Информационное обеспечение систем управления

1.

Информационное
обеспечение
систем управления
к.т.н., доцент ОАР
Суходоев Михаил Сергеевич
Стандартные интерфейсы

2.

Стандартные интерфейсы
На
физическом
уровне
обмена
информацией
используются стандартные интерфейсы. Интерфейс - это
граница раздела 2 систем, устройств или программ.
Интерфейс позволяет осуществлять обмен данными и
управляющей информацией между устройствами системы
по унифицированным правилам.
Унификация этих правил дает возможность подключения
к системе разнообразных устройств, отличающихся
назначением, быстродействием и принципами действия.
2

3.

Стандартные интерфейсы
Стандартный интерфейс - совокупность унифицированных
технических, программных и конструктивных средств,
необходимых для реализации взаимодействия различных
функциональных элементов в автоматических системах
обработки
информации
(СОИ)
при
условиях,
предписанных
стандартом
и
направленных
на
обеспечение
информационной,
электрической
и
конструктивной совместимости указанных элементов.
3

4.

Стандартные интерфейсы
Стандартизация интерфейса полезна и необходима для
обеспечения совместимости оборудования различных
фирм, для облегчения новых разработок оборудования,
требованиям которых удовлетворяет стандартный
интерфейс.
Стандартные интерфейсы предусматривают передачу
информации в виде двоичных кодов.
Единицей информации обычно является байт - 8разрядный двоичный код.
Каждый бит двоичного кода представляется в виде
электрического сигнала (токового или потенциального),
имеющего два уровня: уровень логического нуля и
уровень логической единицы.
4

5.

Стандартные интерфейсы
Передача кодов возможна последовательная и
параллельная. При последовательной передаче код
передается отдельными битами последовательно. Такой
способ экономит линии связи (все биты кода передаются
по
одной
линии)
и
обладает
хорошей
помехозащищенностью.
При параллельной передаче все биты кода передаются
одновременно по параллельным линиям. Скорость
передачи возрастает, но помехозащищенность падает.
Параллельная передача требует большого числа линий
связи (для передачи каждого бита требуется отдельная
линия) и используется при небольших расстояниях между
устройствами.
5

6.

Стандартные интерфейсы
Передача
информации
должна
сопровождаться
передачей управляющих сигналов.
Эти сигналы позволяют определить готовность абонентов
к обмену информацией и обеспечивают синхронизацию
работы абонентов при обмене информацией.
Последовательные интерфейсы обеспечивают побитовую
передачу двоичного кода, обладают повышенной
помехозащищенностью.
Последовательная передача кодов может быть
синхронной или асинхронной и регламентируется
стандартами:
ИРПС
(интерфейс
радиальный
последовательный), стык С2, RS-232, RS-422, RS485 и др.
6

7.

Последовательные интерфейсы
Для
соединения
абонентов
при
применении
последовательного интерфейса может использоваться
токовая петля, передающая импульсы тока (рис. а), или
линия передачи потенциального сигнала, передающая
импульсы напряжения относительно общего провода
(рис. б).
7

8.

Токовая петля (ИРПС)
Токовая петля - способ передачи информации с помощью
изменяемых значений силы электрического тока.
Для задания измеряемых значений тока используется, как
правило, управляемый источник тока.
Передатчик содержит управляемый генератор токовых
посылок j0 в двухпроводной линии, соединяющей
передатчик и приемник.
Приемник
воспринимает
импульсы
тока
через
сопротивление нагрузки RН.
Стандарт ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84) использует
токовую петлю 20 мА для передачи данных.
8

9.

Стандарт RS-232
Передача импульсов напряжения впервые реализована в
стандарте интерфейса RS-232 (Recommended Standard
232).
RS-232 – интерфейс между терминалом данных и
передающим оборудованием линии связи, применяющий
последовательный обмен двоичными данными.
Передатчик информации в этом случае содержит
управляемый генератор напряжения V0.
Импульсы напряжения поступают на вход приемника
(входная ЭДС EL).
Потери напряжения происходят на внутреннем
сопротивлении R0 генератора и на сопротивлении линии
связи RL.
9

10.

