Сети и шины

Провода между резервуаром и местом наблюдения называются шиной или сетью . . Различие между этими двумя терминами носит скорее семантический, чем технический характер, и оба могут использоваться взаимозаменяемо для всех практических целей. По моему опыту, термин «шина» обычно используется для обозначения набора проводов, соединяющих цифровые компоненты внутри корпуса компьютерного устройства, а «сеть» - для чего-то более распространенного с физической точки зрения.

Однако в последние годы слово «шина» приобрело популярность для описания сетей, которые специализируются на соединении дискретных измерительных датчиков на большие расстояния (два примера - «Fieldbus» и «Profibus»). В любом случае мы ссылаемся на средства, с помощью которых два или более цифровых устройства соединяются вместе, чтобы данные могли передаваться между ними.

Такие названия, как «Fieldbus» или «Profibus», охватывают не только физическую проводку шины или сети, но также указанные уровни напряжения для связи, их временные последовательности (особенно для последовательной передачи данных), спецификации выводов разъемов и все другие отличительные технические характеристики. особенности сети.

Другими словами, когда мы говорим об определенном типе шины или сети по имени, мы фактически говорим о стандарте связи. , примерно аналогично правилам и лексике письменного языка. Например, прежде чем два или более человека смогут стать друзьями по переписке, они должны уметь писать друг другу в едином формате.

Недостаточно просто иметь почтовую систему, которая может доставлять письма друг другу. Если они соглашаются писать друг другу на французском языке, они соглашаются придерживаться соглашений о наборе символов, лексике, орфографии и грамматике, установленных стандартом французского языка.

Аналогичным образом, если мы соединим два устройства Profibus вместе, они смогут обмениваться данными друг с другом только потому, что стандарт Profibus определяет такие важные детали, как уровни напряжения, временные последовательности и т. Д. Простое наличие набора проводов, проложенных между несколькими устройствами, не является Достаточно построить работающую систему (особенно если устройства были построены разными производителями!).

Чтобы проиллюстрировать детали, давайте разработаем наш собственный стандарт шины. Взяв систему измерения резервуара сырой воды с пятью переключателями для определения различных уровней воды и используя (как минимум) пять проводов для передачи сигналов к месту назначения, мы можем заложить основу для мощного BogusBus :

Физическая проводка BogusBus состоит из семи проводов между передающим устройством (переключателями) и приемным устройством (лампами). Передатчик состоит из всех компонентов и электрических соединений слева от крайних левых разъемов (символы «->> -»). Каждый символ соединителя представляет собой дополнительный элемент «папа» и «мама». Электропроводка шины состоит из семи проводов между парами соединителей.

Наконец, приемник и вся его проводка находится справа от крайних правых разъемов. Пять сетевых проводов (с обозначениями от 1 до 5) несут данные, а два из этих проводов (с обозначениями + V и -V) обеспечивают соединения для источников питания постоянного тока. Также имеется стандарт для штекеров 7-контактных разъемов. Расположение выводов асимметрично, чтобы предотвратить «обратное» соединение.

Для того, чтобы производители получили впечатляющую сертификацию «Соответствие BogusBus» на свои продукты, они должны будут соответствовать спецификациям, установленным разработчиками BogusBus (скорее всего, другой компании, которая разработала автобус для конкретной задачи и закончила продвигать его для самых разных целей). Например, все устройства должны иметь возможность использовать источник питания 24 В постоянного тока BogusBus:контакты переключателя в передатчике должны быть рассчитаны на переключение этого напряжения постоянного тока, лампы обязательно должны быть рассчитаны на питание от этого напряжения, а разъемы должен быть в состоянии справиться со всем этим.

Электропроводка, конечно, должна соответствовать тому же стандарту:например, лампы с 1 по 5 должны быть подключены к соответствующим контактам, чтобы при замыкании LS4 передатчика производителя XYZ загоралась лампа 4 приемника производителя ABC и т. Д. на. Поскольку и передатчик, и приемник содержат источники питания постоянного тока с выходным напряжением 24 В, все комбинации передатчика / приемника (от всех сертифицированных производителей) должны иметь блоки питания, которые можно безопасно подключать параллельно.

Подумайте, что могло бы случиться, если бы производитель XYZ сделал передатчик с отрицательной (-) стороной источника питания 24 В постоянного тока, подключенной к заземлению, а производитель ABC сделал приемник с положительной (+) стороной источника питания 24 В постоянного тока, подключенной к заземлению. Если оба заземления относительно «твердые» (то есть между ними низкое сопротивление, что могло бы иметь место, если бы два заземления были сделаны на металлической конструкции промышленного здания), оба источника питания замкнут накоротко каждый другое!

