Tìm Hiểu Về Chuẩn Truyền Thông RS-232 Để lại bình luận

Công nghệ không ngừng phát triển. USB và Ethernet là các giao thức tốc độ cao phổ biến. Dù vậy, RS-232 vẫn giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp và các ứng dụng chuyên dụng. RS-232 ra đời năm 1960. Tiêu chuẩn này đã định hình giao tiếp nối tiếp trong nhiều thập kỷ. Bài viết này sẽ khám phá RS-232. Chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các đặc tính kỹ thuật quan trọng.

Xem thêm: Hiểu về giao thức DALI (Digital Addressable Lighting Interface)

Giải thích thuật ngữ

Để hiểu rõ hơn về giao thức RS-232, điều quan trọng là phải nắm vững các thuật ngữ cơ bản được sử dụng trong ngữ cảnh này:

a. Các loại thiết bị

• DTE (Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu): Là thiết bị đóng vai trò nguồn hoặc đích của dữ liệu. DTE thường là máy tính, thiết bị đầu cuối, hoặc một thiết bị điều khiển. Nó khởi tạo hoặc nhận dữ liệu.
• DCE (Data Circuit-terminating Equipment – Thiết bị kết cuối mạch dữ liệu): Là giao diện giữa DTE và đường truyền thông. DCE thường là modem, hoặc thiết bị chuyển đổi/mạng khác. Nó điều chế và giải điều chế tín hiệu để truyền.

b. Các thuật ngữ liên quan đến truyền dữ liệu

• Baud Rate (Tốc độ Baud): Là số lần thay đổi tín hiệu trên đường truyền mỗi giây. Trong RS-232, mỗi thay đổi thường là một bit. Tốc độ baud thường tương đương tốc độ bit (bps). Ví dụ, 9600 baud có 9600 thay đổi tín hiệu mỗi giây.
• Full Duplex (Song công hoàn toàn): Chế độ truyền thông này cho phép gửi và nhận dữ liệu đồng thời. RS-232 hỗ trợ nó nhờ có đường truyền (TxD) và nhận (RxD) riêng biệt.
• Half Duplex (Bán song công): Chế độ này cho phép gửi hoặc nhận dữ liệu tại một thời điểm. Thiết bị phải chuyển đổi giữa các chế độ.
• Start Bit (Bit bắt đầu): Một bit tín hiệu (logic 0) thêm vào đầu mỗi ký tự dữ liệu. Nó báo hiệu ký tự mới sắp bắt đầu. Bit này giúp đồng bộ hóa thời gian nhận dữ liệu.
• Stop Bit (Bit dừng): Một hoặc nhiều bit tín hiệu (logic 1) thêm vào cuối mỗi ký tự dữ liệu. Nó báo hiệu ký tự đã kết thúc. Bit này chuẩn bị cho ký tự tiếp theo.

c. Các thuật ngữ liên quan đến tín hiệu

• Slew Rate (Tốc độ thay đổi tín hiệu): Là tốc độ thay đổi điện áp của tín hiệu. Trong RS-232, slew rate được kiểm soát. Mục đích là đảm bảo chất lượng tín hiệu và giảm nhiễu.
• Mark (Mức đánh dấu): Thuật ngữ này chỉ mức logic 1 trên đường truyền dữ liệu RS-232. Nó được biểu thị bằng điện áp âm.
• Space (Mức khoảng trống): Thuật ngữ này chỉ mức logic 0 trên đường truyền dữ liệu RS-232. Nó được biểu thị bằng điện áp dương.

RS-232 là gì?

RS-232 (Recommended Standard 232) là một chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đối xứng được thiết kế nhằm truyền dữ liệu nhị phân giữa hai thiết bị: thiết bị đầu cuối (DTE – Data Terminal Equipment) và thiết bị truyền dẫn (DCE – Data Communication Equipment). Đây là chuẩn truyền thông point-to-point (1:1), thường thấy trong các kết nối giữa máy tính và modem, máy in, hoặc các thiết bị đo lường công nghiệp.

