Automatizacija, komunikacioni hardver

 

Ilustracija serijske komunikacije

Komunikacija pomoću para žica

Slanje Da i Ne kroz niz impulsa

RS232 pinout

Konektor LAN kabla

USB konektor

USB to UART TTL converter

Automatizacija, komunikacioni hardver

Komunikaciona mreža je suštinska komponenta svakog sistema automatizacije. Komunikacija je potrebna između

a Senzora i kontrolera

b Kontrolera i aktuatora

c Kontrolera i drugih uređaja u mreži

Najjednostavniji način komunikacije između senzora, aktuatora i kontrolera je analogni ulaz/izlaz. Senzor proizvodi napon ili struju koji je proporcionalan parametru koji se prenosi. Zatim kontroler očitava napon ili struju i pretvara ga u parametar koristeći jednačinu kalibracije. Slično, kontroler postavlja napon proporcionalan stepenu potrebnog aktiviranja, a aktuator očitava ovaj napon i vrši akciju. Pošto kontroleri nisu analogni uređaji, analogni napon koji čita kontroler treba pretvoriti u digitalni oblik i uskladištiti u memoriji kontrolera. Ovo se izvodi pomoću kola koje se naziva analogno-digitalni pretvarač (ADC). Broj bitova koje koristi ADC određuje preciznost sa kojom se brojevi mogu predstaviti. Ako se koristi 10-bitni ADC, kontroler može pročitati samo 1024 (dva na deseti) diskretnih vrednosti napona. Tada će preciznost sa kojom se fizički parametar može meriti biti maksimalni opseg podeljen sa 1.024.

Nedostatak ove metode je gubitak tačnosti kada se za povezivanje uređaja koriste dugačke žice zbog pada potencijala usled otpora žice ili labavih veza. Digitalna komunikacija korišćenjem diskretnih nivoa napona obezbeđuje veću pouzdanost jer se može detektovati veliki pad nivoa napona usled gubitaka i sprečiti prenos pogrešnih podataka.

Bus (magistrala)

    Prvobitno izvedeno od latinske reči omnibus, što znači „za sve“, bus, kako ga koriste električari, odnosi se na kratki provodnik, često pravougaonog poprečnog preseka i montiran unutar kućišta, koji je dizajniran da nosi veliku struju pri značajnom naponu u odnosu na zemlju.

    U digitalnom prenosu signala, bus se odnosi na prenosni medijum, koji nije ograničen samo na provodnike, već uključuje završetke, pomoćnu opremu kao što su uređaji za podešavanje impedanse, protokole, procedure instalacije i zapravo sve što se odnosi na vezu između predajnika i prijemnika. Takođe uključuje medije unutar opreme, kao što su tragovi na štampanoj ploči koji mogu prenositi digitalne signale između integrisanih kola i kratke linije od jedne štampane ploče do druge.

Digitalna komunikacija

Digitalna komunikacija se odvija slanjem niza naponskih impulsa; oni se tumače korišćenjem opšteg razumevanja formata. Format je definisan komunikacionim protokolom. Dva različita nivoa napona se koriste za predstavljanje jedan i nula. Napon se održava stabilnim određeno vreme u skladu sa dogovorenom brzinom prenosa, poznatom kao brzina prenosa. Ova šema je opšte poznata kao serijska komunikacija jer se bitovi podataka prenose serijski (jedan za drugim) kroz istu žicu. Primer je prikazan na slici. Nivoi napona koji se koriste za predstavljanje jedinica i nula zavise od hardverske specifikacije protokola. U starijim sistemima je ranije bio ±13 V. Danas su češći niži nivoi u opsegu 0–5 V.

Serijska komunikacija je ovde objašnjena na primeru uređaja koje koristimo u svakodnevnom životu. Dve osobe A i B koje žive u susednim zgradama žele da komuniciraju pomoću para žica (slika). A povezuje bateriju sa žicama na njegovoj strani preko prekidača. B povezuje električnu sijalicu na njenoj strani. Kada A pritisne prekidač, sijalica svetli na strani B. 

Koristeći ovaj sistem, A može preneti jedan bit informacije B. Na primer, ako se i A i B slažu da kolo pod naponom znači „Da“, onda se ova informacija može preneti pritiskom na prekidač neko vreme. Međutim, šema je previše restriktivna u svojim mogućnostima. Ne može da prenese informaciju „Ne“. Ako sijalica ne svetli, to može značiti da je baterija prazna ili da nešto nije u redu sa strujnim kolom. Da bi pouzdano preneli i Da i Ne, potrebno je da se dogovore o protokolu. Na primer, mogli bi da odluče ovako: Da biste započeli prenos bilo koje informacije, prvo pritisnite prekidač pet sekundi. Zatim držite prekidač pritisnut sledećih pet sekundi ako treba da se prenese „Da“; u suprotnom, isključite prekidač na pet sekundi. Nakon bilo kojeg ishoda, pritisnite prekidač na pet sekundi da biste pokazali da je prenos završen. Posmatrajući sijalicu koja svetli 15 sekundi, osoba B može da dešifruje informacije. Vidi sliku. Šalju se tri bita informacija. Prvi deo se zove START bit, zatim bit podataka (da ili ne), na kraju STOP bit. START i STOP bitovi označavaju početak i kraj informacije za trenutnu interpretaciju bita podataka.