BogusBus, конечно же, совершенно гипотетический и очень непрактичный пример цифровой сети. Он имеет невероятно низкое разрешение данных, требует прочной проводки для подключения устройств и обменивается данными только в одном направлении (от передатчика к приемнику). Однако этого достаточно в качестве учебного примера того, что такое сеть, и некоторых соображений, связанных с выбором и работой сети.

Есть много типов автобусов и сетей, с которыми вы можете столкнуться в вашей профессии. У каждого есть свои приложения, преимущества и недостатки. Стоит ассоциировать себя с некоторыми из «алфавитных супов», которые используются для маркировки различных дизайнов:

Междугородние автобусы

ПК / AT
Шина использовалась в первых IBM-совместимых компьютерах для подключения периферийных устройств, таких как дисковод и звуковые карты, к материнской плате компьютера.

PCI
Еще одна шина, используемая в персональных компьютерах, но не ограничиваясь IBM-совместимыми устройствами. Намного быстрее, чем PC / AT. Типичная скорость передачи данных составляет 100 Мбайт / секунду (32 бит) и 200 Мбайт / секунду (64 бит).

PCMCIA
Шина, предназначенная для подключения периферийных устройств к ноутбукам и персональным компьютерам размером с ноутбук. Имеет очень небольшой физический размер, но значительно медленнее, чем другие популярные шины для ПК.

VME
Высокопроизводительная шина (разработанная совместно с Motorola и основанная на более раннем стандарте Motorola Versa-Bus) для создания универсальных промышленных и военных компьютеров, где несколько карт памяти, периферийных устройств и даже микропроцессоров могут быть подключены к пассивная «стойка» или «каркас для карт» для облегчения разработки нестандартных систем. Типичная скорость передачи данных 50 Мбайт / сек (ширина 64 бита).

VXI
Фактически расширение шины VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) включает стандартную шину VME вместе с разъемами для аналоговых сигналов между картами в стойке.

S-100
Этот стандарт шины, который иногда называют шиной Альтаира, явился результатом конференции 1976 года и призван служить интерфейсом для микропроцессорного чипа Intel 8080. Сходна по философии с VME, где несколько функциональных карт могут быть подключены к пассивной «стойке», что упрощает создание пользовательских систем.

MC6800
Эквивалент Motorola ориентированной на Intel шины S-100, предназначенный для сопряжения периферийных устройств с популярным микропроцессорным чипом Motorola 6800.

STD
Расшифровывается как «Простота проектирования» и представляет собой еще одну пассивную «стойку», аналогичную шине PC / AT, и хорошо подходящую для проектов, основанных на IBM-совместимом оборудовании. Разработанный Pro-Log, он имеет ширину 8 бит (параллельно), вмещает относительно небольшие (4,5 на 6,5 дюйма) печатные платы.

Multibus I и II
Еще одна шина, предназначенная для гибкого проектирования пользовательских компьютерных систем, разработанная Intel. 16 бит (параллельно).

CompactPCI

Промышленная адаптация стандарта PCI для персональных компьютеров, разработанная как более производительная альтернатива старой шине VME. При тактовой частоте шины 66 МГц скорость передачи данных составляет 200 Мбайт / сек (32 бита) или 400 Мбайт / сек (64 бита).

Микроканал
Еще одна шина, разработанная IBM для их злополучной серии компьютеров PS / 2, предназначена для сопряжения материнских плат ПК с периферийными устройствами.

IDE
Шина, используемая в основном для соединения жестких дисков персонального компьютера с соответствующими периферийными картами. Широко используется в современных персональных компьютерах для взаимодействия с жестким диском и приводом CD-ROM.

SCSI
Альтернативная (технически превосходящая IDE) шина, используемая для дисководов персональных компьютеров. SCSI - это аббревиатура от Small Computer System Interface. Используется в некоторых IBM-совместимых ПК, а также в Macintosh (Apple), а также во многих бизнес-компьютерах mini и мэйнфреймов. Используется для взаимодействия с жесткими дисками, приводами CD-ROM, дисководами гибких дисков, принтерами, сканерами, модемами и множеством других периферийных устройств. Скорость до 1,5 Мбайт в секунду для исходного стандарта.

