ĐỀ TÀI Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet Nhóm sinh viên: Trác Quang Hòa Nguyễn Tiến Tùng 1 Mục lục Lời nói đầu Trang Chương I – Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.1- Đặt vấn đề 6 1.2- Mục tiêu của đề tài 6 1.3- Nhiệm vụ của đề tài 6 Chương II– Tổng quan về mạng Ethernet 2.1-Kiến trúc giao thức 7 2.2-Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn 8 2.3-Cơ chế giao tiếp 9 2.4-Cấu trúc bức điện 10 2.5-Truy nhập bus 11 2.6-Chuẩn IEEE 802 14 Chương III– Các phương thức truyền tin dựa theo chuẩn Ethernet 3.1-Họ giao thức TCP/IP 17 3.2-Cấu trúc gói tin IP,TCP,UDP 3.2.1 Cấu trúc địa chỉ IP 21 3.2.2 Cấu trúc gói tin IP 22 3.2.3 Cấu trúc gói tin TCP và quá trình kết nối của giao thức TCP 24 3.2.4 Cấu trúc gói tin UDP 28 3.3-Cấu trúc phần cứng, phần mềm 3.3.1 Vi điều khiển 29 3.3.2 Thiết bị ghép nối Ethernet với vi điều khiển 44 3.3.3 Một số thành phần khác 49 Chương IV– Mô hình ứng dụng sử dụng Ethernet 4.1- Phần cứng 4.1.1 Các thành phần của mạch 50 4.1.2 Sơ đồ mạch nguyên lý, mạch in 50 4.2- Phần mềm 4.2.1 Các hàm dùng cho vi điều khiển PIC16F877A trong 2 mikroC 51 4.2.2 Các hàm API dùng cho PC 54 4.3- Một số kết quả thực hiện được 58 Chương V– Kết luận và hướng phát triển của đề tài 5.1-Đánh giá kết quả thực hiện đồ án 63 5.2- Hướng phát triển của đồ án 63 Tài liệu tham khảo 64 Phụ lục 65 3 Danh mục các hình vẽ Hình 1: Ethernet/IEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802 7 Hình 2: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 10 Hình 3: Minh họa phương pháp CSMA/CD 12 Hình 4: Kiến trúc giao thức TCP/IP 17 Hình 5:Gói dữ liệu trong lớp liên kết dữ liệu 20 Hình 6: Tổ chức địa chỉ IP 21 Hình 7: Mạng con và mặt nạ 22 Hình 8: Quá trình thiết lập kết nối của giao thức TCP 26 Hình 9: Vi điều khiển PIC 16F877A 29 Hình 10: Sơ đồ khối cấu trúc của vi điều khiển PIC 16F877A 31 Hình 11: Bộ nhớ chương trình PIC16F877A 32 Hình 12: Bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A 33 Hình 13: Sơ đồ khối của Timer 0 34 Hình 14: Sơ đồ khối Timer 1 36 Hình 15: Sơ đồ khối Timer 2 36 Hình 16: Sơ đồ kết nối của chuẩn giao tiếp SPI 39 Hình 17: Sơ đồ kết nối của chuẩn giao tiếp SPI 40 Hình 18: Giản đồ xung SPI ở chế độ Master Mode 41 Hình 19: Giản đồ xung chuẩn giao tiếp SPI ở chế độ Slave Mode 42 Hình 20: Sơ đồ logic của tất cả các ngắt trong vi điều khiển PIC 16F877A 43 Hình 21: ENC28J60 45 Hình 22 : Giao diện cơ bản ENC28J60 45 Hình 23: Các vùng nhớ của ENC28J60 46 Hình 24: Vùng đệm truyền nhận của ENC28J60 47 Hình 25: RJ45 tích hợp biến áp 49 Hình 26: Giắc RJ45 và cáp đôi dây xoắn 49 Hình 27: Sơ đồ mạch in 51 Hình 28 : Đo và hiển thị nhiệt độ trên LCD. 58 Hình 29 : Hiển thị nhiệt độ nhận được trên PC. 58 Hình 30 : Gửi dữ liệu xuống vi điều khiển, sử dụng giao thức TCP 59 Hình 31 : Nhận dữ liệu từ PC, theo giao thức TCP. 59 Hình 32 : Đặt IP và Port mới 60 4 Hình 33 : Hiển thị IP và Port mới 60 Hình 34 : Gửi và nhận dữ liệu theo giao thức UDP 61 Hình 35 : Hiển thị dữ liệu nhận được theo giao thức UDP 61 Hình 36: Các lựa chọn của chương trình 62 5 Lời nói đầu Internet ngày nay đã trở thành một công cụ hiệu quả trong tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội, việc kết nối giữa các máy tính đã trở nên dễ dàng rất nhiều. Với mong muốn xây dựng một phương thức kết nối giữa máy tính và thiết bị điều khiển theo chuẩn Ethernet nhằm mục đích nâng cao kiến thức thực tiễn, chúng em đã được sự giúp đỡ của thầy giáo - Tiến sĩ Lưu Hồng Việt, đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mạch thiết bị điều khiển tích hợp giao diện truyền thông Ethernet. