CW01 - Teorie měření a regulace cv. 5.0

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

CW01 - Teorie měření a regulace cv. 5.0 ZS – 2014/2015

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace sběrnice

17.SPEC-sb.1. ZS – 2014/2015

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

Další pokračování o „vyšších způsobech využití“ A

© VR - ZS 2009/2010

snímačů …………


T- MaR

PROCESNÍ INSTRUMENTACE - systémy spojení snímače (čidla) se vstupem do řídících a ovládacích systémových částí

- popis sběrnic a jejich vlastnosti

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

MODEL návrhu libovolného MĚŘENÍ -

analýza výchozích podmínek

-

úvodní (matematický) popis

- blokové schema modelu - simulace na modelu

- analýza dosažitelných výsledků - NÁVRH REÁLNÝCH PRVKŮ - sestavení, oživení, seřízení, nastavení, …

- měření - vyhodnocneí výsledků © VR - ZS 2009/2010

T- MaR


PROCESNÍ INSTRUMENTACE Blokové schema systému snímače – analogový systém

0 až 10 V U

U U

I

0 až 20 mA 4 až 20 mA

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


PROCESNÍ INSTRUMENTACE Blokové schema systému snímače – analog/digitální Zobrazení hodnoty - displej υ

E E

© VR - ZS 2009/2010

A

A

D

digitální výstup sběrnice (bus )

T- MaR


PROCESNÍ INSTRUMENTACE Blokové schema systému snímače – „digitální s počítačem“

υ

E E

© VR - ZS 2009/2010

A

Mikropočítač - zobrazení - filtrace - nulování - linearizace - kompenzace - korekce - alarm

digitální výstup sběrnice (bus)


T- MaR

SBĚRNICE Pro propojení signálové se používají komunikační sběrnice (bus) – jejich uspořádání a systém jakým se kódují přenášená data a v jakém pořadí jsou po komunikační sběrnici posílána je obsaženo v definici dané sběrnice (busu), v její „normě“ a popisu dosažitelném v protokolech IEC (International Electrotechnical Commision). Pod pojmem sběrnice obecně rozumíme soustavu vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače.

Pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SBĚRNICE Název sběrnice je odvozen od "sběru" signálů z různých zdrojů. Sběrnice je specifický druh rozhraní. Je to společný komunikační paralelní kanál a komunikace probíhá pomocí adresace jednotlivých částí.

Současným trendem pro průmyslové sběrnice je důraz na rychlost návrhu, montáže, uvedení do provozu a výměnu vadného členu za provozu. Výrobci tedy stojí před náročným požadavkem, při nízké ceně rychlé a jednoduché montáži zajistit 100% spolehlivost.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SBĚRNICE Mezi základní parametery každé sběrnice patří: Šířka přenosu - Počet bitů, které lze zároveň po sběrnici přenést [bit] - (8, 16, 32bitů atd.) Frekvence - Maximální frekvence, se kterou může sběrnice pracovat [Hz] Rychlost (propustnost) - Počet bytes přenesených za jednotku času [B/s]

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SBĚRNICE Nejznámější a nejpoužívanější jsou:

Foundation Fieldbus Profibus USB CAN (Control Area Net-work) – CANopen – mobilní prostředky FIP (Factory Industrial Protocol) Ethernet (klasický protokol TCP/IP) EIB (European Installation Bus) - stavebnictví Modbus – Interbus S DeviceNet – LonTalk – ControlNet – P-Net i-bus – DeviceBus – HART – Bitbus (od Intelu) – BacNet AS-interface – Data Highway plus (od Allan-Bradley) © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SBĚRNICE V počítačové technice jsou nejznámější a nejpoužívanější: ISA (Industry Standard Architecture) MCA (MicroChannel Architecture Bus) EISA (Extended Industry Standard Architecture) VLB (Vesa Local Bus) PCI (Peripheal Component Interconnet) USB (Universal Serial Bus) AGP (Accelerated Graphics Port) PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association)

