Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp - Hoàng Minh Sơn

Nội dung text: Bài giảng Mạng truyền thông công nghiệp - Hoàng Minh Sơn

1. MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP PGS.TS Hoàng Minh Sơn Bộ môn Điều khiển tự động Khoa Điện - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. i MỤC LỤC Chương 1: Mở đầu 1 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì? 1 1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp 3 1.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN 4 1.4 Tài liệu tham khảo 6 Chương 2: Cơ sở kỹ thuật 7 2.1 Các khái niệm cơ bản 7 2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu 7 2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu 9 2.2 Chế độ truyền tải 12 2.2.1 Truyền bit song song và truyền bit nối tiếp 12 2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ 12 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều 13 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng 14 2.3 Cấu trúc mạng - Topology 16 2.3.1 Cấu trúc bus 16 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) 17 2.3.3 Cấu trúc hình sao 19 2.3.4 Cấu trúc cây 20 2.4 Truy nhập bus 21 2.4.1 Đặt vấn đề 21 2.4.2 Chủ/tớ (Master/Slave) 23 2.4.3 TDMA 24 2.4.4 Token Passing 25 2.4.5 CSMA/CD 26 2.4.6 CSMA/CA 28 2.5 Bảo toàn dữ liệu 31 2.5.1 Đặt vấn đề 31 2.5.2 Bit chẵn lẻ (Parity bit) 33 2.5.3 Bit chẵn lẻ 2 chiều 34 2.5.4 CRC 36 2.5.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) 38 2.6 Mã hóa bit 40 2.6.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit 40 2.6.2 NRZ, RZ 41 2.6.3 Mã Manchester 42
3. ii 2.6.4 AFP 42 2.6.5 FSK 43 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 44 2.7.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu 45 2.7.2 RS-232 47 2.7.3 RS-422 50 2.7.4 RS-485 51 2.7.5 MBP (IEC 1158-2) 57 2.8 Kiến trúc giao thức 59 2.8.1 Dịch vụ truyền thông 59 2.8.2 Giao thức 59 2.8.3 Mô hình lớp 62 2.8.4 Kiến trúc giao thức OSI 63 2.8.5 Kiến trúc giao thức TCP/IP 70 2.9 Tài liệu tham khảo 73 Chương 3: Các thành phần hệ thống mạng 74 3.1 Phương tiện truyền dẫn 74 3.1.1 Đôi dây xoắn 75 3.1.2 Cáp đồng trục 77 3.1.3 Cáp quang 78 3.1.4 Vô tuyến 80 3.2 Giao diện mạng 82 3.2.1 Cấu trúc giao diện mạng 82 3.2.2 Ghép nối PLC 84 3.2.3 Ghép nối PC 85 3.2.4 Ghép nối vào/ra phân tán 87 3.2.5 Ghép nối các thiết bị trường 88 3.3 Phần mềm trong hệ thống mạng 90 3.3.1 Phần mềm giao thức 90 3.3.2 Phần mềm giao diện lập trình ứng dụng 91 3.4 Thiết bị liên kết mạng 93 3.4.1 Bộ lặp 93 3.4.2 Cầu nối 94 3.4.3 Router 95 3.4.4 Gateway 96 3.5 Các linh kiện mạng khác 98 3.6 Tài liệu tham khảo 100 Chương 4: Các hệ thống bus tiêu biểu 101 4.1 PROFIBUS 101 4.1.1 Kiến trúc giao thức 102
4. iii 4.1.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 103 4.1.3 Truy nhập bus 105 4.1.4 Dịch vụ truyền dữ liệu 105 4.1.5 Cấu trúc bức điện 107 4.1.6 PROFIBUS-FMS 109 4.1.7 PROFIBUS-DP 111 4.1.8 PROFIBUS-PA 117 4.1.9 Tài liệu tham khảo 119 4.2 Modbus 120 4.2.1 Cơ chế giao tiếp 120 4.2.2 Chế độ truyền 122 4.2.3 Cấu trúc bức điện 123 4.2.4 Bảo toàn dữ liệu 125 4.2.5 Tài liệu tham khảo 126 4.3 Foundation Fieldbus 127 4.3.1 Kiến trúc giao thức 127 4.3.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 128 4.3.3 Cơ chế giao tiếp 130 4.3.4 Cấu trúc bức điện 132 4.3.5 Dịch vụ giao tiếp 132 4.3.6 Khối chức năng ứng dụng 134 4.3.7 Tài liệu tham khảo 136 4.4 Ethernet 137 4.4.1 Kiến trúc giao thức 137 4.4.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 138 4.4.3 Cơ chế giao tiếp 140 4.4.4 Cấu trúc bức điện 140 4.4.5 Truy nhập bus 141 4.4.6 Hiệu suất đường truyền và tính năng thời gian thực 142 4.4.7 Mạng LAN 802.3 chuyển mạch 142 4.4.8 Fast Ethernet 143 4.4.9 High Speed Ethernet 144 4.4.10 Industrial Ethernet 146 4.4.11 Tài liệu tham khảo 146 Chương 5: Thiết kế hệ thống mạng 147 5.1 Thiết kế hệ thống mạng 147 5.1.1 Phân tích yêu cầu 147 5.1.2 Các bước tiến hành 148 5.2 Đánh giá và lựa chọn giải pháp mạng 150 5.2.1 Đặc thù của cấp ứng dụng 150
5. iv 5.2.2 Đặc thù của lĩnh vực ứng dụng 151 5.2.3 Yêu cầu kỹ thuật chi tiết 152 5.2.4 Yêu cầu kinh tế 153
6. Chương1: Mở đầu 1 Chương 1: Mở đầu 1.1 Mạng truyền thông công nghiệp là gì? Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp (MCN) là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp. Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính điều khiển, thiết bị quan sát, máy tính điều khiển giám sát và các máy tính cấp điều hành xí nghiệp, quản lý công ty. Về cơ sở kỹ thuật, mạng công nghiệp và các hệ thống mạng viễn thông có rất nhiều điểm tương đồng, tuy nhiên cũng có những điểm khác biệt sau: • Mạng viễn thông có phạm vi địa lý và số lượng thành viên tham gia lớn hơn rất nhiều, nên các yêu cầu kỹ thuật (cấu trúc mạng, tốc độ truyền thông, tính năng thời gian thực, ) rất khác, cũng như các phương pháp truyền thông (truyền tải dải rộng/dải cơ sở, điều biến, dồn kênh, chuyển mạch, ) thường phức tạp hơn nhiều so với mạng công nghiệp. • Đối tượng của mạng viễn thông bao gồm cả con người và thiết bị kỹ thuật, trong đó con người đóng vai trò chủ yếu. Vì vậy các dạng thông tin cần trao đổi bao gồm cả tiếng nói, hình ảnh, văn bản và dữ liệu. Đối tượng của mạng công nghiệp thuần túy là các thiết bị công nghiệp, nên dạng thông tin được quan tâm duy nhất là dữ liệu. Các kỹ thuật và công nghệ được dùng trong mạng viễn thông rất phong phú, trong khi kỹ thuật truyền dữ liệu theo chế độ bit nối tiếp là đặc trưng của mạng công nghiệp. Mạng truyền thông công nghiệp thực chất là một dạng đặc biệt của mạng máy tính, có thể so sánh với mạng máy tính thông thường ở những điểm giống nhau và khác nhau như sau: • Kỹ thuật truyền thông số hay truyền dữ liệu là đặc trưng chung của cả hai lĩnh vực. • Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính sử dụng trong công nghiệp được coi là một phần (ở các cấp điều khiển giám sát, điều hành sản xuất và quản lý công ty) trong mô hình phân cấp của mạng công nghiệp. • Yêu cầu về tính năng thời gian thực, độ tin cậy và khả năng tương thích trong môi trường công nghiệp của mạng truyền thông công nghiệp cao hơn so với một Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
7. Chương1: Mở đầu 2 mạng máy tính thông thường, trong khi đó mạng máy tính thường đòi hỏi cao hơn về độ bảo mật. • Mạng máy tính có phạm vi trải rộng rất khác nhau, ví dụ có thể nhỏ như mạng LAN cho một nhóm vài máy tính, hoặc rất lớn như mạng Internet. Trong nhiều trường hợp, mạng máy tính gián tiếp sử dụng dịch vụ truyền dữ liệu của mạng viễn thông. Trong khi đó, cho đến nay các hệ thống mạng công nghiệp thường có tính chất độc lập, phạm vi hoạt động tương đối hẹp. Sự khác nhau trong phạm vi và mục đích sử dụng giữa các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp với các hệ thống mạng viễn thông và mạng máy tính dẫn đến sự khác nhau trong các yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế. Ví dụ, do yêu cầu kết nối nhiều nền máy tính khác nhau và cho nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, kiến trúc giao thức của các mạng máy tính phổ thông thường phức tạp hơn so với kiến trúc giao thức các mạng công nghiệp. Đối với các hệ thống truyền thông công nghiệp, đặc biệt là ở các cấp dưới thì các yêu cầu về tính năng thời gian thực, khả năng thực hiện đơn giản, giá thành hạ lại luôn được đặt ra hàng đầu. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
8. Chương1: Mở đầu 3 1.2 Vai trò của mạng truyền thông công nghiệp Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp, đặc biệt là bus trường để thay thế cách nối điểm-điểm cổ điển giữa các thiết bị công nghiệp mang lại hàng loạt những lợi ích như sau: • Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp: Một số lượng lớn các thiết bị thuộc các chủng loại khác nhau được ghép nối với nhau thông qua một đường truyền duy nhất. • Tiết kiệm dây nối và công thiết kế, lắp đặt hệ thống: Nhờ cấu trúc đơn giản, việc thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhiều. Một số lượng lớn cáp truyền được thay thế bằng một đường duy nhất, giảm chi phí đáng kể cho nguyên vật liệu và công lắp đặt. • Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin: Khi dùng phương pháp truyền tín hiệu tương tự cổ điển, tác động của nhiễu dễ làm thay đổi nội dung thông tin mà các thiết bị không có cách nào nhận biết. Nhờ kỹ thuật truyền thông số, không những thông tin truyền đi khó bị sai lệch hơn, mà các thiết bị nối mạng còn có thêm khả năng tự phát hiện lỗi và chẩn đoán lỗi nếu có. Hơn thế nữa, việc bỏ qua nhiều lần chuyển đổi qua lại tương tự-số và số-tương tự nâng cao độ chính xác của thông tin. • Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống: Một hệ thống mạng chuẩn hóa quốc tế tạo điều kiện cho việc sử dụng các thiết bị của nhiều hãng khác nhau. Việc thay thế thiết bị, nâng cấp và mở rộng phạm vi chức năng của hệ thống cũng dễ dàng hơn nhiều. Khả năng tương tác giữa các thành phần (phần cứng và phần mềm) được nâng cao nhờ các giao diện chuẩn. • Đơn giản hóa/tiện lợi hóa việc tham số hóa, chẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị : Với một đường truyền duy nhất, không những các thiết bị có thể trao đổi dữ liệu quá trình, mà còn có thể gửi cho nhau các dữ liệu tham số, dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảnh báo và dữ liệu chẩn đoán. Các thiết bị có thể tích hợp khả năng tự chẩn đoán, các trạm trong mạng cũng có thể có khả năng cảnh giới lẫn nhau. Việc cấu hình hệ thống, lập trình, tham số hóa, chỉnh định thiết bị và đưa vào vận hành có thể thực hiện từ xa qua một trạm kỹ thuật trung tâm. • Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống: Sử dụng mạng truyền thông công nghiệp cho phép áp dụng các kiến trúc điều khiển mới như điều khiển phân tán, điều khiển phân tán với các thiết bị trường, điều khiển giám sát hoặc chẩn đoán lỗi từ xa qua Internet, tích hợp thông tin của hệ thống điều khiển và giám sát với thông tin điều hành sản xuất và quản lý công ty. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
9. Chương1: Mở đầu 4 1.3 Phân loại và đặc trưng các hệ thống MCN Để sắp xếp, phân loại và phân tích đặc trưng các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp, ta dựa vào mô hình phân cấp quen thuộc cho các công ty, xí nghiệp sản xuất, như được minh họa trên Hình 1.1. Qu¶n lý c«ng ty M¹ng c«ng ty §iÒu hµnh s¶n xuÊt M¹ng xÝ nghiÖp §iÒu khiÓn gi¸m s¸t Bus hÖ thèng Bus qu¸ tr×nh §iÒu khiÓn Bus ®iÒu khiÓn Bus tr−êng Bus thiÕt bÞ ChÊp hµnh Bus c¶m biÕn/ chÊp hµnh Hình 1.1: Mô hình phân cấp chức năng công ty sản xuất công nghiệp Tương ứng với năm cấp chức năng là bốn cấp của hệ thống truyền thông. Từ cấp điều khiển giám sát trở xuống thuật ngữ “bus” thường được dùng thay cho “mạng”, với lý do phần lớn các hệ thống mạng phía dưới đều có cấu trúc vật lý hoặc logic kiểu bus (xem phần 2.5). Bus trường, bus thiết bị Bus trường (fieldbus) thực ra là một khái niệm chung được dùng trong các ngành công nghiệp chế biến để chỉ các hệ thống bus nối tiếp, sử dụng kỹ thuật truyền tin số để kết nối các thiết bị thuộc cấp điều khiển (PC, PLC) với nhau và với các thiết bị ở cấp chấp hành, hay các thiết bị trường. Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Các thiết bị có khả năng nối mạng là các vào/ra phân tán (distributed I/O), các thiết bị đo lường (sensor, transducer, transmitter) hoặc cơ cấu chấp hành (actuator, valve) có tích hợp khả năng xử lý truyền thông. Một số kiểu bus trường chỉ thích hợp nối mạng các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành với các bộ điều khiển, cũng được gọi là bus chấp hành/cảm biến. Trong công nghiệp chế tạo (tự động hóa dây chuyền sản xuất, gia công, lắp ráp) hoặc ở một số lĩnh vực ứng dụng khác như tự động hóa tòa nhà, sản xuất xe hơi, khái niệm bus thiết bị lại được sử dụng phổ biến. Có thể nói, bus thiết bị và bus trường có chức năng tương đương, nhưng do những đặc trưng riêng biệt của hai ngành công nghiệp, nên một số tính năng cũng khác nhau. Tuy nhiên, sự khác nhau này ngày càng trở nên không rõ rệt, khi mà phạm vi ứng dụng của cả hai loại đều được mở rộng và đan chéo sang nhau. Trong thực tế, người ta cũng dùng chung một khái niệm là bus trường. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