Hardver za serijsku komunikaciju

Razvijeni su hardveri za serijsku komunikaciju, koji su poznati pod različitim nazivima: SCI (Serial communication interface) i UART (Universal Asinchronous Receiver-Transmitter). RS232 (serijski port u starijim računarima) je primer implementacije UART-a. RS232 kablovi sa 9 pinova korišćeni su za povezivanje perifernih uređaja na serijski port računara. Danas je RS232 zamenjen USB-om (Universal Serial Bus), koji ima sličan interfejs za serijsku komunikaciju.

Brzina prenosa zavisi od hardvera koji se koristi; brzina kojom predajnici mogu da menjaju vrednosti jedan i nulu; brzina kojom prijemnici mogu čitati bitove i obraditi ih; i brzinu kojom žice mogu da prenesu napon bez izobličenja u obliku impulsa. Signali će biti izobličeni ako se nivoi napona promene prebrzo zbog induktivnosti žica - žice skladište energiju i potrebno je vreme da se uskladištena energija isprazni. U standardnoj serijskoj komunikaciji, tipične brzine prenosa su 9,8 kbps ili 19,6 kbps.

Specifikacije hardvera su razvijene da omoguće veće brzine prenosa. Ethernet (koristeći LAN portove) i USB su sada podrazumevani komunikacioni interfejsi. Neki od savremenih komunikacionih interfejsa zahtevaju poseban hardver i softver, koji možda nisu dostupni u mikrokontrolerima niskog nivoa.

Na ilustraciji prikazanoj na slici, širina impulsa, koja određuje brzinu prenosa, je a priori fiksirana. Prijemnik treba da zna brzinu prenosa kako bi mogao uzorkovati ulazne signale u tačnim intervalima i interpretirati impulse kao jedinice i nule. Ovo je slučaj kada su serijski komunikacioni uređaji povezani sa računarima. Brzina prenosa mora biti specificirana; tek tada se poruke ispravno čitaju. I pošiljalac i primalac moraju da koriste istu brzinu prenosa. Ova ograničenja se mogu eliminisati korišćenjem dodatne linije za slanje vremenskih impulsa za sinhronizaciju čitanja i pisanja bitova podataka. Ova tehnika se koristi u protokolima kao što su SPI (Serial Peripheral Interface) i I2C (Inter-integrated circuit). Neki od uobičajenih komunikacionih interfejsa su ukratko predstavljeni u narednim pasusima.

I2C (Inter-integrated circuit)

    Kao bus, I2C se najčešće pojavljuje kao tragovi na štampanoj ploči ili kratki provodnici između štampanih ploča unutar iste opreme, olakšavajući digitalnu komunikaciju između mikroprocesora.

    I2C je dvožični bus koji se sastoji od bilo kog broja master i slave uređaja na jednoj digitalnoj magistrali. Ovi pojedinačni uređaji su povezani paralelno preko dve linije. U početku, logički visok nivo je povezan sa jednom od linija i povlači se nadole u ​​slučaju da master ili slave provode. Na taj način, jedan uređaj može da nametne digitalni signal magistrali.

    Oba provodnika su dvosmerne linije sa otvorenim odvodom. Jedna je serijska linija takta, a druga je serijska linija podataka. Node (čvor) može biti master ili slave u zavisnosti od svoje funkcije.

    Slave, koji kontinuirano prima signal takta, odgovara kada mu master uređaj pošalje jedinstvenu adresu. Na kraju bilo kog prenosa, master i slave mogu razmeniti identitete.

    Nakon 7-bitne adrese koja identifikuje određeni slave uređaj sledi 0 ako master želi da piše ili 1 ako master želi da čita. Ako su obe linije visoke, magistrala je u stanju mirovanja. Kada uređaj provodi tok tako da dovede bus do niskog nivoa, sistem postaje aktivan.

    I2C magistralu prate svi master uređaji za startne i stop bitove. Samo jedan master u datom trenutku koristi magistralu i tokom ovog događaja, nijedan drugi master uređaj neće prenositi podatke. Ako se desi da dva master uređaja istovremeno započnu komunikaciju, onaj koji komunicira sa slave uređajem sa nižom adresom imaće prioritet.

    I2C magistrala se koristi u većini dizajna embedded (ugrađenih) sistema za komunikaciju između čipova i konfiguraciju komponenti. U prošlosti su tehničari i istraživači morali ručno da dešifruju magistralu, brojeći brojeve bitova.