© VR - ZS 2009/2010


SBĚRNICE

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

SBĚRNICE Sběrnice dost důsledně vychází z klasického komunikačního systému reprezentovaného sedmi vrstvami modelu ISO/OSI. Některé mají navíc nad 7. vrstvou (nejvyšší) svoji „8.“ vrstvu nazvanou „Uživatelská aplikace“, která je s ní velice úzce svázána a je přesně definována. Další obvyklou anomálií bývá sloučení „linkové (2.)“ a „aplikační (7.)“ vrstvy do speciálního tzv. „komunikačního zásobníku (communication stack)“.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

SBĚRNICE Uspořádání základního modelu ISO/OSI: 7. vrstva …. aplikační (--- nad ní stojí uživatelský SW – „8.“) 6. vrstva …. prezentační 5. vrstva …. relační 4. vrstva …. transportní 3. vrstva …. síťová 2. vrstva …. linková 1. vrstva …. fyzická - spojovací vedení (reální dráty, optické kabely apod.) - protistrana navazuje na komunikační vedení svojí 1. vrstvou a se svým SW komunikuje svojí 7. vrstvou

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE - Fieldbus

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


T- MaR

Uplatnění má hlavně na severoamerickém trhu. Vychází z: doporučení ISA (Instrumrnt Society of America) SP50 + definice v IEC 1158 + projekt ISP (Interoperable Systems Project) + standard WorldFIP. Spojuje prvky Profibusu a FIP a má prvky pro napojení na průmyslový Ethernet. Komunikační sběrnice je určena pro všechny oblasti automatizace. Původně je to sériová průmyslová sběrnice

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Má pouze tři vrstvy: uživatelská aplikace + komunikační zásobník (slučuje i vlastní datovou linkovou vrstvu a prostředky FAS < Fieldbus Access Sublayer = F. přístupová podvrstva> a FMS ) + fyzická vrstva.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Základní přenosová rychlost = 31,25 kbitů/sec, rychlá varianta má 1 nebo 2,5 Mbitů/sec. Tato rychlost je dostatečná pro regulační úlohy řízení teploty, hladiny, průtoku a pod „pomalých“ procesů. Je definována a reálně konstruována i pro práci v prostředí s nebezpečím výbuchu (EEx).

Napájení přístrojů je obvykle přímo po sběrnici (u výbušného prostředí) - a je pouze pro „pomalou“ variantu. Topologie je krátkými odbočkami (do 1 metru) nebo dlouhými odbočkami – celková délka je maximálně 1900 m. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Standard FF definuje celkem 10 funkčních bloků z nichž se uživatel skládá příslušnou aplikaci: analogový vstup (AI) analogový výstup (AO) odchylka (B = Bias) výběr řízení (CS = Control Select) diskrétní vstup (DI) diskrétní výstup (DO) ruční vkládání (ML = Manual Loader) PD regulátor (PD) PID regulátor (PID) poměrový regulátor (RA = Rratio)

© VR - ZS 2009/2010


Schemata technologie a implementace systému řízení. 8-22 + 8-23 – s.81

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE - Profibus

T- MaR

PROFIBUS (Process Fieldbus) byl vyvinut v na přelomu devadesátých let v Německu (Siemens, FZI Karlsruhe, … ). Vývoj sběrnice PROFIBUS začal roku 1987 v Německu, kdy 21 společností spojilo síly při vytvoření standardu pro rozhraní provozních přístrojů a zařízení. Nejdřív vznikla specifikace PROFIBUS FMS. V roce 1993 vznikl PROFIBUS DP.

V.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

V roce 1997 vzniklo sdružení Profibus CZ (www.profibus.cz), jež zastupuje mezinárodní organizaci Profibus (www.profibus.com) v České republice

V.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

PROFIBUS (Process Field Bus) je, dle normy EN50170, otevřený sběrnicový systém - obsahuje tři různé protokoly – profily: PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) slouží především pro výměnu dat mezi různými řídicími systémy (např. PLC, PC).

