Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

1 4 фізичний рівень

856 views

Published on

Відкритий курс "Промислові мережі та інтеграційні технології" 1.4.Реалізація фізичного рівня промислових мереж http://asu.in.ua/viewtopic.php?f=194&t=1052 https://www.youtube.com/watch?v=py98P0jkrW8

Published in: Education
  • Be the first to comment

1 4 фізичний рівень

  1. 1. Промислові мережі та інтеграційні технології Реалізація фізичного рівня промислових мереж Вигадана історія, як ми зі своїм другом свою мережу придумували: "Система на базі батарейок з лампочками" реєстрація fieldbus_book@ukr.net автор і лектор: Олександр Пупена (pupena_san@ukr.net) зворотній зв’язок по курсу: Інтернет-форум АСУ в Україні (www.asu.in.ua) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 1 reinventing
  2. 2. Способи передачі даних 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 2 LSB (least significant bit) – молодший біт 149 MSB (most significant bit, called the high-order bit) – старший біт Давай придумаємо мережу, по якій будемо обмінюватися між собою даними. Взагалі є два способи передачі даних – послідовно і паралельно. Паралельний має ряд недоліків (велика кількість провідників, ризик різної довжини проводів, взаємні наводки ..) тому зараз він як правило використовуються тільки всередині пристроїв.
  3. 3. Послідовна передача даних – Телеграф на коді Морзе 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 3 За одиницю часу приймається тривалість однієї точки. Тривалість тире дорівнює трьом точкам. Пауза між елементами одного знака — одна точка, між знаками в слові — 3 точки, між словами — 7 точок. Приклад послідовної передачі - це телеграф.
  4. 4. Спрощена модель послідовної передачі бітів: система на базі батарейок з лампочками 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 4 i трансмітер (G) ресивер (R) u TD RD лінія зв’язку3 3 пристрій 1 пристрій 2 i трансмітер (G) ресивер (R) u TDRD лінія зв’язку А можна зробити щось типу телеграфу але не на Морзе а на 2-ковій системі? Як варіант - зробимо повнодуплексний зв'язок.1 Можна зібрати схему з лампочки, кнопочки, батарейки та проводів. "1" – контакт замикаємо, лампа світиться "0" – контакт розімкнений, лампа не світиться А можна так щоб в обидва боки?
  5. 5. Основні елементи фізичного інтерфейсу 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 5 G(Generator) або T(Transmitter) – трансмітер, передавач (передатчик) R (Receiver) – ресивер, приймач (приёмник) G+R (Transceiver) – трансивер, передавач-приймач (приёмопередатчик) Сигнали зв'язку мікросхем не пристосовані для передачі на великі відстані, потрібне підсилення, додаткове перетворення. Цим займаються трансмітери.
  6. 6. Типи зв'язку 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 6 тільки говорю, нікого не слухаю тільки слухаю, а говорити не можу і говорю і слухаю одночасно і говорю і слухаю одночасно то говорю, то слухаю що інші кажуть то говорю, то слухаю що інші кажуть 1
  7. 7. Система на базі батарейок з лампочками: кодування та швидкість 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 7 Чому я взяв мою 100 ватну лампу, а вона не світиться? Чому я взяв діодну лампу а вона згоріла? А які батарейки брати, акумулятор від авто піде? Ура! У мене працює! А скільки тут "0" і "1"? 6 сек 10 сек 4 сек … треба визначитися з напругою для передачі "0" та "1". Візьмемо 5В для "1" і 0В для "0". Лампи беремо ліхтарні. 2 … треба визначитися з тривалістю біта, тобто швидкістю передачі бітів. Давай візьмемо 1 біт – 1 секунда, тобто швидкість 1 біт/сек. 3 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
  8. 8. Двійкове кодування бітів 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 8 різним рівнем сигналу різним рівнем сигналу з поверненням в 0 фронтом сигналу зміною фронту сигналу Фронт – зміна рівня сигналу: передній фронт (rising edge): з "0" в "1" задній фронт (falling edge): з "1" в "0" 2
  9. 9. Двійкове кодування бітів (приклад) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 9 2
  10. 10. Модуляція (в модемах) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 10 Модульований сигнал являється аналоговим. 2
  11. 11. Система на базі батарейок з лампочками: середовище передачі 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 11 Який кабель треба використовувати? Між нами 5 км телефонного кабелю його можна використати? …треба визначитися з максимальною довжиною і типом кабелю. Ні, 5 км це забагато, прийдеться підсилювачі ставити, а от тип кабелю згодиться 4
