TECNOLOGIE E SISTEMI AVANZATI PER LA NAUTICA Strumentazione e sistemi informativi di bordo Luigi Ferrigno A.A.2010/2011 Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche Facoltà di Ingegneria, DAEIMI. Università degli Studi di Cassino [email protected] INTRODUZIONE Negli ultimi anni si è avuta una grossa diffusione di dispositivi elettronici di notevoli prestazioni con cui ognuno interagisce nella vita di tutti i giorni. Nel mondo della strumentazione elettronica di misura esistono oggi strumenti capaci di effettuare misure anche complesse in tempi sempre minori, di accumulare quantità di informazioni sempre crescenti, e di trasmettere in qualsiasi posto del mondo e sempre più sicuramente e velocemente le informazioni immagazzinate ed elaborate. In questo ambito la presenza di un operatore umano (misure manali) rappresenta un notevole costo sia temporale che economico. Grossa ricerca nello sviluppo di sistemi in grado di sostituirsi all'operatore per svolgere compiti di misura complessi dal punto di vista esecutivo (algoritmi di misura complicati) e/o ripetitivi o maggiormente affidabili (metrologia legale) Computer-Based Instruments Strumento standard vs strumento virtuale Strumento basato su PC DISPLAY AND CONTROL • Register-mapped I/O • Limitate capacità di espansione • Funzionalità fisse • Interfaccia esterna Definito dal Costruttore! • • • • • • Memory mapped I/O Processamento Dati Veloce Connessione Internet/intranet Online data logging/trending Online report generation Memoria Espandibile Definito dall’Utente!!! Lo Strumento nel PC L’utilizzatore può scegliere il computer L’utilizzatore acquista solo le funzionalità che utilizza L’utilizzatore ha il controllo TOTALE del sistema L’utilizzatore si avvantaggia delle nuove tecnologie Gli strumenti nel PC sono il REALE vantaggio per l’ utente, permettendo di fruire appieno della rivoluzione tecnologica dei personal computer Costi minori vs prestazioni migliori Sistemi di Misura e Controllo Software Applicativo Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control Unita’ sotto test PXI I Sistemi Automatici di Misura Definizione: Un sistema automatico di misura è un apparato che consente di eseguire una procedura di misura complessa senza l’intervento di un operatore umano. Si parla quindi di sistemi automatici di misura quando la presenza di una unità di controllo consente di sollevare l’operatore da una o più delle attività a lui normalmente demandate. I sistemi automatici di misura trovano il loro impiego nelle più svariate applicazioni, contribuendo in maniera notevole sia alla semplificazione dei processi di misura sia all'incremento dell'affidabilità e della precisione del risultato di misura stesso. grandezza fisica A B SENSORE SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO C SISTEMA DI CONVERSIONE D SISTEMA DI CONTROLLO Componenti della Misura SegnalI Sensori Condiziona mento Digitalizzazione Computer Termocoppie RTD Termistore Strain Gauge Pressioni Carichi Tensioni Correnti Digitali Amplificazione Attenuazione Isolamento Filtraggio Multiplexing Eccitazione SSH F-to-V Bridge Comp. Frequenza Risoluzione Analisi Presentazione Distribuzione ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA. Parti costituenti un generico sistema automatico di misura SENSORE Funzione: provvede a estrarre l'informazione d'interesse dalla grandezza fisica a cui è collegato ed a trasferirla, sotto forma di segnale (di definite caratteristiche), al sistema successivo; SENSORE Elemento Sensibile Trasforma la grandezza da misurare in una grandezza misurabile Trasduttore Trasforma la grandezza misurabile in una grandezza elettrica Sensori e Trasduttori Il sensore è il primo elemento della catena di misura. Ha il compito di convertire la grandezza fisica da misurare (misurando) in un’altra più facilmente trattabile. Il trasduttore è un dispositivo che fornisce un segnale elettrico misurabile in risposta ad uno specifico misurando. Un trasduttore è un sensore ma un sensore non è necessariamente un trasduttore Sensori e Trasduttori Se il sensore non è un trasduttore può essere chiamato corpo di prova e richiedere in cascata un trasduttore misurando Sensore misurando primario (corpo di prova) secondari o Trasduttore segnale elettrico 12 Trasduttori attivi e passivi Un trasduttore può essere attivo o passivo: Attivo se l’effetto fisico su cui è basato assicura la trasformazione in energia elettrica dell’energia propria del misurando (termica, meccanica, d’irraggiamento, …). Esempi: Termoelettrico (termocoppia), Piroelettrico (cristalli la cui polarizzazione dipende dalla temperatura), … Passivo se l’effetto del misurando si traduce in una variazione d’impedenza dell’elemento sensibile. Esempi: estensimetri, magnetici, … 13 Classificazione dei trasduttori Attivi / passivi In base alla grandezza misurata: sensori di temperatura, umidità, illuminamento, velocità, … In base alla grandezza che forniscono in uscita: trasduttori resistivi, induttivi, capacitivi, in tensione, in corrente, … Analogici / digitali 14 Le interazioni nei sensori Sistema ambiente x(t) Sistema misurato y(t) Sensore trasduttore Grandezze di influenza: • Sistema misurato • Sistema utilizzatore • Sistema ausiliario • Ambiente • Tempo Sistema ausiliario Sistema utilizzatore Descrizione di un trasduttore Misurando: grandezza da misurare. Principio di trasduzione: principio fisico su cui si basa la generazione del segnale elettrico. Proprietà significative: tipo di elemento sensibile, tipo di costruzione, circuiteria interna, … Range: limite superiore ed inferiore di variazione del misurando. 16 Caratteristiche di un trasduttore Di progetto (specificano come il trasduttore è o dovrebbe essere) Prestazioni (caratteristiche metrologiche) Affidabilità (caratteristiche ambientali e d’uso che influenzano la vita utile del trasduttore). 17 Caratteristiche relative all’ingresso Specie: grandezza fisica in ingresso. Campo di misura (input range): intervallo di valori del misurando entro il quale il sensore funziona secondo le specifiche. Il suo limite superiore è la portata. Campo di sicurezza del misurando: intervallo di valori del misurando al di fuori del quale il sensore resta danneggiato permanentemente. I suoi valori estremi sono detti di overload o overrange. 18 Caratteristiche relative all’uscita • Specie: natura della grandezza in uscita. • Campo di normale funzionamento (output range): intervallo di valori dell’uscita quando l’ingresso varia nell’input range. • Potenza erogabile: valore limite della potenza che il sensore può fornire al sistema utilizzatore a valle. Se l’uscita è in corrente, si precisa l’impedenza di carico. • Impedenza di uscita 19 Caratteristiche relative all’uscita (2) • Incertezza di uscita: larghezza della fascia comprendente tutti i valori che potrebbero essere assunti, con una certa probabilità (livello di confidenza) a rappresentare il valore della uscita corrispondente ad una certa condizione di funzionamento. • Alimentazione ausiliaria (power supply): viene precisato il valore di tensione o corrente da fornire con una sorgente esterna. 20 Caratteristiche statiche (1) Funzione di conversione: funzione che permette di ricavare dall’ingresso il valore della uscita. Funzione di taratura: relazione che permette di ricavare da ogni valore della grandezza in uscita il valore dell’ingresso e la corrispondente fascia di incertezza. Curva di taratura: valore uscita => valore centrale ingresso; Costante di taratura: pendenza della curva di taratura, se è lineare; Incertezza di taratura: ampiezza della fascia di valori. 21 Caratteristiche statiche (2) • Sensibilità (sensitivity): pendenza della curva di conversione in un certo punto: dy S dx Corrisponde all’inverso della pendenza della curva di taratura. • Stabilità: capacità di conservare inalterate le caratteristiche di funzionamento per un intervallo di tempo relativamente lungo. 22 Caratteristiche statiche (3) • Linearità: indica di quanto la curva di taratura si discosta dall’andamento rettilineo. E’ il massimo scostamento rispetto ad una retta che può essere calcolata in modi diversi: • Retta che rende minimo il massimo scostamento. • Retta ai minimi quadrati. • Retta congiungente gli estremi. y x 23 Caratteristiche statiche (4) • Risoluzione: variazione del valore del misurando che provoca una variazione apprezzabile del valore della grandezza in uscita. Se il sensore lavora vicino allo zero, si parla di soglia. • Ripetibilità: attitudine dello strumento a fornire valori della grandezza di uscita poco differenti fra loro, quando è applicato all’ingresso lo stesso misurando, nelle stesse condizioni operative. Si esprime in modo simile all’incertezza di taratura. 24 Caratteristiche statiche (5) • Isteresi: massima differenza tra i valori della uscita corrispondenti al medesimo misurando, quando si considerano tutti i valori del campo di misura, ed ogni valore viene raggiunto con misurando prima crescente e poi decrescente. y x 25 Condizioni di riferimento (Reference operating conditions) Insieme delle fasce dei valori delle grandezze di influenza in corrispondenza delle quali sono valide le specifiche metrologiche indicate dal contruttore. • Funzioni di influenza (operating influence): informazione su come una grandezza di influenza agisce su una delle caratteristiche metrologiche. Può essere espressa attraverso la sensibilità della grandezza metrologica alla grandezza di influenza. 26 Caratteristiche dinamiche (1) Nel dominio della frequenza: • Risposta in frequenza: curve del modulo e della fase rispetto alla frequenza (Diagrammi di Bode). • Campo di frequenza: intervallo di frequenze nel quale la curva di risposta in modulo non esce da una fascia di tolleranza prefissata. • Eventuale frequenza di risonanza. 27 Caratteristiche dinamiche (2) Nel dominio del tempo: • Tempo morto • Tempo di salita • Tempo di risposta • Costante di tempo • Tempo di assestamento • Sovraelongazione • Frequenza delle assestamento oscillazioni di • Fattore di smorzamento 28 Caratteristiche dinamiche (3) •Limite di velocità: massima velocità di variazione del misurando oltre la quale l’uscita non varia corrispondentemente. •Tempo di recupero (recovery time): intervallo di tempo richiesto dopo un evento specificato (ad es. un sovraccarico) affinché il sensore riprenda a funzionare secondo le caratteristiche specificate. 29 Varietà dei sensori Physical principle Resistive The variation if the sensing element electric resistance depends on the measurand. Typical application Measurand Output Thermistor or resistance thermometer Potentiometer Hot-wire anemometer Resistive hygrometer Chemioresistor Temperature Displacement, force, pressure Flow Humidity Presence of gas Parallel-plate capacitor sensor Rotary-plate capacitor sensor Differential capacitor Capacitance manometer Humidity sensor Capacitive diaphragm Displacement, force, liquid level, pressure Displacement, force, angular position, torque Small displacement Very low pressure Moisture Pressure Capacitance or change in capacitance Inductive The sensing element inductance depends on the measurand. Linear variable differential transformer Self inductance sensor Eddy current sensor Displacement, torque Displacement, torque, liquid level Position, conductivity, thickness, cracks in materials Inductance or change in inductance Reluctive The variation in the reluctance path between two or more coil depends on the measurand. Linear variable differential transformer Rotary variable differential transformer Microsyn Resolver Syncro Reluctive diaphragm Linear displacement Angular rotation Angular displacement Position Position, torque Pressure Voltage Voltage Voltage Voltage Voltage Change in reluctance Electromagnetic In any circuit capturing a magnetic flux, whenever the flux changes an electromotive force is inducted. (Faraday law) Linear velocity sensor Flowmeter Tachometer generator Torque sensor Linear velocity Flow Angular speed Torque Piezoresistive effect Resistance of the sensing element depends on the strain. Strain gauge Stress, strain, Fluid pressure, displacement, force Change in resistance Hall effect If the sensing element, carrying current, is put in a magnetic field a differential in electric potential among its sides is generated. Gaussmeter Wattmeter Magnetic field, displacement Power Voltage Capacitive The sensing element capacitance depends on the measurand. Change in resistance Voltage 30 Varietà dei sensori Magnetoresistive effect Resistance of the sensing element depends on the strain. Change in resistance Magnetoresistor Magnetic field, linear and angular displacement, proximity, position Piezoelectric effect Subjecting the sensing element to stress there is a generation of electric charge. Vibration cables Active and passive force sensor Piezoelectric microphone Piezoelectric temperature sensor Vibration Force Ultrasonic waves Temperature Voltage or charge Pyroelectric effect The sensing element generates an electric charge in response to a heat flow. Heat flowmeter Pyroelectric sensor Change in the temperature Voltage Thermoelectric effect When there is a difference in temperature between two junctions of different metals, a difference of electric potential is generated. Thermocouples, thermopiles, infrared pyrometer Difference of temperature Voltage Ionization effect The sensing element when exposed to the measurand becomes ionized. Electrolytic sensor Vacuum gages Chemical ionizer Electrical conductivity, pH Pressure Atomic radiation Current Photoresistive The electric resistance of the sensing element is caused by the incidence of optical radiation. Photoresistor, photodiode, phototransistor, photofet Light, position, motion, sound flow, force Change in resistance Photovoltaic effect When the sensing element is subject to a radiation it generates an electric potential Flame photometer Light detector Pyrometers Light intensity Light, position, motion, sound flow, force Temperature Voltage Acoustooptic effect The interaction of an optical wave with an acoustic wave produces a new optical wave Acoustic optic deflection, Bragg cell Physical vibration Phase modulated voltage signal Remote sensor of linear velocity, Doppler radar, laser Doppler velocimeter Relative velocity Pyrometer Temperature Doppler effect The apparent frequency of a wave train changes in dependence of the relative motion between the source of the train and the observer. Thermal radiation An object emanes thermal radiation, which intensity is related to its temperature Frequency Voltage 31 Sensori Resistivi • • La variazione della grandezza in ingresso è legata alla variazione della resistenza esibita dal sensore ai suoi capi. Molto comuni, perché sono numerose le grandezze fisiche in grado di alterare la resistenza elettrica di un materiale. Sensori per la misura di temperature si usano anche per compensare facilmente sistemi che misurano altre grandezze. 32 Sensori Resistivi • Sensori a grande variazione di resistenza: – Potenziometri • Sensori a piccola variazione di resistenza: – estensimetri (piezoresistenze) – Termoresistenze (RTD) e termistori 33 Potenziometro per misure di posizione (displacement) R x A L x L R Il più semplice sensore di posizione e il potenziometro: esso converte una variazione di distanza (lineare od angolare) in una variazione di resistenza. Tale variazione non è di per se direttamente misurabile, ma impone l’uso di un circuito di condizionamento. I dispositivi potenziometrici soffrono di problemi legati all’attrito meccanico, limitata risoluzione, e grande rumore termico. 34 Estensimetri • Presentano una variazione di resistenza legata alla deformazione meccanica cui sono sottoposti. • La grandezza dl l rappresenta la variazione percentuale della deformazione ed è detta strain (deformazione). • Sebbene sia adimensionale spesso si estprime in με (“microstrain”, μm/m). 35 Estensimetri: principio fisico Principio: variazione di resistenza di un conduttore (o di un semiconduttore) quando è sottoposto a deformazione meccanica. Sotto l’azione di uno stress longitudinale tutte e tre le grandezze variano: l R A dR dl d dA R l A 36 Estensimetri: caratteristica La relazione che lega la variazione di resistenza esibita alla deformazione subita, per estensimetri metallici ha la forma (lineare): dR dl G R l La costante G è detta gage factor, e vale circa 2 (tranne che R R0 1 x per il platino, per il quale vale circa 6). Risulta, quindi: Per gli estensimetri a semiconduttore la caratteristica non è lineare. 37 Estensimetri Vantaggi: Svantaggi: • Dimensioni ridotte • Ancoraggio meccanico: la forza deve essere trasmessa tutta all’estensimetro. • Elevata linearità • Dipendenza dalla temperatura (~50 με /〬 • Bassa impedenza C). Si risolve con montaggi differenziali. • Forza termoelettrica che appare ai capi di giunzioni bimetalliche. Si risolve con una doppia misura a polarità invertita. 