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – TS Lưu Hồng Việt đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Chúng em cũng xin cảm ơn bộ môn điều khiển tự động đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình chúng em thực hiện đồ án. Nhóm sinh viên Trác Quang Hòa Nguyễn Tiến Tùng 6 CHƯƠNG 1 : MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của thiết bị điện- điện tử, việc giao tiếp với máy tính là hết sức cần thiết. Điều này không những tận dụng được tài nguyên, khả năng xử lý của máy tính mà còn giúp người sử dụng có thể theo dõi các đối tượng làm việc phía dưới. Hiện nay, có nhiều phương pháp kết nối máy tính với các thiết bị điều khiển như thực hiện việc kết nối theo chuẩn RS232, RS485 rất phổ biến, tuy nhiên khi thực hiện việc kết nối các theo chuẩn này gặp phải một số vấn đề cơ bản sau:  Khoảng cách kết nối giữa máy tính với thiết bị điều khiển khoảng 30-40m.  Tốc độ truyền thông của RS232 chỉ khoảng 19.2kBd.  Ghép nối điểm-điểm. Những nhược điểm của các phương pháp giao tiếp trên cũng chính là những ưu điểm của mạng Ethernet. Với những lợi thế của mình, mạng Ethernet đã trở thành mạng phổ biến nhất trong các hệ thống nhà máy công nghiệp. Để có thể kết nối thiết bị điều khiển với máy tính theo chuẩn Ethernet, chúng em đã thực hiện đề tài này. 1.2 Mục tiêu của đề tài Thực hiện việc kết nối thiết bị điều khiển với PC thông qua mạng Ethernet. Qua đó, thực hiện việc trao đổi dữ liệu, thực hiện một số ứng dụng cụ thể như : thu thập hiển thị nhiệt độ; điều khiển, hiển thị tốc độ động cơ dùng Ethernet… 1.3 Nhiệm vụ của đề tài Để thực hiện được mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ cần đặt ra là : 1. Thiết kế mạch phần cứng thiết bị điều khiển. 2. Xây dựng phần mềm giao diện Ethernet. Thiết kế phần mềm giao diện trên PC giúp người sử dụng thực hiện đặt các giá trị đặt và theo dõi trạng thái đối tượng bên dưới. 7 Tổng quan về Ethernet CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ETHERNET Ethernet là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Thực chất, Ethernet chỉ là mạng cấp dưới (lớp vật lý và một phần lớp liên kết dữ liệu), vì vậy có thể sử dụng các giao thức khác nhau ở phía trên, trong đó TCP/IP là tập giao thức được sử dụng phổ biến nhất. Tuy vậy, mỗi nhà cung cấp sản phẩm có thể thực hiện giao thức riêng hoặc theo một chuẩn quốc tế cho giải pháp của mình trên cơ sở Ethernet. High Speed Ethernet (HSE) của Fieldbus Foundation chính là một trong tám hệ bus trường được chuẩn hóa quốc tế theo IEC 61158. Ethernet có xuất xứ là tên gọi một sản phẩm của công ty Xerox, được sử dụng đầu tiên vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm máy tính với cáp đồng trục dài 1km, tốc độ truyền 