GPIB (IEEE 488)
Интерфейсная шина общего назначения, также известная как HPIB или IEEE 488, которая предназначалась для подключения электронного испытательного оборудования, такого как осциллографы и мультиметры, к персональным компьютерам. «Путь» адреса / данных шириной 8 бит с 8 дополнительными линиями для управления связью.

Параллельная система Centronics
Широко используется на персональных компьютерах для сопряжения принтеров и плоттеров. Иногда используется для взаимодействия с другими периферийными устройствами, такими как внешние дисководы ZIP (100 МБ гибких дисков) и ленточные накопители.

USB
Универсальная последовательная шина, которая предназначена для соединения многих внешних периферийных устройств (таких как клавиатуры, модемы, мыши и т. д.) с персональными компьютерами. Долгое время он использовался на компьютерах Macintosh, а теперь устанавливается как новое оборудование на IBM-совместимые машины.

FireWire (IEEE 1394)
Высокоскоростная последовательная сеть, способная работать на скорости 100, 200 или 400 Мбит / с, с универсальными функциями, такими как «горячая замена» (добавление или удаление устройств при включенном питании) и гибкой топологией. Разработан для высокопроизводительного взаимодействия с персональным компьютером.

Bluetooth
Сеть радиосвязи, предназначенная для офисной связи компьютерных устройств. Положения о безопасности данных, предусмотренные в этом сетевом стандарте.

Сети дальней связи

Токовая петля 20 мА
Не путать с обычным аналоговым стандартом измерительных приборов 4–20 мА, это сеть цифровой связи, основанная на прерывании токовой петли 20 мА (или иногда 60 мА) для представления двоичных данных. Хотя низкий импеданс обеспечивает хорошую помехоустойчивость, он подвержен ошибкам в проводке (например, обрывам), которые могут вывести из строя всю сеть.

RS-232C
Наиболее распространенная последовательная сеть, используемая в компьютерных системах, часто используется для подключения периферийных устройств, таких как принтеры и мыши, к персональному компьютеру. Ограничены по скорости и расстоянию (обычно 45 футов и 20 кбит / с, хотя более высокие скорости могут выполняться с меньшими расстояниями). Мне удалось надежно запустить RS-232 на скорости более 100 кбит / с, но для этого использовался кабель длиной всего 6 футов! RS-232C часто называют просто RS-232 (без «C»).

RS-422A / RS-485
Две последовательные сети, разработанные для преодоления некоторых ограничений по расстоянию и универсальности RS-232C. Широко используется в промышленности для соединения последовательных устройств в электрически «шумной» производственной среде. Гораздо большие ограничения по расстоянию и скорости, чем у RS-232C, обычно более полумили и со скоростью, приближающейся к 10 Мбит / с.

Ethernet (IEEE 802.3)
Высокоскоростная сеть, объединяющая компьютеры и некоторые типы периферийных устройств. «Обычный» Ethernet работает со скоростью 10 миллионов бит в секунду, а «Fast» Ethernet работает со скоростью 100 миллионов бит в секунду. Более медленный (10 Мбит / с) Ethernet был реализован различными способами на медном проводе (толстый коаксиальный кабель =«10BASE5», тонкий коаксиальный кабель =«10BASE2», витая пара =«10BASE-T»), радио и оптоволокно. («10BASE-F»). Fast Ethernet также был реализован несколькими различными способами (витая пара, 2 пары =100BASE-TX; витая пара, 4 пары =100BASE-T4; оптическое волокно =100BASE-FX).

Token Ring
Еще одна высокоскоростная сеть, объединяющая компьютерные устройства вместе с использованием философии связи, которая сильно отличается от Ethernet, позволяя более точное время отклика от отдельных сетевых устройств и большую невосприимчивость к повреждению сетевой проводки.

FDDI
Очень высокоскоростная сеть, реализованная исключительно на оптоволоконных кабелях.

Modbus / Modbus Plus
Первоначально реализовано корпорацией Modicon, крупным производителем программируемых логических контроллеров (ПЛК) для соединения стоек удаленного ввода / вывода (ввода / вывода) с процессором ПЛК. По-прежнему довольно популярны.

Profibus
Первоначально реализовано корпорацией Siemens, еще одним крупным производителем оборудования PLC.

Foundation Fieldbus
Высокопроизводительная шина, специально разработанная для обеспечения связи нескольких технологических инструментов (преобразователей, контроллеров, позиционеров клапана) с главными компьютерами и друг с другом. Может в конечном итоге заменить аналоговый сигнал 4–20 мА в качестве стандартного средства соединения контрольно-измерительной аппаратуры в будущем.