ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử Điều khiển thiết bị và thu thập dữ liệu qua mạng ETHERNET
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ VÀ THU THẬP DỮ LIỆU QUA MẠNG ETHERNET
Chương 1: Tổng quan về đồ án
Cho ta hình dung khái quát về hệ thống, từ đó dễ dàng trong việc triển khai chi tiết các khối chức năng về phần cứng cũng như phần mềm
Đặt vấn đề.
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:
ü Khoảng cách kết nối giữa máy tính với thiết bị điều khiển khoảng 30-40m.
ü Tốc độ truyền thông của RS232 chỉ khoảng 19.2kBd.
ü 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
Vì vậy, để có thể hiểu rõ thêm về mạng Enthernet trong đo lường và điều khiển nên đề tài “Thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet” đã được thực hiện.
Sơ đồ hệ thống
Đã có nhiều đề tài điều khiển thiết bị qua mạng,nhưng hạn chế đó là phải sử dụng 1 máy tính làm sever kết nối với mạch điều khiển qua chuẩn RS232,hoạt động 24/24h gây tốn kém và cồng kềnh.
-Để giải quyết vấn đề này trong đề tài này em đã dùng vi điều khiển ENC28J60 kết nối với vi điều khiển trung tâm qua kết nối chuẩn SPI.
ENC28J60 đóng vi trò như 1 card mạng trên máy tính.
-Vi điều khiển trung tâm phải có tần số hoạt động cao,ổn định vì để có thể giao tiếp với ENC28J60 hoạt động với tần số 25MHz.Vì vậy em đã chọn vi điều khiển 18F4550 để thực hiện.
Trên máy tính cần có 1 phần mềm để thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị.Ta có thể lập trình bằng nhiều chương trình khác nhau như Delphi,Java,C++,C#…Vì đã có ít kiến thức về lập trình C nên em đã chọn lập trình C# với phần mềm Visual Studio 2010.
Microsoft Visual Studio 2010 cung cấp các gói công cụ mạnh mẽ trong việc lập trình các giao diện desktop tốc độ cao và đơn giản.Công cụ C# đem lại hình ảnh trực quan với các giao diện desktop quen thuộc như button , textbox , radio button … với cơ sở liên kết dữ liệu chặt chẽ.
Chương 2: Cung cấp những lý thuyết cơ sở để thực hiện đồ án
Tìm hiểu tổng quan về mạng Ethernet
Phần này chúng ta sẽ tìm hiểu Ethernet là gì?
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.
Sau đó tiếp tục tìm hiểu về khung truyền,kiến trúc giao thức,cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn,cơ chế giao tiếp và truy nhập bus của mạng Ethernet. Giới thiệu chuẩn IEE 802; IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN (metropolitan area network).
Tìm hiểu rõ phương thức truyền dựa theo chuẩn Enthernet, họ giao thức TCP/IP ,cấu trúc các gói tin
Tìm hiểu về các linh kiện sử dụng trong đề tài
Thứ nhất là chọn vi điều khiển
PIC 18F4550 là vi điều khiển thuộc là vi điều khiển thuộc họ PIC18 do hãng MicroChip sản xuất. Đây là vi điều khiển 8 bit khá mạnh, có đầy đủ tính năng của dòng PIC18, khả năng thực thi cao, tiết kiệm năng lượng, tích hợp nhiều ngoại vi, chi phí thấp. Kiến trúc của PIC18F4550 tối ưu cho trình biên dịch C.
Các tính năng nổi bật của PIC18F4550:
- Bộ nhớ Flash 64Kbytes, 3968 bytes SRAM, 1 Kbytes EEPROM cho phép nạp xóa 100000 Flash/1000000 EEPROM.
- 35 chân I/O chia làm 4 port: PORTA, B, C, D, E
- Bộ nhân tần số PLL (x4) cho phép tần số hoạt động lên đến 48 MHz.
- Module MSSP hỗ trợ chế độ SPI và I2C
- Module UART hỗ trợ RS485, RS232,USB
- Hỗ trợ nạp ICSP (In-Circuit Serial Programming) qua 2 chân
Thứ hai là chọn vi điều khiển giao tiếp Enthernet
- ENC28J60 là vi điều khiển hỗ trợ kết nối Ethernet cho bất kỳ vi điều khiển nào có giao tiếp SPI. ENC28J60 được thiết kế và chế tạo bởi Microchip.