PROFIBUS-DP (Decentral Peripherie) je optimalizován pro rychlou komunikaci mezi cetrálním řídicím systémem a decentralizovanými přístroji. PROFIBUS-PA (Process Automation) je jiskrově bezpečný sběrnicový systém pro procesní automatizaci. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Přenosové technologie 1. RS-485 (high speed – H2) – Profibus DP/FMS asynchronní kódování NRZ, přenosová rychlost od 9,6 kb/s do 12Mb/s, stíněná kroucená dvojlinka, 32 stanic v segmentu, celkem maximálně 127 stanic, pomocí opakovačů lze sít prodloužit do 10 km, připojení 9pinovým D-Sub konektorem,

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Přenosové technologie 2. optické vlákno - Profibus DP/FMS maximální délka sběrnice závisí na typu optického vlákna (do 80 km), topologie segmentu – kruh nebo hvězda, možnost použít převodník mezi RS-485 a optickým vláknem.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Přenosové technologie 3. IEC 1158-2 (Low Speed - H1) - Profibus PA synchronní kódování Manchester II s rychlostí 31,25 kb/s, volitelná jiskrová bezpečnost a volitelné napájení po sběrnici, stíněná nebo nestíněná kroucená dvojlinka délka segmentu maximálně 1 900 m (ne pro EEx), síť lze prodloužit pomocí čtyř opakovačů, podporuje topologie sběrnice, strom a nebo jejich kombinace, 10 až 32 stanic v segmentu (závisí na třídě EEx a proudové spotřebě), maximálně 127 stanic

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

V současnosti je sběrnice PROFIBUS standardizována normami IEC 61158 a IEC 61784. Definována je v DIN 19 245. Do sběrnice PROFIBUS lze připojit mnoho průmyslových automatů, např. Siemens Simatic, SAIA, Koyo, ABB, Wago, Bernecker&Reiner, a mnoho dalších. Používá se zejména pro přenos dat z technologických linek. Je přizpůsobena i pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Fyzickým přenosovým médiem je „běžná“ stíněná kroucená dvoulinka nebo optické vlákno. Na segmentu mezi dvěma opakovači může být až 30 stanic – maximální počet prvků je do 127 stanic na maximálně 10 segmentech.

Volba přenosové technologie je závislá na prostředí, v němž je sběrnice provozována (rušení, nebezpečí výbuchu).

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR


Přenosová rychlost 9,6 – 19,2 – 187 – 500 kbitů/sec je dnes rozšířena na 1,5 – 3 – 6 – 9 –12 – a více Mbitů/sec.

Přeno- 9,6 sová rychlost [kbit/s] Délka [m]

© VR - ZS 2009/2010

19,2

93,75 187,5 500

1200 1200 1200

1000

400

1500

12000

200

100


T- MaR

Na úrovni fyzické vrstvy PROFIBUS se používají 4 typy rozhraní: RS 485: Pro úlohy vyžadující vysokou přenosovou rychlost. Maximální přenosová rychlost je 12 Mbit/s. Zařízení jsou propojena sběrnicovou topologii, pomocí kabelu typu A (stíněná kroucená dvojlinka). Na jeden segment sběrnice může být připojeno maximálně 32 zařízení, pomocí opakovačů lze propojit až 126 zařízení. RS 485-IS: Je jiskrově bezpečná verze rozhrani RS485. Maximální přenosová rychlost je 1.5 Mbit/s. Na jeden segment sběrnice může být připojeno maximálně 32 zařízení. © VR - ZS 2009/2010


T- MaR

MBP: (Manchester Coding and Bus Powered) jiskrově bezpečné rozhraní s přenosovou rychlostí 31.25 kbit/s a s možností napájení přes vodiče sběrnice. Topologie může být typu sběrnice nebo hvězda. Na jeden segment sběrnice může být připojeno maximálně 32 zařízení v běžném prostředí nebo 10 zařízení v prostředí s nebezpečím výbuchu. Údaje jsou kódované kódem Manchester. Optická vlákna: umožňují vysokou přenosovou rychlost 12Mbit/s na velké vzdálenosti (několik km). Topologie je liniová, hvězda nebo kruh. V síti může být až 126 zařízení.