Стандарт RS-232
Формат данных при последовательной передаче показан на рисунке
(передаваемый код 10011001).
При отсутствии передачи линия находится в состоянии ожидания и в ней
поддерживается уровень сигнала, соответствующий логической единице.
Передача кода начинается со стартового нулевого бита, после которого
следуют от 5 до 8 бит данных (информационных бит). Биты данных
передаются, начиная с младшего бита. После информационных бит
следуют бит паритета (может отсутствовать) и стоповые единичные биты,
число которых оговаривается в пределах от 1 до 2. После стоповых бит
может начинаться передача следующего кода.
10

11.

Последовательная асинхронная передача
Последовательная асинхронная передача данных должна
быть настроена перед использованием. При настройке
задаются: частота следования бит (скорость передачи в
бод), количество бит данных, наличие или отсутствие бита
четности и количество стоповых бит.
Пример использования стандартных сигналов интерфейса
RS-232 при соединении двух устройств для дуплексной
(двухсторонней) связи показан на рисунке: RD –
принимаемые данные, TD - передаваемые данные,
Ground - нулевая линия (масса).
11

12.

Последовательная асинхронная передача
Стандарт ИРПС предусматривает передачу информации между
двумя абонентами по четырехпроводной дуплексной линии
(обеспечивается двухсторонняя передача информации).
Схема соединения абонентов показана на рисунке, где ПД передаваемые данные, ПРД - принимаемые данные, ГП готовность приемника (необязательная цепь). Знаки «+» и «-»
обозначают направление тока в петле.
12

13.

Последовательная асинхронная передача
При обмене в стандарте ИРПС оба абонента должны
использовать одинаковую скорость передачи бит и
одинаковый формат данных, что обеспечивается программной
или аппаратной настройкой интерфейсных устройств.
Стандарт ИРПС предполагает передачу информации со
скоростью 9600 бит/с (бод при побитной передаче) на
расстояние до 500 м. Логическая единица передается
импульсом тока в 20 или 40 мА (20-миллиамперная токовая
петля и 40-миллиамперная токовая петля).
Стандарт ИРПС вытеснен стандартом RS-232C (отечественный
аналог стандарт стык С2). В настоящее время действует
редакция стандарта, принятая в 1991 г. ассоциациями
электронной и телекоммуникационной промышленности, под
названием EIA/TIA-232-E. Этот стандарт используется для
синхронной и асинхронной передачи данных при
двухточечном или многоточечном соединении периферийных
устройств в дуплексном режиме обмена.
13

14.

Стандарт RS-232
Интерфейс RS-232 обеспечивает соединение двух
устройств, одно из которых называется DTE (Data Terminal
Equipment) - ООД (оконечное оборудование данных),
второе - DCE (Data Communications Equipment) - ОПД
(оборудование передачи данных).
Асинхронная передача данных осуществляется с
установленной скоростью при синхронизации уровнем
сигнала стартового импульса.
14

15.

Основные сигналы интерфейса RS-232C
15

16.

Основные сигналы интерфейса RS-232C
Все цепи интерфейса можно разделить на три группы:
заземление (цепи 101 и 102); данные (цепи 103 и 104);
управление (остальные цепи).
Передача может осуществляться со стандартными
скоростями в пределах от 50 до 19200 бит/с. Уровни
сигналов приняты 12 В.
16

17.

Интерфейсы RS-422 и RS-485
Развитием RS-232C являются стандарты RS-422 и RS-485,
которые обеспечивают большую скорость передачи
данных, большие дальности передачи и большее число
точек подключения.
Многоточечный интерфейс RS-485 широко используется в
ЛВС.
Он поддерживается интеллектуальными устройствами и
элементами управления, а также программируемыми
контроллерами разных производителей в качестве
средства организации связи в распределенных системах
управления.
17

18.