RS232

    Ova stara paralelna magistrala i dalje se snažno koristi u naučnoj instrumentima i u fabrici gde povezuje programabilne logičke kontrolere (PLC) sa motorima velike snage i svim vrstama aktuatora. Primera, na Međunarodnoj svemirskoj stanici, ona se i dalje efikasno koristi, gde je pouzdanost od primarnog značaja. Pored naučne instrumentacije, RS-232 magistralne veze u proizvodnim pogonima se generalno završavaju na korisničkim interfejsima ili, tokom početnog podešavanja, na robusnim laptopovima. Softver za programiranje ima različite oblike. Lestvična logika je uobičajena jer je električari u fabrici mogu lako koristiti za nova podešavanja i brze izmene. RS-232 završeci dobro funkcionišu u teškim fabričkim okruženjima koja karakterišu nagle promene temperature, prašina, vibracije i vlaga.

    RS-232 može da se sastoji od sinhronog ili asinhronog prenosa podataka i kontrolnih signala. Pojedinačna kola rade samo u jednom smeru, od računara ili procesora do perifernog uređaja, ili na odvojenim žicama u drugom smeru. Pošto odvojeni paralelno povezani parovi rade istovremeno, dolazi do potpunog dupleksnog prenosa informacija. U tom slučaju ne koristi se uokvirivanje i kodiranje znakova kao kod serijskih magistrala.

    RS232 tipično koristi nivoe napona -13 V do +13 V. Pozitivni napon u opsegu od 3 do 13 V se koristi da označi vrednost bita 0; negativni napon označava bitnu vrednost 1. Ograničena zona, od -3V do +3V u odnosu na zajednički uzemljeni pin, nije važeća. RS-232 mora da vidi stabilan nulti potencijal na pinovima za uzemljenje na oba kraja medija. U suprotnom, doći će do cirkulacije električne struje. Shodno tome, RS-232 postoji samo u kratkim dužinama. RS-422 i RD-485 koriste balansirani prenos sa diferencijalnom signalizacijom i odbacivanjem zajedničkog režima, tako da su duže dužine kablova izvodljive.

    Često postoji daleko manje provodnika nego što je maksimalno dozvoljeno hardverom za završetak. GPS prijemnici koji prenose poziciju imaju samo dve žice, podatke i uzemljenje, dok je za dvosmerne podatke, zajedno sa hardverskom kontrolom, potrebno pet provodnika.

    Koristi ili 9-pinski ili 22-pinski konektor. Koristi se za komunikaciju od tačke do tačke, odnosno za razmenu podataka između dva uređaja. Ne može se koristiti za povezivanje više uređaja da bi se formirala složena mreža. Pošto koristi više naponske nivoe, potrošnja energije ima tendenciju da bude veća.

    Digitalna sonda će vam pomoći da započnete sa rešavanjem problema sa RS-232 magistralom, ali za potpuniji uvid u to šta se dešava, trebalo bi da ponesete osciloskop. Za početak, proverite pojedinačne impulse u analognom kanalu kako biste se uverili da su naponi dobri za logičke nivoe i da impulsi nisu previše bučni kao što je ponekad slučaj kod paralelnog digitalnog prenosa.

    USB port na savremenim računarima ima četiri pina: 1) napajanje; 2) povrat podataka; 3) podaci +; i 4) zemlja. Pogledajte sliku USB konektora sa otvorenim iglicama. Pinovi 2 i 3 se koriste za serijski prenos podataka koristeći TTL. Postoji jednostavan hardver koji se može koristiti za povezivanje serijskog porta na USB; ovaj pretvarač se može koristiti za slanje podataka sa perifernog uređaja koji ima serijski port na računar sa USB portom. Vidi sliku. U ovom uređaju postoje dva pina sa oznakom TKS i RKS. Oni su za prenos i prijem podataka. Ovi pinovi su povezani sa odgovarajućim pinovima perifernog uređaja i podaci se mogu čitati preko USB porta računara.

Ruteri

Ruteri su mrežni uređaji koji se koriste za povezivanje dve ili više mreža. Paketi podataka iz jedne mreže se prenose u drugu mrežu ako su izvorni i odredišni uređaji u različitim mrežama. Ruteri takođe vrše prevod poruka na pravi jezik (protokol) koji koriste mreže.

Bežična komunikacija

U principu, bežična komunikacija se ne razlikuje mnogo od komunikacije pomoću žica. Bežična komunikacija koristi elektromagnetne talase za prenos informacija. Antene emituju i primaju talase koji kodiraju podatke. Često se koriste radiofrekventni talasi. Wi-Fi, Zigbee i Bluetooth su standardi koji se popularno koriste u sistemima automatizacije. Dostupni su bežični adapteri koji uzimaju serijski ulaz preko pinova i prenose podatke putem radio talasa.