1

Politechnika WarszawskaWydział Elektryczny

Laboratorium Teletechniki

Skrypt do ćwiczenia T.21/T22

Wybrane standardy transmisji danych wykorzystywanych w energetyce-połączenia lokalne (T.21)

Wybrane standardy transmisji danych wykorzystywanych w energetyce-modemy (T.22)

2

Wybrane standardy transmisji danych wykorzystywanych wenergetyce

1. Cel i zakres ćwiczeniaCelem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadami i standardami transmisji danych użytkowanych w

połączeniach lokalnych spotykanych w systemie elektroenergetycznym. Badania przewidują obserwacjęsposobów transmisji, oraz pomiary podstawowych parametrów transmisji.

2. WprowadzenieWprowadzenie techniki mikroprocesorowej do elektroenergetyki spowodowało pojawienie się na

obiektach elektroenergetycznych urządzeń posiadających możliwość wymiany informacji. Pociągnęło toza sobą spontaniczne powstawanie lokalnych systemów jej wymiany i zbierania. Systemy te stanowiąobecnie najmniej skomplikowaną grupę układów teletechniki spotykaną w elektroenergetyce. Każdy znich wykorzystuje jeden z wielu opublikowanych standardów połączeń takich jak:

- RS232C

- RS485

- pętla prądowa

- pętla światłowodowa

Połączenia te zapewniają obustronną wymianę informacji między urządzeniami, o przepływności odkilkudziesięciu kbps do kilkuset kbps. Powyższe standardy służą do łączenia ze sobą dwu grup urządzeń:

- bezpośrednio powiązanych z elementami elektroenergetycznymi (sterowników obiektowych lubinnych elektroenergetycznych urządzeń mikroprocesorowych takich jak np. zabezpieczeniamikroprocesorowe, regulatory napięcia transformatorów itd.)

- jednostek nadrzędnych, w roli których występują zwykle komputery typu IBM PC

WEJ.

ANAL.

Moduł.

1.

WEJ.

ANAL.

Moduł.

n.

...

WEJ.

DW.

1.

WEJ.

DW.

n.

...

WYJ.

DW.

1.

WYJ.

DW.

n.

...

Magistrala wewnętrzna /dane,adresy,syg. ster./

Układydopasowujące

Jednostka centralna

Mikroprocesor

Układ łączaszeregowego

Pamięćdanych

RAM

Pamięćprogramu

EPROM

Pamięćkonfiguracji

FPROM

do standardutransmisji

dane szeregowe - TTL/zwykle asynchroniczne/

dane szeregowew określonym standardzie

Przykłady układówdopasowujących:

RS232 - MAX232RS285 -SN75176BOPTO -HFBR 73/75

sygnały analogowez przekładników

zestyki pomocnicze_

+

wyłącznika

+cewka wyłącznika

W

-

Rys. 2.1. Uproszczony schemat blokowy urządzeń bezpośrednio powiązanych z elementami elektroenergetycznymi

Urządzenia pierwszej grupy są bezpośrednio połączone z wybranymi fragmentami obiektuelektroenergetycznego (rys. 2.1) i dokonują:

- pomiarów wielkości elektrycznych takich jaki np. pomiar napięcia podawanego z przekładnikównapięciowych, pomiar prądu pochodzącego z przekładników prądowych itd

- odbioru informacji dwustanowych takich jak np. stan położenia wyłączników, stan pobudzeńzabezpieczeń

3

- sterowania elementami wykonawczymi takimi jak np. wyłącznik, regulator zaczepówtransformatora itd.

Połączenia między urządzeniami nadrzędnymi oraz podrzędnymi mogą być chwilowe lub stałe. Wpierwszym przypadku komputery spełniające rolę jednostek nadrzędnych są dołączane do urządzeń nachwilę w celu np. przesłania danych konfiguracyjnych zabezpieczenia, odebrania danych pochodzących zrejestratora zakłóceń itp. Zwykle do takich celów używa się komputerów przenośnych typu Laptop. Jeżelipołączenia są wykonane na stałe, mamy do czynienia z systemem komputerowym, w którym komputernadrzędny zwykle nazywany koncentratorem jest połączony z grupą kilku, czy nawet kilkudziesięciusterowników obiektowych. W obydwu przypadkach wymiana danych odbywa się na zasadzie przesyłaniapoleceń z urządzenia nadrzędnego do sterownika obiektowego oraz otrzymywania zwrotnie odpowiedzi.W odpowiedziach sterownik obiektowy umieszcza informacje o podległym mu urządzeniuelektroenergetycznym. W poleceniach komputer centralny może żądać wykonania operacji na wyjściachcyfrowych sterownika, który w ten sposób może np. otworzyć wyłącznik w danym polu liniowym. Narys. 2.2 pokazano schemat blokowy przykładowego systemu działającego według wyżej opisanych zasad.

...

...

Sterownikiobiektowe

Koncentrator(np. jednego pola)

zwykle przemysłowy

IBM PC

np.

8 x

RS232C

ŁĄCZA

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE

Obiekt

POLE 1

Jednostkacentralna

Układłącza

szeregowego

Układywejściowe

wyjściowei

Sterownik obiektowy nr. 1

Urządzenie nadrzędne połączenieszeregowe

Jednostkacentralna

Układłącza

szeregowego

Układywejściowe

wyjściowei

Sterownik obiektowy nr. 1POLE n

...

Rys. 2.2. Schemat blokowy przykładowego systemu wymiany informacji w stacji elektroenergetycznej

Jak wspomniano na początku rozdziału połączenia między sterownikami obiektowymi i urządzeniaminadrzędnymi mogą być wykonane w wielu standardach W następnych rozdziałach opisano te z nich,które są obecnie najpopularniejsze w elektroenergetyce.

2.1. Standard RS232Standard ten został opublikowany w 1962 roku w USA. W zamierzeniach miał on obowiązywać w

połączeniach urządzeń dokonujących obróbki danych (komputerów, drukarek itd.) z urządzeniamikomunikacyjnymi (modemami).Maksymalna odległość toru transmisyjnego między nadajnikiem i odbiornikiem zdefiniowana w

standardzie wynosi 15m, a przepływność 20kbps (tysięcy bps). W praktyce spotykane są rozwiązaniaoferujące większe przepływności np. 32.8, 57.6 oraz 115kbps.Połączenia lokalne na stacjach elektroenergetycznych wykorzystują niewielką część styku opisanego

w standardzie. Najpopularniejsza wersja - łącze, w które wyposażone są komputery PC wykorzystujejedynie 9 sygnałów z 25 zdefiniowanych i posiada dwa rodzaje złącz: 25 lub 9 stykowe. Ich kształty wrazz numeracją styków oraz oznaczeniami zostały przedstawione na rys. 2.3.Wszystkie sygnały złącza są sygnałami napięciowymi, przy czym:

- na liniach danych (np. TxD) obowiązuje logika ujemna tzn.:

- 1 logiczna jest przyporządkowana napięciu z zakresu -15 do -3V- 0 logiczne jest przyporządkowane napięciu z zakresu +3 do +15V

- na liniach sterujących (np. RTS, CTS itd.) obowiązuje logika dodatnia tzn.:

- 1 logiczna jest przyporządkowana napięciu z zakresu +3 do +15V- 0 logiczne jest przyporządkowane napięciu z zakresu -15 do -3V

4

Numer pinuNazwa i znaczenie sygnału

1

na złączu 25 pinNumer pinu

na złączu 9 pin

2

3

4

5

6

7

8

20

22

obudowa

3

2

7

8

6

5

1

4

9

(AA) PG - masa ochronna - masa

(BA) TxD - dane nadawane - dane

(BB) RxD - dane odbierane - dane

(CA) RTS - żądanie nadawania - syg. ster.

(CB) CTS - gotowość do nadawania - syg. ster.

(CC) DSR - gotowość urządzenia DCE - syg. ster.

(AB) SG - masa sygnałowa - masa

(CF) DCD - poziom sygn. odbieranego - syg. ster.

(CD) DTR - gotowość urządzenia DTE - syg. ster.

(CE) RI - wskaznik wywołania - syg. ster.

31 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

162738495

Rys. 2.3. Kształt wyprowadzeń łącza szeregowego IBM PC wraz z opisem sygnałów

Sygnały sterujące i wejściowe można podzielić na sygnały gotowości oraz sterujące transmisjądanych. Sygnałami gotowości są sygnał wyjściowy DTR i sygnał wejściowy DSR. Pierwszy świadczy ogotowości urządzenia, z którego pochodzi, drugi o gotowości urządzenia, z którym następuje wymianadanych. Sygnały używane do sterowania transmisją to: RTS, CTS oraz DCD. Pierwszy z nich jestsygnałem wyjściowym i sygnalizuje żądanie nadawania danych, drugi (wejściowy) spełnia rolęzezwolenia na transmisję. Sygnał wejściowy DCD informuje o przesyłaniu danych przez odległeurządzenie. Transmisja danych między dwoma urządzeniami takim kanałem transmisji może się odbywaćjedynie w trybie asynchronicznym.

DANE - 5 do 8 bitów

bit kontrolny - parzystości lub nieparzystości stopu

1 lub 2 bitystartubit

Rys. 2.4. Format danych

W standardzie RS232C przesyłane mogą być dane 5,6,7 i 8 bitowe, uzupełnione lub nie o bitsprawdzania parzystości. Format przesyłanych danych (rys. 2.4) jest ustalany w procesie konfiguracjiprogramowej sterowników łącza i w trakcie transmisji zwykle nie jest zmieniany.Transmisja danych łączem może odbywać się na trzy sposoby:

- z użyciem sygnałów sterujących

- bez sygnałów sterujących, z użyciem programowego protokołu XON/XOFF

- bez sygnałów sterujących i programowego protokołu XON/XOFF

Użycie sygnałów sterujących lub protokółu XON/XOFF umożliwia kontrolę przepływu danychmiędzy urządzeniami i zapobiega traceniu informacji w przypadku, jeżeli odbiornik nie jest w stanie nabieżąco ich odbierać (sytuacja taka może mieć miejsce np. w przypadku wysokiej szybkości transmisji imałej mocy obliczeniowej urządzenia odbierającego dane).W przypadku transmisji z użyciem sygnałów sterujących (sprzętowa kontrola przepływu) obydwa

urządzenia łączy się za pomocą kabla modemu zerowego, którego połączenia przedstawiono na rys. 2.5.Proces wymiany danych przebiega wówczas następująco:

- obydwa urządzenia uaktywniają swoje sygnały DTR świadczące o tym, że są gotowe do transmisji

- sygnały te pojawiają się na ich wejściach DSR świadcząc o istnieniu połączenia między nimi

- urządzenie żądające przesyłu danych uaktywnia swój sygnał RTS oznaczający żądanie nadawaniai zwrotnie dostaje potwierdzenie przyjęcia żądania na swoim wejściu CTS. Jednocześnie o fakcierozpoczęcia transmisji zostaje poinformowane drugie urządzenie przez swoje wejście DCD,którego stan określa zajęcie łącza przez transmisję sąsiedniego urządzenia

- urządzenie żądające przesyłu danych wyprowadza na linię TxD dane, które pojawiają się wdrugim urządzeniu na wejściu RxD.

5

Numer pinuZłącza 1

1

2

3

4

5

8

7

6

20

Numer pinuZłącza 2

1

2

3

4

5

8

7

6

20

PG - masa

SG - masa

TxD - dane

RxD - dane

RTS - ster.

CTS - ster.

DSR - ster.

DTR - ster.

DCD - ster.

PG - masa

SG - masa

TxD - dane

RxD - dane

RTS - ster.

CTS - ster.

DSR - ster.

DTR - ster.

DCD - ster.

Rys. 2.5. Schemat połączeń kabla modemu zerowego łączącego dwa urządzenia obróbki danych (np. komputer PC iurządzenie mikroprocesorowe) w standardzie RS232C

W ten sposób urządzenia mogą wymieniać informacje zarówno w trybie half duplex (jedno urządzenieprzesyła dane drugie je odbiera) jak i full duplex (obydwa urządzenia jednocześnie transmitują i dobierajądane).Wymiana danych między urządzeniami niekoniecznie musi opierać się na korzystaniu z sygnałów

sterujących łącza. Sterowanie przepływem danych może odbywać się programowo przez zwrotneprzesyłanie przez urządzenie odbierające dane specjalnych kodów nazywanych XON i XOFF. Daneprzesyłane w tym trybie - tzn. przesyłane protokołem XON/XOFF są zwykle zakodowane w postaciznaków ASCII. Wspomniane kody sterujące posiadają dziesiętnie wartości 19 - XOFF oraz 17 - XON.W przypadku korzystania z opisywanego protokółu programowego, nie istnieje potrzeba korzystania zesprzętowej kontroli transmisji oraz związanych z nią dodatkowych połączeń sygnałów sterujących, coupraszcza łączący dwa urządzenia kabel, ograniczając go do 4 połączeń. Schemat połączeń kablamodemu zerowego, przystosowanego do korzystania z protokółu XON/XOFF przedstawiono na rys. 2.6.

Numer pinuZłącza 1

DTR

Numer pinuZłącza 2

Wersja 4

PG

SG

TxD

RxD

CTS

DSR

DCD

1

2

3

4

5

8

7

6

20

RTS

DTR

PG

SG

TxD

RxD

CTS

DSR

DCD

1

2

3

4

5

8

7

6

20

RTS

Rys. 2.6. Schemat kabla modemu zerowego łączącego dwa urządzenia w standardzie RS232C przy wykorzystaniuprogramowego protokółu XON/XOFF

Proces wymiany danych w przypadku korzystania z programowej kontroli przepływu wyglądanastępująco:

- urządzenie będące źródłem informacji transmituje dane, oczekując jednocześnie na znaki kontroliprzepływu

- urządzenie odbiorcze odbiera dane. W przypadku, gdy stwierdzi, że danych napływa więcej niżmoże przetworzyć (np. w chwili gdy kolejka danych, które zostały odebrane z łącza szeregowegozwiększyła się ponad wartość określoną jako alarmująca) wysyła zwrotnie do urządzenia będącegoźródłem danych kod XOFF - 1910

- urządzenie będące źródłem informacji odbiera kod XOFF i wstrzymuje transmitowanie danych dourządzenia odbiorczego, oczekując jednocześnie na następny znak kontroli przepływu

- po zmniejszeniu kolejki danych do wartości umożliwiającej poprawny odbiór informacji,urządzenie będące jej odbiorcą, przesyła do urządzenia, będącego źródłem informacji kod XON -1710

6

- po odebraniu kodu XON urządzenie będące źródłem informacji wznawia przerwane kodem XOFFnadawanie danych, oczekując jednocześnie na następny znak kontroli przepływu.

Jednakże najczęściej transmisja danych łączem RS232C odbywa się bez użycia sygnałów sterujących iprotokółu XON/XOFF ale przy wykorzystaniu wewnętrznego protokółu najczęściej wymyślonego przezkonstruktorów urządzeń mikroprocesorowych. Regułą jest, że każda firma wytwarzająca urządzenia dlaelektroenergetyki, mające możliwość komunikacji, stosuje do wymiany informacji między nimi akomputerami typu IBM PC opracowany przez siebie protokół. Komunikacja przy wykorzystaniuwewnętrznego protokółu komunikacyjnego nie wymaga stosowania żadnego dodatkowego środkakontroli przepływu typu sygnały sterujące lub znaki XON, XOFF, ponieważ mechanizmy kontroliprzepływu występują w samych protokołach. Z tego względu schemat kabla modemu zerowego,łączącego dwa urządzenia w standardzie RS232C przy wykorzystaniu wewnętrznego protokółukomunikacyjnego, nie zawiera linii sterujących i mogą go stanowić cztery połączenia pokazane na rys.2.7. Stosowanie wewnętrznego protokołu jest z wielu względów wygodniejsze od stosowaniaprogramowej kontroli przepływu, z których najważniejszymi są: mniejsza liczba przewodów potrzebnychdo uzyskania w pełni funkcjonalnego połączenia oraz- fakt, że transmitowane dane mogą przyjmowaćwartości 8 bitowe (przesyłanie kodów binarnych a nie znaków typu ASCII), co znacznie poprawiaszybkość transmisji i przetwarzania danych.

Numer pinuZłącza 1

Numer pinuZłącza 2

Wersja 5

PG

SG

TxD

RxD

1

2

3

7

PG

SG

TxD

RxD

1

2

3

7

Rys. 2.7. Schemat kabla modemu zerowego łączącego dwa urządzenia w standardzie RS232C przy brakusprzętowej i programowej (protokołem XON/XOFF) kontroli przepływu

Zwykle wymiana informacji w protokole wewnętrznym odbywa się paczkami, których przyjęcie jestpotwierdzane przez urządzenie odbierające dane. Mechanizm ten eliminuje potrzebę korzystania zkontroli przepływu, limitując ilość przepływających informacji do poziomu możliwego dozinterpretowania przez odbiornik.Proces wymiany danych w przypadku braku sprzętowej i programowej (- protokółem XON/XOFF)

kontroli przepływu wygląda następująco:

- urządzenie będące źródłem informacji transmituje paczkę danych, oczekując na paczkę zodpowiedzią potwierdzającą poprawność transmisji

- urządzenie odbiorcze odbiera dane. Po przyjęciu paczki danych interpretuje ją i wysyła paczkę zodpowiedzią.

- urządzenie będące źródłem danych po odbiorze paczki z odpowiedzią interpretuje ją i na jejpodstawie przesyła następną paczkę danych itd.