Интерфейс RS-485
RS-485
(EIA485)
регламентирует
электрические
параметры
полудуплексной
многоточечной
дифференциальной линии связи типа
«общая шина».
Стандарт RS-485 оговаривает только
электрические
и
временные
характеристики интерфейса.
Формирование импульсов напряжения
по стандарту иллюстрируется на
рисунке.
Используется однополярный источник
питания +5В, сигналы 0 и 1 формируются
переключением полярности источника
питания на входе линии передачи.
Обеспечивается большая мощность
сигнала передатчика, что позволяет
подключать к одному передатчику RS485 до 32 приёмников и таким образом
вести широковещательную передачу
данных.
18

19.

Интерфейс RS-485
За счет использования симметричных сигналов с
гальванической развязкой по отношению к нулевому
потенциалу питающей сети исключено попадание помехи
по нулевому проводу питания (как в RS-232).
Учитывая
возможность
работы
передатчика
на
низкоомную
нагрузку,
становится
возможным
использовать эффект подавления синфазных помех с
помощью свойств витой пары. Это существенно
увеличивает дальность связи.
Для стандарта RS-485 имеется возможность «горячего»
подключения прибора к линии связи (хотя это и не
оговорено стандартом RS-485). Заметим, что в RS-232
«горячее» подключение прибора обычно приводит к
выходу из строя COM-порта устройства.
19

20.

Интерфейс RS-485
Стандарт стал основой для создания целого семейства
промышленных сетей, широко используемых в
промышленной автоматизации.
Связь организуется между передатчиком и приемником.
Приемники и передатчики могут объединяться в систему
связи, посредством подключения к общему кабелю.
Система связи включает в себя один или более
передатчиков, соединенных симметричным кабелем с
одним или более приемниками, и нагрузочные
резисторы. Скорость передачи может составлять 10
Мбит/с.
20

21.

Параллельные интерфейсы
Интерфейс
ИРПР-М
обеспечивает
радиальное
подключение к ЭВМ устройств с параллельной передачей
информации.
ИРПР-М является аналогом международного стандарта
IEEE 1284 Centronics.
Интерфейс оговаривает передачу параллельных двоичных
кодов (байтов) от источника к приемнику.
Для двухсторонней связи необходимы два набора линий
интерфейса ИРПР-М.
Изначально интерфейс Centronics создавался для вывода
на принтер.
21

22.

Основные сигналы интерфейса ИРПР-М
Centronics
ИРПР-М
Источник
Наименование
D0-D7
Д1-Д8
Данные
STATE
C1-C8
Состояние
SLST
ГП
П
Готовность приемника
STROBE
СТР
И
Строб данных
ACKWLG
ПТВ
П
Подтверждение приема байта
BUSY
ЗАН
П
Приемник занят
INIT
СБР
И
Сброс приемника
SLCTIN
ВЫБОР
И
Выбор приемника
ERROR
ОШ
П
Ошибка
PE
КБМ
П
Конец бумаги
AUTO FD
АПС
И
Автоматический перевод строки
0V
0В
Нуль питания
CG
Э
Экран
+5V
+5В
Питание
22

23.

Основные сигналы интерфейса ИРПР-М
В колонке «Источник» указан источник сигнала: И источник, П - приемник.
Сигналы передаются уровнями ТТЛ. Максимальная длина
кабеля составляет 1,8 м.
В компьютерах и контроллерах данный стандарт
реализуется в виде параллельного порта, к которому
подключаются периферийные устройства или через
которые соединяются два компьютера (контроллера).
23

24.

Основные сигналы интерфейса ИРПР-М
На рисунке показан пример минимальной конфигурации интерфейса для вывода байта
информации от ЭВМ к периферийному устройству (например, к принтеру), а также
временные диаграммы.
В этом случае проверка готовности и состояния периферийного устройства не
производится.
ЭВМ выставляет байт данных на линиях D0-D7 и подтверждает данные стробом STROBE.
Перепад этого сигнала запускает процедуру приема байта приемным устройством.
На прием байта устройство затрачивает время tпр, закончив прием, выдает сигнал ACKWLG.
Получив этот сигнал, ЭВМ может вывести следующий байт или прекратить связь.
24

25.