10. Chương1: Mở đầu 5 Do nhiệm vụ của bus trường là chuyển dữ liệu quá trình lên cấp điều khiển để xử lý và chuyển quyết định điều khiển xuống các cơ cấu chấp hành, vì vậy yêu cầu về tính năng thời gian thực được đặt lên hàng đầu. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong phạm vi từ 0,1 tới vài miligiây. Trong khi đó, yêu cầu về lượng thông tin trong một bức điện thường chỉ hạn chế trong khoảng một vài byte, vì vậy tốc độ truyền thông thường chỉ cần ở phạm vi Mbit/s hoặc thấp hơn. Việc trao đổi thông tin về các biến quá trình chủ yếu mang tính chất định kỳ, tuần hoàn, bên cạnh các thông tin tham số hóa hoặc cảnh báo có tính chất bất thường. Các hệ thống bus trường được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là PROFIBUS, ControlNet, INTERBUS, CAN, WorldFIP, P-NET, Modbus và gần đây phải kể tới Foundation Fieldbus. DeviceNet, AS-i, EIB và Bitbus là một vài hệ thống bus cảm biến/chấp hành tiêu biểu có thể nêu ra ở đây. Bus hệ thống, bus điều khiển Các hệ thống mạng công nghiệp được dùng để kết nối các máy tính điều khiển và các máy tính trên cấp điều khiển giám sát với nhau được gọi là bus hệ thống (system bus) hay bus quá trình (process bus). Khái niệm sau thường chỉ được dùng trong lĩnh vực điều khiển quá trình. Qua bus hệ thống mà các máy tính điều khiển có thể phối hợp hoạt động, cung cấp dữ liệu quá trình cho các trạm kỹ thuật và trạm quan sát (có thể gián tiếp thông qua hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu trên các trạm chủ) cũng như nhận mệnh lệnh, tham số điều khiển từ các trạm phía trên. Thông tin không những được trao đổi theo chiều dọc, mà còn theo chiều ngang. Các trạm kỹ thuật, trạm vận hành và các trạm chủ cũng trao đổi dữ liệu qua bus hệ thống. Ngoài ra các máy in báo cáo và lưu trữ dữ liệu cũng có thể được kết nối qua mạng này. Đối với bus hệ thống, tùy theo lĩnh vực ứng dụng mà đòi hỏi về tính năng thời gian thực có được đặt ra một cách ngặt nghèo hay không. Thời gian phản ứng tiêu biểu nằm trong khoảng một vài trăm miligiây, trong khi lưu lượng thông tin cần trao đổi lớn hơn nhiều so với bus trường. Tốc độ truyền thông tiêu biểu của bus hệ thống nằm trong phạm vi từ vài trăm kbit/s đến vài Mbit/s. Khi bus hệ thống được sử dụng chỉ để ghép nối theo chiều ngang giữa các máy tính điều khiển, người ta thường dùng khái niệm bus điều khiển. Vai trò của bus điều khiển là phục vụ trao đổi dữ liệu thời gian thực giữa các trạm điều khiển trong một hệ thống có cấu trúc phân tán. Bus điều khiển thông thường có tốc độ truyền không cao, nhưng yêu cầu về tính năng thời gian thực thường rất khắt khe. Do các yêu cầu về tốc độ truyền thông và khả năng kết nối dễ dàng nhiều loại máy tính, hầu hết các kiểu bus hệ thống thông dụng đều dựa trên nền Ethernet, ví dụ Industrial Ethernet, Fieldbus Foundation’s High Speed Ethernet (HSE), Ethernet/IP. Mạng xí nghiệp Mạng xí nghiệp thực ra là một mạng LAN bình thường, có chức năng kết nối các máy tính văn phòng thuộc cấp điều hành sản xuất với cấp điều khiển giám sát. Thông tin được đưa lên trên bao gồm trạng thái làm việc của các quá trình kỹ thuật, các giàn máy cũng như của hệ thống điều khiển tự động, các số liệu tính toán, thống kê về diễn biến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm. Thông tin theo chiều ngược lại là các Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
11. Chương1: Mở đầu 6 thông số thiết kế, công thức điều khiển và mệnh lệnh điều hành. Ngoài ra, thông tin cũng được trao đổi mạnh theo chiều ngang giữa các máy tính thuộc cấp điều hành sản xuất, ví dụ hỗ trợ kiểu làm việc theo nhóm, cộng tác trong dự án, sử dụng chung các tài nguyên nối mạng (máy in, máy chủ, ). Khác với các hệ thống bus cấp dưới, mạng xí nghiệp không yêu cầu nghiêm ngặt về tính năng thời gian thực. Việc trao đổi dữ liệu thường diễn ra không định kỳ, nhưng có khi với số lượng lớn tới hàng Mbyte. Hai loại mạng được dùng phổ biến cho mục đích này là Ethernet và Token-Ring, trên cơ sở các giao thức chuẩn như TCP/IP và IPX/SPX. Mạng công ty Mạng công ty nằm trên cùng trong mô hình phân cấp hệ thống truyền thông của một công ty sản xuất công nghiệp. Đặc trưng của mạng công ty gần với một mạng viễn thông hoặc một mạng máy tính diện rộng nhiều hơn trên các phương diện phạm vi và hình thức dịch vụ, phương pháp truyền thông và các yêu cầu về kỹ thuật. Chức năng của mạng công ty là kết nối các máy tính văn phòng của các xí nghiệp, cung cấp các dịch vụ trao đổi thông tin nội bộ và với các khách hàng như thư viện điện tử, thư điện tử, hội thảo từ xa qua điện thoại, hình ảnh, cung cấp dịch vụ truy cập Internet và thương mại điện tử, v.v Hình thức tổ chức ghép nối mạng, cũng như các công nghệ được áp dụng rất đa dạng, tùy thuộc vào đầu tư của công ty. Trong nhiều trường hợp, mạng công ty và mạng xí nghiệp được thực hiện bằng một hệ thống mạng duy nhất về mặt vật lý, nhưng chia thành nhiều phạm vi và nhóm mạng làm việc riêng biệt. Mạng công ty có vai trò như một đường cao tốc trong hệ thống hạ tầng cơ sở truyền thông của một công ty, vì vậy đòi hỏi về tốc độ truyền thông và độ an toàn, tin cậy đặc biệt cao. Fast Ethernet, FDDI, ATM là một vài ví dụ công nghệ tiên tiến được áp dụng ở đây trong hiện tại và tương lai. 1.4 Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Minh Sơn: Mạng truyền thông công nghiệp. Tái bản lần 2, Nhà xuất bản KH&KT, Hà Nội, 2004. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
12. 2.2 Chế độ truyền tải 7 Chương 2: Cơ sở kỹ thuật 2.1 Các khái niệm cơ bản 2.1.1 Thông tin, dữ liệu và tín hiệu Thông tin Thông tin là một trong những khái niệm cơ sở quan trọng nhất trong khoa học kỹ thuật, cũng giống như vật chất và năng lượng. Các đầu vào cũng như các đầu ra của một hệ thống kỹ thuật chỉ có thể là vật chất, năng lượng hoặc thông tin, như mô tả trên Hình 2.1. Một hệ thống xử lý thông tin hoặc một hệ thống truyền thông là một hệ thống kỹ thuật chỉ quan tâm tới các đầu vào và đầu ra là thông tin. Tuy nhiên, đa số các hệ thống kỹ thuật khác thường có các đầu vào và đầu ra hỗn hợp (vật chất, năng lượng và thông tin). vật chất vật chất năng lượng HỆ THỐNG KỸ THUẬT năng lượng thông tin thông tin Hình 2.1: Vai trò của thông tin trong các hệ thống kỹ thuật Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống. Ví dụ, một thông tin cho chúng ta biết một cách chính xác hay tương đối về nhiệt độ ngoài trời hay mực nước trong bể chứa. Thông tin giúp chúng ta phân biệt giữa các mặt của một vấn đề, giữa các trạng thái của một sự vật. Nói một cách khác, thông tin chính là sự loại trừ tính bất định. Trong khi vật chất và năng lượng là nền tảng của vật lý và hoá học, thì thông tin chính là chủ thể của tin học và công nghệ thông tin. Dữ liệu Thông tin là một đại lượng khá trừu tượng, vì vậy cần được biểu diễn dưới một hình thức khác. Khả năng biểu diễn thông tin rất đa dạng, ví dụ qua chữ viết, hình ảnh, cử chỉ, v.v Dạng biểu diễn thông tin phụ thuộc vào mục đích, tính chất của ứng dụng. Đặc biệt, thông tin có thể được mô tả, hay nói cách khác là được “số lượng hoá” bằng dữ liệu để có thể lưu trữ và xử lý trong máy tính. Trong trường hợp đó, ta cũng nói rằng thông tin được số hoá sử dụng hệ đếm nhị phân, hay mã hóa nhị phân. Nói trong ngữ cảnh cấu trúc một bức điện, dữ liệu chính là phần thông tin hữu ích được biểu diễn bằng dãy các bit {1,0}. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
13. 2.2 Chế độ truyền tải 8 Tín hiệu Việc trao đổi thông tin (giữa người và người, giữa người và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện được nhờ tín hiệu. Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lượng vật lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn được. Theo quan điểm toán học thì tín hiệu được coi là một hàm của thời gian. Trong các lĩnh vực kỹ thuật, các loại tín hiệu thường dùng là điện, quang, khí nén, thủy lực và âm thanh. Các tham số sau đây thường được dùng trực tiếp, gián tiếp hay kết hợp để biểu thị nội dung thông tin: • Biên độ (điện áp, dòng, ) • Tần số, nhịp xung, độ rộng của xung, sườn xung • Pha, vị trí xung Không phân biệt tính chất vật lý của tín hiệu (điện, quang, khí nén, ), ta có thể phân loại tín hiệu dựa theo tập hợp giá trị của tham số thông tin hoặc dựa theo diễn biến thời gian thành những dạng sau: • Tương tự: Tham số thông tin có thể có một giá trị bất kỳ trong một khoảng nào đó • Rời rạc: Tham số thông tin chỉ có thể có một số giá trị (rời rạc) nhất định. • Liên tục: Tín hiệu có ý nghĩa tại bất kỳ thời điểm nào trong một khoảng thời gian quan tâm. Nói theo ngôn ngữ toán học, một tín hiệu liên tục là một hàm liên tục của biến thời gian trong một khoảng xác định. • Gián đoạn: Tín hiệu chỉ có ý nghĩa tại những thời điểm nhất định. y a)y b) t t D¹ng tÝn hiÖu: t−¬ng tù, liªn tôc D¹ng tÝn hiÖu: t−¬ng tù, gi¸n ®o¹n Tham sè th«ng tin: Biªn ®é Tham sè th«ng tin: Biªn ®é xung y c)y d) t t D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c, liªn tôc D¹ng tÝn hiÖu: rêi r¹c (sè), gi¸n ®o¹n Tham sè th«ng tin: Biªn ®é Tham sè th«ng tin: TÇn sè xung Hình 2.2: Một số dạng tín hiệu thông dụng Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
14. 2.2 Chế độ truyền tải 9 Khi các giá trị tham số thông tin của một tín hiệu được biểu diễn bằng mã nhị phân, thì dạng tín hiệu đặc biệt này được gọi là tín hiệu số. Nói một cách khác, tín hiệu số dùng để truyền tải thông tin đã được dữ liệu hóa. Với tín hiệu số, ta chỉ cần phân biệt giữa hai trạng thái của tín hiệu ứng với các bit 0 và 1, vì vậy sẽ hạn chế được một cách hiệu quả sự sai lệch thông tin bởi sự tác động của nhiễu. 2.1.2 Truyền thông, truyền dữ liệu và truyền tín hiệu Mã hóa/Giải mã Hình 2.3 minh họa nguyên tắc cơ bản của truyền thông. Thông tin cần trao đổi giữa các đối tác được mã hóa trước khi được một hệ thống truyền dẫn tín hiệu chuyển tới phía bên kia. Trong thuật ngữ truyền thông, mã hóa chỉ 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 ít nhất thường bao gồm hai bước: mã hóa nguồn và mã hóa đường truyền. Trong quá trình mã hóa nguồn, dữ liệu mang thông tin thực dụng hay dữ liệu nguồn được bổ sung các thông tin phụ trợ cần thiết cho việc truyền dẫn, ví dụ địa chỉ bên gửi và bên nhận, kiểu dữ liệu, thông tin kiểm lỗi, v.v Dữ liệu trước khi gửi đi cũng có thể được phân chia thành nhiều gói dữ liệu bức điện để phù hợp với phương pháp truyền, nén lại để tăng hiệu suất đường truyền, hoặc mã hóa bảo mật. Như vậy, lượng thông tin chứa đựng trong một tín hiệu sẽ nhiều hơn lượng thông tin thực dụng cần truyền tải. Sau khi đã được mã hóa nguồn, mã hóa đường truyền là quá trình tạo tín hiệu tương ứng với các bit trong gói dữ liệu hay bức điện theo một phương pháp nhất định để phù hợp với đường truyền và kỹ thuật truyền. Hình 2.4 minh họa một ví dụ mã hóa đường truyền đơn giản, các bit 0 được thể hiện bằng mức điện áp cao và các bit 1 bằng mức điện áp thấp. §èi t¸c §èi t¸c truyÒn th«ng truyÒn th«ng M·hãa/ M· hãa/ HÖ thèng truyÒn dÉn tÝn hiÖu Gi¶i m· Gi¶i m· Hình 2.3: Nguyên tắc cơ bản của truyền thông Trong truyền thông công nghiệp, mã hóa đường truyền đồng nghĩa với mã hóa bit, bởi tín hiệu do khâu mã hóa từng bit tạo ra cũng chính là tín hiệu được truyền dẫn. Đối với các hệ thống truyền thông khác, quá trình mã hóa đường truyền có thể bao hàm việc điều biến tín hiệu và dồn kênh, cho phép truyền cùng một lúc nhiều nguồn thông tin và truyền tốc độ cao. Việc dồn kênh có thể thực hiện theo phương pháp phân chia tần số, phân chia thời gian hoặc phân chia mã. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