  12. 12. Середовище передачі 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 12 - металевий кабель (передача струмом або напругою) - електромагнітні хвилі (різного спектру) - оптоволокно (передачі світлом) коаксіальний кабельвита пара оптоволоконний кабель 4
  13. 13. Середовище передачі (електромагнітні хвилі) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 13 4 Э.Таненбаум "Компьютерные сети"
  14. 14. Система на базі батарейок з лампочками: топологія і кількість вузлів 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 14 Супер, все працює! У мене декілька друзів хоче теж підключитися до нашої мережі. Як вони можуть це зробити? …тут точка-точка не підходить, треба продумати топологію. Можна зірку, або шину. Хай буде шина, але тоді прийдеться напівдуплексний зв'язок робити. 5 Я порахував, що кількість паралельно підключених лампочок не може бути більше 5-ти, це ж зменшення загального опору лінії, так що ще максимум 3-х друзів можна підключити до мережі. 6
  15. 15. Топології 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 15 дерево зірка кільце шина лінійна (ланцюжок) вузлова 5
  16. 16. Система на базі батарейок з лампочками: тепер шина! 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 16 5 R RD G TD R RD лінія зв’язку пристрій 1 пристрій 2 G TD R RD G TD пристрій 3
  17. 17. Система на базі батарейок з лампочками: синхронізація 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 17 Армянское радио три часа молчало. Потом объявило: пэрэдача для глухых акончэна! … треба визначитися з синхронізацією: коли початок передачі і як зробити щоб годинники усіх синхронізувалися. 7 Чому вчора з 12-ї до 15-ї години усі мовчали? 12:00 15:00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Я не мовчав. З 12:00 до 15:00 я пересилав картину "Чорний квадрат" Малевича.
  18. 18. Асинхронна/синхронна передача 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 18 Синхронізація: в який час починається посилка та визначається значення бітів? 7 Синхронна передача • передача великих об'ємів бітових послідовностей; • синхронізація через певні проміжки часу; • наявність додаткових ресурсів (або додаткову смугу пропускання); • більш дорогий в реалізації • ….. • бітова послідовність ділиться на порції (символи); • символ можна передавати у будь-який момент часу без прив'язки до джерела часу • синхронізація тільки напочатку передачі символу (старт-біт); • недорогий (схеми UART) Асинхронна передача Як синхронізуватися? тактовий генератор тактовий генератор прийом передача
  19. 19. Символ та UART 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 19 Передача двох символів: 1-й – 11011000; 2-й – 00100011. Біт паритету – непарний; 1 стоповий біт Відсутність передачі: стан = 1 Стартовий біт (Start) – сигнал початку передачі символу : стан=0 протягом 1-го біту Біти даних – кількість залежить від протоколу Біт паритету (Parity) – контроль парності: Odd(непарний), Even(парний), None(немає) Стоп біти (Stop) – мінімальна пауза між символами : стан =1 протягом 1, 1.5, 2 бітів Бітова швидкість (baud rate) вибирається з ряду доступних: популярні 9600 біт/с, 19200 біт/с, для RS232 - 115200 біт/с
  20. 20. Чому прийняті такі символи? (експеримент) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 20 Передає 9600 біт/с Приймає 19200 біт/с 11011000 00100011 10000000 11111110 00001111 11100000
  21. 21. Система на базі батарейок з лампочками: проблема на великих швидкостях 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 21 Після того як ми збільшили швидкість до 19200 біт/с у мене якась нестабільна передача Це ефект відбиття хвиль, який проявляє себе на високих частотах сигналу. Треба робити термінуючі схеми. 8
  22. 22. Модель з розподіленими параметрами 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 22 Ланцюг 1 iS iR Z C R L G Y Ланцюг 2 Z C R L G Y Ланцюг n Z C R L G Y Чим більше частота і довша лінія зв'язку, тим більше проявляються ємнісні та індуктивні властивості лінії зв'язку. максимальна частота зміни рівня сигналу та довжина лінії зв'язку обернено залежні
