Podręcznik

1. Interfejsy szeregowe

Interfejsy szeregowe są to interfejsy w których dane są przekazywane w formie jednego ciągu bitów. W rozdziale przedstawiono parametry i zastosowanie interfejsów szeregowych: RS-232, RS-485, 423A, 422A, CAN oraz USB.

1.1. Interfejs RS-232

Standard RS-232 (Recommended Standard 232) zdefiniowany został w 1962 roku. Po udoskonaleniach dokonanych w roku 1969 nadano mu nazwę RS-232C.  Norma zawiera dwa dokumenty:

• • V.24 - Obwody połączeniowe,
  • V.28 - Parametry elektryczne.

W opisie zdefiniowano dwa urządzenia zamieszczone na rys. 1.1 DTE (Data Terminal Equipment) – zwany terminalem oraz DCE (Data Communication Equipment) – zwany modemem.

Rys. 1.1 Schemat blokowy standardu RS-232C

Na rys. 1.1 przyjęto oznaczenia:

DTE  - Terminal (urządzenie końcowe dla danych),

DCE  -  Modem (urządzenie komunikacyjne dla danych),

S1 – sprzęg telekomunikacyjny - transmisja danych na duże odległości,

S2 – sprzęg bezpośredniego połączenia - szeregowy transfer danych na odległość do 15 m.

Wszystkie linie magistrali są jednokierunkowe. Typowe złącza wykorzystywane w standardzie to: CANNON 25P (25 – stykowe) oraz CANNON DB9 (9 – stykowe). Na rys. 1.2 pokazano współpracę między terminalem i modemem w ramach sprzęgu bezpośredniego połączenia.

Rys. 1.2 Współpraca między urządzeniami DTE i DCE
- sprzęg bezpośredniego połączenia

Wykaz wszystkich linii magistrali RS-232 zamieszczono w tabeli 1.1

Tabela 1.1  Wykaz linii magistrali RS-232

Przyjęto następujące oznaczenia:

TxD - dane nadawane przez DTE,

RxD - dane odbierane przez DTE (nadawane przez DCE),

DSR - gotowość DCE do pracy (brak przeszkody do transmisji, oczekiwanie na dalsze sygnały sterujące),

DTR - gotowość DTE do pracy (brak przeszkody do transmisji, oczekiwanie na dalsze sygnały sterujące),

RST - żądanie nadawania: DTE® DCE,

CTS - gotowość odbioru: DCE®DTE, (DCE – gotowość do odbioru danych z DTE),

DCD - poziom sygnału odbieranego (DCE prawidłowo odbiera sygnał, wykryta częstotliwość nośna),

CG -   jakość sygnału odbieranego, transmisja danych bez błędów,

CH/CI - wybór szybkości transmisji z dwu możliwych,

RI - wskaźnik wywołania DCE ® DTE, DCE odbiera sygnał z oddalonego DCE,

DA - podstawa czasu z DTE,

DB - podstawa czasu z DCE.

Obowiązują dwa tryby transmisji danych synchroniczny i asynchroniczny. W systemach informacyjno-pomiarowych nie wykorzystuje się transmisji synchronicznej. Obraz jednostki informacyjnej dla przypadku transmisji asynchronicznej przedstawiony jest na rysunku 1.3.

Rys. 1.3 Obraz jednostki informacyjnej dla przypadku transmisji asynchronicznej

Dane w trybie asynchronicznym przesyłane są w „paczkach” po 5,6,7 lub 8 bitów. Najbardziej powszechne 7-bitowy kod ASCII. Szybkości transmisji: 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 oraz 19200 bit/s (bodów). Nadawca i odbiorca pracują z tą samą częstotliwością. Maksymalna odległość między terminalem i modemem wynosi 15m. Przebiegi czasowe sygnałów na liniach podczas nadawania i odbioru zobrazowano na rys. 1.4

Rys. 1.4  Przebiegi czasowe sygnałów na liniach podczas nadawania i odbioru

Chronologia przebiegów sugeruje możliwość ograniczenia liczby użytych linii. W związku z tym zdefiniowano    następujące złagodzenia w stosunku do warunków RS-232C:

• Nie jest konieczne wykorzystanie wszystkich linii, minimum stanowi para: TxD, RxD,
• Wejścia linii sterowania: CTS, DCD, DSR, RI – mogą być zwierane ze sobą,
• Wyjścia linii sterowania TS, DTR nie mogą być zwierane,
• Uwaga! – jest możliwość wystąpienia braku kompatybilności przy podmianie urządzeń.

Na tej podstawie powstało pierwsze uproszczenie zwane pod nazwą połączenia komputer-modem (rys. 1.5).

Rys. 1.5 Połączenie uproszczone komputer-modem

W przypadku połączenia dwu dowolnych urządzeń, np. dwu komputerów, wymagane jest użycie trybu z dwoma terminalami - bez modemu.  W tym przypadku, każdy z komputerów widzi po drugiej stronie łącza pozorny modem, którym w rzeczywistości jest drugi komputer.

Rys. 1.6 Połączenie dwu komputerów (terminali)

Pełny schemat połączeń między dwoma terminalami (komputerami) pokazano na rys. 1.7.

Rys.1.7 Połączenia w układzie współpracy między dwoma terminalami

Na kolejnych rysunkach (rys. 1.8, 1.9) zamieszczono dwa dalsze uproszczenia:

• Modem zerowy ze sterowaniem transmisją,
• Modem zerowy bez sterowania transmisją.

Ten ostatni, utożsamiany z potoczną nazwą RS, jest powszechnie znanym i używanym standardem.

Rys. 1.9 Modem zerowy ze sterowaniem transmisją

Rys. 1.9 Modem zerowy bez sterowania transmisją

W architekturze PC standardowo przewidziano istnienie 4 portów COM oznaczanych odpowiednio COM1-COM4. Specjalizowane karty rozszerzeń pozwalały na podłączenie znacznie większej liczby portów RS-232C. Porty RS-232 w komputerze PC są przypisane do pojedynczego urządzenia. Port COM1 był portem myszki, a port COM2 użyty do podłączenia modemu. Jest to przykład komunikacji między dwoma stacjami (point to point) - jeden port komunikuje się z jednym urządzeniem.

1.2. Pętla prądowa

Z wykorzystaniem pętli prądowej można uzyskać w standardzie RS-232 zasięg nawet do 4000m przy szybkości transmisji 9600 bit/s. Schemat układu pętli prądowej z izolacją galwaniczną zamieszczono na rys. 1.10 i 1.11.

Rys. 1.10 Schemat układu pętli prądowej z izolacją galwaniczną

Rys. 1.11 Uproszczony schemat połączeń pętli prądowej

1.3. Standard RS- 423A

Standard RS-423A ma obwód transmisyjny zawierający: niesymetryczny nadajnik, symetryczny odbiornik, parę przewodów: sygnałowy i powrotny. Takie rozwiązanie daje możliwość znacznej poprawy parametrów i tak np.:

• •  
• dla szybkości 3kb/s otrzymuje się zasięg do 1200m,
• dla szybkości 100kb/s już tylko 30m.

Rys. 1.12 Schemat elektrycznych połączeń standardu RS-423A

Rys. 1.13 Schemat poglądowy połączeń standardu RS-423A

1.4. Standard RS- 422A

Interfejs RS-422A ma w pełni symetryczny, zrównoważony obwód transmisyjny: różnicowy nadajnik N, różnicowy odbiornik O (rys. 1.14). Obydwa przewody oraz dołączone do nich obwody nadawczy i odbiorczy, mają taką samą impedancję w odniesieniu do masy jak i do innych przewodów. Dopuszczalna szybkość transmisji w tym standardzie zmienia się w granicach od 100 kb/s ¸ 10 Mb/s, zależnie od odległości.

Rys. 1.14 Schemat elektrycznych połączeń standardu RS-422A

1.5. Standard RS- 485

Interfejs RS-485 również ma w pełni symetryczny, zrównoważony obwód transmisyjny, ale można do niego dołączyć wiele nadajników i odbiorników, pracujących w trybie adresowym. Zrównoważenie (dopasowanie) toru transmisyjnego zrealizowane jest za pomocą rezystorów RP= RK = 60W. Można też dokonać zrównoważenia tego obwodu w odniesieniu do masy. Nadajniki muszą mieć możliwość „wejścia” w stan wysokiej impedancji. Za pomocą pojedynczego nadajnika można wysterować co najwyżej 32 odbiorniki. RS485 jest najczęściej stosowanym interfejsem przewodowym w sieciach przemysłowych - magistrala różnicowa odporna jest na wpływ zakłóceń zewnętrznych. Na bazie tego interfejsu opracowano wiele protokołów komunikacyjnych. Zasięg standardu to około 1200m przy szybkości 100 kb/s i ok. 10m przy szybkości 35Mb/s.

Rys. 1.15 Schemat połączeń standardu RS-485

1.6. CAN-Controller Area Network

Controller Area Network (CAN) jest szeregową magistralą komunikacyjną powstałą w latach 80. w firmie Bosch GmbH z myślą o zastosowaniach w przemyśle samochodowym (ABS, sterowanie silnika). Magistrala CAN zawiera dwuprzewodową skrętkę (rys. 1.16) i pracuje z maksymalną szybkością transmisji 1Mbit/s na dystansie do 40m. Wraz ze zwiększaniem dystansu spada maksymalna szybkość transmisji (np. 250kbit/s na 250m).

