Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы

Содержание

2. Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы 5. Интерфейсы 5.1. Принципы построения ИВС и способы передачи данных 5.2. Уровни
3. 5.1Принципы построения ИС и способы передачи данных Основные структуры ИС Радиальный принцип построения системы (звезда)
4. Магистральный принцип построения системы Последовательный интерфейс. Кольцевая структура
6. В соответствии с международным стандартом OSI/ISO (промышленный стандарт ISO11898) приборный интерфейс имеет три уровня организации: -
7. Физический уровень Определяет уровни сигналов, требования синхронизации, нагрузочную способность, элементы соединений (тип линии передачи: витая пара,
8. Эффективность организации физического уровня Эффективность применения того или иного типа соединения может быть определена как оценка
9. Основные характеристики основных видов реализации физического уровня
10. Надежность передачи данных Важной характеристикой является надежность передачи данных, вероятность появления ошибки. Как видно из предыдущей
11. Физический уровень Ethernet Передающая среда: Коаксиальный кабель Витая пара Оптический кабель Преимущества использования витой пары по
12. Канальный уровень Определяет логику организации протоколов обмена данными между двумя устройствами: передача управляющей информации, данных о
13. Пример организации фрейма передачи данных для некоторых протоколов
14. Одна и та же физическая реализация интерфейса может использовать разные организации протокола.
15. Характеристики интерфейсов В таблице приведены основные характеристики последовательных магистральных интерфейсов, использующих рассмотренные ранее протоколы, и нескольких
16. Эффективность применения интерфейса Эффективность применения интерфейса для конкретной реализации ИС целесообразно оценивать по производительности передачи измерительных
17. Пример для организации интерфейса для передачи данных результатов измерения (одно число) на расстоянии до 10 м
18. Канальный уровень Ethernet Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. Формат кадра: Поле
19. Контрольная сумма Контрольная сумма — некоторое значение, рассчитанное по набору данных путём применения определённого алгоритма и
20. Циклический избыточный код Циклический избыточный код (Cyclic redundancy code, CRC) — алгоритм вычисления контрольной суммы, предназначенный
21. Прикладной уровень Определяет возможности аппаратно-программных средств интерфейса, связанные с представлением результатов контроля, их анализом, предварительной обработкой
22. Стандартизация IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - национальная организация США, определяющая сетевые стандарты. В
23. 5.3 Примеры интерфейсов RS-232 - стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между терминалом (DTE) и коммуникационным
24. RS-485 — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры многоточечной дифференциальной линии связи типа
25. 5.4 CAN-интерфейс(Controller Area Network) CAN-протокол был разработан фирмой «Robert Bosh Gmbh» для использования в автомобильной электронике,
26. Среди многочисленных достоинств CAN-сетей можно выделить следующие: Невысокую стоимость как самой сети, так и ее разработки.
39. Скачать презентацию

Слайд 2

Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы
5. Интерфейсы
5.1. Принципы построения ИВС и способы передачи

данных
5.2. Уровни организации приборного интерфейса
5.3. Примеры интерфейсов
5.4. CAN-интерфейс

Слайд 3

5.1Принципы построения ИС и способы передачи данных
Основные структуры ИС
Радиальный принцип построения

системы (звезда)

Слайд 4

Магистральный принцип построения системы
Последовательный интерфейс. Кольцевая структура

Слайд 5

Слайд 6

В соответствии с международным стандартом OSI/ISO (промышленный стандарт ISO11898) приборный интерфейс

имеет три уровня организации:
- физический
- канальный
- прикладной

5.2 Уровни организации приборного интерфейса

Слайд 7

Физический уровень
Определяет уровни сигналов, требования синхронизации, нагрузочную способность, элементы соединений

(тип линии передачи: витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, радиоканал; разъемы и др.), частоту передачи – fIF (бит/сек), расстояние передачи сигнала – lIF(м), количество шин передачи данных – nIF. Перечисленные параметры могут быть использованы для характеристики эффективности передачи данных по интерфейсу при их сравнении.
Определяет архитектуру системы – способы подключения устройств к контроллеру и обмена между собой. В настоящее время из известных принципов получили широкое применение радиальные и магистральные структуры с параллельной или последовательной передачей данных.

Слайд 8

Эффективность организации физического уровня
Эффективность применения того или иного типа соединения может

быть определена как оценка затрат на единицу передаваемой информации – эффективность организации физического уровня
VФIF=(CCIF+CIF lИС)/(fIF nIF)
CCIF – стоимость узла связи интерфейса
CIF (руб./м) – удельная стоимость одного метра коммуникаций физического уровня
lИС - реальное расстояние между элементами измерительной системы
fIF (бит/сек) – частота передачи
nIF - количество шин передачи данных

Слайд 9

Основные характеристики основных видов реализации физического уровня

Слайд 10

Надежность передачи данных
Важной характеристикой является надежность передачи данных, вероятность появления ошибки.