© VR - ZS 2009/2010


T- MaR

Obsahuje 1 + 3 vrstvy: uživatelská aplikace „8.“ (je definována jako komunikační rozhraní ALI = Application Layer interface) + aplikační (obsahuje podvrstvy FMS a LLI = Lower Layer Interface a je vyjádřena komunikačními objekty , komunikačními službami , komunikačními vztahy) + linková (zabezpečuje vytváření * identifikaci a zabezpečení) + fyzická (komunikuje pomocí aplikace služeb FMA, obsahuje prvky dle IEC 1158 nebo RS 485).

© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

CAN (Controler Area network) byl vyvinut firmou BOSH na technologii Intelu hl. pro potřeby automobilového průmyslu. Umožňuje časově nedeterministické řízení v reálném čase. Je otevřená pro každého výrobce. Výhodou je robustnost (odolnost proti poruchám a rušení) snadná konfigurovatelnost a nižší cena spolu s vysokou přenosovou rychlostí. CAN je sériová datová sběrnice. Sběrnice sama o sobě je symetrický nebo asymetrický dvouvodičový obvod, který může být odstíněný či neodstíněný.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Historie: 1983 Firma Bosch zahájila projekt vývoje komunikační sítě pro motorová vozidla. 1986 Vydáno oficiální informace k CAN protokolu. 1987 Firmy Philips Semiconductors a Intel uvedly první obvody pro CAN. 1991 Firma Bosch vydala CAN specifikaci 2.0. 1991 High-level protokol CAN Kingdom od firmy Kvaser. 1992 Ustanoveno sdružení výrobců a uživatelů CiA (CAN in Automation). 1992 CiA zveřejňuje specifikaci protokolu CAL (CAN Application Layer). 1995 Mercedes-Benz uvádí první automobil se sběrnicí CAN. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Historie: 1994 První mezinárodní CAN konference (iCC) organizovaná sdružením CiA. 1994 Firma Allen-Bradley uvádí high-level protokol DeviceNet. 1995 Vydán dodatek ISO 11898: Extended Frame Format. 1995 Sdružení CiA publikuje specifikaci protokolu CANopen. 2000 Vývoj time-triggered (časově-spouštěného) komunikačního protokolu pro CAN (TTCAN).

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

CAN protokol odpovídá datovému přenosu vrstvy v ISO/OSI referenčním modelu. Síťový protokol detekuje a opravuje přenosové chyby vzniklé od okolních elektromagnetických polí. Dovoluje snadné nastavení (konfiguraci) systému a umožňuje centrální diagnostiku. Vysílané data nemají žádnou adresu, obsah zprávy je dán identifikátorem (ID), který je v celé síti jedinečný. Tento identifikátor definuje obsah přenášené zprávy a zároveň i prioritu zprávy při pokusu o její odeslání na sběrnici. Vyšší prioritu mají zprávy s nižší hodnotou identifikátoru. Příjem zpráv může být mnohonásobný (jedna zpráva může být přijata několika zařízeními).

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Elektrické parametry fyzického přenosu jsou specifikované normou ISO 11898.

Od CAN jsou odvozeny CANopen, DeviceNet SDS a další. Přenosová rychlost: 1 – 1,5 Mbitů/sec.

