Цифровые коммуникации в управлении процессами (стр. 3 )

Приемник оптической системы связи представляет собой фотодиод или фото­транзистор, преобразующий световые импульсы в электрические сигналы. Если не- обходимо обеспечить высокую чувствительность, используются лавинные фотодио­ды (photoavalanche diode}.

Для практического применения были установлены три рабочих диапазона опто­волоконной связи при длине волны 850-900, 1300 и 1550 нм исходя из сочетания нескольких физических факторов, связанных с распространением света и конструк­цией оптоэлектронных устройств. Длина волны 1300 нм оптимальна с точки зрения минимизации спектральной дисперсии, а при длине волны 1550 нм минимальны оп­тические потери.

Баланс мощности оптоволоконной системы связи можно определить, рассматри­вая каскад из генератора, оптической линии и приемника. Полное затухание в линии определяется произведением ее длины на коэффициент затухания. Дополнительно необходимо учесть спектральную дисперсию, которая особенно важна для длинных линий. К затуханию линии добавляется примерно по 1 дБ на каждую точку сварки или соединения. Необходимо предусмотреть также будущие ремонтные работы и еще добавить 3 дБ в качестве запаса прочности. Датчик приемника должен иметь чувствительность, по крайней мере равную мощности передатчика минус полное за­тухание в линии.

Пример 9.5

Баланс мощности оптоволоконной системы связи

Оптическая линия должна иметь длину 50 км. В качестве среды передачи выбрано многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломле­ния и затуханием 0.8 дБ/км при длине волны 1300 нм. Полное затухание на всей длине равно 40 дБ. К этому следует добавить 3 дБ на возможные в будущем ре­монты и соединения и еще 3 дБ в качестве запаса прочности. Таким образом, полное затухание линии составляет -46 дБ. Для достижения большей полосы пропускания в качестве передатчика выбран лазерный диод, работающий при длине волны 1300 нм; его оптическая мощность -4 дБм (т. е. мВт, отнесенные к децибелам). Чувствительность приемника должна быть по меньшей мере -50 дБм (сумма -4 дБм и -46 дБ). В качестве приемника можно использовать GaAs фотодиод с порогом чувствительности -52 дБм. Соотношение полоса про­пускания-длин а показывает, что можно обеспечить ширину полосы до 10 МГц. Запас в 2 дБ означает, что если бы линия была хотя бы на 2.5 км длиннее, при­шлось бы использовать другие элементы, чтобы соблюсти баланс мощности. В действительности, при расстояниях более 40 км используется одномодовое волокно со скачком показателя преломления.

Оптическая передача имеет целый ряд преимуществ перед электрической по ви­той паре или коаксиальному кабелю. Основные достоинства и недостатки этого спо­соба передачи перечислены ниже.

Достоинства оптической передачи.

• Оптическая передача имеет очень большую пропускную способность, она легко может обеспечить скорость передачи данных более 100 Мбит/с.

• Оптическая передача не зависит от магнитных или электрических помех и обеспе­чивает полную изоляцию; это свойство полезно в промышленных условиях, на - пример вблизи электродвигателей или частотных преобразователей, а также в по­жароопасной среде (вблизи горючих жидкостей и газов).

• Оптические волокна имеют меньшее затухание сигнала на единицу длины, чем элек­трические провода — при передаче на большие расстояния оптические повторители устанавливают в нескольких десятках километров друг от друга, а усилители для обычного электрического кабеля должны размещаться через каждые 5-10 км.

• Благодаря своему небольшому размеру оптическое волокно очень легкое — один километр оптического волокна без внешней защитной оболочки весит 50 г, витой пары — 10 кг и коаксиального кабеля — 200 кг.

Недостатки оптической передачи.

• Работа по соединению (сварке) нескольких волокон трудоемка и может выполняться только обученным персоналом с помощью специального оборудования, а поврежден­ный электрический кабель может быстро исправить даже неспециалист. Каждое со­единение и сварка оптических волокон обычно добавляют около 1 дБ затухания.

• Оптические линии поддерживают только соединения точка-точка — реализовать конфигурации, в которых один оптический передатчик работает с несколькими приемниками параллельно, очень трудно.