Algorytm działania, w przypadku wystąpienia błędów w transmisji (stwierdzonych przez np. odbiórdanej ze złym bitem parzystości, odbiór paczki ze złą sumą kontrolną, przekroczenie czasu oczekiwaniana odpowiedź), budowa paczki, sposób kodowania oraz występowanie sumy kontrolnej i sposób jejliczenia uzależnione są od przyjętego protokołu, w związku z tym nie można ich jednoznacznie opisać.Należy podkreślić, że ze względu na obciążalność elektryczną nadajników standardu RS232C do

jednego nadajnika można podłączyć tylko jeden odbiornik, a maksymalna gwarantowana długość torukomunikacyjnego nie może przekraczać 15m, przy prędkości transmisji w granicach kilkudziesięciu kbps.Powyższe cechy powodują, że jest ono używane w urządzeniach elektroenergetycznych do lokalnej,sporadycznej wymiany informacji np. z komputerem typu laptop. Permanentne połączenia realizowane sąprzy użyciu innych standardów takich jak RS423, pętla prądowa, RS422, RS485 oraz pętlaświatłowodowa.

2.2. Standard RS485Standard ten jest rozwinięciem standardu RS422 oraz jego poprzednika RS423. Został opublikowany

w 1983r jako standard transmisji, polecany szczególnie w przypadku środowiska z silnymi zakłóceniami i

7

dużym wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Umożliwia wymianę informacji międzywieloma urządzeniami przy korzystaniu z jednego łącza. Łącze składa się z trzech przewodów, z którychjeden jest przewodem ziemi ochronnej, a dwa pozostałe spełniają rolę medium przekazującegoinformacje. Schemat blokowy toru transmisyjnego uzupełniony o urządzenia dokonujące wymianydanych został zamieszczony na rys. 2.8.

RT

RT

Rezystor dopasowujący

Linie transmisji danychLinia ziemi ochronnej

Rezystor dopasowujący

Urządzenie 1 Urządzenie 2 Urządzenie 3 Urządzenie n

...

A

B

Rys. 2.8. Schemat blokowy toru transmisyjnego wraz z urządzeniami dokonującymi wymiany danych wstandardzie RS485

Rezystory zamykające z obu stron tor transmisyjny, stanowią dla niego impedancję dopasowującą,zmniejszającą przepięcia napięciowe, występujące przy przesyłaniu danych. W tym przypadku nadawaniei odbiór danych przebiega w następujący sposób:

- jeden z nadajników przejmuje kontrolę nad liniami transmisji danych, podczas gdy inne nadajnikipozostają w stanie wysokiej impedancji (ich wyjścia są odłączone od linii transmisyjnych);

- przy przesyłaniu bitu o wartości 1, linia A (rys. 2.8) zostaje spolaryzowana przez nadajniknapięciem +5V, podczas gdy linia B napięciem 0V;

- odbiorniki podłączone do linii interpretują ten stan jako "1" logiczną, ponieważ dla nich napięcieA-B ma wartość dodatnią (+5V) i przekracza poziom 200mV;

- przy przesyłaniu bitu o wartości "0", linia A (rys. 2.8) zostaje przez nadajnik spolaryzowananapięciem 0V, podczas gdy linia B napięciem +5V;

- odbiorniki podłączone do linii interpretują ten stan jako "0" logiczne ponieważ dla nich napięcieA-B ma wartość ujemną (-5V) i przekracza poziom -200mV.

Jeden nadajnik może sterować rezystancją dopasowującą o wartości minimum 60Ω oraz 32obciążeniami jednostkowymi, które w standardzie definiuje się jako obwód wprowadzający obciążenie owartości 1mA, przy napięciu wspólnym 12V. Znając jednostkowe obciążenie, które wprowadzają układynadajników i odbiorników można obliczyć maksymalną liczbę urządzeń, które mogą pracować na jednymłączu. Przy stosowaniu standardowych układów np. AD75176B liczba ta nie jest mniejsza niż około 40urządzeń.Maksymalna odległość toru transmisyjnego między nadajnikiem i odbiornikiem zdefiniowana w

standardzie wynosi 1200m, a przepływność 10Mbps (milionów bps). W praktyce największą szybkośćmożna osiągnąć w połączeniach o długości do 60m. Przy większych odległościach szybkość spada i wprzypadku 1200m wynosi ok. 100kbps. Ze względu na fakt, że standard ten jest szeroko stosowany wukładach bazujących na IBM PC, w praktyce wykorzystuje się maksymalnie szybkość 115kbps.Dane transmitowane przez łącze są asynchroniczne. Format danych jest identyczny z pokazanym na

rys. 2.4. Kontrola przepływu danych w systemach opartych na standardzie RS485 bazuje zwykle nawewnętrznym protokole, opracowanym przez konstruktorów urządzeń i systemów informatycznych,wykorzystujących ten standard. Systemy te najczęściej posiadają jedno urządzenie centralne, które copewien czas pyta urządzenia podrzędne. Przy takim algorytmie przesyłania danych, urządzenie centralnesprawuje kontrolę nad łączem w ten sposób, że co pewien czas podłącza swój nadajnik do liniitransmisyjnych, nadając paczkę danych, w której znajduje się informacja o ich miejscu przeznaczenia.Zwykle informacją tą jest adres urządzenia podrzędnego. Po przyjęciu paczki przez wszystkie urządzeniapodrzędne, dokonują one analizy jej zawartości pod kątem zgodności swojego adresu z adresemzawartym w paczce. Po transmisji nadajnik urządzenia nadrzędnego wchodzi w stan wysokiej impedancjizwalniając linie transmisyjne. Urządzenie, które było adresatem danych (jego adres został zawarty w

8

paczce danych) przejmuje kontrolę nad liniami transmisyjnymi i dokonuje transmisji odpowiedzi dourządzenia nadrzędnego, podając w paczce informację o miejscu jej przeznaczenia. Po wytransmitowaniuostatniej danej zwalnia linie transmisyjne wprowadzając swój nadajnik w stan wysokiej impedancji.Złącze wykorzystywane w standardzie RS485 często wygląda identyczne ze złączem 9 pinowym

wykorzystywanym w standardzie RS232C. Przedstawiono je na rys. 2.9 wraz z niezbędnym opisemwyprowadzeń, uzupełnionym o opis wyprowadzeń sygnałów używanych przez standard RS422, który byłpoprzednikiem RS485.

Numer pinuNazwa i znaczenie sygnału - standard RS485

1

na złączu 9 pin

2

3

4

5

6

7

8

9

TX- - nadawanie danych - linia ujemna

TX+ - nadawanie danych - linia dodatnia

GND - masa

RX- - odbiór danych - linia ujemna

RX+ - odbiór danych - linia dodatnia

RTS- - żądanie nadawania - linia ujemna

RTS+ - żądanie nadawania - linia dodatnia

CTS+ - zezwolenie na nadawane - linia dodatnia

CTS- - zezwolenie na nadawane - linia ujemna

DATA- - nadawanie/odbiór - linia ujemna

DATA+ - nadawanie/odbiór - linia dodatnia

Nazwa i znaczenie sygnału - standard RS422

162738495

Rys. 2.9. Kształt wyprowadzeń łącza szeregowego RS485 oraz RS422 w wersji spotykanej na kartachkomunikacyjnych komputera IBM PC wraz z opisem sygnałów

2.3. Standard pętli prądowejW celu zwiększenia zasięgu transmisji oraz ograniczenia błędów związanych z występowaniem

zakłóceń na łączu RS232 wprowadzono jego modyfikację nazywaną "pętlą prądową" lub czasami "pętląprądową 20mA" ewentualnie modułem dalekopisowym (TTY module). Standard ten spełnia rolęekspandera zasięgu standardu RS232C. Często, dzięki wykorzystaniu optoizolatorów, zapewnia równieżizolację galwaniczną między wymieniającymi dane urządzeniami, chroniąc je od uszkodzeńpowstających w przewodach łączących w wyniku indukowania się przepięć.Ze względu na swoją rolę (zamiana sygnałów napięciowych na prądowe) format przesyłanych w tym

standardzie danych, nie ulega zmianie i jest taki jak przedstawiono na rys. 2.4. Dwa urządzenia łączą sięze sobą tylko liniami danych (nadawanie - TxD i odbiór - RxD), które to połączenia wymagają użycia 2par przewodów. Na łączu brak jest sygnałów sterujących przepływem, dlatego kontrolę nad nimprzejmuje oprogramowanie, czyli zaimplementowany protokół wymiany danych. Na rys. 2.10przedstawiono przykład realizacji pętli prądowej pozwalającej na dwukierunkowy przepływ informacji,dodatkowo zapewniającej separację galwaniczną między urządzeniami. W praktyce bardzo częstospotyka się urządzenia zamieniające standard RS232C na standard pętli prądowej i nie wymagającedodatkowego zasilania, jak ma to miejsce na rys. 2.10. Urządzenia te, w celu zasilenia pętli korzystają zdodatkowych sygnałów sterujących dostępnych na łączu RS232C, takich jak np. sygnał RTS lub DTR.

2K

500

4.7KTxD

RxD

2K

500

4.7KTxD

RxD

12V

12V

Rys. 2.10. Uproszczony schemat łącza pętli prądowej

Pętla prądowa posiada często złącze identyczne z używanym przez RS232C lub RS485/RS422,zwykle w takim przypadku sygnały RxD+, RxD-, TxD+ i TxD- odpowiadają położeniem odpowiednimsygnałom standardu RS422 pokazanym na rys. 2.10.

9

2.4. Połączenia światłowodoweOd kilku lat w stacjach elektroenergetycznych coraz częściej pojawiają się połączenia światłowodowe.

W Polsce zwłaszcza w stacjach NN prekursorem wykorzystania światłowodów do wymiany informacji zurządzeniami mikroprocesorowymi była firma ABB. Swoistym standardem stała się więc wprowadzonaprzez nią metoda łączenia urządzeń w pętle światłowodowe. Zanim zostanie ona opisana, wartopoświęcić parę słów zasadzie przekazywania informacji przez łącza światłowodowe.

2.4.1. Podstawy optyki światłowodowejŚwiatłowody można porównać do przewodników fal świetlnych. Przewodnik taki, jak przedstawiono

na rys. 2.11, składa się z rdzenia i płaszcza, zbudowanych z dwóch materiałów optycznych o różnymwspółczynniku załamania.

płaszcz

rdzeń

promień świetlny

granica dwu materiałów

n1

n2

Rys. 2.11. Budowa i zasada przekazywania fali świetlnej w światłowodzie

Światło wpadając do rdzenia światłowodu napotyka na swojej drodze styk wspomnianych materiałówi w rezultacie odbija się od niego z powrotem od środka rdzenia przechodząc dalej. W ten sposób światłowędruje wzdłuż światłowodu ulegając wielokrotnemu odbiciu.Światłowody dzielą się na trzy rodzaje:

- o skokowej zmianie współczynnika załamania światła

- gradientowe

- jednomodowe

Pierwsza grupa obejmuje światłowody wykorzystywane przy najwolniejszych transmisjach naniewielkie odległości nie przekraczające z reguły 1km. Światłowody tej grupy zbudowane są z dwumateriałów o znacznie różniących się współczynnikach załamania. Z tego powodu promień światławędrujący wzdłuż światłowodu doznaje na swej drodze wielokrotnego całkowitego odbicia. Ze względuna stosunkowo dużą średnicę rdzenia promienie świetlne wędrując przez światłowód przebywają różnądrogę powodując powstanie efektu dyspersji (rozmycia w czasie), przedstawionego na rys. 2.12.

promienie świetlne

granica dwu materiałów t

światło nadawane

światło odbierane

Rys. 2.12. Efekt dyspersji występujący w światłowodzie o skokowej zmianie współczynnika załamania światła

Drugą grupą są światłowody gradientowe posiadające inną budowę i właściwości. Współczynnikodbicia światła w ich rdzeniu zmienia się wraz z oddalaniem od osi, co powoduje, że promienie świetlneprzechodzące przez światłowód nie odbijają się od ścian rdzenia, lecz permanentnie zamieniają kierunek,ulegając pewnego rodzaju ugięciu. Wspomniany efekt pokazano na rys. 2.13.Dzięki takiej budowie, efekt dyspersji został znacznie ograniczony, co spowodowało możliwość

zwiększenia szybkości transmisji (typowo: kilkadziesiąt Mbd) oraz długości połączeń (do 20km).Trzecią grupą światłowodów są światłowody jednomodowe, w których średnica rdzenia została

celowo zawężona do takich rozmiarów, aby procesowi przesłania uległo tylko światło odbijające się przydużych kątach odbicia. Taka zasada działania zaowocowała nie tylko zwiększeniem prędkości transmisjido kilkuset Mbd ale również spowodowała zmniejszenie współczynnika strat (ze względu na fakt, żepromień świetlny ulega mniejszej ilości odbić). Zasadę działania tego typu światłowodu pokazano na rys.2.14.

10

promień świetlny

granica dwu materiałów

x

n

x - odległość od osi rdzenian - współczynnik załamania materiału

Rys. 2.13. Zasada konstrukcji i działania światłowodu gradientowego

promień świetlny

granica dwu materiałów

Rys. 2.14. Zasada działania światłowodu jednomodowego

2.4.2. Zasada przekazywania informacji w łączu światłowodowymW technice światłowodowej źródłami oraz odbiornikami światła są elementy półprzewodnikowe.

Zasada działania toru światłowodowego opiera się na zamianie impulsów elektrycznych w impulsyświatła, przesłaniu impulsów świetlnych przez światłowód oraz powtórnej zamianie impulsów światła naimpulsy elektryczne. Proces ten wraz z uproszczonym schematem sterowania nadajnika i odbiornikaprzedstawiono na rys. 2.15.W układzie z rys. 2.15 napięciowy sygnał przenoszący informację - TxD steruje tranzystorem, który

zaczyna przewodzić przy dodatniej polaryzacji złącza baza-emiter. Przewodzenie tranzystora powodujeprzepływ prądu przez diodę nadawczą, co wiąże się z emisją strumienia świetlnego Φ. Strumień świetlnyprzez światłowód trafia do diody odbiorczej, powodując zwiększenie się jej prądu wstecznego.Zwiększony prąd wsteczny w układzie przetwornika I/U powoduje z kolei wzrost napięcia wyjściowego.W ten sposób zmiany napięciowego sygnału TxD powodują powstawanie analogicznych zmiannapięciowego sygnału RxD co w konsekwencji powoduje przekazanie informacji z wyjścia TxD nawejście RxD.

TxD

Uzas

_

+

R

U=R*I

UTxDID

ID

D

strumień świetlny ID'

ID'

URxD

RxD

Φ Φ

Φ

Rys.2.15. Zasada przesyłania informacji przez tor światłowodowy

Ze względu na rodzaj emitowanego światła nadajniki można podzielić na dwie grupy: do pierwszejzaliczamy diody świecące (LED-y), do drugiej diody laserowe. Diody LED, charakteryzują się niskimkosztem, większą powierzchnią świecenia, niespójnym światłem emisji i mniejszą mocą nadawania,dlatego znalazły zastosowanie w połączeniach lokalnych. W transmisjach na większe odległościstosowane są diody laserowe, których moc nadawania oraz powierzchnia świecenia są małe. Małapowierzchnia nadawania wraz z nieco tylko mniejszą mocą wyjściową powodują, że natężenie światłaprzy transmisji jest większe, co korzystnie wpływa na jakość transmisji. Dodatkową zaletą diodlaserowych jest spójne widmo emitowanego światła, które poprawia kształt odbieranych impulsówświetlnych, ujednolicając czas przejścia impulsu przez światłowód.

11

Obydwa rodzaje nadajników operują na ściśle określonych długościach fal świetlnych. Zwykle jest to1,6 lub 1,3µm. Taka praca związana jest z tłumieniem wprowadzanym przez światłowód, którego wykresw zależność od częstotliwości przedstawiono na rys. 2.16.

0.01

0.1

1.0

10

100

tłumienie

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

długość fali

[um]

[dB/km] absorbcja OH

absorbcja UV

absorbcja IR

błędy geometrii

rozproszenie

minima

Rys. 2.16. Typowa zależność tłumienia światłowodu od emitowanej długości fali świetlnej

Jak widać wykres ten posiada wyraźnie zaznaczone minima w okolicach 1,6 oraz 1,3µm, copowoduje, że właśnie te długości fal są stosowane w nadajnikach światłowodowych.Ze względu na duże szybkości transmisji czyli szybkie zmiany strumienia świetlnego, które odbiornik

musi wykrywać, jako detektory strumienia wykorzystuje się diody typu PIN lub AVALANCHE. Diody techarakteryzują się dużą czułością w żądanych długościach fal, małym prądem ciemnym, małąpojemnością oraz związaną z nią dużą szybkością odpowiedzi na zmiany natężenia światła.Wszelkie połączenia między częścią elektryczną, a optyczną w połączeniach światłowodowych

wykonywane są za pomocą ze standaryzowanych złącz. Do popularniejszych standardów należą ST,AMP i SMA. Na rys. 2.17 przedstawiono kształt i wymiary złącz SMA.