38 Resistive Temperature Detector (RTD) Se sono realizzati in platino sono chiamati anche PRT, Platinum Resistence Thermometer. Nei metalli, un aumento di temperatura fa diminuire la velocità media degli elettroni, ed aumenta R. => Coefficiente di temperatura positivo. Relazione generale: A seconda del metallo, esiste un range di linearità, in cui: R R0 1 1T 2T 2 ... N T N R R0 1 T 39 Resistive Temperature Detector (RTD) Tipicamente si usano: Platino (-200°C, +850 ° C) Rame (-200 °C,+260 °C) Nichel (-80 °C,+320 °C) Disponibili con diversi output range (100 Ω – 2000 Ω). Grazie a valori di resistenza elevati: Minore influenza delle resistenze dei collegamenti Cavi più lunghi. 40 Resistive Temperature Detector (RTD) Vantaggi: • Elevata sensibilità (10 volte maggiore rispetto alle termocoppie) • Elevate prestazioni in termini di incertezza • Ripetitività • Basso costo (Rame e Nichel) Svantaggi: • Autoriscaldamento Altre applicazioni: • Misura della velocità di fluidi (hot wire anemometer) 41 Termistori (Thermally Sensistive Resistor) Realizzati con semiconduttori. NTC: coefficiente di temperatura negativo. PTC : coefficiente di temperatura positivo. t ° Principio di funzionamento: Aumento del numero di portatori con T (coeff. negativo); Con opportuni droganti si ottiene un coefficiente positivo. 42 Termistori (Thermally Sensistive Resistor) Per gli NTC: 1 1 RT R25C exp T T25C β è la temperatura caratteristica del materiale (~4000K). Anche β ha una (leggera) dipendenza dalla temperatura. I valori di R25°C possono andare da ~1Ω a ~100MΩ (tipici da ~100Ω a ~100kΩ). Gli NTC tipicamente hanno range limitati (~50°C) in 100°C,+450°C Costanti di tempo dipendenti dal package (da ~1ms a ~10s). 43 Condizionamento di trasduttori passivi (in particolare resistivi) • Il metodo voltamperometrico è inadeguato per piccole resistenze • Il metodo della caduta di potenziale richiede 2 misurazioni ed un resistore campione: difficilmente applicabile a sensori. Si impiegano: Metodi potenziometrici. Metodi di ponte. Oscillatori. 44 Principio Alimentare il trasduttore passivo con una sorgente ES ed almeno un’altra impedenza Zk, in modo da produrre una variazione ΔVm di un parametro elettrico del circuito che sia funzione di una variazione Δm del misurando. 45 Qualità del condizionatore Z C S m Vm SC Z C Sa m Vm m SENSORE Sensibilità del sensore Sensibilità del condizionatore Sensibilità del montaggio Zc CONDIZ. Vm Nel caso di sensore non lineare, si può ottenere una maggiore linearità del montaggio, se si usa un condizionatore con una nonlinearità opportuna: m Zc Vm 46 Metodo potenziometrico RS R1 Dispositivo di misura Se Rm RC : ES Vm RC Rm RC Vm ES RC Rs R1 La relazione Vm= f ( RC ) non è lineare La sensibilità del condizionatore SC non è costante 47 Applicazione ai termistori t ° ES Vm 1 1 RT R0 exp T T25C RT R R0 f (T ) ES R Vm ES R RT 1 RT R Si pone : Es Vm Es Fs (T ) 1 s f (T ) Scegliendo R ed R0, si sceglie la s che dà la linearità desiderata: RT R0 f (T ) s f (T ) R R Fs(T) s T 48 Linearità con i montaggi potenziometrici Si ottiene una sensibilità del condizionatore costante in tre casi: • Piccoli segnali • Alimentazione in corrente • Montaggio push-pull 49 Montaggio potenziometrico: piccoli segnali RS R1 ES Vm RC RC RCO RC Vmo ES RCO RCO Rs R1 RCO RC RCO RC RCO Rs R1 Vmo Vm ES ES RCO RC Rs R1 RCO Rs R1 RCO RC Rs R1 RCO RC ES RCO Rs R1 1 1 RC RCO Rs R1 50 Montaggio potenziometrico: piccoli segnali (2) RCO RC Vmo Vm ES RCO Rs R1 1 Se R C R CO R s R1 1 RC RCO Rs R1 R s R1 R C Vm ES R CO R s R1 2 Poiché si ottiene la massima sensibilità per RS+R1=RCO: RC Vm ES 4 RCO 51 Vmo E S Montaggio potenziometrico: piccoli segnali (dettagli) R CO R CO R D Vm Vmo Vm E S R CO R R CO R R D Sia R D R1 R S R CO R R CO Vm Vm Vmo E S R R R R R D CO D CO R CO R R CO R D R CO R CO R R D Vm E S R R R R R CO D CO D 2 2 R CO R CO R D R CO R R D R R CO R CO R R CO R D Vm E S R R R R R CO D CO D R D R Se R C R CO Vm E S R CO R R D R CO R D R CO R D R D R Vm E S R R R R R R R D CO D CO D CO R1 R S R R D R 1 R D R Vm E S E E S R CO R D 2 1 R R CO R D 2 S R CO R 1 R S 2 R CO R D R s R1 52 Alimentazione stabilizzata in corrente Se IS è costante: R1 dVm dRC costante Dunque, la relazione tra Vm IS Vm RC ed RC è lineare 53 Montaggio push-pull R2 RS ES Vm Si sostituisce al componente fisso un secondo sensore uguale al primo, ma le cui variazioni sono di segno contrario: R1 R1 RCO RC R2 RCO RC RCO RC Vmo Vm ES RCO RC Rs RCO RC RC Vm ES 2 RCO Rs • Legge lineare • Sensibilità costante Esempio: coppia di estensimetri R2 RCO RC R1 RCO RC 54 Montaggio potenziometrico: svantaggi • Eccessiva sensibilità ai parametri parassiti • Eccessiva sensibilità alla deriva della sorgente di alimentazione 55 I ponti R3 R1 RS Vm A B ES R2 R4 Si possono considerare potenziometri doppi, che consentono una misura differenziale di Vm. Il valore misurato è meno dipendente dalla deriva dell’alimentazione e dai parametri parassiti. Ipotesi: Rs si può ritenere nulla. Per trasduttori resistivi si usa il ponte di Wheatstone. Siamo interessati alla tensione di squilibrio: R2 R3 R1R4 R2 R4 Vm VA VB Es Es Es R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4 56 Ponte con un solo elemento variabile Vm A B ES RC RC RO RC R3 R1 R4 R1 R3 R4 RO RC R3 R1R4 Vm Es R1 RC R3 R4 RO RC RO RO2 RO RC Vm Es Es 2 4 RO 2 RO RC 2 RO RC 2 RO Es RC Es RC 1 4 R RC 4 RO RC 1 O 2 2 RO 57 Ponte con un solo elemento variabile (2) Es RC 1 Vm 4 RO RC 1 2 RO La relazione è non lineare, a meno che non RC 2 RO sia: Vm Ipotesi di piccoli segnali RO = 1k Ω ES = 1V ΔRC [Ω] Es RC Vm 4 RO 58 Ponte con un solo elemento variabile: altri casi • Se la resistenza della sorgente non è trascurabile, la sensibilità del ponte si riduce. • Se il ponte è alimentato in corrente la linearità è maggiore: Is 1 Vm RC 4 RC 1 4 RO 59 Compensazione delle grandezze di influenza Si utilizzano due trasduttori identici: • Il primo sottoposto al misurando m ed alla grandezza di influenza g. • Il secondo (di compensazione) sottoposto alla sola grandezza di influenza g. R2 RO R2 , con R2 S g g Sm R1 RO R1 , con R1 S g g R3 R1 Vm A B ES R2 R4 R3 R4 RO Si ottiene l’indipendenza della Vm da g. continua … 60 Compensazione delle grandezze di influenza Vm R1 Vm R2 dVm dg 0 R1 g R2 g Vm R1 Vm R2 se 0 R1 g R2 g R3 R1 Si ha : Vm A B ES R2 R4 R1 R2 g g sensori identici cioè se Vm Vm vera se R1 R2 R1 R2 61 Ponti: montaggio push-pull a mezzo ponte R3 R1 Vm A Sono presenti due elementi stesso lato che presentano variazioni opposte: B R1 RO RA R2 RO RA ES R2 R4 Risulta: Esempio: coppia di estensimetri R2 RO RA R Vm ES 2R0 R2 RO RA 62 Ponti: montaggio push-pull a ponte intero R3 R1 R1 RO RA Vm A Elementi sullo stesso lato presentano variazioni opposte: B R2 RO RA R3 RO RB ES R2 R4 Se, inoltre, ΔRA= ΔRB: R4 RO RB R Vm ES R0 La sensibilità è raddoppiata rispetto al mezzo ponte. 63 Ponti: compensazione della deriva dell’alimentazione R1 R3 B A ES R2 R4 VREF - Vm G + ADC 2 Nbit R 2 Nbit X G Vm G ES VREF RO ES La tensione di riferimento dell’ADC varia come la ES. Si impiega l’ADC come divisore (ratiometric measurement). 64 Azzeramento del ponte R1 • Le 4 resistenze che compongono il ponte non sono mai perfettamente uguali: R3 Valore A Vm Rd B RE ES R2 Coefficiente termico R4 • La resistenza Rd si sceglie con coefficiente termico opportuno per compensare la dipendenza di Vm dalla temperatura. • La RE si regola in modo da azzerare il ponte per la condizione iniziale, in modo da avere la massima sensibilità. 65 Sensori induttivi e capacitivi • Rispetto ai sensori resistivi, spesso introducono minori effetti di consumo • Intrinsecamente differenziali non lineari, richiedono montaggi • Richiedono alimentazione ac • Limite in frequenza (fmisurando < falimentazione ) • Diffusi come sensori di posizione, spostamento, prossimità, livello, … 66 Sensori di livello Misura della variazione di impedenza tra due elettrodi immersi in un liquido. Misura del livello di liquidi elettroconduttivi attraverso una variazione di induttanza. 67 La capacità come sensore A C 0 d Variazione di induttanza L 0 n 2 A 68 Sensori capacitivi di spostamento lineare A C d Principio fisico: variazione di C rispetto ad una delle tre grandezze ε, A, d. 69 Induzione elettromagnetica (Faraday 1791-1867) - E’ possibile risalire a spostamenti, deformazioni, forze, pressioni, velocità (v) e nBv eMN B v eMN proporzionale a vm eu k v Condotta non metallica Fluido conduttore e AB k 70 Trasduttore a trasformatore L2 V2 L2’ V2’ • La variazione della posizione del nucleo ferromagnetico (misurando) provoca una variazione della mutua induttanza tra gli avvolgimenti. • Alimentato in tensione alternata, lega la ampiezza della tensione in uscita allo spostamento. • Noto come LVDT (Linear Variable Differential Transformer), consente misure di tipo differenziale (pushpull). 71 Problemi con i sensori di tipo reattivo • E’ necessario alimentare con tensione o corrente alternata: A valle del circuito di condizionamento si ha una grandezza alternata. Estrazione del valore efficace o del valore di picco. • Le variazioni di impedenza da misurare sono in genere molto piccole, spesso confrontabili con capacità parassite. • La frequenza della alimentazione deve essere scelta in modo da rendere massima la variazione di impedenza. In genere si devono impiegare valori di frequenza elevati: Aumento dei fenomeni parassiti. 72 Condizionamento per sensori induttivi e capacitivi Montaggi potenziometrici. Montaggi galvanometrici. Metodi di ponte. Oscillatori. 73 Montaggio potenziometrico: caso Z1=R1 Z C Z CO Z R1 ES Vm ZC Vm ES R1Z 1 Z CO R1 2 1 Z Z CO R1 Se R1 Z CO : ES Vm Z I S Z R1 L’impedenza ZC è alimentata a corrente costante. Dunque, si può ottenere uno schema equivalente con un generatore di corrente. 74 Montaggio potenziometrico: caso Z1=R1 (dettagli) Vmo ES Z CO Z CO R1 R1 Z CO Z Vm Vmo Vm ES Z CO Z R1 Vm Vm Vmo Z CO Z Z CO ES Z Z R Z R 1 CO 1 CO Z Z Z CO R1 Z CO Z CO Z R1 Vm ES CO Z Z R Z R CO 1 CO 1 2 2 Z CO Z CO R1 Z CO Z R1Z Z CO Z CO Z Z CO R1 Vm ES Z Z R Z R CO 1 CO 1 Vm ES ZC R1Z Vm ES Z Z R Z R 1 CO 1 CO Z CO R1 R1Z Vm ES Z R Z R Z Z R 1 CO 1 CO 1 CO Vm ES R1Z Z CO R1 2 1 1 Z Z CO R1 75 Montaggio potenziometrico: due sensori Possibilità: Z1 ES Vm Z2 • Compensazione delle grandezze di influenza • Miglioramento della linearità, con il montaggio push-pull 76 Montaggio potenziometrico: push-pull Z2 Z1 Z1 Vm ES ES Vm Z2 Con i sensori di tipo reattivo si preferiscono le misure di tipo differenziale: Z1=Z0+ΔZ; Z2=Z0-ΔZ 77 Montaggio potenziometrico: capacità parassite Z1 Cp1 Cp2 ES Cp3 Z2 ΔVm • Cp1 è in parallelo all’alimentazione e non dà problemi • Cp2 e Cp3 sono in parallelo a Z2: la variazione di Vm dovuta a Cp2, dunque Cp3 risulta indistinguibile da quella dovuta alla Z2 78 Montaggio galvanometrico Cc E Cp1 Cp3 Im IC Cp2 I1 E C1 • • Cp1 e Cp3 in parallelo all’alimentazione Cp2 e Cp4 sono quasi cortocircuitate se la resistenza interna del galvanometro è molto piccola Cp4 E IC E jCC 1 jC C I1 E jC1 I m I C I1 E jCC C1 Se CC CCO C e C1 C CO : I m E jC => Lineare 79 Montaggio galvanometrico push-pull C1 A Dd C 2 C0 C0 1 1 E d D 1 1 d D Poiché , se 2 1 (1 ) n 1 n , D-d C2 D+d -E 2 d allora , se 1 : D d d d C1 C2 C0 1 1 2C0 D D D d I m Ej C1 C2 2 Ej C0 D C1 => Lineare 80 Esempio di ponte per sensori capacitivi: ponte di Nernst R0 ES RE Vm A CE B CC R0 Sotto le ipotesi consuete: Vm RC E S Z 1 4 Z CO 1 Z 2 Z CO Per piccoli segnali il montaggio è lineare. 81 Sensori attivi Effetto termoelettrico Una f.e.m. funzione della temperatura appare ai capi di giunzioni tra metalli diversi. Effetto piezoelettrico Una polarizzazione elettrica proporzionale ad una sollecitazione meccanica appare in particolari materiali. Effetto piroelettrico Una polarizzazione elettrica proporzionale alla temperatura appare in particolari materiali. Effetto fotovoltaico Insorgere di una tensione proporzionale alla radiazione e.m. incidente … 82 Effetti termoelettrici (Seebeck 1826, Peltier 1834) • Un conduttore, con una estremità posta ad una temperatura T1 e con l’ altra ad una temperatura T2, diventa sede di un passaggio di energia dalla parte calda alla parte fredda • il gradiente termico genera un campo elettrico che si manifesta con un incremento di tensione dVa a dT 83 Usando due materiali differenti A e B si ha AB = A - B dVAB= AB dT Per ottenere la migliore sensibilità si scelgono materiali con coefficienti di segno opposto • Effetto Peltier: Consiste nel manifestarsi di una certa quantità di calore, assorbita o ceduta da una termocoppia quando questa è attraversata da corrente elettrica • esempio: frigoriferi termoelettrici di piccole dimensioni e limitato assorbimento di potenza 84 Termocoppie Tipo Materiale bimetallo Campo T°C Vu [mV] Caratteristiche J Ferro-Costantana -200…780 30 con T=500°C Economica T Rame-Costantana -200…400 15 con T=320°C Sens.:45V/°C Piccole dimensioni E Cromel-Costantana -200…1250 >70 con T=1000°C Elevata f.e.m. S Pt-Pt90%, Rd10% 0…1760 10 con T=1000°C Robusta, affidabile, costosa, poco sensibile C TungstenoTungsteno,Iridio 0…2400 Dipende dalla % della lega Alta temperatura 85 Termocoppie: l’effetto Seebeck Ai capi di una giunzione tra due metalli diversi A e B appare una f.e.m. che dipende dalla natura dei metalli e dalla temperatura TX V B Tx A 86 Termocoppie: effetto Peltier ed effetto Thomson Si può dimostrare che l’effetto Seebeck è una conseguenza dei seguenti: Effetto Peltier: una giunzione di due metalli diversi si riscalda o raffredda se è attraversata da una corrente. Effetto Thomson: un conduttore di composizione omogenea, ma con temperatura non omogenea, cede o assorbe calore se attraversato da corrente. 87 Problemi di misura a b Cu Fe Tx Con Cu Fe Tx V Cu Se si collega un voltmetro per la misura di Vab=f (TX), si realizzano inevitabilmente altre due giunzioni a temperatura incognita. Con = Fe Tx V Cu Con 88 Soluzione “classica” Fe Cu Tx • Si aggiunge una seconda termocoppia di riferimento (“giunto freddo”), posta ad una temperatura fissa • Se le altre due giunzioni (Cu-Fe, nell’esempio) sono mantenute ad una identica temperatura, allora i loro effetti si cancellano e la V misurata dipende solo da TX • Le termocoppie sono corredate di tabelle V – TX per una TREF a 0ºC (ghiaccio fondente). • Si tratta di una soluzione accurata 89 ma poco pratica. Con V Tref Fe Cu Blocco isotermico Cu Fe Tx V Con Cu Fe Tref = 0°C Compensazione del giunto freddo Cu Fe Tx V Con Tref Cu Fe Cu Fe Tx V Tref 2 Con Invece di forzare la giunzione di riferimento ad una data temperatura TREF: 1. Si misura TREF (RTD, termistore,…) 2. Si compensa matematicamente: è sufficiente conoscere le tabelle V – TX per una TREF a 0ºC per le due termocoppie. E’ possibile, inoltre, eliminare la termocoppia di riferimento, usando una delle due giunzioni di misura come riferimento. Cu 1 90 Linearizzazione V Le termocoppie sono sensori non lineari, e richiedono polinomi di grado relativamente elevato rappresentare la loro caratteristica. 0 o Tref Tx T • Polinomiale: T = a0+a1V+a2V2+a3V3 +.... anVn • “Nested” (più veloce): T = a0+V (a1+V (a2+V (a3+.......))))))))) • Per tratti (più veloce): T = T0 +bV+cV2 • Lookup table: Molto veloce, impegna memoria • Combinazioni dei precedenti 91 Tipi di termocoppie Codice ANSI Composizione Range ºC mV @ full range B Pt / Rhodium 38 – 1800 3.6 C W / rhenium 0 – 2300 37.0 E Chromel / Constantan J Iron / Constantan 0 – 760 43.0 K Chromel / Alumel -184 – 1260 56.0 N Nicrosil (Ni/Cr/Si) / Nisil (Ni/Si/Mg) R Pt / Rhodium 0 – 1593 18.7 S Pt / Rhodium 0 – 1538 16.0 T Cu / Constantan 0 – 982 75.0 -270 – 1300 -184 – 400 51.8 26.0 92 Tipi di termocoppie Platinum T/Cs mV E Base Metal T/Cs 60 J K N 40 20 R T S deg C 0 500 1000 2000 93 Sistema di acquisizione dati per termocoppie • Un termistore, più canali T/C • La CPU opera la linearizzazione OHMs Conv. Isolators HI uP LO Integrating A/D Floating Circuitry uP I/O (HP-IB, RS-232) ROM Lookup To Computer Grounded Circuitry 94 Effetto piezoelettrico (Curie, 1880) • Esiste in cristalli naturali (quarzo) e in ceramiche e polimeri artificiali opportunamente polarizzati (anisotropia del quarzo) • Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione meccanica • E’ un effetto reversibile: energia meccanica energia elettrica e u kF e u f .e.m. ai morsetti A e B F Forza applicata 95 Effetto piroelettrico • Tra i cristalli piezoelettrici ve ne sono alcuni (in 10 delle 32 classi cristalline) che presentano un’unica direzione privilegiata per l’orientamento dei momenti elettrici. • Consiste nella generazione di carica elettrica per effetto di un flusso di calore (cariche indotte termicamente). • Il materiale non necessita di eccitazione esterna • contrariamente ai termoelettrici (es. termocoppie), le cariche vengono generate in risposta ad una variazione di temperatura 96 Effetto piezoresistivo (Strain-gauge, Strain-gage) E’ l’effetto di variazione della resistività di un opportuno materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, più consistente nei semiconduttori). F d E a Sforzo: dove E = modulo di Young del materiale F = forza applicata d a = sezione interessata È chiamato tensione (deformazione normalizzata) 97 Effetto piezoresistivo (2) Il conduttore cilindrico che subisce una elongazione d (supponendo che il volume V rimanga costante) possiede una resistenza pari a: 2 R V da cui si ricava la sensibilità: dR 2 d V che è tanto migliore quanto più lungo e stretto è il cilindro e quanto maggiore è la resistività del materiale. Si puo’ esprimere come: dR Se R Se = Sensibilità (gauge factor) [2-6 per metalli, 40200 per semiconduttori] • applicazioni: accelerometri, microfoni. 