Таким образом, оптические линии связи эффективны при передаче больших объемов данных на значительные (более 1 км) расстояния. В промышленных усло­виях основное преимущество оптической передачи сигналов — не большая пропуск­ная способность, а помехоустойчивость. Многомодовые волокна со скачком показа­теля преломления применяются в локальных вычислительных сетях в качестве основной магистрали (backbone) благодаря своей высокой пропускной способности.

9.3.9. Радиопередача данных

Еще одним физическим носителем для передачи данных являются радиоволны. Пере­дача данных с помощью радиоаппаратуры является реальной альтернативой в тех случа­ях, когда нельзя установить проводное соединение, например, при связи с подвижными объектами или в случае, когда такое соединение оказывается слишком дорогим. Приме­ром могут служить линии электропередачи или трубопроводы, где необходимо наблю­дать за оборудованием, удаленным на десятки и сотни километров. Если трубопровод или линия электропередачи проходит по малонаселенному району, где нет инфраструктуры связи, сбор и передача данных по радио может оказаться лучшим решением.

Основной вопрос при организации радиопередачи данных: использовать одну или несколько фиксированных радиочастот (для этого чаще всего надо получить ли­цензию соответствующего государственного органа) или воспользоваться услугами специализированной компании.

В первом случае передатчик и приемник работают на одной частоте, обычно в диа­пазонах очень высоких (30-300 МГц) и сверхвысоких (300 МГц - 3 ГГц) частот. С точ­ки зрения процесса передачи данных передатчик и приемник представляют собой пользовательский интерфейс в форме стандартного коммуникационного порта. Ско­рость передачи данных зависит от полосы пропускания, которую можно обеспечить на используемой радиочастоте. Если доступна только одна частота, для двухсторонней связи необходимо использовать полудуплексный режим; для полного дуплексного ре - жима требуются две частоты (раздел 9.4.2). В развитых и густонаселенных странах ра­диодиапазоны заполнены и добиться выделения двух частот сложно.

Некоторые компании, обеспечивающие мобильную телефонную связь, предостав­ляют услуги по передаче данных. Обычно в этом случае передача данных осуществля­ется цифровыми пакетами и координируется с остальной нагрузкой сети. Обмен дан­ными управляется центральной ЭВМ, связанной с главной антенной, поэтому несколько пользователей могут совместно использовать ресурсы системы в режиме множественного доступа с разделением времени (раздел 9.4.2). И в этом случае пользо­вательский интерфейс представляет собой стандартный коммуникационный порт.

В отличие от выделенных частот цифровая пакетная радиосвязь наиболее выгод­на в городских населенных районах, поскольку в них подобные услуги обычно предо­ставляются различными операторами по конкурирующим ценам. Цифровая пакет­ная радиосвязь представляет собой разумное решение для сбора данных в сетях энергоснабжения (электрических и газовых) при отсутствии доступных каналов или для связи между подвижными объектами в зоне действия системы.

9.4. Коммуникационные протоколы

9.4.1. Протоколы канального уровня

Создание работоспособного физического тракта передачи - это первый шаг в пост­роении надежной коммуникационной системы. Второй шаг - гарантировать доставку данных без искажений. Помимо этого при подключении более чем одного передатчика к одному и тому же физическому тракту должен быть упорядочен их доступ к общему каналу. Все эти задачи рассматриваются на канальном уровне модели БОС.

Физический уровень не обеспечивает защиту данных от помех и восстановление поврежденных данных. Контроль правильности полученных данных осуществляет­ся на уровнях выше физического и, в первую очередь, на канальном. Для этого при­меняются специальные протоколы и дополнительная информация в пакетах данных. Существует несколько канальных протоколов, основанных на общих принципах В этом разделе подробно рассмотрен протокол HDLC (High-levelData Link Control -высокоуровневое управление каналом передачи данных), поскольку он утвержден стандартом ISO и представляет собой основу для других протоколов, используемых в промышленных приложениях.

Из-за того что полоса пропускания конечна, каналы связи следует рассматривать как ограниченный ресурс, который должен использоваться максимально эффектив­но. Ьсли в некоторый момент времени доступ к каналу требуется сразу нескольким устройствам, то возникает задача арбитража, как и при доступе к системной (общей) шине или к ресурсам ЦП. Во всех случаях применяются похожие принципы.

