữ liệu thấp 125 - 250 Kilobits /s). Hai bus dữ liệu chính này dùng để kết nối các cụm chi tiết theo từng nhánh mạng, mỗi nhánh mạng bao gồm ECU và cảm biến. CAN HI và CAN LOW tạo thành 2 dây cáp xoắn vào nhau để chống nhiễu sóng radio, tia lửa bugi, sóng điện thoại di động và các cuộn dây từ trƣờng: Hình 3.24. Điện áp CAN HI và CAN LOW 3.3.2. Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn CAN thực chất chỉ là chuẩn giao thức từ phần trên của lớp vật lý cho tới hết lớp liên kết dữ liệu, vì vậy không quy định cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng nhƣ môi trƣờng truyền thông. Thực tế cáp đôi dây xoắn kết hợp với chuẩn RS-485 cũng nhƣ cáp quang đƣợc sử dụng rộng rãi. Đối với cáp đôi dây xoắn, cấu trúc mạng thích hợp nhất là cấu trúc đƣờng thẳng, mắc theo kiểu đƣờng trục đƣờng nhánh, trong đó chiều dài đƣờng nhánh hạn chế dƣới 0.3m. Tốc độ truyền có thể lựa chọn ở nhiều mức khác nhau, tuy nhiên phải thống nhất và cố định trong toàn bộ mạng. Do có sự ràng buộc giữa tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn trong 54 phƣơng pháp truy nhập bus CSMA/CA. Tốc độ truyền tối đa là 1Mbit/s ở khoảng cách 40m và 50 kbit/s ở khoảng cách 1000m. Số trạm phụ thuộc nhiều vào cấu trúc mạng, cáp truyền và đặc tính điện học của các bộ thu phát thông thƣờng hạn chế ở con số 64 đối với cấu trúc đƣờng thẳng và sử dụng cáp đôi dây xoắn. CAN phân biệt hai trạng thái logic của tín hiệu là mức trội (dominant) và mức lặn (recessive), tuy nhiên không quy định rõ giá trị bít nào ứng với mức tín hiệu nào. Trong trƣờng hợp cả bít trội và bít lặn đƣợc phát đồng thời thì bít trội sẽ lấn át tín hiệu trên bus sẽ có mức trội. Trong thực tế nếu sử dụng mạch AND thì mức trội tƣơng ứng với bít 0 và mức lặn tƣơng ứng với bít 1. 3.3.3. Cơ chế giao tiếp Đặc trƣng của CAN là phƣơng pháp định địa chỉ và giao tiếp hƣớng đối tƣợng, trong khi hầu hết các hệ thống bus trƣờng khác đều giao tiếp dựa vào địa chỉ các trạm. Mỗi thông tin trao đổi trong mạng đƣợc coi nhƣ một đối tƣợng, đƣợc gán một số mã căn cƣớc. Thông tin đƣợc gửi đi trên bus theo kiểu truyền thông báo với độ dài có thể khác nhau. Các thông báo không đƣợc gửi tới một địa chỉ nhất định mà bất cứ trạm nào cũng có thể nhận theo nhu cầu. Nội dung mỗi thông báo đƣợc các trạm phân biệt qua một mã căn cƣớc (IDENTIFIER). Mã căn cƣớc không nói lên địa chỉ đích của thông báo, mà chỉ biểu diễn ý nghĩa của dữ liệu trong thông báo. Vì thế, mỗi trạm trên mạng có thể tự quyết định tiếp nhận và xử lý thông báo hay không tiếp nhận thông báo qua phƣơng thức lọc thông báo (message filtering). Cũng nhờ sử dụng phƣơng thức lọc thông báo, nhiều trạm có thể đồng thời cùng nhận một thông báo và có các