98 Effetto piezoresistivo (3) • E’ formato da un resistore saldato su un substrato portante elastico, che viene fissato sull’ oggetto che si deforma • il resistore è in tal modo isolato elettricamente dall’ oggetto • il coefficiente di espansione termica del substrato deve essere coincidente con quello del materiale di cui è fatto il resistore • la resistenza varia in genere da 100 a migliaia di ohm. • Per avere una buona sensibilità il sensore deve avere lunghi segmenti longitudinali e corti segmenti trasversali, così la sensibilità trasversale è solo di pochi percento di quella longitudinale 99 Effetto Hall (E.Hall 1879) In un materiale conduttore sottoposto ad un campo di induzione magnetica Bz normale al flusso di una corrente elettrica di intensità Ix, si manifesta una d.d.p. Vy in direzione perpendicolare alle direzioni sia di Bz sia di Ix. Il fenomeno è dovuto al fatto che le cariche elettriche, in movimento per la presenza della corrente, si accumulano su di una faccia del materiale per effetto del campo magnetico, finchè non si determina un campo elettrico agente sugli elettroni tale da opporsi e compensare la forza dovuta al campo magnetico. Sensori Hall sono usati per rilevare campi magnetici, posizione e spostamento di oggetti 100 • • • • La tensione di Hall può essere prelevata con opportuni elettrodi. (Bassa nei conduttori e negli isolanti, buona nei semiconduttori) non sono molto lineari rispetto all’ intensità del campo B e quindi richiedono una calibrazione per misure di precisione per misure di posizione e di spostamento devono essere forniti con una sorgente di campo magnetico ed una interfaccia elettronica Un dispositivo commerciale che utilizza arseniuro di indio ha una corrente di controllo di 0.1 A e presenta una tensione di Hall pari a 0.15 V per un campo di induzione magnetica di 1 Wb/m2 (T) 101 Effetto fotoconduttivo (Sensori passivi) • Determina un passaggio di corrente elettrica in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d’onda. • Dovuto alla variazione della conduttività di materiali isolanti e semiconduttori. • La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da uno stato di legame ad uno libero, questi non hanno energia sufficiente per uscire dal materiale (fotoemissione) ma contibuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistività. • E’ necessario collegare il sensore ad un generatore di tensione per avere un flusso di corrente elettrica variabile con la radiazione incidente. 102 Effetto fotovoltaico (Sensori attivi) • Conseguente alla conversione dell’energia radiante in energia elettrica che consente la realizzazione di celle solari. • Si presenta nelle giunzioni p-n dei semiconduttori, sottoposte a radiazioni che danno luogo alla comparsa di una f.e.m. • Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-buche. • Materiali tipici sono selenio-ferro e rame-(ossido di rame) • Fotodiodi o fototransitor sono elementi fotovoltaici usati come interruttori nei quali piccole quantità di luce sono in grado di produrre la commutazione del circuito dalla condizione di minima corrente a quella di corrente elevata 103 Sistemi ad ultrasuoni (Effetto Doppler, 1842) • Consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche, ottiche , radio dovuta al moto relativo tra sorgente e ricevitore delle onde. f1 f 2 k v f1 = Frequenza dell’onda incidente f2 = Frequenza dell’onda riflessa v = Velocità media del fluido 104 Sistemi ad ultrasuoni (tempo di volo) • Misura della velocità di un fluido all’interno di un condotto • Controlli non distruttivi: misura delle inclusioni in pezzi metallici • Trasmettitore e ricevitore sono sensori piezoelettrici che funzionano ad impulso o ad onda continua. d t ; cv 2fd cv 105 Sensori digitali: gli encoder incrementali • Misure di posizione lineare ed angolare. • Il rilevamento dei settori può essere magnetico, elettrico oppure ottico. • La misura è incrementale (problemi). 106 Encoder assoluti 10011111 Le regioni sono univocamente contraddistinte da una proprietà: ad es. un codice binario. 107 Riferimenti Bibliografici I.Gorini “Le misurazioni tramite trasduttori con uscita elettrica” in: E.Arri S.Sartori “Le misure delle grandezze fisiche”, Paravia Editore, Torino 1984. M.Savino “Fondamenti di scienza delle misure”, La Nuova Italia Scientifica, Roma 1992. H.K.P. Neubert “Instrument transducers”, Clarendon Press, Oxford, 1976. J.Fraden “Handbook of modern sensors”, AIP Press, New York, 1995. H.Sheingold “Transducer interfacing handbook”,, Analog devices, Norwood, 1980. 108 ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA. Parti costituenti un generico sistema automatico di misura SIST. CONDIZIONAMENTO Funzione: provvede a modificare le caratteristiche dei segnale elettrici provenienti dal sensore in modo che siano ottimizzate per l’utilizzo nei sistemi successivi SIST. CONDIZIONAMENTO Attenuatori Amp FILTRI LP HP BP Convertitori (V/T;V/F) Circuiti di condizionamento Un trasduttore è condizionamento. completato dal circuito di Trasduttore passivo: il circuito di condizionamento è indispensabile per la generazione del segnale elettrico (montaggio). Trasduttore attivo: il circuito di condizionamento ha il compito di adattare i parametri dell’energia elettrica, generata dal trasduttore, alle caratteristiche d’ingresso del sistema di misura (condizionamento del segnale). Tipi di condizionamento ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA. Parti costituenti un generico sistema automatico di misura SIST. CONVERSIONE Funzione: provvede a trasformare la natura dell'informazione da analogica a numerica, in modo che possa essere opportunamente elaborata. SIST. CONVERSIONE S/H A/D I Sample and Hold S/H: trasforma il segnale tempo-continuo analogico di ingresso in un segnale tempocontinuo analogico “a tratti” Motivazioni dell’impiego di un S/H: un circuito di conversione analogico-digitale “vede” un segnale costante durante l’intervallo di conversione [nT,nT+T] La conversione A/D Segnali analogici Un segnale analogico può essere rappresentato mediante una funzione del tempo che gode delle seguenti caratteristiche: 1) la funzione è definita per ogni valore del tempo (è cioè continua nel dominio) 2) la funzione è continua. Segnali digitali A differenza del segnale analogico quello digitale è rappresentato da una funzione "tempo discreta" e "quantizzata". Tale funzione risulta pertanto: 1) definita solamente in un insieme numerabile di istanti "equispaziati" 2) dotata di un codominio costituito da un insieme discreto di valori. La conversione A/D Uno dei parametri più importanti di un sistema di conversione A/D è la velocità a cui il dispositivo ADC campiona un segnale in arrivo. La frequenza di campionamento determina ogni quanto ha luogo una conversione analogico-digitale (A/D). Un’elevata frequenza di campionamento acquisisce più punti in un dato intervallo di tempo e può fornire una rappresentazione migliore del segnale originale rispetto ad una bassa frequenza di campionamento. Campionare troppo lentamente può causare una rappresentazione incompleta del segnale analogico. L’effetto di un sottocampionamento è che il . segnale appare come se avesse una frequenza differente da quella effettiva. Tale fenomeno prende il nome di ALIASING Prevenire l’ aliasing Incrementare la frequenza di campionamento Inserire un filtro passa-basso anti alias Filtri Anti-Aliasing • E’ un filtro analogico passa basso • Taglia fuori le componenti a frequenze superiori che potenzialmente possono dare alias La conversione A/D Pregi del segnale digitale I segnali digitali hanno una maggiore reiezione ai disturbi rispetto ai segnali analogici. I segnali analogici sono costituiti da funzioni continue pertanto possono assumere infiniti valori: il rumore che inevitabilmente si sovrappone al segnale ha pertanto la possibilità di determinare una variazione del valore del segnale composto (segnale utile + rumore) qualunque sia la ampiezza e la potenza del rumore. I segnali digitali, invece, presentano solamente un numero finito di valori separati da una fascia "proibita". Se il rumore non ha ampiezza (e potenza) tale da determinare un superamento della fascia proibita che separa due valori contigui non si riscontra alcuna alterazione del valore. I segnali digitali possono essere elaborati più facilmente dei segnali analogici Per elaborare matematicamente i segnali analogici si deve ricorrere agli amplificatori operazionali mediante i quale è possibile realizzare (in modo a volte molto approssimato) semplici operazioni (somma, sottrazione, logaritmo ed esponenziale, integrale e derivata rispetto al tempo, ecc.). La realizzazione di funzioni più "elaborate" può richiedere una complessità circuitale eccessiva e tale da introdurre una incertezza non accettabile per gli scopi prefissati. La conversione A/D Pregi del segnale digitale I segnali numerici possono invece essere elaborati mediante microprocessori i quali possono permettere la esecuzione di operazioni ed elaborazioni senza richiedere appesantimenti dell'hardware circuitale. Anche in questo caso, però, le operazioni non sono esenti da incertezza: i troncamenti e le approssimazioni introdotte dalla codifica utilizzata dal microprocessore per il trattamento dei dati sono infatti fonte di incertezza, ma si può ricorrere a codifiche (intero, reale a singola o doppia precisione, ecc.) tali da ridurre le incertezze introdotte in modo da renderle compatibili con gli scopi prefissati. I segnali digitali possono essere registrati in maniera più fedele e stabile dei segnali analogici Per registrare un segnale analogico si può fare uso di nastri magnetici entro cui il segnale viene registrato: le prestazioni delle tecniche di registrazione meno sofisticate vengono penalizzate dal fenomeno della smagnetizzazione del nastro registrato. Ricorrendo all'uso di memorie RAM oppure di dispositivi di memoria di massa a supporto magnetico (hard e floppy-disk) è possibile invece registrare i segnali digitali con estrema facilità. In questo caso, poi, la codifica usata è quella binaria e la presenza di una ampia fascia di separazione fra il livello considerato 0 e quello considerato 1 permette di garantire una stabilità del dato nel tempo e la sua reiezione pressoché totale ai disturbi. ARCHITTETTURE DI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA Parti costituenti un generico sistema automatico di misura SIST. CONTROLLO Funzione: provvede a memorizzare od elaborare l'informazione numerica ottenuta dal sistema precedente secondo una prefissata sequenza di operazioni registrata in un opportuno programma; tale sistema di controllo può essere, inoltre, a sua volta collegato con un sistema di attuatori. SIST. CONTROLLO PC PLC DSP C I SISTEMI DI CONTROLLO SISTEMA DI MISURA PER LA MISURA DI UN’UNICA GRANDEZZA FISICA grandezza fisica A B SENSORE SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO C SISTEMA DI CONVERSIONE D SISTEMA DI CONTROLLO COLLEGAMENTI Il collegamento fra la grandezza fisica ed il sensore è di tipo generalmente connesso alla natura della grandezza fisica d'interesse e di lunghezza praticamente nulla: la grandezza fisica agisce direttamente sul sensore. B,C. sono generalmente di natura analogica. Per il collegamento B, il canale di trasmissione è generalmente di natura elettrica e consiste, materialmente, in conduttori stesi fra il sensore ed il sistema di condizionamento. In casi particolari, quali sistemi di misura impiegati in ambienti con particolari requisiti di sicurezza o in ambienti con stringenti requisiti di immunità ai disturbi di natura elettromagnetica (EMC), il collegamento B può essere realizzato con canali di trasmissione di natura ottica (fibre ottiche) o pneumatica, con l'interposizione di opportuni dispositivi (interfacce) atti a trasformare il segnale proveniente dal sensore rispettivamente in un fascio di luce modulata o in una variazione di pressione di un gas, e viceversa. Il collegamento C, invece, è generalmente di natura elettrica (cavi direttamente collegati fra il sistema di condizionamento ed il sistema di conversione) o di natura elettromagnetica (onde convogliate che sfruttano il supporto della rete di alimentazione elettrica, sistemi di trasmissione basati su linee telefoniche, collegamenti realizzati mediante trasmissione di segnali radio). D. è di tipo digitale. Generalmente tale collegamento non crea problemi riguardo le A. L’ACQUISIZIONE DEI DATI I SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 1:Sistema ad N pre-amplificatori ed 1 sistema di conversione SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 1: Sistema ad N preamplificatori ed 1 sistema di conversione VANTAGGI SVANTAGGI Sistema di conversione unico N attenuatori – pre-amplificatori Ogni canale è adattato al relativo sensore Multiplexer: campionamento non contemporaneo Acquisizione con Multiplexers Interchannel Delay Ogni segnale è ruotato sul mux Ritardo di acquisizione tra canali differenti Il ritardo di fase è trascurabile per molte applicazioni Phase Shift Campionamento Simultaneo T/H T/H No Phase Shift Il segnale di controllo del convertitore congela i campioni dei segnali analogici Dopo ciò, I segnali sono ruotati sul mux Infine I T/H “rilasciano” il valore analogico SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 2: Sistema ad 1 amplificatore controllato ed 1 sistema di conversione SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 2: Sistema ad 1 amplificatore controllato ed 1 sistema di conversione VANTAGGI SVANTAGGI Sistema di conversione unico N attenuatori Un unico amplificatore controllato Multiplexer: campionamento non contemporaneo Maggiore costo del sistema di controllo (deve anche selezionare il guadagno) SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 3: Sistema ad N converitori e multiplexer digitale SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 3: Sistema ad convertitori e multiplexer digitale VANTAGGI SVANTAGGI Sistema di condizionamento e conversione adattato per ogni canale Campionamento sincronizzato N N attenuatori-amplificatori N converitori Maggiore costo del sistema di controllo (Mux digitale) SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE CONVERSIONE V/F Nei sistemi precedenti, il sistema di conversione adotta tecniche di conversione analogico/numerica che presuppongono un campionamento del segnale proveniente dal sensore ed una sua successiva quantizzazione (discretizzazione nelle ampiezze) in livelli corrispondenti alla codifica numerica adottata. s(n) Una soluzione alternativa, che utilizza un diverso principio di conversione A/N, è quella n basata sulla trasformazione tensione/frequenza. In tale soluzione, l'informazione 10 d'interesse non è legata 8 all'ampiezza (tensione o 6 corrente) del segnale in uscita 4 dal sensore, ma alla frequenza 2 di un apposito segnale. 