Канальный уровень обычно делится на два подуровня: MAC (Media Access Control -Управление доступом к среде) и LLC (Logical Link Control - управление логическим зве­ном данных). Подуровень MAC отвечает за организацию доступа нескольких передат­чиков к одному физическому тракту передачи. Подуровень LLC обеспечивает установку и поддержку соединения для передачи кадров данных от одного устройства к другому протоколы подуровня MAC определяются типом применяемого интерфейсного обору­дования для доступа к среде передачи. В разделе 9.5 эти протоколы рассматривают при­менительно к локальным вычислительным сетям (ЛВС).

9.4.2. Виртуальные каналы и мультиплексирование

Наиболее простым способом разделения физического канала между несколькими ус­тройствами является мультиплексирование (рис. 9.11). Мультиплексирование прозрач­но для устройств, которые ничего не знают о деталях работы канала. Каждое устройство "видит" виртуальный канал — часть ресурса исходного физического канала.

Рис. 9.11. Принцип мультиплексирования

Мультиплексирование осуществляется разделением ресурсов канала во времени или по частоте. При временном мультиплексировании (Time Division Multiplexing — TDM) каждое устройство имеет доступ к каналу только в закрепленные за ним вре­менные интервалы — слоты (рис. 9.12, а). При частотном мультиплексировании (Frequency Division Multiplexing — FDM ) полоса пропускания канала делится на диа­пазоны частот, каждый из которых закрепляется за одним виртуальным каналом (рис. 9.12, 6). При FDM осуществляется модуляция несущей частоты, которая нахо­дится в середине выделенного диапазона. TDM и FDM взаимодополняют друг дру­га — при использовании ТОМ доступна вся ширина канала, но только некоторое вре­мя, а при FDM устройству постоянно доступна часть полной полосы пропускания.

Рис. 9.12. Разделение физического канала, а — временное мультиплексирование; б — частотное мультиплексирование

Оба типа мультиплексирования эквивалентны в практическом смысле, так как они требуют обработки данных на обоих концах канала. Однако ТОМ имеет два пре­имущества перед FDM. Во-первых, вся обработка производится на цифровом уров­не, т. е. нет необходимости в установке и обслуживании высокочастотного оборудо­вания для модуляции и демодуляции сигналов несущей частоты. Во-вторых, ТОМ допускает управление распределением временных слотов между отдельными уст­ройствами — если устройство не передает данные, его свободные слоты можно пере­дать другому устройству.

Если все или часть устройств нуждаются в доступе к каналу достаточно случай­ным образом, то физический канал может обслужить больше устройств, чем число поддерживаемых им виртуальных каналов. Эта технология называется статистичес­ким мультиплексированием (statistical TDM) и используется, например, в оконеч­ных концентраторах — канал делится только между теми устройствами, которые нуждаются в нем в данный момент. С другой стороны, если число устройств, нужда­ющихся в канале в некоторый момент времени, превышает пропускную способность, часть из них должна ждать доступа к каналу.

Если передача данных по каналу осуществляется всегда в одном направлении, ре­жим передачи называется симплексным (simplex). Однако во многих случаях устрой­ства на концах канала должны осуществлять и прием, и передачу — поэтому требует­ся мультиплексирование. Если в каждый момент времени каналом пользуется только одно устройство, передача называется полудуплексной (half-duplex). Этот режим эквивалентен ТОМ, при этом устройства должны обмениваться управляю­щей информацией для того, чтобы согласовать момент начала передачи. При полном дуплексном (fullduplex) режиме передача происходит одновременно в обоих направ­лениях. Режим полной дуплексной передачи осуществляется с помощью FDM, при котором каждая сторона имеет свой выделенный частотный диапазон для передачи сообщений.

9.4.3. Обнаружение и исправление ошибок

Физический уровень, выполняющий основную работу по передаче данных между узлами, не дает гарантий, что данные будут доставлены в исходном виде. Шум в ли­нии может частично исказить сообщение. Для обеспечения защиты данных необхо­димо использовать некоторую стратегию коррекции ошибок. Эта процедура требует активного участия и передатчика, и приемника.