Obvyklý počet prvků je do 256 účastníků a maximální délku segmentu je 1200 metrů. Na rozdíl od ostatních sběrnicových systémů CAN protokol nepoužívá potvrzování zpráv, ale namísto toho signalizuje jakoukoliv vyskytlou chybu.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Pro detekci chyby CAN protokolem se používají tři mechanismy umístěné v oblasti zprávy: - kontrola cyklické nadbytečnosti (Cyclic Redindancy Check CRC) - kontrola rámce - ACK chyby CAN protokol také užívá dva mechanismy pro detekci chyb na bitové úrovni: - pozorování (Monitoring) - vkládání bitů (Bit stuffing)

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Kontrola cyklické nadbytečnosti (Cyclic Redindancy Check) CRC chrání informace v rámci a přidává nadbytečné kontrolní bity na konec přenosu. Na konci příjmu jsou tyto bity přepočítány a testovány vůči přeneseným bitům. Jestliže nejsou v pořádku, pak je hlášena CRC chyba.

Kontrola rámce Tento mechanismus prověřuje strukturu přeneseného rámce dle kontroly bitového pole vůči pevnému formátu a velikosti rámce. Chyba detekovaná kontrolou rámce je označena jako “format errors”.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

ACK chyby Každé správné přijetí rámce od všech příjemců je potvrzeno v ACK poli. Jestliže není potvrzeno, je přijata vysílačem zprávy ACK chyba (ACK error). To může znamenat, že nastala přenosová chyba, kterou objevil pouze příjemce, nebo že ACK pole je porušené či není žádný příjemce.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

CAN protokol také užívá dva mechanismy pro detekci chyb na bitové úrovni: Pozorování (Monitoring) Mechanismus pro detekci chyb na bitové úrovni. Schopnost vysílače detekovat chyby je základem pro pozorování sběrnicových signálů: každý uzel, který vysílá, také pozoruje sběrnicovou část, a tak detekuje rozdíly mezi bity poslanými a bity přijatými. Toto dovoluje spolehlivou detekci globálních a lokálních chyb na straně vysílače.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Vkládání bitů (Bit stuffing) Mechanismus pro detekci chyb na bitové úrovni. Kódování samostatných bitů je testováno na bitové úrovni. Bitová reprezentace CAN je NRZ kód (non-return-to-zero), který garantuje maximální efektivitu v bitovém kódování. Synchronizaci tvoří vkládání pěti po sobě jdoucích stejných bitů. Odesílatel přidá do bitového toku vložený bit s doplňkovou hodnotou, která je odstraněna příjemcem. Kódová kontrola je omezena kontrolou správnosti vloženého pravidla.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Jestliže je objevena jedna nebo více chyb na nejméně jedné nebo více stanicích, používajících zařízení, přenos je zrušen a je odeslána indikace chyby “error flag”. To zabrání jiné stanici přijmout zprávu, a tak zajistí konzistenci dat v celé síti. Další chybný přenos zprávy je zrušen a odesílatel se automaticky znovu pokusí o přenos (automatické opakování žádosti). Bude muset znovu soutěžit o připojení na sběrnici.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

CAN protokol tedy poskytuje mechanismus pro rozlišení ojedinělé chyby od trvalých chyb a lokalizuje stanici, která selhala. Toto je prováděno statistickým odhadem chybné stanice s cílem poznat stanici s vlastními chybami a možný pracovní režim, v kterém ostatní stanice záporně neovlivňují CAN síť. Pokud stanice sebe odpojí, zabrání tak chybnému rozpoznání zprávy a také chybnému přerušení. Pravděpodobnost neidentifikované zprávy je 1013. Příklad: CAN běžící 2000 hodin/rok rychlostí 500 kbit/s s 25% vytížením sběrnice může mít neidentifikovanou chybu jednou za 1000 let. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN Protokol CAN definuje 4 typy zpráv:

- zprávy týkající se přenosu dat: - Data Frame (Datová zpráva) - Remote Frame (Žádost o data) - zprávy řídící komunikaci po sběrnici - Error Frame (Chybová zpráva) - Overload Frame (Zpráva o přetížení)