0 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 0 20 40 60 80 100 -1.5 0 50 100 150 200 250 300 I sistemi a conversione V/F superano le difficoltà legate all'influenza dei disturbi. Il segnale in uscita dall'oscillatore, infatti, è generalmente prodotto con un'ampiezza relativamente elevata (tipicamente dell'ordine dei Volt) ed inoltre il minimo valore della frequenza dell'oscillatore può essere scelto di molto superiore alle frequenze caratteristiche dei disturbi che possono essere raccolti lungo i cavi di collegamento, in modo da rendere molto efficace l'eliminazione dei disturbi stessi mediante operazioni di filtraggio. SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 4: Sistema con convertitori V/F SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI PER LA MISURA DI PIU’ GRANDEZZE FISICHE Soluzione 3: Sistema ad convertitori e multiplexer digitale VANTAGGI Massima riduzione dei disturbi Campionamento non sincronizzato N SVANTAGGI N oscillatori maggiore costo sistema di conversione (temp campione) Maggiore costo del sistema di controllo (Mux temporizzato) Maggiore costo del sistema di condizionamento (VCO) Problematiche Interfacciamento MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA Un notevole numero di sistemi automatici di misura si basa sul collegamento di uno o più strumenti diversi all’unità di controllo. La tecnica di collegamento più comune fa uso di un bus. Cosa è un BUS? è un insieme di conduttori elettrici che consentono il trasferimento delle informazioni tra i diversi dispositivi. All’interno del bus vi sono linee che trasmettono dati, altre che trasmettono indirizzi, altre che trasmettono sincronizzazioni, altre interrupt, altre riferimenti elettrici (potenza e terre), ecc. Per potersi connettere al bus è necessario che ogni dispositivo sia dotato di una opportuna interfaccia MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA Cosa è una INTERFACCIA? Si può definire l’interfacciamento come il collegamento che si realizza tra due sistemi mediante l’uso di dispositivi, circuiti o architetture dedicate, per garantire una corretta comunicazione. Ai dispositivi fisici che realizzano questa funzione viene dato il nome di interfacce. Interfacciare dispositivi o sistemi significa realizzare collegamenti tali da garantire la compatibilità delle caratteristiche elettriche, logiche, meccaniche e funzionali di ognuno degli elementi collegati. Compatibilità elettrica: tensioni e correnti in uscita ad un dispositivo abbiano caratteristiche ammissibili per l’altro che le vede come ingressi. Compatibilità logica: le informazioni siano riconosciute come valide da tutti i dispositivi collegato tra loro. Compatibilità meccanica: la circuiteria ed in particolare i connettori siano dello stesso tipo o di tipi equivalenti. Compatibilità funzionale: tutti i dispositivi connessi al bus condividono le medesime modalità operative. In generale l’interfacciamento può avvenire tra dispositivi, schede, macchine o sistemi multischeda MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA LE MODALITÀ DI COLLEGAMENTO I requisiti di cui bisogna tenere conto per la scelta della topologia più idonea per un bus di collegamento sono: il tipo di informazione da trasferire, la velocità della trasmissione richiesta ed il numero di periferiche da collegare tramite il bus. Le topologie fondamentali sono tre: Ad Anello (daisy-chain bus) A Stella (star bus) Parallelo (party-line bus) MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA DAISY CHAIN BUS (bus a petalo di margherita) od AD ANELLO Controllore Periferica 1 Periferica 2 Periferica 5 Periferica 4 Periferica 3 DAISY CHAIN BUS (bus a petalo di margherita) od AD ANELLO La struttura ad anello, o ring, permette di collegare in serie e successivamente tutti i nodi della rete. Tipicamente tra un nodo ed il successivo la comunicazione è unidirezionale. Il nodo successivo si occupa di ripetere il segnale ricevuto, estraendone nel contempo le parti che lo riguardano ed immettendo al momento appropriato le informazioni che vuole inviare. Questa struttura presenta due vantaggi principali: innanzitutto il segnale è rigenerato in ogni nodo, per cui ogni nodo gioca anche il ruolo di repeater e permette quindi di coprire senza costi aggiuntivi delle distanze notevoli. I due svantaggi principali di questa topologia non sono tuttavia trascurabili: dapprima si deve sottolineare la difficoltà di estendere la rete. Non è infatti possibile aggiungere un nuovo nodo senza interrompere anche solo momentaneamente la comunicazione, in quanto è indispensabile aprire l’anello per inserirvi il nuovo venuto. D’altra parte se un componente del circuito non funziona più o un segmento di rete è danneggiato, tutta la rete non funziona più! MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA DAISY CHAIN BUS (bus a petalo di margherita) VANTAGGI Segnale rigenerato Alte distanze Periferica 1 Periferica 2 Periferica 5 Periferica 4 Periferica 3 SVANTAGGI Elevato numero di periferiche collegabili basso costo Controllore sensibile al cattivo funzionamento di un singolo elemento della struttura Ogni periferica aggiunge un ritardo nella propagazione del messaggio lungo il bus. Difficoltà ad estendere la rete MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA STAR BUS (bus a stella) Periferica 1 Periferica 2 Periferica 3 Controllore Periferica 6 Periferica 5 Periferica 4 STAR BUS (bus a stella) La struttura a stella presenta delle caratteristiche diametralmente opposte a quelle della struttura ad anello. La struttura a stella si basa su di un punto centrale della rete dove si situa generalmente un nodo avente delle funzioni speciali (quali il ruolo di master o di server della rete) dal quale partono un numero di collegamenti bidirezionali pari al numero di nodi decentralizzati che la rete conta. Questa configurazione permette quindi facilmente e senza dover interrompere la comunicazione di aggiungere un nuovo nodo alla rete, ammesso che il nodo centrale disponga ancora di connessioni libere. Inoltre, in caso di guasto di un componente, gli altri nodi possono proseguire senza interruzione, dato che la comunicazione con gli altri nodi non viene perturbata, ammesso che il nodo guasto non sia proprio quello centrale. Tuttavia una centralizzazione dei cablaggi richiede una quantità notevole di cavi e non permette di coprire grandi distanze. MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA STAR BUS (bus a stella) Periferica 1 Questa struttura trova applicazione soprattutto nei sistemi in cui è richiesta un'alta velocità di trasmissione. Collegamenti periferica Periferica 5 Periferica 4 SVANTAGGI connessione uno ad velocità di trasmissione) insensibilità periferica Periferica 3 Controllore Periferica 6 VANTAGGI Periferica 2 al ad guasto hoc uno (alta di una per ogni Aumento dei costi Numero di interfacce collegabili al controllore limitato MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA PARTY LINE BUS (bus parallelo) Periferica 1 Periferica 2 Periferica 3 Controllore Periferica 6 Periferica 5 Periferica 4 MODI DI INTERCONNESSIONE NEI SISTEMI AUTOMATICI DI MISURA PARTY LINE BUS (bus parallelo) Questo tipo di bus viene utilizzato principalmente per comunicazioni veloci di brevi messaggi e presenta un modesto sviluppo geometrico. Periferica 1 Periferica 2 Controllore Periferica 6 Periferica 5 VANTAGGI Periferica 4 SVANTAGGI Buona velocità architetturale Tutti “vedono” tutti Periferica 3 Circuiteria di interfaccia delle periferiche alquanto complessa Limitato numero delle periferiche collegabili (problemi di carico) Accurata gestione dell’accesso al bus (INDIRIZZAMENTO) PRINCIPALI STANDARDS DI INTERFACCIAMENTO Bus Livello di collegamento Tipologia Linee dati Linee indirizzi Velocità di comunic. Lunghezza massima (m) IEEE488 Intra instrument Parallelo asincrono multiplexato 8 8 1MB/s 20 VME intra-board intra-cabinet Parallelo asincrono non multiplexato 16,32 29-37 48MB/s 0,5 VXI Intrainstrument intra-cabinet Parallelo asincrono non multiplexato 32 8 20MB/s 0,5 USB controller to terminal seriale asincrono 2 -- 11MB/s 20 RS 232C controller to terminal seriale asincrono 2 -- 25kB/s 15 INTERFACCIAMENTO SERIALE E PARALLELO TRASMISSIONE BYTE SERIALE BIT SERIALE I bit del carattere sono trasmessi uno dopo l'altro lungo la linea. Si usa per lunghe distanze e velocità relativamente basse N.B.: Il destinatario deve “impacchettare” in caratteri il flusso dei bit in arrivo. 11101010 00001101 2 carattere 1 carattere Sorgente Destinatario La trasmissione seriale richiede il sincronismo dei bit e quello dei caratteri. TRASMISSIONE BYTE SERIALE BIT PARALLELO I bit del carattere codificato sono trasmessi simultaneamente su linee distinte. Il termine trasmissione parallela si riferisce al fatto che i bit del carattere sono trasmessi in parallelo, mentre i caratteri sono trasmessi serialmente. Si usa per trasmissioni a breve distanza, soprattutto a causa del costo di un sistema trasmissivo a canali paralleli. 0 1 0 Sorgente 0 1 1 0 1 2° carattere 1° carattere 1 0 1 1 0 0 1 0 Destinatario PROBLEMI LEGATI AL SINCRONISMO DEI BIT E DEI CARATTERI. Problema: durante una trasmissione il destinatario deve essere in grado di interpretare correttamente i bit ricevuti e quindi deve sapere quando campionare la linea per prelevare il bit. Se il campionamento avvenisse durante la transizione di livello il risultato sarebbe indeterminato. Il punto di campionamento ideale è al centro del bit stesso. Trasmissione Asincrona Il dispositivo ricevente ha un orologio (clock) che è sincronizzato sull'impulso di partenza (start) all'inizio di ogni carattere. Essendo noto il numero di bit per ogni carattere, non è difficile mantenere il passo con i bit in arrivo per tutta la durata della trasmissione del carattere. Trasmissione Sincrona i blocchi di dati possono essere molto lunghi e piccole differenze di velocità tra i due orologi di trasmissione e di ricezione possono dar luogo ad errori. segnale di In ricezione è necessario avere un segnale di sincronismo (clock) atto a distinguere un bit dal successivo sincronismo sequenza di bit 1 0 0 1 PROBLEMI LEGATI AL SINCRONISMO DEI BIT E DEI CARATTERI. PROBLEMA: Oltre al sincronismo dei bit, bisogna effettuare il sincronismo dei caratteri, cioè riconoscere il gruppo di bit che individua il carattere nella sequenza di quelli ricevuti. Due sono i metodi più usati per determinare quale sia il primo bit del carattere. TRASMISSIONE SINCRONA: la durata di ogni bit è la stessa e tutti i caratteri sono contigui. Il destinatario deve individuare solo il primo bit del primo carattere e quindi, conoscendo la dimensione del carattere e la velocità di trasmissione, può contare i gruppi di bit ed impacchettare correttamente i caratteri in arrivo. Per identificare il primo bit si fa precedere ogni blocco di dati da una sequenza tipica di sincronizzazione ricorrendo ad un carattere speciale di controllo della trasmissione. TRASMISSIONE ASINCRONA: non c'è nessuna relazione temporale tra un carattere ed il successivo, anche se possono essere al limite in sequenza come nella trasmissione sincrona. Il destinatario deve ristabilire la sincronizzazione per ogni carattere e quindi essere in grado di riconoscerne il primo bit. Per far ciò si fa precedere ogni carattere da un impulso di inizio (bit di start) che informa il destinatario dell'inizio della trasmissione. Il destinatario riconosce la transizione 1-0, aspetta per la durata di mezzo bit e poi ad intervalli di un bit campiona la linea e ricostruisce il carattere in arrivo. Alla fine del carattere viene trasmesso un bit di stop (1) per permettere al destinatario di stabilizzarsi prima che venga trasmesso un altro carattere. Il controllo e la correzione degli errori Il controllo e la correzione degli errori sono funzioni indispensabili, per la presenza del rumore in ogni canale di comunicazione che può alterare i dati trasmessi. Le tecniche di controllo più diffuse sono: CONTROLLO DI RIDONDANZA ORIZZONTALE (parità). Si usa principalmente nella trasmissione di caratteri singoli. Consiste nell'aggiungere agli n bit di ogni carattere un ulteriore bit (P) detto di parità, in modo da portare il numero di bit di valore 1 ad un valore dispari (parità dispari) o pari (parità pari). Se ad es. il numero dei bit ad 1 è 4, il bit di parità sarà 1 se la parità è dispari e 0 altrimenti. 1 1 0 0 0 1 0 1 Parità PARI Parita DISPARI 1 1 0 0 0 1 0 0 Questa tecnica non consente di riconoscere se ci sono nello stesso carattere due bit errati (o meglio un numero pari di bit errati). Il controllo e la correzione degli errori CONTROLLO DI RIDONDANZA VERTICALE. Si usa principalmente nella trasmissione di pacchetti di caratteri. È realizzato calcolando, in una sequenza di caratteri, l'OR esclusivo su tutti i bit che stanno nella stessa posizione all'interno di ciascun carattere (BCC). In tal caso il campo di ridondanza è costituito da un carattere inviato alla fine della sequenza cui si riferisce. Spesso viene usata congiuntamente con la parità orizzontale consentendo un maggiore margine di rilevamento. Il controllo e la correzione degli errori CONTROLLO CICLICO DI RIDONDANZA (CRC). Permette la rilevazione di errori multipli. Si considera il flusso di dati come una stringa di bit del tipo: D(x) = anxn+an-1xn-1+ ... + a1 x + a0 in cui il coefficiente dell'i-esima potenza di x rappresenta la i-esima cifra binaria della stringa a partire da a0. Tale polinomio viene diviso algebricamente per un polinomio generatore G(x): D(x) = Q(x) * G(x) +R(x) dove Q(x) ed R(x) sono i polinomi quoziente e resto. Il CRC è costituito dal resto R(x). Se il polinomio G(x) è del sedicesimo grado, R(x) è al più del quindicesimo, cosicché il campo di ridondanza è costituito da 2 bytes che vengono trasmessi in coda al pacchetto dati. CODIFICA DEI DATI Durante una comunicazione il messaggio deve essere codificato in modo tale da poter essere trasmesso facilmente sulla linea e tale che possa essere capito da tutti gli strumenti che sono presenti sulla linea stessa. La maggior parte dei codici di comunicazione dei dati sono basati su sistemi binari che prevedono la presenza di due stati : lo stato zero o OFF (0) e lo stato uno o ON (1). Alcuni dei codici più usati sono: ASCII (American Standard Code for Information Interchange). È un codice standard ad 8 bit di cui solitamente 7 sono destinati all'informazione ed uno per il controllo della parità; BCD (Binary Coded Decimal). E’ un codice a 4 bit per ogni cifra decimale. CODIFICA DEI DATI Il concetto di comunicazione è strettamente legato all’idea di "codifica". Per poter trasmettere un’informazione, infatti, questa deve essere codificata in modo opportuno. La codifica è l’operazione che consiste nel trasformare delle informazioni da un certo repertorio di segni verso un altro. La codifica e la relativa decodifica sono operazioni che modificano la forma dei segnali, ma non il contenuto. CODIFICA DEI DATI Proprio per ridurre il numero di transizioni si è quindi immaginato un altro sistema di codifica, chiamato NRZI (Non Return to Zero Inverted). L’NRZI è un metodo di codifica dei dati e della cadenza di trasmissione ideale per la trasmissione di trame lunghe di dati. Esso specifica infatti che il livello di tensione presente sulla linea non viene modificato se si trasmette un ‘1’, mentre cambia alla trasmissione di uno zero. In tal modo il numero di transizioni è limitato, mentre che se si desidera inviare una sequenza prolungata di ‘1’ viene adottato anche qui il metodo di bit stuffing, dove però si inserisce automaticamente uno zero. Con questo metodo si ha nel peggiore dei casi una transizione ogni bit, dunque una frequenza pari alla metà della cadenza dei bit. In media, comunque, si ha un numero di transizioni pari alla metà dei bit trasmessi (ammettendo una probabilità del 50% di trasmissione di ‘1’ e zeri), quindi una frequenza pari ad un quarto della cadenza dei dati. CODIFICA DEI DATI Vi sono diversi modi di codificare una sequenza seriale dei bit: la più semplice è la codifica denominata NRZ (Non Return to Zero). Nel codice binario NRZ i singoli bit sono allineati successivamente e non sono separati da alcun segnale. L’aspetto della sequenza ricalca fedelmente il contenuto stesso, in quanto i bit a ‘1’ sono effettivamente rappresentati da un segnale di una certa ampiezza, rispettivamente i bit a ‘0’ vengono rappresentati da una tensione diversa. La cadenza di trasmissione prestabilita permette di individuare i singoli bit in base al tempo trascorso. Il problema principale si presenta quando una serie prolungata di bit dello stesso tipo viene trasmessa: non avendo più nessun fianco positivo o negativo, diventa difficile risincronizzare i tempi, per cui si può incappare in un conteggio errato dei bit. ( Succesivamente si vedrà come la RS232 risolve questo inconveniente) CODIFICA DEI DATI Il codice RZ (Return to Zero) garantisce un ritorno a zero per ogni bit. I bit ‘0’ non subiscono modifiche, mentre che i bit ‘1’ vengono accorciati nel tempo, in modo da garantire un ritorno a zero del segnale ad ogni bit. Tuttavia un’emissione di una sequenza prolungata di zeri pone lo stesso problema visto sopra. A questo scopo, quando si utilizza questo tipo di codifica, si dispone di un dispositivo automatico che, all’emissione, inserisce automaticamente un bit a ‘1’, quando un certo numero prestabilito di zeri si sono susseguiti. Alla ricezione il corrispondente automatismo elimina automaticamente il bit a ‘1’ quando ha contato lo stesso numero di bit a zero. Questo modo di inserzione automatica è conosciuto sotto il nome di bit stuffing (inserzione di bit). Lo svantaggio della codifica RZ è quello di causare un numero di transizioni elevato pari, nel caso di una trasmissione di soli ‘1’, al doppio dei bit inviati. I BUS DI COMUNICAZIONE SERIALI Alcune definizioni ... - Comunicazione seriale - Comunicazione parallela •Bit trasmessi su più linee •Più veloce e costosa • Bit trasmessi in sequenza • Basta una sola linea • Più lenta ed economica - Comunicazione asincrona - Comunicazione sincrona Ogni sequenza di bit trasporta informazioni sufficienti alla sua decodifica (start,stop,...) Sono previste linee per la trasmissione di un segnale di temporizzazione - Collegamento puntoSimplex punto A A B B - Collegamento multipunto half duplex A B full duplex A B Necessità di adottare degli standard (ANSI EIA IEEE CCITT ISO) Tipi di Trasmissione seriale Trasmissione single ended Trasmissione double ended Vantaggi : connessioni minime; Vantaggi: alta immunità ai rumori basso costo per piccole distanze; di modo comune; lunghe distanze richiede un solo filo per il segnale; (fino a 1.2 km) semplice da implementare; Svantaggi: bassa immunità al Svantaggi: costi più elevati; rumore di modo comune; alta probabilità di degradazione del segnale poiché vi è una sola massa; possibilità di cross-talk sulle