Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych. Ćwiczenie. Techniki przesyłania informacji i interfejsy pomiarowe

Transkrypt

1 Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej, Zadanie 36 Przygotowanie i modernizacja programów studiów oraz materiałów dydaktycznych na Wydziale Elektrycznym Laboratorium Akwizycja, przetwarzanie i przesyłanie danych pomiarowych Ćwiczenie Techniki przesyłania informacji i interfejsy pomiarowe Instrukcje do ćwiczenia i dodatkowe materiały zmodernizowano przy wykorzystaniu środków otrzymanych w ramach Zadania 36 Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

2 1 Cel ćwiczenia Poznanie właściwości popularnych interfejsów komunikacyjnych, konfiguracja oraz budowa prostych systemów pomiarowych wykorzystujących powyższe interfejsy. 2 Charakterystyka interfejsów pomiarowych 2.1 Systemy i interfejsy pomiarowe W dzisiejszych czasach proces pomiarowy bardzo często kontrolowany jest przez komputer. Gdy ma to miejsce możemy mówić o komputerowym systemie pomiarowym lub krócej systemie pomiarowym. Komputerem w takim systemie może być mikrokontroler wbudowany bezpośrednio w sensor lub przyrząd pomiarowy, kontroler przemysłowy, komputer klasy PC lub serwer, w zależności od specyfiki i rodzaju sytemu. Schemat prostego systemu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 1. Rys.1. Przykładowa struktura komputerowego systemu pomiarowego Bez względu na to, z jakim systemem pomiarowym mamy do czynienia oraz jakie wielkości mierzymy, jednym z kluczowych zagadnień jest przekaz informacji w systemie. Od prawidłowego i bezbłędnego przepływu informacji, zarówno pomiarowych jak i sterujących uzależnione jest funkcjonowanie systemu pomiarowego. Aby przepływ informacji był możliwy urządzenia muszą pracować w odpowiednim systemie komunikacyjnym zapewniającym połączenie i dopasowanie współpracujących urządzeń. Znormalizowane systemy komunikacyjne nazywane są interfejsami. W Polsce pojęcia interfejs oraz system interfejsu używane są wymiennie i należy przez nie rozumieć zbiór elementów mechanicznych, elektrycznych i funkcjonalnych systemu pomiarowego koniecznych do wymiany informacji w systemie pomiarowym. Elementami interfejsu są złącza, kable, sterowniki i oprogramowanie. Normalizacji w standardzie interfejsu poza wymienionymi elementami podlegają również parametry przesyłanych sygnałów i protokołów komunikacyjnych (np.: poziomy napięć, rodzaj kodowania, prędkość transmisji, itp.). Magistrala interfejsu to z kolei tor komunikacyjny między urządzeniami pracującymi w systemie składający się ze zbioru szyn. Szyna magistrali to zestaw linii przeznaczony do transmisji określonych informacji [1]. System pomiarowy może być traktowany jak specyficzny system informacyjny z transmisją danych, w którym priorytetowe znaczenie ma przekazanie bezbłędnej informacji w zdeterminowanym czasie. Jest to podstawowa cecha odróżniająca komputerowe systemy pomiarowe od systemów informatycznych, w których istotniejsza od stopy błędów transmisji jest szybkość przesyłania danych. Dodatkowo transmisja danych odbywa się w sposób nieregularny, rozmiar przesyłanych bloków informacji jest duży i w przypadku błędów transmisji może być retransmitowany. W systemie pomiarowym, najczęściej dane przekazywane są w małych porcjach z określoną częstotliwością, często bez możliwości retransmisji. Rysunek 2 ilustruje wymogi transmisyjne systemów telemetrycznych (systemów, w których przesyłane są informacje pomiarowe) na tle innych technik i systemów teleinformacyjnych [2]. str. 2

