Sisteme de Comunicatii Cursuri PDF [PDF]

Zitiervorschau

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1 - Constantinescu Catalin

CAP. 1 SISTEME DE COMUNICATII. ELEMENTE GENERALE

1.1 Notiuni introductive. Scurt istoric Sistemele de comunicatii in ansamblu formeaza un domeniu de mare amploare, aici putand fi incadrate o mare diversitate de subiecte. Privind in sens strict literar, comunicatiile sunt definite ca fiind mijloace de comunicare intre puncte diferite, intre acestea fiind stabilita o legatura, un contact de orice natura. Astfel, de exemplu, doua persoane ce converseaza formeaza un sistem de comunicatie. Legatura dintre cele doua persoane poate fi strict verbala (cele doua persoane ar putea comunica cu succes daca ar fi legate la ochi) sau se poate stabili pe mai multe cai. Astfel, interlocutorii ar putea stabili, de exemplu, o comunicatie atat verbal cat si printr-un limbaj al semnelor. Cele doua cai pot exprima in acelasi timp lucruri identice, pot exprima idei diferite sau se pot completa. Numarul de cai de comunicatie intre punctele intre care se transfera informatii nu este limitat. Un exemplu simplu ar putea deriva din modul in care un formator de bucatari – un chef – isi instruieste cursantii. Explicatiile verbale in acest caz sunt completate de cele exprimate cu ajutorul mainilor (cursantii trebuie sa observe modul in care chef-ul pregateste, foloseste si prepara ingredientele). Toate acestea sunt completate, de asemenea, de informatii furnizate de alte simturi primare (gust si miros). Comunicatia in acest caz se poate spune ca s-a stabilit si realizat pe 4 cai diferite, informatiile transmise simultan avand drept scop unic instruirea corecta si completa a cursantilor. Privind in acest mod sistemele de comunicatie, se poate spune ca acestea au radacini adanci de-a lungul timpului, pozitionarea temporala a catorva dintre momentele istorice importante ce au legatura cu comunicatiile sau cu sistemele de comunicatii fiind graitoare in acest sens. Anul 3000 I.C. 800 D.C. 1440 1752 1827 1834 1838 1844 1850 1858 1864 1871 1876 1883 1884

Evenimentul Egiptenii au dezvoltat un limbaj pictografic de exprimare, simbolurile fiind numite hieroglife. Arabii au adoptat prezentul sistem de numeratie din India. Johannes Gutenberg inventeaza masina de tiparit. Benjamin Franklin demonstreaza natura electrica a fulgerelor naturale. Georg Simon Ohm formuleaza legea sa. Carl F. Gauss si Ernst H. Weber construiesc telegraful electromagnetic. William F. Cooke si Sir Charles Wheatstone construiesc telegraful. Samuel F.B. Morse transmite primul mesaj Morse prin telegraf intre Washington, D.C. si Baltimore, Maryland. Gustav Robert Kirchhoff a publicat legile sale. Este intins primul cablu transatlantic care, insa, cedeaza dupa numai 26 de zile. James C. Maxwell prezice radiatia electromagnetica. Societatea Inginerilor Telegrafisti este organizata la Londra. Alexander Graham Bell dezvolta si patenteaza telefonul. Thomas E. Edison descopera fluxul de electroni in vacuum (efectul Edison) si pune bazele tubului cu electoni. Este infiintat Institutul American al Inginerilor Eletricieni (AIEE – American Institute of Electrical Engineers).

1

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1887 1889 1894 1900 1905 1906 1907 1909 1912

1915 1918 1920 1920 1923 1926 1927 1927 1928 1931 1933 1934

1935 1936 1937 1941 1941 1945 1947 1947 1948 1950 1950

1 - Constantinescu Catalin

Heinrich Hertz verifica teoria lui Maxwell. Se infiinteaza in Londra Institutul Inginerilor Eletricieni (IEE – Institute of Electrical Engineers) din Societatea Inginerilor Telegrafisti. Oliver Lodge demonstreaza comunicatia fara fir la o distanta de peste 135 m. Guglielmo Marconi transmite primul semnal wireless transatlantic. Reginald Fessenden transmite voce si muzica prin radio. Lee deForest inventeaza trioda. Societatea Inginerilor Telegrafului fara Fir (Society of Wireless Telegraph Engineers) este infiintata in Statele Unite. Se stabileste in Statele Unite Institutul Comunicatiilor fara Fir (Wireless Institute). Institutul Inginerilor Radio (IRE – Institute of Radio Engineers) este infiintat in Statele Unite din Societatea Inginerilor Telegrafului fara Fir (Society of Wireless Telegraph Engineers) si Institutul Comunicatiilor fara Fir (Wireless Institute). Bell System finalizeaza o linie telefonica transcontinentala in Statele Unite. Edwin H. Armstrong inventeaza circuitul receptor superheterodina. KDKA, Pittsburgh, PA incepe emisiunile radio programate. J.R. Carson aplica esantionarea in comunicatii. Vladimir K. Zworkykin realizeaza tubul de televiziune de tip “iconoscop”. J. L. Baird (Anglia) and C. F. Jenkins (Statele Unite) demonstreaza televiziunea. Este infiintata Comisia Federala de Radio in Statele Unite (Federal Radio Commission). Harold Black dezvolta amplificatorul cu reactie negativa in laboratoarele Bell. Philo T. Farnsworth demonstreaza primul sistem de televiziune complet electronic. Sunt initiate primele servicii de teleimprimare. Edwin H. Armstrong inventeaza modulatia in frecventa (FM). Comisia Federala de Comunicatii (FCC - Federal Communication Commission) este creata din Comisia Federala de Radio (Federal Radio Commission) in Statele Unite. Robert A. Watson-Watt dezvolta primul radar. BBA (British Broadcasting Corporation) incepe prima difuzare de televiziune. Alex Reeves concepe notiunea de modulatie PCM (Pulse Code Modulation). John V. Atanasoff inventeaza calculatorul digital la Iowa State College. FCC autorizeaza radiodifuzarea televiziunii in Statele Unite. Calculatorul digital electronic ENIAC este realizat la Universitatea din Pennsylvania de catre John W. Mauchly. Walter H. Brattain, John Bardeen, William Shockley dezvolta tranzistorul la laboratoarele Bell. Steve O. Rice dezvolta o reprezentare statistica a zgomotului la laboratoarele Bell. Claude E. Shannon publica lucrarea sa despre teoria informatiei. Este utilizata in telefonie multiplexarea in timp. Sunt dezvoltate telefonul si comunicatiile prin microunde.

2

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1953 1953 1957 1958 1958 1958 1961 1962 1963 1963 1963 - 1966 1964 1965 1968 1971 1972 1976 1979 1980 1980 1981 1982 1984 1985 1989 1995 2000 - prezent

1 - Constantinescu Catalin

Televiziunea color NTSC a fost introdusa in Statele Unite. Este intins primul cablu telefonic transatlantic (36 de canale de voce). Este lansat de catre URSS primul satelit al pamantului, Sputnik I. A. L. Schawlow si C. H. Townes publica principiul laser. Jack Kilby de la Texas Instruments realizeaza primul circuit integrat cu germaniu. Robert Noyce de la Fairchild realizeaza primul circuit integrat cu siliciu. Radiodifuziunea FM stereo incepe in Statele Unite ale Americii. Primul satelit activ, Telstar I, comuta semnale de televiziune intre Statele Unite si Europa. Bell System introduce telefonul cu tonuri. Institutul Inginerilor Eletricieni si Electronisti (IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers) este format prin unirea IRE si AIEE. Sunt dezvoltate codurile de corectie a erorii si egalizarea adaptiva pentru comunicatiile de mare viteza fara erori. Sistem de comutare de telefonie electronic (No. 1 ESS) este introdus in serviciu. Primul satelit de comunicatii comercial (Early Bird) a fost introdus in serviciu. A fost dezvoltat sistemul de televiziune prin cablu. Intel dezvolta primul microprocesor, 4004. Motorola demonstreaza FCC primul telefon celular. Sunt dezvoltate calculatoarele personale. Memoria RAM de 64kb deschide usa erei circuitelor integrate pe scara foarte larga (VLSI). Bell System dezvolta comunicatia prin fibra optica FT3. Este dezvoltat discul compact (CD) de catre Philips si Sony. Este introdus pe piata IBM PC. AT&T este de acord sa renunte la cele 22 de companii de telefonie Bell System ale sale. Apple introduce calculatorul Machintosh. Echipamentele de tip FAX devin populare. Este dezvoltat sistemul de pozitionare globala (GPS) utilizand satelitii. Internet-ul si WWW devin populare. Era microprocesoarelor si a procesoarelor de semnal, a osciloscoapelor digitale, a receptoarelor cu acord digital, a comunicatiilor digitale prin satelit, a supercomputerelor s.a.m.d.

In general, comunicatiile presupun transmiterea de informatii de la un punct la un alt punct printr-o succesiune de procese bine sintetizate si interconectate in modelul Shannon – Weaver (1949) – fig. 1.1: -

generarea mesajului ce urmeaza a fi transmis, de catre sursa de informatie; descrierea mesajului cu un anumit grad de precizie utilizand un set de simboluri; codificarea simbolurilor astfel incat acestea sa poata fi transmise; in telefonie, de exemplu, acest proces consta in transformarea controlata a presiunii vocale in curent electric; in telegrafie, codificarea conduce la generarea de secvente de linii, puncte si spatii, corespunzatoare mesajelor codificate; in sistemele multiplexate PCM, transmisii

3

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

-

1 - Constantinescu Catalin

diferite de informatie trebuie esantionate, comprimate, cuantificate si codificate si, in final, intretesute corespunzator reconstructiei semnalului; transmisia propriu-zisa a simbolurilor codificate prin intermediul canalului de comunicatie; decodificarea si reproducerea simbolurilor originale; recrearea mesajului original cu o degradare finita a calitatii acestuia, degradare determinata de imperfectiunea sistemului (de zgomot).

Fig. 1.1 Modelul Shannon – Weaver (1949)

Din punct de vedere al modului de interconectare a sursei sau surselor de informatie cu receptorul sau receptorii exista 2 moduri comunicatie de baza: -

unu – la – unu (point – to – point sau one – to – one), situatie in care exista o singura sursa de informatii si un singur receptor; difuzare (broadcast sau one – to – many) situatie in care exista o sungura sursa insa sunt mai multi receptori simultan, adica receptori ai aceluiasi mesaj la un moment dat.

Din punct de vedere al modului de creare si transmisie a mesajelor intre sursa si receptor, sistemele de comunicatii pot fi analogice sau digitale. Comunicatiile analogice au la baza metode de transmisie a informatiilor utilizand semnale ce pot varia continuu intr-un anumit domeniu (de exemplu amplitudinea semnalului, sau frecventa acestuia). In cazul comunicatiilor digitale, codificarea informatiilor si transmisia acestora se face utilizand un numar finit de simboluri. 1.2 Avantajele sistemelor de comunicatii digitale Comparativ cu sistemele de comunicatii analogice, cele digitale au o serie de avantaje care le recomanda in utilizare. Aceste avantaje depasesc ca amploare dezavantajele, dovada clara fiind dezvoltarea neta a sistemelor de comunicatii digitale in defavoarea celor analogice.

4

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1 - Constantinescu Catalin

Un avantaj major consta in usurinta de regenerare a semnalelor digitale comparativ cu cele analogice. De-a lungul liniilor de transmisie a semnalelor digitale, ca in cazul tuturor liniilor de transmisie, exista doua mecanisme de degradare a semnalelor. Semnalele sunt deformate pe de o parte datorita faptului ca functiile de transfer ale blocurilor componente ale sistemului de comunicatii nu sunt ideale intervenind astfel efecte de distorsionare a semnalelor, iar pe de alta parte datorita zgomotelor electrice si a interferentelor. Semnalele digitale pot fi usor regenerate prin intermediul unor echipamente (ce se intalnesc sub denumirea de repetoare regenerative sau, simplu, repetoare) ce amplifica semnalul si il reconstruieste intr-un punct sau intr-o succesiune de puncte in care semnalele distorsionate sunt inca credibile. Un alt avantaj este acela ca semnalele digitale sunt mai putin supuse atat distorsiunilor cat si interferentelor comparativ cu semnalele analogice. Circuitele specifice sistemelor de comunicatie digitale sunt mai fiabile si mai flexibile decat cele analogice iar costurile de productie ale acestora sunt, in general, mai mici. Tehnicile digitale se preteaza in mod natural functiilor de procesare a semnalelor pentru protectia impotriva interferentelor si a bruiajului. Foarte multe dintre sistemele actuale de comunicatii deservesc conexiuni intre calculatoare, intre echipamente digitale si calculatoare, respectiv intre echipamente digitale. Toate acestea se preteaza nativ mai bine comunicatiilor digitale. 1.3 Retele de comunicatii O retea de comunicatii sau, mai simplu, o retea este constituita dintr-un set de noduri interconectate intre ele (fig. 1.2). Scopul primar al acestor noduri este de a ruta datele in interiorul retelei. Fiecare nod are una sau mai multe statii atasate, statii care au nevoie la un moment dat de servicii specifice comunicatiilor de date.