linee per accoppiamenti induttivi e capacitivi; possibilità di irradiare; il costo aumenta per grandi distanze poiché bisogna utilizzare cavi schermati per tenere il valore di capacità>2500pF; necessità di trasmettere utilizzando doppini e non cavi singoli; necessità di una corretta terminazione della linea; RS232 RS422 RS485 Gestione del rumore per trasmissione Single Ended TX RX Disturbo sul Canale Gestione del rumore per trasmissione Differenziale TX Disturbo sul Canale RX Standard RS 232 Definito dalla Electronic Industries Association (EIA) nel 1969 Nasce per l'interconnessione di un calcolatore (DTE, Data Terminal Equipment) ed un modem (DCE, Data Communication Equipment) * Consente: • Trasmissione seriale • Trasmissione sincrona asincrona e • Trasmissione punto-punto Controllo della strumentazione Comunicazione seriale (RS232) RS-232 Instrument Serial Port RS-232 Cable • Non richiede hardware aggiuntivo • Usa una singola linea • Collegamento PC-PC o PC-Strumento Specifiche Tecniche D T E M o d e m M o d e m D T E Tipo di trasmissione Non bilanciata Tipo di Logica Negata Massima velocità di Trasmissione 115200 bps Tensione di uscita 5 15V valore logico 0 -5 -15V valore logico 1 Livello di ricezione >3V valore logico 0 < -3V valore logico 1 Slew rate 30 V/uS max Capacità di carico 2500 pF max equivalenti a circa 20m Tipo di comunicazione Full duplex Massimo numero di drivers 1 Massimo numero di ricevitori 1 Connettori I dispositivi che dispongono di porte RS232 si distinguono in due categorie: • - DTE: PC, terminali - DCE: modem, stampanti, ... Esistono connettori a 9 pin (DB-9) ed a 25 pin (DB-25) • •I PC Macintosh seguono uno standard leggermente diverso (RS422) con trasmissione differenziale un esempio si vedrà in seguito Il connettore femmina dovrebbe, di norma, essere associato a DCE (Data Communication Equipment), cioè la periferica, il connettore maschio a DTE (Data Terminal Equipment), il computer. C o n n e t t o r i Significato dei Connettori Protective Ground: normalmente collegato alla struttura esterna di uno dei dispositivi, il DCE o il DTE, e opportunamente collegato a terra. L’unico scopo di tale connessione è di proteggere il sistema da shock elettrici accidentali. È considerato opzionale. Transmit Data: linea di trasmissione dei bit di informazione dal DTE (periferica) a DCE (computer). Il DTE mantiene tale linea al valore logico 1 quando non ci sono dati da trasmettere; la trasmissione del dato su questa linea è possibile solo se i segnali Request To Send, Clear To Send, Data Set Ready e Data Terminal Ready, quando presenti, assumono valore logico 0. Receive Data: linea di trasmissione dei bit di informazione dal DCE (computer) a DTE (periferica).Il dato (bit) primario viene inviato su questa linea dal DCE al DTE. Questo segnale vienemantenuto ad un valore logico 1 quando DCE non trasmette dati e viene portato a 0 per un breve intervallo di tempo dopo una transizione della linea Request To Send da 1 a 0, per consentire il completamento della trasmissione. Request To Send: abilita i circuiti di trasmissione. DTE utilizza questo segnale quando intende trasmettere dati a DCE. Questo segnale, in combinazione con Clear To Send, coordina il trasferimento dati da DTE a DCE. Un valore logico 0 su questa linea mantiene DCE in modalità di trasmissione; DCE riceverà i dati da DTE e li trasmetterà attraverso il canale di comunicazione. Una transizione da 1 a 0 su questa linea segnala a DCE di completare la trasmissione dati in corso e di portarsi nella modalità di ricezione. Significato dei Connettori Clear To Send: segnale di risposta a DTE. Quando attivo, indica a DTE che la trasmissione può iniziare (sulla linea Transmit Data). Se CTS è attivo contemporaneamente ai segnali Request To Send, Data Set Ready e Data Terminal Ready i dati provenienti da DTE vengono inviati lungo il canale di trasmissione. La non attività del segnale CTS viene interpretata da DTE come non disponibilità di DCE a ricevere dati (DTE, quindi, attende ad inviare dati). Data Set Ready: con questa linea DCE avvisa DTE che il canale di comunicazione è disponibile, cioè che DCE è pronto a trasmettere o a ricevere. Signal Ground: riferimento di tensione per tutti gli altri segnali. Receive Line Signal Detect (or Data Carrier Detect): DCE utilizza questa linea per segnalare a DTE che sta ricevendo un “buon segnale”, cioè una portante analogica in grado di assicurare una demodulazione dei dati ricevuti priva di errori. Transmission Signal Element Timing:Segnale di clock inviato da DCE a DTE, in modo che DTE sia in grado di sincronizzare il proprio circuito di output che pilota la linea Transmitted Data. La frequenza del segnale di clock dipende dal bit- rate associato alla linea Transmitted Data. La transizione da 1 a 0 denota il punto centrale del tratto di segnale corrispondente ad un bit sulla Transmitted Data. Receiver Signal Element Timing: Segnale di clock inviato da DCE a DTE in modo che DTE sia in grado di sincronizzare il proprio circuito di ricezione che pilota la linea Received Data. La frequenza del segnale di clock dipende dal bit-rate della trasmissione sulla linea Received Data. La transizione da 1 a 0 indica il punto centrale del tratto di segnale corrispondente ad un bit sulla Received Data. Significato dei Connettori Data Terminal Ready:Se questo segnale è a livello logico 1, DCE viene informato che DTE è pronto per la ricezione. Il segnale DTR deve essere attivo prima che DCE attivi il segnale Data Set Ready, indicando così di essere connesso al canale di comunicazione. Se il segnale DTR assume il valore logico 0, DCE interrompe la trasmissione in corso. Signal Quality Detector: Linea usata da DCE per indicare se c’è o meno una elevata probabilità che si verifichi un errore nella ricezione dei dati. Viene posta ad un valore logico 0 se la probabilità di errore è elevata. Ring Indicator: Linea usata da DCE per segnalare a DTE che sta per giungere una richiesta di collegamento. Il segnale Ring Indicator viene mantenuto sempre a livello logico 0, tranne quando DCE riceve un segnale di chiamata in arrivo. Data Signal Rate Selector: Linea utilizzata per selezionare il bit-rate di trasmissione del DCE. In caso di connessione sincrona il bit-rate può assumere uno tra due valori possibili; se la trasmissione è di tipo asincrono, il bit-rate può assumere un valore compreso all’interno di due intervalli specificati dallo standard. Transmitter Signal Element Timing: Linea usata da DTE per inviare a DCE un segnale di clock. La transizione da 1 a 0 indica il punto centrale del tratto di segnale corrispondente ad un bit sul Transmitted Data. Parametri di una comunicazione RS232 • Numero della porta (0 per COM1:, 1 per COM2:, ... ) • Baud rate: velocità di comunicazione in bit/s (compresi i bit di start, stop e parità). Valori tipici: 1200, 2400, 4800, 9600 • Data bits: scelta tra 7 o 8 bit dati • Stop bits: scelta tra 1, 1.5 e 2 bit di stop • Parity: pari (“even”), dispari (“odd”) o nessuna • Flow control: controllo della comunicazione. – Handshake hardware: si usano ulteriori linee (RST e CTS) per fissare inizio e fine di una sequenza di dati – Handshake software: si racchiude il messaggio trasmesso tra due caratteri di controllo XON e XOFF Il frame RS232 La tensione di riposo (IDLE) della linea è negativa (= MARK) • 1 bit di START: segna l'inizio del frame con la transizione MARK > SPACE 7 o 8 bit di dati: codifica binaria con MARK=1 e SPACE=0, bit meno significativo (LSD) trasmesso per primo • • 1 bit di parità: per il controllo degli errori di trasmissione • Parità pari: vale 0 se il numero di 1 nei bit dati è pari, 1 viceversa • Parità dispari: vale 0 se il numero di 1 nei bit dati è dispari, 1 viceversa • Nessuna parità: bit di parità assente • 1, 1.5 o 2 bit di stop: riportano la tensione della linea a IDLE Tensioni: MARK tra -12V e -3V e SPACE tra +3V e +12V 7 bit dati Bit parità Start bit Space 2 bit di stop Mark Collegamento DTE – DCE Rx Rx Linea PC (DTE) Tx Com Tx Com Modem (DCE) Nota: Per un DCE • Il connettore Rx è di output • Il connettore Tx è di input telefonica Collegamento DTE – DTE (Null modem) PC (DTE) Rx Rx Tx Tx Com Com PC (DTE) Il cavo deve essere di tipo “null-modem” Alcuni strumenti, come il Fluke 45, richiedono questo tipo di collegamento (cioè sono dei DTE) Protocollo Collegamento Asincrono con modem DTR DSR RTS DCD CTS I BUS DI COMUNICAZIONE PARALLELI Standard IEEE 488 Interfaccia standard per il controllo della strumentazione • Nasce da una proposta Hewlett-Packard del 1965 • Pubblicato come standard IEEE 488 (poi 488.1) nel 1975 • Equivalente agli standard IEC 621-1 e 621-2, e ANSI MC 1.1 • Sinonimi: HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus) e GPIB (General Purpose Interface Bus) • Successiva estensione: ANSI / IEEE 488.2 del 1987 • Specifiche SCPI (Standard Commands for Programmable Intruments) nel 1990 Interface Interface Interface Device Device Device BUS Device Interface Struttura di un sistema automatico di misura su standard IEEE 488 Struttura di un sistema automatico di misura su standard IEEE 488 (2) • Periferiche (Devices): strumenti autonomi (dotati di alimentazione, pannello, display, ingressi e uscite propri, in grado di funzionare senza bus 488). Almeno una periferica deve essere in grado di operare come controller del bus. • Interfacce (Interfaces): circuiti in grado di collegare le periferiche al bus. • Bus: mezzo fisico di comunicazione, che collega le diverse interfacce. E' costituito da 24 linee. Su un bus 488 possono essere presenti fino a 15 periferiche. Il bus • 8 linee dati: trasmissione parallela di 1 byte DI01, DI02, ..., DI08 • 3 linee per il Data Byte Transfer Control: gestione della comunicazione asincrona di un byte sulle linee dati (handshake) DAV, NRFD, NDAC • 7 linee di massa per i segnali (twisted pair con altre linee) • 1 linea di massa per la schermatura dell'intero bus cable • 5 linee di General Interface Management: trasferimento di particolari messaggi da/verso le interfacce ATN, IFC, SRQ, REN, EOI Connettore e livelli di tensione • Ogni estremità di uno spezzone di cavo 488 è dotata di un connettore dotato di doppio attacco, per il collegamento di più spezzoni alla stessa interfaccia • Non è consigliabile collegare più di 4 spezzoni alla stessa interfaccia • Le linee del bus funzionano in logica negata: tensione bassa (0.5V) indica 1 o “vero”, e alta (2.4V) indica 0 o “falso” (livelli Low-power Schottky TTL). Configurazione del bus •Al massimo 15 dispositivi connessi • Lunghezza massima del cavo: 20 m, e non superiore a 2m per dispositivo • Le interfacce sono connesse alle linee mediante circuiti detti bus driver La funzione di controller • Il componente che opera come controller presiede al funzionamento di tutto il sistema automatico di misura • Stabilisce, mediante l'invio di comandi a tutte le periferiche collegate al bus, la sequenza di azioni da compiersi • Usualmente è un calcolatore dotato di scheda di interfaccia 488, e la sequenza delle operazioni è stabilita da un programma (ad es. scritto in LabView o C) • Un controller può cedere la funzione di controller in charge (CIC) ad un altra interfaccia • Una sola interfaccia ha la funzione di system controller, in grado di rilevare autonomamente la funzione di CIC. Indirizzamento delle periferiche • Circuitalmente, tutte le periferiche sono collegate in parallelo sul bus • E', quindi, necessaria una procedura di indirizzamento che garantisca il corretto instradamento dei dati • Ogni interfaccia collegata al bus 488 è identificata da un numero a 5 bit (da 0 a 30, il valore 31 è riservato) • E' il controller che seleziona, mediante l'invio di appositi comandi di indirizzamento, il talker ed i listener tra i quali deve avvenire una trasmissione di dati • Sono previsti comandi per la deselezione del talker e dei listener Dati e comandi Le linee del bus 488 possono essere usate in due modalità diverse: • Modo comandi: fase durante la quale il controller configura le interfacce connesse al bus, inviando comandi sul bus. • Modo dati: solo il talker ed i listener selezionati partecipano alla comunicazione, con la quale il talker invia dati ai listener. Tali dati sono messaggi di device, e possono essere di natura molto diversa: query, risultati di misura, configurazione di strumenti di misura,... Per passare da una modalità all'altra, il controller agisce sullo stato della linea ATN (“attention”) Modo Comandi Trasmessi con ATN = true I comandi sono messaggi trasmessi dalla interfaccia correntemente configurata come Controller In Charge (CIC) alle altre interfacce. Si dividono in: Universali: inviati a tutte le interfacce Unilinea: il controller agisce su una particolare linea del bus (ATN, REN, IFC). Non richiedono handshake. Multilinea: il comando è codificato sulle 8 linee dati. Tutte le interfacce partecipano alla handshake. Sono comandi di questo tipo anche i comandi di indirizzamento e di deselezione. Indirizzati: (sempre multilinea) inviati alle interfacce precedentemente indirizzate. Comandi universali unilinea • REN (Remote Enable): quando il controller porta REN a 1, le periferiche si predispongono a ricevere messaggi dal bus. • ATN (Attention): abilita/disabilita il modo comandi del bus. • IFC (Inteface Clear): Se asserita, interrompe ogni attività delle interfacce, che si portano in una condizione di attesa. Inoltre, il System Controller riprende le funzioni di Controller in Charge. Solo il System Controller può agire su questa linea. Comandi universali multilinea • DCL (Device Clear): Ogni periferica assume uno stato predeterminato (non stabilito dallo standard 488.1) riportato sul suo manuale. • LLO (Local Lockout): Impedisce che le periferiche possano essere programmate dal loro pannello frontale (impedendo che vadano da “remote” a “local”). • SPE (Serial Poll Enable), SPD(Serial Poll Disable) e PPU (Parallel Poll Unconfigure) si riferiscono alla gestione di particolari modalità diagnostiche (Serial Poll e Parallel Poll). • TADx (Talk Address): Configura la interfaccia di indirizzo x come talker • LADx (Listen Address): Configura la interfaccia di indirizzo x come listener • UNL (Unlisten) e UNT (Untalk): disabilitano rispettivamente tutti i listener ed il talker precedentemente selezionati. Nota: UNT è facoltativo. Comandi multilinea indirizzati Devono essere preceduti da un comando LADx per ogni destinatario (tranne TCT che richiede un TADx). • GET (Group Execute Trigger): Richiede alle periferiche precedentemente configurate in modo opportuno l'esecuzione (contemopranea) della funzione di misura richiesta. • GTL (Go To Local): Riporta la periferica nel modo “local” (è come REN=0, ma solo per le periferiche indirizzate). • SDC (Selected Device Clear): come DCL, ma solo per le periferiche selezionate. • TCT (Take Control): la interfaccia controller in charge cede il proprio ruolo ad un altra interfaccia in grado di operare come controller. Nota: questo comando deve essere preceduto dal comando TADx, cioè l'interfaccia destinatario del comando deve essere indirizzata come talker. • PPC (Parallel Poll Configure): Predispone la periferica per la funzione diagnostica di Parallel Poll. IL LINGUAGGIO SCPI (Standard Command for Programmable Instruments) Nasce con l’avvento dello standard IEEE 488.2 (1987,Hewlett Packard) per introdurre uno standard comune anche nelle istruzioni da inviare sul bus GPIB Il linguaggio è “signal oriented” Non è più necessario avere una conoscenza approfondita dell’HW dello strumento Ad esempio il comando MEAS:VOLT:AC si applica indifferentemente ad un multimetro, ad un oscilloscopio digitale,ad un voltmetro RMS I vantaggi del linguaggio SCPI Il medesimo SW può essere utilizzato per il controllo di strumenti di differenti produttori (garantendone la rimpiazzabilità) Non è necessario possedere una conoscenza specifica dell’ HW che realizza il processo di misura (medesima modalità di quando si utilizza lo strumento stand alone) Maggiore rapidità nello sviluppo delle applicazione di test e misura Struttura dei comandi e delle queries del linguaggio SCPI Header Comma SAVe:WAVEform CH1,REFA Mnemonics Arguments Space Comandi e queries ACQuire:MODe {ON|OFF|<VALUE>} (Modalità Comando) ACQuire:MODe? (Modalità Query, restituisce tipicamente una stringa ASCII) Comandi e queries concatenati È possibile la concatenazione di comandi e queries con headers differenti: TRIGger:MODe NORMal;:ACQuire:NUMAVg 16 CH1:COUPling;BANdwidth? Comandi e queries concatenati Non è possibile la concatenazione di comandi che iniziano con il prefisso* ACQuire:MODe AVErage;*TRG La operazione di trigger non verrà eseguita, mentre verrà eseguito il comando precedente senza generare una condizione di errore Struttura dei device message • Mentre la struttura degli interface command (modo comandi) è rigidamente fissata, lo standard 488.1 non codificava il formato dei messaggi scambiati in modo dati tra i dispositivi (device message o device command). • Lo standard 488.1 consigliava ai costruttori l'uso del codice ASCII (stringhe) anche per i dati di tipo numerico. • Riconoscendo alcune tipologie generali di messaggi, i costruttori hanno iniziato ad uniformarne le strutture. • Lo standard 488.2 ha introdotto alcuni device message standard. • Lo standard SCPI (indipendentemente dal 488) fissa tutti i possibili device command: ogni possibile funzione si richiede sempre con la stessa stringa, indipendentemente dal tipo di strumento. Terminazione dei device message I listener devono essere in grado di riconoscere la condizione di fine messaggio. Il talker può essere configurato in diversi modi: • Alla fine del messaggio, asserisce la linea EOI • Aggiunge al messaggio uno o più caratteri terminatori (EOS, end of string). Nota: l’uso dell’EOS è possibile solo se il messaggio non è codificato in binario, ma, ad es., in ASCII. Device message con LabView mode specifica la condizione di fine lettura quando non si raggiunge byte count: 0: Nessun carattere EOS (End of String). Solo linea EOI o byte count. 