Przemysłowe Sieci informatyczne

Transkrypt

1 Przemysłowe Sieci informatyczne Wykład #3 Transmisja szeregowa Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski

2 Plan wykładu Transmisja szeregowa i równoległa Transmisja synchroniczna i asynchroniczna Simpleks, pół dupleks, pełny dupleks Eliminowanie bledów RS232 opis i charakterystyka RS422 RS485 USB osobny wykład

3 Transmisja szeregowa i równoległa Przesyłana informacja zwykle grupowana jest w słowo najczęściej bajt (8 bitów) Do przesłania jest znak a w kodzie ASCII oznaczony: Dziesiętnie: 97 Hexadecymalnie: 61 Binarnie: (American Standard Code for Information Interchange)

4 Transmisja szeregowa i równoległa Znak a binarnie dziesiętnie MSB LSB MSB Wagi bitów 0 * * * * * * * *2 0 =97 MSB (ang. Most Significant Bit) Najbardziej znaczący bit mający największą wagę LSB (ang. Least Significant Bit) Najmniej znaczący bit mający najmniejszą wagę

5 Transmisja szeregowa i równoległa Transmisja równoległa - w jednej chwili przesyłane są wszystkie bity słowa, każdy innym kanałem transmisyjnym (np. przewodem) Transmisja szeregowa przesyłane słowo dzielone jest na bity i wysyłana jest informacja bit po bicie jednym kanałem transmisyjnym

6 Transmisja równoległa Znak a binarnie MSB LSB Nadawca N N N N N N N N O O O O O O O O Odbiorca W jednej chwili przesyłane są wszystkie bity słowa, każdy innym kanałem transmisyjnym

7 Transmisja szeregowa Znak a binarnie MSB LSB Nadawca N O Odbiorca przesyłane słowo dzielone jest na bity i wysyłana jest informacja bit po bicie jednym kanałem transmisyjnym począwszy od LSB do MSB

8 Transmisja równoległa Zalety Duża szybkość przesyłania danych (wszystkie bity przesyłane są jednocześnie) Prosta budowa układów transmisji Wady Duży koszt łączy (okablowanie) zwłaszcza przy dużych odległościach Na każdy bit słowa potrzebna jest odrębny kanał transmisyjny i para nadajnik odbiornik (modemy) zwielokrotniona wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne

9 Transmisja szeregowa Wady Mniejsza prędkość transmisji Złożona budowa układów nadawczo odbiorczych (realizujących podział i składanie słowa na/z bitów) Zalety Jeden kanał transmisyjny niski koszt okablowania mniejsza podatność na zakłócenia elektromagnetyczne

10 Powszechność transmisji szeregowej Praktycznie łączność równoległa nadaje się do zastosowania wyłącznie na niewielkie (kilka metrów) odległości (głównie nietypowe rzadkie zastosowania) Ze względu na niższy koszt, większą odporność na zakłócenia i większy zasięg transmisja szeregowa jest powszechnie wykorzystywana w zastosowaniach PSI a także w technice komputerowej (np. USB)

11 Transmisja synchroniczna Ma miejsce wtedy, gdy nadajnik i odbiornik taktowane są tym samym sygnałem zegarowym przekazywanym pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem Wyjście Sygnału zegarowego Sygnał zegarowy Wejście sygnału zegarowego Nadawca Wyjście sygnału danych Sygnał danych Odbiorca Wejście sygnału danych

12 Transmisja asynchroniczna Zegar nadajnika i odbiornika mają tą samą częstotliwość a sygnał zegarowy nie jest przesyłany pomiędzy odbiornikiem i nadajnikiem. Zamiast tego każde przesyłane słowo zawiera dodatkowe specjalne znaczniki początku i końca słowa Nadawca S t o p S t a r t Odbiorca

13 Transmisja asynchroniczna Wymaga: przesyłania nadmiarowych bitów przesyłanych w każdym słowie Zsychronizowania (nadania takich samych nastaw dotyczących prędkości transmisji, liczby bitów w słowie, liczby bitów stopu, kontroli parzystości w nadajniku i odbiorniku) Zaletą jest brak konieczności przesyłania sygnału zegarowego stąd ogromna popularność takiego rozwiązania

14 Kontrola przesyłanych danych Ze względu na potencjalne przekłamanie danych podczas transmisji do wysyłanego asynchronicznie słowa dodaje się tzw. bity kontrolne Mechanizm ten nazywany jest kontrolą parzystości/nieparzystości Dodaje on kolejny bit do każdego wysyłanego słowa (kod nadmiarowy)

15 Kontrola parzystości/nieparzystości Przy kontroli parzystości uzupełniamy bit kontrolny tak, aby liczba 1 w słowie była parzysta Nadawca S t o p p a r z y s t o ś ć S t a r t Odbiorca

16 Rodzaje komunikacji Simpleks w jedną stronę N O Półdupleks w obie strony niejednocześnie N O N O Dupleks w obie strony równocześnie N O O N

