Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card

Transkrypt

1 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze parametry wielofunkcyjnych kart pomiarowych: interfejs (PCI, ISA, PCMCIA, USB 1.1 v 2.0, FireWire, RS232C itd.) liczba wejść analogowych liczba wyjść analogowych liczba wejść/wyjść cyfrowych maksymalna częstotliwość próbkowania WE i WY rodzaj i zakres sygnału wejściowego wzmocnienie rozdzielczość przetworników A/C i C/A dostępność bibliotek (C, Pascal, assembler) i sterowników

2 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze funkcje kart pomiarowych: Przetwarzanie A/C sygnałów z wejść analogowych Filtracja analogowa antyaliasingowa sygnału wejściowego Ustawianie poziomów i czasów wyzwalania dla sygnału na wejściu analogowym Generowanie żądanych sygnałów na wyjściach analogowych przetwarzanie C/A Odczyt i zapis sygnałów cyfrowych z/do portów WE/WY DIO Generowanie sygnałów o zadanej częstotliwości lub impulsów o zadanym czasie trwania Pomiar częstotliwości sygnału wejściowego lub czasu trwania impulsu Przechowywanie danych pomiarowych i konfiguracyjnych w jej pamięci

3 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Schemat blokowy komputerowej karty pomiarowej DAQ

4 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Szybka transmisja danych wymaga równoległych interfejsów komunikacyjnych i jak najkrótszych odległości pomiędzy urządzeniami. Oba te czynniki występują w kasetowych i modułowych systemach pomiarowych. Systemy kasetowe (CAMAC, VXI) złożone są z kaset mocowanych w specjalnych stojakach, a w kasetach instalowane są specjalizowane moduły z blokami funkcjonalnymi, odległość miedzy kasetami zwykle nie przekracza 50 cm. Systemy kasetowe wyposażane są w moduły dedykowane tylko do tych systemów, co z jednej strony dobrze wpływa na parametry systemów, ale z drugiej czyni je systemami specjalizowanymi i również drogimi. Zwykle w obudowie jedno gniazdo zajmuje moduł kontrolera, który jest tak naprawdę komputerem PC wyposażonym we wszystkie typowe elementy (procesor, dysk twardy, pamięć, interfejsy komunikacyjne: USB, Ethernet, a także wyjścia do podłączenia monitora jeśli jest używany). Należy tutaj dodać, że po spełnieniu pewnych warunków obudowa PXI z kontrolerem i modułami może pełnić rolę komputera przemysłowego i pracować w trudniejszych niż laboratoryjne warunki. Są również dostępne obudowy przenośne. Moduł PXI o wymiarach 3U i obudowa PXI z wyświetlaczem

5 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Budowa systemu bazuje na popularnej w komputerach osobistych magistrali PCI (również PCIExpress). Moduły systemu PXI są elementami o wymiarach Eurokarty o wymiarach: 160x100 mm (3U) i 160x233 mm (6U). Moduły umieszcza się gniazdach obudowy.każdy moduł ma dwa złącza jedno do transferu danych po magistrali PCI (J1) i drugie do transferu sygnałów (zegarowych, synchronizacji) magistrali PCI (J2). Obudowy są oferowane w różnych wielkościach i konfiguracjach. Magistrala systemu modułowego PXI

6 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - obudowy NI PXIe-1085 (16) NI PXIe-1071 (3)

7 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - kontrolery NI PXIe-8100 RT NI PXIe-8100 RT Atom D GHz 512 MB (1 x 512 MB DIMM) 667 MHz DDR2 RAM standard, 1 GB maximum 1 GB/s maximum system and 250 MB/s maximum slot bandwidth Integrated USB, serial, and Gigabit Ethernet Highest performance: 24 GB/s system bandwidth and 8 GB/s slot bandwidth 2.3 GHz eight-core Intel Xeon E5-2618L v3 processor (3.4 GHz maximum single-core, Turbo Boost mode) 8 GB (1 x 8 GB DIMM), triple-channel 1866 MHz DDR4 RAM standard, 24 GB maximum 2 x USB 3.0, 4 x USB 2.0, 2 x Gigabit Ethernet LAN, DisplayPort, GPIB and SMB trigger

8 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI moduły (przykłady) Oscyloskopy Urządzenia wielofunkcyjne Multimetry cyfrowe Generatory funkcyjne

9 Modułowe systemy pomiarowe Standard CompactRIO CompactRIO Moduły

10 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe przyrządy wirtualne Przyrządy pomiarowe Struktura wirtualnego przyrządu pomiarowego

11 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe przyrządy wirtualne Przyrządy pomiarowe

12 Przyrządy wirtualne i tradycyjne porównanie

13 Filtrowanie sygnałów Filtry są czwórnikami o specjalnie ukształtowanych charakterystykach częstotliwoścowych. Ich właściwości przedstawia się zwykle za pomocą częstotliwościowych charakterystyk amplitudowej i fazowej. Sygnał po przejściu przez filtr zmienia swoje widmo. Zmiana ta polega na różnym tłumieniu amplitud i różnym przesuwaniu faz składowych widma o poszczególnych częstotliwościach. W układach pomiarowych najczęściej stosuje się filtry o częstotliwościowych charakterystykach amplitudowych: dolnoprzepustowe górnoprzepustowe środkowoprzepustowe środkowozaporowe

14 Filtrowanie sygnałów Definicje: Filtracja- proces przetwarzania sygnału w dziedzinie czasu. Polega na redukowaniu nieporządanych składowych zawartych w sygnale wejściowym Filtr- każde urządzenie posiadające selektywne charakterystyki częstotliwościowe Filtr cyfrowy- algorytm lub proces obliczeniowy w wyniku którego jedna sekwencja liczb (tzn. sygnał wejściowy) zamieniany jest w inną sekwencję (tzn. sygnał wyjściowy)

15 Filtrowanie sygnałów KRYTERIA OCENY FILTRÓW ODPOWIEDŹ AMPLITUDOWA ODPOWIEDŹ FAZOWA ODPOWIEDŹ NA SKOK JEDNOSTKOWY

16 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo przepustowe to obszar częstotliwości, w którym sygnał przechodzi przez układ praktycznie nie osłabiony. Pasmo to rozciąga się do punktu w którym amplituda spada poniżej 3dB wartości nominalnej. Punkt ten nazywany jest częstotliwością odcięcia f 3dB.

17 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Obszar przejściowy nazywany stromością nachylenia charakterystyki określa szybkość zmiany wzmocnienia wraz z częstotliwością, zawiera się między pasmem przepustowym a zaporowym.

