Wykład nr 10 Protokoły transmisyjne Piotr Bilski Systemy wbudowane Wykład nr 10 Protokoły transmisyjne Piotr Bilski

Wstęp Współczesne systemy wbudowane są rozproszone Wymagania przemysłowe oznaczają konieczność stosowania rozwiązań specjalizowanych Istnieje wiele standardów, w zależności od zastosowań

Standardy transmisyjne Rodzaje transmisji Analogowa Cyfrowa Techniki transmisji cyfrowej Sieci miejscowe (Fieldbus) Sieci firmowe Sieci czujnikowe i urządzeń pomiarowych Sieci rozproszonych systemów sterowania Inne (np. GSM)

Transmisja analogowa Wykorzystanie sygnałów prądowych (zasięg) Zmiana prądu jest proporcjonalna do przetwarzanej zmiennej procesowej Standardy: 0-5mA, 0-20mA, -20/+20mA Do transmisji wystarczą dwa przewody

Przykład układu do transmisji analogowej Konfiguracja pętli prądowej Zasięg do 3 km

Standardy transmisji cyfrowej HART (Highway Addressable Remote Transducer) ASI (Actuator Sensor Interface) CAN (Controller Area Network) Modbus Profibus DP Ethernet przemysłowy

Sieci miejscowe (fieldbus) Składają się z urządzeń wyposażonych w specjalizowane lub uniwersalne standardy komunikacyjne Są sieciami czasu rzeczywistego, o zwiększonej odporności na zakłócenia

Model sieci miejscowej Model związany jest z modelem ISO/OSI

Cechy sieci miejscowych Transmisja szeregowa Komunikacja typu master-slave Węzły podrzędne mogą działać w trybie „burst” (powtarzanie komunikatu w pętli) Obecność w modułach mikroprocesorów Transmisja odbywa się poprzez przewody

Standard HART (1986) Służy do komunikacji z inteligentnymi układami I/O Przetworniki mogą pracować w trybie analogowym (4-20mA) lub cyfrowym W trybie cyfrowym możliwa jest diagnostyka urządzeń i zmiana ich nastaw (powolna!) Wykorzystywany głównie w przemyśle chemicznym

Warstwy standardu HART Warstwa aplikacji Warstwa transportowa Warstwa sieciowa Warstwa łącza danych Warstwa fizyczna Specyfikacja poleceń, odpowiedzi i usługi raportowania Usługi pomyślnego dostarczania Trasowanie, bezpieczeństwo, usługi transportowe Specyfikacja prot. master-slave Specyfikacja standardu Bell 202 Wykorzystywany przez: Emerson, ABB, Yokogawa

Parametry transmisyjne HART Oparte na rozwiązaniach Bell 202 (USA) Modulacja częstotliwościowa (FSK): 1200Hz (1) i 2200Hz (0) Tryby pracy: „punkt-punkt” (analogowo) oraz „punkt-wielopunkt” (cyfrowo) W konfiguracji wielopunktowej do 15 adresowanych modułów

Transmisja analogowa i cyfrowa Prędkość transmisji: 1200 bps

Konfiguracje modułów HART Slave 2 Master Slave Slave Master 1 1 3 Slave 4 Temporary Master

Ilustracja parametrów HART

Komunikaty HART Wstęp – 5 lub 20 znaków FF SC – start (format ramki, kierunek transmisji itp.) AD – adres (mastera’ i slave’a)

Actuator Sensor Interface Prosta sieć łącząca punkty binarne Metoda dostępu: odpytywanie Możliwe podłączenie do 31 modułów podrzędnych Konfiguracje: liniowa, gwiaździsta, drzewiasta Medium: kabel dwużyłowy, nieekranowany o długości do 100m (300m z regeneracją) Mała odporność na zakłócenia elektromagnetyczne

Model komunikacyjny ASI

Struktura systemu w ASI

Transmisja w ASI Transmisja w paśmie podstawowym Kodowanie Manchester (brak składowej stałej!) Po stronie analogowej modulacja impulsowa (APM) napięcia zasilającego Transmisja synchroniczna (zegar 167 kHz)

Ramka ASI Komunikaty w postaci telegramów Pauza modułu nadrzędnego trwa od 3 do 10 j. cz. Pauza modułu podrzędnego trwa 1 j. cz. Czas odpowiedzi sieci do 5ms

Standard CAN (1992) Standard dla potrzeb przemysłu motoryzacyjnego (ISO 11898, ISO 11519-2) Dotyczy warstwy fizycznej i łącza danych Medium transmisyjne: skrętka dwuprzewodowa (prędkość do 1Mb na dystansie do 40m) Typ magistrali: multi-master Istnieje wiele rozszerzeń (dla samochodów osobowych, ciężarowych itp.)

Organizacja węzłów sieci CAN Kontrolery specyficzne i uniwersalne (z kanałami CAN) Magistrala zakończona terminatorami (120 Ohm)

Przykład sieci CAN Warstwa łącza danych dzieli się na obiektową (filtracja i obsługa wiadomości i statusu) oraz transferową (przygotowanie, transfer i rozpakowanie wiadomości, obsługa błędów, arbitraż)

Arbitraż w sieci CAN Metoda CSMA/CD z nieniszczącym arbitrażem Dwie linie – CAN-H i CAN-L Wyjścia układów są w stanie: wysokiej impedancji dominującym (CAN-H – CAN-L > 0.9V) Recesywnym (CAN-H – CAN-L < 0.5V) Podczas podania przez dwa urządzenia stanu dominującego i recesywnego na magistrali ustala się ten pierwszy

Przykład arbitrażu Pierwsza reguła – stan dominujący vs. recesywny Druga reguła – priorytet wiadomości

Formaty ramek CAN Format podstawowy i rozszerzony Brak adresowania konkretnych węzłów! SOF – Start Of Frame RTR – rozróżnianie bitu dominującego i recesywnego IDE – format ramki

Obsługa błędów CAN Ramka błędu zawiera identyfikator (6 bitów) Rodzaje błędów: Błąd bitu stanu Błąd szpikowania Błąd formatu ramki Do detekcji błędów służą: Kod CRC Liczniki błędów odbioru (REC) i nadawania (TEC)

Porównanie sieci miejscowych

Standard ZigBee Standard łączności bezprzewodowej dla sieci czujnikowych Wykorzystuje standard IEEE 802.15.4 Sieci typu mesh i cluster tree Nacisk na niski pobór mocy Zasięg do stu metrów Główne firmy promujące: Motorola, Mitsubishi, Samsung, Philips, Honeywell

Stos protokołów ZigBee Warstwa aplikacji Warstwa MAC Warstwa fizyczna Warstwa MAC + fizyczna = stos ZigBee Potwierdzanie odbioru ramek Adres węzła – 16 lub 64 bity Zapewnione bezpieczeństwo transmisji

Częstotliwości ZigBee Pasma: 868 MHz (1 kanał), 915MHz (10 kanałów), 2,4 GHz (16 kanałów) Modulacja: BPSK i O-QPSK

Topologie ZigBee