c08 - magistrale de date

TAEP, Curs 8, prof. Rodica Stoian IV B, 2015

1

Curs 8. Testarea magistralelor de date

Magistralele de date reprezint o cale de comunicatie folosit n comun de mai multe blocuri functionale ale unui sistem. Ele sunt reprezentate fizic de un set de conductoare. Magistralele sunt utilizate pe scar larg, contribuind decisiv la automatizarea proceselor. Intervalele de indisponibilitate ale magistralelor pot avea un efect negativ considerabil asupra fluxului de producie, genernd pierderi semnificative. Magistralele de date uzuale sunt: RS-232, RS-422, RS-485, CAN, USB, Ethernet, etc.

4.1. Tipuri de magistrale de date

4.1.1. Magistrala RS-232 Standardul RS-232 (Recommended Standard) a fost introdus n 1969 de EIA (Electronics

Industries Association) cu scopul de a permite interconectarea echipamentelor de comunicaii de la diveri productori de pe piaa aflat n plin dezvoltare la acea vreme. Dezvoltat iniial pentru transmisii de date pe linii telefonice ntre un terminal DTE (Data Terminal Equipment) i un modem DCE (Data Communication Equipment), standardul RS-232 devine un protocol uzual pentru calculatoare de tip mainframe, terminale de date, nregistratoare, modem-uri i pe alte tipuri de echipamente, cu mult timp nainte de apariia PC-urilor. Standardul RS-232 mai este denumit i EIA-232 sau TIA-232 (de la Telecommunication Industry Association). Versiunea curent a standardului este EIA/TIA-232-F, "Interface Between Data Terminal Equipment and Data Circuit-Terminating Equipment Employing Serial Binary Data Interchange" i a aprut n 1997.

n momentul de fa, magistrala RS-232 este utilizat pentru transmisia de date ntre dou dispozitive electronice, precum:

calculatoare personale, pentru conectarea echipamentelor periferice; echipamente industriale; echipamente de reea (switch-uri, routere), pentru managementul acestora; instrumente de msur i control (osciloscoape, generatoare de semnal, etc.), pentru

programarea acestora si transmiterea datelor masurate catre un calculator. dispozitive programabile, de exemplu pentru comunicaia dintre microcontroller i un senzor

de temperatur digital sau un afiaj LCD. Standardul RS-232 specific caracteristicile electrice ale semnalelor i semnificaia lor,

dimensiunile fizice i configuraia pinilor conectorilor. Principalele caracteristici sunt: informaia este transmis serial, pe un singur fir, la rate de 2400, 4800, 9600, 19200 baud1; datele sunt reprezentate prin nivele de tensiune fa de o referin comun pentru emitor i

receptor, denumit mas de semnal, GND; la emisie, bitul 0 (Space, High) este reprezentat ca o tensiune pozitiv VH fa de mas (ntre

+5V i +25 V), iar bitul 1 (Mark, Low) este reprezentat ca o tensiune negativ VL fa de mas (ntre -5V i -25V). De exemplu, circuitul MAX232 utilizeaz nivelele de tensiune 12V;

la recepie, circuitele trebuie s fie capabile s decodeze nivelele de tensiune: peste +3V avem bitul 0, iar sub -3V avem bitul 1. Orice nivel de tensiune cuprins ntre +3V i -3V va fi ignorat;

capacitatea parazit maxim a liniei de transmisie trebuie s fie mai mic de 2500 pF. 1 Baud-ul reprezint frecvena unei perioade de bit, fiind echivalent cu numrul de bii pe secund. Pentru o rat de 2400 baud, rata de bit este de 2400 bps, frecvena este de 2400 Hz, iar perioada unui bit este 1/2400 = 416.6 s.


2

Informaiile transmise sunt mprite n cuvinte de date de lungime variabil, ntre 5 i 8 bii. Pentru un transfer optim sunt adugai bii suplimentari pentru sincronizare i pentru verificarea erorilor. Este important ca emitorul i receptorul s utilizeze acelai numr de bii. n caz contrar, cuvntul de date poate fi interpretat greit sau nu este recunoscut deloc.