Для выявления ошибок при передаче данных были разработаны методы контро­ля. Основной подход — добавить к исходному сообщению дополнительную инфор­мацию, позволяющую приемнику установить наличие ошибок при передаче.

Для цифровых данных ошибки имеют скорее групповой характер, чем затрагивают отдельные биты. Иными словами, более вероятно, что неправильное значение будут иметь несколько последовательных бит, чем только один случайно расположенный бит. Это определяется тем, что источники внешнего шума — скачки и выбросы напря­жения и аналогичные возмущения — генерируют импульсы длительностью в несколь­ко миллисекунд. При скоростях передачи данных порядка нескольких Кбит/с возму­щение, длящееся несколько миллисекунд, может нарушить несколько десятков бит. Информация, добавляемая к сообщению для контроля ошибок передачи, состоит из одного или нескольких байт, вычисленных из содержимого исходного сообщения по определенному алгоритму, и называется контрольной суммой или контролем с ис­пользованием циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Check — CRC) или контрольной последовательностью кадра (Frame Check Sequence — FCS). Название CRC происходит от того, что вычисление можно выполнить с помощью операции ре­гистрового сдвига над битами входного блока данных. Самый распространенный способ определения контрольной суммы — разбить подлежащие передаче данные на блоки известной длины (от нескольких байт до нескольких тысяч байт). Далее содер­жимое каждого блока, рассматриваемое как двоичное число, делится на двоичное число длиной один или два байта. Контрольной суммой является остаток от деления или его двоичное дополнение длиной до нескольких десятков бит. Двоичное число, используемое при делении, называется порождающим многочленом и обычно запи­сывается в виде

хn + хn+1 + ... + х2 +х+ 1s

Полиномиальная форма представляет собой не уравнение, а просто способ запи­си. Порождающий многочлен на один бит длиннее результирующей контрольной суммы, и он начинается и заканчивается единицей. В нем указываются только степе­ни, отличные от нуля (степень полинома дает длину контрольной суммы в битах). Например, стандартный порождающий многочлен для CRC в соответствии с реко­мендацией МККТТ V.41 имеет вид

x16+ x12 + x5 +1

что соответствует двоичной последовательности .

Приемник заново вычисляет контрольную сумму каждого из принятых блоков данных с помощью того же алгоритма. Если обе контрольные суммы совпадают, блок данных принимается, в противном случае приемник считает, что есть ошибки, и мо­жет, например, запросить повторную передачу блока.

Когда контрольная сумма добавляется к исходным данным, результирующая би­товая последовательность передаваемого блока данных становится кратна порожда­ющему многочлену. Если данные не повреждены, то операция деления на порожда­ющий многочлен должна дать в остатке ноль. Другой результат указывает на по­вреждение данных блока и необходимость его повторной передачи.

Эффективность контрольной суммы для определения ошибок уменьшается, если блоки данных имеют большую длину. При этом возможно выявление всех групп ошибочных бит длиной меньше, чем контрольная сумма, и более 99 % ошибок с боль­шей длиной.

Стратегия коррекции ошибок должна предусматривать добавление к исходному сообщению и совместную с ним передачу достаточного количества информации, что­бы приемник мог восстановить поврежденное сообщение на основе принятых дан­ных. Приемник использует всю принятую информацию для восстановления исход­ных данных. Необходимые избыточные данные заметно увеличивают длину исходного сообщения, обычно на 10-20 %, так что, как правило, более экономично использовать простую схему обнаружения ошибок и запрашивать повторную пере­дачу поврежденных блоков данных. Процедуры коррекции ошибок имеют особое значение, если связь осуществляется только в одном направлении (например, теле­метрические данные с космического объекта) или если полная дуплексная связь с повторной передачей блоков данных невозможна.

9.4.4.  Протоколы передачи символов

9.4.5. 

Протоколы передачи символов представляют собой широко используемый ме­тод асинхронной последовательной передачи байт. Каждому байту предшествует стартовый бит для синхронизации приемника в начале передачи. Байт заканчива­ется битом четности и заключительным импульсом — стоповыми битами — длиной 1, 1.5 или 2 бита (рис. 9.13). Часто применяется обратное кодирование, означаю­щее, что свободная линия поддерживается под высоким потенциалом. Из-за стар­тового и стоповых битов асинхронная передача также называется старт-стопной. Посимвольную передачу просто реализовать благодаря существованию специаль­ной микросхемы — универсального асинхронного приемо-передатчика (Universal Asynchronous Receiver Transmitter — UART), поэтому она широко применяется во многих устройствах и стала разновидностью неофициального промышленного стандарта.