15. 2.2 Chế độ truyền tải 10 0 1 1 0101 0 Hình 2.4: Ví dụ mã hóa bít Quá trình ngược lại với mã hóa là giải mã, tức là chuyển đổi các tín hiệu nhận được thành dãy bit tương ứng và sau đó xử lý, loại bỏ các thông tin bổ sung để tái tạo thông tin nguồn. Tốc độ truyền và tốc độ bit Tốc độ truyền hay tốc độ bit được tính bằng số bit dữ liệu được truyền đi trong một giây, tính bằng bit/s hoặc bps ( bit per second). Nếu tần số nhịp được ký hiệu là f và số bit truyền đi trong một nhịp là n, số bit được truyền đi trong một giây sẽ là v = f*n. Như vậy, có hai cách để tăng tốc độ truyền tải là tăng tần số nhịp hoặc tăng số bit truyền đi trong một nhịp. Nếu mỗi nhịp chỉ có một bit duy nhất được chuyển đi thì v = f. Như vậy, chỉ đối với các phương pháp mã hóa bit sử dụng hai trạng tín hiệu, và trạng thái tín hiệu thay đổi luân phiên sau mỗi nhịp thì tốc độ bit mới tương đương với tốc độ baud, hay 1Baud tương đương với 1bit/s. Thời gian bit/Chu kỳ bit Trong việc phân tích, đánh giá tính năng thời gian của một hệ thống truyền thông thì thời gian bit là một giá trị hay được dùng. Thời gian bit hay chu kỳ bit được định nghĩa là thời gian trung bình cần thiết để chuyển một bit, hay chính bằng giá trị nghịch đảo của tốc độ truyền tải: TB = 1/v TB = 1/f, trường hợp n = 1 Thời gian lan truyền tín hiệu Thời gian lan truyền tín hiệu là thời gian cần để một tín hiệu phát ra từ một đầu dây lan truyền tới đầu dây khác, phụ thuộc vào chiều dài và cấu tạo dây dẫn. Tốc độ lan truyền tín hiệu chính là tốc độ truyền sóng điện từ. Tuy nhiên, trong môi trường kim loại hoặc sợi quang học, giá trị này sẽ nhỏ hơn tốc độ truyền sóng điện từ hay tốc độ ánh sáng trong môi trường chân không. Ta có: TS = l/(k*c), với TS là thời gian lan truyền tín hiệu, l là chiều dài dây dẫn, c là tốc độ ánh sáng trong chân không (300.000.000m/s) và k biểu thị hệ số giảm tốc độ truyền, được tính theo công thức: 1 k= , với ε là hằng số điện môi của lớp cách ly ε Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
16. 2.2 Chế độ truyền tải 11 Đối với các loại cáp có lớp bọc cách ly là Polyethylen với hằng số điện môi ε = 2.3, ta có hệ số k ≈ 0.67. Hệ số này cũng đúng với môi trường truyền là cáp quang và thường được dùng một cách tổng quát để tính toán giá trị tương đối của thời gian lan truyền tín hiệu trong nhiều phép đánh giá. Như vậy TS sẽ chỉ còn phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn: TS (giây) = l (mét)/200.000.000 Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
17. 2.2 Chế độ truyền tải 12 2.2 Chế độ truyền tải Chế độ truyền tải được hiểu là phương thức các bit dữ liệu được chuyển giữa các đối tác truyền thông. Nhìn nhận từ các góc độ khác nhau ta có thể phân biệt các chế độ truyền tải như sau: • Truyền bit song song hoặc truyền bit nối tiếp • Truyền đồng bộ hoặc không đồng bộ • Truyền một chiều hay đơn công (simplex), hai chiều toàn phần, hai chiều đồng thời hay song công (duplex, full-duplex) hoặc hai chiều gián đoạn hay bán song công (half-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 Phương pháp truyền bit song song (Hình 2.5a) được dùng phổ biến trong các bus nội bộ của máy tính như bus địa chỉ, bus dữ liệu và bus điều khiển. Tốc độ truyền tải phụ thuộc vào số các kênh dẫn, hay cũng chính là độ rộng của một bus song song, ví dụ 8 bit, 16 bit, 32 bit hay 64 bit. Chính vì nhiều bit được truyền đi đồng thời, vấn đề đồng bộ hóa tại nơi phát và nơi nhận tín hiệu phải được giải quyết. Điều này gây trở ngại lớn khi khoảng cách giữa các đối tác truyền thông tăng lên. Ngoài ra, giá thành cho các bus song song cũng là một yếu tố dẫn đến phạm vi ứng dụng của phương pháp truyền này chỉ hạn chế ở khoảng cách nhỏ, có yêu cầu rất cao về thời gian và tốc độ truyền. 1 0 0 1 10010101 0 1 0 1 (a) TruyÒn bit song song (b) TruyÒn bit nèi tiÕp Hình 2.5: Truyền bit song song (a) và truyền bit nối tiếp (b) Với phương pháp truyền bi nối tiếp, từng bit được chuyển đi một cách tuần tự qua một đường truyền duy nhất (Hình 2.5b). Tuy tốc độ bit vì thế bị hạn chế, nhưng cách thực hiện lại đơn giản, độ tin cậy của dữ liệu cao. Tất cả các mạng truyền thông công nghiệp đều sử dụng phương pháp truyền này. 2.2.2 Truyền đồng bộ và không đồng bộ Sự phân biệt giữa chế độ truyền đồng bộ và không đồng bộ chỉ liên quan tới phương thức truyền bit nối tiếp. Vấn đề đặt ra ở đây là việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
18. 2.2 Chế độ truyền tải 13 nhận dữ liệu, tức là vấn đề làm thế nào để bên nhận biết khi nào một tín hiệu trên đường truyền mang dữ liệu gửi và khi nào không. Trong chế độ truyền đồng bộ, các đối tác truyền thông làm việc theo cùng một nhịp, tức với cùng tần số và độ lệch pha cố định. Có thể qui định một trạm có vai trò tạo nhịp và dùng một đường dây riêng mang nhịp đồng bộ cho các trạm khác. Biện pháp kinh tế hơn là dùng một phương pháp mã hóa bit thích hợp để bên nhận có thể tái tạo nhịp đồng bộ từ chính tín hiệu mang dữ liệu. Nếu phương pháp mã hóa bit không cho phép như vậy, thì có thể dùng kỹ thuật đóng gói dữ liệu và bổ sung một dãy bit mang thông tin đồng bộ hóa vào phần đầu mỗi gói dữ liệu. Lưu ý rằng, bên gửi và bên nhận chỉ cần hoạt động đồng bộ trong khi trao đổi dữ liệu. Với chế độ truyền không đồng bộ, bên gửi và bên nhận không làm việc theo một nhịp chung. Dữ liệu trao đổi thường được chia thành từng nhóm 7 hoặc 8 bit, gọi là ký tự. Các ký tự được chuyển đi vào những 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 được thực hiện với từng ký tự. Ví dụ, các mạch UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmiter) thông dụng dùng bức điện 11 bit, bao gồm 8 bit ký tự, 2 bit khởi đầu cũng như kết thúc và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ. 2.2.3 Truyền một chiều và truyền hai chiều Tương tự như các đường giao thông, một đường truyền dữ liệu có khả năng hoặc làm việc dưới chế độ một chiều, hai chiều toàn phần hoặc hai chiều gián đoạn, như Hình 2.6 minh họa. Chế độ truyền này ít phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường truyền dẫn, mà phụ thuộc vào phương pháp truyền dẫn tín hiệu, chuẩn truyền dẫn (RS-232, RS-422, RS-485, ) và vào cấu hình của hệ thống truyền dẫn. Trong chế độ truyền một chiều, thông tin chỉ được chuyển đi theo một chiều, một trạm chỉ có thể đóng vai trò hoặc bên phát (transmitter) hoặc bên nhận thông tin (receiver) trong suốt quá trình giao tiếp. Có thể nêu một vài ví dụ trong kỹ thuật máy tính sử dụng chế độ truyền này như giao diện giữa bàn phím, chuột hoặc màn hình với máy tính. Các hệ thống phát thanh và truyền hình cũng là những ví dụ tiêu biểu. Hiển nhiên, chế độ truyền một chiều hầu như không có vai trò đối với mạng công nghiệp. Chế độ truyền hai chiều gián đoạn cho phép mỗi trạm có thể tham gia gửi hoặc nhận thông tin, nhưng không cùng một lúc. Nhờ vậy thông tin được trao đổi theo cả hai chiều luân phiên trên cùng một đường truyền vật lý. Một ưu điểm của chế độ này là không đòi hỏi cấu hình hệ thống phức tạp lắm, trong khi có thể đạt được tốc độ truyền tương đối cao. Chế độ truyền này được sử dụng phổ biến trong mạng công nghiệp, ví dụ với chuẩn RS-485. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
19. 2.2 Chế độ truyền tải 14 10110101 a) Simplex Bé ph¸t Bé thu 10110101 b) Half-duplex Bé thu ph¸t Bé thu ph¸t 10110101 c) Duplex Bé thu ph¸t Bé thu ph¸t 10101010 Hình 2.6: Truyền simplex, half-duplex và duplex Với 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 hai chiều gián đoạn ở chỗ phải sử dụng hai đường truyền riêng biệt cho thu và phát, tức là khác ở cấu hình hệ thống truyền thông. Dễ dàng nhận thấy, chế độ truyền hai chiều toàn phần chỉ thích hợp với kiểu liên kết điểm-điểm, hay nói cách khác là phù hợp với cấu trúc mạch vòng và cấu trúc hình sao. 2.2.4 Truyền tải dải cơ sở, dải mang và dải rộng Truyền tải dải cơ sở Một tín hiệu mang một nguồn thông tin có thể biểu diễn bằng tổng của nhiều dao động có tần số khác nhau nằm trong một phạm vi hẹp, được gọi là dải tần cơ sở hay dải hẹp. Tín hiệu được truyền đi cũng chính là tín hiệu được tạo ra sau khi mã hóa bit, nên có tần số cố định hoặc nằm trong một khoảng hẹp nào đó, tùy thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Ví dụ có thể qui định mức tín hiệu cao ứng với bit 0 và mức tín hiệu thấp ứng với bit 1. Tần số của tín hiệu thường nhỏ hơn, hoặc cùng lắm là tương đương với tần số nhịp bus. Tuy nhiên, trong một nhịp (có thể tương đương hoặc không tương đương với chu kỳ của tín hiệu), chỉ có thể truyền đi một bit duy nhất. Có nghĩa là, đường truyền chỉ có thể mang một kênh thông tin duy nhất, mọi thành viên trong mạng phải phân chia thời gian để sử dụng đường truyền. Tốc độ truyền tải vì thế tuy có bị hạn chế, nhưng phương pháp này dễ thực hiện và tin cậy, được dùng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Truyền tải dải mang Trong một số trường hợp, dải tần cơ sở không tương thích trong môi trường làm việc. Ví dụ, tín hiệu có các tần số này có thể bức xạ nhiễu ảnh hưởng tới hoạt động của các thiết bị điện tử khác, hoặc ngược lại, bị các thiết bị khác gây nhiễu. Để khắc phục tình trạng này, người ta sử 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 thường 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 Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
20. 2.2 Chế độ truyền tải 15 mang. Bên nhận sẽ thực hiện quá trình giải điều chế để hồi phục thông tin nguồn. Khác với truyền tải dải rộng nêu dưới đây, phương thức truyền tải dải mang chỉ áp dụng cho một kênh truyền tin duy nhất, giốn như truyền tải dải cơ sở. Truyền tải dải rộng Một tín hiệu có thể chứa đựng nhiều nguồn thông tin khác nhau bằng cách sử dụng kết hợp một cách thông minh nhiều thông số thông tin. Ví dụ một tín hiệu phức tạp có thể là tổng hợp bằng phương pháp xếp chồng từ nhiều tín hiệu thành phần có tần số khác nhau mang các nguồn thông tin khác nhau. Sau khi nhiều nguồn thông tin khác nhau đã được mã hoá bit, mỗi tín hiệu được tạo ra sẽ dùng để điều biến một tín hiệu khác, thường có tần số lớn hơn nhiều, gọi là tín hiệu mang. Các tín hiệu mang đã được 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 được dùng để điều biến một tín hiệu mang khác. Tín hiệu thu được từ khâu này mới được truyền đi. Đây chính là kỹ thuật dồn kênh phân tần trong truyền tải thông tin, nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn đường truyền. Phía bên nhận sẽ thực hiện việc giải điều biến và phân kênh, hồi phục các tín hiệu mang các nguồn thông tin khác nhau. Phương thức truyền tải dải rộng và kỹ thuật dồn kênh được dùng rộng rãi trong các mạng viễn thông bởi tốc độ cao và khả năng truyền song song nhiều nguồn thông tin. Tuy nhiên, vì đặc điểm phạm vi mạng, lý do giá thành thực hiện và tính năng thời gian, truyền tải băng rộng cũng như kỹ thuật dồn kênh hầu như không đóng vai trò gì trong các hệ thống truyền thông công nghiệp. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
21. 2.3 Cấu trúc mạng 16 2.3 Cấu trúc mạng - Topology Cấu trúc mạng liên quan tới tổ chức và phương thức phối hợp hoạt động giữa các thành phần trong một hệ thống mạng. Cấu trúc mạng ảnh hưởng tới nhiều tính năng kỹ thuật, trong đó có độ tin cậy của hệ thống. Có thể phân biệt các dạng cấu trúc cơ bản là bus, mạch vòng (tích cực) và hình sao. Một số cấu trúc phức tạp hơn, ví dụ cấu trúc cây, đều có thể xây dựng trên cơ sở phối hợp ba cấu trúc cơ bản này. 2.3.1 Cấu trúc bus Trong cấu trúc đơn giản này, tất cả các thành viên của mạng đều được nối trực tiếp với một đường dẫn chung. Đặc điểm cơ bản của cấu trúc bus là việc sử dụng chung một đường dẫn duy nhất cho tất cả các trạm, vì thế tiết kiệm được cáp dẫn và công lắp đặt. Có thể phân biệt ba kiểu cấu hình trong cấu trúc bus: daisy-chain và trunk-line/drop- line và mạch vòng không tích cực (Hình 2.7). Hai cấu hình đầu cũng được xếp vào kiểu cấu trúc đường thẳng, bởi hai đầu đường truyền không khép kín. Với daisy-chain, mỗi trạm được nối mạng trực tiếp tại giao lộ của hai đoạn dây dẫn, không qua một đoạn dây nối phụ nào. Ngược lại, trong cấu hình trunk-line/drop-line, mỗi trạm được nối qua một đường nhánh (drop-line) để đến đường trục (trunk-line). Còn mạch vòng không tích cực thực chất chỉ khác với trunk-line/drop-line ở chỗ đường truyền được khép kín. Bên cạnh việc tiết kiệm dây dẫn thì tính đơn giản, dễ thực hiện là những ưu điểm chính của cấu trúc bus, nhờ vậy mà cấu trúc này phổ biến nhất trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Trường hợp một trạm không làm việc (do hỏng hóc, do cắt nguồn, ) không ảnh hưởng tới phần mạng còn lại. Một số hệ thống còn cho việc tách một trạm ra khỏi mạng hoặc thay thế một trạm trong khi cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên việc dùng chung một đường dẫn đòi hỏi một phương pháp phân chia thời gian sử dụng thích hợp để tránh xung đột tín hiệu - gọi là phương pháp truy nhập môi trường hay truy nhập bus. Nguyên tắc truyền thông được thực hiện như sau: tại một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên trong mạng được gửi tín hiệu, còn các thành viên khác chỉ có quyền nhận. Ngoài việc cần phải kiểm soát truy nhập môi trường, cấu trúc bus có những nhược điểm sau: • Một tín hiệu gửi đi có thể tới tất cả các trạm và theo một trình tự không kiểm soát được, vì vậy phải thực hiện phương pháp gán địa chỉ (logic) theo kiểu thủ công cho từng trạm. Trong thực tế, công việc gán địa chỉ này gây ra không ít khó khăn. • Tất cả các trạm đều có khả năng phát và phải luôn luôn “nghe” đường dẫn để phát hiện ra một thông tin có phải gửi cho mình hay không, nên phải được thiết kế sao cho đủ tải với số trạm tối đa. Đây chính là lý do phải hạn chế số trạm trong một đoạn mạng. Khi cần mở rộng mạng, phải dùng thêm các bộ lặp. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