18 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo zaporowe to pasmo częstotliwości, których amplituda ma zostać zmniejszona poniżej zaprojektowanego poziomu. Parametry oceny filtru to tętnienie pasma przepustowego i zaporowego oraz stromość nachylenia charakterystyki. W zależności od przeznaczenia filtru dopuszcza się pewien poziom tętnienia jak i określoną szerokość obszaru przejścia, możliwe jest zaprojektowanie filtru z bardzo stromą charakterystyką lub taki, który nie wprowadza zakłóceń w paśmie przepustowym.

19 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka fazowa to zależność fazy do częstotliwości. Odpowiedź fazowa jest ściśle związana z czasem opóźnienia przechodzącego przez filtr sygnału dla różnych częstotliwości. Filtry o liniowej odpowiedzi fazowej opóźniają wszystkie częstotliwości o taki sam czas. Filtry o nieliniowej odpowiedzi fazowej opóźniają różne częstotliwości o różne okresy, co wprowadza zakłócenia podobne do zjawiska rozproszenia sygnału radiowego wynikające z nieustannie zmieniającą się drogą emitowanych fal. Charakterystyka fazowa widoczna na rysunku nie jest to charakterystyka idealnie liniowa ponieważ widoczne są lekkie oscylacje fazy.

20 Filtrowanie sygnałów Odpowiedź na skok jednostkowy Czas narastania odpowiedzijest to czas w którym napięcie wyjściowe osiągnie poziom 90% do swojej wartości maksymalnej (tr) Czas ustalania - czas w jakim napięcie wyjściowe ustala się w obrębie 5% odchylenia od swojej wartości końcowej (ts) Przerzut - maksymalna wartość napięcia o jakie napięcie wyjściowe przewyższa chwilowo swoją wartość końcową. Tętnienie - oscylacje wokół średniej wartości końcowej

21 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Filtr Butterwortha w stosunku do innych filtrów ma najbardziej płaski przebieg charakterystyki amplitudowej w paśmie przepustowym. Odbywa się to kosztem załamania charakterystyki pod koniec pasma przepustowego. Ma on rownież nieliniową charakterystykę fazową. W filtrze Butterwortha najważniejszym celem jest uzyskanie maksymalnej płaskości charakterystyki amplitudowej. Charakterystyka powinna zaczynać sie maksymalnie płasko dla zerowej czestotliwosci i przeginać sie dopiero w pobliżu częstotliwości granicznej fg (fg jest zwykle częstotliwością 3dB). Filtry tego rodzaju stosuje się do filtracji sygnałów niemodulowanych, w celu wyeliminowania zakłóceń o częstotliwościach leżących poza pasmem użytecznym.

22 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa Stromość charakterystyki zależy od rzędu filtru

23 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Filtry te charakteryzują się dużą selektywnością, tętnieniami pasma przepustowego oraz zaporowego, nieliniowością charakterystyki fazowej i większą w porównaniu z filtrem Butterwortha stromością charakterystyki. Filtr Czebyszewa stanowi ulepszenie filtru Butterwortha w stosunku do nachylenia charakterystyki, tym niemniej obydwa te filtry mają niezadowalającą odpowiedź fazową a filtr Czebyszewa nawet gorszą. Filtr Czebyszewa jest też czasem nazywany filtrem o równomiernym falowaniu, gdyż tętnienia w obrębie całego pasma przepustowego są jednakowe. Ponadto gęstość ich wzrasta wraz ze wzrostem rzędu filtru. Stosuje się je przy filtracji sygnałów niemodulowanych i zmodulowanych amplitudowo w celu wyeliminowania silnych sygnałów zakłócających o częstotliwościach mało rózniących się od częstotliwości sygnału użytecznego.

24 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

25 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Filtry dolnoprzepustowe Butterwortha i Czebyszewa charakteryzują sią znacznymi oscylacjami odpowiedzi impulsowej. Idealne własciwosci przy przenoszeniu impulsow prostokatnych maja filtry, w których opóźnienie nie zależy od czestotliwosci, tzn. w których przesuniecie fazowe jest proporcjonalne do czestotliwosci. Takie własciwosci najlepiej aproksymują filtry Bessela. Filtry te charakteryzują się prawie liniowym przebiegiem charakterystyki fazowej, a więc wprowadzają do układu stałe opóźnienie czasowe w określonym paśmie częstotliwości. Filtry Bessela odznaczają się bardzo małymi przewyższeniami w sygnale odpowiedzi na skok napięcia wejściowego i szybkim narastaniem tego sygnału. Stosuje się je przede wszystkim jako filtry dolnoprzepustowe przy filtracji sygnałów zmodulowanych fazowo, ponieważ praktycznie przekształcają one sygnał bez zniekształceń fazowych.

26 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

27 Filtrowanie sygnałów Odpowiedzi na funkcję skoku jednostkowego filtrów Bessela, Butterwortha, Czebyszewa i in.

28 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Proces konwersji analogowo-cyfrowej można podzielić na trzy podstawowe etapy a mianowicie filtrowanie antyaliasingowe, próbkowanie i kwantyzacja.

29 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Filtrowanie antyalisingowe jest niezbędne gdyż widmo sygnału jest ze względu na zniekształcenia i szumy bardzo szerokie, dolnoprzepustowy filtr analogowy stosowany jest w celu ograniczenia szerokości widma rzeczywistego sygnału. Zastosowanie tego typu filtracji ma na celu zapobieżenie zjawiska nakładania się widm powstających w wyniku ich powielania podczas wykonywania próbkowania sygnału Powielanie widma (brak filtru antyaliasingowego)

30 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Efekt zastosowania filtru antyaliasingowego

31 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał analogowy można próbkować z dowolną szybkością i otrzymuje się ciąg wartości dyskretnych. Jeśli wybierzemy zbyt krótki okres próbkowania, to proces przetwarzania sygnału będzie mało efektywny i drogi. Natomiast, jeśli okres próbkowania będzie zbyt długi, to możemy utracić informacje zawarte w sygnale. Próbkowanie zbyt wolne

32 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał powinien być tym szybciej próbkowany, im szybciej ulega zmianom, tzn. im wyższe zawiera składowe częstotliwościowe. Twierdzenie o próbkowaniu lub twierdzenie Shannona-Kotielnikowa: Częstotliwość próbkowania ω s musi być co najmniej dwa razy większa od maksymalnej pulsacji ω g zawartej w widmie sygnału ciągłego, aby sygnał można było odtworzyć z sygnału próbkowanego. Maksymalna dopuszczalna w widmie sygnału ciągłego pulsacja ω s /2 nosi nazwę pulsacji Nyquista.

33 Przetwarzanie AC Próbkowanie Próbki sygnału Próbkowanie i pamiętanie Układ próbkująco-pamiętający

34 Przetwarzanie AC Kwantowanie Przedziały o stałej szerokości q Przedziały o szerokości q i q/2

35 Przetwarzanie AC Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych: całkujące (integracyjne), kompensacyjne szeregowe i z kodowaniem bezpośrednim (typu flash"), delta-sigma, impulsowo-czasowe, inne (stochastyczne, z elementem V, z przełączaniem prądów). Przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia może również działać na zasadzie kombinacji dwóch metod przetwarzania.