Использование модемов
При необходимости связи на большие расстояния
используют длинные кабельные линии (например,
телефонные) или радиоканал.
В этом случае передача информации осуществляется
через модем (МОдулятор-ДЕМодулятор), преобразующий
информацию к виду, удобному для передачи на большие
расстояния.
Информация
с
помощью
модема
передается
аналоговыми сигналами, которые могут распространяться
в электрических линиях или в радиоэфире.
25

26.

Использование модемов
Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего
сигнала при передаче данных, то есть изменяет его
характеристики в соответствии с изменениями входного
информационного сигнала, демодулятор осуществляет
обратный процесс при приёме данных из канала связи.
Модем выполняет функцию оконечного оборудования
линии связи.
Само формирование данных для передачи и обработки
принимаемых данных осуществляет так называемое
терминальное оборудование (например, персональный
компьютер).
26

27.

Использование модемов
Канал связи может реализовываться с помощью
телефонных сетей, сетей радиовещания, электрических
сетей или радиоканала. Качество канала связи
определяется ослаблением сигнала в нем, а также
наличием помех и искажений сигнала и существенно
влияет на скорость передачи информации.
При установке связи между двумя компьютерами модемы
должны предоставить друг другу информацию о скорости
связи, корректировке ошибок и сжатии данных. Для этого
и существуют протоколы - стандартизированные
алгоритмы работы модема. Наибольшее распространение
получили
стандартные
протоколы,
утвержденные
Международным союзом электросвязи (ITU): V.21, V.22,
V.32 и др.
27

28.

Локальные вычислительные сети
Вычислительная сеть - взаимосвязанная совокупность
территориально рассредоточенных систем обработки
данных, средств и (или) систем связи и передачи данных,
обеспечивающая пользователям дистанционный доступ к
ее ресурсам и коллективное использование этих ресурсов.
Вычислительная сеть обеспечивает обмен данными
между вычислительными устройствами (компьютеры,
серверы, маршрутизаторы и другое оборудование).
Для передачи информации могут быть использованы
различные виды электрических сигналов, световых
сигналов или электромагнитного излучения.
28

29.

Локальные вычислительные сети
Основные
возможности
вычислительных
сетей
следующие:
• общий доступ к массивам информации;
• совместное использование вычислительных ресурсов;
• возможность передачи данных между компьютерами
без промежуточных носителей информации;
• возможности коммуникации между пользователями ПК,
находящимися в любой точке мира;
• гибкое управление;
• увеличение емкости памяти;
• увеличение доступных вычислительных ресурсов.
29

30.

Локальные вычислительные сети
Локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN - Local Area Network) сеть, имеющая замкнутую инфраструктуру до выхода на
поставщиков услуг.
Это может быть и небольшая офисная сеть и сеть уровня большого
завода.
Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним
разрешён только ограниченному кругу пользователей, для которых
работа в такой сети непосредственно связана с их
профессиональной деятельностью.
Локальная вычислительная сеть объединяет ряд компьютеров и
дает им возможность обмениваться информацией между собой.
Сеть включает сетевое оборудование и программное обеспечение.
Сетевое оборудование — устройства, необходимые для работы
компьютерной сети: сетевой адаптер, маршрутизатор, коммутатор,
концентратор, линии связи и др.
Программное обеспечение управляет работой сети и обеспечивает
любому компьютеру санкционированный доступ к информации и
ресурсам других устройств.
В состав программного обеспечения входят драйверы, протоколы
связи, службы доступа и др.
30

31.

Топология ЛВС
Локальная сеть характеризуется ее топологией.
Под топологией сети понимают схему соединения
компьютеров в сети, причем речь идет не только о
порядке соединения компьютеров, но и о способе
организации потока сообщений в сети.
Каждое активное устройство в сети является ее узлом или
абонентом.
31

32.