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

CAN protokol tedy poskytuje mechanismus pro rozlišení ojedinělé chyby od trvalých chyb a lokalizuje stanici, která selhala. Toto je prováděno statistickým odhadem chybné stanice s cílem poznat stanici s vlastními chybami a možný pracovní režim, v kterém ostatní stanice záporně neovlivňují CAN síť. Pokud stanice sebe odpojí, zabrání tak chybnému rozpoznání zprávy a také chybnému přerušení. Pravděpodobnost neidentifikované zprávy je 10 na 13, příklad: CAN běžící 2000 hodin/rok rychlostí 500 kbit/s s 25% vytížením sběrnice může mít neidentifikovanou chybu jednou za 1000 let.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – CAN

T- MaR

Obsahuje 1 + 3 vrstvy: uživatelská aplikace „8.“ (je definována jako komunikační rozhraní ALI = Application Layer interface) + aplikační + linková + fyzická

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE - FIP

T- MaR

FIP (Factory Industrial Protocol) byl vyvinut skupinou firem v Německu, Francii a v Italii. Uplatnila se i v severní Americe. Definován je v DIN 19 245. Fyzickým přenosovým médiem je „běžná“ kroucená dvoulinka nebo optické vlákno. Je přizpůsobena i pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu. Přenosová rychlost: 31,25 kbitů/sec a 1 – 1,5 Mbitů/sec. Obvyklý počet prvků je do 256 účastníků a je omezen na maximální délku 500 metrů.

Používá se zejména pro přenos dat z technologických linek. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – P-Net

T- MaR

P-Net je dánskou variantou Fieldbusu. Je sběrnicí typu MS (Master – Slave). Výhodou je snadná konfigurovatelnost a nižší cena. Definován je v EN 50 170 – díl 1.

Fyzickým přenosovým médiem je „běžná“ kroucená stíněná dvoulinka nebo optické vlákno. Je přizpůsobena i pro provoz v prostředí s nebezpečím výbuchu. Přenosová rychlost: 31,25 – 76,8 kbitů/sec a 1 – 1,5 Mbitů/sec. Obvyklý počet prvků je do 256 účastníků a maximální délku segmentu je 1200 metrů. Používá se zejména pro automatizaci technologických linek. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – P-Net

T- MaR

Obsahuje 1 + 3 vrstvy: uživatelská aplikace „8.“ (je definována jako komunikační rozhraní ALI = Application Layer interface) + aplikační (obsahuje podvrstvy FMS a LLI = Lower Layer Interface a je vyjádřena komunikačními objekty , komunikačními službami , komunikačními vztahy) + linková (zabezpečuje vytváření * identifikaci a zabezpečení) + fyzická (komunikuje pomocí aplikace služeb FMA, obsahuje prvky dle IEC 1158 nebo RS 485).

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – DeviceNet

T- MaR

DeviceNet je, dle normy EN50325, otevřený sběrnicový systém, založený na specifikaci CAN (Controller Area Network).

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

USB (Universal Serial Bus) rozhraní se během posledních let stalo zcela běžnou součástí spotřební elektroniky připojitelné k počítači a již téměř vytlačilo klasický sériový port RS232 a dokonce i paralelní port. Základní parametry rozhraní USB : Komunikační rychlost od 1,5 Mbit/s do 480Mbit/s Komunikační vzdálenost do 5 m Možnost připojení více zařízení Rozhraní obsahuje 5V napájení Lze připojit až 127 zařízení pomocí jednoho typu konektoru. USB zajišťuje správné přidělení prostředků (IRQ, DMA, ...). © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Sběrnice USB se v posledních letech stala už naprosto samozřejmou součástí výbavy osobních počítačů. Na rozdíl od starších sériových rozhraní (RS-232) má USB mnohem větší možnosti a schopnosti, což je na druhou stranu vyváženo její složitostí a nákladnějším vývojem zařízení. USB sběrnice obsahuje jeden tzv. kořenový rozbočovač (root hub), který je považován za nejvyšší (první) úroveň a k němuž jsou připojeny další huby a zařízení.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Rozhraní mezi USB systémem a hostitelským počítačem je nazýváno hostitelský řadič (Host Controller). Tento řadič může být implementován hardwarově nebo softwarově.

