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Classificazione dei Bus di campo
Classificazione in funzione del tipo di accesso:
Bus di campo con assegnazione decentralizzata:
- accesso al bus di tipo deterministico
- accesso al bus di tipo casuale
Bus di campo con assegnazione centralizzata:
- topologia lineare (punto-a-punto)
- topologia ad anello
(BUS > Basic Utility System)
Assegnazione decentralizzata o distribuita
Non esiste una stazione di controllo centrale,
la funzionalità del sistema viene suddivisa fra i singoli componenti collegati sul bus,
in base al principio della decentralizzazione.
Ogni componente risulta quindi indipendente e non viene sottomesso da un controllo centrale.
Accesso al bus di tipo deterministico
Token-passing:
determinati componenti collegati sul bus (master) sono autorizzati alla trasmissione per un
tempo prestabilito (tempo di mantenimento del token).
Questi componenti attivi si scambiano fra loro il gettone di trasmissione (token).
Fra le unità master si configura un anello logico, per cui questo processo è indipendente dalla
topologia della rete.
La velocità di reazione è proporzionale al tempo di mantenimento del token.
Vantaggi:
• I collegamenti fra i vari componenti della rete, possono essere realizzati senza una stazione di
controllo centrale
• In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione
• I tempi di risposta sono calcolabili
Svantaggi:
• I requisiti di programmazione di ogni singolo componente collegato sul bus sono
relativamente cospicui
• Le trasmissioni urgenti possono essere inoltrate solo previo ottenimento del token
• Occorrono meccanismi di riconoscimento dell’avvenuta perdita del token e di
reinizializzazione dell’anello logico
Esempi:
PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), PROFIBUS-DP, ecc…
Topologia PROFIBUS
Accesso al bus di tipo casuale
Il bus non viene occupato secondo uno schema predefinito (scheduler).
Tutti i componenti collegati sul bus hanno gli stessi diritti, ascoltano in parallelo tutti i
messaggi, sono sempre pronti a ricevere e quando necessario, cominciano a trasmettere se
nessun altro componente sta inviando messaggi sul bus.
Vantaggi:
• Possibilità di attuare una comunicazione del tipo “event-driven”, cioè la trasmissione viene
inizializzata solo quando necessario (cioè solo quando è richiesta dall’applicazione del nodo)
• Carico medio molto inferiore sul bus (risp. acc. deterministico) e tempi di latenza molto brevi
• In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione
Svantaggi:
• In una comunicazione pilotata dagli eventi (event-driven) i tempi di risposta non sono
definibili
• Necessità di un sistema di arbitraggio nel caso di contemporaneità di accesso al bus da parte
di 2 o più componenti (nodi)
Esempi:
CAN (Controller Area Network), LON (Local Operating Network), ecc…
Topologia CAN
Assegnazione centralizzata
Nel controllo centralizzato un componente del sistema è la stazione di controllo (centralina),
che viene incaricata ad arbitrare l’accesso al bus,
a controllare il trasferimento dei dati,
a controllare la trasmissione degli stessi e a gestire gli errori.
La stazione di controllo (master) interroga ciclicamente i componenti collegati al bus (slaves),
incaricandoli dei task di invio/ricezione dati da/alla stazione di controllo (polling).
Topologia lineare
Per il collegamento dei componenti su una linea bus,
nella topologia lineare si utilizzano linee punto-a-punto,
solitamente con una terminazione di linea.