22. 2.3 Cấu trúc mạng 17 Các đoạn dây dẫn trunk-line drop-line drop-line drop-line a) daisy-chain b) trunk-line/drop-line c) mạch vòng không tích cực Hình 2.7: Các cấu trúc dạng bus • Chiều dài dây dẫn thường tương đối dài, vì vậy đối với cấu trúc đường thẳng xảy ra hiện tượng phản xạ tại mỗi đầu dây làm giảm chất lượng của tín hiệu. Để khắc phục vấn đề này người ta chặn hai đầu dây bằng hai trở đầu cuối. Việc sử dụng các trở đầu cuối cũng làm tăng tải của hệ thống. • Trường hợp đường dẫn bị đứt, hoặc do ngắn mạch trong phần kết nối bus của một trạm bị hỏng đều dẫn đến ngừng hoạt động của cả hệ thống. Việc định vị lỗi ở đây cũng gặp rất nhiều khó khăn. • Cấu trúc đường thẳng, liên kết đa điểm gây khó khăn trong việc áp dụng các công nghệ truyền tín hiệu mới như sử dụng cáp quang. Một số ví dụ mạng công nghiệp tiêu biểu có cấu trúc bus là PROFIBUS, CAN, WorldFIP, Foundation Fieldbus, LonWorks, AS-i và Ethernet. 2.3.2 Cấu trúc mạch vòng (tích cực) Cấu trúc mạch vòng được thiết kế sao cho các thành viên trong mạng được nối từ điểm này đến điểm kia một cách tuần tự trong một mạch vòng khép kín. Mỗi thành viên đều tham gia tích cực vào việc kiểm soát dòng tín hiệu. Khác với cấu trúc đường thẳng, ở đây tín hiệu được truyền đi theo một chiều qui định. Mỗi trạm nhận được dữ liệu từ trạm đứng trước và chuyển tiếp sang trạm lân cận đứng sau. Quá trình này được lặp lại tới khi dữ liệu quay trở về trạm đã gửi, nó sẽ được hủy bỏ. Ưu điểm cơ bản của mạng cấu trúc theo kiểu này là mỗi một nút đồng thời có thể là một bộ khuếch đại, do vậy khi thiết kế mạng theo kiểu cấu trúc vòng có thể thực hiện với khoảng cách và số trạm rất lớn. Mỗi trạm có khả năng vừa nhận vừa phát tín hiệu Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
23. 2.3 Cấu trúc mạng 18 cùng một lúc. Bởi mỗi thành viên ngăn cách mạch vòng ra làm hai phần, và tín hiệu chỉ được truyền theo một chiều, nên biện pháp tránh xung đột tín hiệu thực hiện đơn giản hơn. Master a) Kh«ng cã ®iÒu khiÓn trung t©m b) Cã ®iÒu khiÓn trung t©m Hình 2.8: Cấu trúc mạch vòng Trên Hình 2.8 có hai kiểu mạch vòng được minh hoạ: • Với kiểu mạch vòng không có điều khiển trung tâm, các trạm đều bình đẳng như nhau trong quyền nhận và phát tín hiệu. Như vậy việc kiểm soát đường dẫn sẽ 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 đường dẫn. Cấu trúc mạch vòng thực chất dựa trên cơ sở liên kết điểm-điểm, vì vậy thích hợp cho việc sử dụng các phương tiện truyền tín hiệu hiện đại như cáp quang, tia hồng ngoại, v.v. Việc gán địa chỉ cho các thành viên trong mạng cũng có thể do một trạm chủ thực hiện một cách hoàn toàn tự động, căn cứ vào thứ tự sẵp xếp vật lý của các trạm trong mạch vòng. Một ưu điểm tiếp theo của cấu trúc mạch vòng là khả năng xác định vị trí xảy ra sự cố, ví dụ đứt dây hay một trạm ngừng làm việc. Tuy nhiên, sự hoạt động bình thường của mạng còn trong trường hợp này chỉ có thể tiếp tục với một đường dây dự phòng như ở FDDI. Hình 2.9 mô tả cách giải quyết trong trường hợp sự cố do đường dây (a) và sự cố tại một trạm (b). Trong trường hợp thứ nhất, các trạm lân cận với điểm xảy ra sự cố sẽ tự phát hiện lỗi đường dây và tự động chuyển mạch sang đường dây phụ, đi vòng qua vị trí bị lỗi (by- pass). Đường cong in nét đậm biểu diễn mạch kín sau khi dùng biện pháp by-pass. Trong trường hợp thứ hai, khi một trạm bị hỏng, hai trạm lân cận sẽ tự đấu tắt, chuyển sang cấu hình giống như daisy-chain. Một kỹ thuật khác được áp dụng xử lý sự cố tại một trạm là dùng các bộ chuyển mạch by-pass tự động, như minh họa trên Hình 2.10. Mỗi trạm thiết bị sẽ được đấu với mạch vòng nhờ bộ chuyển mạch này. Trong trường hợp sự cố xảy ra, bộ chuyển mạch sẽ tự động phát hiện và ngắn mạch, bỏ qua thiết bị được nối mạng qua nó. Cấu trúc mạch vòng được sử dụng trong một số hệ thống có độ tin cậy cao như INTERBUS, Token-Ring (IBM) và đặc biệt là FDDI. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
24. 2.3 Cấu trúc mạng 19 1 2 1 2 8 3 8 3 7 4 7 4 6 5 6 5 a) By-pass sù cè ®−êng d©y gi÷a 1 vµ 2 b) §Êu t¾t do sù cè t¹i tr¹m 3 Hình 2.9: Xử lý sự cố trong mạch vòng đúp ThiÕt bÞ ThiÕt bÞ Bé chuyÓn m¹ch by-pass a) Tr−íc khi x¶y ra sù cè b) Sau khi x¶y ra sù cè Hình 2.10: Sử dụng bộ chuyển mạch by-pass trong mạch vòng 2.3.3 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 được kết nối gián tiếp với nhau qua trạm trung tâm. Tương tự như cấu trúc mạch vòng, có thể nhận thấy ở đây kiểu liên kết về mặt vật lý là điểm-điểm. Tuy nhiên, liên kết về mặt logic vẫn có thể là nhiều điểm. Nếu trạm trung tâm đóng vai trò tích cực, nó có thể đảm đương nhiệm vụ kiểm soát toàn bộ việc truyền thông của mạng, còn nếu không sẽ chỉ như một bộ chuyển mạch. Một nhược điểm của cấu trúc hình sao là sự cố ở trạm trung tâm sẽ làm tê liệt toàn bộ các hoạt động truyền thông trong mạng. Vì vậy, trạm trung tâm thường phải có độ tin cậy rất cao. Người ta phân biệt giữa hai loại trạm trung tâm: trạm tích cực và trạm thụ động. Một trạm thụ động chỉ có vai trò trung chuyển thông tin, trong khi một trạm tích cực kiểm soát toàn bộ các hoạt động giao tiếp trong mạng. Một nhược điểm tiếp theo của cấu trúc hình sao là tốn dây dẫn, nếu như khoảng trung bình giữa các trạm nhỏ hơn khoảng cách từ chúng tới trạm trung tâm. Đương nhiên, trong các hệ thống viễn thông không thể tránh khỏi phải dùng cấu trúc này. Đối với mạng truyền thông công nghiệp, cấu trúc hình sao tìm thấy trong các phạm vi nhỏ, ví dụ các bộ chia, thường dùng vào mục đích mở rộng các cấu trúc khác. Lưu ý rằng, trong nhiều trường hợp một mạng cấu trúc hình sao về mặt vật lý lại có cấu trúc logic như một hệ bus, bởi các trạm vẫn có thể tự do liên lạc như không có sự tồn tại của trạm Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
25. 2.3 Cấu trúc mạng 20 trung tâm. Chính các hệ thống mạng Ethernet công nghiệp ngày nay sử dụng phổ biến cấu trúc này kết hợp với kỹ thuật chuyển mạch và phương pháp truyền dẫn tốc độ cao. * Hình 2.11: Cấu trúc hình sao 2.3.4 Cấu trúc cây Cấu trúc cây thực chất không phải là một cấu trúc cơ bản. Một mạng có cấu trúc cây chính là sự liên kết của nhiều mạng con có cấu trúc đường thẳng, mạch vòng hoặc hình sao như Hình 2.12 minh họa. Đặc trưng của cấu trúc cây là sự phân cấp đường dẫn. Để chia từ đường trục ra các đường nhánh, có thể dùng các bộ nối tích cực (active coupler), hoặc nếu muốn tăng số trạm cũng như phạm vi của một mạng đồng nhất có thể dùng các bộ lặp (repeater). Trong trường hợp các mạng con này hoàn toàn khác loại thì phải dùng tới các bộ liên kết mạng khác như bridge, router và gateway. Một số hệ thống cho phép xây dựng cấu trúc cây cho một mạng đồng nhất là LonWorks, DeviceNet và AS-i. bé nèi bé lÆp bé nèi sao bé nèi vßng Hình 2.12: Cấu trúc cây Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
26. 2.4 Truy nhập bus 21 2.4 Truy nhập bus 2.4.1 Đặt vấn đề Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp thì các hệ thống có cấu trúc dạng bus, hay các hệ thống bus đóng vai trò quan trọng nhất vì những lý do sau: • Chi phí ít cho dây dẫn • Dễ thực hiện lắp đặt • Linh hoạt • Thích hợp cho việc truyền dẫn trong phạm vi khoảng cách vừa và nhỏ. Trong một mạng có cấu trúc bus, các thành viên phải chia nhau thời gian sử dụng đường dẫn. Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệnh về thông tin, ở mỗi thời điểm trên một đường dẫn chỉ duy nhất một điện tín được phép truyền đi. Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thì chỉ một thành viên trong mạng được gửi thông tin đi. Còn số lượng thành viên trong mạng muốn nhận thông tin thì không hạn chế. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông tin trên đường dẫn hay phương pháp truy nhập bus. Lưu ý rằng, ở một số cấu trúc khác không phải dạng bus, vấn đề xung đột tín hiệu cũng có thể xảy ra, tuy không hiển nhiên như ở cấu trúc bus. Ví dụ đối với cấu trúc mạch vòng, mỗi trạm không phải bao giờ cũng có khả năng khống chế hoàn toàn tín hiệu đi qua nó. Hay ở cấu trúc hình sao, có thể trạm trung tâm không có vai trò chủ động, mà chỉ là bộ chia tín hiệu nên khả năng gây xung đột không thể tránh khỏi. Trong các cấu trúc này ta vẫn cần một biện pháp phân chia quyền truy nhập, tuy có thể đơn giản hơn so với ở cấu trúc bus. Chính vì thế, khái niệm truy nhập môi trường cũng được dùng thay cho truy nhập bus. Tuy nhiên, giống như cách dùng khái niệm chung “bus trường” không chỉ dừng lại ở các hệ thống có cấu trúc bus, “truy nhập bus” cũng thường được dùng như một khái niệm chung. Phương pháp truy nhập bus là một trong những vấn đề cơ bản đối với các hệ thống bus, bởi mỗi phương pháp có những ảnh hưởng khác nhau tới các tính năng kỹ thuật của hệ thống. Cụ thể, ta phải quan tâm tới ít nhất ba khía cạnh: độ tin cậy, tính năng thời gian thực và hiệu suất sử dụng đường truyền. Tính năng thời gian thực ở đây là khả năng đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin một cách kịp thời và tin cậy. Còn hiệu suất sử dụng đường truyền là mức độ khai thác, sử dụng đường truyền. Ba yếu tố liên quan tới việc đánh giá tính năng thời gian thực là thời gian đáp ứng tối đa, chu kỳ bus và độ rung (jitter). Thời gian đáp ứng tối đa đối với một trạm là thời gian tối đa mà hệ thống truyền thông cần để đáp ứng một nhu cầu trao đổi dữ liệu của trạm đó với một trạm bất kỳ khác. Rõ ràng, thời gian đáp ứng tối đa không phải là một thông số cố định, mà là một hàm của độ dài dữ liệu cần trao đổi. Tuy vậy, trong một ứng dụng cụ thể ta thường biết trước độ dài dữ liệu tối đa cũng như độ dài dữ liệu tiêu Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
27. 2.4 Truy nhập bus 22 biểu mà các trạm cần trao đổi. Do vậy, bên cạnh thời gian đáp ứng tối đa người ta cũng quan tâm tới thời gian đáp ứng tiêu biểu. Do đặc trưng trong kỹ thuật tự động hóa, đa số các hệ thống bus được sử dụng ở lĩnh vực này làm việc theo chu kỳ. Chỉ một số các hoạt động truyền thông xảy ra bất thường (ví dụ thông tin cảnh báo, dữ liệu tham số, ), còn phần lớn các dữ liệu được trao đổi định kỳ theo chu kỳ tuần hoàn của bus. Chu kỳ bus là khoảng thời gian tối thiểu mà sau đó các hoạt động truyền thông chính lặp lại như cũ. Trong điều khiển tự động, chu kỳ bus ảnh hưởng tới sự chính xác của chu kỳ lấy mẫu tín hiệu. Lưu ý sự khác nhau giữa chu kỳ bus và nhịp bus (xem phần 2.1). Có thể dễ thấy, thời gian đáp ứng và chu kỳ bus có liên quan với nhau, nhưng không ở mức độ ràng buộc. Chu kỳ bus lớn thường sẽ làm tăng thời gian đáp ứng. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng tối đa có thể nhỏ hoặc lớn hơn một chu kỳ bus, phụ thuộc vào phương pháp truy nhập bus. Có thể phân loại cách truy nhập bus thành nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên (Hình 2.13). Với các phương pháp tiền định, trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng. Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (phương pháp Master/Slave hay chủ/tớ), theo sự qui định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp Token Passing). Nếu mỗi hoạt động truyền thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định, thì thời gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus có thể tính toán được. Các hệ thống này vì thế được gọi có tính năng thời gian thực. Ph−¬ng ph¸p truy nhËp bus Truy nhËp tiÒn ®Þnh Truy nhËp ngÉu nhiªn KiÓm so¸t tËp trung KiÓm so¸t ph©n t¸n NhËn biÕt xung ®ét Tr¸nh xung ®ét Master/Slave Token Passing CSMA/CD CSMA/CA TDMA Hình 2.13: Phân loại các phương pháp truy nhập bus Ngược lại, trong các phương pháp ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẽ trước, 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 phương pháp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA). Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột tín hiệu xảy ra, thì ít nhất một trạm phải ngừng gửi và chờ một khoảng thời gian nào đó trước khi thử lại, mặc dù khả năng thành công kể cả lúc này cũng không được đảm bảo. Người ta thường coi các hệ thông sử dụng các phương Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