- Phần cứng của ENC28J60 được tích hợp trong cả hai lớp kết nối dữ liệu và lớp vật lý
- Hỗ trợ giao tiếp SPI với tốc độ tối đa đạt 20MHz.
- Điện áp hoạt động của ENC28J60 từ 3.1V đến 3.6V.
- Hỗ trợ công nghệ 10BASE-T.
- Hỗ trợ truyền song công và bán song công.
Thứ ba: tìm hiểu về giao tiếp SPI trên vi điều khiển 18F4550
SPI : Serial Perippheral Interface- Giao tiếp ngoại vi nối tiếp
Giao thức SPI do hãng Motorola phát minh và còn được biết đến với tên gọi khác là Microwire (hãng National Semiconductor phát triển). Cả SPI và Microwire đều có chung nguyên tắc hoạt động. Hiện nay giao thức SPI đã có các phiên bản cải tiến như QSPI (Queue SPI) và Microwire Plus.
Giao thức SPI cung cấp một giao thức nối tiếp đơn giản giữa MCU và thiết bị ngoại vi. Giống với các Bus nối tiếp khác như I2C, CAN hoặc USB , chuẩn giao tiếp SPI ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là trong giao tiếp trao đổi dữ liệu với các ngoại vi.
Thứ tư : tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ DS18B20
DS18B20 là IC cảm biến nhiệt độ với độ phân giải lên đến 12 bits. DS18B20 giao tiếp theo giao thức 1-wire, với khoảng cách giao tiếp khá xa (300m). Những đặc tính nổi bật của DS18B20:
- Phạm vi đo nhiệt độ rộng từ -55°C dến 125°C.
- Mỗi DS18B20 có một mã duy nhất 64 bit, điều này cho phép chúng ta kết nối nhiều DS18B20 trên cùng một đường bus.
- Độ chính xác là ±0.50C trong tầm đo -100C đến +850C
- Độ phân giải 12 bits tương ứng nhiệt độ tăng 0.06250C
Chương 3 : Thiết kế và thi công hệ thống
* Khối cảm biến nhiệt độ: đo nhiệt độ của môi trường hay đối tượng nào đó.
* Khối điều khiển: là thành phần chính trong hệ thống sẽ thực hiện quá trình lấy nhiệt độ từ khối cảm biến nhiệt độ - lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ - hiện thị kết qua ra màn hình – giao tiếp máy tính qua Ethernet – điều khiển khối chấp hành
* Khối chấp hành: có nhiệm vụ điều khiển các đối tượng, cụ thể là đóng mở các thiết bị
* Khối giao tiếp Ethernet: chức năngchuyển tín hiệu của ethernet thành tín hiệu thích hợp để khối điều khiển có thể xử lý được và ngược lại chuyển tín hiệu của khối điều khiển thành tín hiệu của ethernet.
* Khối hiển thị: hiển thị nhiệt độ và các thông tin cần thiết
* Cổng RJ45: kết nối vật lý giữa khối giao tiếp ethernet với mạng ethernet bên ngoài
* Khối nguồn: cấp điện áp phù hợp cho từng linh kiện để mạch hoạt động
* Yêu cầu chương trình cho máy tính:
- Kết nối với mạch điều khiển qua địa chỉ IP và cổng của mạch
- Điều khiển bật tắt thiết bị từ giao diện
- Nhận giá trị nhiệt độ từ mạch và hiển thị lên giao diện
- Xây dựng thêm một số chức năng để điều khiển mạch phía dưới
* Giải quyết:
- Sử dụng ngôn ngữ C# để viết chương trình
- Tạo 1 Socket UDP để giao tiếp với mạch
- Tạo 1 tuyến để nhận dữ liệu từ mạch điều khiển
- Thiết kế công tắc ON/OFF trên giao diện
- Sử dụng các Control có sẵn của C# để thiết kế thêm 1 số chức năng khác
* Yêu cầu chương trình cho vi điều khiển:
- Đọc nhiệt độ từ DS18B20 và lưu vào bộ nhớ
- Hiển thị nhiệt độ và trạng thái thiết bị ra LCD
- Thiết lập giao tiếp ethernet
- Truyền nhiệt độ và trạng thái thiết bị lên máy tính
- Nhận và xử lý lệnh từ máy tính gửi xuống
Chương 4 : Kết quả và hướng phát triển
* Kết quả:
- Xây dựng được hệ thống giao tiếp Ethernet, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, giúp cho việc giao tiếp thiết bị điều khiển với mạng Ethernet trở nên đơn giản
- Trong mạch phần cứng đã tích hợp thêm thiết bị đo nhiệt độ, như là 1 ứng dụng thu thập dữ liệu qua mạng Ethernet
- Xây dựng phần mềm trên máy tính, giúp người sử dụng giám sát nhiệt độ, từ đó điều khiển thiết bị cho phù hợp với yêu cầu
* Hướng phát triển:
- Dựa trên chuẩn ethernet, tìm hiểu và thiết kế hệ thống cập nhật tin tức, bảng giá vàng,… qua internet.
