Giao thức truyền thông RS232

1. RS-232 là gì?

RS232 là một chuẩn truyền thông được phát triển bởi “Electronic Industry Association” và “Telecommunications Industry Association” viết tắt là EIA/TIA. Đây là chuẩn truyền thông đã từng có thời gian rất phổ biến với tên gọi chính thức là EIA/TIA-232-E, tuy nhiên nó thường được gọi tắt là RS232 hoặc RS-232. Chuẩn này chỉ đề cập đến việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi (DCE-Data Circuit-Terminating Equipment).

2. Đặc điểm của RS232

• Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
•   Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang hoạt động
• Cấp điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp
• Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ +-3V đến 12V
• Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF
• Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 Ω nhưng phải nhỏ hơn 7000 Ω
• Độ dài của cáp nối giữa 2 thiết bị sử dụng chuẩn RS232 không vượt qua 15m.
• Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng: 9600, 19200, 38400…. đến 115200 bp cổng của chuẩn giao tiếp RS232

3. Cổng của chuẩn giao tiếp RS232

• RS232 phân ra 2 số chân chính là 9 chân (DB9) cổng COM. Chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu

• Chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu
• Chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu
• Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu
• Chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu
• Chân 6 : Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu
• Chân 7 : Request to Send : yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu
• Chân 8 : Clear To Send (CTS) : Xóa để gửi, bộ nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu
• Chân 9 : Ring Indicate (RI) : Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

4. Cách thức hoạt động của giao tiếp RS232

RS232 hoạt động theo cách tương tác 2 loại: thiết bị đầu cuối xử lý dữ liệu số (DTE) & Thiết bị truyền dữ liệu (DCE) có các chân như TXD, RXD và RTS & CTS. DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển,… Việc trao đổi tín hiệu thông thường qua 2 chân RXD (nhận) và TXD (truyền).

Nguồn DTE, RTS tạo yêu cầu gửi dữ liệu. Sau đó từ phía bên kia DCE, CTS, xóa đường dẫn nhận dữ liệu. Sau khi xóa một đường dẫn, nó sẽ đưa ra tín hiệu cho RTS của nguồn DTE để gửi tín hiệu. Sau đó, các bit được truyền từ DTE đến DCE. Bây giờ một lần nữa từ nguồn DCE, yêu cầu có thể được tạo bởi RTS và CTS của nguồn DTE sẽ xóa đường dẫn nhận dữ liệu và đưa ra tín hiệu để gửi dữ liệu.

Trong viễn thông, quá trình gửi dữ liệu tuần tự qua một bus máy tính được gọi là giao tiếp nối tiếp, có nghĩa là dữ liệu sẽ được truyền từng bit một bằng một cặp dây. Trong khi giao tiếp song song, dữ liệu được truyền theo byte (8 bit) hoặc ký tự hoặc bus tại một thời điểm. Giao tiếp nối tiếp chậm hơn so với giao tiếp song song nhưng được sử dụng để truyền dữ liệu dài do chi phí thấp hơn.

ruyền dữ liệu không đồng bộ – Chế độ trong đó các bit dữ liệu không được đồng bộ hóa bởi xung đồng hồ. Xung đồng hồ là tín hiệu được sử dụng để đồng bộ hóa hoạt động trong một hệ thống điện tử.

Truyền dữ liệu đồng bộ – Chế độ trong đó các bit dữ liệu được đồng bộ hóa bởi xung đồng hồ.

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ. Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự). Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp the . Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0. Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một Parity bit (Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng – bit stop có thể là 1, 3, 5 hoặc 2 bit dừng.