28. 2.4 Truy nhập bus 23 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. 2.4.2 Chủ/tớ (Master/Slave) Trong phương 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 có yêu cầu. Trạm chủ có thể dùng phương 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 (có thể là một PLC, một PC, v.v ) cũng như nhận các thông tin điều khiển từ trạm chủ. Master Slave Slave Slave Slave Hình 2.14: Phương pháp chủ/tớ Trong một số hệ thống, thậm chí các trạm tớ không có quyền giao tiếp trực tiếp với nhau, mà bất cứ dữ liệu cần trao đổi nào cũng phải qua trạm chủ. Nếu hoạt động giao tiếp diễn ra theo chu kỳ, trạm chủ sẽ có trách nhiệm chủ động yêu cầu dữ liệu từ trạm tớ cần gửi và sau đó sẽ chuyển tới trạm tớ cần nhận. Trong trường hợp một trạm tớ cần trao đổi dữ liệu bất thường với một trạm khác phải thông báo yêu cầu của mình khi được trạm chủ hỏi đến và sau đó chờ được phục vụ. Trình tự được tham gia giao tiếp, hay trình tự được hỏi của các trạm tớ có thể do người sử dụng qui định trước (tiền định) bằng các công cụ tạo lập cấu hình. Trong trường 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 trước được một cách tương đối chắc chắn. Đây chính là một trong những yếu tố thể hiện tính năng thời gian thực của hệ thống. Phương pháp chủ/tớ có một ưu điểm là việc kết nối mạng các trạm tớ đơn giản, đỡ tốn kém bởi gần như toàn bộ “trí tuệ” tập trung tại trạm chủ. Một trạm chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn. Một nhược điểm của phương pháp kiểm soát tập trung chủ/tớ là hiệu suất trao đổi thông tin giữa các trạm tớ bị giảm do phải dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là trạm chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng đường truyền. Nếu hai trạm tớ cần trao đổi một biến dữ liệu đơn giản với nhau (một PLC có thể là trạm tớ), thì trong trường hợp xấu Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
29. 2.4 Truy nhập bus 24 nhất thời gian đáp ứng vẫn có thể kéo dài tới hơn một chu kỳ bus. Một biện pháp để cải thiện tình huống này là cho phép các trạm tớ trao đổi dữ liệu trực tiếp trong một chừng mực được kiểm soát, như Hình 2.15 minh họa. Tình huống ở đây là trạm tớ 2 muốn gửi dữ liệu cho trạm tớ 1, trong khi trạm tớ 2 lại được trạm chủ hỏi tới sau trạm tớ 1. Sau khi trạm chủ yêu cầu trạm tớ 1 nhận dữ liệu (receive_request) và trạm tớ 2 gửi dữ liệu (send_request), trạm tớ 2 có thể gửi trực tiếp tới trạm tớ 1 (send_data). Nhận được lệnh kết thúc từ trạm tớ 2 (send_completed), trạm tớ 1 sẽ có trách nhiệm thông báo ngược trở lại trạm chủ (receive_completed). Như vậy, việc truy nhập đường truyền cũng không bị chồng chéo lên nhau, mà hai trạm tớ vẫn trao đổi được dữ liệu nội trong một chu kỳ bus. Master Slave 1 Slave 2 1: receive_request 2: send_request 3: send_data 4: send_completed 5: receive_completed Hình 2.15: Cải thiện trao đổi dữ liệu giữa hai trạm tớ Một hạn chế nữa của phương pháp này là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào một trạm chủ duy nhất. Trong trường hợp có xảy ra sự cố trên trạm chủ thì toàn bộ hệ thống truyền thông ngừng làm việc. Một cách khắc phục là sử dụng một trạm tớ đóng vai trò giám sát trạm chủ và có khả năng thay thế trạm chủ khi cần thiết. Chính vì hai lý do nêu trên, phương pháp chủ/tớ chỉ được dùng phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp, tức bus trường hay bus thiết bị, khi việc trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán. Trong trường hợp giữa các thiết bị tớ có nhu cầu trao đổi dữ liệu trực tiếp, trạm chủ chỉ có vai trò phân chia quyền truy nhập bus chứ không kiểm soát hoàn toàn hoạt động giao tiếp trong hệ thống. 2.4.3 TDMA Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), mỗi trạm được phân một thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm có thể lần lượt 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 qui định sẵn. Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định). Khác với phương pháp chủ/tớ, ở đây có thể có hoặc không có một trạm chủ. Trong trường hợp có Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
30. 2.4 Truy nhập bus 25 một trạm chủ thì vai trò của nó chỉ hạn chế ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các trạm khác. Mỗi trạm đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các trạm khác. 1 2 . . . N Theo yªu cÇu Chu kú bus (chu kú TDMA) Hình 2.16: Phương pháp TDMA Hình 2.16 minh họa cách phân chia thời gian cho các trạm trong một chu kỳ bus. 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), thường còn có một khoảng dự trữ dành cho việc trao đổi dữ liệu bất thường theo yêu cầu, ví dụ gửi thông tin cảnh báo, mệnh lệnh đặt cấu hình, dữ liệu tham số, setpoint, Về nguyên tắc, TDMA có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các trạm trong mạng, theo thứ tự địa chỉ, hoặc theo tính chất của các hoạt động truyền thông. Cũng có thể kết hợp TDMA với phương pháp chủ/tớ nhưng cho phép các trạm tớ giao tiếp trực tiếp. Có hệ thống lại sử dụng một bức điện tổng hợp có cấu trúc giống như sơ đồ phân chia thời gian trên Hình 2.16 để các trạm có thể đọc và ghi dữ liệu vào phần tương ứng. 2.4.4 Token Passing Token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa. Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang có token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo một trình tự nhất định. Nếu trình tự này đúng với trình tự sắp xếp vật lý trong một mạch vòng (tích cực hoặc không tích cực), ta dùng khái niệm Token Ring (chuẩn IEEE 802.4). Còn nếu trình tự được qui định chỉ có tính chất logic như ở cấu trúc bus (ví dụ theo thứ tự địa chỉ), ta nói tới Token Bus (chuẩn IEEE 802.5). Trong mỗi trường hợp đều hình thành một mạch vòng logic. Tr¹m 2 Token Tr¹m 1 Tr¹m 2 Tr¹m 3 Tr¹m 1 Token Tr¹m 4 Tr¹m 6 Tr¹m 3 Tr¹m 4 Tr¹m 5 Tr¹m 6 Tr¹m 5 Token Ring Token Bus Hình 2.17: Hai dạng của phương pháp Token Passing Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
31. 2.4 Truy nhập bus 26 Một trạm đang giữ token không những được quyền gửi thông tin đi, mà còn có thể có vai trò kiểm soát sự hoạt động một số trạm khác, ví dụ kiểm tra xem có trạm nào xảy ra sự cố hay không. Các trạm không có token cũng có khả năng tham gia kiểm soát, ví dụ như sau một thời gian nhất định mà token không được đưa tiếp, có thể do trạm đang giữ token có vấn đề. Trong trường hợp đó, một trạm sẽ có chức năng tạo một token mới. Chính vì vậy, Token Passing được xếp vào phương pháp kiểm soát phân tán. Trình tự cũng như thời gian được quyền giữ token, thời gian phản ứng và chu kỳ bus tối đa có thể tính toán trước, do vậy phương pháp truy nhập này cũng được coi là có tính tiền định. Token Passing cũng có thể sử dụng kết hợp với phương pháp chủ/tớ, trong đó mỗi trạm có quyền giữ token là một trạm chủ, hay còn được gọi là trạm tích cực. Phương pháp kết hợp này còn được gọi là nhiều chủ (Multi-Master), tiêu biểu trong hệ PROFIBUS. Các trạm chủ này có thể là các bộ điều khiển hoặc các máy tính lập trình, còn các trạm tớ (trạm không tích cực) là các thiết bị vào/ra phân tán, các thiết bị trường thông minh. Mỗi trạm chủ quản lý quyền truy nhập của một số trạm tớ trực thuộc, trong khi giữa các trạm chủ thì quyền truy nhập bus được phân chia theo cách chuyển token. Tuy nhiên, một trạm đóng vai trò là chủ ở đây không bắt buộc phải có các trạm tớ trực thuộc. (1) Master Master Master Master Master (2) Slave Slave Slave Slave (1) Token passing gi÷a c¸c tr¹m tÝch cùc (2) Master/slave gi÷a mét tr¹m tÝch cùc vµ mét sè tr¹m kh«ng tÝch cùc Hình 2.18: Truy nhập bus kết hợp nhiều chủ (Multi-Master) 2.4.5 CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) là một phương pháp nổi tiếng cùng với mạng Ethernet (IEEE 802.3). Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
32. 2.4 Truy nhập bus 27 Nguyên tắc làm việc Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau: • Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu) thì mới được 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 đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không (collision detection). • Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải huỷ bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại. A B C 1. carrier sense A B C 2. multiple access A B C 3. collision A B C 4. detection A ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn C ph¸t hiÖn xung ®ét, hñy bá bøc ®IÖn Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vµ lÆp l¹i Chê mét thêi gian ngÉu nhiªn vµ lÆp l¹i Hình 2.19: Minh họa phương pháp CSMA/CD Một tình huống xảy ra xung đột tiêu biểu và cách khắc phục được minh họa trên Hình 2.19. Trạm A và C cùng nghe đường dẫn. Đường dẫn rỗi nên A có thể gửi trước. Trong khi tín hiệu từ trạm A gửi đi chưa kịp tới nên trạm C không hay biết và cũng gửi, gây ra xung đột tại một điểm gần C. A và C sẽ lần lượt nhận được 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 được cờ hiệu kết thúc bức điện và sẽ coi như 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 chờ ngẫu nhiên, trước khi thử phát lại. Thời gian chờ ngẫu nhiên ở đây tuy nhiên phải được 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 thường thời gian chờ này là một bội số của hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
33. 2.4 Truy nhập bus 28 Ưu điểm của CSMA/CD là tính chất đơn giản, linh hoạt. Khác với các phương pháp tiền định, việc ghép thêm hay bỏ đi một trạm trong mạng không ảnh hưởng gì tới hoạt động của hệ thống. Chính vì vậy, phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong mạng Ethernet. Nhược điểm của CSMA/CD là tính bất định của thời gian phản ứng. Các trạm đều bình đẳng như nhau nên quá trình chờ ở một trạm có thể lặp đi lặp lại, không xác định được tương đối chính xác thời gian. Hiệu suất sử dụng đường truyền vì thế cũng thấp. Rõ ràng, nếu như không kết hợp thêm với các kỹ thuật khác thì phương pháp này không thích hợp với các cấp thấp, đòi hỏi trao đổi dữ liệu định kỳ, thời gian thực. Điều kiện ràng buộc Khả năng thực hiện phương pháp CSMA/CD bị hạn chế bởi một điều kiện ràng buộc giữa chiều dài dây dẫn, tốc độ truyền thông và chiều dài bức điện. Chỉ khi một trạm phát hiện được xung đột xảy ra trong khi bức điện chưa gửi xong mới có khả năng hủy bỏ bức điện (có thể chỉ đơn giản bằng cách không gửi tiếp cờ hiệu kết thúc). Còn nếu bức điện đã được gửi đi xong rồi mới phát hiện xảy ra xung đột thì đã quá muộn, một trạm khác có thể đã nhận được và xử lý bức điện với nội dung sai lệch. Trong trường hợp xấu nhất hai trạm cùng gửi thông tin có thể ở hai đầu của dây dẫn, trạm thứ hai chỉ gửi điện trước khi tín hiệu từ trạm thứ nhất tới một chút. Tín hiệu bị xung đột xảy ra ở đây phải mất thêm một khoảng thời gian nữa đúng bằng thời gian lan truyền tín hiệu TS mới quay trở lại tới trạm thứ nhất. Như vậy điều kiện thực hiện phương pháp CSMA/CD là thời gian gửi một bức điện phải lớn hơn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu, tức: (Chiều dài bức điện n / Tốc độ truyền v) > 2TS n/v > 2l/(0,66*300.000.000), với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67 lv < 100.000.000n Đây chính là điều kiện ràng buộc trong việc nâng cao tốc độ và tăng chiều dài dây dẫn. Ví dụ đối với một mạng Fast Ethernet (100Mbit/s) có chiều dài 100m thì một bức điện không thể ngắn hơn 100 bit. Hệ quả của điều kiện ràng buộc này là hiệu suất truyền thông sẽ rất thấp nếu như dữ liệu cần trao đổi không lớn. Một lần nữa, ta thấy rằng phương pháp này không thích hợp lắm cho các hệ thống mạng cấp thấp. 2.4.6 CSMA/CA Nguyên tắc làm việc CSMA/CA là thuật ngữ viết tắt từ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance. Tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường dẫn trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên, một phương pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn át tín hiệu kia. Ví dụ tương ứng với bit 0 là mức điện áp cao sẽ lấn át mức điện áp thấp của bit 1. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