- Tiếp tục phát triển đề tài để thích hợp với nhiều thiết bị kết nối mạng hơn như điện thoại...phù hợp cho các ứng dụng gia đình,hoặc có thể thông qua 1 websever để giám sát và điều khiển thiết bị.
Tìm hiểu bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip, hỗ trợ cho ethernet rất nhiều giao thức, để xây dựng những ứng dụng phức tạp hơn.
MỤC LỤC
Lời cam đoan :. 1
Lời nói đầu. 6
CHƯƠNG 1 : MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI. 7
Giới thiệu chương 1. 7
1.1 Đặt vấn đề. 7
1.2 Mục tiêu của đề tài7
1.3 Nhiệm vụ của đề tài8
Tổng kết chương 1:. 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.. 9
Giới thiệu chương 2:. 9
2.1 Tổng quan về mạng Ethenet. 9
2.1.1 Giới thiệu. 9
2.1.2 Khung truyền. 9
2.1.3 Kiến trúc giao thức. 11
2.1.4 Cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn. 11
2.1.5 Cơ chế giao tiếp. 13
2.1.6 Truy nhập bus. 13
2.1.7 Chuẩn IEEE 802. 16
2.2 Các phương thức truyền tin dựa theo chuẩn Ethenet. 18
2.2.1 Họ giao thức TCP/IP. 18
2.2.2 Cấu trúc gói tin. 22
2.2.2.1 Cấu trúc địa chỉ IP:22
2.2.2.2 Cấu trúc gói tin IP. 23
2.2.2.3 Cấu trúc gói tin TCP. 25
2.2.2.4 Cấu trúc gói tin UDP. 26
2.3 Vi điều khiển 18F4550 và ENC28J60. 26
2.3.1 Vi điều khiển 18F4550. 26
2.3.1.1 Giới thiệu. 26
2.3.1.2 Truyền thông SPI27
2.3.2 Vi điều khiển ENC28J60. 31
2.3.2.1 Giới thiệu. 31
2.3.2.2 Khảo sát ENC28J60. 31
2.3.2.3 Giao tiếp giữa vi điều khiển với ENC28J60. 32
2.3.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20. 33
2.3.3.1 Giới thiệu. 33
2.3.3.2 Khảo sát chân DS18B20. 33
2.3.3.3 Trình tự giao tiếp. 36
2.3.3.4 Tín hiệu trên 1-wire:38
Tổng kết chương 2 :. 40
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG.. 40
Giới thiệu chương 3 :. 40
3.1 Sơ đồ khối40
3.1.1 Sơ đồ khối40
3.1.2 Chức năng các khối41
3.1.3 Thiết kế các khối41
3.2 Phần cứng. 44
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý. 44
3.2.2 Sơ đồ mạch in. 44
3.3 Phần mềm... 45
3.3.1 Phân tích chương trình trên máy tính. 45
3.3.2 Phân tích chương trình cho vi điều khiển. 45
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN.. 48
4.1 Kết quả thi công.48
4.2 Giao diện chương trình. 48
4.3 Kết quả đạt được. 49
4.4 Hạn chế và hướng phát triển. 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 51
PHỤ LỤC.. 52
MỤC LỤC HÌNH
Hình 2.1: Khung truyền. 10
Hình 2.2: Ethernet/IEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802.11
Hình 2.3: Minh họa phương pháp CSMA/CD.14
Hình 2.4: Kiến trúc giao thức TCP/IP. 19
Hình 2.5: Lớp dữ liệu trong gói liên kết21
Hình 2.6: Tổ chức địa chỉ IP.22
Hình 2.7: Mạng và mặt nạ. 23
Hình 2.8 Sơ đồ chân PIC 18F4550. 27
Hình 2.9: Thanh ghi SSPCON1. 28
Hình 2.10: Thanh ghi SSPSTAT.. 28
Hình 2.11: Kết nối Master và Slave. 29
Hình 2.12: Dạng sóng chế độ Master. 30
Hình 2.13: Dạng sóng chế độ Slave. 30
Hình 2.14: Sơ đồ chân ENC28J60. 31
Hình 2.15: Sơ đồ khối ENC28J60. 32
Hình 2.16: Kết nối phần cứng vi điều khiển với ENC28J60. 32