3 Rys. 2. Wymogi transmisyjne technik i systemów teleinformacyjnych W systemach pomiarowych znalazło zastosowanie bardzo wiele interfejsów, zarówno dedykowanych jak i niededykowanych systemom pomiarowym. Interfejsy można rozróżniać na wiele sposobów do najczęściej spotkanych należy podział ze względu na rodzaj kanału medium czyli interfejsy przewodowe i bezprzewodowe. Równie popularny jest podział ze względu na rodzaj transmisji, interfejsy szeregowe, w których informacja przekazywana jest kolejno bit po bicie zgodnie z wymogami protokołu transmisyjnego, lub interfejsy równoległe, w których informacja przekazywana jest w postaci słów (4 64 bitowych). Poniżej zostaną opisane popularne interfejsy pomiarowe. 2.2 Interfejs szeregowy RS 232C Interfejs RS 232 (ang.: Recomended Standard) został wprowadzony w 1962 roku przez Electronic Industries Association (zmodyfikowany w 1969 roku jako RS 232C). Interfejs ten opisany jest w normach międzynarodowych V24 i V28. Został on zaprojektowany do komunikacji między dwoma urządzeniami - terminalami danych tzw. DTE ( Data Terminal Equipment) za pośrednictwem modemów komunikacyjnych tzw. DCE (Data Communication Equipment) lub bez nich (np.: komputer multimetr) co przedstawia rysunek 3. Rys. 3. struktura komunikacyjna z wykorzystaniem interfejsu RS 232C Pomimo tego, że standard został zaprojektowany niemalże w połowie XX wiek jest nadal bardzo popularny (do niedawna był standardowym wyposażeniem wszystkich komputerów PC jako port szeregowy COM został wyparty przez USB). Podstawowe jego zalety to proste oprogramowanie, tani kabel połączeniowy, masowa dostępność. Wady to możliwość podłączenia tylko dwóch urządzeń, długość linii przewodowej do 15m, prędkość transmisji 20kb/s, podatność na zakłócenia. Niemniej jednak parametry te zazwyczaj są wystarczające do realizacji komunikacji nawet w profesjonalnych systemach pomiarowych. str. 3

4 Pełna magistrala interfejsu składa się z 25 linii, ale w praktyce transmisja danych odbywa się za pomocą uproszczonej 9-liniowej magistrali. Złącza obu magistrali znajdują się na rysunku 4 a opis linii w tabeli 1. Rys. 4. Styki DB-9 i DB-25 interfejsu RS 232C Tabela 1. Najważniejsze linie magistrali interfejsu RS 232C Styk DB-9 Styk DB-25 Skrót linii Nazw angielska Nazwa Polska Kierunek DTE DCE 1 8 DCD Data Carrier Detected Poziom sygnału 2 3 RxD Received Data Dane odebrane 3 2 TxD Transmitted Data Dane nadawane 4 20 DTR Data Terminal Ready Gotowość DTE 5 7 SG Signal Ground Masa sygnału 6 6 DSR Data Set Ready Gotowość DCE 7 4 RTS Request to Send Żądanie nadawania 8 5 CTS Clear to Send Gotowość nadawania 9 22 RI Ring Idicator Wskaźnik wywołania - 1 PG Protective Ground Masa ochronna Opis linii Linie Danych: TxD dane nadawane. RxD dane odbierane Linie sterujące (obowiązuje logika pozytywna): 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 współpracy z DTE (aktywny przez cały czas trwania połączenia) DTR gotowość DTE do współpracy z DCE (aktywny przez cały czas trwania połączenia) DCD sygnał wykrycia przez modem fali nośnej (oznacza, że łączy się z innym modemem) Linie masy: SG masa sygnałowa PG masa ochronna połączona z obudową urządzenia W przypadku gdy komunikacja odbywa się między urządzeniami DTE DCE (np. komputer modem) linie magistrali łączymy wprost, a w przypadku gdy komunikacja odbywa się bezpośrednie między urządzeniami DTE DTE (np.: komputer multimetr) należy zastosować tzw. kable modemu zerowego (null-modem), w którym odpowiednie linie są skrzyżowane co przedstawione jest na rysunku 5. str. 4

5 Rys. 5. Kable transmisyjne RS 232C a) kabel do podłączenie urządzeń DTE DCE; b) uproszczony kable do podłączenia urządzeń DTE DTE (null-modem 3-przewodowy) c) kable null-modem do podłączenia komputera i multimetru Agilent 34401A. Transmisja danych może odbywać się w trybie: simpleksowym przekazywanie danych tylko w jednym kierunku, półdupleksowym przekazywanie danych w obu kierunkach nie jednoczesne, dupleksowym jednoczesne przekazywanie danych w obu kierunkach. Przesyłanie informacji następuje w sposób szeregowy bit po bicie. Stany logiczne 0 i 1 kodowane są stanami napięć. Transmitowane bity formatowane są w tzw. ramki. Ramka składa się z jednego bitu startu, od 5 do 8 bitów danych, bitu kontroli parzystości oraz 1 lub 2 bitów stopu, tak więc jej rozmiar wynosi 8 12 bitów. Bity danych są przesyłane w kolejności od najmniej znaczącego d0, do najwięcej znaczącego d7. Opcjonalny bit parzystości ma wartość logiczną równą sumie modulo 2 wszystkich bitów danych. Kontrola parzystości zapewnia kontrolę poprawności przesyłania danych (kontrola parzystości może mieć następujące tryby: even kontrola parzystości; odd kontrola nieparzystości; none brak kontroli). Parametry elektryczne sygnałów w RS 232C Napięcia na liniach danych (TxD, RxD): od -15V do -3V : 1 logiczna od 3V do 15 V: 0 logiczne Napięcia na liniach sterujących: od -15V do -3V : 0 logiczne U [V] od 3V do 15 V: 1 logiczna start d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 pa stop stop tb Rys. 6 Sygnał na linii TxD urządzenia DTE podczas transmisji znaku e str. 5