Fig. 1.2 Structura unei retele de comunicatii

5

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1 - Constantinescu Catalin

Topologia unei retele este definita ca fiind modul fizic sau logic de aranjare a conexiunilor din retea. Functie de topologie, retelele se impart in mai multe categorii (fig. 1.3): -

retea punct la punct; retea magistrala; retea inel; retea stea; retea plasa; retea mixta.

Fig. 1.3 Topologii de retele

Retelele de tip punct la punct sunt retelele cu cea mai simpla topologie si constau in legaturi permanente intre oricare doua noduri la un moment dat. In cazul retelelor de tip magistrala toate nodurile retelei sunt conectate la un mediu comun ce permite transferul de date. O retea inel are nodurile legate succesiv intre ele, aceasta conexiune terminandu-se prin legatura directa dintre ultimul nod al retelei si primul. 6

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

1 - Constantinescu Catalin

Topologia stea consta dintr-un nod central, nod cu care se conecteaza direct si exclusiv fiecare dintre celelalte noduri ale retelei. Retelele plasa au cele mai copmplexe topologii si ofera conexiuni redundante ce permit reconfigurari ale cailor de date in cazul unor noduri neoperationale sau blocate. O retea plasa in care toate nodurile sunt interconectate se numeste retea deplin conectata. Retelele mixte sunt alcatuite din mai multe retele cu topologii diferite.

7

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

CAP. 2 INTERFETE SPECIFICE SISTEMELOR DE COMUNICATIE INDUSTRIALE; PROTOCOALE INDUSTRIALE DE COMUNICATIE

2.1 Interfete paralele si interfete seriale De-a lungul timpului, pentru transferul de date au fost imaginate si dezvoltate o serie de interfete si protocoale de comunicatie. Functie de modul de transfer al datelor, interfetele pot fi impartite in: -

interfete paralele; interfete seriale.

O interfata paralela de comunicatii este constituita dintr-o multitudine de canale prin intermediul carora se transmit date simultan (fig. 2.1). Cu alte cuvinte, interfata paralela permite transferul mai multor biti in acelasi timp. O interfata seriala poate transmite un singur bit la un moment dat, ceea ce inseamna ca transferul complet de date presupune transmiterea unei succesiuni de biti (fig. 2.1).

Fig. 2.1 Modul de transfer al datelor in cazul interfetelor paralele si seriale

Utilizarea unui anumit tip de interfata depinde de multi factori, insa in etapa actuala a dezvoltarii sistemelor de comunicatii foarte importanta este viteza de transfer. Desi aparent viteza de transfer a datelor printr-o interfata paralela ar trebui sa fie de N ori mai mare decat printr-o interfata seriala (unde N este numarul de canale de date de care dispune interfata paralela), lucrurile nu stau chiar asa. Interfetele seriale sunt foarte sensibile din punct de vedere al interferentelor intre canale si al zgomotelor. Din acest motiv, interfetele paralele nu sunt recomandate in cazul distantelor lungi dintre echipamentele intre care se stabileste un transfer de date la un moment dat. Pe de alta parte, avantajul major al numarului mic de linii de conexiune in cazul interfetelor seriale a incurajat dezvoltarea de tehnologii si protocoale de comunicatie ce au crescut vitezele de transfer la un nivel foarte ridicat. Astfel, in cazul portului USB 2.0, care este o interfata seriala, se poate

8

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

ajunge la viteze de transfer de pana la 480 Mbiti/s, in cazul portului USB 3.0 este de 5 Gbiti/s, ajungand la viteze de pana la 10 Gbiti/s daca se utilizeaza USB 3.1. De-a lungul timpului s-au dezvoltat o serie de arhitecturi de comunicatie atat paralele cat si seriale: -

-

paralele: o magistralele de date (arhitecturi generale specifice, de exemplu, procesoarelor, memoriilor si, in general, perifericelor); o magistralele de adrese (arhitecturi generale specifice, de exemplu, procesoarelor, memoriilor si, in general, perifericelor); o magistralele de control (arhitecturi generale specifice, de exemplu, procesoarelor, memoriilor si, in general, perifericelor); o EPP/ECP (Enhanced Parallel Port/Enhanced Capability Port); o P-ATA (Parallel ATA); o PC Card (specifice laptop-urilor; a fost introdusa pe piata initial sub denumirea de card-uri PCMCIA); o Parallel SCSI etc; seriale: o Ethernet; o FireWire; o InfiniBand; o Serial ATA (SATA); o SPI; o I2C (I2C); o USB; o RS-232; o RS-422; o RS-423; o RS-485 etc.

2.2 Interfata UART Interfata UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) permite comunicatia seriala intre doua sau mai multe echipamente sau dispozitive ce au in componenta o astfel de interfata. Interfata UART este, in general, referita ca RS-232, RS-422 sau RS-485. Interfata UART poate fi configurata pentru operarea Full-Duplex (comunicatie bidirectionala simultan), HalfDuplex (comunicatie bidirectionala, insa nu simultan), Tx-Only (doar transmisie), Rx-Only (doar receptie). Asa cum sugereaza si denumirea, controlerele UART permit realizarea asincrona a transmisiilor de date, ceea ce ii permite sursei de date (transmitatorului) sa transfere informatiile catre receptor fara a avea un semnal comun de ceas care sa permita sincronizarea datelor. In aceasta situatie, atat transmitatorul cat si receptorul trebuie sa opereze cu aceiasi parametrii de timp (Baud Rate – viteza de transfer) si sa utilizeze biti speciali adaugati datelor utile, biti care sa permita sincronizrea datelor. In transmisia seriala asincrona transmitatorul trimite cuvinte catre receptor, un 9

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

cuvand fiind format dintr-un bit de START, intre 5 si 8 biti de date (primul bit fiind cel mai putin semnificativ), un bit de paritate (optional) si 1, 1,5 sau 2 biti de STOP (fig. 2.2).

Fig. 2.2 Formatul de baza al unui cuvant transmis de un controler UART

La nivel fizic, semnalele specifice protocolului de comunicatie UART depind de nivelul la care controlerul este implementat. Astfel, doua microcontrolere care au in componenta controlere UART pot comunica intre ele prin conexiune directa, daca semnalele specifice de transmisie si receptie sunt compatibile. De exemplu, in situatia in care controlerele utilizeaza semnale TTL, nivelele logice 0, respectiv 1 corespund unui nivel de tensiune standard de 0V, respectiv 5V (fig. 2.3).

Fig. 2.3 Comunicatia UART intre doua microcontrolere

In cazul necesitatii stabilirii unei comunicatii seriale asincrone intre doua echipamente, se poate utiliza RS232 (Recomanded Standard 232). Diferenta majora dintre UART si RS232 la nivel fizic se refera la tensiunile asociate nivelelor logice “HIGH” si “LOW”. In cazul RS232, unui bit cu valoarea 0 (LOW) ii corespunde un nivel de tensiune cuprins in intervalul [+3V; +15V], in timp ce

10

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

unui bit cu valoarea 1 (HIGH) ii corespunde un nivel de tensiune cuprins in intervalul [-15V; -3V] – fig. 2.4.

Fig. 2.4 Comunicatia RS232 intre doua echipamente

RS232 are o serie de semnale prevazute pentru a asigura comunicatia dintre calculatoare si echipamente de tip modem (fig. 2.5, tabelul 2.1).

Fig. 2.5 Conector RS232 - alocarea pinilor

11

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

Nr. pin (conector RS232 DB9 tata – “male”) 1

DCD

2

RxD

3

TxD

4

DTR

5 6

GND DSR

7

RTS

8

CTS

9

RI

Semnal

2 - Constantinescu Catalin

Descriere Data Carrier Detect Echipamentul este conectat la un altul Receive Data Pin receptionare date de la un alt echipament Transmit Data Pin transmisie date catre un alt echipament Data Terminal Ready Echipament pregatit pentru comunicatie Ground Data Set Ready Echipament pregatit pentru comunicatie Request to Send Cerere transmisie (pentru protocoale de transmisie RTS/CTS) Clear to Send Echipament pregatit (pentru protocoale de transmisie RTS/CTS) Ring Indicator Apel pe lina telefonica – conexiuni modem

Tabelul 2.1 Semnalele specifice standardului RS232(dispunerea semnalelor la conectorul RS232 DB9 tata) Standardele 422 si 485 sunt solutii de transmisie diferentiala a datelor ce ofera robustete chiar si pe distante mari de transmisie. Aceste standarde nu specifica un protocol de comunicatie, specificatiile lor fiind folosite la nivel fizic de mai multe protocoale precum Modbus, Profibus, DIN-Measurement-Bus si multe altele. In cazul interfetelor RS422 si RS485, liniile diferentiale ce constituie calea fizica de transfer al datelor utilizeaza, de regula, perechi torsadate de cabluri. Informatia vehiculata prin intermediul acestor linii este identificata prin polaritatea diferentei de tensiune intre doua linii diferentiale. Daca polaritatea este pozitiva, atunci semnalul are valoarea logica 1. Daca diferenta este negativa (polaritatea este negativa), atunci semnalul are valoarea logica 0. Pentru cresterea imunitatii la zgomot, a fost definita si o margine de zgomot de ± 0.2V. Standardul TIA/EIA-422 (RS422) permite transferul de date prin perechi multiple de fire intre un transmitator si pana la 10 receptori. Comunicatia stabilita prin standardul 422 este de tip full-duplex, liniile de transfer dinspre transmitator catre receptori fiind diferite de cele care permit transferul invers de date. Standardul TIA-EIA-485 (RS485) permite transferul de date pe linii diferentiale intre cel mult 32 de echipamente. Indiferent de topologia adoptata a retelei in care sunt integrate echipamente cu interfata RS485, la un moment dat un singur dispozitiv poate transmite. Acest mod de operare se numeste half-duplex. Pentru evitarea reflexiilor datorate discontinuitatii cablurilor si, implicit, evitarea coruperii transmisiei, reteaua trebuie terminata la ambele capete prin intermediul unor terminatoare.

12

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

Terminatoarele pot fi simple rezistoare si ele pot fi integrate in echipamente sau nu (situatie in care acestea se monteaza extern). Pentru realizarea unei retele RS422 sau RS485 pot fi utilizate mai multe topologii, cele mai recomandate fiing cea de tip magistrala, respectiv “daisy chain” (lant de margarete) – fig. 2.6.

Fig. 2.6 Topologii recomandate pentru retelele RS422 / RS485

Lungimea maxima a cablului pentru o retea RS422 / RS485 este 1200 m. La nivel fizic, atat pentru obtinerea nivelelor de tensiune specifice standardului 232 cat si pentru standardele 422 respectiv 485, se pot utiliza drivere specializate care permit conversia semnalelor logice (TTL, de exemplu) in semnale specifice acestor standarde cu effort minim si la pret de cost redus. Realizarea de sisteme de comunicatii de date utilizand echipamente sau dispozitive echipate cu astfel de drivere este comoda si consta in respectarea conditiilor de interconectare specifice standardului utilizat, indiferent de producatorul echipamentului, a dispozitivului sau a driverelor (fig. 2.7, fig. 2.8).

Fig. 2.7 Exemplu de interconectare a doua echipamente prin interfata seriala RS232 (Rx/Tx)

13

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

2 - Constantinescu Catalin

a.

b. Fig. 2.8 Exemplu de interconectare in retea: a – RS422, b – RS485

14

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

3 - Constantinescu Catalin

2.3 Protocolul MODBUS implementat pe linii seriale 2.3.1 Notiuni generale Protocolul MODBUS implementat pe linii seriale este un protocol de tip Master / Slave. Un sistem de tip Master / Slave este format dintr-un nod Master care initiaza trimite comenzi explicite catre nodurile de tip Slave si proceseaza raspunsurile. In mod normal, nodurile Slave nu transmit date fara ca acestea sa fie solicitate de catre Master, iar nodurile Slave nu comunica intre ele. La nivel fizic, protocolul MODBUS pe linii seriale poate fi implementat prin diferite interfete (RS485 pe doua fire, RS485 pe 4 fire, RS232). De obicei, MODBUS pe linii seriale este implementat pe interfata RS485 pe 2 fire, care are avantajul unui numar mic de conexiuni (doar 2 fire) si, de asemenea, avantajul posibilitatii de integrare a echipamentelor in retele cu mai multe noduri. Interfata RS232 se utilizeaza pentru implementarea MODBUS doar daca reteaua are 2 noduri, conexiunea realizandu-se punct-la-punct (point-to-point). O comunicatie MODBUS este intotdeauna initiata de catre Master. Intr-o retea MODBUS pot fi conectate in acelasi timp un singur nod Master si pana la 247 noduri Slave. Nodul Master initiaza o singura comunicatie la un moment dat. Nodul Master poate accesa nodurile Slave in doua moduri: -

Modul Unicast (sau cu adresare precisa) – situatie in care Master-ul adreseaza individual si precis un Slave. Dupa primirea si procesarea cererii, nodul Slave returneaza un mesaj nodului Master. In acest caz, fiecare tranzactie MODBUS consta in 2 mesaje: o cerere de la Master si un mesaj returnat de la Slave. Fiecare nod Slave trebuie sa aiba o adresa unica astfel incat sa poata fi adresat in mod unic (adresele sunt cuprinse intre 1 si 247) – fig. 2.9.