Hình 2.17: Sơ đồ chân DS18B20. 33
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối với vi điều khiển. 34
Hình 2.19: DS18B20 hoạt động với nguồn ngoài34
Hình 2.20: DS18B20 hoạt động với nguồn ký sinh. 34
Hình 2.21: Thanh ghi nhiệt độ. 35
Hình 2.22: Bộ nhớ của DS18B20. 36
Hình 2.23: Thời gian khởi tạo. 38
Hình 2.23: Thời gian khởi tạo. 39
Hình 3.1 Sơ đồ khối40
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối chân DS18B20. 41
Hình 3.3 Sơ đồ vi điều khiển 18F4550. 42
Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch công suất42
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối vi điều khiển ENC28J60 với cổng RJ45. 43
Hình 3.6 Sơ đồ khối LCD16x2. 43
Hình 3.7 Sơ đồ khối nguồn. 44
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý. 44
Hình 3.9 Sơ đồ mạch in. 44
Hình 4.1 Khối mạch thi công. 48
Hình 4.2 Ping tới mạch điều khiển. 48
Hình 4.3 Giao diện phần mềm.. 49
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1: Một số loại cáp tryền Ethenet thông dụng. 11
Bảng 2.2: Mối quan hệ nhiệt độ/dữ liệu. 35
Bảng 2.3: Trình tự giao tiếp với 1 DS18B20. 37
Bảng 2.4: Trình tự giao tiếp với nhiều DS18B20. 38
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,em đã được sự giúp đỡ của thầy giáo - ThS. Hoàng Minh Huy, đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mạch thiết bị điều khiển tích hợp giao diện truyền thông Ethernet.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - ThS. Hoàng Minh Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Em cũng xin cảm ơn các bộ môn liên quan đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình chúng em thực hiện đồ án.
CHƯƠNG 1 : MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Giới thiệu chương 1
Chương 1 cho ta cái nhìn tổng quan về hệ thống và phương pháp xây dựng đồ án
1.1 Đặt vấn đề
Nhiều chuẩn mạng công nghiệp cùng tồn tại trong một nhà máy là tình trạng phổ biến hiện nay. Điều này gây nhiều bất tiện trong việc thiết kế, vận hành và tích hợp hệ thống. Với những cải tiến kỹ thuật nhiều năm trở lại đây, Ethernet ngày càng tham gia nhiều hơn vào mạng công nghiệp. Và có lẽ trong một tương lai không xa, mạng công nghiệp cũng sẽ chỉ còn là Ethernet.
Mạng Ethernet công nghiệp đã và đang có những bước phát triển nhanh chóng, sẽ dần thay thế các mạng công nghiệp truyền thống khác. Các nhà máy sản xuất công nghiệp cũng nhận thấy những lợi ích của Ethernet công nghiệp trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất,đơn giản hóa quản lý và tích hợp thông tin giữa sản xuất và quản lý dễ dàng.
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:
ü Khoảng cách kết nối giữa máy tính với thiết bị điều khiển khoảng 30-40m.
ü Tốc độ truyền thông của RS232 chỉ khoảng 19.2kBd.
ü 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 :
- Thiết kế mạch phần cứng thiết bị điều khiển.
- 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.