Chuẩn RS-232 định nghĩa:

• Tín hiệu điện áp (logic level).
• Tốc độ truyền và thời gian đáp ứng.
• Kích thước và sơ đồ chân của đầu nối (thường là DB-25 hoặc DE-9).
• Cách hoạt động của các chân điều khiển và dữ liệu.

Lịch sử phát triển

• 1960: RS-232 được giới thiệu bởi Electronic Industries Association (EIA).
• RS-232-A/B (1963–1965): Các bản chỉnh sửa mở rộng.
• RS-232-C (1969): Chuẩn hóa cổng DB-25.
• RS-232-D (1986): Mở rộng điện áp, thêm khái niệm cổng phụ.
• TIA-232-F (1997): Phiên bản hiện hành do Telecommunications Industry Association (TIA) quản lý, tương thích với chuẩn quốc tế ITU-T V.24/V.28.

Nguyên lý hoạt động

Trong RS-232, dữ liệu người dùng được gửi dưới dạng một chuỗi bit theo thời gian. Tiêu chuẩn hỗ trợ cả truyền đồng bộ và không đồng bộ. Ngoài các mạch dữ liệu, tiêu chuẩn còn định nghĩa một số mạch điều khiển được sử dụng để quản lý kết nối giữa DTE và DCE.

Mỗi mạch dữ liệu hoặc điều khiển chỉ hoạt động theo một hướng, tức là tín hiệu từ DTE đến DCE hoặc ngược lại. Do dữ liệu truyền và dữ liệu nhận là các mạch riêng biệt, giao diện có thể hoạt động ở chế độ song công hoàn toàn (full duplex), hỗ trợ luồng dữ liệu đồng thời theo cả hai hướng. Tiêu chuẩn không định nghĩa định dạng ký tự trong luồng dữ liệu hoặc mã hóa ký tự (ví dụ: ASCII, EBCDIC).

1. Đầu nối

Tiêu chuẩn RS-232 khuyến nghị sử dụng đầu nối D-subminiature 25 chân (DB-25) cho đến bản sửa đổi C, và bắt buộc từ bản sửa đổi D. Tuy nhiên, nhiều thiết bị chỉ triển khai một vài trong số hai mươi tín hiệu được chỉ định, do đó các đầu nối và cáp có ít chân hơn (ví dụ: DE-9M phổ biến trên máy tính cá nhân) là đủ cho hầu hết các kết nối.

Tiêu chuẩn không định nghĩa chiều dài cáp tối đa, mà thay vào đó định nghĩa điện dung tối đa mà một mạch điều khiển tuân thủ phải chịu được. Một quy tắc chung được sử dụng rộng rãi là cáp dài hơn 15
m (50ft) sẽ có quá nhiều điện dung, trừ khi sử dụng cáp đặc biệt. Bằng cách sử dụng cáp có điện dung thấp, giao tiếp có thể được duy trì trên khoảng cách lớn hơn, lên đến khoảng 300m (1.000ft).

Xem thêm: Giao Thức MIDI: Hiểu & Ứng Dụng Trong Hệ Thống Nhúng

2. Mức điện áp

Tiêu chuẩn RS-232 định nghĩa các mức điện áp tương ứng với mức logic một và logic không cho đường truyền dữ liệu và đường tín hiệu điều khiển.

a. Mức logic và điện áp dữ liệu

• Tín hiệu hợp lệ: Nằm trong khoảng từ +3 đến +15 volt hoặc từ −3 đến −15 volt so với chân “Common Ground” (GND). Khoảng từ −3 đến +3 volt không phải là mức RS-232 hợp lệ.
• Đường truyền dữ liệu (TxD, RxD):
  • Logic một (mark) được biểu thị bằng điện áp âm (−15V đến −3V).
  • Logic không (space) được biểu thị bằng điện áp dương (+3V đến +15V).

b. Mức điện áp tín hiệu điều khiển

• Tín hiệu điều khiển: Có phân cực ngược lại.
  • Trạng thái được kích hoạt (asserted/active) là điện áp dương.
  • Trạng thái không được kích hoạt (de-asserted/inactive) là điện áp âm.
  • Ví dụ: Request to Send (RTS), Clear to Send (CTS), Data Terminal Ready (DTR), Data Set Ready (DSR).