Рис. 9.13. Асинхронная передача символа: а — отсутствие передачи; 6 — стартовый бит; в — бит четности (в данном случае — 0, т. е. контроль на четность и общее число единиц — четное); г — стоповый бит

Бит четности (parity bit) используется в качестве простого метода выявления ошибок. При контроле на четность контрольный бит (бит четности) устанавливается таким образом, чтобы его сумма с исходным байтом была четной, а при контроле на нечетность — нечетной. На приемном конце проверяется выполнение соответствую­щего условия. При отсутствии контроля состояние этого бита не рассматривается. Если обнаружена ошибка четности, приемник сообщает об этом верхним уровням, которые решают, запросить ли повторную передачу. Из различных комбинаций числа передаваемых бит, типа контроля четности и количества стоповых битов обыч­но используется протокол 8N1 (8 бит данных, без контроля четности, 1 стоп-бит). Поскольку четность не обнаруживается, контроля ошибок на этом уровне не проис­ходит.

Посимвольная асинхронная передача проста, но в то же время неэффективна из-за того, что биты, добавляемые к каждому байту, увеличивают длину битовой последо­вательности более чем на 25 %, а также из-за простоя между отдельными символами. На практике асинхронная передача используется только при скоростях передачи до 20 Кбит/с.

9.4.5. Бит-ориентированные протоколы. HDLC

Протоколы на канальном уровне используются для контроля целостности пере­даваемых данных и для восстановления искаженных блоков данных. Протоколы являются либо бит-ориентированными (bit-oriented) — содержание каждого переда­ваемого сообщения представляет собой строку бит переменной длины, либо знак-ориентированными (byte-oriented) — передается строка байт с некоторыми ограни­чивающими управляющими символами. Наиболее известным бит-ориентированным протоколом является протокол син­хронного управления звеном данных (Synchronous Data Link Control— SDLC), разра­ботанный компанией IBM. Существует несколько других похожих, но несовмести­мых с SDLC протоколов.

Для промышленных приложений очень важным является протокол высокоуровнего управления каналом передачи данных (High-LevelData Link Control — HDLC). Протокол HDLC разработан ISO и используется в качестве основы для других про­токолов — например, на нем базируется формат кадров Ethernet (раздел 9.5.4).

Управляющие поля в кадре HDLC имеют фиксированные расположение и длину (рис. 9.14); переменную длину имеет только поле данных. Ограничивающие началь­ный и заключительный флаги кодируются уникальной последовательностью . Для того чтобы обеспечить уникальность флаговой последовательности, передатчик автоматически вставляет 0 после пяти следующих подряд 1 во все поля кадра, кроме флагов. Эта операция называется вставкой бит (bit stuffing). Приемник удаляет любой 0, следующий непосредственно за пятью идущими подряд 1, восста­навливая таким образом исходный вид кадра.

№ поля	Длина, бит	Значение	Описание
1	8	(7Е hex)	Начальный флаг (start flag)
2	8		Адрес (address)
3	8		Управляющее поле (control field.
4	Произвольная длина >0		Данные (data)
5	16		Контрольная сумма (checksum)
6	8	(7Е hex)	Заключительный флаг (end flag]

Рис. 9.14. Структура кадра протокола HDLC :

Адресное поле имеет смысл только в том случае, если несколько станций могут принимать одно и то же сообщение — например, в локальных сетях, где все станции разделяют общий физический тракт передачи, — и должны идентифицировать адре­сованные им сообщения.

Управляющее поле HDLC определяет тип кадра — информационный, суперви-зорный или ненумерованный. Информационный кадр содержит пользовательские данные; его управляющее поле идентифицирует порядковый номер текущего и следу­ющего кадров (обычно длинное сообщение разбивается на несколько кадров) и т. п. Сулервизорный кадр используется для координации приемника и передатчика и вы­полняет управляющие функции — подтверждение кадров (квитирование), запрос на повторную передачу информационного кадра, если нарушена последовательность кадров. Ненумерованные кадры используются для инициализации и разъединения звена и для других целей управления.