Kořenový rozbočovač je integrován spolu s hostitelským řadičem do hostitelského systému a nabízí nejčastěji dva přípojné body. S ohledem na zpoždění signálu v kabelech a hubech povoluje specifikace maximálně sedm úrovní včetně kořenové vrstvy. To znamená, že mezi kořenovým rozbočovačem a koncovým zařízením může být zapojeno maximálně pět rozbočovačů.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB Topologie sběrnice USB

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE – USB USB Hostitel a USB Klient

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Poznámka: Originální anglická literatura nazývá všechny přístroje připojené na USB sběrnici zařízeními (USB devices) a rozlišuje mezi rozbočovači (USB hubs) a zařízeními, přidávajícími hostitelskému systému nějaké schopnosti (USB functions).

Doslovný překlad "USB funkce" by byl velmi neobratný, proto v češtině se "USB function" nazývá "koncové zařízení".

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

USB je řízená sběrnice, kde veškeré datové přenosy inicializuje host controller. Většina sběrnicových transakcí (přenosů dat) sestává z vyslání až tří paketů. Každá transakce začíná tím, že Host Controller vyšle USB paket popisující typ a směr přenosu, adresu zařízení a číslo koncového bodu (endpoint) v zařízení (k těmto termínům se ještě dostanu). Tento paket je označen jako token paket. USB zařízení, které rozpozná svou adresu, se připraví k přenosu.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Směr přenosu, tedy zda jde o přenos dat ze zařízení do hostitelského systému nebo z hostitelského systému do zařízení, je určen token paketem. Poté zdroj dat (zařízení nebo systém) vyšle datový paket nebo oznámí, že nemá žádná data k vyslání.

Transakce bývá ukončena tím, že příjemce (cíl dat) vyšle handshake paket, kterým potvrdí úspěšnost přenosu. Některé transakce mezi hostitelským systémem a hubem sestávají ze čtyř paketů. Transakce tohoto typu jsou používány pro řízení datových přenosů mezi hostitelským systémem a full / low speed zařízeními. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Pomyslná cesta pro datové přenosy mezi hostitelským zařízením a koncovým bodem v zařízení je nazývána rourou (pipe). Existují dva typy rour: - pro datové proudy (streams); - pro zprávy (messages).

Datový proud nemá, na rozdíl od zpráv, pevně definovanou strukturu. Roura má dále přiřazené některé parametry, jako jsou šířka přenosového pásma (bandwidth), typ přenosu a charakteristiky koncového bodu, jako směr a velikost bufferu. Většina rour je vytvořena v okamžiku konfigurace USB zařízení. Jedna roura pro přenos zpráv, tzv. Default Control Pipe, existuje ihned po připojení zařízení a poskytuje přístup ke konfiguračním, stavovým a řídícím informacím zařízení. © VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Specifikace USB obsahuje čtyři základní typy datových přenosů:

Řídící (control) přenosy. Hromadné (bulk) přenosy. Přerušovací (interrupt) přenosy. Izochronní (isochronous) přenosy.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Řídící (control) přenosy Jsou používány ke konfiguraci zařízení při jeho připojení a mohou být použity k dalším účelům, jako např. k řízení dalších komunikačních rour.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Hromadné (bulk) přenosy slouží k přenosům velkého množství dat a jsou na ně kladena nejmenší omezení - obsahují velká množství dat, např. data pro tiskárny nebo získaná ze scannerů. Hromadná data jsou přenášena sekvenčně a spolehlivost jejich přenosu je zajišťována detekcí chyb na hardwarové úrovni a omezeným počtem opakovaných pokusů.