Fig. 2.9 Modul Unicast in protocolul MODBUS -

Modul Broadcast (sau difuzare) – situatie in care Master-ul trimite un mesaj (o comanda) catre toate nodurile Slave. In acest mod nu este returant niciun raspuns. Modul Broadcast este folosit in protocolul MODBUS pentru comenzile de scriere. Intr-o astfel 15

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

3 - Constantinescu Catalin

de situatie, toate echipamentele din retea trebuie sa accepte acest mod (difuzare) pentru functia / functiile de scriere. Adresa “0” este rezervata pentru identificarea acestui mod de operare in protocolul MODBUS pe linii seriale – fig. 2.10.

Fig. 2.10 Modul Broadcast in protocolul MODBUS

Spatiul de adresare MODBUS contine 256 de adrese diferite (fig. 2.11).

Fig. 2.11Spatiul de adresare in protocolul MODBUS

2.3.2 Descrierea pachetelor de date MODBUS Protocolul MODBUS defineste o unitate de date elementara (apelata in continuare sub apelativul PDU – Protocol Data Unit) ce sta la baza comunicatiilor dintre noduri. Un PDU MODBUS este format din codul functiei transmise prin protocolul MODBUS urmat de datele specifice functiei (fig. 2.12). Maparea protocolului MODBUS intr-o retea specifica presupune introducerea unor campuri aditionale pe langa PDU (fig. 2.13).

16

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

3 - Constantinescu Catalin

Fig. 2.12 Structura PDU

Fig. 2.13 Structura PDU in protocolul MODBUS pe linii seriale

In cazul protocolului MODBUS pe linii seriale, “Camp adresa” contine adresa nodurilor de tip Slave. Asa cum s-a precizat anterior, o adresa este valida daca este cuprinsa in intervalul [0, 247]. Dispozitivele Slave au adrese individuale in intervalul [1, 247]. Adresarea unui Slave de catre Master se face prin intermediul acestui camp. Cand un Slave raspunde, acest camp va contine insasi adresa Slave-ului. Codul functiei indica tipul actiunii ce se va efectua. Codul functiei poate fi urmat de un camp de date specific functiei respective ce contine parametrii specifici cererii sau raspunsului, dupa caz. Campul de verificare a erorii este rezultatul determinarii controlului redundant (“Redundancy Checking”) din continutul mesajului. Functie de metoda de transmisie (RTU sau ASCII) exista doua moduri de calcul (CRC – Cyclical Redundancy Checking, respectiv LRC – Longitudinal Redundancy Checking / Control redundant ciclic, respectiv Control redundant longitudinal).

2.3.3 Diagramele de stare Master / Slave Indiferent de modul de transmisie a datelor (ASCII sau RTU), modul de evolutie a starilor atat pentru un nod Master cat si pentru un Slave poate fi exprimat prin intermediul diagramelor de stare. Pentru exprimarea concisa si expresiva a evolutiei in timp a nodurilor unei retea MODBUS pe linii seriale se vor utiliza notatii specifice standardului UML (Unified Modeling Language) – fig. 2.14. In cazul aparitiei unui eveniment in cadrul unui sistem ce se afla in starea “Stare A”, sistemul comuta in starea “Stare B” doar daca conditia este adevarata. In timpul acestei tranzitii este efectuata, eventual, si o actiune.

17

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

3 - Constantinescu Catalin

Fig. 2.14 Diagrama de stare exprimata prin simboluri UML

In cazul unui nod Master, starea in care nicio cerere nu este in asteptare este starea initiala, starea in care nodul intra automat la punerea in functiune. Aceasta stare initiala este referita ca starea “Idle” (fig. 2.15). In “Idle” o singura cerere poate fi transmisa, dupa solicitare nodul Master iesind din aceasta stare. Cand este adresata o cerere individuala, catre un Slave anume, nodul Master intra in starea “Asteptare raspuns” si este pornit un contor de timp pentru determinarea perioadei de raspuns, pentru prevenirea situatiei in care Master-ul ramane un timp nedefinit in asteptarea unui raspuns. Valoarea timpului maxim de asteptare a raspunsului este dependent de aplicatie. La receptionarea unui raspuns, Masterul verifica integritatea acestuia, inainte de a procesa datele. Aceasta verificare este necesara pentru evitarea situatiilor in care raspunde un Slave nesolicitat sau, in cazul in care pachetul de date este viciat. In situatia receptionarii raspunsului de la un Slave neasteptat, contorizarea timpului de raspuns se mentine. In cazul in care pachetul este viciat, se poate incerca o resolicitare a acesuia. Daca nu este receptionat niciun raspuns in perioada maxima de asteptare, Master-ul trece in stare “Idle” si valideaza posibilitatea de retransmitere a solicitarii. Numarul maxim de astfel de retransmisii este dependent de setarile Master-ului. Cand este trimisa o solicitare in mod Broadcast, nu este returnat niciun raspuns. In aceasta situatie, nodul Master parcurge o perioada de intarziere in care nu face nicio solicitare suplimentara pentru a permite tuturor nodurilor Slave procesarea cererii curente. Dupa terminarea acestei perioade de intarziere, Master-ul intra din nou in starea “Idle”, stare din care poate efectua o noua cerere. In modul Unicast, perioda de asteptare a raspunsului trebuie sa fie suficient de mare incat orice Slave sa fie capabil sa proceseze cererea si sa returneze raspunsul, iar in mod Broadcast perioada de intarziere trebuie sa fie suficient de mare astfel incat orice Slave sa aiba timp sa proceseze cererea. Ca urmare, timpul de asteptare din modul Unicast este mai mare decat intarzierea din modul Broadcast. Pentru a exista o imagine clara de timp, in modul Unicast se opereaza cu timpi de asteptare de 1 pana la cateva secunde la o viteza de transfer de 9600 bps, iar perioada de intarziere uzuala pentru modul Broadcast este de 100 – 200 ms. Erorile de viciere ale pachetelor de date au doua posibilitati de detectare: -

prin verificarea paritatii fiecarui octet in parte; prin verificarea controlului redundant (CRC sau LRC).

18

Fig. 2.15 Diagrama de stare Master pentru protocolul MODBUS implementat pe linii seriale

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

3 - Constantinescu Catalin

19

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Fig. 2.16 Diagrama de stare Slave pentru protocolul MODBUS implementat pe linii seriale

Diagrama de stare corespunzatoare nodurilor Slave au ca stare initiala tot starea Idle, stare de asteptare a unei solicitari din partea nodului Master. Starea Idle este starea in care nodurile Slave intra la initializare.

Cand este receptionata o solicitare, nodul Slave verifica pachetul inaintea executiei actiunii solicitate in pachet. In transmisia solicitarii de catre Master pot interveni diferite erori: erori de 20

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

formatare a solicitarii (date solicitate invalide), actiune solicitata invalida s.a. In caz de eroare trebuie trimis un raspuns de eroare catre nodul Master. Odata ce solicitarea a fost complet procesata (neexistand, deci, erori), in modul Unicast trebuie formatat un raspuns ce se va trimite catre Master. In cazul in care nodul Slave detecteaza o eroare in pachet, acesta nu trimite niciun raspuns catre Master. Pentru managementul erorilor, protocolul MODBUS are definite o serie de contoare de diagnoza ce permit identificarea si corectarea unor erori de implementare a unei retele de acest tip. Pornind de la diagramele de stare ale nodurilor Master, respectiv Slave, pot fi usor trasate diagramele de timp corespunzatoare tranzactiilor de date in retelele MODBUS.

2.3.4 Diagramele de timp Master – Slave Reprezentarea tuturor posibilitatilor de schimb de date intre nodul Master si nodurile Slave prin diagrame de timp Master – Slave este laborioasa si nu are o relevanta majoara pentru intelegerea protocolului MODBUS, motiv pentru care reprezentarea unor scenarii posibile este mai mult decat suficienta (fig. 2.17).

Fig. 2.17 Un scenariu posibil pentru tranzactiile Master – Slave intr-o retea Modbus – reprezentare sub forma de diagrame de timp

21

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Duratele efective specifice SOLICITARILOR, RASPUNSURILOR, respectiv executiilor in mod BROADCAST depind de caracteristicile specifice comunicatiei (lungimea pachetelor, respectiv viteza de transmisie).

2.3.5 Modurile de comunicatie seriala Modbus RTU, respectiv Modbus ASCII In cazul protocolului MODBUS implementat pe linii seriale, comunicatia poate fi facuta in doua moduri: RTU (Remote Terminal Unit), respectiv ASCII. Diferentele dintre cele doua moduri consta in semnificatia datelor din pachete, modul de codificare (impachetare a datelor), respectiv decodificare. Pentru ca o retea MODBUS sa fie functionale este obligatoriu ca modul de transmisie si parametrii porturilor seriale sa fie aceleasi pentru toate nodurile retelei (atat nodul Master cat si nodurile Slave). Este important de subliniat faptul ca modul de comunicatie ASCII este optional. Astfel, pentru asigurarea interoperabilitatii este bine ca modul de comunicatie ales sa fie Modbus RTU. De asemenea, este important de stiut ca, in general, modul implicit de operare pentru dispozitivele ce au implementate ambele moduri este Modbus RTU. 2.3.5.1 Modul Modbus RTU In cazul comunicatiei in mod RTU, fiecare octet dintr-un mesaj contine doua caractere hexazecimale, fiecare reprezentat pe cate 4 biti (tetrada). Avantajul major al acestui mod este acela ca densitatea mai mare de caractere pentrit un tranzit mai bun al datelor decat in modul ASCII (la aceeasi viteza de trasfer). Fiecare mesaj trebuie transmis intr-un flux continuu de date. In modul RTU codificarea este binara, iar fiecare caracter (11 biti) este format din: -

un bit de START; 8 biti de date (cel mai putin semnificativ bit este primul transmis); un bit de paritate; un bit de STOP.

Paritatea implicita este EVEN PARITY (chiar paritate), insa se poate utiliza si imparitatea (ODD PARITY) sau lipsa acesteia (NO PARITY). Modul implicit trebuie sa fie EVEN PARITY. In cazul in care se opteaza pentru lucrul fara bit de paritate (NO PARITY), se vor utiliza 2 biti de STOP. Fiecare caracter este trimis secvential, incepand cu cel mai putin semnificativ bit (LSB) si terminand cu cel mai semnificativ (MSB) – fig. 2.18.

22

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Fig. 2.18 Secventa de biti transmisa pentru fiecare caracter in modul RTU

Un pachet in cazul modului RTU este format din (fig. 2.19): -

adresa nodului Slave (un cuvant); codul functiei (un cuvant); datele specifice functiei; CRC (2 cuvinte).

Fig. 2.19 Structura unui pachet Modbus RTU

Verificarea corectitudinii pachetului se face prin intermediul campului CRC. Dimensiunea maxima a unui pachet MODBUS RTU este de 256 cuvinte. Un mesaj MODBUS este impachetat de catre echipamentul transmitator intr-o secventa de pachete care au bine cunoscut atat inceputul cat si sfarsitul. Acest lucru permite dispozitivelor sa receptioneze un pachet de la inceput si sa stie cand mesajul este complet. Mesajele receptionate partial trebuie sa fie detectate si erorile trebuie transmise ca si raspuns. In modul RTU mesajele sunt formate din pachete separate printr-un interval de timp egal cu cel putin 3,5 caractere (fig. 2.20), timp notat in continuare t3,5.

Fig. 2.20 Delimitarea pachetelor intr-o secventa MODBUS

23

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Un pachet MODBUS trebuie trimis ca un flux continuu de caractere, fara intreruperi. Daca intre 2 caractere ale unui pachet exista o pauza mai mare de 1,5 caractere (t1,5), pachetul este declarat incomplet si este ignorat de catre receptor (fig. 2.21).

