Протоколы физического уровня

Автор: Марина Ладина

Протоколы физического уровня

Протоколы физического уровня определяют в телекоммуникационных технологиях способ модуляции, направленность передачи (дуплекс, симплекс, полудуплекс) ориентированность на выделенный или коммутируемый канал. 

Кратко рассмотрим некоторые физические интерфейсы, или протоколы первого уровня, использующиеся для последовательной связи со SCADA системой по металлическим проводникам.

RS-232

RS-232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстояние до 15 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающихся от стандартных 5 В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

В RS-232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 — положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице. 

Таблица 1 — Уровни сигналов данных

Рисунок 1 — Уровни сигналов данных

Стандарт определяет максимальную длину кабеля в 15 метров при скорости 9600 бит/с. На практике устойчивая работа может быть достигнута и при большей длине кабеля. Утверждают, что можно удвоить указанную цифру при использовании неэкранированного кабеля и упятерить ее для экранированного кабеля, а при понижении скорости вдвое предельная длина может быть увеличена примерно вдвое. Тем не менее мы не можем ручаться за это утверждение из-за различного уровня внешних электромагнитных помех в каждом конкретном случае.

Рекомендуется использовать кабели на основе витой пары, где каждый из сигнальных проводов свит с общим проводом.

RS-232 называют последовательным интерфейсом, поскольку поток данных передается по одному проводу бит за битом. В отсутствие передачи данных линия находится в состоянии логической единицы. Скорость передачи данных стандартом не нормируется, но обычно выбирают из ряда 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 бит в секунду. В основном используется асинхронный режим работы, при котором данные передаются фреймами. Каждый фрейм состоит из стартового бита, битов данных, бита контроля четности ( может отсутствовать), стопового бита. Биты байта данных передаются «хвостом вперед», начиная с младшего бита.

Для правильной стыковки приемопередатчики на обоих устройствах должны быть запрограммированы одинаковым образом, т. е. должны совпадать скорость, количество битов данных (7 или 8), тип контроля по четности, длина стопового бита (1, 1.5 или 2).

При точных расчетах времени на передачу массива байтов наряду с битами данных следует учитывать все служебные биты.

RS-422

RS – 422 также как и RS – 232 является полностью дуплексным интерфейсом. Максимальная дальность действия интерфейса составляет 1200 метров. Дуплексность обеспечивается за счет того, что используется одновременно два приемопередатчика, один из которых работает на прием, другой — на передачу. RS – 422 используется обычно для налаживания передачи данных между двумя устройствами на длинных дистанциях. Это обуславливается тем, что RS – 422 поддерживает создание только одномастерных сетей, в которых в качестве передатчика может выступать только одно устройство, а остальные способны лишь принимать сигнал. В отличие от устаревшего RS – 232, RS – 422 характеризуется большими возможностями по дальности линии 1200 метров против 15 метров и значительно большей скоростью передачи данных. 

К каждому передатчику подключены до 10 приемников. Максимальная скорость передачи данных достигает 10 Мбит/секунду. На самой большой удаленности от передатчика скорость может составлять 10 кб/с. В качестве провода используется витая пара. Для организации передачи данных на дистанции свыше 500 метров рекомендуется использовать экранированную витую пару, чтобы избежать влияния электромагнитных полей. Передача данных осуществляется посредством измерения дифференциального напряжения между двумя проводами витой пары. Оба провода симметричны по напряжению относительно земли. Рабочие напряжения: от -10 В до +10 В. Как правило используется номинальные значения +6...+8 В.

RS – 422 – это довольно устойчивый тип связи против помех, поскольку используется дифференциальный метод передачи данных.

RS-485

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня регламентирующий электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.

1. Cтандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

2. Стандарт RS-485 не оговаривает:

o параметры качества сигнала (допустимый уровень искажений, отражения в длинных линиях),

o типы соединителей и кабелей,

o гальваническую развязку линии связи,

o протокол обмена.

3. До 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети.

4. Максимальная длина одного сегмента сети – 1200 метров.

5. Только один передатчик активный.

6. Максимальное количество узлов в сети - 256 с учётом магистральных усилителей.

7. Характеристика скорость обмена/длина линии связи:

o 62,5 кбит/с 1200 м (одна витая пара),

o 375 кбит/с 500 м (одна витая пара),

o 500 кбит/с,

o 1000 кбит/с,

o 2400 кбит/с 100 м (две витых пары),

o 10000 кбит/с 10 м.

Входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от −200 мВ до +200 мВ:

• допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от −7 В до +12 В;

• входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и более);

• уровни состояния приёмника входного каскада — см. состояния передатчика выходного каскада

Интерфейс является полудуплексным.

Стандарт RS485 требует, чтобы каждое устройство подключалось непосредственно к шине. При этом не допускаются какие-либо ответвления от шины. Топология шины в виде петли или "звезды" не является частью стандарта RS485 и поэтому запрещена.

Ethernet

Ethernet (от англ. ether «эфир») — семейство технологий пакетной передачи данных для компьютерных сетей.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Название «Ethernet» отражает первоначальный принцип работы этой технологии: всё, передаваемое одним узлом, одновременно принимается всеми остальными (то есть имеется некое сходство с радиовещанием). В настоящее время практически всегда подключение происходит через свитчи, так что кадры, отправляемые одним узлом, доходят лишь до адресата (исключение составляют передачи на широковещательный адрес) — это повышает скорость работы и безопасность сети. 

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и 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 (соединение точка-точка (при соединении более 2 компьютеров) требуется концентратор или коммутатор, которые обеспечивают работу остальной части сети): обрыв кабеля лишает связи два узла. В коаксиале используется топология «шина», обрыв кабеля разбивает сегмент на 2 половины), и обе половины не работают из-за отсутствия нагрузочных резисторов (терминаторов) (они должны быть на обоих концах кабеля), хотя применение концентраторов или коммутаторов на коаксиале полностью решало эту проблему;

• минимально допустимый радиус изгиба меньше;

• большая помехоустойчивость из-за использования дифференциального сигнала;

• возможность питания по кабелю маломощных узлов, например IP-телефонов 

• гальваническая развязка трансформаторного типа. В условиях СНГ, где, как правило, отсутствует заземление компьютеров, применение коаксиального кабеля часто сопровождалось пробоем сетевых карт.

Причиной перехода на оптический кабель была необходимость увеличить канала связи без повторителей.