6 Na rysunku 6 przedstawiona jest sytuacja, w której urządzenie DTE (komputer) wysłało jedną ramkę danych o następujących parametrach: 1 bit startu (wartość logiczna 0) 8 bitów danych ( = 65hex = znak ASCII litery e 1 bit parzystości (0 tryb even - ramka zawiera parzystą liczbę jedynek) 2 bity stopu (11) Bit startu uruchamia zegar zapewniający prawidłową synchronizację odczytu. Częstotliwość pracy tego zegara (1/t B ) określa szybkość transmisji. Typowe prędkości transmisji to: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, (bitów/sek). Konfigurując parametry należy transmisji należy jeszcze ustawić tzw. sterowanie przepływem. Tryby sterowania przepływem to sterowanie programowe Xon/Xoff, sprzętowe i najczęściej używana opcja - brak sterowania przepływem. Powyższy opis dotyczy najczęściej stosowanej transmisji asynchronicznej. RS 232C dopuszcza możliwość transmisji synchronicznej, wtedy bity zbierane są w bloki danych o rozmiarze do 2kb i przesyłane są w takt sygnału zegarowego identycznego w odbiorniku i nadajniku. 2.3 Przemysłowy interfejs szeregowy RS 485 Znacznym rozwinięciem standardu RS 232C jest standard RS-485 opracowany w Interfejs taki w komputerze możemy zrealizować poprzez zainstalowanie dodatkowej karty lub użycie konwertera interfejsów RS 232C/RS 485. Przy niezmienionych prawie zasadach programowania interfejsu, zastosowano linie symetryczną do przesyłania danych, co wydłużyło zasięg transmisji, oraz wprowadzono trójstanowy sygnał wyjściowy. Oprócz logicznego 0 i 1 funkcjonuje stan wysokiej impedancji co praktycznie oznacza odłączenie odbiornika od magistrali. To z kolei umożliwia podłączenie do jednej magistral do 32 urządzeń nadawczo-odbiorczych. Urządzenia w tym standardzie komunikują się po magistrali zgodnie z rysunkiem 7. Rys. 7. Magistrala interfejsu RS 485 Najczęstszym trybem komunikacji w systemie z interfejsem RS-485 jest komunikacja półdupleksowa (w jednej chwili tylko jedno urządzenie nadaje dane). Jak widać na rysunku 7 w standardzie tym ograniczono liczbę linii do dwóch: Data+, Data, fizycznie linie ten zrealizowane są jako skrętka przewodów co pozwala na tłumienie sygnałów współbieżnych. Najczęściej wykorzystywany jest kabel o impedancji charakterystycznej 120 Ω co powoduje, że rezystancja terminatorów R T =120Ω. Należy również pamiętać o tym, aby wszystkie urządzenia posiadały ten samo potencjał odniesienia, zapewnienie tego często realizowane jest przez dodatkową pętlę uziemienia. W tabeli 2 znajduje się porównanie obu standardów interfejsów szeregowych. str. 6