1: L’EOS è CR. La lettura termina con EOI, byte count, o CR. 2: L’EOS è LF. La lettura termina con EOI, byte count, o LF. x: Indica il codice (decimale) del carattere EOS desiderato. Nota: l’indirizzo sul bus 488 è specificato con una stringa (ad es. “3”). Esempio di query Richiesta di un dato di misura ad un Fluke 45 di indirizzo 3 Lo standard 488.2 Regolamenta aspetti che erano indeterminati nel precedente standard: • Lo stato in cui viene a trovarsi un dispositivo • Standardizzazione nei formati dei dati: ASCII 7-bit • Set minimo di funzionalità per listener/talker e per controller • Codifica il formato dello status byte • Include integralmente la norma 488.1 • Introduce dei comandi di device standard • Obbliga alla documentazione delle funzionalità Device message standard 488.2 L’estensione 488.2 obbliga i costruttori di strumenti l’implementazione della risposta ad alcuni messaggi: *IDN? Identification query *RST Reset command *TST? Self-test query *CLS Clear status … Consultare il manuale dello strumento per conoscere dettagliatamente il comportamento in risposta ai comandi. Funzioni LabView 488.2 per i device message • Le funzioni 488.2 richiedono che l’indirizzo sia specificato come intero • E’ possibile specificare il bus (se vi sono più schede di interfaccia 488 sul PC) Invio di device message a più destinatari La funzione accetta un array di indirizzi dei destinatari, ai quali inviare la data string. Invio di interface command: GET Inviano il comando di interfaccia Group Execute Trigger al dispositivo o ai dispositivi specificati. Consentono di effettuare delle operazioni (ad esempio misurazioni) contemporanee su più dispositivi. In LabView, l’invio di comandi di interfaccia avviene tramite funzioni simili. Altre funzioni per la gestione delle interfacce Abilitano/disabilitano il funzionamento da remoto attraverso il bus 488 (implementate combinando Remote Enable (REN) e GoToLocal (GTL) Impedisce l’uso del pannello frontale dello strumento, inviando LocalLockOut (LLO) Inizializzazione generale del bus • Inizializza tutte le interfacce (con Remote Enable + Interface Clear) • Inizializza i dispositivi (con Device Clear) ai dispositivi specificati • Inizializza le funzioni dei dispositivi specificati (con il device command standard 488.2 “*RST”) La procedura di interrogazione seriale (Serial Poll) Sul bus 488 è presente una linea, la SRQ, asserendo la quale un dispositivo può richiedere l’attenzione del controller. - Per segnalare condizioni di errore - Per migliorare l’efficienza del sistema: ad es. liberando il controller dalla necessità di attendere il risultato di una lunga operazione di misura (lo avviserà quando avrà finito). La procedura di interrogazione seriale (Serial Poll) Quando il controller rileva la presenza di una richiesta di servizio (leggendo lo stato della linea) deve individuare il dispositivo che l’ha generata: - Richiedendo a tutti i dispositivi l’invio del loro status byte - Cercando il dispositivo nel cui status byte è settato il bit 6 (che è il settimo da destra, vale 2^6=64 ed è chiamato RQS bit) Il bit 6 pari a 1 indica, già nello standard 488.1, che il dispositivo ha effettuato una richiesta di interruzione Lo status byte E’ possibile ottenere informazioni sullo stato di uno strumento mediante la lettura del suo status byte Lo standard 488.1 fissa il significato del solo bit 6 Lo standard 488.2 fissa il significato degli altri bit: 7 6 5 4 3 2 1 0 Power On RQS Command Error Execution Error Device Error Query Error Non usato Operation Complete Il significato dei singoli bit DEVE essere riportato sul manuale di ogni strumento “.2” Funzioni per la Serial Poll WaitSRQ sospende l’esecuzione fino a quando un dispositivo effettua una richiesta di servizio TestSRQ legge lo stato corrente della linea SRQ. Non sospende l’esecuzione. ReadStatus legge lo status byte di un singolo dispositivo di indirizzo specificato L’uscita status si riferisce allo stato della interfaccia del controller dopo l’operazione Funzioni per la Serial Poll (2) AllSpoll restituisce l’array degli status byte dei dispositivi specificati FindRQS individua l’elenco dei dispositivi che hanno effettuato una richiesta di servizio tra quelli specificati Soluzioni per la Serial Poll Possono essere effettuate altre operazioni in parallelo IL BUS DI COMUNICAZIONE SERIALE USB Il sistema USB L’Universal Serial Bus (USB) è un particolare tipo di bus sviluppato nel 1995 (nel 1998 per Personal Computer) da un insieme d’aziende (Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC e Northern Telecom) allo scopo di utilizzare un’unica interfaccia per collegare periferiche accessorie, sostituendo le porte parallele e seriali e altri ingressi e uscite esistenti sui computer. Il sistema USB Generalità Le tre lettere USB sono le iniziali d’Universal Serial Bus, che indicano come la comunicazione dei dati avviene in modo seriale o in altre parole un bit alla volta. Questa soluzione porta vantaggi concreti rispetto agli standard paralleli preferiti in passato, soprattutto perché facilita la produzione dei chip necessari alla gestione con velocità elevatissime e consumi minimi, mentre è ancora molto difficile ottenere una schiera di circuiti perfettamente identici tra loro. Ciò rende difficile e costoso il collegamento parallelo, dove un intero gruppo di bit deve viaggiare lungo il cavo alla stessa velocità. Il sistema USB La versione 1.0 (96) non aveva previsto adeguate protezioni contro gli inconvenienti accidentali che possono verificarsi nella realtà, come i picchi d’assorbimento causati dall’inserzione del cavo di una periferica nel connettore. Per raggiungere un vero successo, l’interfaccia ha dovuto attendere il rilascio delle specifiche USB 1.1 (98), che ancora oggi rappresentano il riferimento tecnico adottato dalla quasi totalità delle periferiche e delle schede madri. La versione 2.0 dello standard, pubblicata nell’Aprile del 2000 rappresenta un notevole passo in avanti che aumenta di 40 volte la velocità di trasferimento dei dati rispetto alla connessione USB 1.1, arrivando ad una cadenza di 480 Mbit/s senza però cambiare il protocollo di trasferimento dei dati. Il sistema USB Allo stato attuale è possibile connettere al PC attraverso la porta USB fino a 127 dispositivi, contro un numero massimo pari a poche unità degli altri bus. I dispositivi sono collegati al PC in una struttura a “radice” con un massimo di 6 livelli di profondità, in cui il vertice principale è occupato dal PC detto anche host. Il sistema USB La topologia del bus è a stella: i dispositivi periferici non possono comunicare tra loro, ma rispondono unicamente ai comandi e alle direttive dell’Host. Non è possibile servirsi di cavi e commutatori ordinari per collegare simultaneamente lo stesso dispositivo a più computer: il protocollo di comunicazione funziona solo se l’Host è unico. Confrontato con gli altri bus l’USB risulta molto più flessibile. Per esempio: Consente la modalità“Hot Plug & Play” È permesso connettere e disconnettere periferiche al PC senza riavviarlo. Con gli altri tipi di interfacce la connessione di una periferica col PC acceso spesso comporta il blocco del sistema operativo o addirittura in casi estremi il danneggiamento dell’hardware. Il sistema USB Per esempio: Permette di alimentare le periferiche. Il connettore dell’USB dispone di quattro terminali: due per il trasferimento dei dati vero e proprio, e altri due dedicati all’alimentazione (5V), che possono essere sfruttati dalle periferiche per prelevare l’energia di cui necessitano. Questa possibilità comporta l’assenza di alimentatori esterni, riducendo notevolmente il volume delle connessioni esterne al PC. In realtà da questo punto di vista esistono due categorie di periferiche USB: Self Powered e Bus Powered. Solo le periferiche Bus Powered vengono alimentate dal bus, rientrano in questa categoria le periferiche che richiedono una potenza inferiore a 2.5 W. Il sistema USB Nella pratica il bus USB può quindi alimentare dispositivi come modem, scanner, webcam senza problemi, mentre ancora non è in grado di farlo per periferiche come stampanti o monitor, che allo stato attuale richiedono molta potenza. L’aumento di flessibilità comporta però una maggiore complicazioni a livello di protocollo di trasmissione, ossia tutte le regole che periferica e PC devono rispettare affinché il trasferimento dei dati avvenga in modo corretto . Il sistema USB Lo Standard USB 1.1 prevede due tipi di dispositivi: High-Speed Devices: i dispositivi high-speed sfruttano un funzionamento completo (full-speed), cioè mirato a raggiungere la massima velocità di trasferimento, potendo così inviare e ricevere dati ad una velocità massima di 12Mbit/s. Low-Speed Devices: i dispositivi low-speed sono limitati ad una velocità massima di 1.5Mbit/s; ad essi sono indirizzati pacchetti informativi preceduti da un pacchetto “premessa” (Preamble Packet), per avvisare che la transazione che seguirà è destinata ad un dispositivo low-speed. Le porte low-speed vengono disabilitate durante trasferimenti fullspeed, impegnando così i soli cavi full-speed per il flusso di comunicazione. Il sistema USB La richiesta sempre maggiore di banda passante per applicazioni dati multimediali ha portato all’aggiornamento dello standard ed al rilascio di un nuovo protocollo USB2.0. La sua caratteristica innovativa principale è appunto la massima velocità raggiungibile 480 Mbit/s sostenibile solo dalle periferiche e dagli Host che gestiscono il protocollo USB2.0, certificato dalla presenza dell'apposito logo blu e rosso "Usb Hi-Speed" mostrato in figura. Il sistema USB Tipologia di periferiche 1. Host è il controller del bus e sovraintende a tutte le transizioni indirizzando e interrogando i device. 2. Device USB o function aggiunge capacità all’host può essere low speed o full speed è caratterizzato da un indirizzo e dai suoi endpoints 3. Hub USB è un replicatore di porte che rigenera i segnali Il sistema USB Host La composizione logica del host include quanto segue: Controllore USB Host Sistema Software globale dell’USB (driver del USB, driver del controllore host e software host). Client Oltre che la relativa posizione fisica speciale, l'host ha responsabilità specifiche riguardo al USB ed ai relativi dispositivi fissi. L'host controlla tutti gli accessi al bus USB. Un dispositivo del bus USB accede al bus soltanto dopo l’assegnazione da parte del host. Il sistema USB Host L'host è inoltre responsabile del controllo e monitoraggio della topologia del dispositivo USB collegato al bus. Tali mansioni richiedono risorse Hw, quali memoria per i descrittori e capacità di calcolo, considerevoli per questo motivo l’host è solitamente un PC. Il sistema USB I canali di comunicazione 1. Control 2. Isochronou s 3. Interrupt 4. Bulk Pipes: canali attraverso i quali fluiscono dati tra Host e device Endpoint: terminatori lato device del canale Il sistema USB Tutte le trasmissioni devono essere incapsulate in una frame di durata 1ms IL BUS DI COMUNICAZIONE SERIALE VELOCE FireWire o Ilink (IEEE 1394) GENERALITA’ In principio introdotto come “Firewire” dalla Apple Computer verso la fine del 1980, successivamente approvato come standard IEEE 1394 – 1995, fu sviluppato per supportare i requisiti di elevata larghezza di banda di dispositivi come apparati digitali video e memorie di massa ad alte prestazioni. Dopo il primo standard, un successivo ne viene approvato nel Marzo 2000, è lo standard IEEE 1394a – 2000. Quest’ultimo descrive un bus seriale che supporta velocità di 100 Mbytes per secondo, 200 Mbps fino ai 400 Mbps con notevoli miglioramenti nel controllo del traffico e nella configurazione della gestione della potenza . Tale bus supporta l’hot swapping ed il plug and play per rendere semplice l’uso di prodotti che supportano la IEEE 1394. Inoltre si è in attesa dello standard 1394b che dovrebbe portarci a lavorare con velocità di 1600 Mbps fino a 3200 Mbps. Uno dei vantaggi della scelta di una interfaccia seriale su una parallela è la taglia ridotta dei connettori richiesti e dei cavi e questo è un fattore importante nei prodotti portatili dove l’IEEE 1394 si è fatto per prima strada. GENERALITA’ La specifica 1394 definisce due tipi di connettori: a quattro e a sei pin; il primo ha due coppie differenziali per il segnale ed ha dimensioni vantaggiose: 5 mm x 3 mm. Il secondo oltre alla doppia coppia differenziale ha anche due cavetti interni per l’alimentazione (potenza e massa) . Il connettore a 4 pin è più piccolo dell’USB. Quello a 6 pin avendo in sé l’alimentazione è stato facilmente accettato dai produttori di dispositivi portatili ed inoltre molte periferiche di PC come camere per conferenze o drive per dischi portatili hanno tratto vantaggio da un bus autoalimentato; così infatti i costruttori possono produrre periferiche a costi considerevolmente ridotti rispetto ai modelli portatili alimentati a batteria delle stesse periferiche. GENERALITA’ Quindi quando le dimensioni ridotte non sono il principale requisito, il connettore a 6 pin è ambito per le sue qualità. In aggiunta esse hanno un basso costo alta velocità e una grande quantità di spazio indirizzi memory-mapped. Per le applicazioni multimediali la IEEE 1394 supporta sia la comunicazione asincrona che quella isocrona. Il trasporto asincrono ci assicura consegna di dati libera da errori, ma il suo protocollo ci controllo degli errori introduce un tempo di ritardo che è non idoneo per le applicazioni multimediali; per contro esso è un passaggio fondamentale in altri compiti come la scrittura su disco. Il trasferimento di dati isocrono garantisce il throughput ad un predeterminato tasso cosa che è necessaria per la trasmissione di dati multimediali in tempo critico dove alcuni errori sono tollerati. Nodi L’architettura del bus seriale è definita in termini di nodi. Un nodo è un’entità indirizzabile. Un modulo, che è definito come un dispositivo sostituibile, contiene uno o più nodi e ogni nodo contiene una o più unità come: un processore, un dispositivo di I/O, o una unità di memoria. Ogni nodo ha una o più porte, che sono connesse o ai cavi o ai backplane e provvedono ad una connessione fisica con un altro nodo. La topologia dei cavi permette due tipi di configurazioni: o quella ad albero o la daisy chain. Gestione ad albero: Il bus seriale limita il numero di nodi a 63, usando la gestione ad albero possiamo produrre un sistema di bus multipli con la possibilità di indirizzare fino a circa 216 nodi. Un ponte (bridge) del bus è una unità che provvede ad una connessione fisica tra due bus nella gerarchia dei bus. Cioè l’interfaccia del bus seriale 1394 può essere usata per collegare insieme altri bus 1394, o bus con architetture differenti. Confronto FireWire vs. USB CARATTERISTICHE FIREWIRE USB Velocità di trasferimento dati 400 Mbps 12 Mbps Numero di dispositivi 63 127 Plug and play Si Si Hot pluggable Si Si Dispositivi isocroni Si Si Bus power Si Si Tipo di bus Seriale Seriale Bus termination required No No Tipo di cavi Doppino intrecciato schermato a 6 fili (1 coppia per l’alimentazione e 2 coppie per lo scambio dati) Doppino schermato intrecciato a 4 fili (1 coppia per l’alimentazione, 1 coppia per lo scambio dati) Networkable Si Si Topologia della rete Daisy chain Hub Confronto FireWire vs. USB Eccetto che per le velocità i due bus sono alquanto simili e proprio questo ha fatto la differenza: Firewire oggi ricopre il campo audio/video dove era attesa l’alta velocità per consentire trasmissioni real-time USB ricopre tutte quelle applicazioni dove l’alta velocità non è fondamentale e si preferisce avere un costo più basso Comunque sia la Firewire ha notevoli risorse in quanto lo standard successivo ovvero l’IEEE 1394b ha portato la velocità a 1600 Mbps e si pensa di poter arrivare a 3200 Mbps USB è host based, significa che i dispositivi devono connettersi ad un computer per comunicare, mentre la Firewire è peer-to-peer, cioè i dispositivi Firewire possono parlare tra loro senza dover passare attraverso il computer, forse è proprio questo il motivo che ha spinto