34. 2.4 Truy nhập bus 29 Møc tÝn hiÖu lÊn ¸t > ph¸t tiÕp T1 0 1 0* 0 1 R1 0 1 0 0 1 Ph¸t hiÖn lçi T2 0 1 1* > ngõng ph¸t R2 0 1 0 Hình 2.20: Minh họa phương pháp CSMA/CA Một tình huống tiêu biểu được minh họa trên Hình 2.20. T1 là thông tin do trạm 1 gửi đi và R1 là thông tin trạm 1 nghe được phản hồi từ đường dẫn, T2 là thông tin do trạm 2 phát đi và R2 là thông tin trạm 2 nghe được. Khi hai bức điện khác nhau ở một bit 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 như không có chuyện gì xảy ra và tiếp tục phát. Trạm thứ hai có thể chờ một thời gian ngẫu nhiên, hoặc chờ khi nào đường dẫn rỗi trở lại sẽ gửi. Điều kiện ràng buộc Điều kiện để thực hiện theo cơ chế trên là mỗi trạm đều phải nhận được tín hiệu phản hồi tương ứng với bit vừa gửi, trước khi gửi một bit tiếp theo, như vậy mới có khả năng dừng lại kịp thời khi xảy ra xung đột cũng như để bit tiếp theo không bị ảnh hưởng. Như vậy, thời gian bit TB phải lớn hơn hai lần thời gian lan truyền tín hiệu TS, hay là: 1/v > 2TS, với v là tốc độ truyền 1/v > 2l/(0,67*300.000.000) lv < 100.000.000 với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k = 0,67. Ví dụ, với tốc độ truyền là 1Mbit/s thì chiều dài dây dẫn phải nhỏ hơn 100m. Rõ ràng, điều kiện ràng buộc ở đây tuy ngặt nghèo hơn so với ở phương pháp CSMA/CD, nhưng không liên quan tới chiều dài tối thiểu của một bức điện. Qui định mức ưu tiên Mỗi bức điện đều được bắt đầu bằng một dãy bit đặc biệt được gọi là cờ hiệu, sau đó là tới các phần khác như thông tin kiểm soát, địa chỉ, Đối với phương pháp CSMA/CA, có thể sử dụng mức ưu tiên cho mỗi trạm (hoặc theo loại thông tin) và gắn mã ưu tiên (001, 010, v.v ) vào phần đằng sau cờ hiệu của mỗi bức điện. Bức điện nào có mức ưu tiên cao hơn (tức mã số ưu tiên thấp hơn) sẽ lấn át các bức điện khác. Trong trường hợp sử dụng mức ưu tiên theo trạm, có thể lấy chính địa chỉ của trạm làm mã số ưu tiên. Cũng có thể kết hợp phương pháp định mức ưu tiên theo loại thông tin và theo địa chỉ. Một bức điện có mức ưu tiên cao nhất được xét trước hết theo loại thông tin và sau đó theo địa chỉ trạm. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
35. 2.4 Truy nhập bus 30 Nhờ có phương pháp sử dụng mức ưu tiên mà tính năng thời gian thực của hệ thống được cải thiện. Có thể thấy rõ, tuy bị hạn chế về tốc độ truyền và chiều dài dây dẫn, hiệu suất sử dụng đường truyền ở phương pháp này rất cao. Các trạm chỉ gửi thông tin đi khi có nhu cầu và nếu xảy ra xung đột thì một trong hai bức điện vẫn tiếp tục được gửi đi. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
36. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 31 2.5 Bảo toàn dữ liệu 2.5.1 Đặt vấn đề Bảo toàn dữ liệu là phương 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 được lỗi, có thể có cách khôi phục dữ liệu, hay biện pháp đơn giản hơn là yêu cầu gửi lại dữ liệu. Các phương pháp bảo toàn dữ liệu thông dụng là: • Parity bit 1 chiều và 2 chiều • CRC (Cyclic Redundancy Check) • Nhồi bit (Bit stuffing). Nguyên lý cơ bản Nhiệm vụ bảo toàn dữ liệu là một có thể sắp xếp thuộc lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu) trong mô hình qui chiếu OSI. Trong quá trình mã hóa nguồn, bên gửi bổ sung một số thông tin phụ trợ, được tính theo một thuật toán qui ước 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 được (giải mã). Chú ý rằng kể cả thông tin nguồn và thông tin phụ trợ đều có thể bị lỗi, nên phải cân nhắc quan hệ giữa lượng thông tin nguồn và lượng thông tin phụ trợ, nếu không một phương pháp bảo toàn dữ liệu sẽ không đạt được mong muốn về độ tin cậy của dữ liệu, thậm chí có thể sẽ phản tác dụng. Trước khi phân tích, đánh giá tác dụng của các phương pháp bảo toàn dữ liệu, cần đưa ra một số định nghĩa như dưới đây. Tỉ lệ bit lỗi Tỉ lệ bit lỗi p là thước đo đặc trưng cho độ nhiễu của kênh truyền dẫn, được tính bằng tỉ lệ giữa số bit bị lỗi trên tổng số bit được truyền đi. Nói một cách khác, tỉ lệ bit lỗi chính là xác suất một bit truyền đi bị lỗi. Lưu ý rằng, tỉ lệ bit lỗi xấu nhất không phải là 1, mà là 0,5. Trong trường hợp p = 1, tức là bất cứ bit nào truyền đi cũng bị sai lệch, ta chỉ việc đảo lại tất cả các bit để khôi phục lại dữ liệu. Khi p = 0,5 tức xác suất cứ hai bit truyền đi lại có một bit bị lỗi thì đường truyền này hoàn toàn không sử dụng được, bởi theo lý thuyết thông tin thì không thể có một phương pháp bảo toàn dữ liệu nào có thể áp dụng tin cậy, có hiệu quả. Trong kỹ thuật, p = 10-4 là một giá trị thường chấp nhận được. Một đường truyền có tỉ lệ bit lỗi như vậy có thể thực hiện được tương đối dễ dàng. Tỉ lệ lỗi còn lại Tỉ lệ lỗi còn lại R là thông số đặc trưng cho độ tin cậy dữ liệu của một hệ thống truyền thông, sau khi đã thực hiện các biện pháp bảo toàn (kể cả truyền lại trong trường hợp phát hiện ra lỗi). Tỉ lệ lỗi còn lại được tính bằng tỉ lệ giữa số bức điện còn bị lỗi không phát hiện được trên tổng số bức điện đã được truyền. Đương nhiên, giá trị này không những phụ thuộc vào tỉ lệ bit lỗi và phương pháp bảo toàn dữ liệu mà còn phụ Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
37. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 32 thuộc vào chiều dài trung bình của các bức điện. Một bức điện càng dài thì xác suất lỗi càng lớn. Thời gian trung bình giữa hai lần lỗi Tỉ lệ lỗi còn lại là một thông số tương đối khó hình dung, vì vậy trong thực tế người ta hay xét tới thời gian trung bình giữa hai lần lỗi TMTBF (MTBF = Mean Time Between Failures). Thông số này có liên quan chặt chẽ tới giá trị tỉ lệ lỗi còn lại: TMTBF = n/(v*R), với n là chiều dài bức điện tính bằng bit và v là tốc độ truyền tính bằng bit/s. Giả sử một bức điện có chiều dài n = 100 bit được truyền liên tục với tốc độ 1200 bit/s, quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và thời gian trung bình giữa hai lần lỗi sẽ được thể hiện như sau: R TMTBF 10-6 1 ngày 10-10 26 năm 10-14 260 000 năm Khoảng cách Hamming (Hamming Distance, HD) Khoảng cách Hamming (gọi theo nhà khoa học Mỹ R.W. Hamming) là thông số đặc trưng cho độ bền vững của một mã dữ liệu, hay nói cách khác chính là khả năng phát hiện lỗi của một phương pháp bảo toàn dữ liệu. HD có giá trị bằng số lượng bit lỗi tối thiểu mà không đảm bảo chắc chắn phát hiện được trong một bức điện. Nếu trong một bức điện chỉ có thể phát hiện một cách chắc chắn k bit bị lỗi, thì HD = k+1. Ví dụ, nếu một lỗi duy nhất có thể phát hiện được một cách chắc chắn (như trong phương pháp dùng parity bit 1 chiều), thì khoảng cách Hamming là 2. Đây là giá trị tối thiểu mà một phương pháp truyền đòi hỏi. Các hệ thống bus trường thông dụng thường có khoảng cách Hamming là 4, các hệ thống đạt độ tin cậy rất cao với HD = 6. Theo lý thuyết thông tin thì số lượng bit lỗi chắc chắn phát hiện được không bao giờ lớn hơn lượng thông tin phụ trợ dùng để kiểm lỗi. Đương nhiên, muốn đạt được giá trị HD lớn thì phải tăng lượng thông tin phụ trợ, nhưng ta cũng chú ý khía cạnh phản tác dụng của thông tin phục trợ đã được nhắc tới - khi mà thông tin phụ trợ cũng có thể bị lỗi. Hiệu suất truyền dữ liệu Hiệu suất truyền dữ liệu E là một thông số đặc trưng cho việc sử dụng hiệu quả các bức điện phục vụ chức năng bảo toàn dữ liệu, được tính bằng tỉ lệ số bit mang thông tin nguồn (bit dữ liệu) không bị lỗi trên toàn bộ số bit được truyền. Ta có: E = m (1-p)n/n m - Số lượng bit dữ liệu trong mỗi bức điện n - Chiều dài bức điện p - Tỉ lệ bit lỗi Ví dụ 1: Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
38. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 33 m = 8 bit n = 11 bit (1 bit đầu + 8 bit dữ liệu + 1 bit chẵn lẻ+ 1 bit cuối) p = 10-3 Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,72. Ví dụ 2: m = 8 bit n = 24 bit (4 bit đầu + 8 bit dữ liệu + 8 bit CRC + 4 bit cuối) p = 10-3 Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,325. Ví dụ 3: m = 8 bit n = 19 bit (4 start bit + 8 bit dữ liệu + 3 bit CRC + 4 stop bit) p = 10-3 Hiệu suất truyền dữ liệu E = 0,413. Rõ ràng, việc tăng lượng thông tin phụ trợ ở một chừng mực nào đó có thể tăng độ tin cậy cho dữ liệu, song hiệu quả truyền dữ liệu vì thế cũng giảm đi. Như đã bàn, nếu tỉ lệ bit lỗi p = 0,5 thì bức điện nhận được hoàn toàn không có giá trị. Điều đó có nghĩa là, số lượng bit kiểm lỗi không bao giờ cần thiết phải bằng hoặc lớn hơn một nửa số bit dữ liệu. So sánh ví dụ 2 và ví dụ 3, ta sẽ thấy sự lựa chọn 3 bit thông tin kiểm lỗi ở ví dụ 3 đúng đắn hơn trên cả phương diện hiệu quả truyền dữ liệu và độ tin cậy dữ liệu. 2.5.2 Bit chẵn lẻ (Parity bit) Bit chẵn lẻ là một phương pháp kiểm tra lỗi đơn giản, được áp dụng rất rộng rãi. Nguyên tắc làm việc được mô tả như sau. Tuỳ theo tổng số các bit 1 trong thông tin nguồn là chẵn hay lẻ mà ta thêm vào một bit thông tin phụ trợ p = 0 hoặc p = 1, gọi là parity bit, hay bit chẵn lẻ. Trong trường hợp này, ta cũng gọi là parity bit một chiều. Phương pháp này rất đơn giản và hiệu quả. Giá trị của bit chẵn lẻ p phụ thuộc vào cách chọn: • Nếu chọn parity chẵn, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là chẵn. • Nếu chọn parity lẻ, thì p bằng 0 khi tổng số bit 1 là lẻ. Giả sử chỉ một hoặc ba bit trong bức điện gửi đi bị đảo, bên nhận sẽ so sánh và phát hiện được. Nhưng chỉ cần hai bit trong một bức điện bị lỗi, thì bên nhận sẽ không phát hiện được nhờ bit chẵn lẻ. Nói một cách khác, số bit lỗi chắc chắn phát hiện được ở đây là chỉ 1. Vì vậy, khoảng cách Hamming của phương pháp bit chẵn lẻ một chiều luôn là 2. Điều này nói lên khả năng phát hiện lỗi thấp, vì vậy bit chẵn lẻ ít khi được dùng độc lập mà thường phải kết hợp với các phương pháp khác. Như đã nêu, tỉ giữa chiều dài thông tin nguồn và thông tin bổ trợ ảnh hưởng mạnh tới hiệu quả của phương pháp. Ở đây, thông tin bổ trợ chỉ là 1 bit. Trong thực tế, chiều dài thông tin nguồn thường được chọn là 7 hoặc 8 bit. Một ví dụ tiêu biểu sử dụng bit chẵn lẻ đã được nêu trong giao thức UART (xem phần 2.4.2). Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
39. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 34 2.5.3 Bit chẵn lẻ 2 chiều Phương pháp dùng bit chẵn lẻ hai chiều còn được gọi là phương pháp bảo toàn khối. Dãy bit mang thông tin nguồn được sắp xếp lại thành từng khối vuông (trong tưởng tượng), coi như có hai chiều. Trong thực tế người ta hay chọn 7 hàng và 7 cột. Việc tính bit chẵn lẻ được thực hiện theo cả hai chiều hàng và cột. Dưới đây là ví dụ một bức điện sử dụng bit chẵn lẻ 2 chiều không bị lỗi, với cấu trúc (7+1) x (7+1) và parity chẵn. Một điểm đáng chú ý là số bit 1 hoặc 0 ở cột p (tính parity theo hàng) cũng giống như ở hàng p (tính parity theo cột), nên bit cuối cùng giao nhau giữa hàng p và cột p có thể tính parity theo hàng hoặc cột. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 0 1 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 1 0 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Trong trường hợp chỉ một bít bị đảo, ví dụ ở hàng thứ 3 và cột thứ 4 trong bảng sau đây, thì lỗi đó không những phát hiện được, mà ta còn có thể cho rằng lỗi định vị được và vì vậy sửa được. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
40. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 35 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 1 1 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 1 0 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Tương tự như vậy, hai bit bị lỗi nằm khác hàng và khác cột sẽ phát hiện được và sửa được. Tuy nhiên, nếu hai bit bị lỗi lại nằm cùng một cột hay cùng một hàng, thì chúng chỉ có thể phát hiện nhưng không định vị được. Trong trường hợp 3 bit bị đảo, bên nhận vẫn chắc chắn phát hiện được có lỗi. Tuy nhiên, một điều rất thú vị là ở đây bên nhận không khẳng định được số lỗi là 1 hay là 3. Xác định nhầm số lỗi ở đây là 1 sẽ dẫn đến nhầm lẫn tai hại khi tìm cách sửa bit lỗi. Lật lại vấn đề ở ví dụ một lỗi hoặc hai lỗi (khác hàng và khác cột) xét ở trên, rõ ràng bên nhận không có cách gì xác định được số lỗi một cách chính xác mà chỉ biết được số lỗi là chẵn hoặc lẻ. Tồi tệ hơn nữa là khi chính các parity bit có thể bị lỗi. Như vậy có thể kết luận rằng ngay cả với phương pháp parity hai chiều này, bên nhận nếu có phát hiện ra lỗi cũng không có khả năng sửa lỗi một cách tin cậy. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 1 0 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 0 1 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 Ta xét tiếp trường hợp 4 bit bị lỗi cùng nằm ở 2 hàng và 2 cột bất kỳ. Cách tính chẵn lẻ theo cả hai chiều đều không phát hiện được, tuy xác suất xảy ra tình huống này rất nhỏ. Vậy khoảng cách Hamming của mã dữ liệu thực hiện theo phương pháp này là 4. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
41. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 36 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. p 1. 0 1 0 0 1 0 1 1 2. 1 0 0 1 0 0 0 0 3. 1 1 1 1 0 1 1 0 4. 0 1 0 1 0 1 0 1 5. 1 1 1 0 1 1 1 0 6. 0 0 0 1 1 1 1 0 7. 1 1 0 0 1 1 0 0 p 0 1 0 0 0 1 0 0 2.5.4 CRC CRC (Cyclic Redundancy Check) còn được gọi là phương pháp mã đa thức hoặc mã vòng. Phương pháp này được sử dụng trong hầu hết các hệ thống truyền thông. Tuy cái tên của nó không biểu hiện nhiều, nhưng ý tưởng ở đây là thông tin kiểm lỗi (ở đây được gọi là checksum) phải được tính bằng một thuật toán thích hợp, trong đó giá trị mỗi bit của thông tin nguồn đều được tham gia nhiều lần vào quá trình tính toán. Để tính toán thông tin kiểm lỗi đó, người ta dùng một “đa thức phát” G (generator polynomial) có một dạng đặc biệt. Chính vì thế phương pháp này còn được gọi là phương pháp dùng đa thức. G được qui ước dưới dạng nhị phân, tức các hệ số của nó chỉ có giá trị 1 hoặc 0 tương ứng với các chữ số trong một dãy bit. Ví dụ: Dạng đa thức: G = x7 + x6 + x5 + (0x4 + 0x3) + x2 + (0x1) + 1 Dạng nhị phân: G = {11100101} Dạng octal: G = {345} Nguyên tắc cơ bản của phương pháp CRC Giả sử đa thức G có bậc n, ví dụ x3+x+1 tương ứng với dãy bit {1011}. Dãy bit mang thông tin nguồn I được thêm vào n bit 0 và coi như một đa thức nhị phân P. Ví dụ thông tin nguồn là {110101} thì sau khi thêm 3 bit 0, ta có dãy bit {110101000} tương ứng với đa thức P = x8+x7+x5+x3. • Đa thức P được chia cho đa thức G, dựa vào các qui tắc đơn giản của phép trừ không có nhớ như sau: 1 - 1 = 0 0 - 0 = 0 1 - 0 = 1 0 - 1 = 1 • Không cần quan tâm tới kết quả của phép chia, phần dư R (lấy n chữ số) của phép chia được thay thế vào chỗ của n chữ 0 bổ sung trong P, tức là ta có D = P + Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
42. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 37 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 được gọi là checksum và D chính là dãy bit được gửi đi thay cho I. • Giả sử dãy bit nhận được là D' không chia hết cho G thì tức là D khác D', ta có thể khẳng định được rằng bức điện chắc chắn bị lỗi. Ngược lại, nếu D' chia hết cho G, thì xác suất rất cao là bức điện nhận được không có lỗi. Ta nói “xác suất cao”, bởi mỗi bit trong thông tin nguồn tham gia nhiều vòng (cyclic) vào tính toán thông tin bổ trợ nên khả năng “dữ kiện sai mà kết quả đúng” là rất ít. Ví dụ minh họa • Thông tin cần truyền I = 110101 • Đa thức qui ước G = 1011 (tức x3 + x + 1) • Thêm 3 bit 0 vào thông tin nguồn I, ta có P = 110101000 • Chia đa thức P : G theo kiểu nhị phân 110101000 1011 -1011 111101 01100 -1011 01111 -1011 01000 -1011 001100 -1011 0111 Phần dư R • Dãy bit được chuyển đi: D = P + R = 110101111 • Giả sử dữ liệu nhận được là D' = 110101111 • Chia đa thức D' : G 110101111 : 1011 = 111101 Phần dư 0000 -> Xác suất rất cao là không có lỗi Một điều đáng chú ý là tuy phương pháp CRC có vẻ như phức tạp, nhưng thực sự việc thực hiện nó lại rất đơn giản. Phép chia đa thức nhị phân ở đây được thực hiện thuần túy bởi các phép trừ không có nhớ - hay chính là các phép logic XOR. Bên cạnh đó chỉ cần các phép sao chép và so sánh bit thông thường. Như ta thấy, khả năng phát hiện lỗi được đặc trưng qua khoảng cách Hamming phụ thuộc hoàn toàn vào cách chọn đa thức qui ước G. Tuy nhiên, để phương pháp này đạt được hiệu quả tối ưu, cần cân nhắc cả tới quan hệ giữa chiều dài của dãy bit mang thông tin nguồn và bậc của đa thức G. Một cách ký hiệu thường được dùng để chỉ quan hệ này Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
43. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 38 được gọi là mã (m, n), trong đó m là tổng số bit và n là số bit mang dữ liệu. Một cấu trúc bức điện theo tiêu chuẩn DIN 19 244: Tên gọi: Mã (8i+8, 8i), với i = 1 15 là số byte (octet) của dữ liệu Lớp cấu trúc (format class): FT2 Đa thức phát: G = 11100101, tức x7 + x6 + x5 + x2 + 1 Khoảng cách Hamming: HD = 4 Ví dụ với i = 7, ta sẽ có mã (64, 56), tức bức điện dài 8 byte chứa 7 byte dữ liệu. Trong 8 bit kiểm lỗi có 7 bit là phần dư R được tính theo phương pháp CRC, bit còn lại chính là parity bit chẵn của R, sau đó giá trị mỗi bit lại được đảo lại. 2.5.5 Nhồi bit (Bit Stuffing) Nhồi bit (bit stuffing) thường không được coi như một phương pháp bảo toàn dữ liệu độc lập, mà thường được sử dụng với mục đích chính là tạo một dãy bit thuận lợi cho việc đóng gói dữ liệu và mã hóa bit. Các bức điện thường dùng một dãy bit đặc biệt làm cờ hiệu khởi đầu và kết thúc, do vậy đòi hỏi trong phần còn lại không được phép xuất hiện mẫu bit này. Bên cạnh đó, trong quá trình mã hóa bit người ta cũng cố gắng triệt tiêu dòng một chiều bằng cách loại bỏ các chuỗi dài bit 1 liên tục. Vì vậy, người ta tìm cách nhồi thêm một số bit vào dãy bit nguyên bản để tránh xuất hiện một chuỗi dài bit 1 liên tục cũng như tránh trùng lặp với một số mẫu bit đặc biệt. Hiệu ứng phụ của cách làm này chính là tạo điều kiện cho bên nhận dễ phát hiện lỗi hơn, ví dụ trong trường hợp mẫu bit đặc biệt xuất hiện trong phần nội dung của bức điện nhận được. Phương pháp nhồi bit được thực hiện theo nguyên tắc sau: • Bên gửi: Nếu trong dữ liệu có n bits 1 đứng liền nhau thì thêm một bit 0 vào ngay sau đó. Như vậy trong dãy bit được chuyển đi không thể xuất hiện n+1 bits 1 đi liền nhau. • Bên nhận: Nếu phát hiện thấy n bits 1 liền nhau mà bit tiếp theo là 0 thì được tách ra, còn nếu là bit 1 thì dữ liệu chắc chắn bị lỗi. Ví dụ với n = 5 (như ở CAN-Bus): • Thông tin nguồn I = 0111111 • Thông tin gửi đi D = 01111101 • Nếu thông tin nhận được D' = 01111101, bên nhận có thể coi xác suất cao không có lỗi, thông tin nguồn I sẽ được hồi phục bằng cách bỏ đi bit 0 đứng sau năm bit 1 (gạch chân). • Nếu thông tin nhận được D' = 11111101, qua mẫu bit đặc biệt bên nhận sẽ phát hiện ra lỗi. Trong thực tế, cả ba phương pháp bit chẵn lẻ, CRC và nhồi bit đều có thể sử dụng phối hợp. Ví dụ một thông tin nguồn, sau khi đã áp dụng phương pháp CRC, có thể tính bit chẵn lẻ cho phần thông tin bổ sung (R). Toàn bộ dãy bit nhận được có thể lại đưa Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
44. 2.5 Bảo toàn dữ liệu 39 qua khâu nhồi bit hoặc bức điện có thể được truyền theo từng ký tự UART với kiểm tra chẵn lẻ cho từng ký tự, trước khi thực hiện mã hóa bit. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
45. 2.6 Mã hóa bit 40 2.6 Mã hóa bit Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1,0) sang một tín hiệu thích hợp để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý1. Việc chuyển đổi này chính là sử dụng một tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải. Các tham số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung, v.v Sự thích hợp ở đây phải được đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật như khả năng chống nhiễu cũng như gây nhiễu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêu dòng một chiều. 2.6.1 Các tiêu chuẩn trong mã hóa bit Tần số của tín hiệu Các tín hiệu được sử dụng trong truyền dữ liệu thường không phải là các dao động điều hòa, tần số của chúng biến thiên theo thời gian, phụ thuộc vào dãy bit cần mã hóa và phụ thuộc vào phương pháp mã hóa bit. Cần phân biệt giữa tần số tín hiệu và tần số nhịp của bus. Đối với một tốc độ truyền 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 tỉ lệ một cách tương đối với tần số nhịp, nó có thể lớn hoặc nhỏ hơn tần số nhịp, tùy theo cách mã hóa bit. Tần số của tín hiệu ảnh hưởng 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 từ lớn hơn ra môi trường xung quanh. Nhược điểm thứ nhất dẫn đến phải hạn chế chiều dài dây dẫn hoặc phải sử dụng các bộ lặp, trong khi nhược điểm thứ hai ảnh hưởng tới hạn chế phạm vi sử dụng. Điều này cũng ảnh hưởng trực tiếp trở lại tới khả năng nâng cao tốc độ truyền. Trong phương 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 việc gián tiếp tăng tần số tín hiệu. Tần số tín hiệu cao cũng đòi hỏi các thiết bị có khả năng làm việc với tần số cao. Đương nhiên, giá thành sản xuất các thiết bị này sẽ là một yếu tố cản trở khả năng ứng dụng. Thông tin đồng bộ hóa có trong tín hiệu Trong trường hợp chế độ truyền dẫn được chọn là đồng bộ, nếu một phương pháp mã hóa bit 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 là một bội số của tần số nhịp, tức là ở mỗi nhịp bus đều có ít nhất một xung tín hiệu thì việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận thông tin sẽ được dễ dàng hơn. Tuy nhiên, các hệ thống thường không yêu cầu tín hiệu đồng bộ có ở mỗi nhịp, mà có thể ở cách quãng đều đặn vài nhịp. 1 Mã hóa bit (bit coding, signal encoding) là một khái niệm hẹp hơn điều chế (modulation). Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
46. 2.6 Mã hóa bit 41 Triệt tiêu dòng một chiều Hiện tượng dòng một chiều sinh ra do một loạt các bit giống nhau (0 hoặc 1) ứng với một mức tín hiệu cao được phát liên tục. Điều này không những gây khó khăn cho việc đồng bộ hóa giữa các đối tác truyền thông, mà còn ảnh hưởng 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 trường dễ cháy nổ, khả năng đồng tải nguồn nuôi cho các thiết bị tham gia mạng với cùng một dây dẫn là rất thiết thực. Dòng nuôi có thể xếp chồng lên tín hiệu mang thông tin, nếu như tín hiệu này không mang sẵn dòng một chiều. Muốn vậy, phương pháp mã hóa bit cần tạo ra sự trung hòa mức tín hiệu ứng với các bit 0 và 1 để triệt tiêu dòng một chiều. Sự tồn tại dòng một chiều còn gây rất nhiều khó khăn trong kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu. Cụ thể, mức độ trôi tín hiệu rất khó xác định một cách đúng mức, dẫn đến việc nhận biết tham số thông tin ví dụ qua giá trị biên độ gặp trở ngại. Chế độ làm việc của các thiết bị thu phát cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi sự tồn tại của dòng một chiều. Nếu vượt quá một giới hạn nhất định, dòng một chiều dễ gây phát xung nguy hiểm trong các môi trường dễ cháy nổ. Tính bền vững với nhiễu và khả năng phối hợp nhận biết lỗi Khả năng kháng nhiễu của một tín hiệu số cũng phụ thuộc nhiều vào phương pháp mã hóa bit. Ví dụ, dải tần càng hẹp thì tín hiệu càng bền vững hơn đối với nhiễu. Hoặc, các phương pháp mã hóa chênh lệch bền vững với nhiễu hơn các phương pháp mã hóa giá trị tuyệt đối, các phương pháp mã hóa điều tần bền vững hơn mã hóa điều biên, Nếu một phương pháp mã hóa bit tạo ra một tín hiệu có những 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 sung thông tin kiểm lỗi. 2.6.2 NRZ, RZ NRZ (Non-Return To Zero) là một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống bus trường. Thực chất, cả NRZ và RZ đều là các phương pháp điều chế biên độ xung. Như trên Hình 2.21 mô tả, bit 0 và 1 được mã hóa với hai mức biên độ tín hiệu khác nhau, mức tín hiệu này không thay đổi trong suốt chu kỳ bit T (một nhịp bus). Cái tên NRZ được sử dụng, bởi mức tín hiệu không quay trở về không sau mỗi nhịp. Các khả năng thể hiện hai mức có thể là: • Đất và điện áp dương • Điện áp âm và đất • Điện áp âm và điện áp dương cùng giá trị (tín hiệu lưỡng cực) Một trong những ưu điểm của phương pháp NRZ là tín hiệu có tần số thường thấp hơn nhiều so với tần số nhịp bus. Phương pháp này không thích hợp cho việc đồng bộ hóa, bởi một dãy bit 0 hoặc 1 liên tục không làm thay đổi mức tín hiệu. Tín hiệu không được triệt tiêu dòng một chiều, ngay cả khi sử dụng tín hiệu lưỡng cực, nên không có khả năng đồng tải nguồn. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