36 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) Mają duże znaczenie ze względu na korzystne właściwości tłumienia zakłóceń w procesie całkowania sygnału wejściowego. a) Przetworniki z podwójnym całkowaniem (względnie długi czas próbkowania składającego się z dwóch faz)

37 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) b) Przetworniki z przetwarzaniem częstotliwościowym (całkujący z uśrednianiem dyskretnym, z pojedyńczym całkowaniem) Składa się z dwóch części niezależnych od siebie: przetwornika U/f i układu do cyfrowego pomiaru częstotliwości. Przetwornik całkujący z przetwarzaniem częstotliwościowym: a) schemat blokowy: I - integrator, UR - źródło napięcia odniesienia, K - komparator, GPI - generator pojedynczego impulsu, UF - układ formujący, Gen. Twz - generator wzorcowego przedziału czasu; b) wykresy sygnałów

38 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne a) szeregowe - porównanie mierzonego napięcia U x z regulowanym napięciem odniesienia U 0 w przetworniku odbywa się krok po kroku, szeregowo w czasie. Źródłem napięcia odniesienia o przebiegu schodkowym jest przetwornik C/A Odpowiednio do stanu licznika binarnego przetwornik C/A generuje napięcie odniesienia rosnące od O co jeden kwant q aż do chwili zrównania się napięć U 0 i U x. Po zasygnalizowaniu przez komparator tej chwili licznik jest zatrzymywany, a stan licznika N jest cyfrową miarą przetwarzanego napięcia U x. Szeregowy przetwornik kompensacyjny: K - Przebieg kompensacji w przetworniku szeregowym: komparator analogowy, US - układ sterujący, C/A a) kompensacja schodkowym napięciem odniesienia, przetwornik cyfrowo-analogowy, UR - źródło napięcia b) kompensacja wagowa wzorcowego, U0 - regulowane źródło napięcia odniesienia

39 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne b)o kodowaniu bezpośrednim (równoległy przetwornik kompensacyjny, przetwornik typu flash") Napięcie mierzone Ux jest podłączone do wejść (+) szeregu komparatorów, na których wejścia (- ) załączono skwantowane napięcie wzorcowe. Na wejście (-) komparatora K 1 załączono napięcie wzorcowe U1 o wartości jednego kwantu q, na wejście (-) komparatora K2 napięcie wzorcowe U2 o wartości 2q i kolejno na wejścia (-) następnych komparatorów napięcie wzorcowe o wartości rosnącej o kwant q. Na wejście (-) komparatora KN załączono na-pięcie wzorcowe U wz = U N = N * q. Stan logiczny wyjść komparatorów zależy od wartości chwilowej U x. Sygnały z wyjść komparatorów są deszyfrowane w dekoderze i przekazywane do rejestru w takt rozkazów zapisu pochodzących z układu sterującego. Przetwornik o kodowaniu bezpośrednim: Kl, K2,... KN - komparatory analogowe, US - układ sterujący, Uwz - źródło napięcia wzorcowego, R - rejestr

40 Sterowniki komputerowych układów pomiarowych Parametry/cechy jednostki centralnej (komputera/sterownika) mające wpływ na pracę układu pomiarowego: Procesor Pamięć operacyjna Przepustowość szyny / organizacja przepływu danych Układ graficzny Pamięć masowa (HDD, flash,.) Obsługiwane interfejsy komunikacyjne (zewnętrzne i wewnętrzne) Możliwość rozbudowy, konfiguracji System operacyjny Oprogramowanie

41 Interfejsy komunikacyjne Standardowe interfejsy (magistrale) w komputerach klasy PC wykorzystywane do podłączania urządzeń pomiarowych: - do montażu urządzeń wewnątrz komputera: ISA, EISA, PCI, PCI-X, PCI Express, MiniPCI, AGP, SCSI, ATA, SATA do podłączania urządzeń zewnętrznych: PCMCIA, Express Card, USB, FireWire, RS232C, Centronics,

42 Interfejsy komunikacyjne ISA (ang. Industry Standard Architecture bus) standardowa 16-bitowa szyna danych (w starszych urządzeniach 8-bitowa) o częstotliwości 8MHz co daje szybkość transmisji do 8 MB/s (efektywna w granicach od 1,6 MB/s do 1,8 MB/s) - do transmisji wymaga od 2 do 8 cykli zegara. Podstawowa zaleta niewielki koszt obecnie rzadko stosowana. Do magistrali ISA dołącza się karty komputerowe obsługujące urządzenia o dużej szybkości pracy (karty interfejsowe, karty pomiarowe, układy akwizycji danych i in.)

43 Interfejsy komunikacyjne PCI (ang. Peripheral Component Interconnect bus) standardowa 32 i/lub 64 bitowa szyna danych o częstotliwości 33MHz (66MHz w wersji PCI 2.1) co daje maksymalną szybkość transmisji danych 133MB/s i odpowiednio 264 MB/s (możliwe tylko w trybie transmisji seryjnej, w którym po jednorazowym zaadresowaniu odbiorcy transmitowany jest blok danych o dowolnej długości). Wersje PCI Wersja PCI 2.0 PCI 2.1 PCI 2.2 PCI 2.3 Rok wprowadzenia Maksymalna szerokość szyny danych Maksymalna częstotliwość taktowania Maksymalna przepustowoś ć bity 64 bity 32 bity 64 bity 33 MHz 33 MHz 66 MHz 66 MHz 133 MB/s 266 MB/s Napięcie 5 V 5 V 266 MB/s 533 MB/s 5 V / 3,3 V 3,3 V Zastosowanie dołączanie kart komputerowych obsługujących urządzenia o dużej szybkości pracy (karty interfejsowe, karty pomiarowe, układy akwizycji danych i in.

