Download - 1 4 фізичний рівень
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 [email protected] автор і лектор: Олександр Пупена ([email protected])
зворотній зв’язок по курсу: Інтернет-форум АСУ в Україні (www.asu.in.ua)
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 1
reinventing
Способи передачі даних
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Послідовна передача даних – Телеграф на коді Морзе
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Спрощена модель послідовної передачі бітів: система на базі батарейок з лампочками
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 4
i
трансмітер (G)
ресивер (R)
uTD RD
лінія зв’язку3 3
пристрій 1 пристрій 2
i
трансмітер (G)
ресивер (R)
uTDRD
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?
Основні елементи фізичного інтерфейсу
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Типи зв'язку
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Система на базі батарейок з лампочками: кодування та швидкість
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Двійкове кодування бітів
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Модуляція (в модемах)
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 10
Модульований сигнал являється аналоговим.
2
Система на базі батарейок з лампочками: середовище передачі
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Середовище передачі
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 12
- металевий кабель (передача струмом або напругою) - електромагнітні хвилі (різного спектру)- оптоволокно (передачі світлом)
коаксіальний кабельвита пара
оптоволоконний кабель
4
Середовище передачі (електромагнітні хвилі)
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 13
4
Э.Таненбаум "Компьютерные сети"
Система на базі батарейок з лампочками: топологія і кількість вузлів
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Топології
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 15
дерево
зірка кільце шина
лінійна (ланцюжок)
вузлова
5
Система на базі батарейок з лампочками: тепер шина!
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 16
5
RRD
GTD
RRD
лінія зв’язку
пристрій 1 пристрій 2
G TD
RRD
GTD
пристрій 3
Система на базі батарейок з лампочками: синхронізація
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Асинхронна/синхронна передача
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Символ та UART
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 19
Передача двох символів: 1-й – 11011000; 2-й – 00100011. Біт паритету – непарний; 1 стоповий біт
Відсутність передачі: стан = 1Стартовий біт (Start) – сигнал початку передачі символу : стан=0 протягом 1-го бітуБіти даних – кількість залежить від протоколуБіт паритету (Parity) – контроль парності: Odd(непарний), Even(парний), None(немає)Стоп біти (Stop) – мінімальна пауза між символами : стан =1 протягом 1, 1.5, 2 бітівБітова швидкість (baud rate) вибирається з ряду доступних: популярні 9600 біт/с, 19200 біт/с, для RS232 - 115200 біт/с
Чому прийняті такі символи? (експеримент)
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 20
Передає 9600 біт/с Приймає 19200 біт/с
11011000 00100011 10000000 11111110 00001111 11100000
Система на базі батарейок з лампочками: проблема на великих швидкостях
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Модель з розподіленими параметрами
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 22
Ланцюг 1iS
iRZ C
RL
GY
Ланцюг 2
Z C
RL
GY
Ланцюг n
Z C
RL
GY
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
Імпульс в мережі та ефект відбиття (дзвона)
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 23
Проявляється коли в електричну лінію зв'язку "поміщаються декілька хвиль" (довгі лінії + висока швидкість)
Ланцюг 1iS
iRZ C
RL
GY
Ланцюг 2
Z CR
L
GY
Ланцюг n
Z CR
L
GY
Боротьба з ефектом відбиття
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 24
Боротьба з ефектом – термінатори в кінцях лінії (як правило резистори)
terminator1 & terminator2
asu.in.ua
для обидвох кінців шини
Система на базі батарейок з лампочками: містична поведінка
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Джерело та боротьба з завадами(шумами): література
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 26
https://drive.google.com/file/d/0B2FfwwwweBSVck5UcnVTeXpPbHM/view?usp=sharing
Джерело та боротьба з завадами: bookASUTP.ru
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 27
http://www.bookasutp.ru/Chapter3_1.aspx
Джерела завад
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Шляхи усунення завад
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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)- …
Правила заземлення екрану
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 30
Питання які вирішуються на фізичному рівні
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
Система на базі батарейок з лампочками: проблеми з доступом
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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.
Питання які НЕ вирішуються на фізичному рівні
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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 вузла10) …. та багато інших
Реалізація фізичного інтерфейсу
15.04.2023NET - фізичний рівень [email protected] 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
?