2,94 Mbit/s và áp dụng phương pháp truy nhập bus CSMA/CD. Từ sự thành công của phương pháp này, Xerox đã cùng DEC và Intel đã xây dựng một chuẩn 10 Mbit/s- Ethernet. Chuẩn này chính là cơ sở cho IEEE 802.3 sau này. Đặc biệt, với phiên bản 100 Mbit/s (Fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống công nghiệp. Bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn và cáp quang, gần đây Ethernet không dây (Wireless LAN, IEEE 802.11) cũng đang thu hút được sự quan tâm lớn. 2.1 Kiến trúc giao thức Kiến trúc giao thức của Ethernet theo chuẩn IEEE 802.3 chỉ bao gồm lớp vật lí và lớp MAC (Medium Access Control, lớp điều khiển truy nhập môi trường). 8 Tổng quan về Ethernet Hình 1: Ethernet/IEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802. 2.2 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn Về mặt logic, Ethernet có cấu trúc bus. Cấu trúc mạng vật lí có thể là đường thẳng hoặc hình sao tùy theo phương tiện truyền dẫn. Bốn loại cáp thông dụng nhất : cáp đồng trục dầy, cáp đồng trục mỏng, cáp đôi dây xoắn, cáp quang. Tên hiệu Loại cáp Chiều dài tối đa Số trạm tối đa 10BASE5 Cáp đồng trục dầy 500m 100 10BASE2 Cáp đồng trục mỏng 200m 30 10BASE-T Cáp đôi dây xoắn 100m 1024 10BASE-F Cáp quang 200m 1024 Bảng 1 : Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng. Loại 10BASE5 còn được gọi là cáp dầy ( thick Ethernet), loại cáp đồng trục thường có màu vàng. Kí hiệu 10BASE5 có nghĩa là tốc độ truyền tối đa 10Mbit/s, phương pháp truyền tải dải cơ sở và chiều dài một đoạn mạng tối đa 500m. Loại cáp đồng trục thứ hai có kí hiệu 10BASE2 được gọi là cáp mỏng ( thin Ethernet), rẻ hơn nhưng hạn chế một đoạn mạng ở phạm vi 200m và số lượng 30 trạm. Với 10BASE5, bộ nối được gọi là vòi hút ( vampire tap), đóng vai trò một bộ thu phát ( transceiver ). Bộ thu phát chứa vi mạch điện tử thực hiện chức năng nghe ngóng đường truyền và nhận biết xung đột. Trong trường hợp xung đột được phát hiện, bộ thu phát gửi một tín hiệu không hợp lệ để tất cả các bộ thu phát khác cũng nhận biết được rằng xung đột đã xảy ra. Như vậy, chức năng của module giao diện mạng được giảm nhẹ. Cáp nối giữa bộ thu phát và card giao diện mạng được gọi là cáp thu phát, có thể dài tới 50m và chứa tới năm đôi dây xoắn bọc lót riêng biệt ( STP). Hai đôi dây cần cho trao đổi dữ liệu, hai đôi cho truyền tín hiệu điều khiển, còn đôi dây thứ năm có thể sử dụng để cung cấp nguồn cho bộ thu 9 Tổng quan về Ethernet phát. Một số bộ thu phát cho phép nối tới tám trạm qua các cổng khác nhau, nhờ vậy tiết kiệm được số lượng bộ nối cũng như công lắp đặt. Với 10BASE2, card giao diện mạng được nối với cáp đồng trục thông qua bộ nối thụ động BNC hình chữ T. Bộ thu phát được tích hợp trong bảng mạch điện tử của module giao diện mạng bên trong máy tính. Như vậy, mỗi trạm có một bộ thu phát riêng biệt. Về bản chất, cả hai kiểu dây với cáp đồng trục như nói trên đều thực hiện cấu trúc bus ( vật lí cũng như logic), vì thế có ưu điểm là tiết kiệm dây. Tuy nhiên, các lỗi phần cứng như đứt cáp, lỏng bộ phận nối rất khó phát hiện trực tuyến. Mặc dù đã có một số biện pháp khắc phục, phương pháp tin cậy hơn là sử dụng cấu trúc hình sao