M-Bus là gì? Tổng quan về giao thức giao tiếp truyền thông Meter Bus

M-Bus là gì?

M-Bus (Meter-Bus) là một tiêu chuẩn Châu Âu – EU (lớp vật lý và liên kết EN 13757-2, lớp ứng dụng EN 13757-3) để đọc dữ liệu từ xa cho đồng hồ nước, đồng hồ khí hoặc điện. M-Bus cũng sử dụng được cho các loại đồng hồ đo tiêu thụ khác. Giao diện M-Bus được tạo ra với khả năng giao tiếp trên hai dây, giúp tiết kiệm chi phí. Một biến thể khác của M-Bus (M-Bus không dây) (liên kết vòng tròn) cũng được quy định trong EN 13757-4.

Cấu trúc liên kết cho M-Bus

Các phương pháp mà hệ thống xử lý dữ liệu giao tiếp với nhau được phân loại theo khoảng cách liên kết. Với các mạng toàn thế giới, thuật ngữ được sử dụng là Mạng toàn cầu (GAN – Global Area Networks), trong khi các mạng bao phủ các lục địa hoặc vùng đất rộng lớn được gọi là Mạng diện rộng (WAN – Wide Area Networks); Mạng cục bộ (LAN – Local Area Networks) có thể liên kết các thành phần với khoảng cách giới hạn ở các khu vực địa lý cụ thể, chẳng hạn như phòng thí nghiệm, tòa nhà văn phòng và cơ sở công ty. Ví dụ, các mạng cục bộ như vậy được sử dụng để liên kết các thiết bị đầu cuối, máy tính, thiết bị đo lường và các mô-đun tự động hóa quy trình với nhau.

Trong phần lớn các mạng cục bộ, thường sử dụng một hoặc các phương pháp sau (cấu trúc liên kết) để liên kết các thành phần trong hệ thống:

Cấu trúc liên kết hình sao

Mỗi thành phần được liên kết với một bộ xử lý trung tâm với một đường truyền riêng. Thiết bị có thể truyền tới thiết bị trung tâm theo quá trình tuần tự hoặc đồng thời. Một nhược điểm của cách sắp xếp này là yêu cầu về hệ thống cáp tăng lên.

Cấu trúc liên kết vòng

Trong trường hợp này, các thành phần được kết nối với nhau trong một vòng và dữ liệu được truyền từ điểm này sang điểm khác. Cấu trúc liên kết này có nhược điểm là, nếu một thiết bị duy nhất bị lỗi, mạng hoàn chỉnh sẽ không hoạt động.

Cấu trúc liên kết bus

Các thành phần được kết nối với nhau bằng một đường truyền chung, kết quả là ngay lập tức chỉ có một thiết bị có thể truyền dữ liệu. Cấu trúc liên kết này rất tiết kiệm chi phí, nó sẽ không bị xáo trộn nếu một trong các thành phần bị lỗi, và nó cho phép truyền dữ liệu đến tất cả các thành phần (Broadcasting) hoặc đến các nhóm cụ thể trong hệ thống (Multicasting).

Một bus nối tiếp có thể được định nghĩa là một đường truyền mà qua đó những thành phần tham gia truyền dữ liệu của chúng một cách tuần tự (tức là từng bit), tuần tự trong thời gian và sử dụng một phương tiện chung. Ngược lại, trong hệ thống bus song song, các bit riêng lẻ tạo thành một ký tự được truyền đồng thời bởi một số đường dữ liệu nhất định. Điều này dẫn đến tăng chi phí cho cáp và đầu nối; thời gian truyền ngắn hơn so với một bus nối tiếp.

Yêu cầu Bus System cho đồng hồ đo

Trong số các cấu trúc liên kết khác nhau được trình bày trước đó có thể được xem xét để sử dụng cho các đồng hồ đo tiện ích với độ đảm bảo đáng tin cậy và hiệu quả về chi phí, chỉ có cấu trúc liên kết bus là phù hợp trên thực tế. Các yêu cầu được thực hiện bởi đồng hồ trên một hệ thống bus như vậy sẽ được đáp ứng.

Yêu cầu quan trọng nhất là sự kết nối của nhiều thiết bị (vài trăm chiếc) trên khoảng cách xa – lên đến vài km. Vì dữ liệu do đồng hồ đo gửi đi được sử dụng để thanh toán cho người dùng cuối, nên yêu cầu đảm bảo mức độ toàn vẹn trên đường truyền cực cao đối với bus. Mặt khác, nó có thể phân phối với tốc độ truyền cao, vì thường chỉ phải chuyển một lượng thông tin tương đối nhỏ. Để đảm bảo tính toàn vẹn của đường truyền cao này, bus phải đặc biệt không nhạy cảm với nhiễu bên ngoài, do kết quả của ghép nối điện dung hoặc cảm ứng. Để tránh các vòng nối đất, slave nên được cách ly về điện.