Rys. 1.16 Schemat połączeń ma magistrali CAN

W magistrali CAN nie ma wyodrębnionej jednostki nadrzędnej dlatego należy ona do grupy magistral typu „multi-master”.  Komunikacja ma charakter rozgłoszeniowy ponieważ komunikaty obierane są przez wszystkie urządzenia. Najważniejsze cechy CAN-a to:

•   do 8 bajtów danych w komunikacie,
•   komunikaty rozpoznawane przez identyfikatory,
•   automatyczna obsługa dostępu do magistrali.

Istnieją dwie wersje protokołu: 2.0A (11-bitowy identyfikator), 2.0B (29-bitowy identyfikator). Ramka danych CAN składa się z 7 pól: początku, arbitrażu, sterującego, danych, sumy kontrolnej, potwierdzenia i końca. Identyfikator nie jest przypisany do urządzenia, lecz do komunikatu. Identyfikator komunikatu określa priorytet dostępu do magistrali – im mniejsza wartość liczbowa, tym priorytet większy. Dostęp do magistrali jest przyznawany metodą dominacji bitowej (bit dominance) - wszystkie stacje badają stan magistrali czekając na możliwość wysłania własnego komunikatu. Konflikty wynikające z ewentualnego podjęcia równoczesnego nadawania przez kilka stacji są rozwiązywane w początkowej fazie transmisji w trakcie wysyłania pola arbitrażu zawierającego identyfikator komunikatu. CAN charakteryzuje się dużą odpornością na zakłócenia i niezawodnością. Uzyskano to poprzez nadawanie danych w postaci napięciowego sygnału różnicowego oraz sprzętowej kontroli błędów. Specjalizowane kontrolery formują komunikaty, sterują bezkolizyjnym dostępem do magistrali. Większość czołowych firm elektronicznych produkuje kontrolery CAN jako układy peryferyjne lub wbudowane.

1.7. Profibus

Profibus to standard deterministycznej sieci przemysłowej czasu rzeczywistego (master-slave). Może obsłużyć do 127 sterowników/przyrządów (rys. 1.17). Jego rozległość zależy od zastosowanego medium transmisji. Szybkość transmisji zawiera się w granicach 9.6kbit/s – 12Mbit/s.

Rys. 1.17 Schemat blokowy systemu w standardzie Profibus

W standardzie Profibus są dostępne usługi z poziomu 2 i 7 wg ISO/OSI. Poziom 2 zapewnia komunikację w formie telegramów z potwierdzeniem i bez potwierdzenia - typu Broadcast. Poziom 7 zapewnia komunikację na poziomie zmiennych. Sterownik udostępnia szereg zmiennych, ciągów, tablic, rekordów - podając ich nazwę (ID). Inne sterowniki mogą czytać lub zapisywać te zmienne w zależności od ustawionych praw.

1.8. MicroLAN

Czujniki inteligentne to urządzenia wyposażone w mikrokontroler (umożliwiający obliczenia i sterowanie),

podzespoły korekcji błędów, układy interfejsu: RS-232, RS-485 oraz microLAN (16kb/s-140kb/s). Docelowo przewiduje się zastosowanie standardu IEEE P1451.

Rys. 1.18 Schemat połączeń na magistrali MicroLAN

1.9. Uniwersalny interfejs szeregowy USB

Interfejs USB (Universal Serial Bus) to szeregowy interfejs umożliwiający współpracę komputera z urządzeniem zewnętrznym. Standardowo, za pośrednictwem tego interfejsu do komputera podłączyć można mysz, klawiaturę, skaner, drukarkę, twardy dysk, modem czy aparat cyfrowy.

Ostatnio, coraz szersze zastosowanie znajduje USB w systemach pomiarowych. Wiedzie w tym prym najbardziej wrażliwa na nowości firma National Instruments. W jej ofercie znajdują się już: karta (moduł) zbierania danych DAQPad-6020E, moduł portów cyfrowych DAQPad-6507, oscyloskop cyfrowy NI 5102 oraz rejestrator temperatury NI4350.

Zalety:

• Łatwość podłączania urządzeń - bez konieczności wyłączania ich zasilania.
• Możliwość zasilania urządzeń przez USB.
• Łatwość rozbudowy - koncentratory dołączone do pojedynczego gniazda.

Rys. 1.19 Przyrząd pomiarowy obsługiwany za pośrednictwem USB

Urządzenia są automatycznie wykrywane i rozpoznawane przez system. Ważną cechą portu USB jest zgodność z techniką Plug&Play. Urządzenia można łączyć ze sobą tworząc sieć. W całej sieci można umieścić do 127 urządzeń, jednak często ze względu na pobór mocy ich liczbę trzeba ograniczyć. W jednej sieci mogą pracować urządzenia o różnych szybkościach transmisji. Magistrala wymaga istnienia dokładnie jednego kontrolera, którego rolę pełni komputer (host). Uniemożliwia to bezpośrednie połączenie dwóch komputerów. Urządzenia USB dzieli się na trzy grupy opisane różnymi szybkościami transmisji:

• 1.1  (Full Speed) - 1.5 Mb/s (0.1875 MB/s) lub 12 Mbit/s (1.5MB/s),
• 2.0  (High Speed) - 480 Mb/s (60 MB/s), ( kompatybilnośńć z 1.1),
• 3.0 (Super Speed) – 4,8 Gb/s (600 MB/s),
• 3.1 (SuperSpeed+) – 9,6 Gb/s (1.2 GB/s).

USB 3.0 Łączy magistralę USB 2.0 z nową magistralą typu SuperSpeed dającą szybkość transmisji to 4.8 Gbit/s, dziesięć razy  więcej niż USB 2.0. Gniazda USB 3.0 różnią się od swoich poprzedników USB 2.0 kolorami oraz oznaczeniami. Najnowszy standard USB 3.1,  zawiera nowy tryb transmisji danych o nazwie SuperSpeed+ I może przesyłać dane z szybkością do 10 Gb/s (1.25 GB/s), dwa razy szybciej niż USB 3.0.

Transmisja danych w standardzie USB 2.0 odbywa się przy wykorzystaniu dwóch przewodów:

1. zielony: Data+
2. biały: Data-.
3. Magistrala zawiera ponadto przewód zasilający (o maksymalnym poborze prądu 0,5 A):
4. czerwony: +5VDC
5. czarny – masa

Opis gniazda Standard-A USB 3.0 zamieszczono poniżej:

1. VBus +5V 
2. USB D-  Dane USB 2.0
3. USB D+ Dane USB 2.0
4. GND  Masa zasilania
5. StdA_SSRX-  Odbiornik SuperSpeed 
6. StdA_SSRX+  Odbiornik SuperSpeed
7. GND_DRAIN  Masa sygnałowa
8. StdA_SSTX-  Nadajnik SuperSpeed 
9.  StdA_SSTX+ Nadajnik transmitter
    

2. Interfejs równoległy IEC-625

Chronologia dokonań związanych z rozwojem standardu IEC-625 zamieszczono w tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Chronologia dokonań związanych z rozwojem standardu IEC-625

Przykładowy schemat blokowy systemu z IEC-625 zamieszczono na rys. 2.1

Rys. 2.1 Schemat blokowy systemu z interfejsem IEC-625

W celu powiększenia możliwości co do liczby przyrządów można użyć ekspandera (rys. 2.2).

Rys. 2.2 Użycie ekspandera w celu multiplikacji liczby przyrządów w systemie

Schemat poglądowy przykładowego systemu pomiarowego w standardzie IEC-625 zamieszczono na rys. 2.3.

Rys. 2.3. Przykładowy system pomiarowy

Na bazie warstwy programowej IEC-625 powstał uniwersalny jeżyk programowania przyrządów pomiarowych: Standard Commands for Programmable Instruments – SCPI (rys. 2.4).

Rys. 2.4 Wykorzystanie języka SCPI do sterowania przyrządem pomiarowym

Przykład instrukcji w języku SCPI:  MEASURE :VOLTAGE :DC ? 10, 0.01 – (zmierz napięcie stałe na zakresie 10V z dokładnością 0,01V)

2.1. Magistrala IEC-625

Schemat 16-liniowej magistrali IEC-625 zamieszczono na rys. 2.5.

Rys. 2.5 Schemat 16-liniowej magistrali IEC-625

2.2. Wykaz linii magistrali IEC-625

Wykaz i interpretację znaczenia linii magistrali IEC-625, zamieszczono w tabeli 2.1.

Tabela 2.1 Wykaz linii magistrali IEC-625

Przebiegi czasowe na liniach kontroli współpracy (HANDSHAKE) zamieszczono na rys. 2.6.

Rys. 2.6 Przebiegi czasowe na liniach kontroli współpracy (HANDSHAKE)

2.3. Podział komunikatów interfejsu IEC-625

Rozmieszczenie oraz podział komunikatów w standardzie IEC-625 zamieszczono na rys. 2.7 oraz 2.8.

Rys. 2.7 Rozmieszczenie komunikatów w systemie IEC-625

Rys. 2.8 Podział komunikatów w systemie IEC-625

Po odebraniu, przez kontroler komunikatu, żądanie obsługi (service request – SRQ), konieczne jest wykrycie przyrządu żądającego obsługi. Stosowane są dwa możliwe tryby kontroli:

• Kontrola równoległa

W przypadku kontroli równoległej, każdemu przyrządowi przypisany jest jeden bit bajtu danych umiejscowionego na liniach DIO. Odczytanie tego bajtu przez kontroler umożliwia bezpośrednią i natychmiastową identyfikację wszystkich przyrządów (sygnał SRQ). Liczba przyrządów w tym przypadku nie może przekraczać 8-miu.