1/4 - 36 UNS-2B

TYP A

3.14 (.1235)3.16 (.1245)

9.8 (.386)

8.38 (.33)7.62 (.30)

TYP B

3.18 (.1253)

9.8 (.386)

8.38 (.33)7.62 (.30)

OSŁONA ZPLASTIKU

1/4 - 36 UNS-2B

Rys. 2.17. Kształt i wymiary złącz SMA przewodów światłowodowych

2.4.3. Transmisja danych przez pętlę światłowodowąPrzy tworzeniu połączeń lokalnych w stacjach elektroenergetycznych zwykle wykorzystuje się

światłowody wielomodowe, o najmniejszych możliwościach transmisyjnych, ze względu na kosztybardzo często są to światłowody plastykowe.Z reguły, połączenie wykonane jest w formie dwóch światłowodów, tworzących dwustronny kanał

łączności. Bardzo często połączenia między urządzeniami wykonywane są w formie pętliświatłowodowej, łączącej wiele z nich z centralnym komputerem - zwykle typu IBM PC. Schematblokowy tego rodzaju połączenia przedstawiono na rys. 2.18.Jak widać impulsy elektryczne tworzące transmisję, po zamianie na światło, zostają przesłane do

pierwszego urządzenia, gdzie następuje zamiana informacji świetlnej z powrotem na elektryczną.Informacja w postaci elektrycznej trafia do sterownika łącza szeregowego urządzenia pierwszego, gdziejest dekodowana. Jednocześnie te same impulsy elektryczne w urządzeniu pierwszym zostają z powrotemzamienione na impulsy świetlne i poprzez nadajnik urządzenia pierwszego trafiają do urządzenia 2, gdziezostają poddane tej same procedurze. Nadajnik ostatniego urządzenia w pętli światłowodowej jestpołączony z odbiornikiem komputera centralnego. Wymiana informacji przebiega dwuetapowo.Pierwszym etapem jest przesłanie polecenia z komputera centralnego, które trafia do wszystkich urządzeńwpiętych w pętlę. Następnie urządzenia dokonują analizy przesłanych informacji pod kątem zgodnościadresu urządzenia z adresem zawartym w paczce danych. Urządzenie, do którego przeznaczona byłapaczka, odpowiada przesłaniem własnej paczki z adresem komputera nadrzędnego. Przesłanie to pojawia

12

się na nadajniku urządzenia i po drodze do komputera może trafić na wiele innych urządzeń, którychzadaniem będzie przerzucenie wspomnianej informację z wejścia na wyjście. Można zauważyć, żesystem ten działa tak długo, jak długo każde z urządzeń wpiętych w pętle światłowodową ma zasilanie.Razem z faktem, że jakiekolwiek przerwanie pętli powoduje utratę połączenia ze wszystkimiurządzeniami, stanowi to poważny mankament opisywanego sposobu wymiany informacji w systemachlokalnych. Wady tej nie posiada system, w którym rolę pośrednika w przekazywaniu informacji spełniarozgałęźnik optyczny, rozdzielający strumień świetlny na dwie części, z których jedna trafia doodbiornika urządzenia, a druga do sąsiedniego rozgałęźnika optycznego umieszczonego przy kolejnymurządzeniu . Schemat blokowy zawierający budowę i zasadę przesyłania informacji w takim systemiezostał zamieszczony na rys. 2.19.

Komp. centr. Urządzenie 1

...

Urządzenie 2

Urządzenie n

DANE

DANE

DANE

DANE

Tory transmisyjne

Rys. 2.18. Schemat blokowy pętli światłowodowej - konwencjonalnej

Komp. centr. Urządzenie 1DANE

Urządzenie 2

Urządzenie N

... rozgałęźnik optyczny

Tory transmisyjne

Rys. 2.19. Schemat blokowy pętli światłowodowej - układ z rozgałęźnikami optycznymi

2.5. Konwertery standardówKonwerterami standardów nazwano urządzenia, które dokonują zamiany jednego standardu transmisji

na inny. Konwertery zamieniają wyłącznie sposób reprezentacji informacji, nie ingerując wprzekazywane dane.

TxD

+12V

Φ

R

_

+

RxD

Φ

-12V

-12V

-12V

+12V

złącze mechaniczne

zakończenie światłowodu

światłowód

KONWERTER

Rys. 2.20. Uproszczony schemat ideowy przykładowego konwertera RS232/ OPTO

13

Zamiana może następować wyłącznie na drodze elektrycznej np. zamiana standardu TTL na RS232lub może również dotyczyć medium przekazywania informacji np. zamiana standardu RS232 na standardtransmisji światłowodowej.Obecnie, w praktyce funkcjonują konwertery: RS232/OPTO (2 linie światłowodowe), RS232/TTY

(pętla prądowa), RS232/RS485 i RS232/RS422.Na rys. 2.20 i 2.21 zamieszczono uproszczone schematy ideowe przykładowych realizacji w/w

urządzeń.

500

4.7KTxD

2K

RxD

DTR

traktowany jako zasilanie +12V

+Rx

-Rx

-Tx

+Tx

konwerter

Rys. 2.21. Uproszczony schemat ideowy przykładowego konwertera RS232/TTY (pętla prądowa)

W praktyce konwertery standardów elektrycznych posiadają postać niewielkich urządzeńzabudowanych w obudowach złącz CANON DB9 lub CANON DB25, wkładanych w złącza łącza RS232komputerów PC. Rys. 2.22 przedstawia wygląd zewnętrzny przykładowego modułu zamieniającegostandard RS232 na standard pętli prądowej lub RS485.

90mmx50mmx20mmprzybliżone wymiary:

Rys. 2.22. Wygląd zewnętrzny przykładowego modułu zamieniającego standard RS232 na standard pętli prądowejlub RS485.

Oprócz przedstawionych, niejawnie w mikroprocesorowych urządzeniach elektroenergetycznychfunkcjonują konwertery zamieniające standardy TTL na sygnały wspomnianych standardów RS232,RS485, TTY oraz łącze światłowodowe. Działają one na podobnych zasadach co opisywane. Na rys 2.23zamieszczono przykład aplikacji dwu układów firmy HP, zamieniających sygnały światłowodowe nastandard TTL oraz odwrotnie.

6

3

7

3

2

DATA IN

75451

+5V

T

TRANSMITTERHFBR- 1402/1404

IFRF

RL

6

7

2VCC

DATA OUTRECEIVERHFBR- 2404

światłowód ze złączami SMA

złącze SMA

driver

rezystor limitujący prąd w diodzie nadajnika

R

Rys. 2.23. Schemat elektryczny konwertera TTL/OPTO (szybkość transmisji 10Mbd)

14

3. Sieci komputerowe stosowane w połączeniach lokalnych

3.1. WstępOd pewnego czasu w stacjach elektroenergetycznych oraz ośrodkach dyspozycyjnych pracują układy

szybkiej szeregowej wymiany informacji nazywane lokalnymi sieciami komputerowymi (LAN - LocalArea Network - lokalna sieć komputerowa). Służą one do łatwego łączenia między sobą urządzeńzbierających informacje oraz komputerów (zwykle typu IBM PC) używanych jako konsole operatorskie(stacje robocze) i magazyny informacji serwery. Połączone w sieć mikrokomputery korzystają zewspólnych danych oraz innych udostępnianych w sieci urządzeń (np. drukarek), wymieniając międzysobą informacje z szybkością co najmniej 10Mbd. Systemy sieciowe są w elektroenergetyce najprostsząformą realizacji skomplikowanych systemów wizualizacji stanu pracy oraz sterowania. Umożliwiająszybkie wykonanie efektywnych i stosunkowo tanich połączeń informatycznych spinających ze sobąwszelkie urządzenia mające styczność z informacjami, które z jednej strony trafiają do sterownikówobiektowych, a z drugiej są wizualizowane dla ludzkiej obsługi. Na rys 3.1 przedstawiono przykładowyschemat blokowy układu wizualizująco-sterującego, w którym elementem przekazującym informację zurządzeń do punktów wizualizacji jest sieć o konfiguracji magistralowej. Informacje przekazywane zobiektu elektroenergetycznego trafiają do sterowników obiektowych, gdzie podlegają przekształceniu nainformacje binarne, przechowywane w ich pamięci danych.

Tor transmisyjny

...

Sterownikiobiektowe

np.

8 x

RS232C

ŁĄCZA

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE(np.grupy stacji)Koncentrator

zwykle przemysłowy

IBM PC

...

Sterownikiobiektowe

...

Sterownikimakiety

Koncentrator

zwykle przemysłowy

IBM PC

np.

8 x

RS232C

ŁĄCZA

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE

...

Komputerkonsola operatora

zwykle

IBM PC

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE

Komputerkonsola operatora

zwykle

IBM PC

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE

Komputernagazyn informacji

zwykle

IBM PC

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE

(server)

(połączenie sieciowe)

OBIEKT

POLE 1

POLE n

Makieta

synoptyczna

odwzorowująca

stan

obiektu

makiety synoptycznej

np.

8 x

RS232C

ŁĄCZA

np.

sieć

ETHERNET

ŁĄCZE(np.grupy stacji)Koncentrator

zwykle przemysłowy

IBM PC

Rys. 3.1. Schemat blokowy układu sterowania i wizualizacji pracy obiektu elektroenergetycznego opartego na siecitypu LAN

Koncentratory, które stanowią drugą warstwę urządzeń informatycznych w tym systemie nadzorują pokilka lub kilkanaście sterowników obiektowych. Wymiana danych między tymi urządzeniami odbywa sięna zasadzie przesyłania poleceń z urządzenia nadrzędnego do sterownika oraz otrzymywania zwrotnieodpowiedzi. W odpowiedziach sterownik obiektowy umieszcza informacje o podległym mu urządzeniuelektroenergetycznym. Informacje zebrane ze sterowników dają w koncentratorze obraz stanu urządzeńelektroenergetycznych, nadzorowanych przez podległe mu sterowniki. Na ich podstawie komputer-koncentrator tworzy zbiory zawierające wspomniane dane. Zadaniem systemu sieciowego jestdystrybucja tych zbiorów do innych komputerów pracujących w lokalnej sieci komputerowej. Napodstawie danych pochodzących ze wszystkich koncentratorów tworzony jest obraz całego obiektu, któryw postaci innych zbiorów jest dostępny dla innych komputerów pracujących w lokalnej siecikomputerowej. Zadanie grupowania danych oraz ich dystrybucji spełnia server. Przetworzone informacje

15

trafiają do konsol operatorskich oraz do komputerów spełniających inne funkcje w systemie (np. dosterownika makiety obiektu, który na bieżąco odwzorowuje stan obiektu na jego makiecie synoptycznej).Podany opis działania przykładowego systemu, opartego na dystrybucji informacji w umownej,

trzeciej, sieciowej warstwie sterowania i wizualizacji stanu pracy obiektu elektroenergetycznego, ma nacelu zwięzłe naszkicowanie ogólnej zasady przesyłania informacji przed wprowadzeniem opisu działaniasamej sieci LAN, co będzie przedmiotem następnych rozdziałów. Nie stanowi on natomiast opisuktóregoś z działających systemów, które jako bardziej skomplikowane zostały zamieszczone w ostatnichrozdziałach niniejszej publikacji.

3.2. Wprowadzenie w tematykę lokalnych sieci komputerowych (LAN)Przedstawiony powyżej system przesyłu danych - lokalna sieć komputerowa, której funkcje

ograniczono w przykładzie do dystrybucji zbiorów danych składa się z dwu podstawowych elementów:

- sprzętu (hardware) oraz

- oprogramowania (software) czyli sieciowego systemu operacyjnego.

W skład sprzętu wchodzą:

- serwer - zwykle szybki komputer, zaopatrzony w twardy dysk lub dyski o dużej pojemności.Spełnia funkcję magazynu danych i programów użytkowych. Steruje przepływem informacji wsieci oraz chroni dane przed dostępem osób nieuprawnionych. Nie wykonuje przetwarzaniadanych, jedynie je udostępnia i przechowuje.

- stacje robocze - zwykle komputery typu PC. Otrzymują dane z serwera, następnie przetwarzają je iewentualnie zwracają. Mają możliwość pobierania z serwera i uruchamiania w swoim systemieoperacyjnym programów użytkowych

- okablowanie - zwykle kabel koncentryczny lub światłowód. Zapewnia przekazywanie danychmiędzy komputerami, które łączy ze sobą

- inne elementy sieci LAN - urządzenia z jednej strony umożliwiające podłączenie do serwerawiększej liczby stacji roboczych, niż wynikałoby to z technicznych ograniczeń z drugiejumożliwiające ograniczenie ilości wymienianej informacji przez logiczny podział sieci.

W skład oprogramowania wchodzą:

- sieciowy system operacyjny - oprogramowanie działające na serwerze, sterujące wszystkimioperacjami w sieci, dodatkowo zapewniające ochronę danych przechowywanych na serwerzeprzed modyfikacjami lub kasowaniem przez osoby nieupoważnione.

- powłoka sieciowa (redirector) - oprogramowanie działające na stacji roboczej jako nakładka na jejsystem operacyjny. Zarządza obsługą przetwarzania danych, dokonując oceny czy żądanie obsługizostanie przekazane lokalnie do systemu operacyjnego stacji, czy skierowane do sieci

3.3. Zasada działania LANZasada działania lokalnej sieci komputerowej zależy od jej konfiguracji funkcjonalnej. Korzystając z

tego kryterium można wyróżnić trzy rodzaje sieci:

- równorzędną - w której wszystkie komputery są równoprawne i mają możliwość wzajemnejwymiany zasobów tzn. zbiorów zgromadzonych na dyskach, drukarek podłączonych do portówrównoległych, modemów podłączonych do portów szeregowych itp. Ten rodzaj określa sięczasami mianem sieci PEER TO PEER.

- z udostępnianiem zasobów - w której istnieją centralne komputery nadzorujące wymianęinformacji oraz udostępniające stacjom roboczym swoje zasoby. Urządzenia te nazywane sąserwerami. W takich sieciach stacje robocze mogą się ze sobą komunikować tylko zapośrednictwem serwera.

- typu klient-serwer - w której istnieją komputery typu serwer, lecz w odróżnieniu od poprzedniegorodzaju sieci przetwarzają dane. Mechanizm przesyłania i przetwarzania danych jest bardziejskomplikowany, ponieważ oprogramowanie stacji roboczej i serwera jest podzielone na programyserwera i klienta. Program klienta odbiera od użytkownika dane i po obróbce przesyła je doserwera w celu przetworzenia. Program serwera odszukuje dodatkowe dane w pamięci masowej

16

serwera i przetwarza je, przekazując klientowi wyniki. Zadanie klienta po odebraniu wynikówsprowadza się do ich prezentacji użytkownikowi.

W chwili obecnej najczęściej spotyka się konfigurację z udostępnianiem zasobów, w której dlabezpieczeństwa pracują dwa serwery wzajemnie dublujące swoje funkcje.Można wyróżnić trzy podstawowe topologie sieci: magistrala, gwiazda oraz pierścień, któreprzedstawiono na rys. 3.2.

DANE

...

Urządzenie 1

Urządzenie 3Urządzenie 2 Urządzenie n

MAGISTRALA

DANE

GWIAZDA

Urządzenie 2

Urządzenie 3

Urządzenie n

Urządzenie 1

DANE

Urządzenie 1

Urządzenie 3

Urządzenie 2 Urządzenie n

PIERŚCIEŃ

Rys. 3.2. Podstawowe topologie sieci LAN

Poza wspomnianymi, istnieją również struktury mieszane, np. typu magistrali zakończonejpołączeniem gwiazdowym. Każda z wymienionych topologii posiada swoje zaletyPrzechodząc do bardziej wnikliwego opisu zasady działania sieci LAN, należy zaznaczyć, że

funkcjonuje ona w oparciu o model OSI opracowany i opublikowany w 1978 roku. Precyzuje i ujednolicaon zasadę przekazywania informacji w ramach sieci, dokonując podziału drogi transmisji danych nasiedem części nazywanych warstwami. Strukturę modelu ilustruje rys. 3.3.Warstwa 1 zwana fizyczną (physical layer) opisuje funkcje elektryczne, mechaniczne i kontrolne łącza

danych i fizycznie łączy ze sobą urządzenia sieciowe. W lokalnych sieciach komputerowych są nią kablełączące komputery, ich zakończenia (np. wtyki BNC), nadajniki oraz odbiorniki sygnałów elektrycznychdokonujących zamiany danych szeregowych ze standardu TTL na standard obowiązujący w sieci,terminatory linii (umieszczone w specjalnej obudowie, np. wtyku BNC, rezystory dopasowujące,spełniające te same funkcje, co ich odpowiedniki w opisanym wcześniej standardzie RS485). Bardzoczęsto topologia warstwy fizycznej pokrywa się z przedstawioną topologią sieci.

Warstwa prezentacjiWarstwa sesji

Warstwa transportowaWarstwa sieciowa

Warstwa fizycznaWarstwa łącza danych

Warstwa aplikacji

1

7

56

4

23

Rys. 3.3. Struktura modelu OSI

Pozostałe warstwy można traktować jako oddzielne procesy, które łączą się z odpowiadającymi improcesami przebiegającymi na innym urządzeniu. Warstwy komunikują się ze sobą przy użyciuoddzielnych protokółów. Regułą jest niezależne zabezpieczanie informacji w każdej z warstw.Mechanizm przesyłania danych przy nadawaniu polega na formowaniu z nich, zgodnie z odpowiednimprotokołem, bloków nazywanych ramkami oraz przekazywaniu ich do warstwy niższej. I tak jeżeliprogram - aplikacja pracująca na komputerze A chce przesłać dane do aplikacji pracującej na komputerzeB, przekazuje je w postaci komunikatu - bloku do warstwy prezentacji. Ta z kolei uzupełnia otrzymanedane o informację przeznaczoną dla warstwy prezentacji komputera B i przekazuje dalej do warstwysesji. Ta z kolei, po wprowadzeniu swoich danych, przekazuje je do warstwy niższej i tak dalej, ażinformacja będąca w tym momencie sumą danych pochodzących z wszystkich warstw trafi do warstwyfizycznej, gdzie po zamianie na impulsy elektryczne jest przesyłana do komputera B.