Từ đó,đồ án “Điều khiển thiết bị và thu thập dữ liệu qua mạng Ethernet” đã được thực hiện và gồm 4 chương chính:
CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN
Tổng kết chương 1:
Qua chương 1 ta có thể hình dung khái quát về hệ thống ,từ đó dễ dàng trong việc triển khai chi tiết các khối chức năng về phần cứng cũng như phần mềm. Đồng thời nhờ nghiên cứu cụ thể phương pháp thực hiện, nên tính định hướng của đồ án sẽ rất rõ ràng.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chương 2:
Chương 2 giới thiệu về những kiến thức làm nền tảng để thực hiện đồ án.
2.1 Tổng quan về mạng Ethenet
2.1.1 Giới thiệu
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.
2.1.2 Khung truyền
Một frame của Ethernet bao gồm các phần sau:
v Phần mở đầu: 7 bytes (không được tính vào kích thước frame của Ethernet)
ü Tất cả các byte đều có giá trị 10101010
ü Được dùng để đồng bộ đồng hồ giữa nơi nhận và gửi frame
v SFD (Start frame delimiter): 1 byte (không được tính vào kích thước Ethernet frame)
ü Byte này có giá trị 10101011
ü Được dùng để đánh dấu bắt đầu một frame
ü Tuy vậy, không có end-frame-delimieter cho Ethernet frame. Việc thêm bit/byte (stuffing) cũng không được sử dụng cho các bit thông tin. Kết thúc của một frame được phát hiện bằng việc sử dụng tín hiệu vật lý.
Hình 2.1: Khung truyền
v Địa chỉ nơi đến: 6 bytes
ü Đây là địa chỉ MAC của Ethernet card của nơi đến
ü Ý nghĩa của bit thấp nhất (least-significant bit) xác định 6 bytes này:
- 0: địa chỉ unicast
- 3 bytes đầu tiên được dùng để chỉ nhà sản xuất
- 00-00-0C: CISCO
- 00-00-3D: AT&T
- 3 bytes tiếp theo do nhà sản xuất quyết định
- 1: địa chỉ multicast
- 01-80-c2-00-00-00: được dùng bởi các bridges cho giải thuật cây tản rộng (spanning tree algorithm)• ff-ff-ff-ff-ff-ff-ff: địa chỉ quảng bá (broadcast)
ü Ở chế độ hoạt động bình thường, Ethernet chỉ tiếp nhận những frame có địa chỉ nơi đến trùng với địa chỉ (duy nhất) của nó, hoặc địa chỉ nơi đến thể hiện một thông điệp quảng bá. Tuy vậy, hầu hết các Ethernet card đều có thể được đặt ở chế độ "promiscuous". Trong chế độ này, nó sẽ nhận tất cả các frame xuất hiện trong mạng LAN.
v Địa chỉ nguồn: 6 bytes
ü Đây là địa chỉ MAC của Ethernet card nguồn.
v Loại/ Độ dài: 2 bytes
ü Có hai loại cấu trúc Ethernet frame
- IEEE 802.3 MAC
- Dùng để chỉ độ dài của Ethernet frame
- DIX Ethernet: Được công bố bởi DEC, Intel và Xeror vào năm 1980 (phổ biến hơn)
- Dùng để chỉ giao thức của lớp phía trên
- 0800: IP
- 0806: ARP
v Phần thông tin: Từ 46 tới 1500 bytes:
ü Do kích thước frame tối thiều là 64 bytes, kích thước tối thiểu của phần thông tin là 64-18=46 bytes(18 bytes thông tin điều khiển).
ü Kích thước phần thông tin tối đa là 1500 bytes. Do đó, kích thước gói IP trong Ethernet tối đa là 1500 bytes, đây cũng là một trong ba kích thước gói IP thông dụng nhất (40, 576, 1500).
v FCS (Frame Check Sequence): 4 bytes
ü Chứa mã kiểm tra CRC 32 bits.
2.1.3 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).
Hình 2.2: Ethernet/IEE 802.3 trong tập chuẩn IEEE 802.
2.1.4 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 2.1: Một số loại cáp tryền Ethenet 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 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.