Fig. 2.21 Pachet incomplet generat de pauza mare de transmisie intre caractere

Implementarea unui driver MODBUS pentru un receptie poate genera gestionarea unui numar foarte mare de intreruperi in cazul unei viteze de transmisie mare pentru verificarea timpilor t3,5, respectiv t1,5, ceea ce conduce implicit la incarcarea excesiva a procesorului. Se recomanda ca verificarea acestor perioade sa fie foarte riguroasa la viteze de transmisie de pana la 19200 bps. La viteze mai mare de 19200 bps, pot fi utilizate doua valori fixe, recomandandu-se 750 µs pentru intervalul t1,5, respectiv 1,750 ms pentru t3,5. Pornind de la toate cerintele pe care trebuie sa le indeplineasca un dispozitiv MODBUS, poate fi trasata cu usurinta diagrama de evolutie a starilor pentru transmisia in modul MODBUS RTU (fig. 2.22).

Fig. 2.22 Diagrama de evolutie pentru transmisia in mod RTU

24

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Tranzitia din starea initiala in starea Idle necesita expirarea unei perioade t3,5, ceea ce asigura intervalul de timp necesar intre doua pachete. Starea Idle este starea normala, cand nu este activa nici receptia, nici emisia. In modul RTU, conexiunea este declarata a fi in mod Idle atunci cand nu are loc nicio activitate de transmisie intr-un interval de timp egal cu t3,5. Cand conexiunea este in starea Idle, orice caracter transmis pe linia de comunicatie este considerat a fi inceput de pachet, conexiunea devenind activa. Sfarsitul pachetului este identificat de lipsa de transmisie de caractere de-a lungul unei perioade t3,5. Dupa detectia sfarsitului de pachet se calculeaza CRC-ul si se finalizeaza verificarea. In continuare este analizat campul de adresa pentru a verifica daca pachetul ii este adresat dispozitivului. In caz contrar, acesta este ignorat. Pentru reducerea duratei de procesare, campul de adresa poate fi analizat imediat dupa receptia acestuia, fara a se mai astepta sfarsitul pachetului. Astfel, CRC-ul va fi calculat si verificat numai daca adresa este cea potrivita. In modul RTU, un pachet contine un camp de verificare a erorilor de tip CRC (Cyclic Redundancy Check – verificare redundanta ciclica). Metoda de verificare se aplica pe intreg pachetul si este independenta de verificarea paritatii pentru fiecare caracter in parte. Campul CRC pentru modul RTU este definit pe 16 biti (2 octeti). Campul CRC este ultimul camp din componenta unui pachet MODBUS RTU, octetul cel mai putin semnificativ fiind primul plasat in camp, cel mai semnificativ fiind al doilea (ultimul). Valoarea CRC este, evident, calculata de catre dispozitivul emitent si este atasata pachetului inainte de transmisie. La randul sau, dispozitivul receptor calculeaza CRC-ul in timpul receptiei datelor, urmand ca la sfarsitul pachetului sa compare CRC-ul calculat cu cel primit. Daca cele doua valori nu sunt egale, pachetul este corupt, situatie in care se genereaza eroare. Calculul CRC este initiat prin incarcarea unei variabile / unui registru cu valoarea initiala 0xFFFF (= b11111111, = 65535). Procesul continua apoi cu aplicarea fiecarui octet de date receptionat la aceasta variabila / acest registru (fara, insa, bitii de start, paritate... doar bitii de date). In timpul generarii CRC-ului, intre fiecare caracter de 8 biti (doar datele) si variabila / registrul incarcat initial cu 0xFFFF se aplica operatia SAU exclusiv (XOR). Rezultatul este, apoi, deplasat la dreapta o pozitie (catre bitul cel mai putin semnificativ - LSB), pe pozitia cea mai semnificativa (MSB) incarcandu-se valoarea „0”. Bitul LSB se extrage si se analizeaza. Daca este egal cu „1”, atunci intre rezultat si o valoare presetata (0xA001) se face SAU exclusiv (XOR). Daca valoarea bitului extras este 0 nu se face nicio operatie. Acest proces se executa pana cand se fac 8 deplasari. In continuare procesul se repeta cu urmatorul cuvand din pachet, pornind de la valoarea curenta a variabilei / registrului. In final, dupa ce se termina toate cuvintele ce contin date, variabila / registrul va contine CRC-ul. Daca algoritmul se aplica si pe aceste ultime cuvinte (CRC low + CRC high), rezultatul va fi „0”, fapt care certifica corectitudinea CRC-ului. Generarea CRC-ului (de catre dispozitivul care emite un pachet) se face, evident, in mod similar (fig. 2.23, 2.24).

25

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

4 - Constantinescu Catalin

Fig. 2.23 Organigrama pentru calculul CRC in modul MODBUS RTU Initializare registru CRC16 Primul caracter = 0x02

CRC16 =

1111 1111 1111 1111

Char1 = CRC16 = CRC16 XOR Char1 Deplasare 1 CRC16

0000 0000 0000 0010 1111 1111 1111 1101

CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 2 CRC16

1101 1111 1111 1111

Valoarea presetata in cazul transportului = 1 este 0xA001

CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 3 CRC16

0111 1111 1111 1110 CY = 1 1010 0000 0000 0001

0110 1111 1111 1111 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1100 1111 1111 1110 0110 0111 1111 1111 CY = 0

26

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

Deplasare 4 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 5 CRC16 Deplasare 6 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 7 CRC16 Deplasare 8 CRC16

Al doilea caracter = 0x07

CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Char2 = CRC16 = CRC16 XOR Char2 Deplasare 1 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 2 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 3 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 4 CRC16 Deplasare 5 CRC16 CRC16 = CRC16 XOR 0xA001 Deplasare 6 CRC16 Deplasare 7 CRC16 Deplasare 8 CRC16

deci:

4 - Constantinescu Catalin

0011 0011 1111 1111 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1001 0011 1111 1110 0100 1001 1111 1111 CY = 0 0010 0100 1111 1111 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1000 0100 1111 1110 0100 0010 0111 1111 CY = 0 0010 0001 0011 1111 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1000 0001 0011 1110 0000 0000 0000 0111 1000 0001 0011 1001 0100 0000 1001 1100 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1110 0000 1001 1101 0111 0000 0100 1110 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1101 0000 0100 1111 0110 1000 0010 0111 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1100 1000 0010 0110 0110 0100 0001 0011 CY = 0 0011 0010 0000 1001 CY = 1 1010 0000 0000 0001 1001 0010 0000 1000 0100 1001 0000 0100 CY = 0 0010 0100 1000 0010 CY = 0 0001 0010 0100 0001 CY = 0

CRC16 = 0x1241 CRC low = 0x41 CRC high = 0x12

Pachetul MODBUS RTU final va contine urmatoarele cuvinte: 0x02, 0x07, 0x41, 0x12 Fig. 2.24 Exemplu de calcul al CRC-ului - functia 0x07 (citirea starii de exceptie) trimisa Slave-ului cu adresa 0x02

27

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

5 - Constantinescu Catalin

2.3.5.2 Modul Modbus ASCII

Atunci cand se foloseste modul MODBUS ASCII fiecare octet din mesaj este trimis ca doua caractere ASCII (de exemplu, octetul 0x7A este transmis ca doua caractere – 0x37 = “7”, respectiv 0x41 = “A”). Acest mod este utilizat atunci cand linia de comunicatie sau resursele dispozitivului nu permit un management al timpului conform cu cerintele impuse de modul MODBUS RTU. Datorita modului de transmisie a datelor, modul ASCII este mai putin eficient decat modul RTU. Codificarea este hexazecimala – caracterele ASCII 0 – 9, A – F. Un caracter hexazecimal este transmis ca si cod ASCII intr-un cuvant al pachetului MODBUS ASCII.Structura unui caracter (10 biti) in modul ASCII contine: -

un bit de START; 7 biti de date (cel mai putin semnificativ bit este primul transmis); un bit de paritate; un bit de STOP.

Paritatea recomandata este cea directa (chiar paritate – EVEN PARITY), insa pot fi utilizate si celelalte paritati (ODD PARITY, respectiv NO PARITY). Paritatea implicita este EVEN PARITY. In cazul in care se opteaza pentru lucrul fara bit de paritate (NO PARITY), se vor utiliza 2 biti de STOP. Fiecare caracter este trimis secvential, incepand cu cel mai putin semnificativ bit (LSB) si terminand cu cel mai semnificativ (MSB) – fig. 2.25.

Fig. 2.25 Secventa de biti transmisa pentru fiecare caracter in modul ASCII In modul ASCII un pachet are delimitate clar, prin caractere specifice inceputul, respectiv sfarsitul. Un pachet trebuie sa inceapa cu caracterul “:” (codul ASCII 0x3A), si se termina prin caracterele CR si LF (Carriage Return si Line Feed - codurile ASCII 0x0D, respectiv 0x0A). Caracterul LF poate fi schimbat utilizand o comanda specifica MODBUS. Intre identificatorii de inceput, respectiv sfarsit de pachet se afla celelalte date (adresa Slave, cod functie …) – fig. 2.26. Caracterele permise pentru toate celelalte campuri sunt 0 – 9, A – F (codificate ASCII). Echipamentele ce comunica in modul MODBUS ASCII monitorizeaza continuu linia pentru identificarea caracterului “:”. Odata receptionat acest caracter, echipamentul va decodifica urmatoarele caractere pana cand va intalni codurile ASCII specifice sfarsitului de pachet. Intre doua caractere se poate scurge un timp de pauza de pana la o secunda. In cazul in care nu se configureaza 28

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

5 - Constantinescu Catalin

un alt timp, un interval de pauza mai mare de o secunda indica faptul ca a intervenit o eroare de comunicatie. Sunt retele complexe care necesita timpi de pauza chiar de 4 – 5 secunde.

Fig. 2.26 Structura unui pachet Modbus ASCII

Fiecare octet de date are nevoie de doua caractere pentru codificare. Ca urmare, pentru a asigura compatibilitatea la nivel de aplicatie intre modurile MODBUS ASCII si MODBUS RTU, numarul maxim de carctere ASCII din campul de date este 2  252. Astfel, numarul maxim de caractere continute de un pachet MODBUS ASCII este 513. Tranzactiile specifice modului MODBUS ASCII pot fi sintetizate grafin intr-o diagrama de evolutie a starilor, valabila atat pentru echipamentul Master, cat si pentru Slave – fig. 2.27.

Fig. 2.27 Diagrama de evolutie a starilor pentru transmisia in mod MODBUS ASCII

Starea Idle este starea normala, in care nici emisia, nici receptia nu sunt active.

29

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

5 - Constantinescu Catalin

Fiecare receptie a unui caracter “:” inseamna inceputul unui nou pachet. Daca un astfel de caracter este receptionat in procesul de receptie a unui pachet, atunci pachetul curent este declarat incomplet si este ignorat. In acest caz este alocat un nou buffer de receptie. Dupa detectia sfarsitului de pachet, este calculat LRC-ul si verificat. In continuare este analizata adresa pantru a se determina daca pachetul ii este adresat dispozitivului. Pentru a reduce volumul de procesare specific receptiei si implicit timpul alocat, analiza adresei poate fi facuta imediat ce aceasta a fost receptionata, fara a se astepta sfarsitul pachetului. In modul ASCII, pachetul include un camp de verificare a erorii bazat pe calculul LRC (Longitudinal Redundancy Checking – verificare redundanta longitudinala). In calculul LRC intra continutul mesajului, mai putin caracterul de inceput (“:”), respectiv cele de sfarsit de pachet (“CR”, “LR”). Calculul LRC nu este influentat de metoda de verificare a paritatii utilizata. Dispozitivul care receptioneaza pachetul calculeaza LRC-ul pe masura ce primeste datele, urmand ca la sfarsit sa compare valoarea calculata cu cea receptionata. In cazul in care valorile nu sunt egale, se raporteaza eroare. LRC se calculeaza insumand toti octetii pachetului si ignorand transporturile in cazul in care acestea apar, dupa care rezultatul se complementeaza fata de 2. Ulterior calculului LRC, acesta este codificat ASCII pe 2 octeti si impachetat inaintea perechii “CR” - “LF”. Algoritmul de calcul al LRC poate fi usor reprezentat in pseudocod – fig. 2.28 – si, implicit usor de implementat.

setare LRC = 0 pentru fiecare octet b din buffer executa LRC = (LRC + b) AND 0xFF terminare ciclu LRC = (((LRC XOR 0xFF) + 1) AND 0xFF)

Obs. 1. Mascarea cu valoarea 0xFF are rolul de ignorare a transportului in cazul aparitiei acestuia. 2. Functia SAU exclusiv (XOR) din ultima linie si incrementarea rezultatului cu 1 determina calcularea complementului fata de 2 a LRC-ului.

Fig. 2.28 Pseudocod pentru determinarea LRC

30

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

5 - Constantinescu Catalin

2.3.6 Clase de implementare pentru dispozitivele MODBUS si recomandari

Toate dispozitivele / echipamentele dintr-o retea MODBUS trebuie sa respecte toate cerintele obligatorii ale aceleiasi clase de implementare. Pentru clasificarea dispozitivelor / echipamentelor MODBUS sunt utilizati urmatorii parametrii: -

adresarea; posibilitatea de BROADCAST; modul de transmisie; viteza de transmisie; formatul caracterelor; parametrii interfetelor electrice.

