FOUNDATION fieldbus. Es un sistema de comunicación digital, serial, bidireccional que sirve como red a nivel básico de automatización en una planta industrial. Multidrop wiring. FOUNDATION fieldbus soporta hasta 32 dispositivos, sin embargo lo típico ( limitaciones de voltaje y corriente ) es de 16 dispositvos. Data Link & Application Layers Empaqueta Datos y Administra los tiempos Physical Layer Interfaz Electrónica Electrónica (9-32 V, 15-20 mA) La fundación FieldBus, desarrolló protocolos de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc).
LIMITES DEL LARGO DE SEGMENTO
Type
Description
Size
Maximum length
A
Individual shielded, twisted pair
#18 AWG (0.8 mm2)
1900 m (6232 ft.)
B
Multiple-twisted-pair with overall shield
#22 AWG (0.32 mm2)
1200 m (3936 ft.)
C
Multiple-twisted-pair without shield
#26 AWG (0.13 mm2)
400 m (1312 ft.)
D
Two wires with no shield and not twisted
#16 AWG (1.25 mm2)
200 m (656 ft.)
El largo máximo de cada spur depende: Del número de instrumentos en el segmento Del número de dispositivos en el spur. Total devices on segment
Devices per spur 1
2
3
1-12
120 m
90 m
60 m
13-14
90 m
60 m
30 m
15-18
60 m
30 m
1m
Protocolo CAN/LIN CAN BUS
¿Qué es el Can-Bus? Can-Bus es un protocolo de comunicación en serie desarrollado por Bosch para el intercambio de información entre unidades de control electrónicas del automóvil. Can Can sign signif ific icaa Cont Contro roll ller er Area Area Netw Networ orkk (Red (Red de área área de cont contro rol) l) y Bus, Bus, en informática, informática, se entiende como un elemento que permite transportar una gran cantidad de información. Este sistema permite compartir una gran cantidad de información entre las unidades de control abonadas al sistema, lo que provoca una reducción importante tanto del núme número ro de sens sensor ores es util utiliz izad ados os como como de la cant cantid idad ad de cabl cables es que que comp compon onen en la instalación eléctrica. De esta forma aumentan considerablemente las funciones presentes en los sistemas del automóvil donde se emplea el Can-Bus sin aumentar los costes, además de que estas funciones pueden estar repartidas entre dichas unidades de control. ¿Cuáles son las principales características del protocolo CAN? · La información información que que circula entre las unidades de mando a través de los dos cables (bus) (bus) son paquet paquetes es de 0 y 1 (bit) (bit) con con una longi longitud tud limita limitada da y con una estruct estructura ura definida de campos que conforman el mensaje. · Uno de esos campos actúa de identificador identificador del tipo de dato que se transporta, de la unidad de mando que lo trasmite trasmite y de la prioridad para trasmitirlo trasmitirlo respecto a otros. El mensaje no va direccionado a ninguna unidad de mando en concreto, cada una de ellas reconocerá mediante este identificador si el mensaje le interesa o no. · Todas las unidades de mando pueden ser trasmisoras y receptoras, y la cantidad cantidad de las mismas abonadas al sistema puede ser variable (dentro de unos límites). · Si la la situa situaci ción ón lo exi exige ge,, una unid unidad ad de man mando do pued puedee solic solicit itar ar a otra otra una determinada información mediante uno de los campos del mensaje (trama remota o RDR). · Cualquie Cualquierr unidad unidad de mando mando int introduc roducee un mensaje mensaje en el bus con la condici condición ón de que esté libre, si otra lo intenta al mismo tiempo el conflicto se resuelve por la prioridad del mensaje indicado por el identificador del mismo. · El sistema está dotado de una serie de mecanismos mecanismos que que aseguran que el mensaje es trasmitido y recepcionado correctamente. Cuando un mensaje presenta un error, es anulado y vuelto a trasmitir de forma correcta, de la misma forma una unidad de mando con problema problemass avisa avisa a las las demás demás mediante mediante el propi propioo mensa mensaje, je, si la situa situació ciónn es
irreversible, dicha unidad de mando queda fuera de servicio pero el sistema sigue funcionando. ¿Qué elementos componen el sistema Can-Bus? Cables La información circula por dos cables trenzados que unen todas las unidades de control que forman el sistema. Esta información se trasmite por diferencia de tensión entre los dos cables, de forma que un valor alto de tensión representa un 1 y un valor bajo de tensión representa un 0. La combinación adecuada de unos y ceros conforman el mensaje a trasmitir. En un cable los valores de tensión oscilan entre 0V y 2.25V, por lo que se denomina cable L (Low) y en el otro, el el cable H (High) (High) lo hacen entre 2.75V. y 5V. En caso de que se interrumpa la línea H o que se derive a masa, el sistema trabajará con la señal de Low con respecto a masa, en el caso de que se interrumpa la línea L, ocurrirá lo contrario. Esta situación permite que el sistema siga trabajando con uno de los cables cortados o comunicados a masa, incluso con ambos comunicados también sería posible el funciona funcionamien miento, to, quedando quedando fuera de servicio servicio solamente solamente cuando cuando ambos ambos cables cables se cortan. Es importante tener en cuenta que el trenzado entre ambas líneas sirve para anular los campos magnéticos, por lo que no se debe modificar en ningún caso ni el paso ni la longitud de dichos cables.