Un exemplu tipic de transmisiune start-stop este ilustrat n Fig. 1 pentru transmiterea literei Y avnd codul ASCII 0x59, respectiv cuvntul binar 01011001. Semnalul va cuprinde un bit de Start, 8 bii de date scrii n format LSB (cel mai puin semnificativ bit primul) i un bit de Stop. Standardul RS-232 nu impune un format pentru caractere sau o anumit ordine pentru bii.

Fig. 1. Exemplu de semnal electric pentru interfaa RS-232.

Tabelul 1 descrie semnalele magistralei RS-232 i atribuirea pinilor pentru conectorii DB9 i

DB25, vezi Fig. 2. Semnalele sunt denumite din perspectiva unui DTE. Masa de semnal GND este comun pentru toate liniile. Dac ntr-o aplicaie nu sunt necesare toate facilitile oferite de standardul RS-232 se pot utiliza mai puine linii.

Tabelul 1. Descrierea semnalelor magistralei RS-232.

Pini DB9

Pini DB25 Acronim Rol Sens

1 8 DCD - Data Carrier Detect Detecie semnal purttor DCEDTE 2 2 TxD - Transmitted Data Transmisie de date DTEDCE 3 3 RxD - Received Data Recepie de date DCEDTE 4 20 DTR - Data Terminal Ready Terminal pregtit DTEDCE 5 7 GND - Common Ground Mas de semnal - 6 6 DSR - Data Set Ready Modem pregtit DCEDTE 7 4 RTS - Request To Send Cerere de emisie DTEDCE 8 5 CTS - Clear To Send Gata de emisie DCEDTE 9 22 RI - Ring Indicator Indicare apel DCEDTE

Fig. 2. Numerotarea pinilor conectorilor tat DB9 i DB25 pentru interfaa RS-232.

Standardul RS-232 are i o serie de limitri: rata de transfer mai mic de 19200 baud (bii/secund); lungimea cablurilor de date mai mic de 15 m;

Start 1 0 0 1 1 0 1 0 Stop LSB MSB

HV

3

Space

t

LV

-3

Mark

DB9 DB25


3

rata de transfer trebuie s fie fix, astfel c emitorul i receptorul trebuie s fie programai nainte de transmisie s utilizeze aceeai rat;

topologia este punct-la-punct. Nu se pot conecta mai multe dispozitive pe acelai cablu; pentru transmisiuni bidirecionale (duplex), trebuie utilizate dou linii de date (TxD i RxD); sursa de alimentare trebuie s fie simetric, cu +Vcc i -Vcc fa de mas (GND); nu este definit nici o metod de alimentare a dispozitivelor. Echipamentele cu consum mic

de energie (de ex. mouse-ul) se pot alimenta din liniile DTR i RTS; dimensiunea mare a conectorilor DB9 sau DB25; definirea asimetric a conectorilor pentru interfeele DTE i DCE; protocolul de comunicare este asincron, nefiind necesar un semnal de sincronizare/ceas

(CLK), fapt care simplific implementarea. Dar, se poate ntmpla ca receptorul s primeasc informaii la momente nepotrivite, caz n care datele primite sunt pierdute. n acest caz, este nevoie de o nou sincronizare, ceea ce duce la o scdere a ratei de transmisie;

dac dorim s implementm o transmisiune sincron, avem nevoie de o metod de recuperare a frecvenei de ceas sau de un semnal de declanare care s indice nceputul unui cuvnt de date;

un alt dezavantaj este necesitatea de bii suplimentari pentru indicarea nceputului i sfritului pachetului de date.

n zilele noastre, interfaa serial RS-232 asigur viteze mai mari, ntre 115 - 230 kbps i la distane de peste 25 metri. Obinerea acestor performane depinde foarte mult de mediul nconjurtor i de cablurile utilizate pentru transmisie.