17 RS232 rys historyczny RS232 (rok 1962) organizacja EIA (Electronic Industries Association) ustanawia standard wymiany danych pomiędzy urządzeniem końcowym dla danych DTE (Data Terminal Equipment), a urządzeniem komunikacyjnym dla danych DCE (Data Communication Equipment). RS232C (sierpień 1969) ustalono ostateczny standard

18 Przedmiotem standardu RS232C jest Zestaw sygnałów i ich funkcje Elektryczne charakterystyki sygnałów Rodzaj złączy

19 Oryginalne zastosowanie RS232C DTE RS232C Modem DCE Sieć telefoniczna DTE RS232C Modem DCE Specyficzne połączenie nullmodem to umożliwia bezpośrednie połączenie dwóch urządzeń DTE bez użycia modemów

20 Gniazda i wtyki w RS232C DB9 DB25 Wtyk męski Wtyk męski gniazdo żeńskie Gniazdo żeńskie

21 Sygnały w RS232C - DB25 PIN NAZW A 1 GND Masa ochronna 2 TXD Dane nadawane 3 RXD Dane odbierane 4 RTS Żądanie nadawania (włączenie nadajnika) 5 CTS Zwolnienie dla nadawania (gotowość nadawania) 6 DSR Gotowość danych (DCE) 7 GND Masa (powrót) 8 DCD Wskaźnik sygnału linii odbiorczej 9 Zarezerwowane 10 Testowanie zbioru danych 11 STF Wybierz kanał transmisji 12 S.CD Wtórna DCD OPIS 13 S.CTS Wtórne zwolnienie dla nadawania 14 S.TXD Wtórnie nadawane dane 15 TCK Impulsy synchronizacji sygnału nadajnika (źródło DCE) 16 S.RXD Wtórnie odbierane dane 17 RCK Impulsy synchronizacji sygnału odbiornika (źródło DCE) 18 LL 19 S.RTS Wtórne żądanie nadawania 20 DTR DTR terminal danych gotów (DTE) 21 RL Wskaźnik jakości sygnału 22 RI Wskaźnik dzwonka (wywołanie stacji) 23 DSR Selektor prędkości transmisji (źródło DTE/DCE) 24 XCK Impulsy synchronizacji transmitowanego sygnału (źródło DTE) 25 TI Test wskaźnika

22 Sygnały w RS232C - DB9 PIN NAZWA OPIS 1 DCD Wskaźnik sygnału linii odbiorczej 2 RXD Dane odbierane 3 TXD Dane nadawane 4 DTR DTR terminal danych gotów (DTE) 5 GND Masa ochronna 6 DSR Gotowość danych (DCE) 7 RTS Żądanie nadawania (włączenie nadajnika) 8 CTS Zwolnienie dla nadawania (gotowość nadawania) 9 RI Wskaźnik dzwonka (wywołanie stacji)

23 Sygnały w RS232C Linie Danych TxD dane nadawane. RxD dane odbierane Linie sterujące RTS żądanie nadawania danych zgłaszane przez terminal DTE CTS gotowość do nadawania zgłaszana przez modem DCE (przesyła potwierdzenie odebrania sygnału RTS) DSR gotowość modemu DCE do dalszej współpracy z DTE (aktywny przez cały czas trwania połączenia) DTR gotowość DTE do dalszej współpracy z DCE (aktywny przez cały czas trwania połączenia) DCD sygnał wykrycia przez modem fali nośnej (oznacza, że łączy się on z innym modemem) Linie masy: SG masa sygnałowa PG masa ochronna połączona z obudową urządzenia

24 Handshaking/Flow control Umożliwia komputerowi zatrzymanie modemu/urządzenia i wstrzymanie komunikacji, gdy komputer nie jest gotowy na odebranie informacji Umożliwia wstrzymanie komunikacji od strony PCta, gdy inne urządzenia nie są gotowe do odbioru sygnału

25 Handshaking/Flow control XON/XOFF Two bytes that are not mapped to normal characters in the ASCII charset are called XON (DC1, Ctrl-Q, ASCII 17) and XOFF (DC3, Ctrl-S, ASCII 19). Whenever either one of the sides wants to interrupt the data flow from the other (eg. full buffers), it sends an XOFF Transmission Off. When its buffers have been purged again, it sends an XON Transmission On to signal that data can be sent again. With some implementations, this can be any character. XON/XOFF is of course limited to text transmission. It cannot be used with binary data since binary files tend to contain every single one of the 256 characters. That's why hardware handshaking is normally used with modems, while XON/XOFF is often used with printers and plotters and terminals. DTR/DSR The Data Terminal Ready and Data Set Ready signals of the serial port can be used for handshaking purposes, too. Their names express what they do: the computer signals with DTR that it's ready to send and receive data, while the data set sets DSR. With most modems, the meaning of these signals is slightly different: DTR is ignored or causes the modem to hang up if it is dropped, while DSR signals that a connection has been established. RTS/CTS While DTR and DSR are mostly used to establish a connection, RTS and CTS have been specially designed for data flow control. The computer signals with RTS Request To Send that it wishes to send data to the data set, while the data set (modem) sets CTS Clear To Send when it's ready to do one part of its job: to send data through the phone wires.