17

Protokół warstwy prezentacjiProtokół warstwy sesji

Protokół warstwy transportowejProtokół warstwy sieciowej

Warstwa fizycznaProtokół warstwy łącza danych

Protokół warstwy aplikacji

1

7

56

4

23

1

7

56

4

23

chwilowy kierunek przepływu danych

Komputer A Komputer B

DANEAP

DANEAPPD

DANEAPSS

DANEAPTR

DANEAPCS TR

SS

SS

PD

PD

PD

NAGŁÓWKI DANE

Ramki danych przesyłanych wsieci

Rys. 3.4. Przekazywanie informacji w modelu OSI

Odebrane przez warstwę fizyczną komputera B dane zostają poddane procesowi odwrotnemu, wktórym poszczególne warstwy przekazują informacje do warstw wyższych pozbawiając jąprzeznaczonych dla nich danych Żadna z warstw nie korzysta z formatu ramek i protokołu innychwarstw. Trafiające do niej dane są traktowane jako informacje bitowe, które w przypadku nadawania,trzeba połączyć w ramkę zgodnie z obowiązującym protokołem oraz przekazać warstwie niższej lub wprzypadku odbioru sprawdzić pod kątem przydatności i wystąpienia ewentualnych błędów, pozbawićinformacji tworzącej ramkę oraz przekazać warstwie wyższej. Schematycznie opisany powyżej procesprzedstawiono na rys. 3.4.Każda z warstw jak już wspomniano realizuje inne funkcje opisane poniżej:

- warstwa fizyczna - przesyła strumień bitów przez wybrane medium komunikacyjne (np. kabel).Na rys. 3.5. przedstawiono przykład kodowania używanego przez warstwę fizyczną sieci LANtypu ETHERNET

5V

0V

0mA

-2V

DANE - kod NKB

DANE -- kod MENCHESTER

PRĄDNADAJNIKA

NAPIĘCIEODBIORNIKA

-90mA

0V

50 150 150 2000 t [ms]

0 1/szybkość 10Mbd/

-41mA

Rys. 3.5. Przykład kodowania używanego przez warstwę fizyczną - sieć ETHERNET

- warstwa łącza danych (data link layer) - zapewnia niezawodną transmisję danych z jednegourządzenia do drugiego, w tym celu wprowadza grupowanie danych w ramki, które są opatrzoneodpowiednimi informacjami adresowymi i zabezpieczającymi. Można w niej wyodrębnić dwiepodwarstwy:

- MAC - Media Access Control - kontrola dostępu do nośnika, która zapewnia bezpośredniąkontrolę fizycznej warstwy sieci (np. w sieci ETHERNET dokonuje sprawdzenia zajętościłącza) oraz- LLC- Logical Link Control - kontrola łącza logicznego, która odpowiada za wymianędanych z warstwą sieciową modelu OSI

Na rys. 3.6 przedstawiono format ramki stosowanej w tej warstwie w sieci ETHERNET.

18

Adresprzeznaczenia

/6bajtów/

Typ danych /2bajty/

Dane/46 - 1500bajtów/

Adresźródła

/6bajtów/

Sumakontrolna/4bajty/

Rys. 3.6. Przykład budowy ramki warstwy łącza danych w sieci ETHERNET

- warstwa sieciowa (network layer) - rozsyła dane pomiędzy komputerami pracującymi w sieci.Tworzy, podtrzymuje i przerywa połączenia sieciowe między dwoma użytkownikami orazprzesyła dane przez te połączenia

- warstwa transportowa (transport layer) - zapewnia przekazywanie danych między dwomaużytkownikami wprowadzając mechanizmy kontroli jakości występującego między nimipołączenia (mechanizmy te to np. ustalenie kolejności przesyłanych bloków danych, żądanieprzesłania brakujących lub uszkodzonych bloków itp.)

- warstwa sesji (session layer) - na podstawie informacji o rodzaju połączenia (duplex, półduplex)określa kiedy użytkownik może przesłać (nadać lub odebrać) dane

- warstwa prezentacji (presentation layer) - dokonuje formatowania, kompresji/dekompresji ikonwersji danych w taki sposób, aby były one zrozumiałe dla aplikacji pracującej w warstwiewyższej (przy odbiorze danych) oraz dla warstwy niższej (przy nadawaniu danych).

- warstwa aplikacji (application layer) - umożliwia programom użytkowym dostęp domechanizmów łączących komputery pracujące w sieci, w celu wymiany informacji, w tym dootwierania i zamykania połączeń między użytkownikami, monitorowania i zarządzania zasobamiwystępującymi w sieci.

Model OSI nie precyzuje sposobu implementacji warstw, jednak najczęściej warstwa fizyczna towszystkie połączenia sieciowe, poczynając od wspomnianych układów nadajnik/odbiornik, warstwa łączadanych to specjalizowany układ mikroprocesorowy zawierający algorytm protokółu łącza, warstwasieciowa to zwykle oprogramowanie w postaci driver'a, warstwy transportowa i sesji są zazwyczajczęścią systemu operacyjnego lub jego nakładki, warstwa prezentacji to procedury w postaci bibliotek, awarstwa aplikacji to program użytkownika, który korzysta ze wspomnianych procedur bibliotecznych.W opisie przedstawionym powyżej brakuje wyjaśnienia zasady uzyskiwania przez komputery dostępu

do okablowania sieciowego. Jeżeli założymy, że łączy ono wszystkie pracujące w sieci urządzenia, to jestoczywiste, że nie mogą one transmitować danych w tym samym czasie, co wiąże się z uzyskiwaniemprzez nie dostępu do nośnika. Najbardziej popularnymi metodami są: CSMA/CD oraz przekazywanieznacznika.Metoda dostępu wielokrotnego z wykrywaniem nośnej - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection), polega na ciągłym monitorowaniu stanu sieci i rozpoczynaniu transmitowaniadanych w chwilach ciszy. W przypadku wykrycia zniekształceń w transmisji (świadczących owystąpieniu kolizji czyli sytuacji, w której dwa lub więcej komputerów w tej samej chwili nadajeinformację przez jeden kabel sieciowy), po jej zakończeniu każdy z transmitujących komputerówponawia próbę przesyłania danych po pewnym losowo nastawionym czasie opóźnienia. Jeżeli za drugimrazem sterownik karty sieciowej wykryje fakt kolizji, dwukrotnie zwiększa czas opóźnienia. Jeżeli znowunastąpi kolizja czas jest także podwajany. Powyższy proces może się zakończyć dwojako. Albo danezostaną w końcu przesłane, albo wystąpi pewna określona uprzednio liczba kolizji (dla kart sieciowychinstalowanych w PC liczba ta wynosi zwykle 16). W drugim przypadku, sterownik karty wysyłakomunikat błędu informujący o braku możliwości przesyłu danych. Powyższy sposób uzyskiwaniadostępu do nośnika nie zapewnia 100%.pewności dostępu, w odróżnieniu od drugiej metody nazywanejprzekazywaniem znacznika.Metoda przekazywania znacznika polega na tym, że między komputerami połączonymi w sieć

przekazywany jest znacznik. Tylko komputer posiadający znacznik ma prawo wysyłania informacji dosieci. Jeżeli w trakcie posiadania znacznika komputer nie ma nic do przekazania, znacznik trafia dokolejnego komputera. W przypadku konieczności wysłania danych, np. z komputera o numerze 3 do

19

komputera o numerze 7, komputer numer 3 czeka z wysłaniem danych do czasu uzyskania znacznika. Pojego otrzymaniu zaznacza go jako zajęty, dołącza do niego oprócz przekazywanych danych informację onumerze odbiorcy (w tym przypadku komputera 7) i przesyła do sieci. Znacznik wędruje przez sieć izatrzymuje się w komputerze 7, który odbiera z niego dane jednocześnie zaznaczając, znacznik jakowolny. Ten sposób przekazywania znacznika obowiązuje np. w sieciach Token Ring.Niezmiernie ważnymi elementami sieci LAN są protokoły komunikacyjne. Na rys 3.4 przedstawiono

ich teoretycznie miejsca w modelu OSI. Protokoły stosowane w praktyce grupują kilka warstw sieci.Zwykle działają w warstwach sieciowej i transportowej oraz czasami w warstwie sesji. Aby mógł zajśćtransfer danych, wszystkie komputery połączone siecią muszą używać ten sam protokół albo korzystać zmechanizmów translacji protokółów. Do najpopularniejszych protokółów należą:

- NETBIOS - niskopoziomowy protokół komunikacji między komputerami, opracowany przezfirmę IBM dla własnych systemów sieciowych

- XNS - rodzina protokółów sieci INTERNET opracowana w firmie Xerox oraz

- TCP/IP - zestaw protokółów komunikacyjnych przeznaczonych do niezawodnego rozsyłaniakomunikatów w sieciach Internetowych i LAN.

3.4. Elementy składowe i funkcjonowanie LAN na przykładzie sieci ETHERNETW obecnej chwili najpopularniejszym standardem LAN jest ETHERNET. Dlatego też w skrypcie

zdecydowano się na zamieszczenie dokładniejszego opisu elementów składowych właśnie tegostandardu.W tej sieci medium przenoszącym informację może być: gruby kabel koncentryczny, cienki kabel

koncentryczny, skrętka oraz światłowód. Parametry, które musi spełniać każdy w wymienionych typówokablowania zostały znormalizowane przez organizację IEEE w postaci standardów. Każdy z nichokreśla nie tylko parametry elektryczne, optyczne samych przewodów, lecz również złącz używanych dopodłączania urządzeń.Znane są następujące rodzaje typów okablowania:

- gruby kabel koncentryczny - określany jako standard 10Base5 (w obecnej chwili w zaniku)

- cienki kabel koncentryczny opisany jest przez standard 10Base2

- skrętka - opisana przez standard 10BaseT.

- połączenia światłowodowe – opisane przez standard 10Base FL.

Cienki kabel koncentryczny opisany jest przez standard 10Base2. Jest to kabel o impedancji falowej50Ω, elastyczny i łatwy w instalacji. Segmenty sieci na nim oparte, zakończone są łatwymi dopodłączenia wtykami BNC, w których umieszczone są rezystory dopasowujące o wspomnianejrezystancji. Kilka odcinków cienkiego kabla koncentrycznego można łączyć ze sobą za pomocą złączatulejowego typu BNC. Podłączenie urządzeń sieciowych odbywa się również przez stosowanie złączBNC. Ograniczenia występujące w tego typu okablowaniu są następujące:

- maksymalna długość pojedynczego segmentu sieci wynosi 182m (jeden odcinek lub kilkaodcinków kabla połączonych złączami tulejowymi uważa się za jeden segment sieci)

- segment musi być zakończony impedancją dopasowującą umieszczoną w terminatorze typu BNC

- sieć może składać się maksymalnie z 5 segmentów połączonych ze sobą urządzeniami typuwzmacniak

- maksymalna liczba przyłączy występujących w segmencie nie może przekraczać 30

- minimalna odległość między przyłączami wynosi 0,5m

W celu zilustrowania elementów łączeniowych okablowania tego typu przedstawiono je na rys. 3.7.Zupełnie inaczej budowana jest sieć wykorzystująca nieekranowaną skrętkę opisaną przez standard

10BaseT. Skrętka to kabel telefoniczny z dwoma parami skręconych żył, elastyczny i łatwy w instalacji.Topologia sieci opartej o tego typu kabel jest gwiazdą ze specjalnym urządzeniem o nazwie hub lubkoncentrator zainstalowanym w środku gwiazdy. Każdy promień gwiazdy zakończony jest wtykamitelefonicznymi RJ45, przez które podłącza się urządzenia sieciowe.

20

złącze tulejowe typu BNC

...

trójnik ze złączami BNC

kabel koncentryczny

uziemienie ochronnesegmentu sieci

terminator - impedancja falowa

cienki kabel koncentryczny

zakończony wtykiem BNC

Rys. 3.7. Elementy sieciowe stosowane w sieci ETHERNET opartej na cienkim kablu koncentrycznym

Ograniczenia występujące w tego typu okablowaniu są następujące:- maksymalna długość pojedynczego segmentu sieci (jednego promienia gwiazdy) wynosi 100m(dla połączeń dłuższych należy użyć wzmacniaka)- do jednego segmentu podłącza się 1 urządzenie sieciowe- sieć może składać się maksymalnie z 1024 urządzeń sieciowych, przy czym nie ma limituurządzeń przypadających na jeden segment sieci

W celu zilustrowania topologii i elementów łączeniowych okablowania tego typu przedstawiono je narys. 3.8.

HUB lub koncentrator

skrętka

...Do innych urządzeń

Rys. 3.8. Elementy sieciowe stosowane w sieci ETHERNET opartej na nieekranowanej skrętce

Najdroższym rozwiązaniem, które może być stosowane w sieci ETHERNET do tworzenia mediumkomunikacyjnego są kable światłowodowe. Stosowanie tego rozwiązania ma wiele zalet, z którychnajwiększe to: odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, brak galwanicznego połączeniakomputerów pracujących w sieci oraz brak ograniczeń w topologii i ilości urządzeń.W sieci poza komputerami typu: serwery i stacje robocze oraz łączącego je okablowania mogą znaleźć

się inne urządzenia, realizujące specyficzne funkcje związane bezpośrednio z jej pracą. Przykładamitakich urządzeń są wymieniony wcześniej hub oraz wzmacniak. Poza nimi w sieci mogą funkcjonowaćniżej opisane mosty (bridges), rutery i bramy (gates).Wzmacniak (repeater) jest najprostszym ze wspomnianych urządzeń. Jego funkcja sprowadza się do

regeneracji odbieranego sygnału.Wzmacniak funkcjonuje w warstwie fizycznej, dlatego ma możliwość wykrywania kolizji. Umożliwia

rozciągnięcie segmentu sieci, poza ograniczenia wynikające z zasad okablowania. Wzmacniak jesttraktowany jako jedno urządzenie, w każdym przyłączonym do niego segmencie sieci. Ze względu na to,że nie stanowi elektrycznego zakończenia segmentu, należy zakończyć linię, która do niego dochodziterminatorem. Przykład połączenia segmentów sieci przy pomocy wzmacniaka ilustruje rys. 3.9.Innym urządzeniem sieciowym spotykanym w sieci jest most (bridge). Jego funkcją jest łączenie dwu

odrębnych sieci lokalnych. W modelu OSI funkcjonuje na poziomie łącza danych oraz w warstwiefizycznej. Jako urządzenie warstwy fizycznej regeneruje sygnały podobnie jak wzmacniak. Działając wwarstwie łącza danych analizuje nagłówki przesyłanych ramek i na podstawie zawartych w nich adresówurządzeń docelowych, decyduje do której sieci należy dany pakiet. W ten sposób transmisje prowadzonew jednej sieci nie wpływają na wymianę danych w drugiej, za wyjątkiem sytuacji, gdy pakiet z jednej

21

sieci posiada adres urządzenia pracującego w drugiej. Taka ramka danych przechodzi przez most i trafiado drugiej sieci a w niej do urządzenia docelowego. Aby wykonać tak opisane zadanie łączenia sieci,most powinien posiadać informacje o adresach urządzeń pracujących w obu sieciach. Informacja ta mastrukturę tablicy. Ze względu na sposób uzyskiwania tej informacji, mosty można podzielić na statyczne,normalne i uczące się. Pierwsza grupa wymaga podania adresów urządzeń pracujących w obu sieciach wmomencie konfigurowania i uruchamiania mostu. Druga zbiera informacje o adresach urządzeń w trakciepracy sieci, korzystając z metody o nazwie zachowaj i przekaż (store and forward). Zgodnie z tą metodąmost analizując transmitowany pakiet sprawdza występujący w nim adres porównując go z informacjąprzechowywaną w tablicy adresów, jednocześnie zapamiętując numer sieci, w której pojawił sięanalizowany pakiet. W przypadku braku adresu w tablicy, zostaje on w niej zapamiętany, a pakietprzekazywany jest do drugiej sieci. W ten sposób, w wyniku analizowania transmitowanych dwomasieciami danych, most kompletuje wspomnianą tablicę adresów, uzyskując po pewnym czasie kompletnąinformację o pracujących w nich urządzeniach. Trzecia grupa - mosty uczące się, natychmiast pouruchomieniu wysyłają informacje do wszystkich urządzeń w obu sieciach z żądaniem odpowiedzi i napodstawie uzyskanych tą drogą informacji uzyskują niezwłocznie wspomnianą tablicę adresów.

...

segment 1

...

segment 2

wzmacniak

Rys. 3.9. Przykład połączenia 2 segmentów sieci przy pomocy wzmacniaka

W systemie sieciowym może funkcjonować wiele mostów, lecz dwie sieci mogą być połączone zesobą maksymalnie dwoma, z których jeden pracuje, a drugi stanowi rezerwę na wypadek awariipierwszego. Rozwiązanie z dwoma mostami jest spotykane niezwykle rzadko, zwykle między sieciamifunkcjonuje jeden most tak jak to przedstawiono na rys. 3.10.

...

sieć nr 1

...

sieć nr 2

most nr 1

...sieć nr 2

most nr 2

Rys. 3.10. Przykład połączenia 3 sieci przy pomocy 2 mostów

Dodatkową funkcją, którą może wykonywać most jest łączenie dwu typów linii transmisyjnych np.odcinka sieci opartej na cienkim kablu koncentrycznym i światłowodowej linii transmisyjnej (rys. 3.11).