44 Interfejsy komunikacyjne PCI-X (ang. Peripheral Component Interconnect Extended) - szybsza wersja znanego standardu PCI. Szyna ta oferuje transmisję danych rzędu 4,3 GB/s, czyli 32 razy szybciej niż pierwsze PCI. Magistrala ta jest wstecznie zgodna z PCI (zarówno stare karty pasują do nowych gniazd, jak i nowe karty do starych gniazd), istotne jest tylko dopasowanie napięciowe. Wersje PCI-X wersja PCI-X 1.0 PCI-X 2.0 PCI-X 3.0 rok wprowadzenia maksymalna szerokość szyny danych 64 bity 64 bity 64 bity maksymalna częstotliwość taktowania maksymalna przepustowość 133 MHz 533 MHz 1066 MHz 1066 MB/s 4264 MB/s 7,95 GB/s napięcie 3.3 V 3.3 V/1.5 V 3.3 V/1.5

45 Interfejsy komunikacyjne PCI Express (ang. Peripheral Component Interconnect Express), oficjalny skrót PCIe połączenie Point-to-Point służące do instalacji kart rozszerzeń na płycie głównej. Zastąpiła ona magistrale PCI oraz AGP. Istnieje możliwość wyprowadzenia interfejsu PCIe na zewnątrz. Wariant PCIe x1 v1.0 x2 v1.0 x4 v1.0 x8 v1.0 x16 v1.0 x16 v2.0 x16 v3.0 Przepustowość (w każdym kierunku) 250 MB/s 500 MB/s 1000 MB/s 2000 MB/s 4000 MB/s (4 GB/s) 8000 MB/s (8 GB/s) MB/s (16 GB/s) Częstotliwość taktowania wynosi 5.0 GHz (v2.0). Protokół transmisji wprowadza dwa dodatkowe bity, do każdych ośmiu bitów danych. Zatem przepustowość jednej linii wynosi 500 MB/s (v2.0). W związku z tym, że urządzenia mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu kierunkach (fullduplex), można założyć, że w przypadku takiego wykorzystania złącza transfer może sięgać 1GB/s (v 2.0).

46 Interfejsy komunikacyjne PCMCIA (ang. Personal Computer Memory Card International Association) magistrala stosowana głównie w komputerach przenośnych i pełni podobne funkcje co magistrala PCI. Po wprowadzeniu standardu Card Bus zwiększona została długość słowa z 16 do 32 bitów oraz częstotliwość taktowania do 33 MHz. Rodzaje ze względu na wielkość: Karta typu I - karta o grubości 3,3 mm pełniąca funkcje karty pamięci SRAM lub Flash. Karta typu II - karta o grubości 5,0 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń (modem, karta sieciowa, czytnik kart pamięci, inne). Karta typu III - karta o grubości 10,5 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń (dysk twardy). Rodzaje ze względu na interfejs: PC Card 16 - interfejs magistrali ISA 16bit, zasilanie 5V. Złącze posiada cienki ząb z prawej strony. CardBus - interfejs magistrali PCI 32bit, zasilanie 3-3,3V. Złącze posiada gruby ząb z prawej strony. Złącze Card Bus służy do dołączania urządzeń pomiarowych: kart interfejsów komunikacyjnych, kart pomiarowych DAQ, modemów GSM, itp.

47 Interfejsy komunikacyjne ExpressCard standard złącza stosowanego w komputerach PC, najczęściej w notebookach. Złącza tego typu są następcami standardu PCMCIA (PC Card), zostały one również zaproponowane przez tę samą organizację. Urządzenia korzystające ze standardu ExpressCard mogą komunikować się z komputerem za pomocą standardu PCI Express lub USB. Występują dwa typy kart ExpressCard: ExpressCard 54 - karty o szerokości 54 mm, długości 75 mm i grubości 5 mm ExpressCard 34 - karty o szerokości 34 mm, długości 75 mm i grubości 5 mm Karty ExpressCard 34 można umieścić w gniazdach ExpressCard 54.

48 Interfejsy komunikacyjne USB uniwersalna magistrala szeregowa umożliwia następujące rodzaje transmisji: -transmisja z przerwaniami związana z okresowym odpytywaniem urządzeń powolnych, np.: mysz, klawiatura -transmisja segmentowa, stosowana w przypadku urządzeń o komunikacji nieregularnej, ale szybkiej (np.: drukarka) -transmisja izochroniczna: dotyczy pracy urządzeń w czasie rzeczywistym (np.: napęd CD) Podstawowe cechy magistali USB: -jeden typ przerwań i jedna przestrzeń adresowa USB -możliwość dołączania do 127 urządzeń -jeden typ kabla i złącza dla urządzeń USB, kabel jest 4 żyłowy: 2 przewody sygnałowe (do transmisji różnicowej jednego sygnału), 2 przewody zasilające -szybkość transmisji: w standardzie 1.1 do 12 Mb/s, w standardzie 2.0 do 480 Mb/s, w standardzie 3.0 do 5Gb/s, w standardzie 3.1 (od 2015r.) do 10Gb/s, 3.2 do 20 Gb/s -możliwa instalacja urządzenia wlocie -możliwość zasilania urządzeń USB z komputera port USB zawiera zasilacz 5V z obciążalnością do 0,5A dla urządzeń zewnętrznych (v. 2.0), 5V i 0.9 A dla v 3.0.

49 Interfejsy komunikacyjne - do podłączania urządzeń zewnętrznych: IEEE-1394 magistrala szeregowa (Fire Wire) przeznaczona do podłączania urządzeń wymagających dużej szybkości transmisji (kamery cyfrowe, czytniki nośników optycznych, urządzenia pomiarowe, aparatura medyczna, nawigacyjna). Umożliwia następujące rodzaje transmisji: izochroniczną i asynchroniczną Podstawowe cechy magistali IEEE-1394 (Fire Wire): -jeden typ przerwań i jedna przestrzeń adresowa -możliwość dołączania do 63 urządzeń -jeden typ kabla i 3 złącza dla urządzeń (4, 6 i 9 stykowe) -duża szybkość transmisji: w standardzie IEEE-1394a do 400 Mb/s, w standardzie IEEE-1394b do 800 Mb/s (1600 i 3200 Mb/s), standard S3200 3,2 Gb/s (złącza optyczne) -możliwa instalacja urządzenia wlocie -możliwość zasilania urządzeń z komputera port może zasilać urządzenia zewnętrzne napięciem do 30V z obciążalnością do 1,5A dla

50 Interfejsy komunikacyjne parametry

51 Interfejsy komunikacyjne Konfiguracje systemów pomiarowych, definicje Rodzaje urządzeń i połączeń między nimi stosowanych w systemach pomiarowych: karty DAQ do systemów komputerowych - magistrala systemu komputerowego, np. PCI, ISA, PCMCIA, PXI, urządzenia pomiarowe autonomiczne - interfejs IEC-625, RS232C, USB, IEEE-1394, urządzenia systemów modułowych - specyficzny interfejs danego systemu, np. VXI, Camac, FieldBus, FieldPoint itd. INTERFEJS - połączenie między elementami systemu lub systemami, przez które przepływa informacja - ogół środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i informacyjne wszystkich jednostek funkcjonalnych współpracujących w systemie oraz organizujących wymianę informacji między nimi. Elementy systemu interfejsu - przewody, złącza, nadajniki i odbiorniki linii, funkcje interfejsowe z opisem logicznym, zależności czasowe oraz zasady sterowania. Wymiana danych odbywa się przez kanał transmisyjny, którym może być np. przewód, światłowód, fale radiowe. Funkcje interfejsu - konwersja, synchronizacja (ang. handshake), buforowanie, przerwania, zarządzanie interfejsem, korekcja błędów.