2.1.5 Cơ chế giao tiếp
Sự phổ biến của Ethernet có được là nhờ tính năng mở. Thứ nhất, Ethernet chỉ qui định lớp vật lí và lớp MAC, cho phép các hệ thống khác nhau tùy ý thực hiện các giao thức và dịch vụ phía trên. Thứ hai, phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD không yêu cầu các trạm tham gia phải biết cấu hình mạng, vì vậy có thể bổ xung hay tách một trạm ra khỏi mạng mà không ảnh hưởng tới các phần còn lại. Thứ ba, việc chuẩn hóa sớm trong IEEE 802.3 giúp cho các nhà cung cấp sản phẩm thực hiện dễ dàng hơn.
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 được chuyển xuống lớp MAC.
Bên cạnh cơ chế giao tiếp tay đôi, Ethernet còn hỗ trợ phương pháp gửi thông báo đồng loạt ( multicast và broadcast ). Một thông báo multicast được gửi tới một nhóm các trạm, trong khi một thông báo broadcast gửi tới tất cả các trạm.
2.1.6 Truy nhập bus
Một vấn đề lớn thường gây lo ngại trong việc sử dụng Ethernet ở cấp trường là phương pháp truy nhập bus ngẫu nhiên CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ) và sự ảnh hưởng tới hiệu suất cũng như tính năng thời gian thực của hệ thống. Ở đây, một trong những yếu tố quyết định tới hiệu suất của hệ thống là thuật toán tính thời gian truy nhập lại cho các trạm trong trường hợp xảy ra xung đột.
Hình 2.3: Minh họa phương pháp CSMA/CD.
Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD
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 hủy bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại.
Một tình huống xảy ra xung đột tiêu biểu và cách khắc phục được minh họa trên hình ….. 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 bỏ 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 lí và không giống nhau giữa các trạm cùng chờ. Thông thường thời gian chờ này là bội số của hai lần thời gian lan truyền tín hiệu Ts.
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 chất 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 lí 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 bức 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
ó n/v > 2l/(0,66*300.000.000),
Với l là chiều dài dây dẫn và hệ số k= 0,67
ó 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 rằng 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.
Thời gian lan truyền tín hiệu một lần qua lại đường truyền được gọi là khe thời gian. Giá trị này được tính cho tối đa 2,5 km đường truyền và bốn bộ lặp là 512 thời gian bit hay 51,2 us. Sau lần xảy ra xung đột đầu tiên, mỗi trạm sẽ chọn ngẫu nhiên 0 hoặc 1 lần khe thời gian chờ trước khi thử gửi lại. Nếu hai trạm ngẫu nhiên cùng chọn một khoảng thời gian, hoặc có sự xung đột với một trạm thứ ba, thì số khe thời gian lựa chọn chờ sẽ là 0, 1, 2 hoặc 3.Sau lần xung đột thứ i , số khe thời gian chọn ngẫu nhiên nằm trong khoảng từ 0 tới -1. Tuy nhiên, sau mười lần xung đột, số khe thời gian chờ tối đa sẽ được giữ lại ở con số 1023. Sau 16 lần xung đột liên tiếp, các trạm sẽ coi là lỗi hệ thống và báo trở lại lớp giao thức phía trên. Thuật toán nổi tiếng này được gọi là Binary Exponential Backoff (BEB).
2.1.7 Chuẩn IEEE 802
IEEE 802 là họ các chuẩn IEEE dành cho các mạng LAN và mạng MAN (metropolitan area network). Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng. (Khác với các mạng này, dữ liệu trong các mạng cell-based được truyền theo các đơn vị nhỏ có cùng kích thước được gọi là cell. Các mạng Isochronous, nơi dữ liệu được truyền theo một dòng liên tục các octet, hoặc nhóm các octet, tại các khoảng thời gian đều đặn, cũng nằm ngoài phạm vi của chuẩn này). Con số 802 chỉ đơn giản là con số còn trống tiếp theo mà IEEE có thể dùng, đôi khi "802" 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 này có thể được liệt kê như sau:
- Tầng liên kết dữ liệu
- Tầng con LLC
- Tầng con MAC
- Tầng vật lý
Họ chuẩn IEEE 802 được bảo trì bởi Ban Tiêu chuẩn LAN/MAN IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC)). Các chuẩn được dùng rộng rãi nhất là dành cho họ Ethernet, Token Ring, mạng LAN không dây, các mạng LAN dùng bridge và bridge ảo (Bridging and Virtual Bridged LANs). Mỗi lĩnh vực có một Working Group tập trung nghiên cứu.
