Các giao thức truyền thông có dây trong công nghiệp điện tử và điều khiển
Giao thức truyền thông được coi là xương sống của hệ thống tự động hóa trong công nghiệp điện tử. Hãy cùng Alphavina tìm hiểu về những chuẩn giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến nhất qua bài viết dưới đây.
Giao thức truyền thông là gì?
Giao thức truyền thông (Communication Protocol) là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong giao tiếp giữa hai hoặc nhiều thiết bị. Ngành công nghiệp điện tử và điều khiển phát triển mạnh mẽ, các số lượng thiết bị tự động hóa ngày càng nhiều hơn đòi hỏi các giao thức truyền thông đáng tin cậy để đảm bảo tính toàn vẹn, chính xác của tín hiệu kỹ thuật số đầu cuối.
Các giao thức truyền thông rất đa dạng, có thể phân thành 2 nhóm chính có dây và không dây. Giao thức truyền thông có thể sử dụng trong nội bộ hệ thống hoặc giao tiếp với bên ngoài. Mỗi giao thức có những ưu điểm, nhược điểm riêng và được ứng dụng khác nhau. Sau đây Alphavina sẽ giới thiệu những giao thức có dây phổ biến trong công nghiệp điện tử và điều khiển.
- UART là một chuẩn nối tiếp không đồng bộ, còn SPI và I2C là 2 chuẩn nối tiếp đồng bộ, nên chúng có đường clock còn UART thì không.
- SPI hỗ trợ tốc độ truyền lớn nhất, và các kết nối của nó cũng là phức tạp nhất.
- UART có thể truyền đi với khoảng cách khá ok, trong khi SPI và I2C chỉ truyền trên bo mạch.
- UART là giao tiếp 1 vs 1, SPI và I2C hoạt động theo cơ chế master – slave. Với SPI thì có thể có nhiều slave, mỗi slave tốn một chân chọn chip. Trong khi I2C có thể có nhiều master và nhiều slave, do cơ chế định địa chỉ nên nó không cần tốn thêm dây như SPI nếu số slave tăng.
Giao thức truyền thông nội bộ
I2C (Inter-integrated-circuit )
I2C là giao thức truyền thông để truyền dữ liệu giữa một bộ xử lý trung tâm với nhiều IC trên cùng một board mạch, sử dụng hai đường dây để truyền tính hiệu. Giao thức này chỉ cần hai đường dây chung để điều khiển bất cứ thiết bị/IC nào nên rất đơn giản, được sử dụng rộng rãi cho giao tiếp giữa vi điều khiển và mảng cảm biến, các thiết bị IoT, thiết bị hiển thị… Tốc độ truyền dữ liệu có thể được điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết. Mạng I2C còn dễ dàng mở rộng để kết nối với các thiết bị mới.
Nó là một giao thức truyền thông nối tiếp tương tự như UART. Tuy nhiên, nó không được sử dụng để giao tiếp với thiết bị PC mà thay vào đó là các mô-đun và cảm biến.
Nó là một bus nối tiếp đồng bộ hai dây đơn giản, hai chiều và chỉ yêu cầu hai dây để truyền thông tin giữa các thiết bị được kết nối với bus.
Chúng rất hữu ích cho các dự án yêu cầu nhiều thành phần khác nhau hoạt động cùng nhau vì chúng có thể kết nối tối đa 128 thiết bị với bo mạch chính trong khi vẫn duy trì đường truyền thông thôn suốt.
Điều này là do I2C sử dụng hệ thống địa chỉ và bus dùng chung = nhiều thiết bị khác nhau có thể được kết nối bằng cùng một đường truyền và tất cả dữ liệu được truyền trên một dây.
Tốc độ của I2C cũng phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu, chất lượng dây và nhiễu bên ngoài và sẽ chậm hơn SPI.
SPI (Serial Peripheral Interface)
SPI là giao thức truyền thông phổ biến có thể truyền dữ liệu mà không bị gián đoạn. Bất cứ số lượng bit nào cũng có thể được gửi hoặc nhận trong một luồng liên tục. Tốc độ truyền dữ liệu cao, độ bảo mật tốt, phần cứng đơn giản với chi phí tương đối thấp. SPI thường được dùng để giao tiếp vi xử lý hoặc vi điều khiển với các loại bộ nhớ (thẻ SD, MMC, EEPROM, Flash), bộ chuyển đổi (ADC, DAC), thiết bị hiển thị, các loại cảm biến (nhiệt độ, áp suất).
SPI sử dụng kết nối 4 chân giao tiếp, bao gồm SCLK (Xung đồng hồ), MOSI (Master Data Output, Slave Data Input), MISO (master data input, slave data output), SS (Slave selec).
Hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn, nơi dữ liệu có thể được gửi và nhận đồng thời.