  23. 23. Імпульс в мережі та ефект відбиття (дзвона) 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 23 Проявляється коли в електричну лінію зв'язку "поміщаються декілька хвиль" (довгі лінії + висока швидкість) Ланцюг 1 iS iR Z C R L G Y Ланцюг 2 Z C R L G Y Ланцюг n Z C R L G Y
  24. 24. Боротьба з ефектом відбиття 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 24 Боротьба з ефектом – термінатори в кінцях лінії (як правило резистори) terminator1 & terminator2 asu.in.ua для обидвох кінців шини
  25. 25. Система на базі батарейок з лампочками: містична поведінка 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 25 У мене в кожні 6 годин ранку починає світитися лампочка приймача. При цьому передається якась незрозуміла "каша" бітів? Це мабуть наводки від пускачів двигунів насосів водонасосної станції, там пролягає наш кабель. Треба щось робити з кабелем: можна прокласти в іншому місці, або прокласти екранований. 9
  26. 26. Джерело та боротьба з завадами(шумами): література 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 26 https://drive.google.co m/file/d/0B2Ffwwwwe BSVck5UcnVTeXpPbHM /view?usp=sharing
  27. 27. Джерело та боротьба з завадами: bookASUTP.ru 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 27 http://www.bookasutp.ru/Chapter3_1.aspx
  28. 28. Джерела завад 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 28 Приклади: ланцюги змінного струму (зокрема живлення ПЧ), двигуни, хвилі від станцій, пускачі та релейна апаратура, зварювальна техніка - воздействия через кондуктивные связи; - влияние неэквипотенциальности "земли"; - наводки через взаимную индуктивность; - наводки через емкостные связи; - высокочастотные электромагнитные наводки.
  29. 29. Шляхи усунення завад 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 29 1) придушення завад в джерелі; 2) створення приймача, нечутливого до завад; 3) мінімізація завади через канал зв'язку - екранування як сигнальних ліній так і джерела завад: кабелі з екраном, металеві короби, лотки, труби - заземлення як екранів так і обладнання: просте екранування малоефективне, без заземлення екрану; основне спірне питання екранування з одного боку чи з двох? - балансування: наприклад використання симетричних способів передачі; - фільтрація: використання фільтрів частот; - ізоляція: гальванорозв'язка; - рознесення та орієнтація: джерело завади та сигнальні лінії на відстані або під особливим кутом; - вибір кабелю: наприклад екранований, коаксіальний, вита пара… - кодування сигналу: наприклад манчестерське (фронти), особлива модуляція (як в As-i) - …
  30. 30. Правила заземлення екрану 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 30
  31. 31. Питання які вирішуються на фізичному рівні 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 31 1) тип зв'язку (симплекс, дуплекс, напівдуплекс) 2) тип та рівень сигналу (напруга/струм/світло…), кодування (NRZ, манчестерське…) ; 3) бітова швидкість; 4) тип кабелю, довжини ліній; 5) топологія; 6) кількість вузлів; 7) синхронізація; 8) боротьба з відбиттям хвиль; 9) боротьба з завадами
  32. 32. Система на базі батарейок з лампочками: проблеми з доступом 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 32 Вчора я ніяк не міг передати свої дані, завжди хтось намагався передати свої! Давай якось визначимо хто і коли передає дані! Так. Це називається колізія. Треба буде визначити правила доступу до шини в протоколі канального рівня. Заодно необхідно визначитись з контролем вірності доставки даних та адресацією.
  33. 33. Питання які НЕ вирішуються на фізичному рівні 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 33 1) порядок доступу до загального середовища передачі; 2) доставка даних адресату; 3) повний контроль цілісності доставки даних; 4) фрагментація великих повідомлень; 5) об'єднання сегментів різного за типом мереж; 6) правила та семантика спілкування між прикладними програмами; 7) організація сеансу зв'язку; 8) захист від несанкціонованого доступу; 9) керування стан вузла 10) …. та багато інших
  34. 34. Реалізація фізичного інтерфейсу 02.03.2015 NET - фізичний рівень pupena_san@ukr.net 34 Спеціалізовані трансивери: - AS-i - Ethernet - Profibus PA та FF - HART - …. Стандартні послідовні інтерфейси (реалізовані як готові чіпи): - RS-232; - RS-422; - RS-485; - Current Loop (CL) - USB; - ISO-11898 (+CAN) - I2C; - SPI; - IrDA - …. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/index.htm ?

×