22

sieć nr 1

...

most nr 1

...

sieć nr 2

most nr 2

linia światłowodowa

Rys. 3.11. Przykład łączenia linii transmisyjnych różnych typów przy użyciu mostów

W przypadku łączenia mostami bardzo odległych sieci, rolę linii transmisyjnej może przejąć łączetelekomunikacyjne np. linia telefoniczna. W przypadku takiego wykorzystania most nazwa się mostemzdalnym.Pod nazwą hub kryje się urządzenie spełniające w sieci rolę wieloportowego mostu. Podobnie jak

most, wykorzystuje on adres z warstwy łącza danych porządkując transmisję w taki sposób, że jest onawidoczna jedynie przez dwa urządzenia wymieniające między sobą informacje. Dzięki temu zachodzimniej kolizji, co pozwala na zwiększenie wydajności sieci. Hub jest rozwiązaniem najczęściejspotykanym w sieci standardu 10BaseT (opartej o połączenia kablowe wykonane w postaci skrętki).Przykład połączenia urządzeń przy wykorzystaniu hub'a przedstawiono na rys 3.8.Kolejnym urządzeniem spotykanym w sieci jest ruter.

sieć nr 1

...ruter nr 1

...sieć nr 9

ruter nr 9

ruter nr 3

ruter nr 5

sieć nr 4

ruter nr 4

sieć nr 7

ruter nr 7

połączeniemiędzy ruterami

9 7 5 3 DANE

9 7 5 DANE 9 7 DANE9 9 DANE

adres następnego

adres docelowy

rutera

DANE

sieć nr 5

A

B

dane wysłane z komputera A (sieć 1)do komputera B (sieć 9)

Rys. 3.12. Przykład przesyłania danych między urządzeniami sieciowymi przy wykorzystaniu ruterów

Działa on w trzeciej - sieciowej warstwie modelu OSI. Ze względu na fakt, że standard ETHERNETobejmuje jedynie dwie pierwsze warstwy sieci - warstwę fizyczną oraz łącza danych, a ruter jakwspomniano działa w trzeciej, wymusza to zgodność protokołów stosowanych w warstwie sieciowej obułączonych sieci. Jego zadaniem jest przesyłanie pakietów danych do podłączonych do niego sieci lubretransmisja danych do innych ruterów, z którymi jest połączony. W tym celu korzysta on z informacjizawartej w ramce warstwy sieciowej, na którą składa się między innymi adres miejsca przeznaczenia,oraz adres kolejnego rutera, przez który musi przejść dany pakiet danych aby trafić w końcu do miejscadocelowego. Mechanizm działania polega na porównywaniu obu adresów. Ich zgodność oznacza, że

23

urządzenie będące adresatem danych istnieje w sieci podłączonej bezpośrednio do rutera, co powoduje,że jest ona tam transmitowana. Niezgodność powoduje przesłanie danych do rutera wskazanego przezadres rutera. Takie działanie powoduje, że w na drodze przesyłania danych, bezustannie zmienia się adreskolejnego rutera. Opisany mechanizm został pokazany na rys. 3.12.

sieć ETHERNET

...

brama (gateway)

...

hub Token Ring

sieć Token Ring

Rys. 3.13. Przykład łączenia sieci ETHERNET oraz Token Ring przy wykorzystaniu bramy (gateway)

Najbardziej skomplikowanym elementem sieciowym jest brama (gateway). Może funkcjonować nawszystkich warstwach modelu OSI wyższych niż sieciowa. Służy do łączenia sieci o odmiennejarchitekturze i używanych protokołach. Bardzo często bramy używane są do łączenia sieci lokalnych zsieciami rozległymi typu np. Internet. Rysunek 3.13 przedstawia wykorzystanie bramy do połączeniasieci typu ETHERNET oraz Token Ring.Innym sposobem połączenia ze sobą wielu sieci lokalnych, jest użycie sieci szkieletowej (backbone

network).

sieć nr 1

...ruter nr 1

...sieć nr 9

ruter nr 2

ruter nr 3

ruter nr 20

ruter nr 22

ruter nr 23

...ruter nr 21

SIEĆ SZKIELETOWA

Rys. 3.14. Przykład połączeń między sieciami LAN i siecią szkieletową

Jest to sieć centralna, o dużej przepustowości, integrująca wiele sieci lokalnych (w tym przypadkunazywanych sieciami udostępnionymi). Jej użycie zmniejsza zawodność sieci jako całości ponieważumożliwia wydzielenie wielu sieci lokalnych, pracujących zupełnie niezależnie od siebie. Do sieciszkieletowej trafiają jedynie dane, które są wymieniane między sieciami lokalnymi. Wszystkie pozostałeinformacje zostają wyfiltrowane na styku sieci lokalnych i szkieletowej. W celu podłączenia sieciszkieletowej do sieci lokalnej używane są bramy lub rutery. Wybór urządzenia zależy od architektury obusieci. Na rys. 3.14 przedstawiono przykład sieci szkieletowej integrującej 2 sieci lokalne.

24

4. Przesyłanie informacji w systemach rozległychTeletechnika to nie tylko lokalne przesyłanie informacji o obiektach elektroenergetycznych, to przede

wszystkim przesyłanie ich na duże odległości. W połączeniach lokalnych wymiana informacji opiera sięna transmisji wąskopasmowej, w której torem telekomunikacyjnym może poruszać się w tym samymczasie jedynie jedna informacja. Sytuacja, kiedy kilka nadajników jednocześnie nadaje informacje przezten sam tor, prowadzi do błędów w transmisji, ponieważ sygnały nadajników w linii sumują się, czyliwzajemnie zakłócają. Można jednak spowodować , że przez jeden tor telekomunikacyjny zostanąniezależnie przesłane informacje z wielu źródeł. Obecnie istnieją dwie metody wykonania tego zadania.Pierwsza - analogowa polega na zastosowaniu zjawiska modulacji, druga - cyfrowa na dzieleniu czasu.

4.1. Modulacja - wstęp do rozległych systemów analogowychKażdy tor telekomunikacyjny, można w przybliżeniu potraktować jako czwórnik o określonym paśmie

przenoszenia, czyli określonym zakresie częstotliwości, które podczas transmisji na drodze od wejścia dowyjścia ulegają akceptowalnemu tłumieniu. Częstotliwości z poza pasma przenoszenia są tłumione wwiększym stopniu i w związku z tym nie mogą być używane do transmisji sygnałów. Pasmo przenoszeniamożna podzielić na wiele podzakresów nazywanych kanałami. Jeżeli każdy z nadajników będzie używałjedynie swojego kanału do transmisji informacji, czyli będzie operował na swoim zakresie częstotliwości,wtedy będzie możliwe przesłanie wielu informacji z różnych nadajników do różnych odbiorników tymsamym torem. Rysunek 4.1 przedstawia zasadę proponowanego rozwiązania. Mechanizmemzamieniającym informację na pewien zakres częstotliwości jest modulacją.

pasmo przenoszenia

NADAJNIK 2

URZĄDZENIE

TELEKOMUNIKACYJNE

ODBIORNIK 2

URZĄDZENIE

TELEKOMUNIKACYJNE

+

NADAJNIK 1 f

f

f

kanały z informacją

f

f

filtry kanałów

ODBIORNIK 1

linia telekomunikacyjna

kierunekprzepływu informacji

częstotliwość

/sygnał zmodulowany/

Rys. 4.1. Zasada przesyłania wielu informacji jednym torem telekomunikacyjnym przy wykorzystaniu zjawiskamodulacji amplitudy

Modulacja jest pewnym przekształceniem, które wprowadza informację w medium komunikacyjnenazywane nośnikiem. Zmodulowany nośnik nazywa się sygnałem transmisyjnym. Proces odwrotny domodulacji nosi nazwę demodulacji i znajduje zastosowanie przy wyprowadzaniu informacji z przebiegunośnego. W procesie modulacji biorą udział: sygnał nośny oraz sygnał modulujący, który wpływa napewien parametr sygnału nośnego. Rysunek 4.2 ilustruje ten mechanizm. Parametrem modulacji możebyć amplituda, częstotliwość, faza itd. W zależności od typu sygnału nośnego oraz poddawanegozmianom parametru wyróżniamy następujące rodzaje modulacji:

- jeżeli nośnik jest sygnałem sinusoidalnym:- modulację amplitudy - AM (Amplitude Modulation)- modulację częstotliwości - FM (Frequency Modulation)- modulację fazy - PM (Phase Modulation)

- jeżeli nośnik jest sygnałem impulsowym:- modulację amplitudy impulsów - PAM (Pulse Amplitude Modulation)- modulację częstotliwości impulsów - PFM (Pulse Frequency Modulation)- modulację fazy impulsów - PPM (Pulse Phase Modulation)- modulację czasu trwania impulsów - PDM (Pulse Duration Modulation)- modulację liczby impulsów - PNM (Pulse Number Modulation)- modulację kodowoimpulsową - PCM (Pulse Code Modulation)

25

f

linia telekomunikacyjna

modulator

Sygnał nośny/modulowany/

Informacjaf

f

przebieg sygnałupo modulacji

Odwzorowanie

sygnał modulujący

Rys. 4.2. Mechanizm modulacji

Podane typy modulacji dotyczyły przypadku, w którym sygnał modulujący, niosący informację byłsygnałem ciągłym (np. przebiegiem prądu indukowanym w mikrofonie telefonu). W przypadku kiedyinformacja ma postać sygnału cyfrowego - postać binarną - modulacja nazywana jest kluczowaniem lubmanipulacją. Można wyróżnić trzy rodzaje kluczowania:

- kluczowanie amplitudy - ASK (Amplitude Shift Keying)- kluczowanie częstotliwości - FSK (Frequency Shift Keying)- kluczowanie fazy - FSK (Phase Shift Keying)

Z punktu widzenia systemów transmisji ważnym parametrem modulacji jest szerokość pasma, którezajmuje informacja po zmodulowaniu. Powód jest oczywisty. W przypadku złego ulokowaniazmodulowanej informacji w torze transmisyjnym może dojść do nałożenia się dwu kanałów na siebie i wrezultacie odbiorniki otrzymają sumę informacji przesyłanej z nadajników, co jest równoznaczne zwystąpieniem błędów.

4.1.1. Modulacja amplitudy (AM - Amplitude Modulation)W modulacji tego typu amplituda przebiegu modulowanego (nośnego) zależy od wartości chwilowej

przebiegu modulującego. Jeżeli założymy, że:- przebieg modulowany opisany jest zależnością:

iΩ(t) = Im(iω(t))⋅cos(Ω t)gdzie:Im(iω(t)) - amplituda przebiegu modulowanego (zależna od wartości chwilowej

przebiegu modulującego)Ω - pulsacja przebiegu modulowanego

- przebieg modulujący opisany jest zależnością:iω(t)=Iω⋅cos(ω t)gdzie:Iω - amplituda przebiegu modulującego

ω - pulsacja przebiegu modulującego- funkcja określająca zależność między amplitudą przebiegu modulowanego i wartością chwilowąprzebiegu modulującego opisana jest zależnością:

Im(iω(t)) = IΩ+Iωcos(ω t)gdzie:IΩ - amplituda przebiegu modulowanego

to w wyniku podstawienia uzyskamy funkcję opisującą zachowanie sygnału po modulacji w postaci:I(t) = [IΩ+Iωcos(ω*t)]⋅cos(Ω t) ,skąd po przekształceniu otrzymamy:I(t) = IΩcos(Ω t)+Iωcos[(ω+Ω) t]/2+Iωcos[(ω-Ω) t]/2

Wynika z niego, że w sygnale otrzymanym w wyniku modulacji AM istnieją 3 składowe:- pierwsza - fala nośna określona zależnością:

IΩcos(Ω t)- druga - górna wstęga boczna:

Iωcos[(ω+Ω) t]/2- trzecia - dolna wstęga boczna:

26

Iωcos[(ω-Ω) t]/2Na rys. 4.3 przedstawiono powyższe zależności w sposób graficzny dodając założenie, że pulsacja

przebiegu modulującego zawiera się w przedziale (ωmin, ωmax).

fala nośna

2*Π* fΩ -ω Ω -ωΩ

dolna wstęga

boczna

górna wstęga

boczna

fala nośna

2*Π* fΩ -ω Ω

dolna wstęga

boczna

górna wstęga

boczna

max Ω -ωmin Ω ωmaxΩ+ωmin +

a) sygnał modulujący o częstotliwości:

a) sygnał modulujący o pulsacji z zakresu: ω maxωmin,

ω

pasmo przed

pasmo po modulacji

modulacją

Rys. 4.3. Interpretacja graficzna widma sygnału po modulacji amplitudy

Ze wzoru oraz analizy graficznej wynika, że taka modulacja posiada trzy niekorzystne cechy:- poszerza pasmo potrzebne do przesłania informacji- w sygnale zmodulowanym zakodowana informacja jest zdublowana (obecność 2 wstęg bocznychposiadających tę samą informację)- w sygnale zmodulowanym istnieje fala nośna, która nie przenosi żadnej informacji.

W celu wyeliminowania tych cech w systemach teletransmisyjnych zamiast pełnej modulacjiamplitudy stosuje się modulację jednowstęgową, która przed transmisją odfiltrowuje z sygnałuzmodulowanego częstotliwości dolnej wstęgi bocznej oraz fali nośnej. Umożliwia to dodatkowo łatweułożenie zmodulowanych kanałów w pewnym zakresie częstotliwości, co ilustruje rys 4.4.

fala nośna

2*Π* fΩ -ω Ω

dolna wstęga

boczna

górna wstęga

boczna

max Ω -ωmin Ω ωmaxΩ+ωmin +

2*Π* f

wynik jednowstęgowej

modulacji AM

Ω ωmaxΩ+ωmin +

2*Π* fΩ ωmaxΩ+ωmin +

...inne kanały

pasmo przenoszenia toru transmisyjnego

Rys. 4.4. Interpretacja graficzna ułożenia kanałów powstałych w wyniku jednowstęgowej modulacji amplitudy, wtorze transmisyjnym

Przedstawiony rodzaj modulacji jest jedynym, który w efekcie daje jednolity i skupiony zakresczęstotliwości, dlatego stał się on podstawą do realizacji systemów przesyłających niezależnie jednymtorem komunikacyjnym wiele kanałów informacyjnych. Pozostałe rodzaje, które przedstawiono poniżej,znalazły zastosowanie w transmisji danych tylko w ramach jednego lub kilku z wspomnianych kanałów.

27

4.1.2. Modulacja częstotliwości (FM - Frequency Modulation)W modulacji tego typu częstotliwość przebiegu modulowanego (nośnego) zależy od wartości

chwilowej przebiegu modulującego.Jeżeli założymy, że:

- przebieg modulowany opisany jest zależnością:iΩ(t) = IΩ⋅cos(Ω(iω(t)) t)gdzie:Ω(iω(t)) - pulsacja przebiegu modulowanego (zależna od wartości chwilowej

przebiegu modulującego)IΩ - amplituda przebiegu modulowanego

- przebieg modulujący opisany jest zależnością:iω(t) = Iω⋅cos(ω t)gdzie:Iω - amplituda przebiegu modulującego

ω - pulsacja przebiegu modulującego- funkcja określająca zależność między pulsacją przebiegu modulowanego i wartością chwilowąprzebiegu modulującego opisana jest zależnością:

Ω(iω(t)) = Ω+∆Ω(iω(t))cos(ω t)gdzie:Ω - pulsacja przebiegu modulowanego∆Ω(iω(t)) - dewiacja (zmiana) pulsacji przebiegu modulowanego (zależna od

wartości chwilowej przebiegu modulującego)to możemy napisać, że:

I(t) = IΩ cos[(∆Ω(iω(t))cos(ω t)) t]Widmo tego przebiegu posiada wiele prążków o różnej amplitudzie i częstotliwości, co pociąga za sobąstosowanie szerokiego pasma przenoszenia, dlatego też modulacja tego typu praktycznie nie występuje wsystemach elektroenergetycznych. W elektroenergetyce przyjęła się pewna forma tej modulacji związanaz przesyłaniem sygnałów binarnych - kluczowanie częstotliwości - FSK (Frequency Shift Keying).

4.1.3. Modulacja fazy (PM - Phase Modulation)W modulacji tego typu faza przebiegu modulowanego (nośnego) zależy od wartości

chwilowej przebiegu modulującego.Jeżeli założymy, że:

- przebieg modulowany opisany jest zależnością:iΩ(t) = IΩ⋅cos(Ω t+Φ(iω(t))gdzie:Ω - pulsacja przebiegu modulowanegoΦ(iω(t) - faza przebiegu modulowanego (zależna od wartości chwilowej

przebiegu modulującego)IΩ - amplituda przebiegu modulowanego

- przebieg modulujący opisany jest zależnością:iω(t) = Iω⋅cos(ω t)gdzie:Iω - amplituda przebiegu modulującego

ω - pulsacja przebiegu modulującego- funkcja określająca zależność między fazą przebiegu modulowanego i wartością chwilowąprzebiegu modulującego opisana jest zależnością:

Φ(iω(t) = Φ0+∆Φ(iω(t))cos(ω t)gdzie:Φ0 - faza przebiegu modulowanego

∆Φ(iω(t)) - dewiacja (zmiana) fazy przebiegu modulowanego (zależna odwartości chwilowej przebiegu modulującego)

28

to możemy napisać, że:I(t) = IΩ cos[Ω t+Φ0+∆Φ(iω(t))cos(ω t)]

Podobnie jak w przypadku modulacji częstotliwości widmo tego przebiegu posiada wiele prążków oróżnej amplitudzie i częstotliwości, co pociąga za sobą stosowanie szerokiego pasma przenoszenia, co zkolei spowodowało, że modulacja tego typu praktycznie nie występuje w systemachelektroenergetycznych, a elektroenergetyce przyjęła się pewna forma tej modulacji związana zprzesyłaniem sygnałów binarnych - kluczowanie fazy - PSK (Phase Shift Keying)

4.1.4. Kluczowanie amplitudy (ASK - Amplitude Shift Keying)Kluczowanie amplitudy jest szczególnym przypadkiem modulacji amplitudy, w którym przebiegiem

modulującym jest przebieg prostokątny (reprezentujący ciąg szeregowej informacji bitowej). Jeżelizałożymy, że w wywodzie przedstawionym w rozdziale dotyczącym modulacji amplitudy

- pulsacja ω jest związana z czasem trwania bitu T w następujący sposób ω = π/T- funkcja określająca zależność między amplitudą przebiegu modulowanego i wartością chwilowąprzebiegu modulującego opisana jest zależnością

Im(iω(t)) = IΩ dla ω t z zakresu: (2n+1) π do 2n π iIm(iω(t)) = 0 dla ω t z poza tego zakresu

to w wyniku podstawienia uzyskamy funkcję opisującą zachowanie sygnału po modulacji w postaci:I(t)= Im(iω(t))⋅cos(Ω t) ,skąd po przekształceniu otrzymamy:I(t)= IΩ⋅0,5 sin(Ω t)+[cos((Ω-ω) t)-cos((Ω+ω) t)]/(1 Π) +

+ [cos((Ω-3 ω) t)-cos((Ω+3 ω) t)]/(3 Π) ++ [cos((Ω-5 ω) t)-cos((Ω-5 ω) t)]/(5 Π) + itd. ...