52 Interfejsy komunikacyjne Konfiguracje systemów pomiarowych, definicje STANDARD INTERFEJSU Poszczególne bloki funkcjonalne można połączyć w jeden system pomiarowy, jeżeli spełniają one warunki kompatybilności, tzn. zgodności: konstrukcyjnej gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia w nich sygnałów, parametrów elektrycznych sygnałów, kodów i protokołów komunikacyjnych, metod transmisji danych. Klasyfikacja interfejsów szeregowe - transmitują dane kodowane bit po bicie, do sprzęgania urządzeń w systemach rozproszonych; równoległe - transmitują bity słowa równolegle, stosowane w systemach modułowych, gdzie odległości są małe; szeregowo-równoległe - pojedyncze znaki przesyłane są znak po znaku, a bity danego znaku równolegle; małego zasięgu - transmisja równoległa, duża szybkość (dziesiątki MB/s); średniego zasięgu - transmisja szeregowo-równoległa, średnia szybkość (setki kb/s); dużego zasięgu - transmisja szeregowa niewielka szybkość (dziesiątki kb/s);

53 Interfejsy komunikacyjne Definicje Magistrala interfejsu - zespół linii sygnałowych łączących urządzenia systemu pomiarowego - służący do przesyłania informacji między nimi. Szyna magistrali - podzbiór linii magistrali do przesyłania określonego rodzaju informacji. Szyna niemultiplikowana - do informacji tylko jednego rodzaju. Szyna multiplikowana - wielofunkcyjna - do przesyłania informacji różnego rodzaju. Szyny: o równoległa - łączy wszystkie jednostki systemu ze sobą, o gwiazdowa - łączy jedną jednostkę systemu z pozostałymi, o lokalna - łączy dwie sąsiednie jednostki systemu; danych - przesyłanie wyników pomiarów, słów stanu, tekstów programujących, adresowa - wysyłanie adresów jednostek, rozkazów - przesyłanie informacji służących do zarządzania interfejsem, sterowania - koordynacja pracy wszystkich jednostek systemu (np. zerowania, przerwań, synchronizacji, wyzwalania), zasilania - doprowadza napięcia zasilające.

54 Interfejsy komunikacyjne Metody koordynacji transmisji Transmisja synchroniczna Nadawanie i odbieranie poszczególnych znaków słowa odbywa się w określonych przedziałach czasu, np. synchronicznie z taktem zegara Zaletą jej jest prostota, wadami są: konieczność jednakowej i stałej szybkości nadawania i odbioru informacji przez jednostki funkcjonalne systemu, brak pewności, czy nadana informacja została odebrana przez odbiorcę, wrażliwość na zakłócenia impulsowe na linii synchronizacji.

55 Interfejsy komunikacyjne Metody koordynacji transmisji Transmisja asynchroniczna Metody transmisji asynchronicznej 1. metoda START-STOP" (bez potwierdzenia) stosowana w transmisji szeregowej, 2. przesyłanie z potwierdzeniem (handshake) dwuprzewodowym, 3. przesyłanie z potwierdzeniem (handshake) trójprzewodowym. Poszczególne znaki lub słowa wysyłane mogą być w dowolnych odstępach czasowych, ale dzięki sygnalizowaniu początku i końca transmisji każdego słowa następuje synchronizacja nadawania i odbioru w uczestniczących w transmisji jednostkach systemu. Zaletą transmisji asynchronicznej jest dostosowanie szybkości transmisji do możliwości współpracujących bloków funkcjonalnych. W przypadku transmisji bez potwierdzenia odbioru następuje dopasowanie szybkości odbioru do szybkości nadawania. W przypadku transmisji z potwierdzeniem następuje również dopasowanie szybkości nadawania do możliwości odbiorcy. Dzięki sygnalizowaniu przez odbiorcę nadawcy odebrania każdego wysyłanego słowa znacznie zwiększa się poprawność transmisji.

56 Interfejsy komunikacyjne Metody koordynacji transmisji Transmisja asynchroniczna Schemat transmisji asynchronicznej z potwierdzeniem dwuprzewodowym DIO - szyna danych (Data Input Output), DAV - dane ważne (DAta Valid), DAC - dane odebrane (Data ACcepted), TA - czas aktywnej transmisji danych, Tc - czas trwania cyklu przesyłania, TP - czas przetwarzania w odbiorniku Schemat transmisja asynchronicznej z potwierdzeniem trójprzewodowym DIO - szyna danych (Data Input Output), RFD - gotowy do odbioru danych (Ready For Data), DAV - dane ważne (DAta Valid), DAC - dane odebrane (Data ACcepted) Transmisja asynchroniczna z potwierdzeniem dwuprzewodowym umożliwia optymalne pod względem czasowym przesyłanie informacji między nadajnikiem i jednym odbiornikiem. Jeżeli w transmisji uczestniczy więcej odbiorników, mogą wystąpić zakłócenia spowodowane różnicą ich właściwości dynamicznych. W systemach, w których równocześnie może być czynna większa liczba odbiorników stosuje się trójprzewodową odmianę metody z potwierdzeniem Metodę tę stosuje się m.in. w interfejsie GPIB (IEC-625/IEEE-488) będącym ogólnoświatowym standardem interfejsu pomiarowego.

57 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe Najczęściej stosowane w systemach pomiarowych standardy interfejsów szeregowych: RS-232C, RS-449, RS-422A, RS-423A, RS-530, RS-485, HART, IEC1158-2, PROFIBUS, MicroLAN, CAN. Interfejs szeregowy RS-232C System RS 232C (1969 r.) jest standardem interfejsu szeregowego do wymiany informacji cyfrowych między urządzeniami DTE. Kabel interfejsu RS-232C jest zakończony standardowym gniazdem 25-stykowym typu DB-25P Canon lub gniazdem 9-stykowym typu DB-9. Drugi koniec kabla posiada wtyk 25- lub 9-stykowy. Urządzenia DTE mają na obudowie złącza typu wtyk (z bolcami) a urządzenia DCE złącza typu gniazdo (z otworami). Magistrala interfejsu RS-232C zawiera: 4 linie danych, 11 linii sterujących, 3 linie synchronizacji, 2 linie masy.