• Kontrola szeregowa

Po zarządzeniu kontroli szeregowej, każdy przyrząd jest odpytywany indywidualnie na okoliczność wystawienia SRQ. Odpowiada używając 8-miu bitów bajtu statusu, z których jeden oznaczony jest jako SERVICE REQUEST BIT.

2.4. Składnia komunikatów interfejsu IEC-625

Składnia komunikatów w standardzie IEC-625 opisana została w tabeli 2.2, a konstrukcja bajtu instrukcji na rys. 2.9.

Tabela 2.2 Składnia komunikatów w standardzie IEC-625

Rys. 2.9 Konstrukcja bajtu instrukcji w standardzie IEC-625

2.5. Wykaz komunikatów interfejsu IEC-625

Wykaz wszystkich komunikatów standardu IEC-625 zawarto w tabelach 2.3 – 2.7.

 Tabela 2.3 Wykaz komunikatów uniwersalnych IEC-625

 Tabela 2.4 Wykaz adresowanych IEC-625

Tabela 2.5 Wykaz zależnych od urządzenia IEC-625

Tabela 2.6 Wykaz komunikatów statusu IEC-625

Tabela 2.7 Wykaz komunikatów kontroli współpracy IEC-625

2.6. Funkcje interfejsu

Do aktywnych funkcji interfejsu IEC-625 należą:

SH - Inicjator współpracy

AH - Akceptor współpracy

T - Nadawca

L - Odbiorca

SR - Żądanie obsługi

DC - Zerowanie urządzenia

DT - Wyzwalanie urządzenia

RL - Zdalny/Lokalny

PP - Kontrola równoległa

C - Kontroler

2.7. Realizacje interfejsów

Realizacje interfejsów IEC-625 podzielić można na trzy grupy:

• SPRZĘTOWE - zawierają układy cyfrowe nieprogramowalne małej i średniej skali integracji. Charakteryzuje je duża szybkość działania.
• SPRZĘTOWO – PROGRAMOWE - Bazują na systemach mini- lub mikrokomputerowych. Część sprzętowa połączona jest z komputerem za pośrednictwem równoległego portu WE/WY lub magistrali. Operacje realizowane w sposób programowy. Cechy charakterystyczne takiej konfiguracji to: większa niezawodność, łatwość uruchamiania, dowolność w wyborze funkcji Interfejsu.
• PROGRAMOWE – realizowane w sposób programowy na bazie równoległego portu WE/WY. Procesor jednoukładowy I849 (Intel) (Układy WE/WE, ROM, RAM, rejestry, bufory, Interfejsy HP82937).

W praktyce do budowy interfejsów używa się układów wielkiej skali integracji, należących do dwu grup:

Urządzeniowe:

• 96LS488 (Fairchild), HEF4738 (Philips),

Systemowe:

• I8291/2/3 (Intel),
• NEC7210 (Nippon Electric Co.),
• MC68488 (Motorola),
• TMS9914 (Texas Instruments),
• NAT488 (National Instruments).

Układ I8291 realizuje wszystkie funkcje interfejsu z wyjątkiem kontrolera. Moduł I8292 to kontroler. Przykład użycia układów firmy Intel zobrazowano na rysunkach 2.10 (urządzenie) i 2.11 (kontroler).

Rys. 2.10 Moduł interfejsu urządzeniowego

Rys. 2.11 Moduł interfejsu kontrolera.

2.8. Dokument IEC-625.2 (IEEE 488.2)

Podczas eksploatacji interfejsu IEC-625 zauważone zostały problemy związane między innymi z brakiem kompatybilności w zakresie implementacji przyrządów pomiarowych pochodzących od różnych producentów.

Pociąga to za sobą wady takie jak: brak przenośności oprogramowania.

Przyczyny:

• brak pewnych funkcji w konkretnych zestawach,
• brak standaryzacji: kody, formaty.

Udoskonalony standard IEC-625 określony został mianem IEC-625.2 z dopiskiem „Kody, formaty, protokoły, polecenia”. Standard IEC-625.2 –zachowuje kompatybilność z IEC-625 - tzn. kontroler obsługuje urządzenia pracujące w standardzie poprzednim. W normie tego standardu zdefiniowano:

• minimalny, obowiązkowy zestaw funkcji interfejsowych,
• dopuszczalne kody i formaty danych,
• sposoby interpretacji ciągów poleceń do urządzeń,
• hierarchiczny model statusu urządzeń.

Formalnie, norma IEC-625.2 składa się z następujących części:

• Kontroler: wymagania ogólne, standardowe polecenia i procedury.
• Urządzenie: zasady przepływu informacji struktury danych, komunikacja.
• Składania poleceń i odpowiedzi.
• Standardowe polecenia: obowiązkowe i opcjonalne.
• Struktury danych do przechowywania i przekazywania informacji.

Do dodatkowych zadań kontrolera systemu należą:

• Wykrywanie i zapamiętanie błędów oraz wysłanie bajtu informacyjnego (gdy inne przyrządy w stanie oczekiwania),
• Monitorowanie magistrali (bufor) dla celów diagnostycznych,
• Sygnalizacja błędu przeterminowania (timeout),
• Zróżnicowanie długości przeterminowania dla różnych przyrządów (dopasowanie do ich szybkości działania).

Wykaz sekwencji sterujących

Wykaz wszystkich sekwencji sterujących zamieszczonych w standardzie IEC-625.2, pokazano z podziałem na obligatoryjne i opcjonalne.

Obligatoryjne:

SEND COMMAND – send ATN – true, command

SEND SETUP - set address to send data

SEND DATA BAYTES – send ATN –false, data

SEND - send a program message

RECEIVE SETUP - set adress to receive data

RECEIVE RESPONSE MESSAGE – receive atn – false, data

RECEIVE - receive a response message

SEND IFC - pulse IFC line

DEVICE CLEAR - place device in DCAS

ENABLE LOCAL CONTROLOS – place devices in local states

ENABLE REMOTE – place devices in remote states

SET RWLS - place devices in remote with local lockout state          

SEND LLO – place devices in local lockout state

READ STATUS BYTE – read IEC 625.1 status byte

TRIGGER – send group execution trigger (GET)

Opcjonalne:

PASS CONTROL – przekaż kontrolę innemu kontrolerowi 

PERFORM PARALLEL POLL – przeprowadź kontrolę równoległą

PARALLEL POLL CONFIGURE – konfiguracja do kontroli równoległej

PARALLEL POLL UNCONFIG – zakończenie kontroli równoległej

Protokoły kontrolera IEC 625.2

Wyżej w hierarchii leżą protokoły kontrolera IEC-625.2. Ich wykaz zawarto w tabeli 2.8.

 Tabela 2.8 Protokoły kontrolera IEC 625.2

Rozkazy uniwersalne IEC 625.2

Oprócz sekwencji sterujących i protokołów zdefiniowane zostały tzw. rozkazy uniwersalne, służące do obsługi systemowej (np. statusu). Rozkazy te stanowiły bazę do opracowania języka SCPI (zostały do niego włączone).

Wykaz Rozkazów uniwersalnych zawiera tabela 2.9.

 Tabela 2.9 Wykaz rozkazów uniwersalnych standardu IEC-625.2

Norma IEC-625.2 w zakresie urządzeń definiuje:

• warunki określone w normie 625.1,
• obowiązkowe funkcje: SH , AH , T , L , SR , DC,
• struktury danych związane z komunikacją,
• IB (INPUT BUFFER) - bufor wejściowy,
• OQ (OUTPUT QUE) - kolejka wyjściowa.

Rys. 2.12 Schemat obrazujący działanie systemu statusu IEC-625.2

2.9. Interfejs na promieniowanie podczerwone IrDA

Infrared Data Association (IrDA) – to nazwa powstałej w 1993 r. grupy, skupiającej kilkudziesięciu producentów sprzętu komputerowego. Celem powstania było stworzenie i kontrolowanie międzynarodowych standardów transmisji danych w zakresie podczerwieni. Grupa ta opracowała firmowy system bezprzewodowej transmisji danych cyfrowych z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. Jego elementy przeznaczone są przede wszystkim do tworzenia sieci tymczasowych, w których znajdują się komputery przenośne (laptopy).

Istnieją dwie wersje IrDA: 1.0  - 15 kb/s, 1.1  -  4 Mb/s. Urządzenia nawiązują połączenie z szybkością 9600 b/s oraz ustalają maksymalną szybkość transmisji. Każde połączenie jest typu punkt-punkt. Maksymalna odległość między urządzeniami wynosi ok. 3 m. Muszą się one „widzieć”, maksymalny kąt odchylenia, przy którym transmisja będzie jeszcze zachodzić wynosi 15°. Wiele połączeń IrDA może pracować obok siebie bez zakłóceń.

Przykład połączenia zamieszczono na rys. 3.1.

Rys. 3.1 Przykład połączenia w standardzie IrDA

Powszechne wykorzystanie tego łącza w systemach pomiarowych umożliwiają konwertery: RS-232/IrDA oraz USB/IrDA (rys. 3.2).

Rys. 3.2 Konwerter USB/IrDA

Standard ten był implementowany w większości komputerów przenośnych, telefonów komórkowych, a także niektórych modelach komputerów osobistych, drukarek czy aparatów cyfrowych. Jego właściwości zebrano w tabeli 3.1.