Bảng tóm tắt mức logic và điện áp:

c. Đặc điểm kỹ thuật điện áp và bảo vệ mạch

Tiêu chuẩn quy định điện áp mạch hở tối đa là 25 volt. Các mức tín hiệu ±5 V, ±10 V, ±12 V và ±15 V thường được sử dụng tùy thuộc vào điện áp có sẵn cho mạch điều khiển đường dây. Các trình điều khiển và bộ thu RS-232 phải có khả năng chịu được ngắn mạch vô thời hạn với đất hoặc với bất kỳ mức điện áp nào lên đến ±25 volt. Tốc độ thay đổi tín hiệu (slew rate) cũng được kiểm soát.

Do mức điện áp cao hơn mức logic thường được sử dụng bởi các mạch tích hợp, cần có các mạch điều khiển trung gian đặc biệt để chuyển đổi mức logic. Chúng cũng bảo vệ mạch bên trong của thiết bị khỏi các sự cố ngắn mạch hoặc nhiễu có thể xuất hiện trên giao diện RS-232, và cung cấp đủ dòng điện để tuân thủ các yêu cầu về tốc độ thay đổi tín hiệu cho việc truyền dữ liệu.

3. Định thời (Timing)

Mặc dù tiêu chuẩn RS-232 không định nghĩa tốc độ bit cụ thể cho việc truyền, nhưng nó được thiết kế cho tốc độ bit thấp hơn 20.000 bit mỗi giây. Các thiết bị hiện đại có thể đạt tốc độ cao hơn nhiều.

Đối với truyền dữ liệu không đồng bộ, định thời được quản lý bởi các bit bắt đầu (start bit) và bit dừng (stop bit) xung quanh mỗi ký tự. Mỗi ký tự bắt đầu bằng một bit bắt đầu (logic 0 – dương điện áp) và kết thúc bằng một hoặc nhiều bit dừng (logic 1 – âm điện áp). Điều này cho phép bộ thu đồng bộ hóa với luồng dữ liệu của mỗi ký tự.

Đối với các thiết bị đồng bộ, tiêu chuẩn cung cấp các tín hiệu đồng hồ để đồng bộ hóa việc truyền dữ liệu, đặc biệt ở tốc độ dữ liệu cao hơn:

• Đồng hồ truyền (TCK/ST – pin 15): Được cung cấp bởi DCE. DTE đặt bit tiếp theo trên đường truyền dữ liệu (pin 2) khi đồng hồ này chuyển từ OFF sang ON.
• Đồng hồ nhận (RCK/RT – pin 17): Được cung cấp bởi DCE. DTE đọc bit tiếp theo từ đường nhận dữ liệu (pin 3) khi đồng hồ này chuyển từ ON sang OFF.
• Định thời truyền (TT – pin 24): DTE có thể cung cấp tín hiệu đồng hồ này cho dữ liệu được truyền. Dữ liệu thay đổi khi đồng hồ chuyển từ OFF sang ON, và được đọc trong quá trình chuyển từ ON sang OFF. TT có thể được sử dụng để khắc phục vấn đề trễ lan truyền trong cáp dài.

4. Các tín hiệu dữ liệu và điều khiển

RS-232 sử dụng một loạt các chân tín hiệu để truyền dữ liệu và kiểm soát luồng. Các tín hiệu này được đặt tên từ góc độ của DTE.