Šířka pásma, využitá hromadným přenosem, může být různá a záleží na ostatním provozu na sběrnici.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Přerušovací (interrupt) přenosy Slouží k včasnému a spolehlivému doručení dat, nejčastěji pro asynchronní události - přenášejí data do nebo ze zařízení. Zařízení může požádat o přenos těchto dat v kterýkoliv okamžik a tato data jsou doručena USB sběrnicí v nejkratším možném čase. Nejčastěji se jedná o upozornění na nějakou událost, například na stisk klávesy na klávesnici nebo změnu pozice myši, tedy taková data, která zaberou jen několik bajtů.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Izochronní (isochronous) přenosy ("stejnodobé", plynulé) Zabírají předem smluvené množství přenosového pásma a mají předem dohodnuté zpoždění. Tento druh přenosů je také nazýván proudový přenos v reálném čase (streaming real-time transfer)

Jsou to trvalé přenosy, u nichž probíhá vytváření, přenos a zpracování dat v reálném čase. Přesné časování přenosu je zajištěno rovnoměrným rozložením úseků v čase, ve kterých jsou data přijímána a odesílána.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Izochronní data musí být předávána hubem se stejnou frekvencí, s jakou jsou přijímána, aby bylo dodrženo časování. Tato data mohou být také citlivá na zpoždění při přenosu. Izochronní roury mívají šířku přenosového pásma odvozenou nejčastěji od vzorkovací frekvence daného zařízení.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Požadavky na zpoždění (latency) jsou dány velikostí vyrovnávací paměti daného koncového bodu. Za přesně časované doručování izochronních dat se na druhou stranu platí rizikem možných ztrát při přenosu.

Případná chyba při přenosu není totiž opravena hardwarovými prostředky, jako jsou např. opakovaná vysílání. V praxi se předpokládá, že ztráty dat nebudou tak velké, aby přinesly problémy.

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – USB

T- MaR

Typický příklad izochronních dat je digitálně zpracovaný hlas.

Pokud není zajištěn stejnoměrný tok dat, objeví se ve výsledném zvuku výpadky, způsobené podtečením či přetečením bufferů. I v případě, že jsou data doručována v pravidelných intervalech, může zpoždění při přenosu vést až k nepoužitelným výsledkům, zejména v aplikacích vyžadujících plynulou a rychlou odezvu v reálném čase, jako jsou např. audiokonference.

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

SBĚRNICE – USB

Pin

Jméno

Barva

Popis

1

VBus

Red

+5 VDC

2 3

DD+

White Green

Data Data +

4

GND

Black

Ground

© VR - ZS 2009/2010

SBĚRNICE – THUNDERBOLD

T- MaR

Typické hardwarové rozhraní, které umožňuje připojení externích periferií k počítači. Používá stejný konektor jako Mini DisplayPort (MDP). Zveřejněno ve svém konečném stavu 24. února 2011. Kombinuje PCI Express (PCIe) a DisplayPort (DP) do jednoho sériového signálu podél DC přípojky elektrické energie – vše přenášené přes jeden kabel. Může být podporováno až šest periferií jedním konektorem prostřednictvím různých topologií. Sběrnice byla vyvinuta ve spolupráci Apple a Intel.

© VR - ZS 2014/2015

SBĚRNICE – THUNDERBOLD

T- MaR

Parametry: Maximum: 3 metry (9.8 ft) (Cu) - 100 metrů (330 ft) (optika) Audio signal: Via DisplayPort protocol nebo USB-based external audio karty - přenos audio přes HDMI adaptéry. Video signal: Via DisplayPort protocol Počet pinů: 20 Konektor: Mini DisplayPort Max. napětí: 18 V Max. proud: 0,55 A …… 9,9 W max.

© VR - ZS 2014/2015

SBĚRNICE – THUNDERBOLD Parametry: Komunikační a přenosová rychlost: 20 Gbit/s

Thunderbolt 3 Nový Alpine Ridge. Dvojitá šířka pásma 40Gbit / s. Podporovány na Skylake architekturou. Očekává, že bude k dispozici od konce roku 2015.

© VR - ZS 2014/2015

T- MaR

T- MaR

… a to by bylo

vše 5...... © VR - ZS 2014/2015

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

CW01 - Teorie měření a regulace cv. 5.0

Recommend Documents