Vantaggi:
• I tempi di reazione sono controllabili e prevedibili: è quindi possibile realizzare un accesso di
tipo deterministico, con tempi di risposta definiti
• I requisiti di programmazione per i componenti collegati al bus (nodi) sono limitati
• Le strategie di accesso sono modificabili e possono essere adattate al flusso dei dati
• Al polling può essere applicato un controllo delle priorità
Svantaggi:
• L’affidabilità e la disponibilità del sistema dipendono praticamente dalla stazione di controllo
• Il collegamento fra 2 slaves può essere inizializzato solo dalla stazione di controllo
• Il tempo di latenza massimo (tempo totale di reazione) dipende dal tempo del ciclo ed è
direttamente proporzionale al numero dei componenti (nodi) collegati sul bus
Esempi:
ASI (Actuator Sensor Interface), BITBUS, FIP (Factory Instrumentation Protocol), ecc…
Topologia BITBUS
Topologia ad anello
Le due estremità della linea vengono collegate fra loro, formando un percorso chiuso senza la
necessità di una terminazione di linea.
Vantaggi:
• I requisiti di gestione sono indipendenti dal numero dei componenti dell’anello
• Grazie all’interrogazione rigorosamente ciclica dei componenti collegati sul bus, è possibile
prevedere i tempi di risposta
• I costi hardware e software dei componenti sono ridotti
• I componenti collegati sul bus fungono da repeater, cioè il segnale viene rigenerato da ciascun
componente
Svantaggi:
• L’ampliamento e la sostituzione dei componenti collegati sul bus, sono possibili solo quando
il sistema non è in servizio
• Per determinare i tempi di risposta è necessario tenere presente il ritardo di ogni componente
presente sul bus
• Un guasto ad un componente (nodo) comporta necessariamente una condizione di guasto
dell’intero anello
Esempi:
INTERBUS-S, SERCOS (Serial Real Time Communication System), ecc…
Topologia SERCOS
Circuito per il calcolo del CRC-16
Il CRC-16 ha un polinomio generatore così: x16 + x15 + x2 + 1 > ( 11000000000000101 )
Un CRC è in grado di rivelare tutti gli errori singoli, tutti i doppi, tutti i casi di numero dispari
di errori e tutti gli errori a raffica di lunghezza minore del divisore.
L’idea base del CRC:
Il campo dati viene considerato un numero; si effettua un’operazione matematica su questo
numero e si trasmette insieme al messaggio (sottoposto al CRC) il risultato dell’operazione
quale controllo.
In ricezione si esegue la stessa operazione sul messaggio e si confronta il risultato ottenuto con
quello trasmesso.
Se i 2 risultati coincidono è estremamente probabile che NON vi siano stati errori.
L’hardware di un CRC è formato da un registro a scorrimento (flip-flop con lo stesso clock) e
da qualche porta EX-OR.
Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (1)
Baud-rate (o velocità di segnalazione):
è il numero di variazioni al secondo del segnale nel mezzo trasmissivo.
Bit-rate (o bps):
definisce il tasso di bit che possono essere trasmessi per unità di tempo.
Se in una trasmissione un livello di tensione viene codificato con più di un bit, significa che x
baud non sono x bps.
Solamente se ogni livello di tensione viene codificato con un bit (come normalmente avviene),
i valori di baud e di bit/s coincidono.
baudbitNratebit
Il tempo per spedire n bit è n/bit-rate.
Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (2)
Shannon ha dimostrato che un segnale analogico di banda B (da 0 a B Hz) può essere
completamente ricostruito mediante una campionatura ad una frequenza maggiore di 2B.
Di conseguenza:
Il massimo bit-rate (detto anche velocità di trasmissione) di un canale di comunicazione dotato
di una banda passante da 0 a B Hz, privo di rumore che trasporta un segnale formato da V
livelli discreti è:
Esempio:
Un segnale codificato a 1 bit (cioè “0” e “1”) non può avere una velocità di trasmissione
maggiore di 200 kbps, su un canale con una banda di 100 kHz.
Questo vale per canali privi di disturbi.
Attraverso il Teorema di Shannon è anche possibile considerare le caratteristiche di canali
rumorosi, considerando il concetto di rapporto segnale/rumore (rapporto fra la potenza del
segnale e quella del rumore [dB]).
[bps]VBratebit2
log2)max(
=1 se codificato a 2 livelli