phản ứng khác nhau. Một trạm có thể yêu cầu một trạm khác gửi dữ liệu bằng cách gửi một khung REMOTE FRAME. Trạm có khả năng cung cấp nội dung thông tin đó sẽ gửi trả lại một khung dữ liệu DATA FRAME có cùng mã căn cƣớc với khung yêu cầu. Cùng với tính năng đơn giản, cơ chế giao tiếp hƣớng đối tƣợng ở CAN còn mang lại tính linh hoạt và tính nhất quán dữ liệu của hệ thống. Một trạm CAN không cần biết thông tin cấu hình hệ thống (ví dụ địa chỉ trạm). Nên việc bổ xung hay bỏ đi một trạm trong mạng không đòi hỏi bất cứ một sự thay đổi nào về phần cứng hay phần mềm ở các trạm khác. Trong mạng CAN, có thể chắc chắn rằng một thông báo hoặc đƣợc tất cả các trạm quan tâm tiếp nhận đồng thời, hoặc không đƣợc trạm nào tiếp nhận. Tính nhất quán dữ liệu đƣợc đảm bảo qua các phƣơng pháp gửi đồng loạt và xử lý lỗi. 3.3.4. Cấu trúc bức điện CAN sử dụng phƣơng thức định địa chỉ theo đối tƣợng. Các đối tƣợng đƣợc hiểu ở đây chính là đại diện cho các thông báo mang dữ liệu quan tâm nhƣ giá trị đo, giá trị điều khiển, thông tin trạng thái. Mỗi đối tƣợng thông báo có một tên riêng biệt, hay nói cách khác là là một căn cƣớc (IDENTIFIER) đƣợc sử dụng để truy cập trên bus. Mỗi bức điện sẽ có một ô chứa căn cƣớc 55 của đối tƣợng với chiều dài 11 bít (dạng khung chuẩn theo CAN2.0A) hoặc 29 bít (khung mở rộng CAN2.0B). CAN định nghĩa 4 kiểu bức điện sau: - Khung dữ liệu (DATA FRAME) mang dữ liệu từ một trạm truyền tới các trạm nhận. - Khung yêu cầu dữ liệu (REMOTE FRAME) đƣợc gửi từ một trạm yêu cầu truyền khung dữ liệu với cùng mã căn cƣớc. - Khung lỗi (ERROR FRAME) đƣợc gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi bus. - Khung quá tải (OVERLOAD FRAME) đƣợc sử dụng nhằm tạo một khoảng cách thời gian bổ sung giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu trong trƣờng hợp một trạm bị quá tải Các khung dữ liệu và yêu cầu dữ liệu có thể sử dụng ở cả dạng khung chuẩn và dạng khung mở rộng. Giữa hai khung dữ liệu hoặc yêu cầu dữ liệu cần một khoảng cách ít nhất là 3 bít lặn để phân biệt đƣợc gọi là INTERFRAME SPACE. Trong trƣờng hợp quá tải khoảng cách này sẽ lớn hơn bình thƣờng. Khung dữ liệu/Yêu cầu dữ liệu: Mỗi khung dữ liệu có thể mang từ 0 đến 8 byte dữ liệu sử dụng. Chuẩn CAN không quy định giao thức và các dịch vụ trên lớp 2, do đó việc diễn giải vùng dữ liệu này nhƣ thế nào thuộc toàn quyền ngƣời sử dụng. Các bức điện nhỏ có thể không thích hợp với một số lĩnh vực ứng dụng nhất định, nhƣng tạo lợi thế về tính năng thời gian thực. Cụ thể, tình trạng một thành viên chiếm giữ bus trong một thời gian dài nhờ vậy sẽ không xảy ra. Hình 3.25. Cấu trúc khung dữ liệu ở CAN Khung yêu cầu dữ liệu cũng có cấu trúc tƣơng tự nhƣ khung dữ liệu, nhƣng