7 Tabela 2. Porównanie parametrów interfejsów RS 232C i RS 485 Parametr RS 232C RS Maksymalna liczba nadajników Maksymalna liczba odbiorników Maksymalna długość kabla 15m 1,2km 3 Maksymalna szybkość transmisji 20kb/s 111kb/s 10Mb/s -40Mb/s 4 Napięcie na wyjściu nadajnika ± 3V min ± 1,5V min ± 15V max 5 Czułość odbiornika ± 3V ± 200mV 6 Rezystancja wyj. nadajnika wysoka impedancja - 120kΩ 2.4 Interfejs sieciowy Ethernet (IEEE 802.3) Ethernet jest technologią skupiającą budowę lokalnych sieci komputerowych (LAN). Wykorzystuje ona ideę węzłów nadawczo-odbiorczych podłączonych do wspólnej magistrali komunikacyjnej. Każdy z węzłów posiada niepowtarzalny identyfikator adres MAC. Wymiana informacji odbywa się za pośrednictwem dedykowanych ramek danych. Ethernet został opracowany w 1976 roku przez Roberta Metcalfe a. Od tego czasu znacznie ewoluował i zyskiwał na popularności i dziś każdy komputer wyposażony jest w co najmniej jedną kartę umożliwiającą współpracę z siecią Ethernet. Interfejs jest również bardzo często stosowany w systemach pomiarowych. Do zalet tego standardu należą: wymieniona już popularność, dostępność, niski koszt przesyłania danych, współpraca z sieciami rozległymi typu WAN (co daje możliwość tworzenia bardzo rozległych systemów pomiarowych), wysoka przepustowość 10Gb/s. Dodatkowo Ethernet daje możliwość tworzenia sieci o różnych topologiach np. magistralowej lub gwiazdowej - co prezentuje rysunek 8. Rys. 8. Topologie sieci Ethernet Dane w sieci przekazywane są w ramce, której struktura przedstawiona jest na rysunku 9. W preambule nadawany jest 7 bajtowy ciąg: Daje to możliwość szybkiej synchronizacji odbiorników. Znacznik początkowy ramki SFD ang. start frame delimiter jest sekwencją 8-bitową Następnie znajduje się 6 bajtowy adres MAC odbiorcy i 6 bajtowy adres MAC nadawcy, następnie określany jest typ ramki (2 bajty), w którym zapisana jest informacja o rozmiarze ramki lub protokole. Kolejnym blokiem są dane których rozmiar może wahać się od 46 do 1500 bajtów. Bloki danych mniejsze niż 46 bajtów uzupełniane są zerami. Na końcu przesłana jest 4 bajtowa suma kontrolna pozwalająca na sprawdzenie poprawności przesłanych danych. str. 7

8 Rys. 9 Struktura ramki danych w sieci Ethernet Tylko jedna stacja w danej chwili czasu może nadawać sygnał, w przypadku, gdy sygnał jednocześnie zostanie nadany przez dwie stacje wystąpi kolizja. Wtedy stacje powinny wstrzymać nadawanie i przystąpić do retransmisji za pewien czas. Obsługa kolizji oraz wykrywanie fali nośnej odbywa się za pomocą protokołu CSMA/CD (ang. carrier sense with multiple access/colision detectio). Najczęściej wykorzystywanym protokołem transmisji danych jest zestawienie dwóch protokołów TCP/IP (transmission control protocol/internet protocol). TCP zarządza komunikacją miedzy komputerami, natomiast IP zajmuje się fragmentacją i scaleniem pakietów oraz rozsyłaniem ich do odpowiednich sieci. W tabeli 3 znajdują się parametry wybranych standardów Ethernetu przewodowego. Tabela 4 Parametry wybranych standardów Ethernetowych Nazwa Szybkość Medium Topologia Zasięg transmisji 10Base5 10Mb/s kabel koncentryczny magistrala 500m 100BaseT 100Mb/s skrętka przewodów UTP5 gwiazda 200m 1000Base 1Gb/s skrętka przewodów UTP5 gwiazda 10km 1000BaseLX 1Gb/s światłowód jednomodowy - 40km 10GBaseER 10Gb/s światłowód jednomodowy - 40km Najbardziej popularnym złączem Ethernetowym jest RJ-45 przedstawione na rysunku 10. Rys. 10. Złącze RJ-45 Do złącza RJ-45 stosuje się najczęściej kabel nieekranowany kategorii 5 (UTP5). Na rysunku 11 przedstawiony jest sposób usytuowania kabli w złączu RJ-45. str. 8

