Bài giảng Các chuẩn giao tiếp

_________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 1 ¡ CHƯƠNG 5 các chuẩn giao tiếp ’ GIAO TIẾP DÙNG DÒNG ĐIỆN VÒNG 20 mA ’ CHUẨN GIAO TIẾP RS232D – Đăc tính cơ – Đặc tính điện – Chức năng ’ CHUẨN GIAO TIẾP RS449, 422A & 423A ___________________________________________________________________________ ____ Vấn đề kết nối các thiết bị truyền thông sẽ trở nên hỗn loạn một khi có rất nhiều thiết bị của nhiều hãng sản xuất khác nhau được phép kết nối vào hệ thống thông tin quốc gia. Thấy trước điều đó, Hiệp Hội Kỹ Nghệ Điện Tử (EIA) đã cho ra đời các chuẩn giao tiếp để chuẩn hóa việc kết nối các thiết bị nói trên. Khi máy tính (DTE) và các thiết bị truyền dữ liệu (DCE) khác được đặt trong cùng một tòa nhà, chúng có thể được nối với nhau một cách kinh tế bằng những dây truyền hoặc những mạch giao tiếp nối tiếp hoạt động ở băng tần cơ bản (dải nền). Trong trường hợp trở kháng ra và tín hiệu TTL của UART không thích hợp để phát trực tiếp lên đường dây, ta phải dùng mạch kích phát và thu, những mạch này cho phép sử dụng các mức điện áp hoặc dòng điện lớn hơn tiêu chuẩn của IC số. Chương này sẽ bàn đến một số chuẩn giao tiếp của EIA thỏa mãn các giao thức tầng 1, tức các tiêu chuẩn liên hệ đến tính năng vật lý của đường truyền, các đặc tính điện của tín hiệu và cách sử dụng các bộ kết nối và các chân ra. 5.1 Giao tiếp dùng dòng điện vòng 20 mA Dòng điện vòng đầu tiên được dùng để truyền tín hiệu nhị phân bất đồng bộ giữa máy tính và máy viễn ấn (teleprinter, TTY). Trong cách truyền này, mức 1 được biểu thị bởi dòng điện vòng 20 mA và mức 0 bởi dòng điện 0 mA. Như vậy thông tin được truyền đi chính là sự tắt mở của dòng điện. Hệ thống là một vòng kín gồm một nguồn dòng tạo ra dòng điện không đổi 20 mA, bộ phận đóng ngắt (current switch) được đặt ở máy phát và bộ phận dò ra dòng điện này (current detect) ở máy thu. Khi hệ thống không có tín hiệu để truyền, người ta giám sát sự liên tục của hệ thống dựa vào sự hiện hữu của dòng điện 20 mA này. Đây chính là lý do tại sao trong các hệ thống sau này người ta đưa bit 1 lên đường truyền khi hệ thống nghỉ. (H 5.1) là một hệ thống dùng dòng điện vòng với bộ phận đóng ngắt là các relay. Ở phần phát, giả sử dữ liệu đến từ ngã TxD của UART là bit 1, transistor dẫn làm đóng relay phát, dòng điện 20 mA chạy qua phần thu và đóng relay thu, đưa ngã ra lên cao (sau khi qua cổng đảo), tín hiệu này được truyền đến UART trên đường RxD. Nếu tín hiệu phát là bit 0 trên đường TxD, do không có dòng điện chạy qua, các relay phát và thu đều hở , ta được bit 0 trên đường RxD. _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 2 (H 5.1) Điều kiện hoạt động hữu hiệu của hệ thống dùng dòng điện vòng là phải có một sự cách ly tốt giữa dòng điện vòng và mạch thu. Ngoài ra để bảo đảm giá trị của nguồn dòng không bị ánh hưởng bởi đường dây trở kháng ra của máy phát phải rất lớn so với trở kháng đường dây. Ngày nay, ghép nối quang thường được sử dụng như là một phương tiện cách ly rất tốt. Sự tắt mở của