4.1.2. Magistrala RS-422 Standardul RS-422, denumit i Interbus S sau EIA-422, a fost conceput s elimine

inconvenientele standardului RS-232, astfel c principala modificare const n codarea diferenial a semnalelor linie. Simbolurile binare nu mai sunt codate printr-o tensiune pozitiv sau negativ fa de mas (GND), ci prin diferena de potenial ntre doi conductori activi, fapt care duce la dublarea numrului de conductori necesari pentru transmisie. De asemenea, cele dou fire active trebuie s fie rsucite (twisted pairs), pentru a asigur o bun rejecie a zgomotelor, fapt care duce la o vitez i distan de transmisie mai mare.

Standardul RS-422 specific urmtoarele caracteristici: cablul de date este format din perechi de fire rsucite, liniile de date fiind Tx+, Tx- pentru

transmisie i Rx+, Rx- pentru recepie; liniile neinversoare Tx+ / Rx+ au n stare de repaus o tensiune V+ pozitiv fa de mas; liniile inversoare Tx- / Rx- au n stare de repaus o tensiune V- negativ fa de mas; bitul 0 (space) este reprezentat ca o tensiune diferenial pozitiv (V- - V+ > 0.2V), iar bitul 1

(mark) ca o tensiune diferenial negativ (V- - V+ < -0.2V); lungimea maxim a cablurilor de 1500 m; viteza maxim de transmisie de 10 Mbps la 12 m sau de 100 kbps la 1200 m; topologie punct-la-punct, multidrop, cu un emitor (driver) i pn la 10 receptoare; Standardul RS-422 specific doar caracteristicile electrice ale semnalelor. Exemplul din Fig. 3

ilustreaz nivelele de tensiune de pe liniile magistralei RS-422 pe durata transmiterii unui octet 0x59 (litera Y) n format LSB (Least Significant Bit first). Dar RS-422 nu precizeaz nici un conector i nici atribuirea pinilor la un anumit conector. Acestea pot varia de la un productor la altul. De exemplu, Sony utilizeaz urmtoarea configuraie a pinilor pentru conectorul DB9: pinul 7: TX+, pinul 2: TX-, pinul 6: GND, pinul 3: RX+, pinul 8: RX-, pinul 4: GND.

Ca o evoluie a standardului RS-422, standardul RS-449 precizeaz n plus caracteristicile funcionale i mecanice pentru interconectarea echipamentelor DTE i DCE care funcioneaz conform cu standardul RS-232 pentru interfaa electric.


4

Fig. 3. Exemplu de forme de und pentru magistrala RS-422.

4.1.3. Magistrala RS-485

Dezavantajul standardului RS-422, care nu permite realizarea unor topologii multi-punct, a fost rezolvat prin introducerea standardului RS-485. Acesta este foarte asemntor cu RS-422, circuitele de interfa ndeplinind n totalitate cerinele standardului RS-422.

Cea mai important deosebire dintre cele dou standarde const n faptul c circuitele interfeei RS-485 admit o stare de nalt impedan a ieirilor, stare n care acestea sunt deconectate virtual de la linia de comunicaie. n consecin, se pot realiza conexiuni mutipunct ntre un emitor i pn la 32 de receptoare conectate la acelai cablu de date, cu condiia ca un singur receptor s fie activ la un moment dat (comunicaia ntre emitor i receptor rmne half-duplex).

Analog standardului RS-422, standardul RS-485 nu precizeaz nici un conector i nici atribuirea pinilor la un anumit conector. Dei multe aplicaii utilizeaz nivelele de semnal specificate de RS-485, viteza, formatul i protocolul transmisiei de date nu este specificat de RS-485.

Ca aplicaii, magistrala RS-485 este utilizat n sistemele de automatizare a cldirilor, sistemele de control a luminilor din slile de spectacole, sistemele de supraveghere video, sistemele de acces, sistemele de alarm, sistemele de comunicaii de date din cabinele avioanelor, calculatoare (interfeele SCSI-2 i SCSI-3 pentru uniti de stocare), etc.