molti costruttori a realizzare stampanti, scanner e hard disk con bus seriali Firewire. Le reti informatiche Le reti informatiche Una rete informatica è un insieme di PC e di altri dispositivi che sono collegati tra loro tramite cavi. Il sistema consente a questi dispositivi di comunicare tra loro e di condividere informazioni e risorse. Le reti possono avere dimensioni differenti ed è possibile ospitarle in una sede singola oppure dislocarle in tutto il mondo. Le reti informatiche Le reti informatiche Una rete che è collegata su un'area limitata si chiama "Rete Locale" oppure LAN (Local Area Network). Spesso la LAN è localizzata in una sola sede. Per WAN (Wide Area Network) si intende un gruppo di dispositivi o di LAN collegate nell'ambito di una vasta area geografica, spesso mediante linea telefonica o altro tipo di cablaggio (ad es. linea dedicata, fibre ottiche, collegamento satellitare, ecc..). Uno dei più grandi esempi di WAN è l'Internet stessa. Le reti informatiche WAN, Wide Area Network – Altre reti, di dimensioni maggiori, definite reti geografiche, sono in grado di connettere sistemi di elaborazione e terminali, utilizzando le normali linee telefoniche. – Le LAN si estendono all'interno di una singola azienda o di un sito di una azienda, mentre le WAN permettono la comunicazione tra siti diversi della stessa azienda ma anche tra aziende diverse, fornendo un supporto ai sistemi informativi aziendali esterni. Le reti informatiche E S E M P I O D I W A N Le reti informatiche Quali sono i vantaggi di avere una Rete? In una rete LAN (Local Area Network), le informazioni e le risorse possono essere condivise. Questa possibilità offre diversi vantaggi: •E' possibile condividere periferiche costose, come le stampanti. In una rete, tutti i computer possono accedere alla stessa stampante. •E' possibile inoltrare dati tra utenti senza l'uso di floppy disk. Trasferendo file attraverso la rete, non si perde tempo nel copiare i file su un dischetto o su un altro PC. Inoltre vi sono meno limitazioni sulle dimensioni del file che può essere trasferito attraverso una rete. Le reti informatiche Quali sono i vantaggi di avere una Rete? E' possibile centralizzare programmi informatici essenziali, come gli applicativi finanziari e contabili. Spesso gli utenti devono poter accedere allo stesso programma in modo che possano lavorarvi simultaneamente. Un esempio di ciò potrebbe essere un sistema di prenotazione di biglietti in cui è importante evitare di vendere due volte lo stesso biglietto. •E' possibile istituire sistemi di backup automatico dei file. E' possibile usare un programma informatico per fare il backup automatico di file essenziali, risparmiando tempo e proteggendo l'integrità del proprio lavoro. Le reti informatiche In una rete WAN (Wide Area Network), le informazioni e le risorse sono condivise in un'area geografica più ampia. Questa possibilità offre diversi vantaggi: •E' possibile inviare e ricevere messaggi in tutto il mondo, comunicare messaggi e avviso a molte persone, in molti luoghi diversi, in modo più rapido ed economico. •E' possibile scambiare i file con i colleghi situati in altri luoghi o accedere da casa alla rete aziendale. Le reti informatiche E' possibile accedere alla vaste risorse dell'Internet e di World Wide Web. Grazie alla WAN, è possibile condividere le risorse e le informazioni all'interno di una vasta area geografica (ad es. consultare il web, trasferire file e messaggi mediante email, ecc..). Per accedere ad una WAN, è necessario un modem o un router. Per accedere ad Internet, occorre avere inoltre un account con un provider di servizi Internet (ISP). Le reti informatiche Due categorie di LAN – quelle paritetiche Peer To Peer • Relativamente facili da realizzare • Critiche dal punto di vista dell’affidabilità e della sicurezza – quelle client/server • gestione più complessa ma centralizzata • conferisce un alto grado di sicurezza alla rete • adatta alle aziende di una certa dimensione dove occorre un livello di sicurezza più elevato • il server ha il compito di far condividere a più utenti archivi o risorse Le reti informatiche Le reti informatiche Topologia a Stella I computer sono connessi ad un componente centrale chiamato Hub. I dati sono inviati dal computer trasmittente attraverso l’Hub a tutti i computer della rete. Questa tipologia richiede un’elevata quantità di cavi in una rete di grandi dimensioni. In caso di interruzione di uno dei cavi di connessione di un computer all’Hub, solo quel computer verrà isolato dalla rete. Le reti informatiche Topologia a Stella In caso di mancato funzionamento dell’Hub, saranno interrotte tutte le attività di rete. Tra i vantaggi dell’Hub ci sono l’espandibilità (basta collegare un altro Hub all’Hub iniziale), controllo centralizzato del traffico sulla rete in base a led luminosi che permettono di diagnosticare se quel ramo della rete è funzionante. Le reti informatiche Topologia a Bus E' il metodo più semplice di connettere in rete dei computer. Consiste di un singolo cavo (chiamato dorsale o segmento) che connette in modo lineare tutti i computer. I dati sono inviati a tutti i computer come segnali elettronici e vengono accettati solo dal computer il cui indirizzo è contenuto nel segnale di origine. Le reti informatiche Topologia a Bus Poiché un solo computer alla volta può inviare dati, maggiore è il numero di computer connessi alla rete, più saranno i computer in attesa di trasmettere dati, rallentando le prestazioni dell’intera rete. Quella a bus è una tipologia di rete passiva: i computer ascoltano i dati trasmessi sulla rete, ma non intervengono nello spostamento di dati da un computer a quello successivo. Le reti informatiche Topologia a Bus I dati trasmessi da un computer, se non vengono interrotti, viaggiano da un capo all’altro del cavo, rimbalzano e tornano indietro impedendo ad altri computer di inviare segnali. A ciascuna estremità del cavo viene applicato un componente chiamato terminatore che assorbe i dati liberi rendendo disponibile il cavo per l’invio di altri dati Se un cavo viene tagliato o se uno dei capi viene scollegato, e quindi uno o più capi sono privi di terminatore, i dati rimbalzeranno interrompendo l’attività su tutta la rete (rete inattiva). Le reti informatiche Topologia ad Anello I computer sono connessi tramite un unico cavo circolare privo di terminatori. I segnali sono inviati in senso orario lungo il circuito chiuso passando attraverso ciascun computer che funge da ripetitore e ritrasmette il segnale potenziato al computer successivo: si tratta quindi di una tipologia attiva, a differenza di quella a bus. Le reti informatiche Topologia ad Anello Uno dei metodi usati per la trasmissione dei dati lungo l’anello è detto Token Passing, e si parla infatti di reti Token Ring. Il token (gettone) viene trasferito da un computer al successivo finché non raggiunge quello su cui sono disponibili dati da trasmettere. Il token viene modificato dal computer trasmittente che aggiunge al dato l’indirizzo del destinatario e quello del mittente e lo rinvia lungo l’anello. Le reti informatiche Topologia ad Anello Nelle reti Token Ring, a differenza di altre, un computer malfunzionante viene automaticamente escluso dall’anello consentendo agli altri di continuare a funzionare regolarmente in rete. In altri tipi di reti ad anello, un computer che non funziona può provocare la caduta di tutta la rete. Le reti informatiche Topologia a Bus a Stella E' una combinazione della topologia a Bus e a Stella. In caso di mancato funzionamento di un hub, tutti i computer connessi a quell’HUB saranno esclusi dalla rete. Se l’HUB a sua volta è collegato ad altri HUB, anche queste connessioni saranno interrotte Le reti informatiche Topologia ad Anello a Stella E' una combinazione della rete a Stella ed ad Anello Le reti informatiche I componenti di una Rete Le schede di Rete (o NIC) Tutti I PC, per poterli utilizzare in rete, devono essere dotati di schede di rete Alcuni PC sono dotati di NIC preinstallate. Nello scegliere una NIC per un PC, considerare quanto segue: •La velocità dell' hub, dello switch o del server di stampa - Ethernet (10Mbps) o Fast Ethernet (100Mbps); •Il tipo di collegamento necessario -RJ-45 per doppino o BNC per cavo coassiale; •Il tipo di connettore NIC disponibile all'interno del PC-ISA o PCI Le reti informatiche I componenti di una Rete Gli Hub e gli Switch Con il termine "hub" ci si riferisce a volte ad un componente dell'apparecchiatura di rete che collega assieme i PC, ma che in effetti funge da ripetitore. E questo è perché trasmette o ripete tutte le informazioni che riceve, a tutte le porte. Le reti informatiche I componenti di una Rete Gli Hub e gli Switch Gli hub possono essere usati per estendere una rete. Tuttavia ciò può produrre una grande quantità di traffico superfluo, poiché le stesse informazioni vengono inviate a tutti i dispositivi di una rete. Gli hub sono adatti alle piccole reti; per le rete con elevato livello di traffico si consiglia un'apparecchiatura supplementare di networking (ad es. uno switch che riduce il traffico non necessario). Le reti informatiche I componenti di una Rete Gli Hub e gli Switch Lo switch riduce la quantità di traffico non necessario, dato che le informazioni ricevute nella porta vengono trasmesse solo al dispositivo con il giusto indirizzo di destinazione, e non come negli hub, a tutte le porte Gli switch e gli hub vengono spesso utilizzati nella stessa rete. Gli hub ampliano la rete fornendo un numero maggiore di porte, mentre gli switch dividono la rete in sezioni più piccole e meno congestionate. Le reti informatiche I componenti di una Rete I Modem e i Router Il modem è un dispositivo che va collegato direttamente al computer e che si avvale della linea telefonica per chiamare le sedi (ad es. un servizio online o un ISP (Internet Service Provider) Il compito essenziale di un modem è di convertire i dati digitali necessari al computer in segnali analogici per la trasmissione attraverso la linea telefonica, e viceversa. Le reti informatiche I componenti di una Rete I Modem e i Router La velocità di connessione del modem è misurata in kilobit al secondo (Kbps). Gran parte dei modem si collegano, oggigiorno, ad una velocità che va da 28.8Kbps a 56Kbps Il modem LAN eguaglia il modem stand-alone, dato che si avvale della linea telefonica per collegarsi alle sedi remote. Il modem LAN, ad esempio, è sostanzialmente un ISDN o router analogico con hub Ethernet incorporato, grazie al quale gli utenti condividono le linee telefoniche e le connessioni modem. Il modem LAN si collega direttamente a ciascuna porta di rete Ethernet del computer: ne risulta una maggiore rapidità di trasferimento rispetto ai modem stand-alone. Le reti informatiche I componenti di una Rete Il Firewall Nodo configurato come barriera per impedire l'attraversamento del traffico da un segmento all'altro. I firewall migliorano inoltre la sicurezza della rete e possono fungere da barriera tra le rete pubbliche e private collegate. Possono essere implementati in un router o configurati a tal scopo come dispositivi di rete. Impiegando un firewall è possibile impedire gli accessi indesiderati, monitorare le sedi alle quali si accede più di frequente ed analizzare la quantità di larghezza di banda che la connessione Internet sta utilizzando. Le reti informatiche I componenti di una Rete I sistemi operativi di Rete Il computer è dotato di un sistema operativo di rete (NOS) e può quindi garantisce servizi ad altri utenti mediante rete. Esistono diversi tipi di sistema operativo di rete. Ad esempio, Microsoft ha prodotto diversi sistemi operativi tra cui Windows 98, Windows NT e, più recentemente, il sistema operativo Windows 2000. Questi sistemi operativi comunicano con altri dispositivi della rete utilizzando una serie di norme. Tali norme sono dette "protocolli". Le reti informatiche IP - Internet Protocol I protocolli di Rete Responsabile del trasporto di pacchetti di dati da una sorgente (identificata da un indirizzo IP) ad una destinazione (identificata da un altro indirizzo IP). Se necessario questo livello del protocollo si occupa di spezzettare i pacchetti troppo grandi in pacchetti di dimensione adatta alla rete da utilizzare. UDP - User Datagram Protocol Questo protocollo si trova ad un livello superiore rispetto ad IP, ed aggiunge alla semplice funzionalità di trasporto di IP la possibilità di "smistare" i pacchetti nella macchina di destinazione sulla base di un numero di porta aggiunto all'indirizzo. Viene controllata l'integrità dei dati attraverso una checksum, ma i pacchetti corrotti vengono semplicemente buttati via. Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche I protocolli di Rete TCP - Transmission Control Protocol Questo è il protocollo di livello superiore ad IP che viene utilizzato più di frequente. La sua caratteristica è quella di stabilire una connessione fra due applicazioni identificate, come in UDP, da un numero di porta, e di garantire la trasmissione senza errori di un flusso di dati. Se vengono ricevuti pacchetti corrotti, il protocollo richiede la ritrasmissione dei dati a partire dal primo pacchetto corrotto identificato. TCP implementa anche un timeout per la chiusura delle connessioni interrotte o non stabilite Le reti informatiche Cablaggio di Rete Cavo THINNET Coassiale Diametro: 1/4 di pollice Massima lunghezza (prima dell'attenuazione): 185 metri. Tipo: Famiglia degli RG-58 Impendenza: 50 ohm Esiste più di un tipo di Thinnet: Le reti informatiche Cablaggio di Rete Cavo THICKNET Coassiale Diametro: 1/2 di pollice Massima lunghezza (prima dell'attenuazione): 500 metri. UTP (Unshielded Twisted Pair) Tipo di cavo che può trasmettere fino a 100 metri. E' unshielded, cioè non protetto dalle interferenze elettro-magnetiche. STP (Shielded Twisted Pair) Ha le stesse caratteristiche dell'UTP con la sola differenza che l'STP è protetto (shielded) da interferenze elettro-magnetiche. Le reti informatiche Cablaggio di Rete La tabella seguente mostra le velocità dei cavi UTP / STP Le reti informatiche Cablaggio di Rete Fibra-Ottica E' formato da una coppia di “cavi”, uno trasmette e l'altro riceve. Il tutto attraverso segnali luminosi al suo interno. La sua velocità varia tra i 100Mbps ai 200.000Mbps. Attualmente è il cavo di connessione più veloce. Le reti informatiche Velocità delle linee dati Le reti informatiche Ethernet Ethernet è apparsa nel 1970 ed è la tecnologia di rete più diffusa per le reti locali (LAN). Le reti informatiche Le reti informatiche La rete delle reti – Il termine internet indica (o indicava!) l’interconnessione di reti diverse tra loro – Oggi Internet Internet è la più grande internet internet Nasce nel 1969 Nasce nel 1969 !!! • La storia – Progetto del DoD (Department of Defense) americano (ARPANET) – Nata per essere in grado di funzionare anche\durante un attacco nucleare (fault-tolerance\elevata) Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Le reti informatiche Il modello ISO/OSI della comunicazione Il modello ISO/OSI (International Standard Organization/Open System Interconnection) è un modello concettuale. Permette di definire una architettura gerarchica dei sistemi di comunicazione I singoli livelli gerarchici possono essere oggetto di standardizzazione Il modello ISO/OSI della comunicazione Application Application Presentatio n Presentatio n Session Session Transport Transport Network Network Data link Data link Physical Physical Lo strato Application Application E’ lo strato più astratto E’ l’ unico in cui i dati vengono considerati per il significato che hanno In pratica è l’ ultimo pezzo del programma applicativo che utilizza i dati e si preoccupa solo di “decidere” di inviare o richiedere i dati Lo strato Presentation Presentatio n Organizza i dati “logici” dell’ Application in forma adeguata ad essere trasmessi Analogamente, organizza i dati ricevuti dalla trasmissione in forma tale da essere comprensibili dall’ Application Lo strato Session Session Gestisce il collegamento “logico” con la controparte: avvia la sessione di comunicazione, definisce particolari quali le priorità, ecc. Lo strato Transport Transport Verifica la correttezza e la sicurezza del trasporto, visto ancora nell’ ottica del trasporto dei dati “logici”. Assicura cioè che tutti i pacchetti fisici siano spediti/arrivati, li combina e controlla se ci sono errori, eventualmente li corregge o rifà/richiede la trasmissione. Lo strato Network E’ il primo stato che gestisce aspetti fisici e non logici della trasmissione. Definisce e comunica il percorso fisico di ogni pacchetto di dati, cosa fare in caso di indisponibilità del percorso, ecc. Network Lo strato Data Link Gestisce logicamente il singolo pacchetto (protocollo, assegnazione della linea, CSMA/CD, CSMA/CA, Token, satrt e stop bit, ecc.) E’ lo strato che opera concretamente la gestione del canale di comunicazione Data link Lo strato Physical E’ lo strato fisico (l’ “hardware”) Traduce i bit in segnali elettrici (o ottici, se è il caso), pilota