  Tabela 3.1 Parametry standardu IrDA

Protokół komunikacyjny IrDA

Warstwy na jakie podzielony został protokół IrDA to:

Warstwa fizyczna: specyfikuje optyczny nadajnik-odbiornik, łącze optyczne oraz zakresy szybkości transmisji.

Jej zadanie to odpowiednie kształtowanie sygnałów w podczerwieni, włączając w to kodowanie danych, oraz ich „opakowanie”.

Warstwa IrLAP: znajduje się bezpośrednio nad warstwą fizyczną. Nazywana bywa także: Link Access Protocol (LAP).  IrLAP odpowiada warstwie łącza danych. Dostarcza mechanizmu przesyłania danych.

Warstwa IAS: IAS to inaczej informacja o dostępnych usługach, stanowi dla urządzeń IrDA, to co dla człowieka "żółte strony" w książce telefonicznej.

• Wszystkie usługi dostępne dla nawiązywanych połączeń muszą mieć swoją pozycje w IAS, gdyż wpływają na adres usługi.
• Pełna implementacja IAS składa się z klienta oraz serwera.
• Klient służy do zadawania pytania używając Information Access Protocol (IAP).
• Serwer udziela odpowiedzi na pytania od klienta.

Warstwa IrLMP: korzysta z kontaktu dostarczonego przez warstwę IrLAP. Jest ważną warstwą protokołu IrDA, gdyż  umożliwia multipleksowanie, co pozwala różnym klientom IrLMP korzystać z pojedynczego łącza IrLAP.

Protokoł IrDA zawiera też warstwy opcjonalne, które mogą być użyte w razie wymagań szczególnych konkretnej aplikacji:

TinyTP – Tiny Transport Protocol

Realizuje dwie ważne funkcje:

• Kontrola przepływu danych przez połączenie LMP,
• Segmentacja danych oraz ponowny montaż.

IrOBEX – The Object Exchange Protocol:
umożliwia systemom dowolnych rozmiarów wymienianie szerokiego zakresu różnych danych oraz rozkazów za pomocą sprecyzowanych i standardowych obiektów. Zakres obiektów jest szeroki, obejmuje nie tylko tradycyjne pliki, ale też wiadomości telefoniczne, obrazy cyfrowe, bazy danych. Jest to rola bardzo podobna do tej jaką odgrywa HTTP w Internecie.

IrCOMM – Emulacja portu szeregowego i równoległego.

IrLAN –  Local Area Network Access –  Służy do wygodnego połączenia przenośnych PC z siecią lokalną. IrLAN zawiera trzy funkcje:

• dołączanie komputera do sieci przez punkt dostępowy (IrLAN adaptator),
• symulacja sieciowej komunikacji między dwoma komputerami,
• dołączenie komputera do sieci przez drugi komputer, już dołączony.

W systemie Windows do komunikacji wykorzystywane są dwa rodzaje typów urządzeń IrDA:

SIR – szeregowe łącze warstwy fizycznej. Asynchroniczne szeregowe przesyłanie danych w trybie z jednym początkowym bitem startu, ośmioma bitami danych oraz jednym bitem stopu. Maksymalna szybkość to 115,2 kb/s, zasięg 1m.

FIR – szybka wersja warstwy fizycznej - do 4Mb/s . Dzięki temu IrDA charakteryzuje się łatwością dodawania nowych usług przez dodanie protokołu warstwy aplikacji oraz możliwością uzyskania pewnych oszczędności przez implementowanie tylko części protokołów (np. aparat cyfrowy niekoniecznie musi mieć protokół IrLAN).

2.10. Bluetooth

Bluetooth to nowoczesny interfejs radiowy (rys. 3.3). Darmowy standard opisany w specyfikacji IEEE 802.15.1. Obejmuje trzy klasy mocy nadawczej o zasięgu: 100m, 10m, 1m. Pasmo częstotliwości pracy od 2.4020 do 2.4835 GHz,  Maksymalna szybkość transmisji 1Mb/s. Przeznaczenie: komunikacja między komputerem, a takimi urządzeniami jak telefon komórkowy, mysz, drukarka, skaner, palmtop, słuchawki itp. Nowoczesne przyrządy pomiarowe mogą być wyposażane w Bluetooth. Interfejs ten ma zastąpić znane już łącze IrDA. Przewaga Bluetooth nad IrDA polega na tym, że może on łączyć w sieć (piconet) kilka urządzeń (do 8-miu) pracujących na różnych kanałach. Każdemu urządzeniu przyporządkowany jest adres w postaci 32-bitowego słowa o nazwie BDA (Bluetooth Device Address).

Rys.3.3 Połączenie w standardzie Bluetooth

Kodowanie binarne sygnału przesyłanego odbywa się metodą kluczowania częstotliwości FSK (Frequency Shift Keying). Jedno z urządzeń w sieci pełni rolę nadrzędną (master), a pozostałe podrzędną (slave). Komunikacja odbywa się w trybie semidupleks. Podstawową jednostką technologii Bluetooth jest sieć (piconet), która zawiera węzeł typu „master” oraz maksymalnie 7 węzłów typu „slave”. Wiele pikosieci może istnieć w jednym pomieszczeniu, a nawet mogą być ze sobą połączone za pomocą węzła typu „bridge”, (rys. 3.4). Połączone ze sobą pikosieci określa się mianem scatternet.

Rys. 3.4 Połączenie pikosieci w standardzie Bluetooth

Dodatkowo, oprócz siedmiu węzłów typu „slave”, w jednej pikosieci może pracować do 255 węzłów, pozostających w stanie synchronizacji z urządzeniem typu master (jest to tzw. tryb wyczekiwania i niskiego poboru mocy). Urządzenia te nie uczestniczą w wymianie danych i mogą tylko otrzymać sygnał aktywacyjny od węzła typu master. Istnieją jeszcze dwa przejściowe stany „hold” oraz „skiff”.

Przyczyną podziału węzłów na „master” i „slave” jest minimalizacja kosztów technologii. Konsekwencją tego jest fakt, że węzły typu „slave” są w pełni podporządkowane węzłom master. Pikosieć jest scentralizowanym systemem TDM (Tool Data Management). Urządzenie master kontroluje zegar i określa, które urządzenie i w którym slocie czasowym może się z nim komunikować. Wymiana danych może nastąpić tylko pomiędzy węzłem „master” i „slave”. Komunikacja „slave – slave” nie jest możliwa.

Wykaz parametrów technicznych Bluetooth:

• klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, do 100 m,
• klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m
• klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z zasięgiem do 1 m.

Szybkość transmisji danych:

• Bluetooth 1.0 - 21 kb/s
• Bluetooth 1.1 - 124 kb/s
• Bluetooth 1.2 - 328 kb/s
• Bluetooth 2.0 - 2,1 Mb/s (Enhanced Rate) - 3Mb/s)
• Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) - 3 MB/s
• Bluetooth 3.1 + HS (High Speed plus) - 5 MB/s

Rys. 3.5 Adapter Bluetooth dla USB

Warstwy protokołów Bluetooth

Bluetooth zawiera wiele protokołów, pogrupowanych w warstwy. Struktura warstw nie odpowiada żadnemu znanemu modelowi (OSI, TCP/IP, 802). IEEE prowadzi prace nad zmodyfikowaniem systemu Bluetooth, aby dopasować go do modelu określonego standardem 802. Architekturę protokołów Bluetooth zobrazowano na rys. 3.6.

Rys. 3.6 Architektura protokołów Bluetooth

• Phisical Radio - Warstwa fizyczna - radiowa - definiuje transmisję radiową oraz modulację stosowaną w systemie. Odpowiedzialna za transmisję danych z urządzenia master do slave i odwrotnie. System o małym poborze mocy, działający w zależności od klasy, na różnych zasięgach, w paśmie 2,4 GHz. Pasmo jest podzielone na 79 kanałów, po 1MHz każdy. Zastosowano modulację FSK (Frequency Shift Keying), przy szybkości transmisji rzędu 1 Mbit/s. Aby przydzielić kanały „sprawiedliwie”, wykorzystuje się skakanie częstotliwości (1600 skoków na sekundę). Sekwencję skoków dyktuje węzeł master.

• Baseband layer – zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI. Określa ona w jaki sposób urządzenie „master” kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki. Upakowuje bity w ramki.

• Link manager - ustanowienie logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi (QoS).

• Link control adaptation protocol (L2CAP) - zawiera dane o parametrach transmisji, uwalniając od tego wyższe warstwy. Protokół jest analogiczny do podwarstwy lLLC standardu 802.
• Audio i Control - protokoły wykorzystane do transmisji dźwięku oraz obsługi procesów sterowania. Można z nich korzystać pomijając protokół L2CAP.
• Podwarstwa LLC (ze standardu 802) - zapewnia kompatybilności z sieciami 802. Jest warstwą przejściową, zawierającą mieszaninę różnych protokołów.
• RFcomm (Radio Frequency Communication) - emulacja standardowego portu szeregowego do podłączenia klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń.
• Telephony - protokół czasu rzeczywistego, używany w profilach zorientowanych na rozmowy. Zarządza również nawiązaniem i rozłączeniem połączenia.
• Discovery Service - jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci.
• Applications/Profiles – zawiera aplikacje oraz profile. Używa protokołów warstw niższych. Każda aplikacja ma swój podzbiór używanych protokołów, zazwyczaj korzysta tylko z nich i pomija inne.