47. 2.6 Mã hóa bit 42 0 1 1 0 1 0 0 1 011010 0 1 NRZ: 1 øng víi møc tÝn hiÖu cao, 0 víi RZ: 1 øng víi møc tÝn hiÖu cao trong nöa chu møc thÊp trong suèt chu kú bit kú bit T, 0 víi møc thÊp trong suèt chu kú bit Hình 2.21: Mã hóa bit NRZ và RZ Phương pháp RZ (Return to Zero) cũng mã hóa bít 0 và 1 với hai mức tín hiệu khác nhau giống như ở NRZ. Tuy nhiên, như cái tên của nó hàm ý, mức tín hiệu cao chỉ tồn tại trong nửa đầu của chu kỳ bit T, sau đó quay trở lại 0. Tần số cao nhất của tín hiệu chính bằng tần số nhịp bus. Giống như 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 và các dạng dẫn xuất của nó không những được sử dụng rất rộng rãi trong truyền thông công nghiệp, mà còn phổ biến trong các hệ thống truyền dữ liệu khác. Thực chất, đây là một trong các phương pháp điều chế pha xung, tham số thông tin được thể hiện qua các sườn xung. Bit 1 được mã hóa bằng sườn lên, bit 0 bằng sườn xuống của xung ở giữa chu kỳ bit T, hoặc ngược lại (Manchester-II). Như thấy rõ trên Hình 2.22, đặc điểm của tín hiệu là có tần số tương đương với tần số nhịp bus, các xung của nó có thể sử dụng trong việc đồng bộ hóa giữa bên gửi và bên nhận. Sử dụng tín hiệu lưỡng cực, dòng một chiều sẽ bị triệt tiêu. Do đó phương pháp này thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi khả năng đồng tải nguồn. Một điểm đáng chú ý nữa là do sử dụng sườn xung, mã Manchester rất bền vững đối với nhiễu bên ngoài. Nhưng ngược lại, nhiễu xạ của tín hiệu cũng tương đối lớn bởi tần số cao. 0 1 1 0 1 0 0 1 011010 0 1 Manchester-II: 1 øng víi s−ên xuèng, 0 øng AFP: Thay ®æi gi÷a 0 vµ 1 ®−îc ®¸nh dÊu víiíi s−ên lªn cña xung ë gi÷a chu kú bit b»ng mét xung xoay chiÒu Hình 2.22: Mã hóa bit Manchester-II và AFP 2.6.4 AFP Với phương pháp xung sườn xoay chiều AFP (Alternate Flanked Pulse, xung sườn xoay chiều), mỗi sự thay đổi trạng thái logic được đánh dấu bằng một xung có cực thay đổi luân phiên (xung xoay chiều). Có thể sắp xếp AFP thuộc nhóm các phương pháp điều chế vị trí xung. Ví dụ, thay đổi từ bit 0 sang 1 được mã hóa bằng một xung sườn lên, từ 1 sang 0 bằng một xung sườn xuống (hoặc có thể ngược 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 giảm nhiễu xạ một cách đáng kể. Hơn thế nữa, cũng như mã Manchester, mã AFP rất bền vững đối với tác động của nhiễu từ bên ngoài. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
48. 2.6 Mã hóa bit 43 2.6.5 FSK Trong phương pháp điều chế dịch tần số FSK (Frequency Shift Keying), hai tần số khác nhau được dùng để mã hóa các trạng thái logic 0 và 1, như được mô tả trên Hình 2.23. Đây chính là phương pháp điều chế tần số tín hiệu mang, hay truyền tải dải mang. 0 1 1 0 1 0 0 1 FSK: 0 vµ 1 øng víi c¸c tÇn sè kh¸c nhau Hình 2.23: Mã hóa dịch tần số FSK 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 ưu điểm tiếp theo của phương pháp này là độ bền vững đối với tác động của nhiễu. Nhờ tính chất điều hòa của tín hiệu mà dòng một chiều được triệt tiêu, nên có thể sử dụng chính đường truyền để đồng tải nguồn nuôi các thiết bị kết nối mạng. Một nhược điểm của FSK là tần số tín hiệu tương đối cao. Điều này một mặt dẫn đến khả năng gây nhiễu mạnh đối với bên ngoài và mặt khác hạn chế việc tăng tốc độ truyền. Thực tế, phương pháp này chỉ được sử dụng cho các hệ thống có tốc độ truyền tương đối thấp. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
49. 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 44 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn Truyền dữ liệu nối tiếp, không đồng bộ là phương pháp được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Với phương pháp này, các bit được truyền từ bên gửi tới bên nhận một cách tuần tự trên cùng một đường truyền. Cũng chính vì không có một đường 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. Các chuẩn truyền dẫn TIA/EIA EIA (Electronic Industry Association) và TIA (Telecommunication Industry Association) là các hiệp hội đã xây dựng và phát triển một số chuẩn giao diện cho truyền thông công nghiệp, trong đó có các chuẩn truyền dẫn nối tiếp. Theo nghĩa truyền thống, một chuẩn truyền dẫn nối tiếp trước hết được hiểu là các qui định được thống nhất về giao diện vật lý giữa các thiết bị cuối xử lý dữ liệu (Data Terminal Equipment, DTE) và các thiết bị truyền dữ liệu (Data Communication Equipment, DCE). Một ví dụ tiêu biểu của giao diện DTE/DCE là chuẩn RS-232 giữa máy tính và Modem. Tuy vậy, phạm vi sử dụng các chuẩn truyền nối tiếp không chỉ hạn chế ở việc kết nối giữa các DTE và DCE theo nghĩa cổ điển. Các chuẩn truyền nối tiếp được đề cập tới trong chương mục này là các chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất trong truyền thông công nghiệp, đó là EIA/TIA-232, EIA/TIA- 422 và đặc biệt là EIA/TIA-485. Trước kia, các chuẩn đó được đặt chữ “RS” ở đầu với nghĩa là “Recommended Standard”. Sau này, “RS” đã được thống nhất thay thế bằng “EIA/TIA”. Chú ý rằng, chữ cái ở cuối mỗi tên chuẩn ký hiệu phiên bản chỉnh lý, bổ sung. Ví dụ, EIA/TIA-232-E chỉ phiên bản chỉnh lý lần thứ năm của RS-232, EIA/TIA- 485-A chỉ phiên bản chỉnh lý lần thứ nhất của RS-485. Các chuẩn truyền dẫn của EIA/TIA được chia thành ba phạm trù sau: • Các chuẩn giao diện trọn vẹn (Complete Interface Standards), ví dụ EIA/TIA- 232-F, EIA/TIA-530-A và EIA/TIA-561, đưa ra toàn bộ các qui định về mặt chức năng, về mặt cơ học và về mặt điện học. • Các chuẩn riêng về điện học (Electrical Only Standards), ví dụ EIA/TIA-232-F phần 2, EIA/TIA-422-B và EIA/TIA-485-A, chỉ định nghĩa các thông số về mặt điện học, được trích dẫn trong các chuẩn giao diện trọn vẹn. • Các chuẩn về chất lượng tín hiệu (Signal Quality Standards), ví dụ EIA-334-A, EIA-363 và EIA-404-A, định nghĩa các thuật ngữ và phương pháp cho việc đánh giá chất lượng tín hiệu. Phần trình bày dưới đây tập trung vào các vấn đề liên quan tới giao diện về mặt điện học của ba chuẩn EIA/TIA-232-F, EIA/TIA-422-B và EIA/TIA-485-A. Để tiện cho việc trình bày cũng như theo dõi, chữ “RS” sẽ được sử dụng trong suốt phần cuối của bài giảng này. Do vai trò quan trọng tuyệt đối của RS-485 trong mạng truyền thông công nghiệp, chuẩn này sẽ được mô tả kỹ lưỡng nhất. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
50. 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 45 2.7.1 Phương thức truyền dẫn tín hiệu Tín hiệu được dùng để truyền tải thông tin. Không kể tới môi trường truyền dẫn thì các thành phần cơ bản trong một hệ thống truyền tín hiệu gồm có bộ phát (transmitter, generator), hay còn gọi là bộ kích thích (driver, ký hiệu là D), và bộ thu (receiver, ký hiệu là R). Một thiết bị vừa thu và phát, hay bộ thu phát được gọi với cái tên ghép là transceiver. Hai phương thức truyền dẫn tín hiệu cơ bản được dùng trong các hệ thống truyền thông công nghiệp, đó là phương thức chênh lệch đối xứng (balanced differential mode) và phương thức không đối xứng hay phương thức đơn cực (unbalanced mode, 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 bit mang thông tin được truyền phụ thuộc vào phương pháp mã hóa bit, tức là giá trị logic của tín hiệu tại một thời điểm không nhất thiết phải đồng nhất với giá trị logic của bit tương ứng mang thông tin. Một trong những ưu điểm của phương thức truyền dẫn không đối xứng là chỉ cần một đường dây đất chung cho nhiều kênh tín hiệu trong trường hợp cần thiết, như Hình 2.24 minh họa. Nhờ vậy tiết kiệm được số lượng dây dẫn và các linh kiện ghép nối. D R R D D R Hình 2.24: Truyền dẫn không đối xứng (3 kênh, 4 dây dẫn) Việc sử dụng đất làm điểm tựa cho việc đánh giá mức tín hiệu bộc lộ một nhược điểm cơ bản là khả năng chống nhiễu kém. Nguyên nhân gây nhiễu ở đây có thể là môi trường 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 như tốc độ truyền. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
51. 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 46 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 A D 27Ω VOD 27Ω VA B VOS VB C ( Hình 2.25). A D 27Ω VOD 27Ω VA B VOS VB C Hình 2.25: Truyền dẫn chênh lệch đối xứng Khái niệm “chênh lệch đối xứng” ở đây được thể hiện qua sự cân xứng (tương đối) về điện áp của hai dây A và B đối với điện áp chế độ chung trong điều kiện làm việc bình thường. Một tác động nhiễu ở bên ngoài sẽ làm tăng hay giảm tức thời điện áp ở cả hai dây một giá trị gần tương đương, vì thế tín hiệu ít bị sai lệch. Sự khác nhau về điện áp đất giữa các thiết bị tham gia truyền thông cũng hầu như không ảnh hưởng trực tiếp tới việc đánh giá giá trị logic của tín hiệu. Một nguyên nhân gây nhiễu khác là sự xuyên âm cũng được loại trừ đáng kể khi dùng đôi dây xoắn (twisted pair). Những ưu điểm trên đây dẫn đến sự phổ biến của phương thức truyền dẫn chênh lệch đối xứng trong các hệ thống truyền thông tốc độ cao và phạm vi rộng. A A' D VNOISE R B B' VOS VCM C VGPD C' Hình 2.26: Điện áp chế độ chung VCM và chênh lệch điện áp đất VGPD Trở đầu cuối (terminating resistance) Thông thường, một tín hiệu được phát đi khi tới một đầu dây sẽ phản xạ ngược trở lại, giống như hiện tượng phản xạ ánh sáng. Khi tốc độ truyền tương đối thấp hoặc dây dẫn tương đối ngắn, sao cho thời gian bit TB lớn hơn gấp nhiều lần so với thời gian lan truyền tín hiệu TS, tín hiệu phản xạ sẽ suy giảm và triệt tiêu sau một vài lần qua lại, Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội
52. 2.7 Kỹ thuật truyền dẫn 47 không gây ảnh hưởng tới chất lượng của tín hiệu mang bit dữ liệu được phát tiếp theo. Trong trường hợp khác sẽ xảy ra xung đột tín hiệu, vì vậy người ta dùng một trở kết thúc, hay trở đầu cuối để hấp thụ tín hiệu ban đầu. ý tưởng ở đây là khi một đường dây dẫn dài vô hạn thì sẽ không xảy ra hiện tượng phản xạ tín hiệu. Vì vậy, trở đầu cuối được chọn có giá trị tương đương với trở kháng đặc trưng (trở kháng sóng) của cáp truyền. 2.7.2 RS-232 RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) lúc đầu được xây dựng phục vụ chủ yếu trong việc ghép nối điểm-điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE, Data Terminal Equipment), ví dụ giữa hai máy tính (PC, PLC, v.v ), giữa máy tính và máy in, hoặc giữa một thiết bị đầu cuối và và một thiết bị truyền dữ liệu (DCE, Data Communication Equipment), ví dụ giữa máy tính và Modem (Hình 2.27). ĐƯỜNG RS-232 MODEM MODEM DTE (DCE) (DCE) DTE VIỄN THÔNG Hình 2.27: Giao tiếp giữa hai máy tính thông qua Modem và RS-232 Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất, vì thế được sử dụng rất rộng rãi. Ngày nay, mỗi máy tính cá nhân đều có một vài cổng RS- 232 (cổng COM), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bị ngoại vi hoặc với các máy tính khác. Nhiều thiết bị công nghiệp cũng tích hợp cổng RS-232 phục vụ lập trình hoặc tham số hóa. Đặc tính điện học RS-232 sử dụng phương thức truyền không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Mức điện áp được sử dụng dao động trong khoảng từ -15V tới 15V. Khoảng từ 3V đến 15V ứng với giá trị logic 0, khoảng từ -15V đến - 3V ứng với giá trị logic 1, như biểu diễn trên Hình 2.28. Bài giảng: Mạng truyền thông công nghiệp © 2008, Hoàng Minh Sơn – ĐHBK Hà Nội