4.1.4. Magistrala CAN

Magistrala CAN (Controller Area Network) a fost dezvoltat iniial de Bosch n 1991 pentru interconectarea modulelor electronice (Electronic Control Unit, ECU) la un autovehicul utiliznd o singur magistral de date, vezi Fig. 4, asigurnd un cost de cablare minim, instalare simplificat, greutate minim, transmisie n timp real, fiabilitate ntr-un mediu cu perturbaii puternice, flexibilitate la modificri i extinderi de noduri. De asemenea, tehnicile obinuite de cablare, punct-la-punct, nu mai pot face fa unui trafic crescut de date ntre un numr mare de noduri, ca n cazul unui autovehicul modern. Ulterior, datorit avantajelor sale, interfaa CAN a fost utilizat i n alte aplicaii.

Fig. 4. Reele de conectare ntre module electronice: a) punct-la-punct, b) cu magistral de date.

ECU ECU

ECU ECU

ECU ECU ECU

ECU ECU

ECU

a) b)

Start 1 0 0 1 1 0 1 0 Stop LSB MSB

V+

t

V-

Tx+

Tx-

Space Mark Space Mark Space Mark Space Mark


5

Caracteristicile generale ale magistralei CAN: rata de transmisie este mai mic de 1 Mbps; pentru minimizarea perturbaiilor firele sunt rsucite i ecranate (Shielded Twisted Pairs,

STP); transmisie diferenial a semnalelor, pe dou linii: CAN-H (High) i CAN-L (Low). ntre

linia CAN-H i mas se msoar tensiunea VH, ntre linia CAN-L i mas se msoar tensiunea VL, iar ntre liniile CAN-H i CAN-L se msoar tensiunea diferenial VH-L;

codare Non Return to Zero (NRZ) a mesajului binar, VH i VL fiind defazate cu 180; n starea dominant (dominant state), ce corespunde bitului de informaie 0, semnalul VH

este pe High, semnalul VL este pe Low, iar semnalul diferenial VH-L este pe High; n starea latent (recessive state), ce corespunde bitului de informaie 1, semnalul VH este pe

Low, semnalul VL este pe High, iar semnalul diferenial VH-L este pe Low.

Fig. 4. Exemplu de forme de und pentru magistrala CAN.

Magistrala CAN poate asigura un transfer digital de date ntre senzori, actuatori i dispozitivele

de comand, toate legate n paralel, pe aceeai pereche de cabluri. Aceasta face posibil prelucrarea informaiilor de la un senzor cu ajutorul mai multor echipamente de comand, cu posibilitatea de control a actuatorilor. Suplimentar fa de reducerea numrului de cabluri, un avantaj special oferit de magistrala CAN este acela c, n cazul defectrii unei componente, sistemul continu s funcioneze, n acest mod fiind redus semnificativ riscul unei defeciuni totale.

Vechile sisteme electrice sunt controlate tot mai frecvent prin intermediul magistralei CAN, ceea ce contribuie la mbuntirea siguranei i a confortului. Un exemplu este funcia coming home: conductorul auto nu trebuie dect s selecteze modul de iluminare dorit, iar sistemul de comand alimenteaz farurile pentru o anumit perioad de timp dup ce motorul a fost oprit, autovehiculul nchis i sistemul de alarm activat.

n funcie de rata de repetare a semnalelor i a volumului de date transmis, sistemele CAN pentru automobile sunt clasificate n trei categorii:

magistrala CAN pentru grupul motopropulsor asigur transmisia semnalelor ntre unitatea de control electronic a motorului (Engine Control Unit, ECU), unitatea de control a cutiei de viteze i unitile ABS i ESP;

Mesaj binar: 1 0 0 1 1 0 1 0

DomHV

RecHV Rec

LV

DomLV

HV , LV

t

DomH LV

H LV

tRecH -LV

HV

LV

Tb


6

magistrala CAN pentru modulul de confort a habitaclului permite controlul sistemului de climatizare, a aerului condiionat, a geamurilor electrice, etc.;

magistrala CAN pentru sistemul multimedia asigur transmisia semnalului de la senzorul de vitez ctre sistemul audio, pentru adaptarea volumului n funcie de viteza de deplasare.

4.1.5. Magistrala USB Magistrala USB (Universal Serial Bus) a nlocuit magistralele RS-232, RS-422, RS-485 i

paralel n majoritatea aplicaiilor, devenind acum cea mai folosit interfa pentru conectarea la calculator att a echipamentelor periferice (imprimant, mouse, scaner, tastatur, uniti de stocare, etc.) ct i a telefoanelor mobile, echipamentelor industriale i a echipamentelor de msur i control.