Một yêu cầu khác đối với bus là chi phí thấp cho hệ thống hoàn chỉnh. Do đó, phương tiện truyền dẫn được sử dụng không cần phải che chắn và có thể giảm thiểu chi phí của từng đồng hồ đo bằng cách sử dụng càng ít linh kiện càng tốt và cấp nguồn từ xa cho các slave từ bus. Ngoài ra, phải tính đến chi phí lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống: Có thể giảm chi phí này bằng cách kết hợp bảo vệ chống phân cực ngược và cung cấp cho việc kết nối các thiết bị bổ sung (Life Insert) trong quá trình vận hành hệ thống bus.

M-Bus trong Mô hình OSI

Vì không có hệ thống bus nào đáp ứng các yêu cầu chi tiết trên, Meter-Bus (M-Bus) được phát triển bởi Giáo sư Tiến sĩ Horst Ziegler của Đại học Paderborn với sự hợp tác của Texas Instruments Deutschland GmbH và Techem GmbH. Khái niệm này dựa trên Mô hình Tham chiếu ISO-OSI, nhằm tạo ra một hệ thống mở có thể sử dụng hầu hết mọi giao thức mong muốn.

Vì M-Bus không phải là một mạng, và do đó nó không cần một lớp truyền tải hoặc phiên, nên các cấp 4, 5, 6 của mô hình OSI là trống. Do đó, chỉ có vật lý, liên kết dữ liệu, mạng và lớp ứng dụng được cung cấp các chức năng.

Vì không cho phép thay đổi các tham số như tốc độ truyền và địa chỉ bởi các lớp cao hơn trong ISO-OSI-Model, nên một Lớp quản lý bên cạnh và phía trên bảy Lớp OSI được xác định:

Vì vậy, địa chỉ 254 hoặc 255 được dành riêng để quản lý lớp vật lý và địa chỉ 253 (lựa chọn) cho lớp mạng chỉ được sử dụng trong một số trường hợp nhất định.

Với lớp mới này, chúng ta có thể quản lý trực tiếp từng lớp OSI để triển khai các tính năng không tuân theo Mô hình OSI.

Các chức năng cơ bản của hệ thống bus

Sơ đồ sau nhằm cung cấp một cái nhìn tổng thể về các dạng khác nhau của hệ thống bus nối tiếp:

Việc chia nhỏ đầu tiên có thể được thực hiện theo kỹ thuật ghép kênh. Với ghép kênh tần số, phổ tần số của môi trường truyền dẫn được chia thành các dải tần, mỗi dải đại diện cho một kênh. Mỗi thành phần tham gia sau đó được phân bổ một kênh. Trong phần tiếp theo, loại kỹ thuật đồng bộ hóa và truy cập được sử dụng sẽ được mô tả để phân loại hệ thống bus nối tiếp sử dụng ghép kênh phân chia thời gian.

Kỹ thuật truyền trong M-Bus

Vì trong hệ thống bus, phương tiện truyền dẫn được sử dụng bởi tất cả những bên tham gia cùng nhau, nên phải tính đến các yêu cầu truyền dẫn khác nhau của chúng. Các phương pháp được sử dụng bởi những bên tham gia muốn truyền qua bus được gọi là kỹ thuật truyền (hay kỹ thuật truy cập). Các kỹ thuật này phải đảm bảo rằng một số trạm không truyền đồng thời và do đó tránh gây ra xung đột hoặc va chạm bus và mỗi bên tham gia có thể truyền ít nhất trong một thời gian tối thiểu nhất định. Việc chia sẻ bus giữa các trạm muốn truyền tải được thực hiện với một hệ thống logic phân bổ.

Với logic phân bổ trung tâm, bộ điều khiển bus trung tâm nhận được yêu cầu sử dụng bus và sau đó đưa ra quyết định xem người dùng có thể sử dụng bus hay không và nếu có thì khi nào, người dùng có thể sử dụng bus. Vì mục đích này, các phương pháp khác nhau được sử dụng để đăng ký yêu cầu chiếm giữ bus:

• Đăng ký trực tiếp bằng đường dây nhánh riêng lẻ cho từng thiết bị
• Thẩm vấn định kỳ (thăm dò ý kiến) những bên tham gia về nhu cầu truyền tải của chúng
• Các yêu cầu được gửi trên một đường dây chung với nhận dạng của bên gửi
• Phân bổ bus theo một khung thời gian định trước mà không tính đến các yêu cầu riêng

Ưu điểm của logic phân bổ trung tâm là giảm độ phức tạp được yêu cầu tại các trạm riêng lẻ.