Wynika z niego, że w sygnale otrzymanym w wyniku kluczowania ASK istnieją tylko nieparzysteskładowe widma, z których pierwsza posiada amplitudę równą połowie amplitudy sygnałumodulującego, a następne zmniejszają się wraz ze wzrostem pulsacji. Powstające w tym procesie widmozostało pokazane na rys. 4.5, a przebiegi czasowe na rys. 4.6.

fala nośna

2*Π* f

prążki boczna

32123456 547 761

Rys. 4.5. Interpretacja graficzna widma sygnału po modulacji ASK

przebiegzmodulowany

przebiegmodulowany

przebiegmodulujący

Rys. 4.6. Przebiegi czasowe przy modulacji ASK

4.1.5. Kluczowanie częstotliwości (FSK - Frequency Shift Keying)Kluczowanie częstotliwości jest szczególnym przypadkiem już opisywanej modulacji częstotliwości.

Występuje wtedy, gdy przebiegiem modulującym jest przebieg prostokątny (reprezentujący ciągszeregowej informacji bitowej). Jeżeli założymy, że w wywodzie przedstawionym w rozdzialedotyczącym modulacji częstotliwości

29

- funkcja określająca zależność między częstotliwością przebiegu modulowanego i wartościąchwilową przebiegu modulującego opisana jest zależnością

Ω(iω(t)) = Ω2 dla ω t z zakresu: (2n+1) π do 2n π iΩ(iω(t)) = Ω1 dla ω t z poza tego zakresu,

czyli dewiacja pulsacji wynosi więc ∆Ω = Ω2-Ω1,to okaże się, że w widmo uzyskanego w ten sposób przebiegu zawiera zarówno parzyste jak i nieparzystefale boczne. Na rys. 4.7, 4.8 przedstawiono graficznie przykłady przebiegów czasowych orazwspomnianą charakterystykę widmową sygnału.

fale nośne

2*Π* f

prążki boczna

32123456 547 761

Rys. 4.7. Interpretacja graficzna widma sygnału po modulacji FSK (η =1)

przebiegzmodulowany

przebiegmodulowany

przebiegmodulujący

Rys. 4.8. Przebiegi czasowe przy modulacji FSK

4.1.6. Kluczowanie fazy (PSK - Phase Shift Keying)Kluczowanie fazy jest szczególnym przypadkiem już opisywanej modulacji fazy. W przypadku

najprostszego kluczowania dwufazowego założenia podane w rozdziale dotyczącym modulacji fazynależy zmodyfikować w ten sposób, aby dewiacja fazy wynosiła 180° - czyli π, a przebieg modulującymiał kształt impulsów prostokątnych o pulsacji ω. Przy tych założeniach w wywodzie przedstawionym wrozdziale dotyczącym modulacji fazy:

- funkcja określająca zależność między częstotliwością przebiegu modulowanego i wartościąchwilową przebiegu modulującego opisana jest zależnością:

Ω(iω(t)) = 0 dla ω t z zakresu: (2n+1) π do 2n π iΩ(iω(t)) = Π dla ω t z poza tego zakresu:

to w wyniku przekształceń matematycznych uzyskamy funkcję opisującą zachowanie sygnału pomodulacji w postaci, której widmo przedstawiono na rys. 4.9, a przykładowy przebieg rys. 4.10.

fala nośna

2*Π* f

prążki boczna

32123456 547 761

Rys. 4.9. Interpretacja graficzna widma sygnału po modulacji PSK

Opisaną powyżej zasadę modulacji kąta można bardzo przejrzyście wyjaśnić na płaszczyźnie fazowej,gdzie w momencie zmiany przesyłanej informacji z 0 na 1 lub odwrotnie następuje zmiana kąta położenia

30

wektora oznaczającego symbolicznie przesunięcie kątowe przebiegu zmodulowanego o 180° co wyjaśniarys. 4.11.

przebiegzmodulowany

przebiegmodulowany

przebiegmodulujący

Rys. 4.10. Przebiegi czasowe przy modulacji FSK

przesyłane 0przesyłane 1

zmiana fazy o 180

01

Rys. 4.11. Jednobitowa modulacji kąta - wykres na płaszczyźnie fazowej

Powyższy sposób modulacji pozwala przesyłać przy jednej zmianie kąta jeden bit danych. Istniejąmodulacje, w których za pomocą zmiany fazy można przesłać większą liczbę bitów np. dwa, trzy lubnawet cztery. W tym celu zwiększa się liczbę możliwych położeń wektora na płaszczyźnie fazowej.Rysunek 4.12 ilustruje przypadek przesyłania zgodnie z powyższą zasadą dwu bitów.

przesyłane dwójki bitów

00

01

10

11

90180

270

zmiana fazy

Rys. 4.12. Dwubitowa modulacji kąta - wykres na płaszczyźnie fazowej

Należy zauważyć, że powyższa modulacja ma możliwość przesłania dwa razy większej ilościinformacji w tym samym czasie co modulacja jednobitowa, nie zajmując przy tym większego pasmaczęstotliwości. Ta i podobne rodzaje modulacji są używane przez modemy w transmisji informacjibinarnej przez kanały łączności telefonicznej.

4.1.7. Modulacja QAM (Quadrature Amplitude Modulation)Jest to modulacja będąca złożeniem kluczowania fazy i amplitudy. Polega na przesyłaniu większej

liczby bitów przez kodowanie jednoczesnych skoków fazy i amplitudy. Dla przykładu w przypadkuprzesyłania czwórek bitów dwa z nich kodują fazę dając skoki fazy o 0°, 90°, 180°, 270°, podczas gdypozostałe kodują amplitudę dając w rezultacie również cztery możliwości. Złożenie obu umożliwiauzyskanie na płaszczyźnie fazowej obrazu 16 punktów jednoznacznie definiujących każdą przesyłanączwórkę bitów.

31

Modulacja QAM często występuje w parze z pewną metodą kodowania nazywaną TCM (Trellies CodedModulation), polegającą, w przypadku wspomnianego przykładu, na zastąpieniu każdej kodowanejczwórki bitów kombinacją pięciu lub więcej bitów. Zwiększa to liczbę punktów na płaszczyźnie fazowej,przez co staje się możliwe zwiększenie różnicy parametrów (kąta i amplitudy) dla sąsiednich kombinacji.Jednocześnie taki sposób kodowania umożliwia wprowadzenie korekcji polegającej na eliminowaniu zzałożenia niemożliwych stanów.

5. Opis stanowiska laboratoryjnegoNa rys. 5.1 przedstawione są układy połączeń pomiędzy komputerami i innymi urządzeniami

wykorzystywanymi w stanowisku laboratoryjnym.

43OSCYLOSKOP

KonwerterRS232/RS485

KonwerterRS232/RS485

22 23

COM 3RS232

COM 2RS232

COM 2RS232

COM 3RS232

RS232

RS485 lub RS232

KonwerterRS232/OPTOCOM 1

RS232 KonwerterRS232/OPTO COM 1

RS232

Modem wew.COM 4

Modem wew.COM 4

linia dzierżawiona

światłowód

Modemzewnętrzny

TesterRS232

Sala 211

ETHERNET - 10BASE2

Modemzewnętrzny

TesterRS232

Rys. 5.1. Połączenie komputerów 2 i 3

Do realizacji ćwiczenia wykorzystane są dwa komputery o numerach: 3 i 4 zainstalowane w sali 211.Pokazane i opisane na rys. 5.1 połączenia tj: modem – linia dzierżawiona, RS485, RS232, zostaływykonane na stole laboratoryjnym. Połączenia sieciowe w standardzie Ethernet 10Bae 2 zostaływykonane w formie kabla koncentrycznego 50 Ω, umieszczonego w plastykowej rurce izolacyjnej orazgniazd i wtykσw BNC. Na końcach sieci zostały umieszczone terminatory 50 Ω (rezystorydopasowujące) niezbędne do prawidłowego działania sieci.Połączenie wykorzystujące standard RS232C jest wykonane z w oparciu o komputer numer 3. Układ

połączeń i użyte urządzenia przedstawia rys. 5.2.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

WTYKI BNC ŁĄCZE DB-25 - DB-9

RS232C KONWERTERRS232C/RS485

RS485

3 4OSCYLOSKOP

KONWERTERRS232C/RS485

RS232C

Rys. 5.2. Połączenie komputera 2 z testerem i konwerterem za pomocą standardu RS232C

Połączenie między komputerem i testerem jest wykonane zwykłym kablem ze złączami DB-25 po obustronach. Następnie z wyjścia testera sygnały są wprowadzane na konwerter RS232C/RS485. Najbardziej

32

interesującym urządzeniem jest tester. Za jego pomocą można sprawdzać stany poszczególnych linii orazobserwować je na oscyloskopie.

206

MIKROPRZEŁĄCZNIKI

SPARE

8 24

ZŁĄCZE DB-25

5 17

4

2

15

3 ZŁĄCZE DB-25

GNIAZDA DIODY LED

TESTER OFF ON

OFF ON OFF ON

ONOFF

Rys. 5.3. Tester standardu RS232C

Rysunek 5.3 przedstawia wygląd testera standardu RS232C. Wejście i wyjście stanowią łącza DB-25.Przez widoczne z lewej strony testera złącze DB-25 wprowadzany jest sygnał z komputera. Poprzez łączeze strony prawej sygnał trafia dalej do konwertera. Na płycie czołowej wbudowane są 2 komplety mikro-przełączników. Każdy z nich składa się z 12, dwu pozycyjnych mikro-przełączników. Dzięki nim, możnazrealizować przerwanie każdej z linii. Wokół nich umieszczone są gniazda umożliwiające obserwacjęstanów poszczególnych linii. Na rys. 5.4 przedstawiony jest wygląd łącza DB-25, natomiast opisposzczególnych linii i numer odpowiedniej diody LED z rys. 5.4 znajduje się na tabl. 5.5.

Rys. 5.4. Wygląd złącza DB-25

Tablica 5.5. Opis poszczególnych linii łącza DB-25 i opis numerów diod LED z rys. 5.4

Numer pinuna złączu 25pinowym

Numerdiody LEDna testerze

Nazwa i znaczenie sygnału

1 (AA) PG – masa ochronna – masa23

23

(BA) TxD – dane nadawane – dane(BB) RxD – dane odbierane – dane

456

456

(CA) RTS – żądanie nadawania – syg. ster.(CB) CTS – gotowość do nadawania – syg. Ster.(CC) DSR – gotowość urządzenia dce – syg. Ster.

7 5 (AB) SG – masa sygnałowa – masa81517202224

8151720

24

(CF) DCD – poziom sygn. Odbieranego – syg. ster.(DB) TC – sygnał zegarowy nadajnika(DD) RC - sygnał zegarowy odbiornika(CD) DTR – gotowość urządzenia DTE – syg. ster.(CE) RI – wskaźnik wywołania – syg. ster.(DA) (E)TC – zewnętrzny sygnał zegarowy

W środkowej części testera znajduje się 12 dwukolorowych diod LED. Dziesięć z nich jest na stałeprzyporządkowane do konkretnych linii. Dwie są dodatkowe i można je wykorzystać według uznaniaużytkownika (opisane na rys 5.3 słowem SPARE). Kolor zielony odpowiada ujemnemu poziomowinapięcia, kolor czerwony odpowiada dodatniemu poziomowi napięcia.

33

Obserwacja stanów poszczególnych linii jest możliwa po „wystawieniu” na łącze komputeraodpowiednich sygnałów. Dokonuje się tego za pomocą programu term95 znajdującego się w katalogu NCkomputera 3. Program ten umożliwia między innymi ustawienie odpowiedniego portu komunikacyjnegokomputera oraz prędkości transmisji. Przy wysokich prędkościach transmisji poszczególne stany (niski,wysoki) wystawiane na liniach danych nie są obserwowalne z powodu bezwładności ludzkiego oka. Przyniskich prędkościach można zaobserwować błyskanie diod LED po „wystawianiu” na łącze danych, terozbłyski to przesyłanie kolejnych bitów danych.Przy pomocy gniazd zaznaczonych na rys. 5.3 (opis - gniazda), możliwe jest podłączenie sygnałów na

wejście oscyloskopu oraz ich obserwacja.Sygnał z testera trafia na łącze konwertera RS232C/RS485. Tu następuje zamiana sygnału standardu

RS232C na sygnały standardu RS485. Na rys. 5.6 przedstawiony jest sposób, w jaki zrealizowanopołączenia urządzeń potrzebne do demonstracji standardu RS485.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

WTYKI BNC ŁĄCZE DB-25 > DB-9

RS485 RS232C KONWERTERRS232C/RS485

3 4OSCYLOSKOP

KONWERTERRS232C/RS485

RS232C

Rys. 5.6. Sposób połączeń do wizualizacji standardu RS485

Sygnał RS485 z konwertera, jest kierowany na kolejny konwerter, który dokonuje zamiany sygnałówstandardu RS485 na sygnały standardu RS232C. Sygnały w tej formie wprowadzane są na łączekomputera 4. Wygląd konwertera pokazany jest na rys. 5.7. Wyprowadzone złącze z wtykiem DB-25 jestłączone z gniazdem w komputerze. Jedna z końcówek podłączana jest do gniazda klawiatury, druga zaśdo wtyku klawiatury, zgodnie z opisami na rys. 5.7. Konwerter posiada trzy różne wyprowadzeniastandardu RS485. Jednym z nich jest listwa zaciskowa ze śrubami mocującymi. Pozostałe to złącze DB-9oraz gniazdo telefoniczne. Dzięki takiej ilości i różnorodności typów łącz z łatwością można dopasowaćdalsze części obwodu. W naszym przypadku, do połączenia z drugim komputerem została wykorzystanalistwa zaciskowa ze śrubami. W celu wizualizacji przebiegów na liniach wykorzystane zostało łączetelefoniczne czterostykowe, na które wyprowadzone były odpowiednio sygnały Tx+, Tx-, Rx+, Rx-. Złącza tego sygnał wędruje na gniazdo telefoniczne a następnie przez wtyczkę telefoniczną, dwomaprzewodami koncentrycznymi i wtykami BNC na wejścia oscyloskopu. Oscyloskop z pamięcią pozwalana obserwację przebiegów Tx+(Tx-), Rx+(Rx-), Tx+(GND) oraz Tx-(GND). W złącze DB-9 standarduRS485 konwertera można włożyć wtyk, który podaje zwrotnie nadawany sygnał. Pokazuje to rys. 5.8.Podanie zwrotne sygnału polega na elektrycznym połączeniu linii Tx+ z linią Rx+, oraz linii Tx- z liniąRx-. Wtedy obserwując przebiegi Tx+(Tx-) i Rx+(Rx-) na ekranie oscyloskopu zobaczymy dwaidentyczne przebiegi.

KONWERTERRS232C/RS485RS485/RS232C

RS485

RS485

RS485

RS232C

ŁĄCZE DB-9

ZACISKI ŚRUBOWE

ŁĄCZE TELEFONICZNE

RS232C

ŁĄCZE DB-25

DO KOMPUTERAŁĄCZE KLAWIATURY DO KLAWIATURY

WTYK ZWROTNY

34

Rys. 5.7. Wygląd konwertera RS232C/RS485

Tx+ Tx- Rx-Rx+ GND

Rys. 5.8. Sposób podania zwrotnie sygnału

Obserwację nadawanych i odbieranych znaków umożliwia wcześniej wspomniany program term95.Po odpowiednim ustawieniu w tym programie wszystkich parametrów, można na ekranie oscyloskopuobserwować kształt transmitowanych sygnałów. Pokazują one zapis binarny wprowadzanych zklawiatury znaków ASCII. Na podstawie ustawień podstawy czasu w oscyloskopie jest możliweobliczenie prędkości transmisji.Do pokazania komunikacji modemowej po sieci komutowanej został wybrany modem zewnętrzny

podłączony do komputera 4. Do pokazania komunikacji modemowej przez linię dzierżawionąwykorzystano modemy wewnętrzne komputerów 3 oraz 4. Rysunek 5.9 przedstawia realizacjekomunikacji za pomocą standardu linii dzierżawionej.

4

modem - linia telefoniczna

GNIAZDOTELEFONICZNE

DO CENTRALKITELEFONICZNEJ

OSCYLOSKOP

MODEMRS232C

Rys. 5.9. Sposób połączeń do wizualizacji standardu modemu

Komputer 4 jest połączony z komputerem 3. Na drodze między nimi zostało wbudowane gniazdotelefoniczne pełniące rolę rozgałęziacza. Za jego pośrednictwem można podglądać na oscyloskopie jakwyglądają sygnały przesyłane między modemami.Ostatnim ze standardów możliwych do pokazania na stanowisku laboratoryjnym, jest sieć Ethernet.

Zgodnie z założeniami została ona zbudowana przy użyciu kabla koncentrycznego 50 Ω. Tak jakzakładano, sieć została podzielona na segmenty, i przy każdym stojącym komputerze zostało zrobionewyprowadzenie. Wyprowadzenie zostało również zrobione przy oscyloskopie za pomocą którego możnabezpośrednio obserwować paczki danych przesyłane w standardzie Ethernet. Układ połączeń sieciEthernet został przedstawiony na rys. 5.1.