Istnieje kilka formatów ramki w systemie Bluetooth (tabela 3.2) . Najczęściej zaczyna się ona kodem dostępu, który identyfikuje mastera, tak aby slave znajdujący się w zasięgu dwóch urządzeń master mógł określić, od którego odbywa się transmisja. Następne 54 bity stanowią nagłówek ramki, który zawiera standardowe pola podwarstwy MAC. Na końcu pojawia się maksymalnie do 2744 (dla ramki składającej się z 5 slotów) bitów danych.

Tabela 3.2 Formaty ramki w systemie Bluetooth

Address (adres nagłówka) identyfikuje jedno z ośmiu aktywnych urządzeń, dla którego przeznaczona jest ramka. Type określa typ ramki (ACL, SCO, pool albo null), rodzaj korekcji błędów używany w polu danych oraz liczbę slotów w ramce. Flow jest ustawiane przez slave, gdy jego bufory są pełne i nie może on przyjąć więcej danych. Bit Acknowledgement jest potwierdzeniem transmisji. Bit Sequence jest używany w celu numeracji ramek, aby wykryć retransmisje. Checksum - suma kontrolna, ostatnie 8 bitów. 18 bitów nagłówka jest powtarzanych trzy razy dając w efekcie nagłówek 54 bitowy. Po stronie odbiorczej układ logiczny sprawdza i porównuje wszystkie trzy kopie każdego bitu. Jeśli wszystkie są takie same, wówczas bit jest zaakceptowany.

2.11. Interfejs radiowy ZigBee

ZigBee – to specyfikacja protokołów transmisji danych w sieciach bezprzewodowych. Sieci ZigBee charakteryzują się niewielkim poborem energii, niewielkimi przepływnościami (do 250kb/s) oraz zasięgiem między węzłami do 100 m. Typowymi zastosowaniami są sieci sensorów, sieci osobiste (PAN), automatyka budynków, systemy alarmowe, systemy monitoringu itp. Specyfikacja ZigBee dla niższych warstw (PHY i MAC) wykorzystuje standard IEEE 802.15.4, który definiuje transmisję bezprzewodową w pasmach 868 MHz, 915 MHz lub 2,4 GHz. Modulacja dla 868/915 MHz to BPSK, a dla 2,4 GHz to QPSK. W paśmie 2,4 GHz przewidziano 16 kanałów o szerokości 5MHz.

Urządzenia ZigBee można podzielić na 3 typy:

• ZigBee Coordinator – koordynator: w każdej sieci może występować tylko jedno takie urządzenie (zbierające dane)  -  jako węzeł główny, do którego mogą się przyłączać pozostałe urządzenia.
• ZigBee Router - router: przekazuje pakiety.
• ZigBee End Device - urządzenie końcowe: zbiera i przesyła dane do routera, do którego jest przyłączone - może być czasowo usypiane w celu zmniejszenia zużycia energii.

2.12. Power Line Communication (PLC)

Pojęciem Power Line Communication (PLC) określa się zbiór technologii umożliwiających transmisję danych przez sieć elektroenergetyczną. Występuje kilka standardów. Jeden z nich OPERA pracuje w pasmach częstotliwości: 9kHz, 95kHz, 125kHz, 140kHz, 148,5kHz. Szybkość transmisji ok. 300 kb/s. W praktyce działanie systemu transmisji danych polega na przesyłaniu równolegle z napięciem zasilającym 230V, o częstotliwości 50Hz, sygnału z danymi na podnośnej o wiele wyższej częstotliwości (rys. 3.7).

Rys. 3.7 Schemat blokowy połączeń PLC

Usługi przewidziane dla PLC:

•  transmisja danych pomiarowych (np. odczyt liczników),
•  dostęp do Internetu,
•  telefonia cyfrowa.

Technologie te dają duże możliwości jeśli chodzi o dostęp do Internetu w budynkach, w których brak jest odpowiedniej instalacji sieci komputerowej. Spotykają się jednak z krytyką krótkofalowców, gdyż często stają się źródłem fali radiowych i powodują zakłócenia (sieci energetyczne nie były projektowane do przesyłania sygnałów o dużych częstotliwościach).

Aktualnie występują dwa standardy definiujące sieci Z PLC.

CENELEC - Standard ten dzieli pasmo częstotliwości na cztery grupy:   9 kHz- 95 kHz- 125kHz- 140kHz- 148,5kHz. średnia szybkość transmisji leży w granicach 300 kb/s.

ETSI TS 101 867 - gwarantuje większą szybkość transmisji dzięki znacznemu powiększeniu pasma transmisyjnego. W przypadku transmisji od baz nadawczych zewnętrznych jest to około 1,6-10 kHz, do 10-30 kHz wewnątrz budynków.

3. Interfejs modułowy PXI

Pierwowzorem dla interfejsu modułowego PXI była magistrala VXI (VXIbus: VME eXtensions for Instrumentation). Powstała ona w wyniku rozszerzenia możliwości magistrali komputera modułowego z magistralą VME-bus (rys. 4.1), o elementy umożliwiające obsługę modułowych przyrządów pomiarowych (modułów).

Rys. 4.1  Przykład konfiguracji komputera modułowego w standardzie VME: CPU-jednostka centralna, RAM-pamięć o dostępie swobodnym, ROM-pamięć stałą, A/C –przetwornik a/c, C/A-przetwornik c/a

Przykład konfiguracji przyrządu wirtualnego w standardzie VXI zamieszczono na rys. 4.2.

Rys. 4.2 Przykład konfiguracji przyrządu wirtualnego w standardzie VXI: RM-Resource Manager, DVM-woltomierz cyfrowy, GEN-generator, CPS-moduł/karta procesora sygnałowego, DAQ-moduł/karta zbierania danych, MUX-multiplekser

Szybkość transmisji danych w standardzie VXI wynosiła 40MB/s. Nowe rozwiązanie to system modułowy PXI: (PCI Extention for Instrumentation). W systemie z magistralą PXI do obsługi modułów wykorzystuje się standardową magistralę PCI (Periferal Component Interconnect) rozszerzoną o elementy ułatwiające obsługę modułów pomiarowych, podobnie jak w przypadku VXI. W rozwiązaniu tym funkcjonuje też CompactPCI, która łączy specyfikację elektryczną PCI z mechaniką typu Eurocard. Szybkość transmisji danych w standardzie PXI wynosi 132MB/s.

Po opcjonalnym rozszerzeniu magistrali danych z 32 do 64 bitów można osiągnąć nawet 264MB/s. Współpracujące z magistralą PXI (umieszczone w kasecie) przyrządy modułowe, widziane są w przestrzeni adresowej urządzeń wejścia/wyjścia systemu komputerowego (kontrolera).

3.1. Interfejs modułowy VXI – magistrala

Schemat magistrali interfejsu modułowego VXI zamieszczono na rys. 4.3, a jej opis w tabeli 4.1.

Rys. 4.3 Schemat magistrali interfejsu modułowego VXI

Tabela 4.1 Opis magistrali interfejsu modułowego VXI

Zestawienie typów przyrządów modułowych w konfrontacji z magistralą VXI zobrazowano na rys. 4.4.

Rys. 4.4 Zestawienie typów przyrządów modułowych w konfrontacji z magistralą VXI

3.2. Interfejs modułowy PXI

Po zastosowaniu magistrali PCI, interfejs modułowy zyskał nazwę PXI (PCI sXtension for Instrumentation). Przykład zestawu PXI zamieszczono na rys. 4.5.

Rys. 4.5 Przykład zestawu PXI (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)

System PXI wykorzystuje się w takich dziedzinach jak: testowanie i monitorowanie w procesie produkcyjnym, badania przemysłowe, przemysł wojskowy, lotniczy maszynowy, motoryzacyjny. Obecnie PXI jest nadzorowane przez PXI Systems Alliance (PXI) - grupa ponad 70 firm zaangażowanych w promowanie standardu PXI i dbanie o czystość specyfikacji.

Obudowa

Obudowa PXI zawiera magistrale do obsługi zasilania, chłodzenia i komunikacji pomiędzy PCI i PCI Express a kontrolerem i modułami PXI. Obudowy PXI są dostępne w różnych konfiguracjach: niski poziom hałasu, wysoka/niska temperatura, mała/duża liczba slotów (gniazd). Zawierają również dużą liczbę slotów do modułów I/O, zintegrowanych urządzeń peryferyjnych takich jak wyświetlacze LCD, i wiele innych. Obudowy występują w wielu różnych rozmiarach od 4 do 18 gniazd (rys.4.6).

Rys. 4.6 Obudowy systemu modułowego PXI firmy National Instruments (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)

Komunikacja po PCI i PCI Express

W najczęstszych zastosowaniach magistrala PCI pracuje przy 33 MHz i 32 bitach z przepustowością 132MB/s. Wykorzystuje się topologię, gdzie przepustowość magistrali jest dzielona pomiędzy wieloma urządzeniami. Z czasem, urządzenia stają się coraz bardziej wymagające co do przepustowości. W rezultacie powstała PCI Express, aby przezwyciężyć ograniczenia w ramach wspólnej magistrali.

W przeciwieństwie do PCI, która dzieli pasmo pomiędzy wszystkie urządzenia, magistrala PCI Express oferuje każdemu urządzeniu własny dedykowany kanał (pipeline) danych. Dane są przesyłane szeregowo, w pakietach poprzez pary linii nadawania i odbioru zwane pasami, które umożliwiają uzyskanie szybkości 250 MB/s dla każdego pasa (PCI Express 1.0). Pasy mogą być grupowane (multiplikowane) x1, x2, x4, x8, x12, x16, aby zwiększyć przepustowość dla gniazda i osiągać do 4 GB/s całkowitej przepustowości. PCI Express 2.0 podwaja przepustowość per-pas z 250 do 500 MB/s. PCI Express zapewnia skalowalną przepustowość osiągając maksymalnie 30-krotną przepustowość tradycyjnej PCI (rys.4.7).