9 Rys. 11. Ułożenie kabli w złączu RJ Interfejs bezprzewodowy krótkiego zasięgu ZigBee (IEEE ) W ostatnim czasie obserwuje się gwałtowny rozwój interfejsów bezprzewodowych krótkiego zasięgu takich jak Bluetooth czy WiFi. Ich podstawową zaletą jest komunikacja bez kabla co diametralnie zwiększa mobilność oraz swobodę użytkownika a często obniża koszty budowy sytemu. Interfejsy te znalazły również szerokie zastosowanie w telemetrii. Bezprzewodowym interfejsem komunikacyjnym dedykowanym technice pomiarowej jest standard zdefiniowany normą IEEE o potocznej nazwie ZigBee. Technologia ta jest zoptymalizowana na minimalizację poboru mocy kosztem prędkości przesyłu danych. Zgodnie z założeniami optymalny stosunek czasu transmisji danych do czasu wyłączenia urządzenia to 0,1%. Przy takim współczynniku wypełnienia kanału, urządzenie komunikacyjne powinno pracować rok lub dłużej na zasilaniu bateryjnym. Zaletą standardu jest mały pobór mocy, możliwość podłączenie bardzo dużej liczby węzłów oraz krótki czas potrzebny na aktywację urządzenia i nadanie informacji (standardowo 15ms). Interfejs ZigBee może pracować w trzech nielicencjonowanych pasmach częstotliwości (tabela 4) Zasięg nadajników oszacowano na 100m, ale najnowsze urządzenia przy sprzyjających warunkach mogą komunikować się nawet na odległość do 500m. W tabeli 4 podane są podstawowe parametry interfejsu. Tabela 4. Parametry interfejsu ZigBee IEEE Pasmo częstotliwości MHz europejskie pasmo ISM MHz amerykańskie pasmo ISM 2,4 2,4835GHz międzynarodowe pasmo ISM Szybkość Zasięg Szerokość Liczba węzłów transmisji kanału w sieci 20kb/s 100m 0,6MHz kb/s 100m 1,2MHz 250kb/s m 2MHz praktycznie 3000 str. 9

10 Sieć ZigBee cechuje się niskim kosztem inwestycji (urządzenia komunikacyjne są tanie max kilkadziesiąt $) oraz niskim kosztem eksploatacji. Jest to możliwe ponieważ urządzenia te są stosunkowo proste, działają według prostych protokołów oraz wytwarzane są jako układ scalone o dużej skali integracji. Objętość ramki transmisyjnej jest ograniczona do 128 bajtów, jej struktura przedstawiona jest na rysunku 12 Rys. 12. Struktura Ramki dla protokołu transmisyjnego IEEE Urządzenia ZigBee mogą pracować w różnych topologiach: gwiazdy, drzewa, siatki (rysunek 13). Topologia siatkowa cechuje się wysoką niezawodności ze względu na możliwość doprowadzenia sygnału wieloma drogami. Co najmniej jedno urządzenie w sieci musi być koordynatorem posiadającym wszystkie funkcje systemowe FFD (ang. Full Function Device). Pozostałe urządzenia mogą być wykonane z ograniczonymi funkcjami sterowania RFD (ang Reduced Function Deveice), dzięki czemu mogą być tańsze co oczywiście bezpośrednio wpływa na koszt całego systemu. a) topologia gwiaździsta b) topologia siatkowa b) topologia drzewiasta Urządzenie z ograniczonymi funkcjami RFD Urządzenie z wszystkimi funkcjami FFD Koordynator sieci ZigBee Rys. 13. Możliwe topologie sieci ZigBee 2.6 Interfejs bezprzewodowy dalekiego zasięgu system GSM/GPRS Aktualnie najpopularniejszym interfejsem zapewniającym komunikację bezprzewodową dalekiego zasięgu, w tym również komunikację w systemach pomiarowych, jest GSM. Podstawową zaletą tego systemu jest olbrzymia popularność, za jego pośrednictwem możemy zbudować system na obszarze krajów czy kontynentów (tak samo jak możemy porozmawiać, za pośrednictwem telefonu komórkowego, z osobą znajdująca się wiele tysięcy kilometrów od nas). Uproszczona struktura system GSM przedstawiona jest na rysunku 14. Na rysunku 14 widzimy stacje ruchome, które mogą połączyć się z inną stacją ruchomą w obrębie tego samego operatora lub innej dowolnej sieci teleinformatyczne pod warunkiem że znajdują się w obrębie komórki stacji bazowej. Sygnały ze stacji bazowych trafiają do centrum komutacyjno sieciowego, gdzie zostaje podjęta decyzja, na podstawie danych sieciowych (rejestru abonentów, dostępnych usług, itp.), o przeznaczeniu i formie komunikatu od stacji ruchomej (przedstawiony proces jest bardzo uproszczony, więcej informacji na temat sieci GSM można znaleźć w [2]). str. 10