dòng điện được biến thành sự tắt mở của chùm tia sáng được dò ra bởi transistor quang. (H 5.2) mô tả một hệ thống dùng dòng điện vòng ghép nối quang. (H 5.2) Ở phần phát, giả sử dữ liệu đến từ ngã TxD của UART là bit 1, các transistor dẫn, dòng điện 20 mA chạy qua phần thu làm led phát sáng, transistor ghép quang dẫn đưa ngã ra lên cao (sau khi qua cổng đảo), tín hiệu này được truyền đến UART trên đường RxD. Nếu tín hiệu phát là bit 0 trên đường TxD, do không có dòng điện chạy qua, led không phát sáng, transistor ghép quang ngưng ta được bit 0 trên đường RxD. Hệ thống dùng dòng điện vòng chỉ sử dụng cho khoảng cách nhỏ hơn 500m. Để truyền khoảng cách xa hơn 500m, người ta dùng modem mà chúng ta sẽ bàn đến trong một chương khác. 5.2 CHUẩN GIAO TIếP RS-232D (EIA 530) Chuẩn giao tiếp RS-232 của EIA được phát hành lần đầu tiên vào năm 1962, đến năm 1969 ra đời thế hệ thứ 3 là chuẩn RS-232C, hiện thời cũng còn được dùng rộng rãi và năm 1987 RS-232D xuất hiện. RS-232D có thể xem là cải tiến của RS-232C, có hai điểm khác biệt giữa hai chuẩn này là - RS-232D xác định nối cáp riêng biệt cho nó trong khi RS-232C thì có thể dùng nhiều loại đầu nối khác nhau (trong thực tế RS-232C đã sử dụng nối cáp mà hiện nay là chuẩn của RS-232D) - RS-232D có thêm 3 mạch để thực hiện tác vụ test mà RS-232C không có. _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 3 RS-232D được sử dụng rộng rãi cho các chức năng kết nối, đặc biệt trong các kết nối giữa các thiết bị DTE và các modem âm tần (voice grade modem) để dùng trong hệ thống viễn thông công cộng. Dưới đây là các đặc tính quan trọng của RS-232D : 5.2.1 Đặc tính cơ Đặc tính cơ liên hệ đến kết nối vật lý giữa DTE và DCE. Đây là qui định về dây và đầu nối. Đối với RS-232D đầu nối là loại DB-25, được mô tả ở (H 5.3). (H 5.3) 5.2.2 Đặc tính điện Đặc tính điện xác định tín hiệu giữa DTE và DCE. Tín hiệu số được dùng trong mọi trao đổi. Mức điện áp logic của RS-232D nằm trong khoảng ±15V. * Các đường dữ liệu sử dụng logic âm: logic 1 tương ứng với điện áp trong khoảng (- 5V , -15V); logic 0 chiếm khoảng (+5V, +15V). * Các đường điều khiển sử dụng logic dương: từ +5V đến +15V tương ứng với điều kiện ON (hay TRUE) và từ -5V đến -15V tương ứng với điều kiện OFF (hay FALSE) Ở chuẩn giao tiếp này, mức nhiễu được giới hạn là 2V. Do đó ngưỡng nhỏ nhất của ngã vào là ± 3V. Điện áp lớn nhất trên đường dây khi không tải là ± 25V. Một số đặc điểm về điện khác : * Điện trở tải RL có giá trị trong khoảng từ 3 kΩ đến 7 kΩ * Điện dung tải CL không quá 2500 pF * Để ngăn chận sự dao động, tốc độ thay đổi điện áp (slew rate) không được vượt quá 30V/µs * Thời gian chuyển mức tín hiệu từ ON sang OFF hay ngược lại: - Đối với các đường điều khiển, không được vượt quá 1ms. - Đối với các đường dữ liệu không được vượt quá 4% thời gian của một bit hoặc 1ms. * Tốc độ truyền dữ liệu là 20 kbps và không quá 15m. 5.2.3 Chức năng Tóm tắt chức năng của RS-232D cho ở bảng 5.1 . Những mạch trao đổi nhóm thành các loại: - Dữ liệu - Điều khiển - Định thời và - Đất. RS-232D có có thể truyền song công hoặc bán song công. Khi đề cập tới chức năng của RS-232 nói chung, chúng ta không phân biệt giữa chân, đường dây và tín hiệu vì một chân luôn luôn nối với một đường dây và chỉ sử dụng cho loại tín hiệu duy nhất. Có 14 đường điều khiển: 8 đường đầu tiên trong bảng liên hệ đến việc truyền dữ liệu của kênh sơ cấp, 6 trong các đường này được dùng để truyền bất đồng bộ (CA, CB, CC, CD, CE, CF). Để truyền đồng bộ ngoài 6 đường này ta thêm vào 2 đường điều khiển (CG,CH). Bảng 5.1 Các tín hiệu của RS 232D pin/nhản Tên Chiều truyền Tên khác và viết tắt _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 4 2/BA 3/BB 14/SBA 16/SBB 4/CA 5/CB 6/CC 20/CD 22/CE 8/CF 21/CG 23/CH 19/SCA 13/SCB 12/SCF 21/RL 18/LL 25/TM 15/DB 24/DA 17/DD 7/AB 1 Tín hiệu dữ liệu Transmitted Data Received Data Secondary trans. Data Secondary Rece. Data Tín hiệu điều khiển Request to send Clear to send DCE Ready DTE Ready Ring Indicator Received Line Signal Detector Signal quality Detector Data Signal rate select Secondary Request to send Secondary clear to send Secondary RLSD Remote loop back 1 Local loop back 2 Test mode 3 Timing signals Transmission Sig.Ele. timing Transmit Sig. Ele. timing Receiver Sig. Element timing Ground/Shield Signal Ground Protect Ground DTE → DCE DCE → DTE DTE → DCE DCE → DTE DTE → DCE DCE → DTE DCE → DTE DTE → DCE DCE → DTE DCE → DTE DCE → DTE DTE → DCE DTE → DCE DCE → DTE DCE → DTE DTE → DCE DTE → DCE DCE → DTE DCE → DTE DTE → DCE DCE → DTE N/A N/A Send data (TD,SD) (RD) New Synch (NS) Divided Clock Transmit (DCT) (RS,RTS) (CS, CTS) Data set Ready, Modem Ready (DSR) Data Terminal Ready (DTR) (RI) (RLSD, Carrier on detect, COD) (SQ) (SS) Local mode (LM)-Asynch. modem Serial clock transmit (SCT) Serial clock transmit External (SCTE) Serial clock Receive (SCR) Common Return Shield Ghi chú: (1) Trong RS 232C là mạch CG . (2), (3) không có trong RS 232C Dưới đây là chức năng của các tín hiệu (chân, đường dây) @ Nhóm dữ liệu: - Transmitted Data (2): Dữ liệu nối tiếp phát bởi DTE tới DCE trên đường dây này. Dữ liệu được lấy mẫu khi có sự chuyển trạng thái từ ON xuống OFF của dường dây Transmitter Signal Element Timing (15). Dữ liệu chỉ được phát khi các chân RTS, CTS và DSR ở trạng thái ON. - Received Data (3) : Dữ liệu đã giải điều chế gửi từ DCE (modem) tới DTE. Nếu không có tín hiệu đến (RLSD OFF) , tín hiệu mark được tạo ra bên trong modem sẽ được gửi lên đường dây này. - Secondary Transmitted Data(14): Giống pin 2 nhưng dành cho kênh thứ cấp. - Secondary Received Data (16): Giống pin 3 nhưng dành cho kênh thứ cấp. @ Nhóm tín hiệu điều khiển: - Request To Send (4): DTE yêu cầu phát * Khi vận hành theo chế độ ngắt sóng mang (switched carrier operation), điều kiện ON của mạch này báo cho DCE phát biết là DTE muốn phát dữ liệu. * Khi vận hành theo chế độ sóng mang liên tục (contiuous carrier operation), do sóng mang được phát liên tục nên điều kiện ON của mạch này có tác dụng tạo thời trễ (đã được chọn trước) giữa RTS và CTS. - Clear