Как видно из предыдущей таблицы, разные реализации физического уровня имеют разную надежность, которая не всегда определяется стоимостью. Для повышения надежности передачи данных используются алгоритмы преобразования кодов, механизм формирования контрольных кодов с обнаружением и исправлением ошибок, что требует дополнительных затрат. Данный показатель связан со стоимостью системы, он должен определяться заказчиком в техническом задании как требование (ограничение) на создание системы. Это зависит от организации протоколов обмена, организации канального уровня.
Таким образом, эффективность обмена данными определяется не только физическим уровнем, она зависит от информационной организации обмена, от протокола обмена.

Слайд 11

Физический уровень Ethernet
Передающая среда:
Коаксиальный кабель
Витая пара
Оптический кабель
Преимущества использования витой пары по

сравнению с коаксиальным кабелем:
возможность работы в дуплексном режиме;
низкая стоимость кабеля «витой пары»;
более высокая надёжность сетей при неисправности в кабеле
минимально допустимый радиус изгиба меньше;
большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;
возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов
Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить длину сегмента без повторителей.
В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии:
10 Мбит/с Ethernet (до 2 км)
Быстрый Ethernet (Fast Ethernet, 100 Мбит/с, от 2 до 10 километров)
Гигабитный Ethernet (Gigabit Ethernet, 1 Гбит/с, от 5 до 50 километров)
10-гигабитный Ethernet (от 10 до 40 километров соответственно.)
40-гигабитный и 100-гигабитный Ethernet (в разработке)
Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами.
IEEE 802.3 — стандарты IEEE, касающиеся функционирования сетей Ethernet.

Слайд 12

Канальный уровень
Определяет логику организации протоколов обмена данными между двумя устройствами: передача

управляющей информации, данных о состоянии, команд, результатов измерения. Организация протокола обмена может характеризовать эффективность взаимодействия устройств: количество тактов обмена по интерфейсу необходимое для получения одного результата данных контрольных измерений – tDIF = mτIF, τIF – число тактов цикла обмена по интерфейсу, m – число циклов.
Канальный уровень переводит поступившую с верхнего уровня информацию в биты, которые потом будут переданы физическим уровнем по сети. Он разбивает пересылаемую информацию на фрагменты данных — кадры (frames).
Канальный уровень обеспечивает доставку данных между узлами в сети с определенной топологией. Топология - способ организации физических связей и способы их адресации. К основным топологиям относятся:

Слайд 13

Пример организации фрейма передачи данных для некоторых протоколов

Слайд 14

Одна и та же физическая реализация интерфейса может использовать разные организации

протокола.

Слайд 15

Характеристики интерфейсов

В таблице приведены основные характеристики последовательных магистральных интерфейсов,

использующих рассмотренные ранее протоколы, и нескольких параллельных магистральных интерфейсов, используемых при построении ИС.

Слайд 16

Эффективность применения интерфейса
Эффективность применения интерфейса для конкретной реализации ИС целесообразно

оценивать по производительности передачи измерительных данных fD= fIF/ tDIF. В этом случае показатель эффективности интерфейса можно записать как
VIF =(CCIF+CIF lИС)/(fD)=(CCIF+CIF lИС)/(fIF / tDIF)
CCIF – стоимость узла связи интерфейса
CIF (руб./м) – удельная стоимость одного метра коммуникаций физического уровня
lИС - реальное расстояние между элементами измерительной системы
fIF (бит/сек) – частота передачи
nIF - количество шин передачи данных
tDIF=mτIF - количество тактов обмена по интерфейсу необходимое для получения одного результата данных контрольных измерений
τIF – число тактов цикла обмена по интерфейсу
m – число циклов

Слайд 17

Пример для организации интерфейса для передачи данных результатов измерения (одно число)

на расстоянии до 10 м и 1000 м, на частоте 1000 Гц, с помощью экранированной витой пары.

Результаты расчета показателя эффективности со значениями параметров расчета приведены в таблице:

Из расчета видно, что для выбранных условий при построении локальной системы (lИС < 10 м) наиболее эффективным из рассмотренных интерфейсов является ASI, а для распределенной системы (lИС<1000 м) – CAN.