Caracteristicile principale ale magistralei USB sunt: transmisie serial, sincron, utiliznd o pereche de fire rsucite; semnalele sunt codate diferenial (D+, D-) pentru a reduce zgomotele i interferenele; vitez mare de transmisie, n funcie de versiunea standardului, vezi Tabelul 2; conectori cu un numr redus de pini: 4 pini pentru USB 1.x/2.0 i 10 pini pentru USB 3.0; conectarea dispozitivelor se realizeaz fr oprirea acestora (PlugnPlay); conectarea pn la 127 de dispozitive la un calculator gazd; lungimea cablurilor de transmisie este limitat la 5 m, acest lucru favoriznd utilizarea

magistralei RS-232 pentru distane mai mari; utilizarea unui protocol pentru transferul datelor ntre dispozitive, fapt care l face s fie mai

complex fa de RS-232; existena liniei de alimentare permite alimentarea dispozitivelor direct prin USB. Interfaa USB a unitii gazd conine cte un rezistor pull-down de 15 k pe fiecare linie de

date. Cnd nu este conectat nici un dispozitiv, liniile de date sunt n starea Low sau Single-Ended zero (SE0), fapt care indic o conexiune resetat sau deconectat. Cnd se conecteaz un dispozitiv, acesta conine un rezistor pull-up de 1.5 k, care va duce n starea High una din cele dou linii de date, magistrala fiind ntr-o stare de repaus denumit J. Starea n care liniile au polariti opuse strii J este definit ca starea K. Magistrala este resetat dac este adus n starea SE0 pentru o durat ntre 10 i 20 ms.

Datele se transmit de fapt prin comutarea liniilor de date ntre strile J i K. Utiliznd codarea NRZI (Non-Return-to-Zero Inverted), bitul 0 este transmis printr-o tranziie din starea anterioar J n starea curent K sau invers, iar bitul 1 este transmis prin pstrarea strii anterioare. Pentru a ne asigura c avem un numr minim de tranziii n fluxul de date, se utilizeaz tehnica bit stuffing, prin care se introduce un bit 0 suplimentar dup apariia a ase bii de 1 consecutivi. Astfel, recepia a apte bii de 1 va reprezenta o eroare.

Tabelul 2. Caracteristicile principale ale magistralei USB, versiunile 1.x, 2.0 i 3.0.

USB 1.0 Low Speed

USB 1.1 Full Speed

USB 2.0 High Speed

USB 3.0 Super Speed

An apariie 1996 1998 2001 2008 Vitez maxim 1.5 Mbps 12 Mbps 480 Mbps 5 Gbps Mod transmisie half-duplex full-duplex Lungime maxim 3 m 5 m 5 m 3 m Tensiunea VL 0.0 0.3 V -10 10 mV < 0.1 V Tensiunea VH 2.8 3.6 V 360 440 mV 1 V Linie terminat NU DA: 45 fa de mas,

90 diferenial DA: 90 diferenial


7

Pentru USB 1.x, tipul liniei de date indic rata de transmisie a dispozitivului: dac linia D+ este adus n starea High atunci dispozitivul suport 12 Mbps, iar pentru D- avem 1.5 Mbps.

Protocolul transferului de date specific urmtoarele tipuri de pachete: pachete de semnalizare (tokens): orice transfer ncepe prin trimiterea de ctre unitatea gazd

a unui pachet de semnalizare, care are ase cmpuri: sincronizare (SYNC) - 8 bii, identificator de pachet (PID) 8 bii, adres (ADR) 7 bii, nod terminal (NODE) 4 bii, verificare paritate (CRC) 5 bii, sfrit de pachet (EOP);

pachete de date: acestea conin informaiile propriu-zise n cmpul de date (DATA) de lungime variabil, ntre 0 i 1023 de octei. Cmpul CRC conine 16 bii;

pachete de dialog (handshake): acestea sunt folosite pentru a indica starea unui transfer de date, recepia cu succes a datelor, acceptarea/respingerea unei comenzi sau o stare de ntrerupere.