To Send (5): DCE gần báo cho DTE là nó sẵn sàng truyền tín hiệu * Khi vận hành theo chế độ ngắt sóng mang, mạch này lên ON 48,5 ms sau khi modem nhận tín hiệu RTS (đây là thời gian máy thu dùng để kiểm tra (training) chuỗi dữ liệu) và có nghĩa là DCE sẵn sàng truyền tín hiệu. _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 5 * Khi vận hành theo chế độ sóng mang liên tục, modem sẽ đưa đường dây này lên ON sau một thời trễ xác định kể từ lúc nhận được tín hiệu RTS. - DCE Ready (6): DCE gần báo cho DTE là nó sẵn sàng phát và thu tín hiệu, nó không ở chế độ TEST. Trạng thái ON của đường dây không có nghĩa là một kênh truyền tin đã được thiết lập với đài xa. - DTE Ready (20): DTE sẵn sàng vận hành. - Ring Indicator (22): DCE báo cho DTE gần là nó đã nhận được tín hiệu chuông. - Received Line Signal Detector (8): Chân này lên ON 45 ms sau khi DCE nhận tín hiệu sóng mang (hay 41 ms sau khi chân SQ (signal quality detect) lên ON), trong khoảng thời gian này modem thu kiểm tra (training) chuỗi dữ liệu tới và điều chỉnh mạch điều hợp cân bằng (adaptive equalizer) đồng thời đi vào chế độ đồng bộ với sóng mang thu. Mạch này phải lên ON trước khi dữ liệu có thể nhận được bởi mạch RD. - Signal Quality Detector (21): Mạch này báo có nhận được sóng mang hay không. Mạch lên ON khi nhận được sóng mang liên tục trong 4 ms hay lâu hơn và OFF sau khi mất sóng mang 2ms. Với các modem thế hệ mới, mạch này còn có chức năng báo khi tín hiệu nhận được xấu dưới một ngưỡng nào đó để hệ thống có thể thay đổi vận tốc truyền cho phù hợp. - Data Signal Rate Select (23): Được yêu cầu khi thay đổi vận tốc truyền. Hoặc DTE hoặc DCE có trách nhiệm chọn vận tốc. - Secondary Request To Send (19): Giống pin 4 nhưng dành cho kênh thứ cấp. - Secondary Clear To Send (13): Giống pin 5 nhưng dành cho kênh thứ cấp. - Secondary RLSD (12): Giống pin 8 nhưng dành cho kênh thứ cấp. @ Nhóm tín hiệu định thời dùng trong chế độ đồng bộ: - Transmission Signal Element Timing (15): Mạch này cung cấp tín hiệu thời gian (từ dao động nội trong modem) cho việc phát dữ liệu từ DTE tới modem. Dữ liệu gửi tới modem khi có sự chuyển trạng thái từ OFF sang ON của đường dây này và được lấy mẫu bởi modem khi trạng thái chuyển từ ON sang OFF. Tín hiệu trên đường dây này được tạo ra bởi dao động nội trong modem. - Transmit Signal Element Timing (24): Modem nhận tín hiệu thời gian từ bên ngoài, cấp bởi DTE (Đồng bộ từ bên ngoài). Dữ liệu ra trên mạch TD vẫn được kiểm soát bởi tín hiệu từ modem trên pin 15. - Receiver Signal Element Timing (17): Tín hiệu định thời cho DTE thu. Sự chuyển trạng thái từ ON sang OFF đánh dấu điểm giữa của tín hiệu trên mạch RD @ Nhóm tín hiệu đất: - Signal Ground (7): Thiết lập mass chung, điểm tham khảo cho các điện thế đường dây. - Protect Ground (1): Nối với sườn máy và mass bên ngoài (DCE hoặc DTE chứ không cả hai). Cách ly với Signal Ground bởi điện trở 100Ω bên trong. - Pin 9 & 10 dự phòng cho Data set testing. - Pin 11 không sử dụng cho chuẩn EIA nhưng có thể sử dụng với tên