Слайд 18

Канальный уровень Ethernet
Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных

сетей.
Формат кадра:
Поле преамбулы состоит из семи байтов синхронизирующих данных. Каждый байт содержит одну и ту же последовательность битов - 10101010.
Адрес получателя - может быть длиной 2 или 6 байтов (MAC-адрес получателя). При широковещательной адресации все биты поля адреса устанавливаются в 1.
Адрес отправителя - 2-х или 6-ти байтовое поле, содержащее адрес станции отправителя.
Двухбайтовое поле длины определяет длину поля данных в кадре.
Поле данных может содержать от 0 до 1500 байт.
Поле контрольной суммы - 4 байта, содержащие значение, которое вычисляется по определенному алгоритму (полиному CRC-32).
Каждая сетевая карта должна иметь уникальный шестибайтный номер (MAC-адрес), прошитый в ней при изготовлении. Этот номер используется для идентификации отправителя и получателя кадра. Уникальность MAC-адресов достигается тем, что каждый производитель получает в координирующем комитете IEEE диапазон из шестнадцати миллионов (2^24) адресов, и по мере исчерпания выделенных адресов может запросить новый диапазон.
MAC-адреса формируют основу сетей на канальном уровне, которую используют протоколы более высокого (сетевого) уровня. Согласно подсчётам IEEE, запаса MAC адресов хватит по меньшей мере до 2100 года.

Слайд 19

Контрольная сумма
Контрольная сумма — некоторое значение, рассчитанное по набору данных путём применения

определённого алгоритма и используемое для проверки целостности данных при их передаче или хранении. Так же контрольные суммы могут использоваться для быстрого сравнения двух наборов данных на неэквивалентность: с большой вероятностью различные наборы данных будут иметь неравные контрольные суммы.
Популярность использования контрольных сумм для проверки целостности данных обусловлена тем, что подобная проверка просто реализуема в двоичном цифровом оборудовании, легко анализируется и хорошо подходит для обнаружения общих ошибок, вызванных наличием шума в каналах передачи данных.
Пример:
Циклический избыточный код (CRC8, CRC16, CRC32).
MD5, SHA-1 и другие криптографические хеш-функции.

Слайд 20

Циклический избыточный код
Циклический избыточный код (Cyclic redundancy code, CRC) — алгоритм вычисления

контрольной суммы, предназначенный для проверки целостности передаваемых данных. Также называют полиномиальными кодами, так как при их вычислении битовая строка рассматривается как многочлен (полином), коэффициенты которого равны 0 или 1, и операции с этой битовой строкой можно интерпретировать как операции деления и умножения многочленов.
Алгоритм CRC:
R - многочлен, представляющий значение CRC .
D - многочлен, коэффициенты которого представляют входные данные.
G - порождающий многочлен.
r - степень порождающего многочлена.

Слайд 21

Прикладной уровень
Определяет возможности аппаратно-программных средств интерфейса, связанные с представлением результатов

контроля, их анализом, предварительной обработкой (уменьшение случайной составляющей погрешности, удаление промахов, аппроксимация и др.). Указанные возможности характеризуются быстродействием контроллера, его разрядной сеткой, памятью.
В общем случае производительность контроллера, может характеризоваться временем получения достоверного результата контроля – tKIF или интенсивностью получения результатов – λKIF=1/ tKIF. В зависимости от задач решаемых контроллером на прикладном уровне его производительность определяет интенсивность запросов на обмен с более высоким уровнем ИС – λКИС или λЛИС. Поэтому на этапе проектирования должны быть определены все контролируемые параметры, требования по их измерению, составлено расписание опроса всех каналов, определены алгоритмы обработки данных (алгоритмы получения достоверных результатов), алгоритмы и протоколы взаимодействия измерительных подсистем.
Определенность в перечисленных данных позволит определить среднюю и максимальную интенсивность запросов на обмен от каждого элемента системы. В этом случае могут быть удовлетворены условия описанные выше.

Слайд 22

Стандартизация
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - национальная организация США,

определяющая сетевые стандарты. В 1981 году рабочая группа 802 этого института сформулировала основные требования, которым должны удовлетворять локальные вычислительные сети. Группа 802 определила множество стандартов, из них самыми известными являются стандарты 802.1, 802.2, 802.3 и 802.5, которые описывают общие понятия, используемые в области локальных сетей.
Ecma International (European Computer Manufacturers Association) — ассоциация основанная в 1961 году, деятельность которой посвящена стандартизации информационных и коммуникационных технологий.
Ассоциация преследует три цели:
Создавать (в сотрудничестве с организациями аналогичной направленности, но локального масштаба) стандарты и технические отчёты в порядке поддержки и стандартизации использования информационных и сетевых систем.
Поощрять правильное использование стандартов путём влияния на контекст их употребления.
Публиковать стандарты и технические отчёты в электронном и бумажном виде. Распространение документов должно быть бесплатно и неограниченно.