6. Program ćwiczenia

6.1. Transmisja sygnalów w standardzie RS232CPrzed przystąpieniem do obserwacji stanów linii za pomocą testera, należy wykonać układ połączeń

zgodnie z rys. 6.1. Następnie należy uruchomić komputer 3. Za pomocą programu term95 znajdującegosię w katalogu NC można wymuszać przepływ paczek z danymi w standardzie RS232C. Paczki zawierają

35

znaki ASCII wprowadzane z klawiatury. Należy w programie terminalowym ustawić odpowiednio małąprędkość transmisji np. 1200 bodów. Diody LED przyporządkowane liniom danych na testerze, będązmieniały swoje stany na tyle wolno, że ludzkie oko może to zauważyć.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

ŁĄCZE DB-25 > DB-9

RS232C KONWERTERRS232C/RS485

3 4OSCYLOSKOP

KONWERTERRS232C/RS485

RS232C

Rys. 6.1. Układ połączeń do wizualizacji stanów linii na testerze

W tej części ćwiczeń przewidziane jest wykonanie następujących testów:- Wykorzystując mikro-przełączniki należy zaobserwować co dzieje się podczas transmisjipomiędzy komputerem i konwerterem RS232C/RS485, gdy rozłączony zostanie jeden zsygnałów sterujących (patrz rys. 5.5).- Kolejnym zadaniem jest obserwacja sygnałów sterujących po zmianie łącza COM za pomocąprogramu terminalowego term95.

Drugą częścią ćwiczeń ze standardem RS232C jest obserwacja wyglądu ramki transmitowanychdanych.Układ do obserwacji ramki danych należy połączyć zgodnie z rys. 6.2.Pomiędzy testerem a konwerterem RS232C/RS485 znajduje się „przejściówka” zamieniająca typ łącze

z DB-25 na DB-9. Z „przejściówki” tej poprowadzone są dwa kable koncentryczne zakończone wtykamiBNC. Kable te należy połączyć z wejściami A i B oscyloskopu. Na ekranie oscyloskopu obserwowaćmożna sygnały TxD(PG) i RxD(PG).Po włączeniu oscyloskopu i komputera 3, należy uruchomić program terminalowy. Dokonuje się tego

poprzez napisanie komendy term95 i przyciśnięcie klawisza Enter. Aby móc obserwować przesyłaneramki należy uruchomić oscyloskop w cyfrowym trybie pracy. Ustawienia podstawy czasu i wzmocnieniaw kanałach powinny zależeć od prędkości transmisji i wynosić około:

- 10 ms/działkę- 5 V/działkę.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

ŁĄCZE DB-25 > DB-9

WTYKI BNC RS232C KONWERTERRS232C/RS485

3 4OSCYLOSKOP

DO KONWERTERA RS485/RS232C

Rys. 6.2. Układ połączeń do wizualizacji stanów linii sterujących RS232 na oscyloskopie

Po ustawieniu w programie term95 odpowiedniego COM-a, prędkości transmisji, i innych parametrównależy wpisać z klawiatury dużą literę „U”. Jej wartość wynosi 55 hexa co odpowiada 1010101 w kodziebinarnym. Oznacza to, że wartość logiczna każdego kolejnego bitu będzie odwrotna w stosunku dopoprzedniego. Sprawdzenia znaku ASCII odpowiadającemu danej wartości hexadecymalnej możnadokonać za pomocą komputera pracującego w trybie DOS. Należy przytrzymać prawy klawisz „Alt”, iwprowadzić z klawiatury alfanumerycznej (Num Lock) trzycyfrowy numer. Jeżeli danemu znakowiodpowiada liczba dwucyfrowa, jako pierwsze trzeba napisać 0. Po zwolnieniu prawego klawisza „Alt”ukaże się znak ASCII odpowiadający wprowadzonej wartości kodu hexadecymalnego.

Na rys. 6.3 przedstawiony jest fragment przykładowego przebiegu, obserwowanego na ekranieoscyloskopu.

36

Należy z niego odczytać:- amplitudę, oznaczoną na rys. 6.3 literą A. Przed odczytaniem amplitudy należy ustawić poziomzera (GND na oscyloskopie). Następnie wprowadzić z klawiatury znak, i odczytać poziomynapięć logicznego „0” i logicznej „1”. Wartości teoretyczne, z którymi należy porównać wynikiodczytów znajdują się w pierwszej części instrukcji.- prędkość transmisji. W tym celu należy za pomocą programu term95 wprowadzić z klawiaturyliterę „U”. Czas trwania jednego bitu odczytanego z oscyloskopu należy porównać z czasemobliczonym na podstawie wzoru:

TfT

1=

gdzie fT jest prędkością transmisji odczytaną z ustawień programu term95. Podczas wykonywaniatej części badań należy obliczyć i zmierzyć czasy trwania jednego bitu dla ustawień prędkościtransmisji równych:

- 1200 bodów- 9600 bodów- 19200 bodów- 115200 bodów.

A [V]

T→ ←

↓

A [s]

↑ t

Rys. 6.3. Przykładowy fragment ramki standardu RS232C na oscyloskopie

6.2. Wizualizacja sygnałów transmitowanych w standardzie RS485Pierwsze ćwiczenie ze standardem RS485 zakłada pokazanie paczki transmitowanych danych, przy

czym obserwowane będą dwa sygnały Tx+(Tx-) i Rx+(Rx-).Przed rozpoczęciem badań należy połączyć układ zgodnie z rys. 6.4. Do przeprowadzenia ćwiczeń

trzeba zastosować wtyk telefoniczny z oznaczeniem RS485, Tx+(Tx-), Rx+(Rx-). Sygnały należywprowadzić na wejścia oscyloskopu, oraz uruchomić cyfrowy tryb jego pracy. Po włączeniu oscyloskopui komputera 3, należy uruchomić program terminalowy. Dokonuje się tego poprzez napisanie komendyterm95 i przyciśnięcie klawisza Enter. Po ustawieniu w programie term95 odpowiedniego COM-a,prędkości transmisji, i innych parametrów należy wpisać z klawiatury znaki ASCII.Na rys. 6.5 przedstawiony jest fragment przykładowego przebiegu, obserwowanego na ekranie

oscyloskopu.Należy z niego odczytać:- amplitudę, oznaczoną na rys. 6.5 literą A. Przed odczytaniem amplitudy należy ustawić poziomzera (GND na oscyloskopie). Następnie wprowadzić z klawiatury znak , i odczytać poziomynapięć logicznego „0” i logicznej „1”. Wartości teoretyczne z którymi należy porównać wynikiodczytów znajdują się w pierwszej części instrukcji.- prędkości transmisji. W tym celu za pomocą programu term95 trzeba wprowadzić z klawiaturyliterę „U”. Czas trwania jednego bitu odczytanego z oscyloskopu należy porównać z czasemobliczonym na podstawie wzoru:

TfT

1=

gdzie fT jest prędkością transmisji odczytaną z ustawień programu term95. Podczas wykonywania tejczęści badań należy obliczyć i zmierzyć czasy trwania jednego bitu dla ustawień prędkości transmisjirównych:

- 1200 bodów

37

- 9600 bodów- 19200 bodów- 115200 bodów.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

WTYKI BNC WTYCZKA TELEFONICZNA ŁĄCZE DB-25 > DB-9

Tx+(Tx-)Rx+(Rx-) RS485

RS485 RS232C KONWERTERRS232C/RS485

3 4OSCYLOSKOP

DO KONWERTERA RS485/RS232C

Rys. 6.4. Układ połączeń do wizualizacji stanów linii na oscyloskopie

A [V]

T→ ←

↓

A [s]

↑ t

Rys. 6.5. Przykładowy fragment ramki standardu RS485 na oscyloskopie

Drugie z zadań zakłada pokazanie paczki transmitowanych danych, przy obserwacji sygnałówTx+(GND) oraz Tx-(GND). Układ połączeń do obserwacji tych sygnałów pokazany jest na rys. 6.6.

RS485 RS232C

TESTER RS232C

WTYKI BNC WTYCZKA TELEFONICZNA ŁĄCZE DB-25 > DB-9

Tx+(GND)

Rx+(GND)

RS485

RS485 RS232C KONWERTERRS232C/RS485

DO KONWERTERA RS485/RS232C

OSCYLOSKOP

43

Rys. 6.6. Układ połączeń do wizualizacji stanów linii na oscyloskopie

Przed rozpoczęciem testów należy połączyć układ zgodnie z rys. 6.6. Do przeprowadzenia ćwiczeńtrzeba zastosować wtyk telefoniczny z oznaczeniem RS485, Tx+(GND), Tx-(GND). Sygnały należywprowadzić na wejścia oscyloskopu, pracującego w cyfrowym trybie pracy. Po włączeniu oscyloskopu ikomputera 3 w trybie DOS, należy uruchomić program terminalowy. Dokonuje się tego poprzeznapisanie komendy term95 i przyciśnięcie klawisza Enter. Po ustawieniu w programie term95odpowiedniego COM-a, prędkości transmisji, i innych parametrów należy wpisać z klawiatury znakiASCII.Celem tej części badań jest pokazanie jakie stany napięć w stosunku do masy przyjmują linie Tx+ oraz

Tx-. Przed rozpoczęciem tej części ćwiczenia należy ustawić masę w obu kanałach oscyloskopu.Wykonuje się to za pomocą przycisków GND na płycie czołowej oscyloskopu. Kolejnym krokiem jestwprowadzenie z klawiatury dowolnego znaku ASCII, który pozwoli na odczyt poziomów napięć.Odczytu napięć należy dokonać podobnie jak w poprzednich przypadkach.

38

6.3. Wizualizacja przebiegów modulowanych, transmitowanych przez modem wdzierżawionej linii telefonicznejĆwiczenie ze standardem modemu wewnętrznego zakłada obserwację modulacji fali nośnej przez

modem przy wykorzystaniu różnych protokołów. Układ połączeń do obserwacji tych przebiegówpokazany jest na rys. 6.7.

RS232C

TESTER RS232C

WTYCZKA TELEFONICZNA ŁĄCZE DB-25 > DB-9

MODEM

RS232C KONWERTERRS232C/RS485

3 4OSCYLOSKOP

DO KOMPUTERA NR 7

WTYK BNC

Rys. 6.7. Układ połączeń do wizualizacji standardu modemu - linii dzierżawionej

Przed rozpoczęciem badań należy połączyć układ zgodnie z rys. 6.7. Do przeprowadzenia ćwiczeńtrzeba zastosować wtyk telefoniczny z oznaczeniem MODEM. Sygnał należy podać na wejścieoscyloskopu, oraz uruchomić cyfrowy tryb jego pracy. Oscyloskop powinien być przełączony na trybpracy DC. Po włączeniu oscyloskopu i komputerów 3 oraz 4, należy uruchomić program terminalowy.Dokonuje się tego poprzez napisanie komendy term95 i przyciśnięcie klawisza Enter. Następnie trzebaustawić w programie term95 odpowiednie COM-y komputerów 3 i 4. Natychmiast po włączeniukomputerów modemy próbują nawiązać kontakt. Należy zaobserwować modulację fali nośnej dla trzechwymienionych niżej protokołów. Do ćwiczeń zostały wybrane najprostsze protokoły, których sposóbdziałania umożliwia zaobserwowanie modulacji fali nośnej:

1. V.21- Protokół ten stosuje modulację FSK. Zapewnia on transmisję dupleksową o szybkości 300 bodów.Posiada dwie częstotliwości nośne:- dla modemu wywołującego – 1180Hz, gdzie:

- poziomowi logicznemu „1” odpowiada częstotliwość 980Hz- poziomowi logicznemu „0” odpowiada częstotliwość 1180Hz

- dla modemu wywoływanego – 1750Hz, gdzie:- poziomowi logicznemu „1” odpowiada częstotliwość 1650Hz- poziomowi logicznemu „0” odpowiada częstotliwość 1850Hz

2. V.22- Protokół ma dwie częstotliwości nośne:- dla modemu wywołującego – 1200Hz,- dla modemu wywoływanego – 2400Hz,Szybkość modulacji wynosi 600 bodów.Stosuje dwa tryby pracy:- wolny – prosta modulacja PSK ze skokiem fazy wynoszącym:

- 900 – dla stanu 0- 2700 – dla stanu 1

Zapewnia transmisję dupleksową o szybkości 600 bodów- szybki – modulacja dwubitowa PSK ze skokiem fazy wynoszącym:

900 – dla stanu 0000 – dla stanu 011800 – dla stanu 102700 – dla stanu 11

Zapewnia transmisję dupleksową o szybkości 1200 bodów.3. V.22bis

- Posiada te same nośne i szybkość modulacji co szybszy tryb pracy protokołu V.22. Stosujemodulację QAM przesyłającą czwórki bitów. Zapewnia transmisję dupleksową o szybkości2400 bodów.

39

Zmiany protokołu można dokonać wykonując niżej opisane czynności, na obu komunikujących siękomputerach. Po uruchomieniu komputerów należy wprowadzić kolejno poniższe komendy:

+++ (Enter)at&n16 (Enter)at&n16 (Enter)ath (Enter)

Ostatnia z wyżej wymienionych komend, powoduje zerwanie (rozłączenia) połączenia pomiędzymodemami. Po wprowadzeniu komend na ekranie powinien ukazać się komunikat o nawiązaniu nowegopołączenia, o treści:

- Connect 57600/V.21 300/NONEPowyżej użyta została komenda: at&16. Powoduje ona wybranie do transmisji danych, wcześniej

opisanego protokołu modulacji V.21. Odpowiednio poszczególne komendy powodują wywołanieodpowiadających im protokołów:

KOMENDA PROTOKÓŁat&n16 → V.21at&n15 → V.22at&n14 → V.22 bis

Podczas obserwacji należy wprowadzać znaki ASCII z klawiatury i obserwować modulację falinośnej. Ze względu na sposób przesyłania danych, transmisja jest zwykle słabo widoczna. Znakiwprowadzane na komputerze 3 powinny pojawiać się na monitorze komputera 7.

6.4. Wizualizacja przebiegów modulowanych, transmitowanych przez modem wkomutowanej linii telefonicznejĆwiczenie ze standardem modemu zewnętrznego zakłada obserwację modulacji fali nośnej przez

modem. Układ połączeń do obserwacji tych przebiegów pokazany jest na rys. 6.8.

RS232C

MODEM

WTYCZKA TELEFONICZNA

MODEM

3 4OSCYLOSKOP

DO MODEMUKOMPUTERA NR 6

WTYK BNC

Rys. 6.8. Układ połączeń do wizualizacji standardu modemu - linii komutowanej

Przed rozpoczęciem badań należy połączyć układ zgodnie z rys. 6.8. Do przeprowadzenia ćwiczeńtrzeba zastosować wtyk telefoniczny z oznaczeniem MODEM. Sygnał należy podać na wejścieoscyloskopu, oraz uruchomić cyfrowy tryb jego pracy. Oscyloskop powinien być przełączony na trybpracy DC. Po włączeniu oscyloskopu i komputerów 3 oraz 4, należy uruchomić program terminalowy.Dokonuje się tego poprzez napisanie komendy term95 i przyciśnięcie klawisza Enter. Następnie trzebaustawić w programie term95 odpowiednie COM-y komputerów 3 i 4.

6.5. Wizualizacja sygnału transmitowanego w standardzie 10Base2 sieci EthernetBadania dotyczące tego standardu są również związane z oscyloskopem. Uruchamiając jeden z

komputerów podłączonych do sieci Ethernet, oraz podłączając do sieci oscyloskop, możemyzaobserwować jak wygląda ramka standardu Ethernet. Układ połączeń pokazany jest na rys. 6.9, przyczym na wejście oscyloskopu należy włączyć odpowiedni przewidziany w do tego celu kabelkoncentryczny.

40

KONWERTERRS232C/RS485

TESTER RS232C

ŁĄCZE DB-25 - DB-9

3

RS232C

4

WTYKI BNC

RS232C

RS485

OSCYLOSKOP

Rys. 6.9. Układ połączeń do wizualizacji ramki standardu Ethernet

Oscyloskop powinien być przełączony na tryb pracy AC. Na ekranie oscyloskopu widoczna powinnabyć ramka Ethernetu. Ta transmisja jest transmisją synchroniczną więc na jej początku będą występowałybity synchronizacji. Dalsza część ramki będzie miała budowę zgodną z opisem umieszczonymwpierwszym rozdziale instrukcji.

41

Załącznik A

Tablica kodów ASCII

Tablica rozszerzonych kodów ASCII

42

Załącznik B

Digital REAL - TIME Oscilloscope

TDS 210 Tektronix TDS 1002 Tektronix

I. POJĘCIA PODSTAWOWE

II. WYŚWIETLANY EKRAN

III. PRZYKŁADY PRACY Z OSCYLOSKOPEM

Opracował : Krzysztof SUŁOWSKI

April 2002

43

44

I. POJĘCIA PODSTAWOWE

1. Samo-kalibracja – przed przystąpieniem do pracy powinno dokonać się kalibracjioscyloskopu. W tym celu należy odłączyć wszystko od wejść oscyloskopu. Kalibracjępowinno się powtórzyć jeśli temperatura otoczenia zmieniła się co najmniej o 5o C

UTILITY Menu – Do Self Cal - Do Self Cal

2. Kompensacja sondy – powinna być dokonana gdy pierwszy raz podłączamy sondę dooscyloskopu. Sondę podłączamy do kanału 1 (CH1 BNC), a jej koniec podłączamy dospecjalnego wyjścia w oscyloskopie PROBE COMP (ok. 5V i peak to peak 1kH częstotliwość) iPROBE COMP Ground. W razie potrzeby sondę należy skalibrować ręcznie śrubokrętem.