Elemento de cierre o terminador Son resistenc resistencias ias conectada conectadass a los extremos extremos de los cables cables H y L. Sus valores valores se obtie obt ienen nen de forma forma empíri empírica ca y permi permiten ten adecua adecuarr el funci funciona onamie mient ntoo del del siste sistema ma a diferentes longitudes de cables y número de unidades de control abonadas, ya que impiden fenómenos de reflexión que pueden perturbar el mensaje. Estas resistencias están alojadas en el interior de algunas de las unidades de control del sistema por cuestiones de economía y seguridad de funcionamiento
Controlador Es el elemento encargado encargado de la comunicación comunicación entre el microprocesador microprocesador de la unidad de control y el trasmisor-receptor. Trabaja acondicionando la información que entra y sale entre ambos componentes.
El controlador está situado en la unidad de control, por lo que existen tantos como unidades estén conectadas conectadas al sistema. Este elemento trabaja con niveles de tensión muy bajos y es el que determina la velocidad de trasmisión de los mensajes, que será mas o menos menos elevada elevada según el compromiso compromiso del sistema. sistema. Así, en la línea de Can-Bus del motor-frenos-cambio automático es de 500 K baudios, y en los sistema de confort de 62.5 K baudios. Este elemento también interviene en la necesaria sincronización entre las diferentes unidades de mando para la correcta emisión y recepción de los mensajes.
Transmisor / Receptor El trasmisor-receptor es el elemento que tiene la misión de recibir y de trasmitir los datos, además de acondicionar acondicionar y preparar preparar la información información para que que pueda ser ser utilizada utilizada por los controla controladore dores. s. Esta preparaci preparación ón consiste consiste en situar los niveles de tensión tensión de forma adecuada, amplificando la señal cuando la información se vuelca en la línea y reduciéndola cuando es recogida de la misma y suministrada al controlador. El trasmisor-receptor es básicamente un circuito integrado que está situado en cada una de las unidades de control abonadas al sistema, trabaja con intensidades intensidades próximas a 0.5 0.5 A y en ning ningún ún caso caso inte interv rvie iene ne mo modi difi fica cand ndoo el cont conten enid idoo del del mens mensaj aje. e. Funci Fun ciona onalme lmente nte está está situa situado do entre entre los cable cabless que forman forman la lí líne neaa Can-Bu Can-Buss y el controlador.
¿Como funciona el sistema Can-Bus? Las unidades de mando que se conectan al sistema Can-Bus son las que necesitan comp compar arti tirr info inform rmac ació ión, n, pert perten enez ezca cann o no a un mi mism smoo sist sistem ema. a. En auto automo moci ción ón generalmente generalmente están conectadas a una línea las unidades de control del motor, del ABS y del cambio automático, y a otra línea (de menor velocidad) las unidades de control relacionadas con el sistema de confort.
El siste sistema ma Can-Bu Can-Buss está está orient orientad adoo hacía hacía el mensa mensaje je y no al desti destinat natari ario. o. La información en la línea es trasmitida en forma de mensajes estructurados en la que una parte del mismo es un identificador que indica la clase de dato que contiene. Todas las unidades de control reciben el mensaje, lo filtran y solo lo emplean las que necesitan dicho dato. Naturalmente, la totalidad de unidades de control abonadas al sistema son capaces tanto de introducir como de recoger mensajes de la línea. Cuando el bus está libre cualquier unidad conectada puede empezar a trasmitir un nuevo mensaje. En el caso de que una o varias unidades pretendan introducir un mensaje al mismo tiempo, lo hará la que tenga una mayor prioridad. prioridad. Esta prioridad viene indicada indicada por el identificador. El proceso de trasmisión de datos se desarrolla siguiendo un ciclo de varias fases: Suministro de datos: Una unidad de mando recibe información de los sensores que tiene asociados (r.p.m. del motor, velocidad, temperatura del motor, puerta abierta, etc.) Su mi micro cropro proces cesado adorr pasa pasa la infor informac mación ión al contro controla lador dor donde donde es gesti gestiona onada da y acondicionada para a su vez ser pasada al trasmisor-receptor donde se transforma en señales eléctricas. Trasmisión de datos: El controlador de dicha unidad transfiere los datos y su identificador identificador junto con la petición de inicio de trasmisión, trasmisión, asumiendo la responsabilidad responsabilidad de que el mensaj mensajee sea correc correcta tamen mente te trasmi trasmiti tido do a todas todas las las unida unidades des de mando mando asociadas. Para trasmitir el mensaje ha tenido que encontrar el bus libre, y en caso de colisión con otra unidad de mando intentando trasmitir simultáneamente, tener una prioridad mayor. A partir del momento en que esto ocurre, el resto de unidades de mando se convierten en receptoras. Recepció Recepciónn del mensaje: mensaje: Cuando la totalidad totalidad de las unidades unidades de mando mando reciben reciben