a. Bảng tín hiệu RS-232

b. Giải thích chi tiết các tín hiệu chính

• TxD (Transmitted Data) và RxD (Received Data): Hai đường chính để truyền và nhận dữ liệu.
• GND (Common Ground): Chân nối đất chung, là điểm tham chiếu điện áp cho tất cả các tín hiệu khác.
• RTS (Request To Send) và CTS (Clear To Send): Ban đầu được định nghĩa cho các modem bán song công (half-duplex). DTE kích hoạt RTS để yêu cầu truyền dữ liệu, và DCE kích hoạt CTS để cấp quyền. Trong các môi trường truyền thông song công hoàn toàn hiện đại, RTS và CTS thường được sử dụng cho điều khiển luồng phần cứng (hardware flow control), nơi DTE kích hoạt RTS khi sẵn sàng nhận dữ liệu và DCE kích hoạt CTS khi sẵn sàng nhận dữ liệu.
• DTR (Data Terminal Ready) và DSR (Data Set Ready): DTR cho biết DTE đã sẵn sàng hoạt động, và DSR cho biết DCE đã sẵn sàng hoạt động.
• DCD (Data Carrier Detect): Cho biết DCE đang nhận tín hiệu sóng mang từ một DCE từ xa.
• RI (Ring Indicator): Được gửi từ DCE đến DTE để báo hiệu có cuộc gọi đến trên đường dây điện thoại.

Các hạn chế của RS-232

Mặc dù RS-232 rất phổ biến, nó có một số hạn chế:

• Điện áp dao động lớn: Yêu cầu điện áp dao động lớn và nguồn cấp dương/âm làm tăng mức tiêu thụ điện và phức tạp hóa thiết kế nguồn. Điều này cũng giới hạn tốc độ tối đa của giao diện.
• Tín hiệu đơn kết thúc: Tín hiệu tham chiếu đến một điểm nối đất chung giới hạn khả năng chống nhiễu và khoảng cách truyền.
• Không định nghĩa kết nối đa điểm: Tiêu chuẩn không định nghĩa kết nối đa điểm giữa nhiều hơn hai thiết bị.
• Không định nghĩa kết nối DTE-DTE hoặc DCE-DCE trực tiếp: Cần cáp null modem để thực hiện các kết nối này, nhưng chúng không được định nghĩa bởi tiêu chuẩn.
• Định nghĩa không đối xứng: Định nghĩa hai đầu của liên kết không đối xứng, gây khó khăn trong việc gán vai trò cho một thiết bị mới.
• Điều khiển luồng không đáng tin cậy: Việc sử dụng các đường bắt tay (handshake lines) cho điều khiển luồng không được triển khai đáng tin cậy trong nhiều thiết bị.
• Không có phương pháp cấp nguồn: Không có phương pháp nào được chỉ định để cấp nguồn cho thiết bị.
• Đầu nối lớn: Đầu nối DB-25 được khuyến nghị trong tiêu chuẩn lớn so với thực tế hiện nay.

Vai trò trong máy tính cá nhân hiện đại và ứng dụng công nghiệp

Trong máy tính cá nhân hiện đại, RS-232 đã bị thay thế phần lớn bởi USB cho các giao tiếp cục bộ do USB nhanh hơn, sử dụng điện áp thấp hơn và có đầu nối đơn giản hơn. Tuy nhiên, RS-232 vẫn tiếp tục được sử dụng trong các lĩnh vực như tự động hóa phòng thí nghiệm, khảo sát, và trong các thiết bị công nghiệp như bộ điều khiển logic khả trình (PLC), bộ biến tần, bộ điều khiển servo và thiết bị điều khiển số bằng máy tính (CNC).

Các cổng RS-232 cũng thường được sử dụng để giao tiếp với các hệ thống không có màn hình (headless systems) như máy chủ, nơi không có màn hình hoặc bàn phím được cài đặt, trong quá trình khởi động khi hệ điều hành chưa chạy và do đó không thể kết nối mạng.

Kết luận

RS-232, mặc dù là một tiêu chuẩn cũ, vẫn là một phần không thể thiếu trong nhiều hệ thống công nghiệp và chuyên dụng. Sự đơn giản, độ tin cậy và khả năng tương thích ngược đã giúp nó duy trì vị thế của mình. Việc hiểu rõ các đặc tính điện, định thời và nguyên lý hoạt động của RS-232 là rất quan trọng đối với bất kỳ ai làm việc với các hệ thống nhúng, tự động hóa hoặc thiết bị cũ.

Xem thêm: Ethernet hoạt động như thế nào? Tất tần tật từ A đến Z