Transferul de date poate fi descris simplificat astfel: unitatea gazd trimite un pachet de

semnalizare ctre dispozitiv indicndu-i adresa i tipul transferului (de la dispozitiv la gazd), apoi dispozitivul rspunde cu pachetul de date, iar n final gazda confirm primirea cu un pachet handshake.

Un exemplu de forme de und pentru un pachet de dialog este ilustrat n Fig. 5. Deoarece n starea de repaus D+ este High i D- este Low, dispozitivul este USB 1.1.

Fig. 5. Exemplu de forme de und pentru magistrala USB.

Cmpul SYNC este utilizat pentru sincronizarea ceasurilor unitii gazd i dispozitivului. Dup

starea iniial J, magistrala trece prin strile KJKJKJKK ce corespund secvenei binare 00000001. Ultimul bit marcheaz sfritul secvenei de sincronizare. Pentru USB2.0 cmpul SYNC are 32 de bii.

Cmpul PID conine de fapt un identificator de pachet pe 4 bii, urmat de complementul su, fapt care asigur i o detectare a erorilor. Deoarece n cmpul PID avem primii 4 bii 1010 = NAK

SYNC 8 bii

PID 8 bii

ADR 7 bii

NODE 4 bii

CRC 5 bii

EOP

SYNC 8 bii

PID 8 bii

DATA 0 -1023 octei

CRC 16 bii

EOP

Stare J K J K J K J K K J J K K K J J K 0 0 J Decodare NRZI 0 1 0 1 1 0 1 0 Format pachet SYNC PID EOP

D+

tD-

VH

VL

SYNC 8 bii

PID 8 bii

EOP


8

scrii n format LSB (Least Semnificative Bit first), pachetul reprezint un Negative Acknowledgment (NAK) pentru cazul cnd nu mai sunt date de citit.

Cmpul EOP este reprezentat de aducerea n starea SE0 a liniilor de date pe durata a doi bii, urmat de starea J pe durata unui bit. Dup aceasta, magistrala va rmne n starea de repaus J.

n Tabelul 3 sunt ilustrai conectorii pentru magistrala USB, precum i semnificaia pinilor.

Tabelul 3. Descrierea semnalelor interfeelor USB 1.x, 2.0 i 3.0.

USB 1.x / 2.0 USB 3.0

Con

ecto

r

Micro-B

Pini Acronim Descriere Acronim Descriere Acronim Descriere 1 Vcc alimentare +5V Vcc alimentare +5V Vcc alimentare +5V 2 D- semnal date - D- semnal date - D- USB2.0 semnal date - 3 D+ semnal date + D+ semnal date + D+ USB2.0 semnal date +4 GND mas semnal ID tip dispozitiv GND mas semnal 5 - - GND mas semnal SSTx USB3.0 transmisie - 6 - - - - SSTx+ USB3.0 transmisie + 7 - - - - GND mas 8 - - - - SSRx USB3.0 recepie - 9 - - - - SSRx+ USB3.0 recepie + 10 - - - - DPWR n cazul conectorilor Mini-A/B, Micro-A/B, pinul ID permite detectarea tipului de echipament:

pentru unitatea gazd pinul este conectat la mas, iar pentru un dispozitiv pinul este neconectat. Interfaa USB 3.0 este compatibil cu versiunile anterioare 1.x / 2.0, dar prevede utilizarea a

dou perechi suplimentare de fire torsadate (SSTx+, SSTx, SSRx+, SSRx) pentru a asigura o comunicaie full-duplex, fapt care o face s fie similar cu interfeele Serial ATA sau PCI Express.

4.1.6. Magistrala Ethernet Pe interfaa Ethernet, fiecare calculator transmite date serial pe o pereche de fire torsadate Tx-,

Tx+ i recepioneaz date pe o alt pereche de fire torsadate Rx-, Rx+. Semnalele electrice ntre cele dou linii Tx+/Rx+ i Tx-/Rx- sunt codate Manchester utiliznd regula:

bitul 0 se codific cu un front descresctor; bitul 1 se codific cu un front cresctor. Astfel, n medie, 8 bii sunt reprezentai cu 12 tranziii (0.66 bii/tranziie). Dac apare un ir

constant de 0-uri sau numai de 1-uri semnalul electric are variaii.