với một bộ chia ( hub) hoặc một bộ chuyển mạch ( switch ). Cấu trúc này thông thường được áp dụng với cáp đôi dây xoắn, nhưng cũng áp dụng được với cáp đồng trục ( ví dụ Industrial Ethernet). Đa số cấu hình mạng Ethernet có kết nối với thiết bị điều khiển thường sử dụng chuẩn chung 10BASE-T. Trong mạng này các trạm được nối với nhau qua một bộ chia giống như cách nối các mạng điện thoại. Ưu điểm của cấu trúc này là việc bổ xung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng cũng như việc phát hiện cáp truyền rất đơn giản. Nhược điểm có thể thấy rõ nhất đó là tốn dây dẫn và công đi dây cũng như chi phí cho bộ chia chất lượng cao cũng là một vấn đề. Bên cạnh đó, khoảng cách tối đa cho phép từ một trạm tới bộ chia thường bị hạn chế trong vòng 100 – 150m. Bên cạnh cáp đồng trục và cáp đôi dây xoắn thì cáp quang cũng được sử dụng nhiều trong Ethernet, trong đó đặc biệt là 10BASE-F. Với cách ghép nối duy nhất là điểm – điểm, cấu trúc mạng có thể là daisy-chain, hình sao hoặc hình cây. Thông thường, chi phí cho các bộ nối và chặn đầu cuối rất lớn nhưng khả năng kháng nhiễu tốt và tốc độ truyền cao lá các yếu tố quyết định trong nhiều phạm vi ứng dụng. Trong nhiều trường hợp, ta có thể sử dụng phối kết hợp nhiều loại trong một mạng Ethernet. Ví dụ, cáp quang hoặc cáp đồng trục dầy có thể sử dụng là đường trục chính hay xương sống ( backbone ) trong cấu trúc cây, với các đường nhánh là cáp mỏng hoặc đôi dây xoắn. Đối với mạng quy mô lớn, có thể sử dụng các bộ lặp, nhưng đường dẫn giữa hai bộ thu phát không được phép dài quá 2,5km cũng như không đi qua quá bốn bộ lặp. 10 [...]... dựng giao diện truyền thông Ethernet thì cấu trúc phần cứng của giao diện truyền thông bao gồm 3 phần chính sau : -Vi điều khiển -Thiết bị kết nối Ethernet với vi điều khiển -RJ45 tích hợp biến áp 3.3.1 Vi điều khiển Vi điều khiển sử dụng để thực hiện giao tiếp là PIC 16F877A Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F877A Hình 9: Vi điều khiển PIC 16F877A 31 Xây dựng mô hình minh họa Một vài thông số về vi điều. .. đường truyền Nếu gói tin bị mất là gói đầu tiên thì bên gửi sẽ phải gửi lại toàn bộ 10 gói tin vì không có cách nào để bên nhận thông báo nó đã nhận được 9 gói tin kia Vấn đề này được giải quyết trong giao thức SCTP (Stream Control Transmission Protocol -Giao thức điều khiển truyền vận dòng) với việc bổ sung báo nhận chọn lọc Số thứ tự và tin báo nhận giải quyết được các vấn đề về lặp gói tin, truyền. .. vật lí đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi trường truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc 22 Xây dựng mô hình minh họa độ truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, rắc cắm Lớp này có nhiệm vụ chuyển đổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện ( đối với hệ thống dây dẫn mạng bằng cable ) hoặc thành song từ trường ( đối với hệ... Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài • Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit, hai bộ so sánh Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như: • Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần • Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần • Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm • Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần... client và server đều đã nhận được một tin báo nhận(acknowledgement) về kết nối Truyền dữ liệu: Một số đặc điểm cơ bản của TCP để phân biệt với UDP: 28 Xây dựng mô hình minh họa Truyền dữ liệu không lỗi (do có cơ chế sữa lỗi /truyền lại) Truyền các gói dữ liệu theo đúng thứ tự Truyền lại các gói dữ liệu mất trên đường truyền Loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp Cơ chế hạn chế tắc nghẽn đường truyền Ở hai bước... bit với bộ chia tần số 8 bit • Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep • Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler • Hai bộ Capture/Compare/PWM • Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C • Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ • Cổng giao. .. có thể dùng, đôi khi "8 0 2" còn được liên hệ với ngày mà cuộc họp đầu tiên được tổ chức –tháng 2 năm 1980 Các dịch vụ và giao thức được đặc tả trong IEEE 802 ánh xạ tới hai tầng thấp (tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý của mô hình 7 tầng OSI Thực tế, IEEE 802 chia tầng liên kết dữ liệu OSI thành hai tầng con LLC (điều khiển liên kết lôgic) và MAC (điều khiển truy nhập môi trường truyền) , do đó các tầng... trễ, năng suất truyền và độ tin cậy Cụ thể như sau: 3 bít đầu (Precedence) chỉ quyền ưu tiên gửi gói tin, từ gói tin bình thường là 0 đến gói tin kiểm soát mạng là 7 1 bít tiếp theo (Delay) chỉ độ trễ yêu cầu, 0 ứng với gói tin có độ trễ bình thường, 1 ứng với gói tin có độ trễ thấp 1 bít tiếp theo (Throughput) chỉ thông lượng yêu cầu sử dụng để truyền gói tin với lựa chọn truyền trên đường thông suất... truyền trên đường thông suất thấp hay trên đường thông suất cao, 0 ứng với thông lượng bình thường, 1 ứng với thông lượng cao 1 bít tiếp theo (Reliability) chỉ độ tin cậy yêu cầu, 0 ứng với độ tin cậy bình thường, 1 ứng với độ tin cậy cao  Total Length-2byte:chỉ độ dài toàn bộ gói tin tính cả phần header, tính theo đơn vị byte  Indentification-16 bít: cùng với các tham số khác như Source Address, Destination... Trong một mạng Ethernet, không kể tới bộ chia hoặc bộ chuyển mạch thì tất cả đều có vai trò bình đẳng như nhau Mỗi trạm có một địa chỉ Ethernet riêng biệt và thống nhất Việc giao tiếp giữa các trạm thông qua giao tiếp phía trên ví dụ NetBUI, IPX/SPX hoặc TCP/IP Tùy theo giao thức cụ thể, căn cước của bên gửi và bên nhận trong một bức điện của lớp phía trên sẽ được dịch sang địa chỉ Ethernet trước khi . ĐỀ TÀI Giao diện truyền thông điều khiển với Ethernet Nhóm sinh viên: Trác Quang Hòa Nguyễn Tiến Tùng 1 Mục lục Lời nói đầu Trang Chương I – Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.1- Đặt vấn đề. theo chuẩn Ethernet, chúng em đã thực hiện đề tài này. 1.2 Mục tiêu của đề tài Thực hiện việc kết nối thiết bị điều khiển với PC thông qua mạng Ethernet. Qua đó, thực hiện việc trao đổi dữ. nhiệt độ; điều khiển, hiển thị tốc độ động cơ dùng Ethernet 1.3 Nhiệm vụ của đề tài Để thực hiện được mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ cần đặt ra là : 1. Thiết kế mạch phần cứng thiết bị điều khiển. 2.