Шинная топология ЛВС
Шинная топология использует для передачи информации
единую шину, которая соединяет сетевые интерфейсные
платы (сетевые платы) I компьютеров К между собой.
Обмен информацией возможен между любыми двумя
компьютерами.
Шина реализуется в виде коаксиального кабеля или в
виде витой пары проводов.
32

33.

Топология ЛВС типа «Звезда»
Звездообразная топология предусматривает наличие
концентратора связи H или центральной ЭВМ.
Через
центральный
узел
происходит
передача
информации между компьютерами.
Для выполнения соединений требуется отдельная линия
для каждого компьютера.
Эти две топологии используются в Ethernet.
33

34.

Ethernet
Ethernet - это стандартный способ объединения
нескольких устройств в сеть.
При соединении устройств коаксиальным кабелем
реализуется шинная топология, а при использовании для
соединения витых пар устройства соединяются через
концентратор связи Н (коммутатор) по звездообразной
топологии.
При этом коммутаторы могут соединяться между собой
общей шиной или звездой.
В результате сеть делится на несколько сегментов,
соединенных между собой.
Стандарт Ethernet в настоящее время получил широкое
распространение, и на его основе строятся многие ЛВС.
34

35.

Комбинированная топология Ethernet
35

36.

Кольцевая топология ЛВС
Кольцевая топология также использует единый канал для
передачи данных, но этот канал замкнут в кольцо и
информация в нем передается в заданном направлении.
Каждый узел сети имеет своего предшественника и
последователя.
36

37.

Кольцевая топология ЛВС
Информация передается от узла к узлу. Каждый узел
проверяет, не предназначено ли сообщение ему.
Если нет, то сообщение передается далее, если да, то
сообщение принимается и передается далее, пока не
вернется к источнику информации, который выводит
информацию из сети.
Кольцевая топология применяется в распространенных
сетях Token-Ring.
Достоинством кольцевой топологии является более
строгая организация передачи информации и меньшая
вероятность сбоев в сети.
37

38.

Адресация в ЛВС
Сетевой адрес. Поскольку все абоненты в ЛВС
подключены к общей линии связи одновременно, то
возникает необходимость однозначной идентификации
каждого абонента в сети.
Для идентификации используется сетевой адрес. Сетевой
адрес - идентификатор устройства, работающего в ЛВС.
Большую распространенность получил Internet Protocol
версии 4 (IPv4) с указанием IP-адреса (Internet Protocol
Address) - уникального сетевого адреса абонента.
38

39.

Адресация в ЛВС
В сети Интернет требуется глобальная уникальность
адреса, а в случае локальной сети требуется уникальность
адреса в пределах сети.
В локальных сетях, не имеющих сложной иерархии,
используется порядковая нумерация абонентов и
достаточно сетевого адреса в виде числа (например, сеть
PROFIBUS).
39

40.

Управление обменом информацией в сети
Управление обменом информацией в сети строится на
использовании адресов абонентов.
В случае ЛВС с топологией «шина» все абоненты имеют
равный доступ к сети и реализуется децентрализованный
случайный метод доступа.
При этом решение о возможности начала передачи
данных принимается каждым абонентом самостоятельно
исходя из анализа состояния сети.
В результате возникает конкуренция между абонентами
за захват сети и, следовательно, возможны конфликты
между ними.
При управлении обменом необходимо учитывать
возникновение коллизий (конфликтов) и устранять их.
40

41.

Управление обменом информацией в сети
Используется следующий алгоритм обмена информацией:
1. абонент, желающий передавать информацию, следит за
состоянием сети и, как только она освободится, начинает
передачу;
2. абонент передает данные и одновременно контролирует
состояние сети (контроль несущей и обнаружение
коллизий). Если коллизий не обнаружилось, передача
доводится до конца;
3. если коллизия обнаружена, то абонент усиливает его
(передает еще некоторое время) для гарантии
обнаружения всеми передающими абонентами, а затем
прекращает передачу. Также поступают и другие
передававшие абоненты;
4. после прекращения неудачной попытки абонент
выдерживает случайно выбираемый промежуток времени
tзад, а затем повторяет свою попытку передать, при этом
контролируя коллизии.
41

42.