Với logic phân bổ phi tập trung, mỗi bên tham gia được cung cấp các chức năng cho phép nó nhận ra bus đã được sử dụng hay chưa. Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để xác định xem bus có bị chiếm dụng hay không:

• Thẩm vấn lẫn nhau của các trạm bằng đường dây yêu cầu cho mỗi trạm
• Phân bổ bus định kỳ, bằng cách chuyển “quyền sở hữu” bus từ bên này sang bên khác
• CSMA: Bên tham gia có khả năng kiểm tra xem bus có đang truyền dữ liệu hay không và truyền dữ liệu của chính chúng nếu được phát hiện là trống. Để tránh va chạm, có thể phát sinh do thời gian truyền tín hiệu, với một số hệ thống bus nhất định (ví dụ: Ethernet), các trạm có thể sử dụng dữ liệu của riêng mình trên bus để xác định xem có xung đột bus hay không. Trong trường hợp đó, quá trình truyền sẽ bị gián đoạn và lặp lại sau một khoảng thời gian thích hợp.

Mức độ phức tạp logic cao hơn tại mỗi trạm là cần thiết để thực hiện logic phân bổ phi tập trung, nhưng hệ thống này cũng có ưu điểm là lỗi trong bộ điều khiển bus trung tâm sẽ không dẫn đến sự cố hoàn toàn của bus.

Đồng bộ hóa các bên tham gia trong M-Bus

Đồng bộ được hiểu là sự phối hợp trong thời gian của các bên tham gia giao tiếp đối với việc truyền và nhận tín hiệu. Các phương pháp đồng bộ hóa khác nhau có thể được phân loại thành truyền dữ liệu đồng bộ và truyền dữ liệu không đồng bộ.

Với truyền đồng bộ, tín hiệu đồng hồ ổn định được cung cấp bởi trạm trung tâm hoặc một trong các đối tác giao tiếp, dùng để đo thời gian truyền. Với truyền không đồng bộ, cần phải phân biệt giữa các kỹ thuật có và không có báo nhận tín hiệu. Khi có tín hiệu báo nhận, bên gửi sẽ hiển thị bằng một tín hiệu cụ thể trên đường truyền rằng nó có dữ liệu để gửi và chờ xác nhận từ bên nhận. Các kỹ thuật không có xác nhận sử dụng đồng hồ truyền trên một đường đặc biệt để truyền bit song song, hoặc bit bắt đầu và dừng để tạo khung cho một ký tự để truyền nối tiếp bit.

Xử lý lỗi trong M-Bus

Các nguyên nhân gây ra lỗi đường truyền trong hệ thống bus được biết đến rộng rãi. Chúng đặc biệt bao gồm nhiễu điện từ bên ngoài, ví dụ: ghép cảm ứng ở tần số nguồn điện; nhiễu tần số cao do phát tia lửa điện ở chổi của động cơ hoặc vòng cung của đèn phóng điện; ghép nối điện dung với các đường dây khác; hoặc dòng điện được ghép trực tiếp từ các vòng nối đất do kết quả của nhiều mặt đất.

Hệ thống bus phải đảm bảo rằng các lỗi truyền dẫn được nhận biết và sửa chữa. Vì lý do này, thông tin bổ sung được cung cấp cùng với dữ liệu được truyền, điều này cho phép kiểm tra dữ liệu khi tiếp nhận.

Riêng với truyền không đồng bộ, một bit chẵn lẻ bổ sung thường được truyền với mỗi ký tự. Bit chẵn lẻ này được xây dựng để các điều kiện chẵn lẻ (một số chẵn hoặc một số lẻ) được đáp ứng. Một phương pháp khác là việc tạo ra một ký tự kiểm tra khối từ các phép toán cụ thể, ví dụ như phép cộng không mang (Kiểm tra Tổng), được lấy từ tất cả dữ liệu. Trạm nhận có thể phát hiện xem có lỗi truyền hay không bằng cách so sánh ký tự kiểm tra mà nó đã nhận được với ký tự mà nó đã tự tính toán. Bit chẵn lẻ chỉ cho phép nhận dạng một số lẻ các bit bị lỗi.

Để sửa lỗi, bên nhận sẽ gửi một xác nhận, cho biết rằng quá trình truyền không có lỗi hoặc đã có lỗi khi truyền. Với mục đích tương tự, máy phát sẽ kiểm tra xem máy thu có xác nhận việc nhận dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định hay không. Nếu vượt quá giới hạn thời gian (Timeout), hoặc nếu lỗi truyền đã được thông báo, thì bên gửi sẽ lặp lại quá trình truyền một số lần định trước.

Khoảng cách Hamming được sử dụng để chỉ định độ an toàn của mã ký tự; đây là số lỗi (trừ đi một) có thể được nhận ra cho mọi trường hợp.

Trên đây, chúng tôi đã chia sẻ cho các bạn tổng quan về giao thức giao tiếp truyền thông M-Bus (Meter-Bus). Hy vọng rằng, với những gì chúng tôi trình bày bên trên sẽ giúp ích được cho bạn. Xin cảm ơn!