Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 Prawidłowe zarządzanie procesem technologicznym wymaga systemu pomiarowo-sterującego Zygmunt Kubiak 2

3 Poziom komunikacyjny Fieldbus Zygmunt Kubiak 3

4 Poziom komunikacyjny Fieldbus Zygmunt Kubiak 4

5 Komunikacja na poziomie modułów elektronicznych (mikrokontrolerów i układów otoczenia, np. pamięci, sensorów itp.) Zygmunt Kubiak 5

6 Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak 6

7 Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak 7

8 Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie z interfejsem stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak 8

9 Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak 9

10 Połączenie między elementami systemu, przez które przepływa informacja nazywane jest interfejsem. Pojęcie interfejsu nie ogranicza się wyłącznie do fizycznej realizacji połączenia ale obejmuje również zasady wymiany informacji, opisane w dokumentacji standardu komunikacyjnego. Często, zamiennie stosuje się pojęcie magistrali. Wymiana danych między elementami systemu odbywa się przez kanał transmisyjny, rozumiany jako warstwa sprzętowa interfejsu. Jego specyficzne właściwości zależą od fizycznej formy tego medium (np. przewód, światłowód, fale radiowe). Większość standardów komunikacyjnych umożliwia realizację połączenia między więcej niż dwoma punktami systemu wprowadza się wtedy pojęcie sieci. Zygmunt Kubiak 10

11 Podział interfejsów ze względu na typ sygnału będącego nośnikiem informacji Interfejsy analogowe Interfejsy cyfrowe Interfejsy przewodowe Szeregowe magistrale wbudowane w mikrokontrolery Sieci przemysłowe Interfejsy bezprzewodowe Zygmunt Kubiak 11

12 Aktualnie interfejsy analogowe mają coraz mniejsze znaczenie. W tej grupie rozróżnia się rozwiązania zapewniające daleki zasięg (nośnik informacji np. częstotliwość sygnału) oraz o małym zasięgu (z reguły sygnał prądowy). W analogowych systemach telemetrycznych dla realizacji zdalnych pomiarów (do 3000m) aktualnie stosowany jest głównie standard prądowy 4-20mA. Zygmunt Kubiak 12

13 Szeregowe magistrale wbudowane w mikrokontrolery lub często wykorzystywane w aplikacjach z mikrokontrolerami: I 2 C (ang. Inter IC), SMBus (ang. System Management Bus), SPI (ang. Serial Peripheral Interface), Microware, UNI/O (One I/O), UART (RS232, RS422, RS485), USB, 1-Wire, CAN, LIN, Modbus. Zygmunt Kubiak 13

14 Interfejsy można podzielić na synchroniczne (oddzielna linia zegara), np. I 2 C, SPI oraz asynchroniczne, np. CAN W rozwiązaniach synchronicznych zmiana częstotliwości zegara w trakcie transmisji danych nie wpływa na jej jakość Zygmunt Kubiak 14

15 Transmisja synchroniczna Zazwyczaj jeden z węzłów pełni funkcje master a zarządza transmisją (inicjuje) i generuje zegar Zygmunt Kubiak 15

16 W interfejsach asynchronicznych nie występuje linia zegara i w związku z tym powstaje do rozwiązania problem synchronizacji bitowej. Dla zapewnienia w tym przypadku poprawnej transmisji, w węzłach nadawczych i odbiorczych wymagane są stabilne generatory zegarowe (rezonatory kwarcowe, MEMS lub SAW). UART (ang. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) Zygmunt Kubiak 16

17 Transmisja asynchroniczna Brak wspólnego zegara Konieczność uzgodnienia prędkości transmisji Współpracujące węzły muszą korzystać ze stabilnych zegarów rezonatory lub generatory kwarcowe Zygmunt Kubiak 17

18 Format znaku Zygmunt Kubiak 18

19 Synchronizacja bitowa znaku Idle waiting for start bit Start detected Start bit 1 First data bit etc. Zygmunt Kubiak 19 0

20 Wyznaczanie bitu parzystości Din[0] Din[1] Din[2] Din[3] Din[4] Din[5] Din[6] Din[7] Odd/Even# Bit parzystości Sygnał równy 0 w przypadku parzystej liczby jedynek dla bitów Din[0] do Din[7] i 1 gdy liczba nieparzysta Zygmunt Kubiak 20