Rys. 4.7 Skalowalna przepustowość standardu PXI

Taktowanie i synchronizacja

Jedną z głównych zalet systemu PXI jest zintegrowany system taktowania i synchronizacji. Magistrala PXI zawiera dedykowane linie:

•  10 MHz systemowy zegar referencyjny,  
•  Magistralę wyzwalania,
•  Magistralę połączeń gwiazdowych,
•  Magistralę lokalną - gniazdo do gniazda aby zapewnić łatwość taktowania i synchronizacji.

Zegar 10 MHz (w obudowie) może być “eksportowany” lub zastąpiony wzorcem o wyższej stabilności. Umożliwia to dzielenie zegara odniesienia 10 MHz między wieloma obudowami, a także innymi przyrządami wymagającymi wzorca 10 MHz. Oprócz zegara odniesienia, PXI zawiera 8 linii TTL jako magistralę wyzwalania. Umożliwia to dowolnemu modułowi w systemie ustawienie “wyzwalacza”, który dostępny jest dla dowolnego innego modułu. Magistrala lokalna natomiast umożliwia realizację indywidualnej komunikacji między modułami. Na tej samej zasadzie co PXI, PXI Express oferuje dodatkowe funkcje taktowania i synchronizacji z zegarem 100 MHz do sygnalizacji i wyzwalania. Dzięki zastosowaniu taktowania i synchronizacji w układzie różnicowym, systemy PXI Express charakteryzują się zwiększoną odpornością na zakłócenia ze strony zegarów przyrządów modułowych oraz zdolnością do szybszej transmisji sygnałów zegarowych. Możliwości taktowania i synchronizacji w standardzie PXI i PXI Express, zapewniają integrację najlepszych modułów pomiarowych i modułów  I/O.

Oprócz metod opartych na sygnałach synchronizacji wewnętrznej, systemy PXI i PXI Express mają wiele wbudowanych metod synchronizacji z systemem czasu bezwzględnego. Wiele różnych źródeł, w tym GPS, można wykorzystać jako źródło czasu bezwzględnego, z wykorzystaniem dodatkowego modułu taktowania. Protokoły te przekazują informację o czasie w pakietach, więc system może korygować swój czas. Systemy PXI rozmieszczone w dużych odległościach, bez udostępniania własnych zegarów fizycznych lub wyzwalaczy mogą bazować na źródłach takich jak GPS, aby zsynchronizować swoje pomiary.

Wszystkie obudowy PXI zawierają gniazdo kontrolera systemu znajdującego się w lewym slocie montażowym (slot 1). Opcje kontrolera obejmują: zewnętrzne kontrolery jak komputery osobiste, terminale, stacje robocze, serwery, laptopy, wysokiej wydajności kontrolery wbudowane z systemami operacyjnymi Microsoft (Windows 7 / Vista / XP) lub systemy czasu rzeczywistego (LabVIEW Real-Time) .

Kontrolery wbudowane PXI

Wbudowane kontrolery eliminują potrzebę stosowania zewnętrznego komputera, zapewniając w ten sposób system zawarty, kompaktowy wewnątrz obudowy PXI. Wbudowane kontrolery wyposażone są w standardowe funkcje, takie jak zintegrowany procesor, dysk twardy, pamięć RAM, Ethernet, wideo, klawiatury / myszy, USB i inne urządzenia peryferyjne. Są one dostępne zarówno dla systemów PXI jak i PXI Express. Wbudowane kontrolery często są przystosowane do trudnych warunków pracy takich jak np. skrajne zakresy temperatury roboczej. Są one idealnym rozwiązaniem dla systemów przenośnych „single box” (rys. 4.8).

Rys. 4.8 Przykłady kontrolerów wbudowanych firmy National Instruments (źródło: http://www.ni.com/pl-pl/shop/pxi.html)

Laptop jako kontroler PXI 

Korzystając z karty NI ExpressCard MXI (Measurement eXtensions for Instrumentation) oraz karty PCMCIA można obsługiwać systemy PXI bezpośrednio z komputerów przenośnych. Przy pomocy oprogramowania typu “software-transparent link”, komputer rozpoznaje wszystkie moduły peryferyjne w systemie PXI jako karty na magistrali PCI. Kontrola PXI od strony Laptopa wymaga ExpressCard/ PCMCIA CardBus w laptopie oraz modułu PXI/PXI Express w slocie 1 systemu PXI, połączonych za pomocą kabla (rys. 4.9a). Zestaw NI ExpressCard MXI Interface Kit (rys. 4.9b).

a)	b)

Rys. 4.9 Sterowanie PXI z Laptopa: ExpressCard, PCMCIA

Komputer osobisty jako kontroler PXI

Z użyciem NI MXI-Express i MXI-4 jako zestawów zdalnego sterowania można obsługiwać systemy PXI bezpośrednio z komputerów stacjonarnych, stacji roboczych lub serwerów (rys. 4.10). Podobnie jak dla laptopów, można kontrolować systemy PXI z komputera PC za pośrednictwem oprogramowaniem typu “software- and driver-transparent link”. Podczas uruchamiania systemu, komputer rozpoznaje wszystkie moduły peryferyjne w systemie PXI jako karty na magistrali PC. W tym przypadku system zawiera kartę PCI/PCI Express na pokładzie komputera i moduł PXI/PXI Express w slocie 1 systemu PXI, połączone za pomocą kabla lub światłowodu.

Rys.4.10 PC jako kontroler PXI poprzez MXI-Express Remote Control Kit

NI oferuje zestawy zdalnego sterowania MXI-Express, które mają jeden lub dwa porty do podłączenia z PXI (rys. 4.11). Za pomocą dwuportowego zestawu zdalnego sterowania, można obsługiwać dwa systemy PXI jednocześnie z jednego komputera - dzięki czemu można stworzyć tzw. topologię gwiazdy. Poprzez odpowiednią kombinację zestawów MXI można również utworzyć topologię liniową z pojedynczym kontrolerem.

Rys. 4.11 PC poprzez zestaw zdalnego sterowania z MXI umożliwia obsługę PXI również w strukturze wielomodułowej

Standardowe typy modułów PXI

PXI jest otwartym standardem przemysłowym. Ponad 70 różnych producentów aparatury kontrolno-pomiarowej oferuje dodatkowo prawie 1500 produktów. Zestawienie produktów standardu PXI zawarto w tabeli 4.2.

Tabela 4.2 Zestawienie produktów standardu PXI

4. ZigBee (IEEE 802.15.4) interfejs bezprzewodowy krótkiego zasięgu

W ostatnim czasie obserwuje się gwałtowny rozwój interfejsów bezprzewodowych krótkiego zasięgu takich jak Bluetooth, WSU, WiFi.  Ich podstawową zaletą jest komunikacja „bez kabla” co diametralnie zwiększa mobilność oraz swobodę użytkownika, a często obniża też koszty budowy sytemu. Interfejsy bezprzewodowe znalazły również szerokie zastosowanie w telemetrii. Bezprzewodowym interfejsem komunikacyjnym dedykowanym technice pomiarowej jest standard zdefiniowany normą IEEE 802.15.4 o potocznej nazwie ZigBee. Technologia ta jest zoptymalizowana na minimalizację poboru mocy kosztem prędkości przesyłu danych. Zaletą standardu jest mały pobór mocy możliwość podłączenie bardzo dużej liczby węzłów oraz krótki czas potrzebny na aktywację urządzenia i nadanie informacji, standardowo 15ms.

Interfejs ZigBee może pracować w trzech nielicencjonowanych pasmach częstotliwości (tabela 4) Zasięg nadajników oszacowano na 100m, ale najnowsze urządzenia przy sprzyjających warunkach mogą komunikować się nawet na odległość do 500m.

Tabela 4. Parametry interfejsu ZigBee IEEE 802.15.4

Sieć ZigBee cechuje się niskim kosztem inwestycji oraz niskim kosztem eksploatacji. Jest to możliwe ponieważ urządzenia te są stosunkowo proste, działają według prostych protokołów oraz wytwarzane są jako układ scalone o dużej skali integracji.

Objętość ramki transmisyjnej jest ograniczona do 128 bajtów. Jej struktura przedstawiona jest na rys. 6.16.

Rys. 6.16 Struktura Ramki dla protokołu transmisyjnego IEEE 802.15.4

Urządzenia ZigBee mogą pracować w różnych topologiach: gwiazdy, drzewa, siatki (rys. 6.17). Topologia siatkowa cechuje się wysoką niezawodnością ze względu na możliwość doprowadzenia sygnału wieloma drogami. Co najmniej jedno urządzenie w sieci musi być koordynatorem posiadającym wszystkie funkcje systemowe FFD (ang. Full Function Device). Pozostałe urządzenia mogą być wykonane z ograniczonymi funkcjami sterowania RFD (ang Reduced Function Deveice), dzięki czemu mogą być tańsze.