58 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe RS-232C Wszystkie linie (oprócz linii masy) są jednokierunkowe. Na liniach danych obowiązuje logika ujemna, a na sterujących dodatnia. Dopuszczalna długości magistrali RS-232C wynosi 15m. Natomiast dopuszczalne napięcia na liniach to: stan niski (-15V U -3V), stan wysoki (+3V U +15V). W systemie interfejsu RS-232C wyróżnić można następujące rodzaje transmisji ze względu na kierunek przepływu danych między terminalami DTE1 i DTE2: simpleks jednokierunkowa - przekazywanie danych tylko od DTE1 do DTE2 lub tylko odwrotnie, półdupleks dwukierunkowa, ale nie jednoczesna umożliwia naprzemienne przesyłanie danych w obydwóch kierunkach, dupleks dwukierunkowa jednoczesna umożliwia jednoczesne przesyłanie danych w obydwóch kierunkach. Do transmisji danych w sposób dupleksowy lub półdupleksowy wystarcza zwykle jeden kanał transmisyjny i dwie linie danych: TxD oraz RxD. Przebiegi sygnałów między DTE i DCE przy transmisji półdupleksowej

59 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe Interfejsy szeregowe RS-449, RS-530, RS 423A, RS-422A, RS-485 Systemy interfejsu RS-449 i RS-530 (Tab. 6.1)określają parametry funkcjonalne i mechaniczne interfejsu szeregowego. Parametry obwodów elektrycznych do tych dwóch standardów są zawarte w interfejsach RS 423A, RS-422A i RS-485. Ustaleniom zawartym w jednym standardzie RS-232C odpowiadają ustalenia zawarte w parze nowszych standardów, czyli np. RS-449 i RS 423A lub RS-530 i RS Podstawowe parametry najważniejszych interfejsów szeregowych RS-232C RS-423A RS-422A RS-485 Maksymalna liczba nadajników Maksymalna liczba odbiorników Maksymalna szybkość 20 kb/s 100 kb/s 10 Mb/s 10 Mb/s Maksymalna zasięg 15 m 1200 m 1200 m 1200 m Inne standardy: HART umożliwia transmisję z szybkością do 1,2kb/s na odległość do 2000 m; IEC (H1) umożliwia transmisję z szybkością do 32 kb/s na odległość do 1900 m oraz IEC (H2) transmisja danych z szybkością 2,5 Mb/s na odległość do 500 m.

60 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe - PROFIBUS PROFIBUS (ang. Process Field Bus) to rodzina lokalnych sieci przemysłowych, obejmująca trzy wersje: DP, FMS i PA. Sieć PROFIBUS FMS służy do komunikacji pomiędzy sterownikami i urządzeniami inteligentnymi. Kontrolę dostępu do magistrali mają jedynie stacje aktywne. Stacje pasywne nie mają możliwości inicjowania dostępu do magistrali. W standardzie PROFIBUS FMS i DP, jako warstwę fizyczną stosuje się sieć RS-485. Maksymalna długość kabla (od 100 m do 1200 m) zależy od szybkości transmisji (9,6; 19,2; 93,75; 187,5; 500 i 1500 kbit/s, dla PROFIBUS DP dodatkowo 12Mbit/s). Maksymalna liczba stacji wynosi 32. Zasada działania sieci PROFIBUS

61 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe CAN Interfejs CAN (ang. Controller Area Network) został opracowany przez firmy Bosch i Intel na potrzeby przemysłu samochodowego, gdzie wzrastająca systematycznie liczba czujników, urządzeń sterujących i wykonawczych, wymagała zastąpienia licznych przewodów jedną magistralą do transferu danych i rozkazów. Stosowane są różne wersje standardu: CAN 2.0A, CAN 2.0B, jak również CANopen. Elementy podłączone do magistrali CAN nazywa się modułami CAN lub węzłami. CAN bywa stosowany również poza przemysłem samochodowym: może stanowić podstawowy interfejs systemu pomiarowego, bywa stosowany w niektórych układach automatyki budynkowej (np.: sterowanie pracą wind). Magistrala CAN z modułami CAN

62 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe CAN Podstawowe cechy interfejsu CAN: duża szybkość transmisji danych, uzależniona od długości magistrali (1Mb/s dla długości magistrali do 40 m, 500 kb/s do 300 m, 100 kb/s do 600 m, 5 kb/s do 10 km); w systemach o długości większej niż 1 km stosowane są nadajniki i odbiorniki linii, duża odporność na zakłócenia uzyskana poprzez nadawanie danych w postaci napięciowego sygnału różnicowego oraz sprzętowej obsłudze protokołu i kontroli błędów, elastyczność systemu co do liczby podłączanych elementów. Standard CAN nie specyfikuje ani nośnika informacji ani rodzaju kabla. Sygnały najczęściej przesyłane są symetryczną linią transmisyjną, złożoną z dwóch skręconych przewodów oznaczanych podłączanych jako CAN-H i CAN-L do modułów magistrali. Symetryczny obwód transmisji zapewnia odporność na zakłócenia pochodzące od urządzeń znajdujących się w pobliżu, na końcach linii instaluje się impedancje w celu unikania odbić sygnału. Wszystkie moduły podłączone do magistrali CAN mogą pełnić funkcję nadajnika i odbiornika. Z uwagi na brak adresów, komunikaty na magistrali odbierają wszystkie moduły. Brak adresu skutkuje możliwością łatwego dodawania i usuwania modułów.

63 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy szeregowe CAN Moduły CAN muszą zawierać podzespoły odpowiedzialne za komunikacje i przetwarzanie danych (rys. 6.12): układ nadawczo-odbiorczy (transceiver), mikrosterownik CAN, mikroprocesor, czujnik (grupę czujników) lub element wykonawczy (grupę elementów wykonawczych). Osobnym rodzajem modułów są centrale systemu, która ma takie same prawa odnośnie nadawania, ale może zawierać programy sterujące i/lub gromadzić dane przesyłane przez moduły z czujnikami. Interfejs CAN wymaga użycia czujników wyposażonych w wyjścia cyfrowe, co jest możliwe w przypadku sensorów zintegrowanych i inteligentnych Schemat blokowy modułu CAN zawierającego czujniki

64 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy równoległe Transmisja równoległa cyfrowych sygnałów pomiarowych pozwala uzyskać większe szybkości transmisji niż transmisja szeregowa. Wynika to, z jednej strony, ze sposobu transmisji: dane przesyłane są w wielobitowych słowach (od 4-bitowych dla standardu Centronics do 64-bitowych dla standardu PCIExpress), a z drugiej strony można unikać podziału strumienia bitów na słowa z implementacją niezbędnych funkcji kontrolnych i ewentualnie korekcyjnych. Systemy pomiarowe z interfejsami równoległymi nie mogą być zbyt rozległe (rozproszone) z uwagi na niezbędne okablowanie. Wielożyłowy przewód jest zwykle dość kosztowny, ponadto nie można zapomnieć o zakłóceniach trudnych do wyeliminowania w dłuższym wielożyłowym przewodzie: przy szybszych transmisjach pojawiają się zjawiska falowe, nie bez znaczenia są parametry RCL takiego przewodu.