Nổi tiếng nhất trong số các giao thức này là Giao thức nối tiếp không đồng bộ sử dụng các bit start-stop. Cũng cần lưu ý rằng các công ty sản xuất mạch tích hợp đã sản xuất các mạch có khả năng xử lý trực tiếp với cổng RS-232 và trong số các mạch được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực này là mạch do Khi nhận, bộ thu phải được đặt ở trạng thái tìm kiếm các ký tự đồng bộ hóa (Chế độ săn) và khi tìm thấy các ký tự này, quá trình chuyển đổi sang nhận thông tin sẽ diễn ra.

5. Truyền trực tiếp

Định dạng của một ký tự (character) được truyền theo chuẩn RS-232. Ở trạng thái nghỉ, các đường dữ liệu RS-232 ở trạng thái mark. Một ký tự luôn bắt đầu bằng một start bit (là một space), sau đó các bit được truyền theo thứ tự bit từ thấp đến cao (bit thấp nhất được truyền trước tiên), tiếp đến là một parity bit (nếu có), và cuối cùng là một hay nhiều stop bit (là một mark). Phổ biến nhất là định dạng 8N1, nghĩa là 8 bit dữ liệu, không có parity, và 1 stop bit.

Việc đọc một bit được truyền đến thường được thực hiện tại giữa bit, do đó các bộ thu và phát thường sử dụng xung clock bằng 16 lần tốc độ baud (số bit truyền được trong mỗi giây trên một đường tín hiệu). Bộ thu sẽ dò start bit, và sẽ đọc bit đầu tiên sau 24 chu kỳ xung clock khi đã phát hiện được start bit, các bit sau đó sẽ được đọc sau mỗi 16 chu kỳ xung clock.Đa số các DTE và các DCE đều có các bộ truyền nhận bất đồng bộ đa dụng (UART-Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ở dạng module phần cứng, do đó chúng ta thường không cần quan tâm đến các thao tác cấp thấp trong việc sử dụng giao tiếp RS-232.

Các chân trong DTE và DCE được thiết lập sao cho phải sử dụng cáp 1:1, tức là khi chân X được kết nối ở một đầu với chân X ở đầu kia và không có giao điểm. dữ liệu được truyền ở đầu “2” và “DCE” nhận dữ liệu ở đầu “2”, và “DTE” nhận dữ liệu ở đầu “3” trong khi “DCE” gửi ở đầu 2, và điều này làm cho việc xây dựng cáp dữ liệu Nối tiếp “RS232” dễ dàng hơn nhiều.Và giống như các hệ thống dữ liệu khác nhau sử dụng các mức kết nối khác nhau khi sử dụng “RS232”, vì một số hệ thống truyền dữ liệu mà không cần bất kỳ kết nối có dây nào và các hệ thống này có thể sử dụng các mã chương trình như “X-ON / X-OFF, ACK, NAK”, và rằng Để cung cấp kết nối cần thiết, các hệ thống này yêu cầu cáp dữ liệu nối tiếp bao gồm các đường truyền và nhận dữ liệu ngoài đường dây cố định.

6. Truyền dữ liệu trong RS232

Bit bắt đầu (start bit) – bit cho biết bắt đầu truyền thường bằng 0.

Bit dữ liệu (data bits) – 5, 6, 7 hoặc 8 bit dữ liệu. Bit đầu tiên là bit ít quan trọng nhất.

Bit chẵn lẻ (bit chẵn lẻ) – một bit dùng để kiểm tra tính chẵn lẻ. Nó được sử dụng để phát hiện lỗi. Nó có thể chấp nhận các giá trị sau:

• Tính chẵn lẻ (EVEN) nhận giá trị sao cho số lượng đơn vị trong thông báo là số chẵn.
• Độ lẻ (ODD) chấp nhận một giá trị sao cho số lượng đơn vị trong tin nhắn là số lẻ.
• Luôn là 1 (MARK), bit chẵn lẻ sẽ luôn là 1.
• Luôn là 0 (SPACE), bit chẵn lẻ sẽ luôn là 0.
• Không được sử dụng (NONE).
• Bit dừng (stop bit) là bit báo hoàn thành việc truyền thông báo và có thể nhận các giá trị 1, 1,5 (Data bit = 5), 2.
• Kết nối DTE-DTE, DCE-DCE.