Rys. 6.17 Możliwe topologie sieci ZigBee

5. Interfejs sieciowy LAN

Integracja sieci komputerowych z systemami pomiarowymi daje możliwość tworzenia wielopoziomowych i rozbudowanych struktur informacyjno-pomiarowych. Systemy takie, dzięki rozwiniętym standardom protokołów i interfejsów sieciowych, charakteryzują się dużą skalowalnością i otwartością. Najważniejszą ich zaletą jest jednak to, że dzięki technologiom sieci lokalnych, intranetowym i internetowym, można budować systemy, które pozwalają na monitorowanie, nadzór oraz koordynację rozproszonych terytorialnie procesów produkcyjnych i badawczych. Na rys. 5.1 przedstawiona jest architektura nowoczesnego systemu, który jest rozproszony nie tylko w sensie terytorialnym, ale również w sensie zarządzania, sterowania i kontroli.

Rys. 5.1 Architektura rozproszonego w sieci systemu pomiarowo-kontrolnego

W systemie takim można wyróżnić cztery warstwy. Najniższe z nich, czyli warstwy sterowania i czujników, zawierają klasyczne systemy pomiarowe. Podsystemy te są zarządzane przez autonomiczne, programowalne kontrolery np. sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller - PLC) lub komputery ogólnego przeznaczenia (w tym osobiste) z odpowiednimi kartami interfejsowymi. Każdy z podsystemów może zawierać własny interfejs komunikacyjny (RS-488, IEC-625.2, Profibus, Ethernet itp.), który oferuje najlepsze właściwości do badania danego obiektu. Wybrane informacje z poszczególnych podsystemów przekazywane są do warstwy trzeciej.

Warstwa trzecia, tzw. systemowa, zbudowana jest w oparciu o sieć komputerową. Znajdują się w niej serwery aplikacji, serwery baz danych oraz stanowiska do kontroli i serwisu całego systemu. Głównym zadaniem sprzętu i oprogramowania, znajdującego się na tym poziomie jest skoordynowanie działań całej struktury, odpowiednie przetworzenie danych (np. algorytmami CPS), współdzielenie zasobów do przetwarzania rozproszonego, reakcja na typowe zdarzenia awaryjne i umożliwienie pełnej kontroli nad systemem warstwie zarządzania i planowania.

Kontrolery warstwy drugiej podłączone są do sieci komputerowej, która pełni rolę ośrodka integrującego cały system, bezpośrednio lub za pomocą specjalnych urządzeń, spełniających funkcje bram (ang. gateway). Technologie sprzętowo-programowe połączeń z siecią komputerową są związane z protokołami komunikacyjnymi poszczególnych podsystemów. Oznacza to dużą różnorodność rozwiązań, co ma wpływ na skalowalność i otwartość struktury. Jednak występują już na rynku kompleksowe rozwiązania sieciowych systemów komunikacyjnych, umożliwiające efektywną i prostą integrację całego środowiska. Do najbardziej zaawansowanych technologii należą rozwiązania firm: Hewlett-Packard (Industrial Ethernet), Hirschmann (Industrial Networking), National Instruments (DataSocket) i Sun Microsystems (Java, Jini).

Obecnie, najbardziej rozpowszechnioną technologią lokalnej sieci komputerowej (LAN: Local Area Network) jest Ethernet. Sieci tego typu charakteryzują się dużą szybkością transmisji, prostą konstrukcją, dużą niezawodnością i niską ceną. Ethernet nie został zaprojektowany do komunikacji w systemach pracujących w czasie rzeczywistym, dlatego wykorzystanie jego standardowej wersji jako interfejsu układu pomiarowego budzi czasami kontrowersje. Jest to spowodowane głównie sposobem arbitrażu przy transmisji. Stosowane jest w nim wykrywanie fali nośnej i detekcja kolizji tzw. CSMA/CD (ang. Carrier Sense with Multiple Access / Collision Detection). Sposób ten nie gwarantuje determinizmu czasowego. Jednak zmiany w specyfikacji IEEE-802, dotyczącej Ethernetu spowodowały, że technologia ta może być z powodzeniem wykorzystywana w strukturach rozproszonych systemów pomiarowych na poziomie systemowym i w niektórych przypadkach na poziomie sterowania. Standard ten gwarantuje, że efektywny czas dostarczenia wiadomości nie przekracza czterech milisekund. Przy oferowanej obecnie przez Ethernet szybkości 100 megabitów na sekundę (Mbps) można powiedzieć, iż jest to rozwiązanie konkurencyjne dla wielu dedykowanych interfejsów przemysłowych.

Wykorzystanie sieci komputerowych w rozproszonych systemach pomiarowych zostało szeroko przebadane zarówno na uczelniach, jak i w przemyśle. Zauważalnym obecnie trendem w takich systemach jest przejście od wyspecjalizowanych, centralnie zarządzanych układów do bardziej elastycznych, otwartych i skalowalnych, mających zdecentralizowane sterowanie i przetwarzanie. Coraz częściej wykorzystywane są w nich zorientowane obiektowo platformy i języki wysokiego poziomu. Wykorzystuje się w nich nie tylko sieci lokalne, ale również technologie intranetowe i internetowe.

6. Ćwiczenia do modułu (rozwiązane problemy praktyczne - zadania, projekty)

W tej części zostaną zaprezentowane wybrane interfejsy komunikacyjne. Zostanie przedstawiony sposób połączenia urządzeń, konfiguracja interfejsu, korzyści i wady danego rozwiązania.

6.1. Interfejs szeregowy RS – 232C

Pomimo tego, że standard RS – 232C został zaprojektowany niemalże w połowie XX wieku jest nadal bardzo popularny (do niedawna był standardowym wyposażeniem wszystkich komputerów PC – został wyparty przez USB). Podstawowe jego zalety to proste oprogramowanie, tani kabel połączeniowy, masowa dostępność. Wady to możliwość podłączenia tylko dwóch urządzeń, długość linii przewodowej do 15m, mała prędkość transmisji 20kb/s, podatność na zakłócenia. Niemniej jednak parametry te zazwyczaj są wystarczające do realizacji komunikacji w systemach pomiarowych. Transmisja danych w standardzie RS-232C odbywa się za pomocą uproszczonej 9 liniowej magistrali (pełna magistrala 25 linii). Złącza obu magistrali znajdują się na rys. 6.1 a opis linii w tabeli 1

Rys. 6.1 Styki DB-9 i DB-25 interfejsu RS – 232C

Tabela 1. Najważniejsze linie magistrali interfejsu RS – 232C

Styk DB-9	Styk DB-25	Skrót linii	Nazw angielska	Nazwa Polska	Kierunek DTE – DCE
1	8	DCD	Data Carrier Detected	Poziom sygnału
2	3	RxD	Received Data	Dane odebrane
3	2	TxD	Transmitted Data	Dane nadawane
4	20	DTR	Data Terminal Ready	Gotowość DTE
5	7	SG	Signal Ground	Masa sygnału
6	6	DSR	Data Set Ready	Gotowość DCE
7	4	RTS	Request to Send	Żądanie nadawania
8	5	CTS	Clear to Send	Gotowość nadawania
9	22	RI	Ring Idicator	Wskaźnik wywołania
-	1	PG	Protective Ground	Masa ochronna

Opis linii

Linie Danych:

TxD – dane nadawane

RxD – dane odbierane

Linie sterujące (obowiązuje logika pozytywna):

RTS – żądanie nadawania danych zgłaszane przez terminal DTE

CTS – gotowość do nadawania zgłaszana przez modem DCE (przesyła potwierdzenie odebrania  sygnału RTS)

DSR – gotowość modemu DCE do współpracy z DTE (aktywny przez cały czas trwania połączenia)

DTR – gotowość DTE do współpracy z DCE (aktywny przez cały czas trwania połączenia)

DCD – sygnał wykrycia przez modem fali nośnej (oznacza, że łączy się z innym modemem)

Linie masy:

SG – masa sygnałowa

PG – masa ochronna połączona z obudową urządzenia

W przypadku gdy komunikacja odbywa się między urządzeniami DTE – DCE (np. komputer – modem) linie magistrali łączymy wprost w przypadku gdy komunikacja odbywa się bezpośrednio między urządzeniami DTE – DTE (np.: komputer – multimetr) należy zastosować tzw. kable modemu zerowego (null-modem), w którym odpowiednie linie są skrzyżowane co przedstawione jest na rys. 6.2.

Rys. 6.2 Kable transmisyjne RS – 232C

Na rysunku 6.3 przedstawiona jest sytuacja, w której urządzenie DTE (komputer) wysłało jedną ramkę danych o następujących parametrach:

• 1 bit startu (wartość logiczna 0)
• 8 bitów danych
• 1 bit parzystości (0 – tryb even - ramka zawiera parzystą liczbę jedynek)
• 2 bity stopu (11)

Bit startu uruchamia zegar zapewniający prawidłową synchronizację odczytu. Częstotliwość pracy tego zegara (1/t_B) określa szybkość transmisji. Typowe prędkości transmisji to: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 (bitów/sek).

Rys. 6.3 Ramka danych RS – 232C

Przykład zestawienia kanału komunikacyjnego za pośrednictwem interfejsu RS – 232C

System pomiarowy został zbudowany zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 6.4. Komputer i multimetr Agilent 34401A są urządzeniami typu DTE.

Rys. 6.4 Połączenie komputera i multimetru przy wykorzystaniu interfejsu RS -232C

Należy uruchomić systemowy terminal komunikacyjny (Menu Start > Wszystkie programy > Akcesoria > Komunikacja > Hyper Terminal). Następnie nadajemy własną nazwę nowemu połączeniu. Wybieramy port > COM1 i ustawiamy następujące parametry transmisji:

Prędkość transmisji: 9600b/s

Liczba bitów danych: 8

Kontrola parzystości: brak (none)

Liczba bitów stopu: 2

Sterowanie przepływem: brak (none)

Następnie we właściwościach nowego połączenia wybieramy Setings  -> ASCII Setup i zaznaczamy  opcje: Send line ends with line Leeds i Echo typed character locally (rys. 6.5)

Rys. 6.5 Ustawienie parametrów terminala

Po akceptacji parametrów powinno pojawić się (puste) okno przedstawione na rys. 6.6. Multimetr Agilent34401A komunikuję się w protokole SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments).