la linea, ecc. Physical Un esempio/topologia Supervisore stabilimento 2 Internet CED di fabbrica 2 Modem CED di fabbrica 1 Linea telefonica PLC PLC Modem Bus Supervisore stabilimento 1 Sensor i Attuatori Sensor i Un esempio/la trasmissione Application Presentatio n Session Transport Network Data link Physical Il software applicativo attiva un segnale del processo remoto. Il comando viene inoltrato allo strato inferiore Viene aggiornata la tabella degli stati dei segnali che viene periodicamente inviata. La tabella viene passata allo strato inferiore La trasmissione è la prima da un certo tempo. Ai dati viene aggiunto un messaggio di avvio comunicazione ed una richiesta di conferma, e il tutto va allo strato inferiore. Aggiunge ai dati un codice di controllo, e li passa allo strato inferiore Aggiunge ai dati gli indirizzi del percorso (comunicazione attraverso la linea telefonica), li divide in pacchetti, li numera, li invia uno alla volta allo strato inferiore Per ogni pacchetto accede al modem, verifica la presenza della portante, eventualmente fa il numero, aspetta il segnale di libero, invia i bit allo strato inferiore Traduce ogni bit in un segnale di tensione, verifica che non ci siano corti circuiti, sovraccarichi, ecc. Un esempio/la ricezione Riceve il comando di variazione di stato. Lo passa al software di supervisione, che lo esegue Acquisisce la tabella di stato dei segnali; rileva la variazione, e la comunica allo strato superiore Rileva da parte dei dati che il messaggio gli arriva dal trasmittente; attiva un processo specifico per gestirlo (sessione) Verifica che il messaggio sia giunto integro, eventualmente ne chiede la ritrasmissione Riconosce i pacchetti che costituiscono lo stesso messaggio, li ordina e li accoda. Li passa allo strato superiore Si accorge che arriva un messaggio; distingue i bit di dati dai bit di controllo. Passa i bit di dati allo strato superiore Traduce i segnali elettrici in bit. Verifica l’ integrità dell’ hardware. Passa i bit allo strato superiore Application Presentatio n Session Transport Network Data link Physical Strato fisico - I mezzi trasmissivi Cavo telefonico: molto economico, con modem distanze anche molto lunghe, ma velocità basse: pochi kBbyte/s Doppino twistato e schermato: molto economico, ok fino a decine/centinaia di metri e pochi Mbyte/s Cavo coassiale: più costoso, sia per l’ acquisto che per la posa/connessione, fino a centinaia/migliaia di metri e fino a decine/centinaia di Mbyte/s Fibra ottica: molto costosa (un po’ meno in plastica, di più in vetro), induce costi anche nell’ elettronica, assolutamente immune al disturbo, ok per migliaia di metri e per centinaia di Mbyte/s fino a Gigabyte/s Radio/infrarosso: mediamente economico (il costo delle apparecchiature è compensato dalla poca posa), brevi distanze e basse velocità Il sistema GSM Il GSM (Global System for Mobile Communications), è lo standard europeo per le reti digitali della telefonia mobile Consente un bit rate massimo di 9,6 Kbps. E’ un sistema molto diffuso Non è molto costoso E’ una tecnologia “2G” Il sistema GSM Una rete GSM é composta di numerose entità funzionali che possono essere raggruppate in quattro sottosistemi: 1) La Stazione Mobile: é il terminale mobile usato dall'abbonato. 2) La Stazione Base (BTS): controlla la trasmissione radio con il terminale. 3) Il Sottosistema di rete, la cui parte principale é il Centro di Commutazione realizza la connessione tra l'utente della rete mobile e gli utenti delle altre reti, fisse o mobili. 4) Il Sottosistema di esercizio e manutenzione che sovrintende al corretto funzionamento e settaggio della rete. !! Un operatore GSM è sempre in grado di conoscere la posizione di ciascun suo abbonato. Il sistema GSM •banda 890-915 MHz per la comunicazione tra MS e BTS (Uplink); •banda 935-960 MHz per la comunicazione tra BTS e MS (Downlink); Il sistema GSM 1) La mobile station (MS) rappresenta la stazione mobile con la quale un utente può usufruire dei servizi offerti dal GSM. Consiste di un terminale mobile (Mobile Equipment, ME) e di una smart-card intelligente, detta SIM Card (Subscriber Identity Module), che permette ad un utente di caratterizzare come proprio un qualsiasi terminale mobile GSM. 2) Il sottosistema BSS (Base Station Subsystem) si occupa della parte radio del sistema e di conseguenza comprende le unità funzionali che consentono di fornire la copertura radio di un'area costituita da una o più celle. La stazione base é composta di due unità: una Base Transceiver Station (BTS) e una Base Station Controller (BSC). Il sistema GSM 3) Il sottosistema di rete, identificato a volte come Intelligent Network (IN), fornisce diversi servizi. Il sistema radiomobile GSM costituisce una rete pubblica di telecomunicazioni, esso deve quindi comprendere delle centrali di commutazioni che si occupino dell'instradamento delle chiamate (MSC) 4) Una rete GSM è composta di molte entità funzionali di tipo diverso, le quali richiedono delle appropriate attività di Esercizio, Amministrazione e Manutenzione che devono essere opportunamente coordinate per evitare discrepanze tra i parametri di rete Il GPRS E’ una tecnologia “2.5G” Il sistema GPRS (General Radio Packet System) lavora sulla già esistente struttura GSM Connettività always on (sempre aperta) Possibilità di accesso ai servizi internet tariffazione costi per quantità dati e non rispetto al tempo come nel GSM La velocità massima teorica è di 171,2 Kbps usando tutti ed otto i timeslots contemporaneamente, ciò consente una maggior efficienza nella trasmissione delle informazioni attraverso la rete di telefonia mobile (TM) Il GPRS facilita le connessioni istantanee perchè l'informazione può essere mandata o ricevuta immediatamente appena se ne ha bisogno, i terminali gprs vengono identificati come sempre on line. Il GPRS Le possibili applicazioni del GPRS Trasferimento di files, immagini, foto Download di dati attraverso il network mobile Ricezione e invio di e-mail Comunicazione audio video Videoconferenza Condivisione documenti L’UMTS Universal Mobile Telecomunications System (UMTS) indica una tecnologia avanzata per la mobil comunication “3G” ( terza generazione) Una rivoluzione nella comunicazione wireless, con nuovi servizi legati alla convergenza tra i vari sistemi quali: internet, IP (internet protocol), TD (trasmissione dati), CM (comunicazione mobile) L'UMTS consente di arrivare fino a 2Mbit/s per utenze a bassa mobilità, fino a 384 Kbit/s su micro e macro celle con una limitata mobilità L'Umts offre un data rate (velocità trasmissione dati) on demand (su richiesta) e le frequenze di trasmissione utilizzate sono comprese fra 1,9GHz ed i 2,2GHz L’UMTS Le possibili applicazioni dell’UMTS L'UMTS nasce come uno standard di sistema multimediale mobile, consentendo ai nuovi terminali di visualizzare immagini a colori, filmati, trasmissione televisive,video telefonate, video conferenze, musica, mcommerce ..., consentendo di fornire servizi sia in banda stretta che larga ( bandwith on demand), con Qos (Quality of Service, qualità di un servizio nella telefonia mobile) costante su qualsiasi ambiente. IL MONDO DI BT BT opera nella banda ISM1 (2.4 GHz), con una baud rate di 1 Ms/s. trasmissione basata su canali a divisione di tempo (625 µs x intervallo). Le informazioni sul canale sono scambiate attraverso pacchetti. Architettura Master Slave La trasmissione può essere half duplex o full duplex. BT supporta connessioni “punto a punto” nelle quali solo due moduli sono coinvolti, o connessioni “multipunto”, laddove in quest’ultimo caso diversi moduli BT condividono lo stesso canale fisico (Piconet) In ogni piconet vi è un solo modulo master, e diversi moduli slave: vi possono essere fino a sette slave attivi per volta. Slave2 Slave4 Master Slave5 max10m Slave1 Esempio di Piconet Slave3 IL MONDO DI BT: La Scatternet se più piconet, LAN ognuna con il proprio Access Point master ed il proprio ciclo di hop, FFT ricoprono la Analyzer stessa area, lo stesso modulo BT può operarecome master in una VXI piconet e come slave nelle altre che si vengono a formare. L’insieme master slave Oscilloscopio master/slave PC PC stampante Scatternet dei comandi necessari per gestire una connessione tra dispositivi BT è racchiuso in un protocollo denominato Host Controller Interface (HCI). Composizione di un dispositivo BT IL MONDO DI BT Modulo radio Bluetooth (2.4 GHz) Unità di controllo collegamento BT Standby Terminali di uscita Connesso Active Default Basso Consumo Nessuna interazione con la Piconet Unità di Supporto gestione collegamento BT ed I/O Condivisione Clock Master e Slave scambiano pacchetti mediante channel hopping Hold Sniff Park Condivisione Clock Basso Consumo ESEMPI DI COLLEGAMENTO ESEMPI DI COLLEGAMENTO Principali Caratteristiche • BUS a STELLA: ogni comando di periferica inviato o ricevuto dagli strumenti è sempre letto o scritto dal controller. • Fino a 64 periferiche presenti sul bus (moduli BT di tipo slave) utilizzando le modalità hold, sniff e park, e fino a 7 slave contemporaneamente attivi. • Possibilità di creare più bus di misura (scatternet): (a) Possibilità di interazione tra diversi bus, (b) aumento del raggio coperto dal bus wireless. TECNOLOGIE WIRELESS PER APPLICAZIONI DI MISURA Contesto: Applicazioni a medio e corto raggio con basso data rate e bassi consumi Radiofrequenza RF Infrarossi IR Tecnologie Wireless Wi-Fi (IEEE 802.11b) Bluetooth (IEEE 802.15.1) Ultra Wide Band UWB (IEEE 802.15.3) ZigBee (IEEE 802.15.4) IrDA TECNOLOGIE WIRELESS PER APPLICAZIONI DI MISURA Standard IrDA Wi-Fi™ 802.11b Applicazioni Comunicaz .Seriale a basso Data Rate Networkin g Video Dimensioni Stack - Nodi 1 Data Rate (kb/s) Raggio di copertura (Metri) Consumo Bluetooth™ 802.15.1 UWB™ 802.15.3 ZigBee™ 802.15.4 Audio e dati Video, dati, tracking Sensori, Monitoraggi o& Controllo 1MB+ 250KB+ - 32KB 32 7 - 255 5.500+ 723.2 (Dir) 57.6 (Rev) 100.000 + 20 - 250 1-2 1 - 100 100+ (Cl. 1) 10 (Cl. 2) 1 (Cl. 3) - 1 - 100+ Medio Medio/Alt o Basso Basso 4.000 Medio PERCHÉ ZIGBEE? • Perché consente bassissimi consumi in virtù di un duty-cycle anche <1% • Perché ha un basso costo • Perché consente di ottenere un’alta densità di nodi per rete …. potrebbe essere una buona soluzione per applicazioni di misura LA TECNOLOGIA ZIGBEE • La tecnologia ZigBee si basa sullo standard IEEE 802.15.4 che ne definisce le direttive a livello fisico e del controllo degli accessi al canale Application API Security Network MAC PHY • ZigBee identifica l’alleanza industriale che mira a promuoverne lo sviluppo e la diffusione Alleanza ZigBee IEEE 802.15.4 LA TECNOLOGIA ZIGBEE Esistono due tipologie di dispositivi: FFD”: Dispositivi sempre connessi alla rete che possono funzionare sia come coordinatore della rete (PAN Coordinator) che come un dispositivo qualunque. Possono dialogare con qualsiasi altro dispositivo (FFD/RFD) • “RFD”: Dispositivi non sempre connessi alla rete che possono funzionare solo come un dispositivo qualunque. Possono dialogare solo con dispositivi “FFD” LA TECNOLOGIA ZIGBEE Topologie di reti Due topologie di reti: “Star” e “Peer-to-Peer” “Star”: Ogni dispositivo può comunicare solo col coordinatore della rete (PAN Coordinator) • “Peer-to-Peer”: Tutti i dispositivi possono comunicare tra di loro LA TECNOLOGIA ZIGBEE Livello Fisico (PHY) Lo standard prevede tre bande di frequenza per la comunicazione, ognuna delle quali offre un diverso numero di canali e una differente velocità per i dati Adotta un sistema di modulazione del tipo Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) MODULAZIONE UTILIZZO DATA RATE CANALI 2.4 GHz O-QPSK Ovunque 250 kbps 16 915 MHz BPSK Americhe 40 kbps 10 868 MHz BPSK Europa 20 kbps 1 LA TECNOLOGIA ZIGBEE Sottolivello Medium Access Control (MAC) Lo standard prevede due modalità di accesso al canale: • “Senza Beacon”: La trasmissione può avvenire in qualsiasi momento, non vi è sincronizzazione tra i dispositivi • “Con Beacon”: La trasmissione è originata dal coordinatore attraverso un pacchetto detto “Beacon Frame”, vi è quindi sincronizzazione tra i dispositivi, una migliore organizzazione della rete ed una notevole riduzione dei consumi LA TECNOLOGIA ZIGBEE Sottolivello Medium Access Control (MAC) La modalità di accesso al canale “Con Beacon” prevede una “Struttura Superframe”: ogni coordinatore trasmette “Beacon Frame” ad intervalli. Tra ogni coppia di “Beacon Frame” vi sono 16 minislot temporali uguali per l’accesso al canale, di cui alcuni (GTS, fino a 7) possono essere riservati per applicazioni a bassa latenza o che richiedono una larghezza di banda specifica. GTS LA TECNOLOGIA ZIGBEE Tipi di pacchetti Lo standard definisce 4 strutture diverse di pacchetti: • “Beacon Frame”: usati per la sincronizzazione tra i dispositivi • “Data Frame”: usati per i dati da trasferire • “Acknowledgement Frame”: usati per confermare l’avvenuta ricezione di un pacchetto • “MAC Command Frame”: usati per il controllo dei trasferimenti CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH: PERCHÉ? Lo standard ZigBee può essere idoneo ad applicazioni di misura (reti di sensori, connessione tra sistemi di misura) Per caratteristiche generali lo standard Bluetooth si propone come antagonista dello standard ZigBee È necessario fare un confronto tra queste due tecnologie LA TECNOLOGIA BLUETOOTH Caratteristiche principali • La tecnologia Bluetooth, che si basa sullo standard IEEE 802.15.1, fu fondata nel ’98 e sviluppata dai membri del Bluetooth SIG (Ericsson, Intel, Toshiba,Nokia & IBM) • Le reti wireless Bluetooth, dette “Piconet”, possono comprendere fino a 8 dispositivi (1 master e 7 slave). Più “Piconet” danno luogo a delle “Scatternet” Piconet • La banda su cui avviene la comunicazione è la solita ISM a 2.4 GHz, con 79 possibili canali spaziati di 1 MHz l’uno dall’altro (Data Rate 723 kbps) Scatternet LA TECNOLOGIA BLUETOOTH Caratteristiche principali • La tecnologia Bluetooth adotta il Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) compiendo 1600 hop/s (salti di frequenza al secondo) tra i 79 possibili canali • La modulazione utilizzata è la Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) • Bluetooth utilizza la tecnica del Time Division Duplex (TTD) per permettere una trasmissione in entrambe le direzioni LA TECNOLOGIA BLUETOOTH Caratteristiche principali Ogni dispositivo è classificato in una delle tre classi di potenza: • Classe 1: dispositivi con ampia portata (fino a 100 metri) con una potenza massima di trasmissione di 20 dBm (100 mW) • Classe 2: dispositivi per distanza ordinarie (10 metri) con potenza massima di trasmissione di 4 dBm (2,5 mW) • Classe 3: dispositivi a corto raggio (10 cm) con potenza di trasmissione di 0 dBm (1 mW) CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH Ecco le principali differenze: • Bluetooth supporta la sola topologia “Star” mentre ZigBee supporta sia la topologia “Star” che quella “Peer-to-Peer” • Ogni rete ZigBee può comprendere fino a 255 dispositivi (Bluetooth fino a 7) • Lo stack protocollare ZigBee può arrivare ad occupare soli 32 KB (in Bluetooth fino a 250KB) CONFRONTO ZIGBEE-BLUETOOTH • ZigBee può raggiungere un Data Rate di 250 kbps,assai più basso dei 723 kbps di Bluetooth • Negli stati a basso consumo ZigBee consente di ottenere consumi molto bassi (Sleep Mode ~ 1uA) rispetto a Bluetooth (Park, Hold e Sniff Mode ~ 15mA) ZIGBEE RISPETTO ALLE ALTRE TECNOLOGIE WIRELESS L’interferenza elettromagentica Nella maggior parte dei casi, qualsiasi sistema è localizzato in un ambiente elettromagnetico ostile che può influenzare il suo normale funzionamento Ogni altra attrezzatura elettrica e/o elettronica posta nelle vicinanze di un sistema produce interferenze condotte e radiate che possono giungere fino ad esso attraverso molti percorsi di accoppiamento L’interferenza elettromagentica L’inquinamento elettromagnetico outdoor Bassa frequenza (0-10kHz) ELETTRODOTTO (50Hz) Alta frequenza (10kHz-300GHz) STAZIONE RADIO BASE (GSM) TRASMETTITORI RADIO E TV Obiettivo di QUALITA’ (DPCM 2003) : B=3µT (a 50Hz) L’interferenza elettromagentica L’inquinamento elettromagnetico indoor A: Spina non allacciata; solo campo elettrico generato dalla presa sotto tensione A B: Spina collegata ma interruttore spento; il campo elettrico si estende fino alla lampada B C: Interruttore acceso; il passaggio di corrente necessario per l’accensione della lampadina genera il campo magnetico C VALORI INDICATIVI DI CAMPI MAGNETICI GENERATI DA ELETTRODOMESTICI Distanze A ridosso 10 cm 20 cm 30 cm 40 ÷ 100 µT 40 µT 5 µT 1.5 µT Aspiratore 2 ÷ 235 µT 20 µT 7 µT 3 µT Frullatore 50 ÷ 230 µT 14 µT 3.5 µT 1.5 µT 30 ÷ 50 µT 2.9 µT 0.4 µT 0.15 µT 60 µT 3.8 µT 0.85 µT 0.27 µT 50 ÷ 1300 µT 1.5 µT 1 µT 0.25 µT Asciugacapelli Ventilatore Lampada ad incandescenza Rasoio In ambiente indoor (domestico o lavorativo) sono presenti delle sorgenti che generano campi magnetici non trascurabili rispetto a quelli causati da sorgenti esterne e quindi si possono avere interferenze non trascurabili
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