11 Rys. 14. Uproszczona struktura system GSM. W telemetrii system GSM wykorzystywany jest na różne sposoby: jako łącze pozwalające na wymianę danych miedzy urządzeniami (np.: komputer multimetr); jako system dostarczający dane z urządzeń pomiarowych do serwera pomiarowego; jako system umożliwiający, użytkownikom systemu pomiarowego, wgląd do danych pomiarowych, znajdujących się na serwerze. Technologia GSM oferuje wiele usług transmisji danych (tabela 5). W telemetrii najczęściej używany jest GPRS, ze względu na: możliwość przekazywania danych w protokołach internetowych TCP/IP; pakietową transmisje danych względnie tanią wystarczającą przepustowość do 110kb/s szeroki zasięg na terenie Polski 100% powierzchni kraj jest pokryte sygnałem GSM umożliwiającym nawiązanie komunikacji GPRS (w praktyce górzysta lub pagórkowata rzeźba terenu, zalesienie, warunki atmosferyczne, mogą sprawić że stabilna komunikacja w każdym miejscu w Polsce będzie niedostępna). Tabela 2.4 Standardy transmisji danych w technologii GSM Tryb Transmisji Opis Maksymalna szybkość transmisji danych CSD Transmisja danych cyfrowych 9,6kb/s CSD Transmisja danych cyfrowych z kompresją danych 14,4kb/s + kompresja HSCSD Szybka transmisja danych cyfrowych 57,6kb/s GPRS Pakietowa transmisja danych 115kb/s EDGE Ulepszona transmisja danych w zmodyfikowanej 384kb/s sieci GSM UMTS Transmisja danych w sieci UMTS 1960kb/s HSDPA Szybka transmisji danych w sieci UMTS 8-10Mb/s downlink 2Mb/s uplink str. 11

12 3 Literatura uzupełniająca [1] Tumański Sławomir; Technika Ppomiarowa, WNT 2006 [2] Kołakowski J, Cichocki J; UMTS systemy telefonii komórkowej trzeciej generacji, wydanie 2; WNT 2008 [3] Nawrocki R; Rozproszone systemy pomiarowe, WNT Realizacja ćwiczenia Cześć praktyczna ćwiczenia polega zrealizowaniu prostych systemów pomiarowych, z wykorzystaniem dostępnego oprzyrządowania, i zbadaniu parametrów kanałów komunikacyjnych wybranych interfejsów. Szczegóły realizacji ćwiczenia są podane przez prowadzącego. Wyposażenia stanowiska laboratoryjnego 1. Komputer klasy PC z systemem operacyjnym Widows XP 2. Multimetr Agilent 34401A wraz z instrukcją obsługi 3. Kontroler przemysłowy ICPDas 7188 z oprogramowaniem vxcomm 4. 3 urządzenia ZigBee nadawczo-odbiorcze 5. Modem GSM Motorola g20 6. Oscyloskop 7. Przystawka do oscyloskopu umożliwiające podgląd parametrów linii sygnałowej na oscyloskopie 8. Kabel RS 232C prosty o długości 1,5m, 15m, 20m 9. Kabel RS 232C null-modem o długości 1,5m 10. Kabel RS 232C null-modem dedykowany do współpracy z kontrolerem ICPDas Kable sieciowy prosty (niekrosowany) o długości 2m, typ złącz RJ Obiekt badany (bateria 9V) 13. Instrukcja wykonania ćwiczenia 4.1 Interfejs RS-232C Uwaga: zmiany w połączeniach należy wykonywać przy wyłączonym multimetrze i modemach Zestawienie kanału komunikacyjnego Zbudować system pomiarowy zgodnie ze schematem na rysunku 15. Komputer i multimetr są urządzeniami typu DTE. Rys. 15. Połączenie komputera i multimetru przy wykorzystaniu interfejsu RS -232C Uruchomić systemowy terminal komunikacyjny (Menu Start > Wszystkie programy > Akcesoria > Komunikacja > Hyper Terminal Nadać własną nazwę nowemu połączeniu Wybrać port > COM1 Ustawić następujące parametry transmisji: Prędkość transmisji: 9600b/s Liczba bitów danych: 8 str. 12