Các Working Group:
IEEE 802.1 Các giao thức LAN tầng cao
IEEE 802.2 điều khiển liên kết lôgic
IEEE 802.3 Ethernet
802.3u là chuẩn của FastEthernet802.3z là chuẩn Gigabit Ethernet
IEEE 802.4 Token bus (đã giải tán)
IEEE 802.5 Token Ring
IEEE 802.6 Metropolitan Area Network (đã giải tán)
IEEE 802.7 Broadband LAN using Coaxial Cable (đã giải tán)
IEEE 802.8 Fiber Optic TAG (đã giải tán)
IEEE 802.9 Integrated Services LAN (đã giải tán)
IEEE 802.10 Interoperable LAN Security (đã giải tán)
IEEE 802.11 Wireless LAN (Wi-Fi certification)
IEEE 802.12 công nghệ 100 Mbit/s plus
IEEE 802.13 (không sử dụng)
IEEE 802.14 modem cáp (đã giải tán)
IEEE 802.15 Wireless PAN
IEEE 802.15.1 (Bluetooth certification)
IEEE 802.15.4 (ZigBee certification)
IEEE 802.16 Broadband Wireless Access (WiMAX certification)
IEEE 802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access
IEEE 802.17 Resilient packet ring
IEEE 802.18 Radio Regulatory TAG
IEEE 802.19 Coexistence TAG
IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access
IEEE 802.21 Media Independent Handoff
IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network.
2.2 Các phương thức truyền tin dựa theo chuẩn Ethenet
2.2.1 Họ giao thức TCP/IP
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet do ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency ). Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả một lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông được công nhận thành chuẩn cho Internet. Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác nhau, trong đó có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.
TCP/IP bao gồm 5 lớp độc lập : lớp ứng dụng, lớp vận chuyển, lớp Internet, lớp truy nhập và mạng vật lí.
Lớp ứng dụng:
Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng khác nhau : SMTP ( Simple Mail Transfer Protocol ) cho chuyển thư điện tứ, FTP ( File Transfer Protocol ) cho chuyển giao file, TELNET là chương trình mô phỏng thiết bị đầu cuối cho phép người dùng login vào một máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng, SNMP (Simple Network Management Protocol) giao thức quản trị mạng cung cấp những công cụ quản trị mạng, DNS(Domain Name Server) là dịch vụ tên miền cho phép nhận ra máy tính từ một tên miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet.
Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới ( lớp vận chuyển ) qua cổng. Việc dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào chứa bên trong gói dữ liệu. Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng chuẩn thường dùng cùng cổng. Ví dụ: giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu và cổng 21 cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…
.........................
4.3 Kết quả đạt được
Sau nhiều tuần tích cực tìm hiểu và nỗ lực thực hiện, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành đồ án đúng theo yêu cầu và thời gian quy định. Trong đề tài, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành được những phần sau:
- Xây dựng được hệ thống giao tiếp Ethernet, bao gồm cả phần cứng và phần mềm, giúp cho việc giao tiếp thiết bị điều khiển với mạng Ethernet trở nên đơn giản
- Trong mạch phần cứng đã tích hợp thêm thiết bị đo nhiệt độ, như là 1 ứng dụng thu thập dữ liệu qua mạng Ethernet
- Xây dựng phần mềm trên máy tính, giúp người sử dụng giám sát nhiệt độ, từ đó điều khiển thiết bị cho phù hợp với yêu cầu
4.4 Hạn chế và hướng phát triển
* Hạn chế:
- Chế độ điều khiển thiết bị bằng tay chưa được tính đến trong phần thiết kế, cần xây dựng thêm phần này để thuận tiện hơn cho người sử dụng
* Hướng phát triển:
- Dựa trên chuẩn ethernet, tìm hiểu và thiết kế hệ thống cập nhật tin tức, bảng giá vàng,… qua internet.
- Tiếp tục phát triển đề tài để thích hợp với nhiều thiết bị kết nối mạng hơn như điện thoại...phù hợp cho các ứng dụng gia đình,hoặc có thể thông qua 1 websever để giám sát và điều khiển thiết bị.
Tìm hiểu bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip, hỗ trợ cho ethernet rất nhiều giao thức, để xây dựng những ứng dụng phức tạp hơn.