Equalizer Mode (EM): khi chân RLSD ON và chân (11) này OFF có nghĩa là tín hiệu nhận được xấu (xác suất lỗi lớn), modem sẽ retrain tín hiệu tới và nếu chân này ON thì tín hiệu nhận được tốt. Tín hiệu chân này dùng điều khiển mạch adaptive equalizer trong modem. - Pin 14 (New Synch): không sử dụng cho chuẩn EIA. Mạch này được dùng cho DCE ở trạm sơ cấp trong hệ thống nhiều điểm. Trong hệ thống này sự đồng bộ của máy thu (sơ cấp) với nhiều máy phát thứ cấp cần được thực hiện nhanh. Thường máy thu hay duy trì thông tin về thời gian của bản tin sau khi bản tin đã chấm dứt, điều này ảnh hưởng đến sự đồng bộ khi nhận bản tin kế tiếp. Trạng thái ON được câp vào chân này bởi DTE trong khoảng thời gian 1 ms nhưng không dài hơn khoảng cách hai bản tin để loại bỏ thông tin về thời gian trước khi nhận bản tin của trạm thứ cấp khác. _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 6 @ Nhóm tín hiệu điều khiển liên hệ đến việc test vòng. Những mạch này cho phép DTE lệnh cho DCE thực hiện việc test vòng (H 5.4). Những mạch này chỉ có giá trị khi các modem hay các DCE khác có mạch test vòng , đây là một tính chất mà hầu hết các modem hiện nay đều có. - Remote Loop Back (21): Thiết lập DCE xa cho vòng kiểm tra - Local Loop Back (18): Thiết lập DCE cho vòng kiểm tra từ DTE - Test Mode (25): Chỉ DCE gần đang ở điều kiện kiểm tra * Thực hiện test vòng: - Để kiểm tra vòng nội bộ, ngã ra của modem máy phát nối với ngã vào của modem máy thu, ngắt modem khỏi đường phát. Một dòng dữ liệu phát sinh bởi thiết bị của người sử dụng (vd máy tính) được gửi tới modem và vòng trở về thiết bị của người sử dụng (H 5.4a). - Để kiểm tra từ xa, modem gần được nối với đường truyền bình thường, modem xa ngắt khỏi DTE, ngã ra của bộ phận phát của modem xa nối vào ngã vào của bộ phận thu của modem này và ngã ra của bộ phận thu ở modem xa nối vào ngã vào của bộ phận thu của modem gần để hình thành một vòng kiểm tra (H 5.4b). DTE ⎯ ← → ⎯ Transmitter Receiver ⎯ ⏐ ⏐ ← DTE ⎯ ← → ⎯ Transmitter Receiver ⎯ ← ⎯ ⎯ → ⎯ Receiver Transmitter ⎯ ⏐ ⏐ ← (a) (H 5.4) (b) Bảng 5.2 cho biết cách thiết lập các mạch liên hệ đến vòng kiểm tra Bảng 5.2 Loopback Circuit Settings for RS-232D Local loopback Remote Loopback Circuit Condition Circuit Local Interface Remote Interface DCE Ready Local Loopback Remote Loopback Test Mode ON ON OFF ON DCE Ready Local Loopback RemoteLoopback Test Mode ON OFF ON ON OFF OFF OFF ON Dưới đây là vài thí dụ cho thấy việc thực hiện một tác vụ cụ thể 1.- Thủ tục bắt tay truyền bán song công giữa hai điểm : (H 5.5) cho thấy các đường dữ liệu và các đường điều khiển được nối với nhau như thế nào để thực hiện một tác vụ truyền bất đồng bộ bán song công giữa một Terminal (DTE) và một máy tính (DTE), có sử dụng modem (DCE). Kết nối giữa các DTE và DCE dĩ nhiên là các chuẩn RS-232. Modem của máy tính vận hành theo chế độ ngắt sóng mang. Giả sử máy tính muốn phát tín hiệu cho Terminal. Hai đường điều khiển DSR và DTR đều ở ON. _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 7 (H 5.5) Trước