Fig. 6. Exemplu de form de und pentru magistrala Ethernet.

0 1 1 0 0 0 1 1 VH

VL


9

4.2. Condiii care pot afecta transmisia de date Un semnal digital poate fi afectat de perturbaii pe durata propagrii lui de la emitor la

receptor. Pe traseele alturate de pe cablajele imprimate, pe pinii alturai ai unui circuit integrat, pe conectori i pe cabluri pot apare interferene sau perturbaii care vor degrada semnalul transmis, att n amplitudine ct i n timp.

Reelele de transmisiuni de date din mediul industrial funcioneaz n condiii foarte diferite fa de reele de comunicatii existente n cldirile de birouri sau n locuine. n mediul industrial, influenele externe sunt mult mai puternice i pot produce chiar defeciuni dispozitivelor electronice sensibile, cum ar fi controllerele programabile (PLC), controllerele de reea i alte instrumente de sprijin pentru controlul proceselor industriale.

Aceste influene industriale externe se mpart n dou categorii: condiii de mediu distrugtor, care includ: vibraii mecanice, schimbri extreme de

temperatur, niveluri ridicate de umiditate i calitatea necorespunztoare a aerului cauzat de substane chimice, praf i ali ageni. Aceste condiii pot crea contacte slabe sau intermitente, coroziunea conductorilor i a cutiilor de racord i/sau modificri ale impedanei conductorilor care compun sistemul.

perturbaii electrice, care provin dintr-o varietate de surse. ntreruptoarele pornesc i opresc circuitele de energie ridicat, genernd ocuri electrice. Benzile transportoare i acionrile mecanice pot produce descarcri electrostatice n sistemele electronice. Modificrile de sarcin pe circuitele derivate creeaz fluctuaii ale tensiunii de alimentare.

Perturbaii temporare sau permanente, de ordinul milivolilor, pot afecta n mod negativ semnalele electrice, ducnd la transmisiuni de date eronate ntre componentele sistemelor de producie. Prin urmare, este logic evitarea eventualelor probleme de comunicaii i identificarea problemelor existente prin monitorizarea periodic a magistralelor de comunicaii digitale din sistemele industriale.

4.3. Testarea magistralelor de date

n procesul de depanare a echipamentelor industriale care utilizeaz magistrale de date, examinarea atent a semnalelor la nivel fizic poate fi foarte important n identificarea problemelor aprute, deoarece parametrii electrici ai semnalelor de date pot fi influenai de zgomote i perturbaii. Monitorizarea strii nivelului fizic al magistralei de date n timpul utilizrii echipamentelor poate evita opriri costisitoare ale procesului de producie i poate fi fcut ca parte din programul de mentenan predictiv.

Testarea magistralelor de date ncepe de la testarea nivelului fizic al acestora: cablurile i semnalele transmise. Pentru verificarea integritii fizice a magistralelor de date trebuie msurai urmtorii parametri ai semnalelor electrice de pe liniile de date:

nivelele maxime (High) i minime (Low) de tensiune; durata unui bit; timpul de cretere; timpul de descretere; distorsiunile de supracretere; jitter-ul, care rezult din variaia timpilor de cretere, descretere i a duratei unui bit. Valorile msurate pentru aceti parametri vor fi comparate cu valorile uzuale impuse de fiecare

standard, vezi Tabelul 2. Dac valorile msurate se ncadreaz n limitele impuse de standard, atunci se poate afirma c,

din punct de vedere al nivelului fizic, magistrala de date funcioneaz corespunztor.


10

Tabelul 2. Valorile parametrilor specificai de standardele RS-232/422/485, CAN, Ethernet 10Mbps, USB 1.0.