Nacisnąć przycisk AUTOSET

3. Wyzwalanie (Triggering) - określa kiedy oscyloskop ma rozpocząć zbierać dane i wyświetlaćprzebieg. Przycisk TRIGGER MENU daje dostęp do poszczególnych funkcji.

a. Rodzaj wyzwalania [TRIGGER MENU] - zboczem (edge) – dla sygnałów analogowych i cyfrowych, zachodzi gdy na wejście

wyzwalania wchodzi określony poziom napięcia z określonym kierunkiemzbocza (narastającym lub malejącym)

- video – dla typowych sygnałów z techniki videob. Zbocze wyzwalania (slope)- dodatnie – gdy zbocze sygnału narasta (Rising)- ujemne – gdy zbocze sygnału opada (Falling)

c. Źródło wyzwalania (source) –- kanał wejściowy – najczęściej stosowany, jeden z kanałów (CH1, CH2), bez względu nato czy jest wyświetlany czy nie- AC line – oscyloskop generuje sygnał wyzwalający (trigger) z częstotliwością liniizasilającej (50 Hz).- wyzwalanie zewnętrzne (Ext), niezależne np. od kanałów wejściowych, z trzeciegoźródła (zewnętrzny zegar), zakres dla EXT ±1.6V, dla EXT/5 ±8V

d. Tryb (Mode) – wyznacza jak oscyloskop zachowuje się przy różnych wyzwalaniach- auto – ten tryb wyzwalania pozwala na składanie przebiegu nawet przy braku

warunków wyzwalania (trigger conditions). Oscyloskop sam generuje sztucznewyzwalanie, ale nie potrafi zsynchronizować przebiegu, na ekranie widzimyprzesuwające się przebiegi.

- normalny (normal) – oscyloskop zbiera przebiegi tylko wtedy gdy zachodzą warunkiwyzwalania. Jeśli nie pojawiają się następne wyzwalania, poprzedni obraz pozostaje naekranie.

- pojedyńczy (single) – oscyloskop zbiera jeden przebieg za każdym razem gdynaciśniemy klawisz RUN / STOP i spełnione są warunki wyzwalania.

e. Sprzężenie (coupling) – decyduje jaka część sygnału przechodzi do układu wyzwalania.- DC – przepuszcza składową stałą i zmienną sygnału, impedancja wejściowa – 1 MΩ ±

2 % równolegle z 20 pF ± 3 pF- AC – blokuje składową stałą DC sygnału, przepuszcza część AC dynamiczną.

Użyteczne do oglądania sygnału AC gdy jest nałożony na stały poziom DC.- Redukcja szumów (Noise Rejection) – obniża czułość wyzwalania, wymaga

większych sygnałów do stabilnego wyzwalania. Zapobiega wyzwalaniu oscyloskopuprzez sygnały szumów.

- Blokada Wysokiej Częstotliwości (HF Rejection) – blokuje część sygnału o wysokiejczęstotliwości i przepuszcza tylko składowe o niskiej częstotliwości

45

- Blokada Niskiej Częstotliwości (LF Rejection) – działa przeciwnie jak BlokadaWysokiej Częstotliwości

- Pokrętło HORIZONTAL POSITION (Ustawianie w poziomie, ruchoma strzałka ugóry ekranu) – pozwala na ustawienie czasu pomiędzy wyzwalaniem a środkiem skaliekranu, aby móc zobaczyć przebiegi przed momentem wyzwalania (pretrigger period),po wyzwalaniu lub oba. Uzyskujemy przesuniecie przebiegów na prawo lub lewoekranu.

f. Pokrętło TRIGGER LEVEL / HOLDOFF, przy wyświetlaniu HORIZONTAL MENU– Trig knob - pełni dwie funkcje :

- w przypadku wybrania funkcji Poziom (Level), ustawia poziom amplitudy napięciajaki sygnał ma przekroczyć aby nastąpiło wyzwalanie zbierania danych przebiegu.

- w przypadku wybrania Wstrzymania (Holdoff) ustawić pokrętłem TRIGGER LEVELwielkość czasu, po którym dopiero może pojawić się następne wyzwalanie (trigger),zakres od 500 ns do 10 s. Pomaga uzyskać bardziej stabilne wyświetlanie.

g. Przycisk SET LEVEL TO 50% - ustawia poziom wyzwalania w połowie wysokościpomiędzy pikami sygnału wejściowego.

h. Przycisk FORCE TRIGGER – wymusza zbieranie przebiegu niezależnie od sygnałuwyzwalania. Nie działa w przypadku gdy zbieranie zostało zatrzymane.

i. Przycisk TRIGGER VIEW – wyświetla przebieg wyzwalający zamiast wybranegokanału w czasie trzymania przycisku.

4. Zbieranie danych [ACQUIRE Menu] Gdy zbieramy dane analogowe, oscyloskop przetwarza je na postać cyfrową. Są trzy metody

zbierania sygnału :a. Próbkowanie (Sample) – próbkuje sygnał w równych odstępach czasu i w ten sposóbbuduje obraz przebiegu (oznaczenie na ekranie - pofalowany prostokątny impuls),najbardziej typowa metoda, może jednak pomijać nagłe zmiany sygnału i gubić wąskieszpilki. (Wtedy stosuj metodę wykrywania szczytów)

b. Wykrywanie szczytów sygnału (Peak Detect) – oscyloskop znajduje największe inajmniejsze wartości sygnału wejściowego w czasie próbkowania i tych wartości używado zobrazowania przebiegu. Jest bardziej wrażliwy na zakłócenia i szumy.

(Oznaczenie na ekranie - pofalowany prostokątny impuls z pikiem po prawej stronie) c. Uśrednianie (Average) – oscyloskop zbiera wiele przebiegów, uśrednia je i dopiero

rezultat wyświetla na ekranie. Stosowany aby zredukować przypadkowe zakłócenia. (oznaczenie na ekranie - gładki prostokątny impuls).

5. Skalowanie i umiejscowienie przebiegów – można zmieniać obraz przebiegów przez dobórskali i miejsca wyświetlania. Zmianę skali w poziomie uzyskujemy za pomocą pokrętłaSEC / DIV, a w pionie za pomocą pokręteł VOLTS / DIV. Każdy kanał posiada swójwskaźnik (1,2), umieszczony po lewej stronie skali, identyfikujący go na ekranie.Dodatkowo spełnia on rolę wskaźnika poziomu zera przebiegu.

46

6. Wykonywanie pomiarów na oscyloskopie – zawsze otrzymujemy wykres napięciawzględem czasu. Odczyt wartości możemy dokonać za pomocą skali ekranu, kursorówzawsze pojawiających się parami lub automatycznego pomiaru wykonanego przezoscyloskop.a. Skala – pozwala na szybkie, optyczne oszacowanie pomiaru mnożąc

ilość działek przez ustawiony mnożnik skali x V / działkę (tą metodą możemyodczytać, że amplituda jest trochę większa niż np. 100 mV)

b. Kursory – pojawiają się na ekranie po wciśnięciu przycisku CURSOR Menu. - Kursory Napięcia – pojawiają się (CURSOR Menu - TYPE Voltage) jako poziome

linie i mierzą parametry w osi pionowej (pokrętła VERTICAL POSITION CURSOR1 i VERTICAL POSITION CURSOR 2), odczytujemy ich wartość z ekranu.

- Kursory Czasu – pojawiają się (CURSOR Menu - TYPE Time) jako pionowe liniena ekranie i mierzą parametry w osi poziomej, (pokrętła VERTICAL POSITIONCURSOR 1 i VERTICAL POSITION CURSOR 2), odczytujemy ich wartość zekranu.

c. Automatyczny – (ustawianie z MEASURE Menu) oscyloskop sam wykonujewszystkie pomiary, wykorzystując zebrane dane podaje na bieżąco pomiary. Są oneaktualizowane okresowo, po zebraniu nowych danych przez oscyloskop.

7. Działanie z oscyloskopem. a. Przycisk AUTOSET – powodujący stabilne wyświetlenie przebiegu. Automatycznie

dobiera właściwe nastawy do przebiegu tak aby był stabilny, wyskalowany i dobrzeustawiony na ekranie.

b. Zapamiętywanie nastaw – automatycznie zapamiętuje nastawy przy wyłączeniu iautomatycznie ustawia je przy następnym włączeniu. Można zapamiętać 5 różnychzestawów nastaw w pamięci i wywołać je potem w razie potrzeby.(Przycisk SAVE / RECALL Menu - Setups - RECALL )

8. System Menu – cztery typy wyświetlanego Menu a. Obiegająca Lista (Circular List) – z tytułem na górze i zmieniającym się wyborem

na czarnym tle po przyciśnięciu klawisza. CH1 Menu – Coupling – DC lub AC lub Ground b. Przycisk Funkcyjny (Action Button) – wykonuje konkretną przyporządkowaną mu

akcję DISPLAY Menu – Contrast Increase oraz Contrast Decrease c. Przyciski Radiowe – oddzielone przerywanymi liniami. Nazwa wybranej funkcji

zaznacza się na czarno po naciśnięciu przycisku. ACQUIRE Menu – Sample lub Peak Detect lub Averages d. Wybór Zestawu (Page Selection) – posiada dwa Menu dla pojedyńczego przycisku,

z wybranym Menu wyświetlanym na czarno i rozwiniętą listą dla tego Menu podspodem.

SAVE / REC Menu – Setup – Recall Factory – Setup 1 – Save – Recall SAVE / REC Menu – Waveforms – Source Ch1 – Ref A – Save – Ref A OFF

9. Przyciski MENU SAVE / RECALL, MEASURE, ACQUIRE, UTILITY, CURSOR, DISPLAY CH1 Menu, CH2 Menu, HORIZONTAL Menu, TRIGGER Menu, MATH Menu

47

II. WYŚWIETLANY EKRAN

1. Tryb zbierania danych [ACQUIRE]- próbkowanie, detekcja piku, uśrednianie

2. Status układu wyzwalania a. Armed – zbieranie danych, wszystkie trygery są ignorowane b. Ready – gotowy do przyjęcia następnego trygera c. Trig’d – zauważył tryger i zbiera dane d. Auto – zbiera przebiegi bez występowania wyzwalania e. Scan – zbiera i wyświetla w sposób ciągły dane f. Stop - zakończone zbieranie danych

3. Wskazuje poziomą pozycję wyzwalania (trigger). Jest ona ustawiana także przezpokrętło Horizontal Position

4. Pokazuje różnicę w czasie pomiędzy środkiem ekranu a pozycją wyzwalaniapoziomego (horizontal trigger).

5. Wskazuje poziom wyzwalania ustawiany pokrętłem TRIGGER LEVEL6. Wartość ustawionego poziomu wyzwalania.7. Pokazuje ustawiony rodzaj wyzwalania (trigerowania) [TRIGGER Menu] a. dodatnim zboczem (narastającym) [Edge - Slope] b. ujemnym zboczem (opadającym) [Edge - Slope] c. wyzwalanie sygnałów video dla line sync. [Video - Sync – Line ] d. wyzwalanie sygnałów video dla field sync. [Video - Sync – Field ]8. Wskazuje kanał (źródło) wyzwalania [TRIGGER Menu – Source]9. Podaje wielkość podstawy czasu dodatkowego Okna, jeśli zostało ustawione (za

pomocą HORIZONTAL POSITION i SEC /DIV w HORIZONTAL MENU –Window Zone)

10. Podaje wielkość głównej podstawy czasu [HORIZONTAL MENU - Main]11. Podaje pionowy przelicznik czułości kanałów12. Pole wyświetlania dodatkowych bieżących komunikatów13. Wskaźniki (1,2) pokazują zerowy poziom wyświetlanego przebiegu w kanale.

Brak wskaźnika świadczy, że nie jest on wyświetlany.

48

III. PRZYKŁADY POSŁUGIWANIA SIĘ OSCYLOSKOPEM

Dla przebiegu sinusoidalnego, częstotliwość 1 kHz A. Prosty pomiar – nie znamy amplitudy ani częstotliwości sygnału. Chcemy szybko

wyświetlić przebieg oraz zobaczyć częstotliwość, okres, peak-to-peak amplitudę.Podłączyć się do kanału CH1, nacisnąć AUTOSET. Oscyloskop wyświetliprzebieg automatycznie. Dalszą optymalizację przeprowadzać ręcznie wedługuznania.

B. Automatyczny pomiar – Nacisnąć przycisk MEASURE Menu– Source – CH1 – CH1 – CH1 Wybierz MEASURE Menu - Type – dla pierwszego CH1 wybierz Freq

- dla drugiego CH1 Period – dla trzeciego CH1 Pk-Pk

C. Dwa sygnały – pomiar wzmocnienia Jeśli nie wyświetlone kanały – naciśnij dwa razy CH1 Menu, CH2 Menu Przycisk AUTOSET Wybierz kanały źródłowe – MEASURE Menu – Source – Drugie okno CH1

- Trzecie okno CH2Wybierz typ pomiaru dla każdego kanału MEASURE Menu – Type - CH1 Pk-Pk – CH2 Pk-Pk

Wzmocnienie = Amplituda Wyj / Amplituda Wej Wzmocnienie (dB) = 20 x log (Wzmocnienia)

Zmienić na przebieg prostokątny, częstotliwość 1 kHz

D. Pomiary za pomocą Kursorów – Szerokości Impulsu, Naciśnij KURSOR Menu – Type Time – Source CH1 – Pokrętło Cursor1 -

- Pokrętło Cursor2 Otrzymujemy czas Delta - szerokość impulsu oraz czasy kursorów względem

punktu wyzwalania (trigger)

E. Czas Narastania Zbocza – (ustawienie precyzyjnej czułości Fine) Ustawić pokrętłem SEC / DIV tak aby widać było rosnące zbocze (50ns)

Ustawić pokrętłem VOLTS / DIV wielkość sygnału na ok. 5 podziałekamplitudy na ekranieUstawić CH1 Menu – Volts/Div Fine – zmienia czułość pokrętła Volts/DivTeraz już precyzyjnie ustawić pokrętłem VOLTS / DIV na 5 działek, zwrócićuwagę na wyświetlaną czułość CH1 na ekranie w lewym dolnym rogu.Pokrętłem Vertical Position ustawić symetrycznie 2.5 działki powyżej zera.CURSOR Menu – Type Time – Cursor1 10% od dołu – Cursor2 90% od góry– odczytać DELTA

F. Częstotliwość Dzwonienia na rosnącym zboczu. Cursor Menu – Type Time – Cursor1 na pierwszy pik – Cursor2 na drugi pik.

Odczytujemy Deltę – czas i częstotliwość

G. Odczyt Amplitudy Dzwonienia Cursor Menu – Type Voltage – Cursor1 na najwyższy punkt piku – Cursor2

na najniższy punkt dzwonienia – Odczytać Delta VoltageH. Czas Propagacji (opóźnienie) pomiędzy impulsami

49

Zainstalować rozgałęźniki sygnału (trójniki) na CH1 i CH2. Podłączyć kablem

koncentrycznym sygnał prostokątny z generatora 1 KHz do rozgałęźnika

sygnału na kanale CH1, do wolnego wyjścia podłączyć jednym końcem jeszcze

dwa zwarte trójnikiem odcinki kabla koncentrycznego, drugi koniec podłączyć

do trójnika na CH2, na wolne wejście podłączyć dodatkowo terminator 50 Ω

Aktywować (dwa razy nacisnąć) CH1 Menu i CH2 Menu by wyświetlić obakanały.AUTOSET aby uzyskać przebiegi,Optymalizować obraz czułością i czasem (50ns podstawa)CURSOR Menu – Type Time – Source CH1 – CURSOR1 pokrętło ustawić –CURSOR2 pokrętło ustawić – odczytać DELTA czas propagacji międzydwoma przebiegami.

I. Zaszumiony Sygnał - oddzielanie Sygnału od SzumuACQUIRE Menu – Peak Detect – bardziej podkreśla szumACQUIRE Menu – Average – Zmieniać ilość uśredniania 4, 16, 64, 128 iobserwować przebiegi

DODATKOWO :

Zmienić na wolne przebiegi ok. 1/min

J. Chwytanie Pojedyńczego Impulsu - dla wolnych przebiegówUstawić czułość VOLTS / DIV i czas SEC / DIV (ok. 1 s) na oczekiwanewartości.ACQUIRE Menu – Peak detect –TRIGGER Menu – Mode Single – Slope Rising – Pokrętło LEVEL nawyzwalanie w połowie impulsuJeśli nie wyświetla się na ekranie ARMED ( ) pusty kwadrat (zbiera przedwyzwalaniem dane, wszystkie wyzwalania są ignorowane) nacisnąćRUN / STOP przycisk. Oscyloskop złąpie pojedyńczy impuls

K. Sygnał różnicowy – gdy mamy słaby i złej jakości sygnał różnicowy przyprzesyłaniu szeregowym przez Serial Data Link

Uaktywnić dwa kanały – Nacisnąć dwa razy CH1 Menu, CH2 Menu

AUTOSETMATH Menu - Wybierz CH1–CH2 do wyświetlenia(lub CH2 Menu – CH2 Inverted – MATH Menu – CH1+CH2 - )Przycisk Run/Stop - skorzystać z tego przycisku dla bardziej stabilnegoodczytu. Za każdym razem gdy zostanie on naciśnięty oscyloskop zbierzei wyświetli przebieg.

L. Krzywe LISSAJOUSWyświetlanie w układzie X-Y, porównuje punkt po punkcie poziomy napięćdwóch przebiegów. Przydatne do analizy przesunięcia fazowego pomiędzydwoma sygnałami.Włączyć dwa kanały CH1 Menu, CH2 Menu, Nacisnąć AUTOSETUstawić pokrętłami VOLTS / DIV te same wartości na obu kanałachDISPLAY Menu – Format XYUstawić pokrętła kanałów VOLTS / DIV i pokrętła kanałów VERTICALPOSITION tak aby wyświetlić właściwy przebieg