Hoạt động ở tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, từ 8Mbps
Không có giới hạn về số lượng thiết bị SPI có thể được kết nối. Tuy nhiên, có những giới hạn thực tế do số lượng dòng chọn phần cứng có sẵn.
Ưu điểm của SPI: Đây là giao thức nhanh nhất so với UART và I2C. Không có bit bắt đầu và dừng không giống như UART, có nghĩa là dữ liệu có thể được truyền liên tục mà không bị gián đoạn, các dòng MISO và MOSI riêng biệt có nghĩa là dữ liệu có thể được truyền và nhận cùng một lúc.
Nhược điểm của việc sử dụng SPI: Sử dụng nhiều chân để giao tiếp, không có điều khiển luồng nào được chỉ định và không có cơ chế xác nhận liệu dữ liệu có được nhận không giống như I2C. Không có hình thức kiểm tra lỗi nào giống như trong UART (sử dụng bit chẵn lẻ) và chỉ có duy nhất một Master
Giao thức truyền thông với bên ngoài
Ethernet
Ethernet là một giao thức truyền thông dùng để kết nối các mạng LAN cục bộ cho phép các thiết bị có thể giao tiếp với nhau thông qua một giao thức. Giao thức này là một bộ quy tắc hoặc ngôn ngữ mạng chung. Ethernet cho thấy các thiết bị mạng có thể định dạng và truyền các gói dữ liệu như thế nào để các thiết bị khác trong cùng phân khúc mạng cục bộ có thể phát hiện, nhận và xử lý các gói dữ liệu đó.
Ethernet sử dụng cáp vật lý để truyền dữ liệu qua nên thường ít bị gián đoạn hơn, mức độ bảo mật và kiểm soát mạng tốt hơn so với công nghệ mạng LAN không dây. Vì vậy Ethernet có đối tượng rất đa dạng, từ game thủ, doanh nhân, trường học, bệnh viện…
Chuẩn Ethernet được thông qua lần đầu năm 1983 và liên tục phát triển cho tốc độ truyền và khả năng thay đổi nội dung khung tốt hơn. Thông lượng ban đầu của Ethernet chỉ khoảng 10 Mbps, sau đó đã tăng gấp 10 lần lên 100 Mbps. Hiện nay các phiên bản hiện tại của Ethernet có thể hỗ trợ hoạt động với thông lượng 400 Gbps.
Ethernet trở nên phổ biến bởi nhiều ưu điểm:
- Chi phí tương đối thấp
- Chất lượng truyền dữ liệu tốt
- Tốc độ truyền dữ liệu cao
- Khả năng tương thích ngược
- Độ bảo mật dữ liệu cao, rất đáng tin cậy
Tuy nhiên Ethernet cũng có một số nhược điểm như chỉ dùng cho các mạng nhỏ với khoảng cách ngắn vì cáp dài hơn có thể tạo ra nhiễu xuyên âm. Đối với các doanh nghiệp lớn thì hệ thống sẽ cần thêm nhiều thiết bị nâng cao gây tốn kém chi phí lắp đặt.
RS-232
RS là viết tắt của Recommended Standard (tiêu chuẩn khuyến nghị) được ban hành bởi Hiệp hội các ngành công nghiệp điện tử (EIA). RS-232 là giao thức truyền thống theo phương thức nối tiếp, thường được sử dụng trong các Serial Port của máy tính. Giao tiếp nối tiếp chậm hơn giao tiếp song song, tuy nhiên chi phí thấp hơn nên vẫn được sử dụng phổ biến để truyền dữ liệu.
Ưu điểm của giao thức RS-232:
- Chi phí thấp, được sử dụng phổ biến
- Phương thức giao tiếp đơn giản, tương thích nhiều thiết bị
- Tốc độ truyền tương đối nhanh, khả năng chống nhiễu tốt
- Có thể cấp nguồn cho thiết bị qua cổng RS-232
- Tháo lắp dễ dàng
Nhược điểm của RS-232
- Tốc độ truyền dữ liệu khá chậm so với các công nghệ đang được sử dụng hiện nay, ở mức 20 kb/s
- Không sử dụng được với khoảng cách xa do chiều dài cáp tối đa chỉ 15m. Nếu dây dài hơn gây ra hiện tượng điện trở dây và sụt điện áp.
RS-485
RS-485 là giao thức truyền thông theo phương thức nối tiếp. RS-485 cho phép kết nối và truyền dữ liệu cùng lúc với tối đa 32 cặp thu phát trên đường truyền. Tốc độ truyền dữ liệu của RS-485 phụ thuộc và tỷ lệ với khoảng cách truyền. Với đường truyền có chiều dài 40 feet (12m) thì tốc độ truyền tối đa là 10 Mbits/s, 400 feet (122m) thì tốc độ tối đa là 1 Mbits/s, khoảng cách tối đa 4000 Feets (1219m) thì tốc độ là 100 kbits/s.