Sunt propuse doua clase – fig. 2.29: -

de baza (BASIC); normala (REGULAR).

Clasa normala (REGULAR) trebuie sa aiba capabilitati de configurare.

Adresare

Broadcast Viteza de transfer

Clasa de baza (BASIC) Slave: Master: adresa trebuie sa fie configurabila capabil sa intre 1 si 247 acceseze un Slave cu adresa intre 1 si 247 Da 9600 (se recomanda, de asemenea, si 19200)

Paritate

EVEN

Mod Interfata

RTU RS485 pe 2 fire sau RS232

Tip conector

recomandat RJ45

Clasa normala (REGULAR) La fel ca si in cazul clasei BASIC

Valori implicite

Da 9600, 19200 si alte viteze, 19200 daca este configurabile implementat, 9600 altfel EVEN si viteze EVEN suplimentare, configurabile RTU + ASCII RTU RS485 pe 2 fire (si RS485 pe 2 fire optional pe 4 fire) sau RS232

Fig. 2.29 Clasele de implementare pentru dispozitivele MODBUS

31

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

5 - Constantinescu Catalin

In afara de respectarea cerintelor impuse de clasele de implementare, exista o serie de recomandari a caror respectare conduce la implementarea flexibila si sigura a retelelor MODBUS. Este recomandata, de exemplu, utilizarea unor elementel de semnalizare vizuala (cu LED) a starii dispozitivelor MODBUS, ceea ce determina diagnoza rapida atat a aplicatiilor cat si a dispozitivelor – fig. 2.30.

LED Comunicatie

Nivel cerinta Necesar

Eroare

Recomandat

Stare dispozitiv

Optional

Stare Culoare recomandata Se aprinde pe perioada Galben emisiei sau receptiei unui pachet (1 LED pentru transmisie si un LED pentru receptie sau un singur LED pentru ambele scopuri) Se aprinde continuu in cazul Rosu unei erori interne Se aprinde intermitent in cazul altor erori (erori de comunicatie sau de configurare) Se aprinde la alimentarea Verde dispozitivului

Fig. 2.30 Recomandari privind semnalizarea vizuala a starii dispozitivelor MODBUS Pentru interoperabilitate este, de asemenea, recomandata respectarea alocarii pinilor in conectorii specifici RS232 sau RS485.

32

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

2.4 Protocolul PROFIBUS

2.4.1 Notiuni generale PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) este un standard de comunicatie introdus in 1989 de catre BMBF (Departamentul german de educatie si cercetare) si a fost utilizat prima data de catre Siemens. Istoria PROFIBUS incepe in 1986 cand o asociatie de 21 de companii si institute au conceput un plan de proiect numit “fieldbus”. Scopul a fost acela de a implementa si raspandi utilizarea unei magistrale seriale, avand la baza cerintele specifice dispozitivelor de camp. In acest scop companiile implicate in acest proiect au convenit sa sustina un concept tehnic comun atat pentru productie cat si pentru procesele de automatizare. Primul protocol adoptat a fost PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) care a fost adaptat pentru sarcini complexe de comunicare. Ulterior au fost dezvoltate protocoalele PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery), respectiv PROFIBUS-PA (Process Automation). PROFIBUS-DP este optimizat pentru transferul foarte rapid de date si este special conceput pentru comunicatia dintre automatul programabil si aparatajul distribuit de tip I/O, amplasat la nivelul campului. Protocolul PROFIBUS-PA este special creat pentru comunicatiile de mare viteza si fiabilitate, solicitate de automatizarea proceselor industriale. Prin intermediul PROFIBUS-PA pot fi conectate traductoare si elemente de executie la o linie comuna de magistrala, chiar si in zonele cu potential pericol de explozie. O caracteristica importanta a protocolului PROFIBUS este aceea ca protocolul este acelasi indiferent de mediul sau tehnologia de transmisie (RS485 cablat, fibra optica, infrarosu s.a. pentru PROFIBUS-DP, respectiv MBP-IS pentru PROFIBUS-PA). Vitezele de comunicatie ce se utilizeaza in protocolul PROFIBUS sunt intre 9,6 kbit/s si 12000 kbit/s, viteza limita superioara depinzand in primul rand de mediul si tehnologia de comunicatie utilizate. De acelasi lucru (mediu si tehnologie) depinde si distanta maxima dintre doua noduri: -

1000 m pentru retea cablata RS485 si viteza de 9,6 kbit/s; pana la 15 km functie de tipul fibrei optice; functie de producator, in cazul in care se utilizeaza mediu de comunicatie RF (radio) sau IR (optic), distanta maxima poate diferi sensibil; 1,9 km la o viteza de 31,25 kbit/s si functie de tipul cablului in cazul unei retele MBPIS.

PROFIBUS este un standard independent de producator, un standard deschis de camp ce acopera o gama larga de aplicatii atat in zona de productie cat si in cea a automatizarii proceselor.

33

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

PROFIBUS defineste caracteristicile tehnice ale unei magistrale de camp care permite realizarea de retele ce includ automate programabile, de exemplu, incepand de la nivel de camp si terminand cu nivelul de celula. PROFIBUS este un sistem multimaster care permite exploatarea in comun a mai multor sisteme de automatizare, sisteme de achizitie si monitorizare impreuna cu perifericele lor utilizand aceeasi magistrala. In protocolul PROFIBUS se disting urmatoarele tipuri de dispozitive: -

-

Dispozitive Master responsabile de transmisia de date in retea. Un dispozitiv Master poate trimite masaje in retea fara o cerere externa atunci cand detine drepturile de acces in retea (token). Dispozitivele Master sunt, de asemenea, denumite statii active. Dispozitive Slave sunt periferice de tipul dispozitivelor de intrare / iesire, valve, actionari, traductoare etc. Slave-urile nu au drepturi de acces in retea, ele putand doar sa confirme primirea mesajelor si sa raspunda dispozitivelor Master atunci cand li se solicita acest lucru. Dispozitivele Slave sunt numite si statii pasive. Datorita faptului ca aceste dispozitive (Slave) nu necesita decat in mica masura protocolul PROFIBUS, implementarea acestora este foarte economica.

2.4.2 Profilul de comunicatie PROFIBUS-DP 2.4.2.1 Caracteristici generale Protocolul DP este proiectat pentru schimbul eficient de date realizat la nivel de camp. Echipamentele sau dispozitivele centrale de automatizare (ca automatele programabile sau calculatoarele de proces) comunica printr-o conexiune seriala rapida cu dispozitive distribuite in camp, de tipul modulelor de intrare / iesire (I/O), actionari, valve, traductoare. Schimbul de date cu dispozitivele distribuite este in principal ciclic. Functiile de comunicatie necesare sunt definite de functiile de baza DP in conformitate cu standardul EN 50170. Pe langa aceste functii de baza, DP ofera servicii de comunicatii extinse, aciclice, necesare pentru parametrizare, exploatare, monitorizare si alarmare, servicii specifice dispozitivelor de camp “inteligente”. Controlerul central (Master) citeste ciclic informatiile (de intrare) de la dispozitivele Slave si trimite, scrie ciclic informatiile (de iesire) catre dispozitivele Slave. Astfel, perioada unui ciclu magistrala trebuie sa fie mai scurta decat durata unui ciclu program, ceea ce impune o viteza mare de comunicatie (ca ordin de marime, multe aplicatii de automatizare au ciclul program in jurul a 10 ms). In afara acestor functii ce permit transferul de date, PROFIBUS-DP dispune de functii puternice ce faciliteaza procesul de diagnoza si punere in functiune. Comunicatiile de date sunt monitorizate prin intermediul functiilor de monitorizare atat la nivelul dispozitivelor Master cat si la nivelul Slave-urilor. Viteza de comunicatie nu este singurul criteriu care asigura utilizarea corecta a unui sistem de comunicatie PROFIBUS. O manipulare simpla, capacitati bune de diagnoza si o tehnologie de comunicatii robusta din punct de vedere al imunitatii la zgomote sunt caracteristici foarte importante pentru utilizator, caracteristici care se regasesc in cazul protocolului PROFIBUS-DP.

34

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

Revenind la viteza, PROFIBUS-DP necesita doar 1ms pentru transferul a 512 biti date de intrare si 512 biti date de iesire distribuite in 32 de statii. Pentru a avea o imagine globala, durata de transmisie a datelor utilizand protocolul PROFIBUS-DP poate fi reprezentata grafic functie de numarul de statii si de viteza de transfer – fig. 2.31.

Fig. 2.31 Durata unui ciclu magistrala functie de numarul de dispozitive Slave intr-un sistem PROFIBUS-DP cu un singur Master

Functiile de diagnoza DP permit localizarea rapida si sigura a defectelor. Mesajele de diagnoza sunt trimise pe magistrala si colectate de catre Master. Aceste mesaje sunt divizate pe trei nivele: -

-

Mesaje de diagnoza legate de statie – aceste mesaje se refera la starea generala de functionare a unei statii (de exemplu supratemperatura, sau tensiune inferioara pragului admis s.a.). Mesaje de diagnoza legate de module – aceste mesaje indica faptul ca intr-un interval al domeniului I/O al unei statii diagnoza este in curs. Mesaje de diagnoza legate de canale – aceste mesaje specifica cauza defectului la nivel de canal de comunicatie, deci la nivel de canal individual (de exemplu scurtcircuit pe o anumita iesire).

2.4.2.2 Configurarea sistemului si tipuri de dispozitive PROFIBUS-DP permite implementarea atat a sistemelor cu un singur Master (MonoMaster) cat si a celor cu mai multe dispozitive Master (Multi-Master). Acest lucru sporeste flexibilitatea sistemului si in etapa de configurare. Un numar de maxim 126 de dispozitive (Master

35

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

sau Slave) pot fi legate pe magistrala. Specificatiile de configurare ale sistemului definesc numarul de statii, alocarea adreselor statiilor si ale intrarilor / iesirilor, consistenta datelor intrarilor / iesirilor, formatul mesajelor de diagnoza si parametrii de magistrala utilizati. Fiecare sistem PROFIBUS-DP contine diferite tipuri de dispozitive (fig. 2.32), putandu-se face o clasificare a acestora in trei categorii: -

-

-

Dispozitive Master clasa 1 (DPM1) – dispozitive de tipul controlerelor centrale (automate programabile, calculatoare de proces) ce schimba ciclic informatii cu statiile distribuite (Slave) intr-un ciclu de mesaje bine definit. Dispozitive Master clasa 2 (DPM2) – aceste dispozitive sunt, de regula, specifice integratorilor, ele fiind de regula utilizate pentru punerea in functiune, pentru menenanta, respectiv pentru diagnoza. Astfel, prin intermediul DPM2, celelalte dispozitive din retea pot fi configurate, se pot evalua masuratorile efectuate, pot fi cititi diferiti parametrii de functionare sau poate fi inspectata starea dispozitivelor. Dispozitive Slave – acestea sunt, de fapt, dispozitive periferice (module I/O, drivere, valve, interfete om-masina, traductoare etc.). Aceste dispozitive pot fi de intrare, de iesire sau mixte din punct de vedere al intagrarii in reteaua PROFIBUS-DP. Volumul de date de intrare / iesire depinde de tipul de dispozitiv, fiind permis un maxim de 246 octeti ca date de intrare, respectiv 246 octeti date de iesire.

Fig. 2.32 Sistem mono-Master PROFIBUS-DP

In sistemele mono-Master doar un dispozitiv Master este activ pe magistrala pe durata unei operatii efectuate pe aceasta. In configuratiile multi-Master mai multe dispozitive Master sunt conectate la magistrala. Aceste dispozitive Master reprezinta fie subsisteme independente fiecare dintre acestea avand un singur DPM1 si dispozitivele Slave asociate, fie sisteme aditionale de configurare si diagnoza.