Управление обменом информацией в сети
Обмен данными в сети с топологией «кольцо» основан на
децентрализованном детерминированном методе доступа. В кольцевой
сети применяется метод доступа «передача маркера». Реализуется
следующий алгоритм обмена информацией:
1. абонент, желающий передать информацию другому абоненту, ждет
свободный маркер, получив который помечает его как занятый
(изменяет соответствующие биты), добавляет к нему свой пакет и
результат отправляет дальше в кольцо;
2. каждый следующий абонент, получивший такой маркер, принимает
его, проверяет, ему ли адресован пакет;
3. если пакет адресован ему, то абонент устанавливает в маркере
специально выделенный бит подтверждения и отправляет
измененный маркер с пакетом дальше, если абонент не является
адресатом, то он просто транслирует пакет следующему абоненту;
4. передававший абонент получает обратно свою посылку, прошедшую
через все кольцо, освобождает маркер (помечает его как свободный)
и снова посылает маркер в сеть. При этом передававший узел знает,
была ли получена его посылка или нет.
Для нормального функционирования данной сети необходимо следить за
тем, чтобы маркер не потерялся, а в случае пропажи маркера необходимо
создать его вновь и запустить в сеть.
42

43.

Управление обменом информацией в сети
Данные в сети передаются пакетами. В зависимости от
типа сети пакеты определяются по-разному, но общими
для всех являются следующие элементы:
• уникальный адрес отправителя;
• уникальный адрес получателя;
• признак, определяющий содержание пакета;
• данные или сообщение;
• контрольная сумма (или CRC) для обнаружения ошибок.
43

44.

Управление обменом информацией в сети
Типичная структура пакета данных представлена на
рисунке.
Начинается пакет со стартовой комбинации битов (или
преамбулы), которая является сигналом для приемника на
прием и обработку пакета.
Это поле может отсутствовать или же сводиться к
единственному стартовому биту.
44

45.

Управление обменом информацией в сети
Служебная информация может указывать на тип пакета,
его номер, размер, формат, маршрут его доставки, на то,
что с ним надо делать приемнику и т.д.
Данные (поле данных) - это та информация, для передачи
которой используется пакет. В отличие от всех остальных
полей пакета, поле данных имеет переменную длину,
которая и определяет полную длину пакета. Существуют
специальные управляющие пакеты, которые не имеют
поля данных.
Пакеты, включающие поле данных, называются
информационными пакетами.
45

46.

Управление обменом информацией в сети
Контрольная сумма пакета - это числовой код,
формируемый передатчиком по определенным правилам
и содержащий в свернутом виде информацию обо всем
пакете.
Приемник,
повторяя
вычисления,
сделанные
передатчиком с принятым пакетом, сравнивает их
результат с контрольной суммой и делает вывод о
правильности или ошибочности передачи пакета.
Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его
повторную передачу.
Обычно используется циклическая контрольная сумма
(CRC).
46

47.

Управление обменом информацией в сети
Стоповая комбинация служит для информирования
принимающего абонента об окончании пакета и
обеспечивает выход аппаратуры приемника из состояния
приема.
Это поле может отсутствовать, если используется
самосинхронизирующийся код, позволяющий определять
момент окончания передачи пакета.
Каждый структурный компонент пакета, за исключением
данных, имеет фиксированную длину в байтах.
Предельная длина пакета строго ограничена.
Выбор длины пакета связан со скоростью передачи
данных в сети, и существует оптимальная длина пакета
для конкретной сети, обеспечивающая максимальное
быстродействие.
47

48.

Информационное
обеспечение
систем управления
к.т.н., доцент ОАР
Суходоев Михаил Сергеевич
Стандартные интерфейсы