65 Magistrala interfejsu Centronics to 8 linii danych (po 4 dla każdego kierunku), 4 linie sterujące i 5 linii statusu. Sygnały napięciowe odpowiadają standardowi TTL. Dane są wysyłane do drukarki wraz z impulsem strobującym, a szybkość transmisji jest sterowana przez sygnał potwierdzenia, po którym możliwy jest transfer kolejnego bajtu oraz sygnał zajętości, który wstrzymuje transfer danych do drukarki. Interfejs Centronics wykorzystywany do transferu danych w systemach pomiarowych umożliwia transfer danych z szybkością do 100 kb/s (w obu kierunkach). Interfejs IEEE-1284 to rozszerzenie interfejsu Centronics (również głównie przeznaczony do współpracy komputera z drukarką), jest stosowany w niektórych urządzeniach pomiarowych (np.: oscyloskopach, analizatorach widma) i umożliwia wysyłania danych (np.: zrzut ekranu oscyloskopu) do drukarki bez udziału komputera. Interfejs ten umożliwia transmisję danych w obu kierunkach w różnych trybach (kompatybilny, okrojony, bajtowy, rozszerzone: ECP i EPP). Z uwagi na dużą szybkość transmisji trybów rozszerzonych (aż do 2 MB/s) są one predysponowane do budowy prostych, dwuelementowych systemów pomiarowych złożonych z komputera osobistego i urządzenia pomiarowego (np.: multimetru lub oscyloskopu cyfrowego). Interfejsy komunikacyjne Interfejsy równoległe - Centronics Pod tą nazwą funkcjonują tak naprawdę dwa interfejsy przeznaczone do współpracy komputerów z drukarkami: przesyłania danych z komputera do drukarki i rozkazów pomiędzy komputerem a drukarką w obu kierunkach: Centronics i IEEE Porty interfejsu Centronics oznaczane są symbolem LPTn, gdzie n oznacza numer portu. Najczęściej wykorzystywane jest złącze szufladowe typu DB 25.

66 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy równ. IEC-625 (IEEE-488) HPIB - (Hawlett Packard), GPIB - National Instruments i Tektronix. Interfejs był opracowywany z myślą o zastosowaniu w systemach pomiarowych i przeznaczony jest do budowania systemów pomiarowych złożonych z następujących urządzeń: cyfrowych urządzeń pomiarowych, sterowanych cyfrowo urządzeń: generatory, zasilacze, źródła prądu i in., kontrolery, rejestratory cyfrowe, drukarki, plotery. Interfejs IEC-625 ma konfigurację magistralową. Urządzenia pełnią funkcję nadawcy lub odbiorcy (również nadawcy i odbiorcy, ale w odrębnych przedziałach czasu). Wymiana informacji polega na wysyłaniu komunikatów (rozkazów, adresów i danych). Kontrolerem systemu jest najczęściej komputer osobisty wyposażony w kartę interfejsu IEC-625 oraz program sterujący (sterownik). W jednym systemie może być więcej kontrolerów, ale tylko jeden być aktywny i zarządzać systemem. Struktura systemu pomiarowego z interfejsem IEC-625 (IEEE-488)

67 Interfejsy komunikacyjne Interfejsy równ. IEC-625 (IEEE-488) Wymiana informacji zaczyna się od wyboru nadawcy komunikatu (rola kontrolera) i wyznaczenia odbiorcy lub odbiorców. Nadawca przekazuje komunikaty na szynę z wyznaczeni odbiorcy odbierają je potwierdzając odbiór każdego bajtu. W przypadku wielu odbiorców szybkość transferu limituje najwolniejszy z nich. Podstawowe parametry interfejsu równoległego IEC-625: równoległa asynchroniczna transmisja magistralą komunikatów w postaci słów o długości jednego bajtu (8 bitów), sygnały na magistrali w logice ujemnej, szybkość transmisji do 1 MB/s (1,5-8 MB/s przy zastosowaniu protokołu szybkiej transmisji HS488), maksymalna liczba urządzeń w systemie 15 (zwiększanie możliwe przez dodawanie kolejnych kontrolerów lub tzw. ekspanderów), przewód magistrali zawiera 25 linii (24 dla IEEE-488) zalecana odległość między urządzeniami do 2 m, maksymalna całkowita długość magistrali 20 m.

68 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Bezprzewodowe systemy pomiarowe wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie nie opłaca się, z uwagi na trudne warunki lub duże odległości zestawiać połączeń kablowych, gdy obiekt badany porusza się (pojazd, wał maszyny lub sportowiec podczas treningu) lub znajduje się w trudno dostępnym miejscu (np.: w przestrzeni kosmicznej). Do najbardziej rozpowszechnionych sposobów transmisji danych i sygnałów sterujących należą systemy wykorzystujące: radiowe, niewykorzystywane w telekomunikacji, pasma częstotliwości, sieci transmisyjne telefonii mobilnej, interfejsy komunikacyjne dedykowane do pracy na małe odległości (fale w zakresie podczerwieni lub radiowe wysokiej częstotliwości o małym zasięgu). W skład telemetrycznego systemu pomiarowego, a więc przeznaczonego do realizacji pomiarów na odległość, wchodzą nadajniki, odbiorniki, oraz funkcjonalne bloki pomiarowe (jak w każdym systemie pomiarowym). W systemach bezprzewodowych transmisja danych odbywa się wyłącznie szeregowo, nawet jeśli do przesyłu wykorzystuje się więcej niż jeden kanał transmisyjny.

69 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Bezprzewodowe systemy pomiarowe wykorzystywane są wszędzie tam, gdzie nie opłaca się, z uwagi na trudne warunki lub duże odległości zestawiać połączeń kablowych, gdy obiekt badany porusza się (pojazd, wał maszyny lub sportowiec podczas treningu) lub znajduje się w trudno dostępnym miejscu (np.: w przestrzeni kosmicznej). Do najbardziej rozpowszechnionych sposobów transmisji danych i sygnałów sterujących należą systemy wykorzystujące: radiowe, niewykorzystywane w telekomunikacji, pasma częstotliwości, sieci transmisyjne telefonii mobilnej, interfejsy komunikacyjne dedykowane do pracy na małe odległości (fale w zakresie podczerwieni lub radiowe wysokiej częstotliwości o małym zasięgu). W skład telemetrycznego systemu pomiarowego, a więc przeznaczonego do realizacji pomiarów na odległość, wchodzą nadajniki, odbiorniki, oraz funkcjonalne bloki pomiarowe (jak w każdym systemie pomiarowym). W systemach bezprzewodowych transmisja danych odbywa się wyłącznie szeregowo, nawet jeśli do przesyłu wykorzystuje się więcej niż jeden kanał transmisyjny.

