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

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Двійкове кодування бітів (приклад)
02.03.2015
NET - фізичний рівень
pupena_san@ukr.net
9
2

10. Модуляція (в модемах)
02.03.2015
NET - фізичний рівень
pupena_san@ukr.net
10
Модульований сигнал
являється аналоговим.
2

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. 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. Середовище передачі
(електромагнітні хвилі)
02.03.2015
NET - фізичний рівень
pupena_san@ukr.net
13
4
Э.Таненбаум "Компьютерные сети"

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. Топології
02.03.2015
NET - фізичний рівень
pupena_san@ukr.net
15
дерево
зірка кільце шина
лінійна
(ланцюжок)
вузлова
5

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Правила заземлення екрану
02.03.2015
NET - фізичний рівень
pupena_san@ukr.net
30

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. 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. 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. 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
?