Ưu điểm của RS-485 là có thể kết nối, giao tiếp cùng lúc nhiều thiết bị trên cùng một hệ thống mạng. Hai dây tín hiệu cho phép truyền nhanh hơn với khoảng cách xa hơn. Tuy nhiên nều cùng lúc truyền nhiều thiết bị trên cùng một dây thì thời gian đáp ứng sẽ chậm, và các thiết bị phải kết nối chung chuẩn RS485. RS-485 có thể tăng tốc độ và khoảng cách truyền thông với độ bảo mật cao, chi phí tương thấp nên được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa sản xuất hoặc hệ thống máy tính điều khiển từ xa.
UART (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter)
UART là mạch tích hợp có chức năng truyền dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Đây là một trong những giao thức truyền thông được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp từ trước đến nay. UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển có yêu cầu chính xác cao và trong các thiết bị liên lạc như giao tiếp không dây Wifi, module Bluetooth, thiết bị GPS và nhiều ứng dụng khác. UART chỉ sử dụng hai dây và có thể mở rộng gói dữ liệu tùy theo nhu cầu.
UART hỗ trợ truyền dữ liệu hai chiều, không đồng bộ và nối tiếp.
Nó có hai đường dữ liệu, một để truyền (TX) và một để nhận (RX), được sử dụng để giao tiếp thông qua chân kỹ thuật số 0, chân kỹ thuật số 1.
UART cũng có thể xử lý các vấn đề quản lý đồng bộ hóa giữa máy tính và thiết bị nối tiếp bên ngoài.
Nó có thể hoạt động giữa các thiết bị theo 3 cách:
Simplex = truyền dữ liệu đơn hướng
Bán song công = truyền dữ liệu theo một trong hai hướng nhưng không đồng thời
Full-duplex = truyền dữ liệu đồng thời theo cả hai hướng
UART không có tín hiệu đồng hồ nên phải thêm các bit bắt đầu và kết thúc đang được truyền để biểu thị điểm bắt đầu và kết thúc của một thông báo giúp UART nhận biết khi nào bắt đầu và dừng đọc bit.
Tốc độ truyền dữ liệu UART được gọi là Tốc độ BAUD và được đặt thành 115.200 theo mặc định (Tốc độ BAUD dựa trên tốc độ truyền biểu tượng, nhưng tương tự như tốc độ bit). Cả hai UART phải hoạt động ở cùng tốc độ truyền. Nếu chênh lệch tốc độ BAUD lớn hơn 10%có thể khiến dữ liệu không truyền được.
Sau khi lấy dữ liệu từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm bit bắt đầu, bit chẵn lẻ và bit dừng để tạo gói dữ liệu. Gói dữ liệu sau đó được truyền ở chân TX nơi UART nhận sẽ đọc gói dữ liệu ở chân RX của nó. Dữ liệu được gửi cho đến khi không còn dữ liệu trong UART đang truyền.
Ưu điểm của việc sử dụng UART: Thao tác đơn giản, có nhiều tài liệu để tiếp cận dễ dàng, Không cần xung đồng hồ và có Bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi.
Nhược điểm của việc sử dụng UART: Kích thước của khung dữ liệu chỉ giới hạn ở 9 bits, không thể sử dụng nhiều Master và Slave, Tốc độ truyền của UART phải nằm trong phạm vi 10% của nhau để tránh mất dữ liệu và Tốc độ truyền dữ liệu thấp.
USB (Universal Serial Bus)
USB là một chuẩn kết nối có dây trong máy tính. Mục đích của USB là kết nối các thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy nghe nhạc, máy ảnh, các thiết bị công nghiệp như remote I/O, bộ thu thập dữ liệu…) với máy tính. USB có nhiều loại: Type A, Type B, Type C, micro USB, mini USB, micro B.
Trên đây là những thông tin cơ bản về các giao thức truyền thông có dây phổ biến trong công nghiệp điện tử và điều khiển. Nếu cần tư vấn, giải đáp thêm, hãy liên hệ với Alphavina để được hỗ trợ chu đáo.
Thông tin liên hệ:
CÔNG TY CỔ PHẦN THIẾT BỊ ALPHA VIỆT NAM
Địa chỉ: Số 01-LK31, TDP Quang Minh, Phường Dương Nội, Quận Hà Đông, Thành phố Hà Nội
Văn phòng giao dịch: Số 9, Tổ Dân Phố Chợ, Phường Đại Mỗ, Quận Nam Từ Liêm, Thành phố Hà Nội
Số điện thoại: 0929640863
Tel:(+84)2438399555
Email: info@alphavina.com