26 1 The computer sets DTR to indicate that it wants to make use of the modem. 2 The modem signals that it is ready and that a connection has been established. 3 The computer requests permission to send. 4 The modem informs the computer that it is now ready to receive data from the computer and send it through the phone wires. 5 The modem drops CTS to signal to the computer that its internal buffers are full; the computer stops sending characters to the modem. 6 The buffers of the modem have been purged, so the computer may continue to send data. 7 This situation is not clear; either the computer's buffers are full and it wants to inform the modem of this, or it doesn't have any more data to be send to the modem. Normally, modems are configured to stop any transmission between the computer and the modem when RTS is dropped. 8 The modem acknowledges RTS by dropping CTS. 9 RTS is again raised by the computer to re-establish data transmission. 10 The modem shows that it is ready to do its job. 11 No more data is to be sent. 12 The modem acknowledges this. 13 DTR is dropped by the computer; this causes most modems to hang up. After hang-up, the modem acknowledges with DSR low. If the connection breaks, the modem also drops DSR to inform the computer about it. Źródło: Serial Communication Using RS-232 by Christian Blum

27 Często stosowane połączenie Polaczenie nullmodem do bezpośredniego łączenia urządzeń DTE Zapewnia pełny dupleks z użyciem tylko trzech przewodów! Skrosowane linie 2 (RXD) i 3 (TXD) oraz zwarte masy sygnałowe Uwaga! połączenie z wykorzystaniem modemów będzie szczegółowo zaprezentowane na następnym wykładzie

28 Sygnały elektryczne w RS232 Linie danych (obowiązuje logika ujemna) Logiczne 1-15V U 1-3V Logiczne 0 +3V U 1 +15V Linie sterujące (obowiązuje logika dodatnia) Logiczne 1 +3V U 1 +15V Logiczne 0-15V U 1-3V

29 Cechy RS232C Umożliwia transmisję asynchoniczną i synchroniczną Niesymetryczne przesyłanie danych ogranicza szybkość przesyłania danych i odległość, pozbawione jest zabezpieczenia przed zakłóceniami Dozwolona liczba urządzeń to 1 nadajnik 1 odbiornik Odległość transmisji to około 15metrów

30 Pętla prądowa w RS232C W celu powiększenia odległości transmisji dla RS232C stosuje się tzw. pętlę prądową 20mA. Jest to ekpander RS232 zapewnia przekodowanie sygnałów RXD, TXD na inny poziom/charakter sygnałów np. optyczne.

31 Rys [1] Pętla prądowa RS232C

32 RS422A W celu zapewnienia szybkiej transmisji na duże odległości stosuje się symetryzację łącza czyli zastosowanie tylko dwóch przewodów, które to przewody mają taką samą impedancję do ziemi jak do innych przewodów rezystorów wyrównujących (terminatory) oraz różnicowych nadajników i odbiorników. Typowym zastosowaniem RS422A jest nadawanie z jednego nadajnika do wielu odbiorców (stacji podrzędnych)

33 Rys [1] RS422A

34 RS485 Wprowadzony w 1983r jako rozwinięcie RS422A. Łącze jest również symetryczne i zrównoważone przy czym dopuszcza się stosowanie wielu odbiorników i wielu nadajników. Nadajniki muszą być trójstanowe ponieważ w jednej chwili może nadawać tylko jeden z nich a reszta musi być wyłączona (w stanie wysokiej impedancji)

35 RS485 Rys [1]

36 Porównanie interfejsów szeregowych RS232C RS423A RS422A RS485 Rodzaj transmisji niesymetryczna niesymetryczna różnicowa różnicowa Liczba nadajników i odbiorników 1 odbiornik 1 nadajnik 10 odbiorników 1 nadajnik 10 odbiorników 1 nadajnik 32 odbiorniki 32 nadajniki Max. długość kabla [m] Prędkość transmisji [bity/s] 20k 100k 10M 10M

37 Linia symetryczna i niesymetryczna Linia niesymetryczna posiada przewód tzw. gorący czyli sygnałowy oraz przewód powrotny zwany masą. Przewód powrotny może być wykorzystywany przez większą liczbę przewodów sygnałowych. Istnieje wspólna masa dla wszystkich linii sygnałowych. Największym problemem linii niesymetrycznej jest indukowanie się zakłóceń elektromagnetycznych i wpływanie na poziom sygnału.

38 Linia niesymetryczna i symetryczna Linia symetryczna posiada dwa przewody sygnałowe, w których przesyłany jest ten sam sygnał ale w przeciwnych fazach. Odbiornik działa na zasadzie wykrywania różnicy sygnałów na obu liniach Indukujące się zakłócenia magnetyczne w obu przewodach są zbliżone i po odjęciu się redukują.

39 Bibliografia [1] Szeregowe interfejsy cyfrowe, Wojciech Mielczarek, Helion 1993 [2] Przewodnik po technice mikrokomputerowej, Krzysztof Socha, Piotr Misiurewicz, Tomasz Kręglewski, WNT 1988 [3] Układy mikroprocesorowe, Ryszard Krzyżanowski, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012