13 Kontrola parzystości: brak (none) Liczba bitów stopu: 2 Sterowanie przepływem: brak (none) Po akceptacji parametrów powinno pojawić się okno przedstawione na rysunku 16 Multimetr Agilent34401A komunikuję się w protokole SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments), gdzie komunikatami są odpowiednie komendy (patrz instrukcja obsługi Agilent34401A). <cr> - oznacza tz powrót karetki co programowo można uzyskać wysyłając wartość heksadecymalną 0d, lub poprzez naciśnięcie klawisza Enter. // - oznacza komentarz do instrukcji Nawiązać połączenie z multimetrem Wysłać polecenie *IDN?<cr> //odpowiedzią jest identyfikator urządzenia Wysłać polecenie SYStem:REMote<cr> // wydanie tego polecenia spowoduje ustawienie multimetru w tryb pracy zdalnej, będzie możliwa obsługa multimetru za pomocą interfejsu RS 232C Wysłać polecenie MEASure:VOLTage:DC?<cr> // wydanie tego polecenia spoeoduje zmierzenie napięcia stałego na zaciskach multimetru (w ćwiczeniu obiektem badanym jest bateria). Aby pomiar był możliwy multimetr musi byś w trybie REMote. Na podstawie dokumentacji zmienić w sposób zdalny zakres pomiarowy oraz inne parametry Wyjaśnić w jaki standardzie podawany jest wynik pomiaru Po skończony pomiarach wyłączyć multimetr Rys. 16. Zapis przykładowej komunikacji z multimetrem Pomiary parametrów transmisyjnych Zestawić system pomiarowy zgodnie z rysunkiem 17. obiekt badany komputer RS 232C null-modem przystawka 34401A multimetr oscyloskop Rys. 17. Analiza sygnałów na liniach magistrali interfejsu Ustawić parametry transmisji takie jak same jak w punkcie Sprawdzić poprawność połączenia z multimetrem wydając komendę *IDN?<cr> Podłączyć oscyloskop do linii TxD i RxD (w przypadku, gdy nadajnikiem jest komputer) Ustawić wyzwalanie oscyloskopu pojedynczym impulsem (tryb pracy: single) str. 13

14 Wysłać komendę pozwalającą zmierzyć napięcie stałe i zarejestrować ramkę danych (przerysować do sprawozdania z zaznaczeniem, bitu startu, segmentu danych, bitu parzystości, bitu stopu. Oszacować czas odpowiedzi multimetru wyjaśnić, z czym on jest związany Wyłączyć multimetr Rys.18. Analiza wpływu długości kabla łączeniowego Oszacowanie wpływu długości kabla łączeniowego na parametry transmisji. Zestawić system pomiarowy zgodnie z rysunkiem 18 używając kabla RS -232C o długości 10m Nawiązać komunikacje z multimetrem analogicznie jak w punkcie Zarejestrować sygnały na liniach TxD i RxD (w przypadku gdy nadajnikiem jest komputer) porównać sygnały z sygnałami gdy długość linii wynosiła 1,5m. Zaobserwowane zmiany, zapisać i uzasadnić Wyłączyć multimetr Zestawić system pomiarowy zgodnie z rysunkiem 18 używając kabla RS -232C o długości 20m Przeprowadzić analogiczną analizę Po skończony pomiarach wyłączyć multimetr 4.2 System pomiarowy wykorzystujący sieć LAN Zestawienie kanału komunikacyjnego W tej części ćwiczenie zostanie wykorzystany kontroler przemysłowy 7188EXD firmy ICPdas. W ćwiczeniu pełni on funkcję konwertera interfejsu LAN/RS232C. Aby zrealizować system pomiarowy wykorzystujący powyższy konwerter należy: Ustalić z prowadzącym lokalizację wykorzystywanych gniazd sieciowych Uzyskać od prowadzącego aktualny adres IP kontrolera 7188EXD (w instrukcji będzie wykorzystywany przykładowy adres IP: ) Zestawić system zgodnie z schematem przedstawionym na rysunku 19 (komputer jest już podłączony do sieci LAN) Rys. 19. System pomiarowy wykorzystujący sieć LAN Skonfigurować kontroler 7188 Otworzyć stronę internetowa o adresie IP kontrolera (np.: http// ) W oknie witryny skonfigurować port COM1 do komunikacji z multimetrem, zgodnie z punktem Zatwierdzić zmiany przyciskiem SET TCP/IP and COM PORT Otworzyć aplikację Vxcomm dedykowana do współpracy z kontrolerem 7188 (ikona na pulpicie) Wyczyścić wpisy poprzez wciśniecie Remove Server str. 14

15 Z restartować sterownik poleceniem z menu Tools>Restart Driver Dodać kontroler przyciskiem Add Server(s) W nowym panel w miejscu IP Range Start wpisać adres IP kontrolera Com Port ustawić na 3 Zaznaczyć opcję Maps virtual COM ports to Port I/O on Server Po zaakceptowaniu zmian powinno pojawić się okno przedstawione na rysunku 20 Rys. 20. Panel główny programu VxComm Z restartować sterownik poleceniem z menu Tools>Restart Driver Po prawidłowym wykonaniu poleceń w komputerze na stanowisku dodały się 3 wirtualne porty COM o numerach COM3, COM4, COM5 można to sprawdzić w Hyper terminalu Komunikacji z multimetrem poprzez emulowany port COM: Uruchomić Hyperterminal wybrać wirtualny port odpowiadający portowi Port1 kontrolera W opisywanym przypadku jest to port COM4. Ustawić parametry transmisji takie jak w punkcie Sprawdzić komunikacje komendą *IND?<cr> Zmierzyć napięcia stałe w sposób zdalny Komunikacja z multimetrem poprzez TCP/IP Uruchomić Hyperterminal Jako port komunikacyjny wybrać TCP/IP Na podstawie danych z programu VxComm ustalić adres i port na którym znajduje się multimetr Nawiązać komunikację Zmierzyć napięcie stałe w sposób zdalny Po skończonych pomiarach Wyłączyć multimetr W aplikacji VxComm wyczyścić wpisane serwery przyciskiem Remove Server Z restartować sterownik poleceniem z menu Tools>Restart Driver str. 15