21 Format znaku Dodawane: Start, Stop, Bit parzystości Usuwane: Start, Stop, Bit parzystości Transmitter + Data Receiver 1 bajt danych 1 bajt danych Nadajnik Odbiornik Wpisanie równolegle danych Uzupełnienie o bity Startu, Stopu, Parzystości Odbiór znaku na podstawie własnego zegara Usunięcie nadmiarowych bitów (ewentualna kontrola parzystości) Równoległy odczyt danych Zygmunt Kubiak 21

22 Zygmunt Kubiak 22

23 Zygmunt Kubiak 23

24 Standard RS-232 (ang. Recommended Standard) opracowano w 1962 r. w celu ujednolicenia parametrów sygnałów i konstrukcji urządzeń zdolnych do wymiany danych cyfrowych za pomocą sieci telefonicznej Opisuje sposób połączenia urządzenia DTE (ang. Data Terminal Equipment) tj. urządzeń końcowych danych (np. komputer) oraz urządzeń DCE(ang. Data Communication Equipment), czyli urządzeń komunikacji danych (np. modem) Definiuje normy wtyczek i przewodów, określa nazwy styków złącza oraz przypisane im sygnały a także specyfikację elektryczną obwodów wewnętrznych RS-232 jest magistralą komunikacyjną przeznaczoną do szeregowej transmisji danych RS-232C - najbardziej popularna wersja tego standardu, pozwala na transfer na odległość do 15 m z maksymalną szybkością 20 kb/s Zygmunt Kubiak 24

25 Sygnały Zygmunt Kubiak 25

26 Łączenie urządzeń Zygmunt Kubiak 26

27 Łączenie urządzeń Rysunek a) dotyczy urządzeń DTE i DCE, wymagających pełnego handshakingu. RTS i CTS stanowią jedną parę linii potwierdzeń, a DTR i DSR drugą. Rysunek b) - najprostszy sposób łączenia urządzeń DTE i DCE. Rysunek c) dotyczy urządzeń obu DTE i DTE, wymagających pełnego handshakingu. Skrzyżowanie przewodów par RTS i CTS oraz DTR i DSR. Rysunek d) - najprostszy sposób łączenia dwóch urządzeń DTE. Tryby pracy Simpleks transmisja w jednym kierunku Półdupleks transmisja w dwóch kierunkach, na przemian Dupleks transmisja jednocześnie w dwóch kierunkach Zygmunt Kubiak 27

28 Łączenie urządzeń Sprzętowa kontrola przepływu danych (sygnały RTS/CTS) Urządzenie, które nie może chwilowo odebrać danych (np. ma pełny bufor odbiorczy) dezaktywuje sygnał CTS, co powoduje zatrzymanie transmisji kolejnych znaków, do czasu ponownego przejścia sygnału CTS w stan aktywny Zygmunt Kubiak 28

29 Łączenie urządzeń Linia telefoniczna Kabel RS232 Kabel RS232 Linia telefoniczna Modem Modem Zygmunt Kubiak 29

30 Łączenie urządzeń Linia telefoniczna Internet Kabel RS232 Linia telefoniczna Server Modem Zygmunt Kubiak 30

31 Przykład transmisji simpleks Zygmunt Kubiak 31

32 Parametry elektryczne 1 logiczna - napięcie -3V do -15V 0 logiczne napięcie +3V do +15V Napięcie na dowolnym styku nie może przekroczyć ±25V Zygmunt Kubiak 32

33 Układ (podwójny RS232) z separacją galwaniczną Zygmunt Kubiak 33

34 Parametry elektryczne Napięcie na dowolnym styku nie może przekroczyć ±25V Strona odbiornika 3 V -3 V Stan ON Space Logiczne 0 Obszar niezdefiniowany Stan OFF Mark Logiczna 1 15 V 12 V 5 V 0 V -5 V -12 V -15 V Strona nadajnika 15V 3V -3V -15V Zygmunt Kubiak 34