36

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

Intrarile / iesirile dispozitivelor Slave pot fi citite de catre toate dispozitivele Master, insa doar un singur Master poate accesa iesirile pentru scriere. 2.4.2.3 Comportarea sistemului Specificatiile PROFIBUS-DP includ si o descriere detaliata a comportamentului sistemului pentru a se asigura interschimbabilitatea dispozitivelor. Comportamentul sistemului este in primul rand determinata de stare de functionare a DPM1. DPM1 pot fi controlate atat local cat si prin intermediul magistralei, starile principale ale acestora fiind “Stop”, “Clear” si “Operate”. In starea “Stop” nu are loc niciun schimb de date intre DPM1 si dispozitivele Slave. In starea “Clear” DPM1 citeste informatiile de intrare ale dispozitivelor Slave si mentine iesirile intr-o stare de siguranta. In starea “Operate” DPM1 este in faza de transfer de date. In ciclurile de transfer de date, in aceasta stare intrarile de la dispozitivele Slave sunt citite, iar iesirile sunt scrise. DPM1 trimite starea proprie tuturor dispozitivelor Slave asociate utilizand o functie multicast, la un interval de timp configurabil. Reactia sistemului la o eroare survenita in timpul unui transfer de date al DPM1 este determinata de un parametru configurabil (“auto-clear”). Daca acest parametru este setat (este “true”), DPM1 comuta toate iesirile Slave-urilor asociati in starea de siguranta imediat ce un Slave nu mai este pregatit pentru transmisia de date. Daca acest parametru nu este setat (este “false”) DPM1 ramane in starea de operare (“operate”) chiar daca intervine un defect, utilizatorul putand specifica reactia sistemului. 2.4.2.4 Transferul ciclic de date Transferul de date dintre DPM1 si dispozitivele Slave asociate este executat automat de catre DPM1 intr-o ordine definita, recurenta (fig. 2.33). In etapa de configurare a magistralei utilizatorul defineste atat dispozitivele Slave asociate cat si daca fiecare dintre acestea sunt incluse sau excluse din modul ciclic de comunicatie de date.

Fig. 2.33 Transmisia ciclica de date in PROFIBUS-DP

37

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

Transmisia de date dintre DPM1 si Slave consta in trei faze: parametrizare, configurare si transfer de date. Inainte ca un Slave DP sa intre in faza de transfer de date, in faza de parametrizare si configurare se verifica daca configuratia planificata corespunde cu cea actuala. In urma acestei verificari tipul dispozitivului, formatul si lungimea informatiilor precum si numarul de intrari si iesiri trebuie sa coincida. Aceste teste asigura protectia impotriva erorilor de parametrizare. In plus fata de datele utilizator transferate automat de catre DPM1, pot fi trimise la cererea utilizatorului si date noi de parametrizare. 2.4.2.5 Modurile SYNC si FREEZE In afara de transferurile ciclice de date dintre DPM1 si Slave, Master-ul poate trimite comenzi de control unui singur Slave, unui grup de dispozitive Slave sau tuturor dispozitivelor Slave, simultan. Aceste comenzi sunt transmise in mod multicast si permit utilizarea modurilor “sync” si “freeze”. Odata ce dispozitivele Slave primesc o comanda “sync” de la Master-ul asociat, iesirile lor raman in starea curenta. In timpul transmisiilor ulterioare de date, acestea sunt stocate de catre Slave, dar iesirile raman neschimbate. Datele de iesire stocate nu sunt transmise catre iesirile efective pana la trimiterea urmatoarei comenzi “sync”. Acest mod se termina cu comanda “unsync”. Similar, o comanda de control de tip “freeze” determina intrarea in modul ce poarta acelasi nume. In acest mod de operare starile intrarilor raman la valoarea curenta. Datele de intrare nu sunt actualizate pana la primirea urmatoarei comenzi “freeze”. Acest mod se termina cu comanda “unfreeze”. 2.4.2.6 Mecanisme de protectie Securitatea si fiabilitatea fac necesar ca PROFIBUS-DP sa ofere functii de protectie eficiente impotriva erorilor de parametrizare sau a defectiunilor echipamentului de trasmisie. Pentru atingerea acestui scop s-au implementat mecanisme de monitorizare in timp atat la nivelul dispozitivelor Master cat si la cele Slave. Intervalul de monitorizare este definit in etapa de configurare. La nivelul DPM1 (deci la nivelul dispozitivelor Master clasa 1), aceste dispozitive monitorizeaza transmiterea de date de catre dispozitivela Slave prin intermediul unui timer (Data_Control_Timer). Pentru fiecare Slave este utilizat cate un timer de control separat. Timerul de control este declansat in momentul cand nu este realizata nicio transmisie de date corespunzatoare in intervalul de timp setat. Daca este activat modul de reactie automata in caz de eroare (auto_clear = true) DPM1 iese din starea OPERATE, comuta toate iesirile dispozitivelor Slave asociate in starea de siguranta si trece in starea CLEAR. Dispozitivele Slave utilizeaza un timer de tip watchdog pentru detectarea defectiunilor Master-ului sau a liniei de transmisie. Daca nu are loc niciun transfer de date in intervalul de timp specific watchdog-ului, Slave-ul comuta automat iesirile proprii in starea de siguranta. In plus este necesara o protectie a accesului la intrarile si / sau iesirile care opereaza in sistem multi-Master. Astfel, este asigurat accesul doar al Master-ului autorizat. Pentru celelalte dispozitive Master,

38

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

6 - Constantinescu Catalin

dispozitivele Slave ofera doar o imagine a intrarilor si / sau iesirilor, chiar fara sa aiba drepturi de acces. 2.4.2.7 Functiile MODBUS-DP extinse Functiile DP extinse fac posibila transmiterea aciclica a functiilor de citire si scriere si, de asemenea, a alarmelor dintre dispozitivele Master si Slave in paralel si independent de transmisiile ciclice de date. Aceste functii permit, de exemplu, utilizarea unor dispozitive Master de dezvoltare (DPM2) pentru optimizarea parametrilor dispozitivelor Slave conectate la magistrala (in camp) sau citirea starilor unor dispozitive fara a perturba operarea sistemului. Cu ajutorul functiilor extinse MODBUS-DP indeplineste cerintele celor mai complexe dispozitive care de multe ori trebuie sa fie parametrizate in timpul functionarii. In prezent, functiile extinse sunt in principal utilizate pentru functionarea on-line a dispozitivelor de camp MODBUSPA prin intermediul unor instrumente de dezvoltare. Transmiterea aciclica a datelor necesare este realizata in paralel dar cu o prioritate mai mica fata de transferul ciclic al datelor. Master-ul necesita timp suplimentare pentru a gestiona serviciile de transfer aciclic al datelor. Acest lucru trebuie avut in vedere atunci cand se parametrizeaza intregul sistem. Functiile extinse sunt optionale, insa acestea sunt in concordanta cu functiile de baza DP. Dispozitive care nu doresc sau au nevoie de a utiliza functiile extinse pot continua să fie utilizate, deoarece acestea (functiile extinse) sunt doar suplimente ale functiilor de baza existente deja.

39

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

7 - Constantinescu Catalin

2.4.3 Profilul de comunicatie PROFIBUS-FMS 2.4.3.1 Notiuni generale Profilul de comunicatie FMS a fost dezvoltat pentru comunicatia la nivel de celula. La acest nivel controlerele programabile (automate programabile, calculatoare de proces) comunica in primul rand unele cu altele. In acest context, un grad superior de functionalitate este mult mai important decat un timp rapid de reactie a sistemului. Modelul de comunicatie PROFIBUS-FMS permite aplicatiilor de proces distribuite sa fie unificate intr-un proces comun utilizand relatii de comunicatie. Acea parte dintr-un dispozitiv de camp a unui proces ce poate fi accesata prin comunicatii se numeste VFD (Virtual Field Device – dispozitiv virtual de camp). In etapa de implementare, relatiile dintre dispozitivele de camp reale si cele virtuale trebuie sa fie foarte clar definite. Un exemplu de astfel de conexiune intre VFD si dispozitive reale este prezentat in figura 2.34.

Fig. 2.34 VFD cu dictionar obiecte

In acest exemplu doar anumite variabile (Cantitate, Rata de esec, Timp inactivitate) sunt parte a VFD si pot fi citite prin intermediul a doua conexiuni. Alte doua variabile (Valoare de referinta si Reteta) nu sunt disponibile prin FMS. Toate obiectele specifice unui dispozitiv FMS sunt introduse in dictionarul de obiecte (Object Dictionary - OD). Dictionarul de obiecte contine

40

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

7 - Constantinescu Catalin

descrierea, structura si tipul de date si, de asemenea, adresa interna, respectiv asignarea lor (index / nume). Obiectele statice sunt introduse in dictionarul de obiecte statice. Ele sunt configurate o singura data si nu pot fi modificate in timpul operarii. FMS recunoaste 5 tipuri de obiecte: -

variabile simple; matrice (serii de variabile simple de acelasi tip); inregistrari (serii de variabile simple de acelasi tip); domenii; evenimente (mesaje evenimente).

Obiectele dinamice sunt definite in sectiunea corespunzatoare a dictionarului de obiecte. Acestea pot pot fi modificate in timpul operarii. Adresarea logica este metoda preferata de adresare a obiectelor. Accesarea se face prin adresa scurta (index) care este un numar de tip Unsigned16. Fiecare obiect are un index unic. O optiune suplimentara este adresarea obiectelor prin nume. La nivel de aplicatie PROFIBUS-FMS are doua componente de baza: -

FMS (Fieldbus Message Specification); LLI (Lower Layer Interface).

2.4.3.2 Serviciile FMS Serviciile FMS sunt un subset al serviciilor MMS (MMS = Manufacturing Message Specification - ISO9506), ele fiind optimizate pentru aplicatiile distribuite, de camp, si care au fost extinse prin functii de administrare a obiectelor de comunicatie si management al retelelor. Serviciile FMS pot fi clasificate in: -

servicii confirmate – acele servicii ce pot fi utilizate doar pentru relatiile orientate pe conexiune; servicii neconfirmate – acele servicii ce se pot utiliza si in relatiile ce nu necesita conexiune (multicast si broadcast).

Serviciile FMS sunt divizate in 7 grupe: -

servicii pentru managementul contextului (Context Management Services) – responsabile pentru stabilirea si terminarea conexiunilor logice; servicii de acces variabile (Variable Access Services) – utilizate pentru accesarea variabilelor, inregistrarilor, matricelor sau a variabilelor de tip lista; servicii pentru managementul domeniilor (Domain Management Services) – utilizate pentru transmiterea unor zone mari de memorie; datele trebuie divizate in segmente de catre utilizator;

41

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

-

-

-

7 - Constantinescu Catalin

servicii pentru managementul invocarii programelor (Program Invocation Management Services) – responsabile de controlul programelor; servicii pentru managementul evenimentelor (Event Management Services) – utilizate pentru transmiterea mesajelor de alarma; aceste mesaje pot fi, de asemenea, utilizate pentru trasmisiile multicast si broadcast; servicii suport VFD (VFD Support Services) – utilizate pentru interogarea si identificarea starii VFD; aceste servicii pot fi utilizate in mod spontan, la cererea unui dispozitiv, in modul multicast sau broadcast; servicii pentru managementul dictionarului de obiecte (OD Management Services) – servicii utilizate pentru accesarea OD in vederea citirii sau a scrierii unui obiect.

2.4.3.3 Interfata la nivel inferior (LLI - Lower Layer Interface) Monitorizarea si controlul fluxului de date sunt task-uri specifice interfetei la nivel inferior – LLI. Comunicarea cu procesele se face prin intermediul canalelor logice numite relatii de comunicatie. LLI furnizeaza diferite tipuri de astfel de relatii de comunicatie pentru executia FMS si managementul serviciilor. Relatiile de comunicatie au diferite capabilitati de comunicatie (de exemplu monitorizare, transmisie si cereri catre partenerii de comunicatie). Relatiile de comunicatie orientate pe conexiune reprezinta o legatura logica punct-la-punct intre doua procese de aplicatie. Inaintea utilizarii pentru transmisia de date, o conexiune trebuie mai intai stabilita printr-un serviciu de initializare (serviciu Init). Dupa stabilirea unei conexiuni, aceasta este protejata fata de accesul neautorizat si este disponibila pentru transferul de date. Cand o conexiune nu mai este necesara, aceasta poate fi inchisa utilizand un serviciu corespunzator (serviciu Abort). LLI permite monitorizarea in timp a conexiunilor. Doua atribute importante specifice relatiilor orientate pe conexiuni sunt “defined” si “open”. In conexiunile definite (“defined”) partenerul de comunicatie este specificat in etapa de configurare. In cazul conexiunilor deschise (“open”) partenerul de comunicatie nu este specificat pana in momentul stabilirii conexiunii. Relatiile ce nu necesita conexiune permite unui dispozitiv sa comunice simultan utilizand serviciile neconfirmate. In relatiile de tip difuzare (broadcast) un serviviu neconfirmat FMS este trimis simultan catre toate statiile. In relatiile de tip multicast un serviciu neconfirmat FMS este trimis simultan catre un grup predefinit de statii. Toate relatiile de comunicatie ale unui dispozitiv FMS sunt introduse intr-o lista de referinte de comunicatie (CRL - Communication Reference List). In cazul dispozitivelor simple, lista este predefinita de catre producator, in cazul dispozitivelor complexe ea fiind configurabila de catre utilizator.