16 4.3 Pomiar parametrów interfejsu ZigBee W tej części ćwiczenia należy wyznaczyć doświadczalnie zasięg komunikacyjny interfejsu ZigBee. W tym celu należy: Zasilić bateryjnie modem ZigBee2 i dołączyć do niego układ LOPP BACK Połączyć układ zgodnie z rysunkiem 21 Rys. 21. Struktura komunikacyjna do pomiaru zasięgu łącza ZigBee Uruchomić aplikację X-CTU (skrót na polpicie) Ustawić parametry transmisji takie jak w punkcie Zweryfikować komunikację komputera z modem ZigBee1 W zakładce Range Test zaznaczyć pole RSSI (Received Signal Strength Indication) informujące o poziomie mocy odbieranego sygnału, obrazuje to rysunek 22 Włączyć test Wyznaczyć charakterystykę zasięg[m] = f(rssi[db]) Sprawdzić zasięg Rys. 22 Sprawdzenie zasięgu interfejsu ZigBee str. 16

17 4.4 Komunikacja GSM/GPRS W tym punkcie ćwiczenia należy połączyć się z serwerem pomiarowym poprzez GSM/GPRS wysłać zapytanie i odebrać dane pomiarowe. Aby zrealizować zadanie należy: Uzyskać od prowadzącego informację o adresie IP serwera (np ) Port na którym serwer prowadzi nasłuch to Połączyć modem GSM zgodnie z rysunkiem 23 Rys. 23 Wykorzystanie technologii GSM/GPRS w systemie pomiarowym Uruchomić Hyper terminal i ustawić następujące parametry Prędkość transmisji: 57600b/s Liczba bitów danych: 8 Kontrola parzystości: brak (none) Liczba bitów stopu: 1 Sterowanie przepływem: brak (none) Wyłączyć echo znaków Konfiguracja>Ustawienia>ASCII> Modem obsługiwany jest poprze komendy AT pełna lista komend znajduje się w [g20 AT commands skrót na pulpicie] Sprawdzić połączenie komendą AT<cr> OK //poprawna odpowiedź terminala ERROR //odpowiedź informująca o będzie najczęściej związana z nieprawidłową składnią Sprawdzić PIN karty SIM komendą AT+CPIN=?<cr> +CPIN: READY // odpowiedź terminala informująca o tym że PIN jest aktywny-wpisany, w innym przypadku należy wprowadzić PIN zgodnie z instrukcją w liście komend AT Wysłać komendę inicjalizującą pobranie adresu IP (dla sieci Plus GSM komenda ma postać następującą szczegółowy opis komendy na stronie 356 list komend) AT+MIPCALL=1,"m2m.plusgsm.pl","plusgsm.pl","plusgsm.pl" <cr> // szczegółowy opis komendy na stronie 356 list komend) +MIPCALL: // w przypadku załogowania się do sieci GPRS terminal zwróci komendę z aktualnym adresem IP Nawiązać połączenie z serwerem AT+MIPOPEN=1,10001, ,10001,1<cr> // spowoduje to otwarcie portu na maszynie o adresie w protokole transmisji TCP dokładny opis strona 358 listy komend Wysłać zapytanie do serwera o treści MEAS aby przesłać teks w trybie komend AT należy go zamienić na znaki odpowiedni znaków ASCII w wartościach hex (M=4D; E=45; A=41; S=53) AT+MIPSEND=1, 4D <cr> //przesłanie danych do bufora AT+MIPPUSH=1<cr> //wysłanie str. 17

18 +MIPRTCP:1, //odebranie danych automatyczne, wartość jest wartością hex znaków ASCII zamknąć port poleceniem AT+MIPCLOSE=1<cr> Wylogować się z sieci GPRS poleceniem AT+MIPCALL=1<cr> Rozłączyć układ Przygotować sprawozdanie końcowe z wnioskami związanymi z wykonywaniem ćwiczenia str. 18