35 Konwerter standardu MAX-232 Zygmunt Kubiak 35

36 Zygmunt Kubiak 36

37 Transmisja różnicowa: a) dupleks, b) półdupleks Zygmunt Kubiak 37

38 Porównanie RS-422 i RS-485 Zygmunt Kubiak 38

39 Magistrala RS-485 Poziomy sygnałów w standardzie RS Zygmunt Kubiak 39

40 Tłumienie zakłóceń w przemysłowych rozwiązaniach RS Zygmunt Kubiak 40

41 Tłumienie zakłóceń w przemysłowych rozwiązaniach RS-485 (obwód failsafe) Tryb awaryjny (failsafe) oznacza zdolność odbiornika do określenia stanu wyjściowego w przypadku braku sygnału na wejściu - ustalenie potencjału linii magistrali Zygmunt Kubiak 41

42 Kable dla zastosowań przemysłowych RS Zygmunt Kubiak 42

43 Dopuszczalna długość przewodu przy określonej szybkości transmisji Zygmunt Kubiak 43

44 RS-485 z izolacją galwaniczną Zygmunt Kubiak 44

45 RS-485 z izolacją galwaniczną Przy dużych odległościach mogą występować duże różnice potencjałów mas, co może spowodować przekroczenie zakresu napięć wejściowych Rozwiązanie a) nie jest zalecane Rozwiązanie b) nie jest zalecane pętla prądowa W standardzie RS-485 zalecane jest rozwiązanie c); separacja lokalnego uziemienia poprzez rezystory co redukuje pętlę prądową ale pozostaje wpływ zakłóceń Zygmunt Kubiak 45

46 Moduł RS Zygmunt Kubiak 46

47 Standard RS485 umożliwia podłączenie wielu nadajników i odbiorników, co wynika z możliwości energetycznych nadajnika Sieć RS-485 może być połączona za pomocą 2 lub 4 przewodów Maksymalna długość przewodu może wynosić 1200 metrów RS485 obsługuje 32 nadajniki i 32 odbiorniki (mówimy tu o dwukierunkowej half-duplex wielogałęziowej komunikacji poprzez pojedynczą lub podwójną skrętkę (kabel sygnałowy twisted-pair) Wraz z wprowadzeniem "automatycznych" repetytorów oraz wysoko impedancyjnych nadajników / odbiorników "ograniczenie" to może być zwiększone do setek (a nawet tysięcy) węzłów w sieci Zygmunt Kubiak 47

48 RS485 Zygmunt Kubiak 48

49 Transmisja różnicowa RS485 Zygmunt Kubiak 49

50 Łączenie urządzeń RS485 (2 przewodowe) Zygmunt Kubiak 50

51 Konwerter USB - RS485 Zygmunt Kubiak 51

52 Protokoły RS-423/RS-422/RS-485 definiują jedynie warstwę fizyczną Funkcje warstw opisują inne protokoły wykorzystujące RS-423/RS-422/RS-485, np. Modbus Zygmunt Kubiak 52

53 Zygmunt Kubiak 53

54 USB (ang. Universal Serial Bus) uniwersalna magistrala szeregowa We współczesnych komputerach standard USB zastąpił funkcje realizowane wcześniej przez RS-232 Standard opracowany przez firmy Microsoft, Intel, Compaq, IBM i DEC Zygmunt Kubiak 54

55 Interfejs USB jest uniwersalny - można go wykorzystać do podłączenia do komputera wielu różnych urządzeń (np. kamery wideo, aparatu fotograficznego, telefonu komórkowego, modemu, skanera, klawiatury, przenośnej pamięci) Podłączane urządzenia mogą być automatycznie wykrywane i rozpoznawane przez system zdolność ze standardem Plug and Play Magistrala USB wymaga obecności jednego kontrolera magistrali, którego rolę pełni host - uniemożliwia to wykonanie bezpośredniego połączenia dwóch komputerów jak również bezpośredniego połączenia ze sobą urządzeń peryferyjnych Zygmunt Kubiak 55