42

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

7 - Constantinescu Catalin

2.4.4 Profilul de comunicatie PROFIBUS-PA Utilizarea PROFIBUS in dispozitivele uzuale si in automatizari este definita de profilul PA. Profilul PA defineste parametrii dispozitivelor si comportamentul acestora astfel incat sa se poata asigura intershimbabilitatea si sa poata opera independent de producator. Descrierea functiilor si a comportamentului dispozitivelor se bazeaza pe blocuri functionale standard, facand PROFIBUS-PA potrivit ca substitut pentru transmiterea de semnale analogice 4..20 mA sau Hart. PROFIBUS permite, de asemenea, masurarea si controlul in bucla inchisa in aplicatiile de proces utilizand un cablu cu doua fire. PROFIBUS permite intretinerea si conectarea / deconectarea dispozitivelor in timpul operarii chiar si in zone sau domenii periculoase (fig. 2.35). Profilul PROFIBUS-PA a fost dezvoltat in stransa cooperare cu utilizatori din industria de prelucrare (NAMUR) si indeplineste cerintele speciale ale acestui domeniu de aplicare: -

profile de aplicatii standardizate pentru automatizarea proceselor si interschimbabilitatea dispozitivelor de camp indiferent de producator; adaugarea si indepartarea de statii la / de la magistrala chiar in zone cu protectie intrinseca, fara a influenta alte statii; alimentarea prin magistrala a traductoarelor utilizand tehnologia pe doua fire in conformitate cu standardul IEC 1158-2; utilizarea este posibila si in zonele cu pericol de explozie, atat cu protectie intrinseca (EEx ia / ib) cat si cu protectie incapsulata (EEx d).

Utilizarea PROFIBUS in ingineria proceselor reduce costurile cu mai mult de 40% in planificare, cablare, punere in functiune si intretinere si ofera o crestere semnificativa in functionalitate si siguranta.

Fig. 2.35 Exemplu de configuratie a unui sistem ce utilizeaza PROFIBUS

43

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

8 - Constantinescu Catalin

CAP. 3 TEHNOLOGIA NFC 3.1 Notiuni introductive Tehnologia NFC (Near-Filed Communication) permite interconectarea fara fir, pe distante scurte, a dispozitivelor electronice ce au implementata aceasta tehnologie. Datorita faptului ca NFC permite transferul bidirectional de date intre dispositive aflate la distante nu mai mari de 10 - 20 cm (este una din tehnologiile wireless cu cea mai scurta raza de actiune – fig. 3.1), aceasta tehnologie este ideala pentru o serie de aplicatii legate, in general, de autentificarea in conditii deosebite de siguranta (plati electronice, transfer de date personale, tichete electronice etc.).

Fig. 3.1 Clasificarea tehnologiilor wireless uzuale functie de domeniul de operare si de rata de transfer al datelor NFC este promovat si intretinut de o asociatie industrial non-profit, NFC Forum, al carui obiectiv principal este acela de a spori gradul de utilizare a tehnologiei NFC intr-un numar cat mai mare de echipamente electronice, de la aparate de masura si control la echipamente mobile si calculatoare personale. NFC este un caz particular al RFID (Radio-Frequency Identification – identificare prin radiofrecventa) cu un set suplimentar de standarde pentru asigurarea interoperabilitatii echipamentelor. NFC utilizeaza un cuplaj inductiv intre dispozitivele ce au implementata aceasta tehnologie si opereaza la o frecventa de 13,56 MHz, pentru aceasta banda nefiind necesara licenta (in spectrul de frecvente radio utilizarea aceastei frecvente este libera, gratuita) – fig. 3.2. Modularea semnalului este de tip OOK (On / Off Keying) cu diferite grade de modulare (intre 10% si 100%) sau BPSK (Binary Phase Shift Keying) – fig. 3.3.

44

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

8 - Constantinescu Catalin

Fig. 3.2 Spectrul de modulatie al purtatoarei si al purtatoarelor auxiliare Un dispozitiv NFC se poate alimenta din campul electromagnetic generat de un alt dispozitiv NFC fiind astfel posibila implementarea de dispozitive fara sursa proprie de alimentare, deci dispozitive de mici dimensiuni si integrarea acestora in diferite obiecte (etichete, carduri, chei, autocolante etc.). Datorita faptului ca domeniul de transmisie este foarte mic, tranzactiile NFC sunt, inerent, mai sigure decat in cazul altor tehnologii wireless. In plus, distantele mici de transmisie implica o putere necesara mica, deci un necesar de energie mic ce face aceasta tehnologie ideala pentru dispozitivele autonome, alimentate de la baterii (cum ar fi, de exemplu, telefoanele mobile).

Fig. 3.3 Tipurile de modulatii utilizate in NFC (OOK intre 10% si 100%, respectiv BPSK)

45

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

8 - Constantinescu Catalin

3.2 Moduri de operare 3.2.1 Modul pasiv In acest mod doar un dispozitiv genereaza camp electromagnetic. In acest sens el este activ si joaca intotdeauna rolul de dispozitiv NFC initiator al transferului de informatie. Celelalt dispozitiv este pasiv si joaca intotdeauna rolul de dispozitiv tinta – fig. 3.4. In acest mod dispozitivul activ (initiator) transfera date prin modularea purtatoarei. Semnalul modulat este detectat de catre dispozitivul tinta, pasiv si sunt interpretate datele. Dispozitivul pasiv transfera ulterior datele catre cel activ prin modularea intensitatii campului. Dispozitivul activ detecteaza variatiile si interpreteaza corespunzator datele. Distanta de operare si viteza de transfer depind atat de marimea antenei cat si de amplitudinea modulatiei campului (fig. 3.5). In ambele directii datele transferate sunt codificate prin metodele definite atat in standardele ISO / IEC RFID cat si in standardele specifice NFC.

Fig. 3.4 Modul de operare pasiv in tehnologia NFC Mod Proximitate Vecinatate

Distanta maxima de operare 10 cm 20 cm

Viteza de transfer Intre 106 si 848 kbps Intre 6 si 53 kbps

Fig. 3.5 Conditiile de operare ale dispozitivelor NFC in modul pasiv Acest mod de operare este, in general, utilizat pentru citirea tag-urilor fara contact si a smart-card-urilor.

46

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

8 - Constantinescu Catalin

3.2.2 Modul activ In acest mod de operare ambele dispozitive genereaza camp electromagnetic de radiofrecventa. Ambele dispozitive transfera date utilizand modulatie ASK (Amplitude Shift Keying). Comparativ cu modul pasiv, in acest mod se pot atinge distante de transmisie de pana la 1m (depinzand de protocol) si, de asemenea, se pot atinge viteze din categoria VHBR (Very High Bit Rate) – pana la 6,78 Mbps daca se utilizeaza modulatie PSK (Phase Shift Keying). Transmisia datelor este half-duplex utilizandu-se acelasi canal radio de ambele dispozitive.

3.3 Moduri de comunicatie 3.3.1 Modul Citire / Scriere NFC Forum recunoaste trei moduri de comunicatie pentru dispozitivele NFC: modul citire / scriere, modul emulare card si modul “peer-to-peer”. Un dispozitiv NFC care opereaza in modul citire / scriere citeste si scrie date de la un, respectiv intr-un obiect NFC. Actiunea pe care o face in continuare dispozitivul poate depinde de datele preluate de la obiectul NFC. Prin obiect NFC se intelege un dispozitiv NFC pasiv, ce se alimenteaza din campul electromagnetic generat de catre un alt dispozitiv NFC. De exemplu, un telefon mobil NFC plasat in proximitatea unui tag NFC este capabil sa citeasca, de exemplu, o adresa de Internet (un site) si sa initieze o conexiune la aceasta adresa. In baza acestor informatii ar putea, de asemenea, sa expedieze un SMS cu un text predefinit. Intre datele citite de la tag-ul NFC ar putea fi si o carte de vizita virtuala (vCard) sau alte date de acest fel. Datele transferate in acest mod nu sunt sigure. Formatul mesajelor transferate in modul citire / scriere sunt standardizate de catre NFC Forum. 3.3.2 Modul emulare card In acest mod dispozitivul NFC se comporta ca un smartcard fara contact standard. Acest mod face posibila utilizarea dispozitivului NFC intr-un sistem ce integreaza echipamente specifice operarii cu smartcard-uri fara contact (infrastructura smartcard) pentru efectuarea diferitelor operatii (control acces, plati, diferite schimburi de date etc.). In acest mod, dispozitivul NFC emuleaza operarea uzuala a smartcard-urilor in mod NFC pasiv iar transferul de date este sigur.

47

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

8 - Constantinescu Catalin

3.3.3 Modul peer-to-peer In modul peer-to-peer dispozitivele NFC opereaza in mod activ. Unul dintre dispozitive initiaza comunicatia. Odata ce conexiunea este stabilita, dispozitivele comunica unul cu altul alternativ, aplicand regula “asculta inainte sa vorbesti”. Viteza de transfer al datelor in acest mod este mai mare comparativ cu celelalte moduri, ceea ce inseamna ca in acest mod poate fi vehiculat un volum mai mare de date.

48

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

9 - Constantinescu Catalin

CAP. 4 TEHNOLOGIA BLUETOOTH 4.1 Notiuni generale In anul 1994 compania de telecomunicatii ERICSON a demarat un studiu de fezabilitate si viabilitate a unei interfete radio ieftine intre telefoanele mobile si accesoriile acestora. Scopul principal al acestei tehnologii era acela de a elimina cablurile dintre telefoanele mobile si echipamentele sau dispozitivele cu care acestea sunt interconectate. La inceputul anului 1997, ERICSON a atras in acest studiu si alti producatori de mobile pentru a creste interesul pentru aceasta tehnologie cu intentia de a creea un numar suficient de dispozitive ce au implementata aceasta tehnologie pentru a starni interesul consumatorilor. In 1998, in luna februarie, a fost infiintat un grup (SIG – Group of Special Interest) format din 5 mari companii: ERICSON, NOKIA, IBM, TOSHIBA si INTEL. Acest grup a fost format dintr-o combitie foarte reusita de producatori: doi producatori de top de telefoane mobile, 2 producatori de top de laptop-uri si un producator de top de circuite de procesare a semnalelor digitale. In 20 si 21 mai 1998, consortiul Bluetooth a fost prezentat publicului larg in Anglia (Londra), California (San Jose) si in Japonia (Tokio). Anuntarea acestui consortiu a constituit o provocare si pentru alti producatori pentru adoptarea si integrarea noii tehnologii. Denumirea Bluetooth a fost inspirata de catre numele regelui Herald I Bluetooth al Danemarcei sub a carui conducere s-au reunificat mai multe mici regate care existau in Danemarca si Norvegia si care functionau dupa reguli diferite, asemenea tehnologiei promovate de ERICSON (Suedia) si NOKIA (Finlanda) – doua teri scandinave. Bluetooth este un standard de comunicatie radio pe distante scurte, tehnologie a carui scop este inlocuirea conexiunilor cablate (prin fir) dintre diverse dispozitive electronice (telefoane mobile, PDA-uri, calculatoare etc.). Aceasta tehnologie poate fi utilizata oriunde – acasa, la birou, in masina etc. Bluetooth permite utilizatorilor realizarea instantanee de conexiuni fiind posibil transferul de voce sau de date in timp real. Modul de transmisie a datelor asigura protectia impotriva interferentelor si siguranta in transmiterea informatiilor. Printre caracteristicile principale ale acestei tehnologii se numara robustetea din punct de vedere al transferului de date, complexitatea redusa, consumul mic si, de asemenea, pretul redus. Bluetooth este un circuit mic ce opereaza intr-o banda de frecvente libera in intreaga lume. In Bluetooth comunicatia poate fi realizata punct-la-punct sau punct-la-multipunct. 4.2 Functionarea dispozitivelor Bluetooth Fiecare dispozitiv Bluetooth este echipat cu un circuit transceiver care transmite si receptioneaza date in banda de frecvente de 2,4 GHz (fig. 4.1). Pe langa date, sunt disponibile si trei canale pentru voce. Viteza de transmisie a informatiei a fost de pana la 1 Mbps la prima generatie de dispozitive Bluetooth, aceasta valoare crescand pe masura ce s-au dezvoltat noi generatii. Un sistem bine pus la punct de salturi de frecventa le permite dispozitivelor Bluetooth sa comunice intre ele chiar si in medii cu perturbatii electromagnetice importante. In afara de aceasta tehnica, standardele Bluetooth furnizeaza si scheme de codificare si verificare.