Wysłanie polecenia  *IDN?<cr> spowoduje przesłanie identyfikatora urządzenia. <cr> -  oznacza tzw. „powrót karetki”, co można uzyskać poprzez naciśnięcie klawisza „Enter”.

Polecenie  SYStem:REMote<cr>  spowoduje ustawienie multimetru w tryb pracy zdalnej, będzie możliwa obsługa multimetru za pomocą interfejsu RS – 232C.

Natomiast polecenie  MEASure:VOLTage:DC?<cr>  spowoduje zmierzenie napięcia stałego na zaciskach multimetru (rys. 6.6).  

Rys. 6.6 Zapis przykładowej komunikacji z multimetrem

6.2. RS – 485

Znacznym rozwinięciem standardu RS – 232C jest standard RS – 485 opracowany w 1983. Interfejs taki w komputerze możemy zrealizować poprzez zainstalowanie dodatkowej karty lub użycie konwertera interfejsów RS – 232C/RS – 485. Przy nie zmienionych prawie parametrach programowania interfejsu, zastosowano linie symetryczną do przesyłania danych co wydłużyło zasięg interfejsu oraz wprowadzono trójstanowy sygnał wyjściowy. Oprócz logicznego 0 i 1 funkcjonuje stan wysokiej impedancji co pozwala na odłączenie odbiornika od magistrali. To z kolei umożliwi podłączenie do jednej magistrali do 32 urządzeń nadawczo-odbiorczych. Najczęstszym trybem komunikacji w magistrali RS-485 jest komunikacja półdupleksowa (w jednej chwili tylko jedno urządzenie nadaje dane). W tabeli 2 znajduje się porównanie standardów RS-232C i RS-485.

Tabela 2. Porównanie parametrów interfejsów RS – 232C i RS – 485

6.3. Ethernet (IEEE 802.3)

Ethernet jest technologią skupiającą budowę lokalnych sieci komputerowych (LAN). Bazuje ona na idei węzłów nadawczo odbiorczych podłączonych do wspólnej magistrali komunikacyjne. Każdy z węzłów posiada niepowtarzalny identyfikator – adres MAC. Wymiana informacji odbywa się za pośrednictwem dedykowanych ramek danych. Ethernet został opracowany w 1976 roku przez Roberta Metcalfe’a. Od tego czasu znacznie ewoluował i zyskiwał na popularności i dziś każdy komputer wyposażony jest w co najmniej jedną kartę umożliwiającą współpracę z siecią Ethernet. Interfejs ten jest również bardzo często stosowany w systemach pomiarowych. Do zalet tego standardu należą: wymieniona już popularność, dostępność, niski koszt przesyłania danych, współpraca z sieciami rozległymi typu WAN (co daje możliwość tworzenia bardzo rozległych systemów pomiarowych), wysoka przepustowość 10Gb/s.

Dane w sieci przekazywane są w ramce której struktura przedstawiona jest na rys. 6.7. W preambule nadawany jest 7 bajtowy ciąg  „10101010101010101010101010101010101010101010101010101010”. Daje to możliwość szybkiej synchronizacji odbiorników. Znacznik początkowy ramki SFD ang. start frame delimiter jest sekwencją 8 bitową 10101011. Następnie znajduje się 6 bajtowy adres MAC odbiorcy i 6 bajtowy adres MAC nadawcy, następnie określany jest typ ramki (2 bajty) w który zapisana jest informacja o rozmiarze ramki lub protokole. Kolejnym blokiem są dane, których rozmiar może wahać się od 46 do 1500 bajtów. Bloki danych mniejsze niż 46 bajtów uzupełniane są zerami. Na końcu przesłana jest 4 bajtowa suma kontrolna pozwalająca na sprawdzenie poprawności danych.

Rys. 6.7 Struktura ramki danych w sieci Ethernet

Tylko jedna stacja w danej chwili czasu może nadawać sygnał w przypadku gdy sygnał jednocześnie zostanie nadany przez dwie stacje wystąpi kolizja. Wtedy stacje powinny wstrzymać nadawanie i przystąpić do retransmisji za „pewien czas”. Obsługa kolizji oraz wykrywanie fali nośne odbywa się za pomocą protokołu CSMA/CD (ang. carrier sense with multiple access/collision detection).

Najczęściej wykorzystywanym protokołem transmisji danych, jest zestawienie dwóch protokołów TCP/IP (transmission control protocol/Internet protocol). TCP zarządza komunikacją miedzy komputerami, natomiast IP zazimuje się fragmentacją i scaleniem pakietów oraz rozsyłaniem ich do odpowiednich sieci.

Najbardziej popularnym złączem Ethernetowym jest RJ-45 przedstawione na rys. 6.8.

Rys. 6.8 Złącze RJ-45

Do złącza RJ-45 stosuje się najczęściej kabel nieekranowany kategorii 5 (UTP5). Na rys. 6.9 przedstawiony jest sposób usytuowania kabli w złączu RJ-45.

Rys. 6.9 Ułożenie kabli w złączu RJ-45

Przykład zestawienia kanału komunikacyjnego za pośrednictwem sieci LAN

Rys. 6.10 Podłączenie oscyloskopu z wykorzystaniem sieci LAN

Aby skonfigurować połączenie LAN należy najpierw przypisać do oscyloskopu odpowiedni adres IP (rys. 6.11).

Rys. 6.11 Przypisanie do oscyloskopu adresu IP

Następnie oprogramowanie narzędziowe zainstalowane na komputerze musi znaleźć staloskop w sieci komputerowej (rys. 6.12). Po kliknięciu przycisku OK połączenie jest ustanowione.

Rys. 6.12 Zidentyfikowanie oscyloskopu w sieci LAN

Oscyloskop Rigol DS2302A komunikuje się w protokole SCIPI. Możemy więc dowolnie nim sterować korzystając z tego protokołu. Wysłanie polecenia  spowoduje przesłanie identyfikatora oscyloskopu (rys. 6.13).

Rys. 6.13 Odpowiedź oscyloskopu na komendę *IDN?

Co więcej można korzystać z dedykowanej aplikacji, która powiela prawie wszystkie funkcjonalności oscyloskopu na interfejsie komputerowym. W ten sposób oscyloskop może być bardzo wygodnie zdalnie obsługiwany poprzez sieć LAN. Porównanie panelu czołowego oscyloskopu i odpowiadającego mu interfejsu komputerowego jest przedstawione na rys. 6.14 i 6.15.

Rys. 6.14 Panel przedni oscyloskopu

Rys. 6.15 Interfejs komputerowy odpowiadający przedniemu panelowi oscyloskopu

6.4. ZigBee (IEEE 802.15.4) interfejs bezprzewodowy krótkiego zasięgu

W ostatnim czasie obserwuje się gwałtowny rozwój interfejsów bezprzewodowych krótkiego zasięgu takich jak Bluetooth, WSU, WiFi.  Ich podstawową zaletą jest komunikacja „bez kabla” co diametralnie zwiększa mobilność oraz swobodę użytkownika, a często obniża też koszty budowy sytemu. Interfejsy bezprzewodowe znalazły również szerokie zastosowanie w telemetrii. Bezprzewodowym interfejsem komunikacyjnym dedykowanym technice pomiarowej jest standard zdefiniowany normą IEEE 802.15.4 o potocznej nazwie ZigBee. Technologia ta jest zoptymalizowana na minimalizację poboru mocy kosztem prędkości przesyłu danych. Zaletą standardu jest mały pobór mocy możliwość podłączenie bardzo dużej liczby węzłów oraz krótki czas potrzebny na aktywację urządzenia i nadanie informacji, standardowo 15ms.

Interfejs ZigBee może pracować w trzech nielicencjonowanych pasmach częstotliwości (tabela 4) Zasięg nadajników oszacowano na 100m, ale najnowsze urządzenia przy sprzyjających warunkach mogą komunikować się nawet na odległość do 500m.

Tabela 4. Parametry interfejsu ZigBee IEEE 802.15.4

Sieć ZigBee cechuje się niskim kosztem inwestycji oraz niskim kosztem eksploatacji. Jest to możliwe ponieważ urządzenia te są stosunkowo proste, działają według prostych protokołów oraz wytwarzane są jako układ scalone o dużej skali integracji.

Objętość ramki transmisyjnej jest ograniczona do 128 bajtów. Jej struktura przedstawiona jest na rys. 6.16.

Rys. 6.16 Struktura Ramki dla protokołu transmisyjnego IEEE 802.15.4

Urządzenia ZigBee mogą pracować w różnych topologiach: gwiazdy, drzewa, siatki (rys. 6.17). Topologia siatkowa cechuje się wysoką niezawodnością ze względu na możliwość doprowadzenia sygnału wieloma drogami. Co najmniej jedno urządzenie w sieci musi być koordynatorem posiadającym wszystkie funkcje systemowe FFD (ang. Full Function Device). Pozostałe urządzenia mogą być wykonane z ograniczonymi funkcjami sterowania RFD (ang Reduced Function Deveice), dzięki czemu mogą być tańsze.

Rys. 6.17 Możliwe topologie sieci ZigBee