56 Architektura USB składa się z serwera (hosta), wielu portów USB oraz urządzeń do nich podłączonych Host USB może zarządzać wieloma kontrolerami, a każdy kontroler może udostępniać jeden lub więcej portów USB. Urządzenia można łączyć ze sobą tworząc sieć o topologii drzewa wykorzystując do tego koncentratory USB. Maksymalnie pięciopoziomowa strukturę drzewiasta. W całej sieci można podłączyć do 127 urządzeń USB - ograniczeniem jest pobór mocy Urządzenie komunikuje się z kontrolerem przy wykorzystaniu kanałów logicznych, których może być do 32, przy czym 16 z nich jest wejściowych i 16 wyjściowych (dwa kanały są zarezerwowane tzn. dostępnych jest 30 kanałów logicznych na każde urządzenie USB) Ponadto w jednej sieci mogą pracować urządzenia o różnych szybkościach transmisji. Zygmunt Kubiak 56

57 Topologia USB Zygmunt Kubiak 57

58 Rozwój standardu USB 1.1 (1998) prędkość transmisji: (Full Speed) 12 Mbit/s (1,5 MB/s) i (Low Speed) 1,5 Mbit/s (0,1875 MB/s) USB 2.0 (2000) - (Hi-Speed) maksymalna prędkość transmisji 480 Mbit/s (60 MB/s). Rzeczywista szybkość przesyłu danych zależy od konstrukcji urządzenia: zapis w granicach od 25 do 30 MB/s, a odczyt od 30 do 42 MB/s. Urządzenia w standardzie USB 2.0 są w pełni kompatybilne ze starszymi urządzeniami. USB 3.1 Gen 1 (2008) (SuperSpeed) (wcześniej noszący nazwę USB 3.0). Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 5 Gbit/s. Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów w full-dupleksie. USB 3.1 Gen 2 (SuperSpeed+) Standard ogłoszony 31 lipca Do powszechnego użytku wszedł w 2015 roku. Prędkość maksymalna to 10 Gbit/s, a moc może wynosić 100 W. Standard 3.1 jest kompatybilny wstecz Zygmunt Kubiak 58

59 Rozwój standardu USB 3.1 Gen 1 (2008) (SuperSpeed) (wcześniej noszący nazwę USB 3.0). Urządzenia zgodne z warunkami nowej specyfikacji mogą pracować z szybkością 5 Gbit/s. Nowy standard oprócz standardowych przewodów (dla kompatybilności w dół z USB 2.0 i 1.1) do szybkich transferów wykorzystuje dwie dodatkowe, ekranowane pary przewodów do transmisji w full-dupleksie. USB Typ C 1.0 (2014), Typ C 1.1 (2015). Wymiary złącza to 8,3 na 2,5 mm. Nie należy łączyć do hosta z gniazdem A urządzenia zaprojektowanego dla złącza C. Nie jest to standard "3.1. Inną wersją złącza USB jest USB Power Delivery. Zygmunt Kubiak 59

60 Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak 60

61 Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak 61

62 Typy złączy Wtyczka USB typu A Wtyczka USB typu B Zygmunt Kubiak 62

63 Typy złączy Złącza USB Mini Złącza USB Micro Złącze USB Typu C Zygmunt Kubiak 63

64 Transmisja odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów (zielonego Data+ i białego Data-). Magistrala Okablowanie złączy Przewód Numer Sygnał Opis czerwony 1 V BUS zasilanie +5V (maks. 0,9A) biały 2 D- transmisja danych Datazielony 3 D+ transmisja danych Data+ czarny 4 (5 w micro i mini USB) GND masa fioletowy 5 SSRX- odbiór danych USB 3.0 pomarańczowy 6 SSRX+ odbiór danych USB 3.0 czarny 7 GND DRAIN masa USB 3.0 żółty 8 SSTX- nadawanie danych USB 3.0 niebieski 9 SSTX+ nadawanie danych USB 3.0 Zygmunt Kubiak 64

65 Kabel USB 1.x i 2.0 Zygmunt Kubiak 65

66 Kabel USB 3.0 Para sygnałów UTP Filtr, opcja Oplot Para sygnałów SDP Zasilanie Osłona Para sygnałów SDP Masa Zygmunt Kubiak 66

67 Parametry zasilania Zygmunt Kubiak 67

68 Parametry zasilania Zygmunt Kubiak 68

69 Zygmunt Kubiak 69

70 Dziękuję Zygmunt Kubiak