không mang dữ liệu và khác với khung dữ liệu ở bít cuối của ô phân xử. - Khởi đầu khung là một bít trội và đánh dấu khởi đầu của một khung dữ liệu hoặc khung yêu cầu dữ liệu. Tất cả các trạm sẽ phải đồng bộ hóa dựa vào bít khởi đầu này. 56 - Ô phân xử đƣợc sử dụng là mức ƣu tiên của bức điện. Quyết định quyền truy nhập bus khi có nhiều thông báo đƣợc gửi đi đồng thời. Ô phân xử có chiều dài 12 bít đối với dạng khung chuẩn và 32 bít đối với dạng khung mở rộng trong đó mã căn cƣớc dài 11 bít hoặc 29 bít. Bít cuối cùng của ô phân xử đƣợc gọi là bít RTR (Remote Transmission Request), dùng để phân biệt giữa khung dữ liệu (bít trội) và khung yêu cầu dữ liệu (bít lặn). - Ô điều khiển chiều dài 6 bít, trong đó 4 bít cuối mã hóa chiều dài dữ liệu (bít trội bằng 0 bít lặn bằng 1). Tùy theo dạng khung chuẩn hay mở rộng mà ý nghĩa của hai bít còn lại khác nhau một chút. - Ô dữ liệu có chiều dài từ 0 đến 8 byte, trong đó mỗi byte đƣợc truyền đi theo thứ tự từ bít có giá trị cao nhất (MSB) đến bít có giá trị thấp nhất (LSB). - Ô kiểm soát lỗi CRC bao gồm 15 bít đƣợc tính theo phƣơng pháp CRC và một bít l ặn phân cách. Dãy bít đầu vào để tính bao gồm bít khởi đầu khung, ô phân xử, ô điều khiển và ô dữ liệu, với đa thức phát - Ô xác nhận ACK (Acknowlegment) gồm 2 bít đƣợc phát đi là các bít lặn. Mỗi trạm nhận đƣợc bức điện phải kiểm tra mã CRC. Nếu đúng sẽ phát chồng một bít trội trong thời gian nhận đƣợc bít ARC đầu tiên (ARC slot). Nhƣ vậy, một bức điện đƣợc truyền chính xác sẽ có một bít ARC trội nằm giữa hai bít lặn phân cách (một bít phân cách CRC và một bít phân cách ARC). - Kết thúc chung đƣợc đánh dấu bằng 7 bít lặn. Khung lỗi: Một khung lỗi đƣợc gửi từ bất kỳ trạm nào phát hiện lỗi trên bus. Khung lỗi bào gồm cờ lỗi (Error Flag) và phân cách lỗi (Error Delimiter). CAN phân biệt hai loại lỗi là lỗi chủ động (Active Error) và lỗi bị động (Passive Error). Tƣơng ứng với chúng là hai dạng cờ lỗi: Hình 3.26. Cấu trúc khung lỗi ở CAN - Dạng cờ lỗi chủ động bao gồm 6 bít trội liền nhau. 57 - Dạng cờ lỗi bị động bao gồm 6 bít lặn liền nhau, trừ trƣờng hợp nó bị ghi đè lên bởi các bít trội từ trạm khác. Một trạm lỗi chủ động khi phát hiện lỗi sẽ báo hiệu bằng cách gửi một cờ lỗi chủ động. Cờ lỗi chủ động vi phạm luật nhồi bít hoặc phá bỏ dạng cố định của ô ACK hay ô kết thúc khung. Chính vì vậy, tất cả các trạm khác cũng phát hiện ra lỗi và bắt đầu gửi cờ lỗi. Cuối cùng, dãy bít trội quan sát đƣợc trên bus thực tế là kết quả của sự xếp chồng nhiều cờ lỗi khác nhau phát riêng từ các trạm. Tổng chiều dài của dãy này dao động trong khoảng từ 6 đến 12 bít. Phân cách lỗi đƣợc đánh dấu bằng 8 bít lặn liên tục. Sau khi gửi xong một cờ lỗi, mỗi trạm ph