Слайд 23

5.3 Примеры интерфейсов
RS-232 - стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между

терминалом (DTE) и коммуникационным устройством (DCE). Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса. Устройства для связи по последовательному каналу соединяются кабелями с 9-ю или 25-ти контактными разъемами типа D.

Слайд 24

RS-485 — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры

многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина». Стандарт на RS-485 предусматривает только 32 пары передатчик/приемник, но используя репитеры можно продлевать RS-485 практически до бесконечности. Только один передатчик является активным в данный момент времени. Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

Слайд 25

5.4 CAN-интерфейс(Controller Area Network)
CAN-протокол был разработан фирмой «Robert Bosh Gmbh» для

использования в автомобильной электронике, отличается повышенной помехоустойчивостью, надежностью и обладает следующими возможностями:
конфигурационная гибкость
получение сообщений всеми узлами с синхронизацией по времени
неразрушающий арбитраж доступа к шине
режим «мультимастер»
обнаружение ошибок и передача сигналов об ошибках
автоматическая передача сбойных сообщений при получении возможности повторного доступа к шине
различие между случайными ошибками и постоянными отказами узлов с возможностью отключения дефектных узлов
работает на витой паре на расстоянии до 1 км

Слайд 26

Среди многочисленных достоинств CAN-сетей можно выделить следующие:
Невысокую стоимость как самой сети,

так и ее разработки.
Высокую степень надежности и «живучести» сети благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок(одна незамеченная ошибка за более чем 300 лет круглосуточной работы сети на скорости 500 кбит/с),повтору ошибочных сообщений, самоизоляции, неисправных узлов, иммунитету к э/м помехам.
Простоту конфигурирования и масштабирования сети, отсутствие теоретических ограничений на кол-во узлов.
Поддержку разнотипных физических сред передачи данных – от витой пары до оптоволокна и радиоканала
Эффективность реализации режима реального времени благодаря наличию нескольких инициаторов обмена по шине и широковещательной передаче, побитовому арбитражу, высокой скорости передачи данных(до 1 Мбит/с).
Промышленный стандарт – десятки производителей CAN-компонентов и оборудования, включая практически всех электронных гигантов: «Интел», «Филипс», «Сименс», «Моторола».Гарантированная доступность элементной базы в течение, как минимум, 10 лет.

Слайд 27

Слайд 28

Слайд 29

Слайд 30

Слайд 31

Слайд 32

Слайд 33

Слайд 34

Слайд 35

Слайд 36

Слайд 37

Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы

Содержание

Измерительно-вычислительные системы и интерфейсы5. Интерфейсы5.1. Принципы построения ИВС и способы передачи

5.1Принципы построения ИС и способы передачи данныхОсновные структуры ИСРадиальный принцип построения

Магистральный принцип построения системыПоследовательный интерфейс. Кольцевая структура

В соответствии с международным стандартом OSI/ISO (промышленный стандарт ISO11898) приборный интерфейс

Физический уровень Определяет уровни сигналов, требования синхронизации, нагрузочную способность, элементы соединений

Эффективность организации физического уровняЭффективность применения того или иного типа соединения может

Основные характеристики основных видов реализации физического уровня

Надежность передачи данных Важной характеристикой является надежность передачи данных, вероятность появления ошибки.

Физический уровень Ethernet Передающая среда:Коаксиальный кабельВитая параОптический кабель Преимущества использования витой пары по

Канальный уровень Определяет логику организации протоколов обмена данными между двумя устройствами: передача

Пример организации фрейма передачи данных для некоторых протоколов

Одна и та же физическая реализация интерфейса может использовать разные организации

Характеристики интерфейсов В таблице приведены основные характеристики последовательных магистральных интерфейсов,

Эффективность применения интерфейса Эффективность применения интерфейса для конкретной реализации ИС целесообразно

Пример для организации интерфейса для передачи данных результатов измерения (одно число)

Канальный уровень EthernetEthernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных

Контрольная сумма Контрольная сумма — некоторое значение, рассчитанное по набору данных путём применения

Циклический избыточный код Циклический избыточный код (Cyclic redundancy code, CRC) — алгоритм вычисления

Прикладной уровень Определяет возможности аппаратно-программных средств интерфейса, связанные с представлением результатов

Стандартизация IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - национальная организация США,

5.3 Примеры интерфейсов RS-232 - стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между