70 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Interfejs IrDA - promieniowanie podczerwone jest z powodzeniem wykorzystywane do sterowania już od wielu lat (zdalne sterowanie odbiornikiem telewizyjnym) lub transmisji danych pomiędzy komputerem a drukarką, telefonem mobilnym a komputerem itd. Łącze wykorzystujące promieniowanie podczerwone (długość fali nm) służy do bezprzewodowej transmisji danych na odległość do 1 m (max. 3 m) gdy urządzenia widzą się nawzajem kąt emisji nadajnika 15 (max. 30 ). Ograniczenia te wynikają z potrzeby ograniczania zakłóceń pochodzących od innych urządzeń. Szybkość transmisji w zakresie od 2,4 do 4000 kb/s (w ramach standardu IrDA 1.3) nie jest zbyt duża i bywa istotnym ograniczeniem dla budowy bardziej złożonych układów pomiarowych, kolejna przeszkodą jest komunikacja ze sobą tylko dwóch urządzeń. Wymagane wzajemne widzenie się nadajnika i odbiornika praktycznie wyklucza użycie tego typu interfejsu do transmisji danych z elementów będących w ruchu (np.: wirujący wał, wysięgnik maszyny roboczej). Nadaje się natomiast do zestawiania bezprzewodowych połączeń z pojedynczymi urządzeniami przesyłającymi niewielkie ilości danych.

71 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Interfejs radiowy Bluetooth - jest łączem radiowym wysokiej częstotliwości (pasmo 2,45 GHz) umożliwiającym transmisje danych z szybkością do 1 Mb/s. Zasięg w zależności od mocy nadajnika wynosi: 1 m, 10 m lub 100 m. W porównaniu z interfejsem IrDA 1.3 możemy zestawiać transmisje danych pomiędzy urządzeniami lub elementami będącymi w ruchu oraz łączyć więcej niż dwa urządzenia (do 8). W ramach takiej małej sieci (nazywanej również pikosiecią) każde z urządzeń może spełniać funkcje nadajnika i odbiornika. W ramach jednej pikosieci tylko jedno z urządzeń, to które inicjuje powstanie pikosieci, pełni funkcje nadrzędne w stosunku do pozostałych. Ka3de z urządzeń wykorzystujących interfejs Bluetooth może spełniać funkcje zarówno nadrzędna (master) jak i podrzędna (slave). Należy dodać, że jedno urządzenie może należeć jednocześnie do kilku pikosieci, a kilka pikosieci z elementami wspólnymi tworzą bezprzewodowa siec rozproszoną. Transmisja danych w systemie Bluetooth odbywa sie w ramach wymiany informacji pomiędzy tylko dwoma urządzeniami. W określonym przedziale czasu, właściwie szczelinie czasowej, jedno z urządzeń, nadajnik, przesyła informacje tylko do jednego odbiornika, a odbiornik przyjmuje dane tylko od jednego nadajnika. Transmisje danych nadzoruje urządzenie nadrzędne (master), a wymiana informacji następuje tylko w układzie master-slave urządzenia podrzędne (slave) nie mogą komunikować się ze sobą bezpośrednio. Interfejs Bluetooth jest bardzo popularny w urządzeniach mobilnych (komputery przenośne, słuchawki, telefony mobilne).

72 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Interfejs radiowy Bluetooth połączone dwie pikosieci scatternet.

73 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Interfejs radiowy ZigBee - został opracowany z przeznaczeniem do bezprzewodowej transmisji danych z tak małym zużyciem energii (kosztem szybkości transmisji) aby urządzenie mogło pracować co najmniej rok bez wymiany baterii (lub doładowywania akumulatorów). Interfejs jest przewidziany do nieregularnej i rzadkiej wymiany danych pomiędzy urządzeniami, które przesyłają stosunkowo małe pakiety danych, np.: alarm o przekroczeniu dopuszczalnych wartości mierzonego parametru. Interfejs ten wykorzystuje 3 pasma częstotliwości o różnej prędkości przesyłu danych: 1) MHz 20 kb/s, 2) MHz 40 kb/s, 3) 2,4-2,4835 GHz do 250 kb/s. Zasięg ok. 100 m, ale w zależności od warunków i otoczenia może zawierać się w granicach m. Urządzenia z interfejsem ZigBee mogą pracować w sieciach o różnych topologiach: gwiaździsta, siatkowa lub drzewiasta. Dwie ostatnie, z uwagi na większą liczbę połączeń pomiędzy poszczególnymi urządzeniami są bardziej niezawodne. Topologie sieci z urządzeniami standardu ZigBee: a) gwiaździsta, b) siatkowa, c) drzewiasta; 1 koordynator sieci, 2 urządzenie z wszystkimi funkcjami, 3 urządzenie z ograniczonymi funkcjami

74 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Interfejs WLAN (IEEE , w skrócie nazywany Wi-Fi). Interfejs ten jest stale rozwijany, dzięki czemu znacznie wzrosła szybkość transmisji danych: w wersji systemu IEEE g wynosi 54 Mb/s. Niedawno przyjęty standard IEEE n umożliwia transfery z dużo większymi prędkościami przesyłu (100, 250, 540 Mb/s przy paśmie częstotliwości 2,4 lub 5,0 GHz). Dla osiągnięcia tak wysokich wartości konieczne jest korzystanie z technologi MIMO (Multiple Input Multiple Output), która do nadawania i odbierania sygnałów wykorzystuje wiele anten. Dodatkowo, nadajniki i odbiorniki pracujące w tym standardzie wykorzystują dla wzajemnej komunikacji wiele kanałów jednocześnie. W ramach interfejsu Wi-Fi może być zestawiana komunikacja pomiędzy dwoma urządzeniami lub też za pośrednictwem elementów dodatkowych (routery, punkty dostępowe), które umożliwiają często również dostęp do stacjonarnej sieci komputerowej.

75 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Transmisja z wykorzystaniem sieci transmisyjnych telefonii mobilnej Transmisja danych wymaga użycia podwójnego kanału transmisyjnego (tryb dupleksowy). Do wymiany danych z analogowymi sieciami telekomunikacyjnymi wykorzystywane są modemy zamieniające cyfrowy sygnał z sieci GSM na analogowy. W ramach systemu GSM dostępne są następujące usługi transmisji danych: 1. SMS przesyłanie krótkich (do 160 znaków) komunikatów, 2. CSD lub też SDT komutowana transmisja danych cyfrowych z prędkością 9,6 kb/s z wykorzystaniem kanału przeznaczonego na transmisję głosu, 3. HSCSD tzw. szybka wersja CSD, wykorzystująca kilka kanałów przeznaczonych na transmisję głosu (14,4 kb/s do 57,6 kb/s), 4. GPRS pakietowa transmisja danych (do 115 kb/s), 5. EDGE ulepszona transmisja danych (do 384 kb/s), 6. HSDPA pobieranie pakietów danych z szybkością 10 Mb/s (max. 21,6 Mb/s), 7. LTE.

76 Interfejsy komunikacyjne Bezprzewodowe interfejsy pomiarowe Modułowy system do transmisji bezprzewodowej sygnałów