Поле данных может иметь любую длину. Поле контрольной суммы вычисляется с помощью многочлена x16 + x12 + x5 + 1 в соответствии с рекомендацией MKKTT V.41.

Структура кадра HDLC соответствует многоуровневой структуре стека протоко­лов, показанной на рис. 9.4. Начальный и заключительный флаги необходимы на фи­зическом и канальном уровнях. Адресное и управляющее поля и поле контрольной суммы относятся ко 2-му и 3-му уровням. Передаваемые данные являются проблем­но-ориентированными и относятся к 7-му уровню.

Формат кадра HDLC является основой для различных протоколов связи и обес­печивает средства для полной дуплексной передачи с контролем ошибок. Например, в одной из схем передатчик может продолжать передачу кадров, не ожидая подтвер­ждения их приема, в другой — приемник должен подтверждать прием каждого кадра, а еще одна схема требует только индикации кадров для повторной передачи. Все эти схемы можно реализовать на базе формата HDLC.

9.4.6. Протокол телеметрии IEC-870

Протокол телеметрии IEC-870 представляет собой широко распространенный стандарт, предназначенный для мониторинга и управления распределенными про­цессами с помощью локальных интеллектуальных устройств, например, для связи центральной ЭВМ с удаленными устройствами управления и для сбора данных. Протокол IEC-870 сочетает некоторые возможности символьных протоколов в фор­мате UART с бит-ориентированным форматом кадра типа HDLC.

В IEC-870 единицей передачи информации является телеграмма, состоящая из байтовых последовательностей по 8 бит. Каждый байт передается в соответствии с форматом UART в виде 11-битовой последовательности (1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит четности, 1 столовый бит). Октеты передаются последовательно в каж­дой телеграмме в следующем порядке:

- заголовок (1 или 4 байта);

- пользовательские данные (переменная длина, до 253 байт);

- контрольная сумма (1 байт);

- символ конца сообщения (1 байт).

Структура телеграмм протокола IEC-870 показана на рис. 9.15.

Начальный символ показывает, какой тип телеграммы следует за ним — фиксиро­ванной или переменной длины. Телеграмма фиксированного формата (рис. 9.15 б) имеет длину 6 байт. В телеграмме переменной длины заголовок содержит начальный байт, за которым следует длина телеграммы. Первые 4 байта в данных пользователя — адрес и указатель функции; за пользовательскими данными следует байт контрольной суммы и символ конца сообщения. В 4 байтах заголовка в качестве меры безопасности повторяются начальный символ и длина сообщения, поскольку эти байты не включа­ются в подсчет контрольной суммы.

Для обеспечения эффективных схем управления стандарт IEC-870 предусматри­вает несколько типов сообщений, например подтверждение приема сообщения цент­ральному устройству или удаленной станции и т. д.

Благодаря своей простоте и широкой доступности дешевых микросхем UART протокол IEC-870 легко встраивается в разнообразные устройства, поэтому он по­ложен в основу многих промышленных решений, обеспечивающих совместимость и взаимодействие при интеграции в одну систему компонентов от разных произво­дителей.

№ поля	Длина, байт	Значение	Описание
1	1	01101hex)	Начальный символ (байт заголовка)
2	1		Длина сообщения (2-255 байт)
3	1		Длина сообщения (2-255 байт), повторение поля 2
4	1	01101hex)	Начальный символ (повторение поля 1)
5	1		Управляющий символ
6	1		Адрес (младшая часть)
7	1		Адрес (старшая часть)
8	Произвольная длина >0, <253 байт		Данные
9	1		Контрольная сумма полей 5-8
10	1	00010hex)	Символ конца сообщения
№поля	Длина, байт	Значение	Описание
1	1	00010hex)	Начальный символ (байт заголовка)
2	1		Управляющий символ
3	1		Адрес (младшая часть)
4	1		Адрес (старшая часть)
5	1		Контрольная сумма
6	1	00010hex)	Символ конца сообщения

Рис. 9.15. Структура телеграммы протокола IEC-870: а — переменная длина; 6 — фик­сированная длина