Nếu chúng ta muốn sử dụng cơ chế kiểm soát luồng phần cứng, chúng ta cần biết những thiết bị nào chúng ta muốn kết nối. Khi kết nối thiết bị DTE (PC) với DCE (Modem) chúng ta nên sử dụng cáp thẳng. Nếu chúng ta kết nối DTE (PC) – DTE (PC) hoặc DCE (Modem) – DCE (Modem) thì chúng ta sử dụng cáp chéo.

Chúng ta thường cần kết nối một máy tính với một máy tính khác ở gần nó để đảm bảo việc trao đổi thông tin giữa chúng. Các cổng RS-232 đã cung cấp một trong những cách để đảm bảo điều này. Khoảng cách giữa hai thiết bị phụ thuộc vào tốc độ truyền thông tin và loại cáp được sử dụng. Ở tốc độ 9600 bPS, khoảng cách đạt tới 17 mét khi sử dụng cáp thông thường, nhưng nếu sử dụng cáp chất lượng cao, khoảng cách có thể đạt tới 50 mét (chúng tôi đã đề cập trước đó rằng tiêu chuẩn ban đầu chỉ định khoảng cách này là 8 mét và tốc độ tối đa là 20000 bPS, nhưng những con số này gần đây đã bị vượt quá rất nhiều.

Chúng ta sẽ nhận thấy rằng cáp chéo đã thay thế modem và do đó được gọi là Modem ảo hoặc Modem không. Ngoài ra, việc không có modem thực và việc sử dụng đường truyền không đồng bộ cho phép chúng ta đơn giản hóa quy trình kết nối trở thành như trong Hình 10. Nó cũng có thể được đơn giản hóa hơn nữa miễn là việc truyền không đồng bộ trở thành như trong Hình 11. Nó nên cũng cần lưu ý rằng chúng tôi cần phần mềm phù hợp để bảo mật quá trình truyền thông tin giữa hai máy tính Được kết nối bằng cáp chéo, phần mềm này thực hiện các giao thức tiêu chuẩn như: Zmodem, Xmodem và các giao thức khác.

7. Ưu điểm và nhược điểm của RS232

7.1. Ưu điểm

• RS232 phổ biến, dễ kiếm và chi phí rẻ.
• Kết nối giao tiếp đơn giản.
• Tốc độ truyền khá nhanh.
• Khả năng chống nhiễu tốt.
• Có thể tháo lắp nóng.
• Có thể cấp nguồn cho thiết bị luôn.
• Dễ dàng sử dụng trong các hệ thống điện tử dựa trên vi điều khiển
• Đủ để thêm một bộ chuyển đổi điện áp không quá phức tạp
• Là cầu nối giữa hai hệ thống điện tử trong một khoảng cách ngắn.

7.2. Hạn chế RS232

• Tốc độ truyền dữ liệu khá chậm so với các thiết bị hiện nay (20 kbit/s), trong quá trình truyền không đồng bộ. Do đó, trong bảng phát triển CPLD, tốc độ truyền của chương trình tích hợp chỉ có thể là 19200.
• Khả năng kết nối với các thiết bị hạn chế hơn so với các cổng mới.
• Chiều dài tối đa của cáp là khoảng 25 mét điện trở dây và sụt điện áp trở thành một vấn đề với cáp dài.
• Mang nét lỗi thời của chuẩn giao tiếp TTL, mức tín hiệu của giao diện cao và chip của mạch giao diện dễ bị hỏng và do không tương thích với mức TTL nên cần có mạch chuyển đổi mức.
• Giao diện sử dụng đường tín hiệu và đường hồi tín hiệu để tạo thành dạng truyền dẫn chung, đường truyền chung này dễ bị nhiễu ở chế độ chung.