Parametrii msurai RS-232 RS-422 RS-485 CAN Ethernet, 10 Mbps USB 1.0

Tensiunea VH, [V] 3 15 1.5 5 0.2 6 - 0.7 1.4 2.8 3.6Tensiunea VL, [V] -15 -3 -5 -1.5 -6 -0.2 - -1.4 -0.7 0.0 0.3Tensiunea RecHV , [V] - - - 2 3 - - Tensiunea DomHV , [V] - - - 2.75 4.5 - - Tensiunea RecLV , [V] - - - 2 3 - - Tensiunea DomLV , [V] - - - 1.5 2.25 - - Timp cretere, Trise, [%] < 15.63 < 30 < 30 < 15.63 20 Timp descretere, Tfall, [%] < 15.63 < 30 < 30 < 15.63 20 Distorsiuni supracretere, [%] - < 10 < 10 - < 10 Jitter, [%] < 5 < 5 < 5 - < 2

4.3.1. Metode de testare a magistralelor de date

Testarea nivelului fizic al magistralelor de date se poate face prin: metoda clasic (manual), n care msurarea parametrilor semnalelor se face manual cu

ajutorul unui osciloscop clasic, analog sau digital. Semnalul de pe linia de date se vizualizeaz pe ecranul osciloscopului i se efectueaz urmtoarele teste:

o msurarea nivelelor de tensiune; o msurarea duratei de bit; o msurarea timpului de cretere / descretere; o msurarea distorsiunilor de supracretere;

metoda automat, n care se utilizeaz un osciloscop cu funcie special de testare a magistralelor de date.

De exemplu, osciloscopul industrial Fluke 125 permite testarea automat a funcionrii diverselor tipuri de magistralele industriale, vezi Fig. 7: AS-i (standard EN-50295), CAN (standard ISO-11898), InterBus-S (standard EIA-485), MODbus (standard EIA-232, EIA-485), FieldBus (standard H1, H2), ProfiBus (standard DP-EIA-485, PA-61158 type 1), Ethernet (standard 10Base2, 10BaseT), RS-232 (standard EIA-232), RS-485 (standard EIA-485), precum i alte standarde definite de utilizator.

Din meniul osciloscopului se alege mai nti opiunea BusHealth, iar apoi se alege tipul de magistral de date.

Fig. 7. Alegerea opiunii de testare a magistralelor de date i apoi a tipului de magistral.

Dup ce se recepioneaz date, indicatoarele de activitate sunt aprinse i se msoar

parametrii semnalelor electrice, vezi Fig. 8. Acetia sunt apoi comparai cu valorile limit specificate de standardul pentru fiecare magistral, iar fiecare parametru este marcat cu un indicator de tip bun sau ru.


11

Un astfel de osciloscop nu este un analizor de protocol, astfel c nu se fac analize i decodri de date, ci doar se msoar semnalele electrice. Testele sunt realizate la nivel fizic (hardware) pentru a se verifica dac magistrala funcioneaz conform specificaiilor.

n practic, metoda automat de testare este mult mai eficient dect metoda manual deoarece se efectueaz mult mai rapid: osciloscopul nregistreaz semnalul i msoar parametrii acestuia n cteva secunde.

metoda grafic, n care se vizualizeaz i se interpreteaz diagrama ochi pe baza msurtorilor efectuate cu un osciloscop clasic. Pentru a vizualiza diagrama ochi cu un osciloscop clasic se activeaz din meniul Display opiunea Persist.

O diagram ochi ideal se obine din toate secvenele posibile de bii 0 i 1, n Fig. 9, aceasta obinndu-se din suprapunerea semnalelor asociate secvenelor 011, 001, 100 i 110.

Fig. 9. Formarea diagramei ochi.

n Fig. 10 este ilustrat diagrama ochi pentu o magistral RS-232 fr / cu perturbaii

(stnga / dreapta). Perturbaiile prezente sunt caracterizate prin variaia momentelor de timp (jitter) la care apar tranziiile din VH n VL i din VL n VH.

Fig. 10. Diagrama ochi pentru o magistral RS-232 fr erori i cu erori (jitter semnificativ).

VH

VL

0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0

VL

VH

Fig. 8. Testarea automat a unei magistrale de date.

c08 - magistrale de date

Documents