49

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

9 - Constantinescu Catalin

Fig. 4.1 Modul Bluetooth Standardul Bluetooth opereaza in banda de frecvente de 2,4 GHz, aceasta banda fiind disponibile in intreaga lume. Latimea acestei benzi de frecventa difera usor de la o tara la alta (fig. 4.2). Tara Domeniul de frecventa Europa (mai putin Franta 2400 – 2483,5 MHz si Spania) si USA Japonia 2471 – 2497 MHz Spania 2445 – 2475 MHz Franta 2446,5 – 2483,5 MHz

Canalele RF f = 2402 + k MHz

k = 0 .. 78

f = 2473 + k MHz f = 2449 + k MHz f = 2454 + k MHz

k = 0 .. 22 k = 0 .. 22 k = 0 .. 22

Fig. 4.2 Banda de frecventa de 2,4 GHz in Europa, USA si Japonia Echipamentele din punct de vedere al transmisiei sunt impartite in trei categorii functie de puterea de emisie (fig. 4.3). Pe receptie, echipamentele Bluetooth trebuie sa aiba o sensibilitate de cel putin 70 dBm iar rata admisa a erorilor este cel mult de 0,1%. Clasa de putere

Puterea maxima permisa

Clasa 1 Clasa a 2-a Clasa a 3-a

100 mW (20 dBm) 2,5 mW (4 dBm) 1 mW (0 dBm)

Distanta operaere ~100 m ~10 m ~1 m

aproximativa

de

Fig. 4.3 Clasificarea echipamentelor Bluetooth pe clase de putere de transmisie Din punct de vedere al consumului de energie, acesta trebuie sa fie cat mai mic tinand cont de faptul ca ca circuitele / modulele Bluetooth sunt aditionale intr-un echipament / dispozitiv mobil. Sunt frecvente situatiile in care consumul de energie al modulului Bluetooth este cu pana la 97% mai mic decat al dispozitivului mobil in sine. Este, de asemenea, implementat un algoritm de economisire a energiei. Atunci cand dispozitivul / echipamentul nu schimba informatii, modulul Bluetooth trece intr-un mod de asteptare, mod in care inspecteaza mesajele. Asadar, distanta de transmisie este de 10m pana la 100m, ceea ce poate parea putin, insa nu trebuie uitat faptul ca Bluetooth a fost conceput pentru transfer da informatii pe distante scurte.

50

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

9 - Constantinescu Catalin

4.3 Integrarea dispozitivelor Bluetooth in retele Unul dintre cele mai mari avantaje (din care reiese si versatilitatea proiectarii tehnologiei Bluetooth) consta in facilitatea de a crea si a configura cu usurinta retele de comunicatie intre diferite dispozitive / echipamente ce ai implementata tehnologia Bluetooth. Tehnologia Bluetooth a fost proiectata pentru a lucra in medii multiutilizator. Doua dintre structurile de retea ce se pot implementa intre dispozitive / echipamente Bluetooth sunt Piconet si Scatternet. Retelele Piconet sunt retele ad-hoc PAN (Personal Area Network). Fiecare retea Piconet consta intr-un nod Master si pana la 7 noduri Slave (fig. 4.4). In acest mod de operare, toate dispozitivele / echipamentele Bluetooth impart acelasi canal de comunicatie. Cu toate aceste 8 (maxim) noduri Bluetooth intr-o suprafata cu o raza de numai 10m, apar inerent interferente. Protocolul Bluetooth stie, insa, sa utilizeze tehnici de sarire a frecventelor astfel incat sa se evite disfunctionalitati. In aceeasi suprafata de acoperire pot coexista pana la 10 retele Piconet.

Fig. 4.4 Retele de tip Piconet Deoarece o retea Piconet poate gestiona pana la 8 noduri, este redusa considerabil scalabilitatea adreselor nodurilor. Cu toate acestea, exista conceptul de nod “parcat” in tehnologia Bluetooth, concept care permite ca un dispozitiv sa paraseasca temporar o retea Piconet, timp in care functioneaza intr-o alta retea Piconet. In acest fel, un dispozitiv poate opera ca nod Master intro retea Piconet si ca nod Slave intr-alta de acelasi fel. Acest concept de “parcare” sporeste spatiul de adrese la 255. Acest mod de lucru permite comunicarea inter – Piconet rezultand o retea mai complexa care se numeste Scatternet (fig. 4.5). 4.4 Aplicatii ale tehnologiei Bluetooth Aplicatiile tehnologiei Bluetooth sunt foarte variate. Tehnologia Bluetooth schimba, practic, radical modul de utilizare a dispozitivelor mobile in interactiune cu alte dispozitive. Aplicatiile sunt diverse si sunt limitate de imaginatia dezvoltatorilor. Cateva dintre aplicatiile “clasice” ale acestei tehnologii sunt:

51

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

-

-

-

9 - Constantinescu Catalin

Controlul fara fir si comunicatia dintre un telefon mobil si un dispozitiv de tip “handsfree”. Aceasta aplicatie este una dintre primele implementate la nivelul acestei tehnologii si a devenit foarte rapid extrem de populara. Realizarea de retele intre PC-uri in spatii inchise si in situatia in care este necesara o banda ingusta de comunicatie. Comunicatia fara fir intre PC si periferice, cele mai comune fiind mouse-ul, tastatura si imprimanta. Transferul de fisiere intre dispozitivele ce au implementat protocolul OBEX. Inlocuirea comunicatiei seriale trabitionale, prin fir, in echipamentele de test, receptoarele GPS, echipamentele medicale, scaner-ele de coduri de bare, dispozitivele de control al trafficului. Pentru control acolo unde comunicatia prin infrarosu era utilizata in mod traditional. Transmiterea de mici reclame intre panourile publicitare. Realizarea de controlere comandate Bluetooth pentru consolele de jocuri (Nintendo, Wii, PlayStation). Realizarea de conexiuni dial-up pe PC sau PDA utilizand un mobil capabil sa transfere date ca si modem.

Fig. 4.5 Structura unei retele Scatternet

52

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

10 - Constantinescu Catalin

CAP. 5 RETELE MOBILE DE COMUNICATIE 5.1 GSM - Notiuni de baza GSM (Global System for Mobile communication) este standardul general acceptat pentru comunicatia celulara digitala. GSM este numele unui grup de standardizare stabilit in 1982 pentru crearea unui standard european pentru comunicatiile prin intermediul telefoanelor mobile. GSM face recomandari, nu impune cerinte restrictive vis-à-vis de structurile harware sau software. Astfel, specificatiile GSM definesc in detaliu functiile si cerintele pentru interfete, nefacand, insa trimiteri exacte catre anumite structuri harware. Acest lucru este necesar pentru a nu se limita proiectantii de astfel de sisteme insa trebuie ca operatorii de servicii de comunicatii mobile sa aiba acces la echipamente compatibile care sa permita interoperabilitatea. O retea GSM este divizata in trei sisteme majore: -

SS (Switching System) – sistemul de comutatie (SS) este responsabil de efectuarea procesarii apelurilor si a functiilor legate de abonat. sistemul de comutatie cuprinde mai multe unitati functionale: o HLR (Home Location Register) – este o baza de date utilizata pentru stocarea si managementul abonatilor. HLR este considerata cea mai importanta baza de date datorita faptului ca ea stocheaza permanent date despre abonati, inclusiv profilul de servicii al acestora, informatii de localizare si informatii de stare. Cand un cumparator individual opteaza pentru un abonament la un operator PCS (Personal Communication Service) acesta este inregistrat in baza de date HLR a operatorului respectiv. o MSC (Mobile services Switching Center) – realizeaza functiile de comutatie al serviciilor mobile. MSC asigura interconectarea cu retelele fixe de telecomunicatii, mentine o baza de date care gestioneaza identitatea si localizarea fiecarui deservent, gestioneaza mecanismele de transfer intre celule al apelurilor in cazul in care deserventul isi schimba locatia, gestioneaza semnalizarile cu reteaua fixa si cu statiile de baza (BSS). o VLR (Visitor Location Register) – este o baza de date care contine informatii temporare despre abonati care sunt necesare MSC-ului pentru a-I deservi pe abonatii ce necesita servicii. VLR este intotdeauna integrata cu MSC. Atunci cand o statie mobila (MS) intra in zona de acoperire a MSC, VLR conectata la MSC-ul respectiv va solicita date despre statia mobila de la HLR. Daca mai tarziu statia mobila initiaza un apel, VLR va avea toate informatiile necesare efectuarii apelului fara a mai fi necesara interogarea repetata a HLR. o AUC (AUthentication Center) – AUC ofera autentificarea si criptarea parametrilor care verifica identitatea utilizatorului si asigura confidentialitatea fiecarui apel. AUC este componenta din sistem care protejeaza operatorii de retele de diferite tipuri de frauda. o EIR (Equipment Identity Register) – EIR este o baza de date care contine informatii despre identitatea echipamentului mobil pentru a preveni apelurile de

53

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

-

10 - Constantinescu Catalin

la statii mobile furate, neautorizate sau defecte. AUC si EIR sunt implementate ca noduri de sine statatoare sau ca noduri combinate AUC / EIR. BSS (Base Station System) – Toate functiile legate de radio sunt efectuate in statiile de baza (BSS) care au in componenta doua componente: BSC (Base Station Controller) si BTS (Base Transceiver Station).

Fig. 5.1 Arhitectura simplificata a unei retele mobile de comunicatii o BSC furnizeaza toate functiile de control si conexiunile fizice dintre MSC si BTS. BSC este un comutator de mare capacitate care asigura functiile necesare transferurilor apelurilor (handover), furnizeaza datele de configurare a celulei si controlul nivelurilor de putere de radiofrecventa in statiile de baza (BSS). Un MSC deserveste mai multe BSC-uri.

54

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

-

10 - Constantinescu Catalin

o BTS se ocupa de interfata radio catre statia mobila. BTS este echipamentul radio (transceiver-e si antene) necesare pentru a deservifiecare celula din retea. Un grup de BTS-uri este controlat de un BSC. OSS (Operator and Support Systems) – Centrul de operatiuni si mentenanta (OMC – Operations and Maintenance Center) este conectat la toate echipamentele din SS si BSC. Implementarea OMC este denumita generic sistemul de operare si suport (OSS). OSS este entitatea functionala care monitorizeaza operatorul de retea si controleaza sistemul. Scopul principal al OSS este de a oferi consumatorilor de servicii suport rentabil pentru activitatile specifice de mentenanta si operare specifice retelelor GSM.

Alte entitati specifice structurii simplificate a unei retele GSM sunt: -

-

-

-

GMSC (Gateway Mobile services Switching Centre) – GMSC este un nod utilizat pentru interconectarea a doua retele. Interfata Um – este intrefata dintre statia mobila si BTS. Este numita Um deoarece prin aceasta se face trecerea de la mobil (m) la interfata U specifica ISDN. Interfata A – Interfata A permite interconectarea dintre BSS si MSC. Interfata A – bis – Interfata A – bis (Abis) este interfata dintre /bts si BSC. PLMN – Public Land Mobile Network (PLMN) este dezvoltata si exploatata, respectiv administrata de catre un operator recunoscut ca si furnizor de servicii de telecomunicatii mobile oferite publicului. PSTN – Public Switched Telephone Network (PSTN) este ansamblul de retele de telefonie la nivel global care sunt exploatate de operatori nationali, regionali sau locali oferind o infrastructura si servicii publice. ISDN – Integrated Services Digital Network (ISDN) este un set de standarde CCITT / ITU pentru transmisia datelor prin diferite medii, inclusiv prin intermediul telefoniei clasice, prin fir. PSPDN – Packet Switched Public Data Network (PSPDN) este o retea ce furnizeaza servicii de transfer de date printr-un sistem de retele WAN (Wide Area Network) multiple.

5.2 Conceptul de retea celulara Conceptul de retea celulara a reprezentat un pas important in rezolvarea problemei congestiei spectrale si a limitarii capacitatii de utilizare. Acest concept a oferit o capacitate foarte mare intr-un spectru limitat de frecvente fara a fi necesare schimbari tehnologice majore. Conceptul “celular” se aplica la nivel de sistem si consta in inlocuirea unui singur transmitaro de mare putere cu mai multe transmitatoare de putere mai mica, fiecare dintre acestea oferind acoperire doar pentru o mica parte a zonei de serviciu. Sistemele radio celulare se bazeaza pe o alocare inteligenta a frecventelor si reutilizarea canalelor de-a lungul unei zone de acoperire. Pentru analiza si gestionarea usoara a sistemelor celulare a fost adoptata si general acceptata forma hexagonala pentru fiecare statie de baza. Aceasta forma genereaza, evident, un model simplist de acoperire radio (fig. 5.2).

55

SISTEME DE COMUNICATIE – CURS

10 - Constantinescu Catalin

Fig. 5.2 Ilustrarea conceptului de reutilizare a frecventelor intr-o retea celulara Celulele cu aceeasi litera folosesc acelasi set de frecvente. Un grup de celule (evidentiat in fig. 5.2, fig. 5.3) este reprodus de mai multe ori in zona de acoperire. Un grup de celule (cluster) este format din N celule (N = 7 in exemplul dat). Factorul de reutilizare a frecventei este 1/N deoarece un cluster are N celule care trebuie sa utilizeze numarul total de canale disponibile.

Fig. 5.3 Ilustrarea alocarii celulare a canalelor intr-o retea GSM 56