nhất máy tính mở ON chân RTS để yêu cầu phát, khi Modem gần dò ra tín hiệu này nó bắt đầu phát sóng mang tới Terminal. Ở phía Terminal, 4 ms sau khi nhận được sóng mang, chân SQ được đưa lên ON để hiệu lực hóa sự thu tín hiệu này và modem Terminal (xa) bắt đầu kiểm tra (training) trên sóng mang này, sau khi training xong (41 ms) chân RLSD (CD) lên ON. Trong lúc đó ở máy tính, 48 ms sau khi nhận tín hiệu RTS, modem máy tính mở ON chân CTS để báo cho máy tính rằng nó bắt đầu phát dữ liệu, lúc này máy tính bắt đầu phát dữ liệu ra đường truyền TD đến điều chế sóng mang ở modem và tín hiệu cuối cùng được phát đi trên đường dây điện thoại. Ở bộ phận thu, modem Terminal giải điều chế sóng mang tới, biến đổi trở lại thành tín hiệu số dạng nối tiếp và gửi tín hiệu này tới Terminal để giải mã. Khi máy tính hoàn tất việc phát dữ liệu nó đưa chân RTS xuống OFF. Khi modem của máy tính dò ra tín hiệu này nó đưa chân CTS xuống OFF và ngưng phát sóng mang. Ở bộ phận thu, 2 ms sau khi mất sóng mang, chân SQ xuống OFF và chân RLSD xuống OFF theo sau tức thời. Bộ phận tạo tín hiệu mark trong modem Terminal tạo ra chuỗi tín hiệu mark trên đường RD đưa Terminal vào trạng thái nghỉ. Lưu ý là sự giải điều chế ở máy thu không xảy ra tức thời nên các bit cuối cùng phát bởi máy tính có thể sẽ bị mất, để tránh điều này, người ta dùng 2 ms trễ từ khi mất sóng mang cho đến khi chân RLSD xuống OFF. - Mặc dù chuẩn RS-232 được dùng để kết nối giữa modem và thiết bị đầu cuối nhưng đôi khi nó cũng được sử dụng để nối hai đầu cuối với nhau, hoặc một máy tính và một máy in mà không sử dụng các modem. Trong những trường hợp như vậy, các đường TD và RD phải được nối chéo nhau và các đường điều khiển cần thiết phải ở TRUE hoặc phải được tráo đổi thích hợp bên trong cáp nối. Sự nôi cáp của RS-232 mà có sự tráo đổi đường dây gọi là modem rỗng (null modem). Sơ đồ kết nối mẫu cho ở (H 5.6) (H 5.6) 2.- Mô tả hoạt động của một hệ thống thu phát qua giản đồ thời gian của các tín hiệu trên các chân RS-232D. Hệ thống truyền có một số đặc điểm sau đây: @ Thời trễ RTS/CTS: - 40ms ngắt sóng mang - 20ms thời trễ chọn trước cho vận hành theo chế độ sóng mang liên tục. @ RLSD _________________________________________________________________________________________________________________ Nguyễn Trung Lập Truyền dữ liệu _________________________________________________Chương 5 Các chuẩn giao tiếp V - 8 - Lên ON 10 ms sau khi nhận sóng mang tương tự. Để đơn giản, thời gian này bao gồm thời gian SQ - Xuống OFF 0 ms sau khi mất sóng mang (bao gồm thời gian SQ). @ Trạm sơ cấp vận hành theo chế độ sóng mang liên tục @ Trạm thứ cấp vận hành theo chế độ ngắt sóng mang. @ Trạm sơ cấp sẽ gửi bản tin dài 150 ms cho trạm thứ cấp. @ Thời trễ truyền (từ modem sơ cấp đến modem thứ cấp và ngược lại) = 30 ms @ Thời gian trả lời trễ của thứ cấp = 100 ms (turnaround time: thời gian từ lúc nhận được bản tin đến lúc trả lời). Thời gian này bao gồm: - Thời gian nhận bản tin, thực hiện kiểm tra và quyết định nội dung trả lời. - Thờ