el mensaje, verifican el identificador para determinar si el mensaje va a ser utilizado por ellas. Las unidades de mando que necesiten los datos del mensaje lo procesan, si no lo necesitan, el mensaje es ignorado. El sistema Can-Bus dispone de mecanismos para detectar errores en la trasmisión de mens mensaj ajes es,, de form formaa que que todo todoss los los rece recept ptor ores es real realiz izan an un cheq cheque ueoo del del mens mensaj ajee analizando una parte del mismo, llamado campo CRC. Otros mecanismos de control se aplican en las unidades emisoras que monitorizan el nivel del bus, la presencia de campos de formato fijo en el mensaje (verificación de la trama), análisis estadísticos por parte de las unidades de mando de sus propios fallos etc. Estas medidas hacen que las probabilidades de error en la emisión y recepción de mensajes sean muy bajas, por lo que es un sistema extraordinariamente seguro. El plan plante team amie ient ntoo del del CanCan-Bu Bus, s, como como pued puedee dedu deduci cirs rse, e, perm permit itee dism dismin inui uir r notablemente el cableado en el automóvil, puesto que si una unidad de mando dispone de una información, como por ejemplo, la temperatura del motor, esta puede ser utilizada por el resto de unidades de mando sin que sea necesario que cada una de ellas reciba la información de dicho sensor. Otra ventaja obvia es que las funciones funciones pueden ser repartidas entre distintas distintas unidades de mando, y que incrementar las funciones de las mismas no presupone un coste adicional excesivo.
¿Como es el mensaje? El mensaje es una sucesión de “0” y “1”, que como se explicaba al principio, están representados por diferentes niveles de tensión en los cables del Can-Bus y que se denominan “bit”. El mensaje tiene una serie de campos de diferente tamaño (número de bits) que permiten llevar a cabo el proceso de comunicación entre las unidades de mando según el protocolo definido por Bosch para el Can-Bus, que facilitan desde identificar a la unidad de mando, como indicar el principio y el final del mensaje, mostrar los datos, permitir distintos controles etc. Los mensajes son introducidos en la línea con una cadencia que oscila entre los 7 y los 20 milisegundos dependiendo de la velocidad del área y de la unidad de mando que los introduce. Ejemplo de cómo se escribe un mensaje:
Estructura del mensaje estándar:
Campo de inicio del mensaje: El mensaje se inicia con un bit dominante, cuyo flanco descendente es utilizado por las unidades de mando para sincronizarse entre sí. Campo de arbitrio: Los 11 bit de este campo se emplean como identificador que permite reconocer a las unidades de mando la prioridad del mensaje. Cuanto más bajo sea el valor del identificador más alta es la prioridad, y por lo tanto determina el orden en que van a ser introducidos los mensajes en la línea. El bit RTR indica si el mensaje contiene datos (RTR=0) o si se trata de una trama remota sin datos (RTR=1). Una trama de datos siempre tiene una prioridad más alta que una trama remota. La trama remota se emplea para solicitar datos a otras unidades de mando o bien porque se necesitan o para realizar un chequeo. Campo de control: Este campo informa sobre las las características características del campo de datos. El bit IDE indica cuando es un “0” que se trata de una trama estándar y cuando es un “1” que es una trama extendida. Los cuatro bit que componen el campo DLC indican el número de bytes contenido en el campo de datos. La diferencia entre una trama estandar y una trama extendida es que la primera tiene 11 bits y la segunda 29 bits. Ambas tramas pueden coexistir eventualmente, y la razón de su presencia es la existencia de dos versiones de CAN. Campo de datos: En este campo aparece la información del mensaje con los datos que la unidad de mando correspondiente introduce en la linea Can-Bus. Puede contener entre 0 y 8 bytes (de 0 a 64 bit). Campo de aseguramiento (CRC): Este campo tiene una longitud de 16 bit y es utilizado utilizado para la detección detección de errores por los 15 primeros, mientras el último siempre es un bit recesivo (1) que delimita el campo CRC. Campo de confirmación (ACK): El campo ACK esta compuesto por dos bit que son siempre trasmitidos como recesivos (1). Todas las unidades de mando que reciben el mismo CRC modifican el primer bit del campo ACK por uno dominante (0), de forma que la unidad de mando que está todavía trasmitiendo reconoce que al menos alguna unidad de mando ha recibido un mensaje escrito correctamente. correctamente. De no ser así, la unidad de mando trasmisora interpreta que su mensaje presenta un error. Campo de final de mensaje (EOF): Este campo indica el final del mensaje con una cadena de 7 bits recesivos.
Puede ocurrir que en determinados mensajes se produzcan largas cadenas de ceros o unos, y que esto provoque una pérdida de sincronización entre unidades de mando. El protocolo CAN resuelve esta situación insertando un bit de diferente polaridad cada cinco bits iguales: cada cinco “0” se inserta un “1” y viceversa. La unidad de mando que utiliza el mensaje, mensaje, descarta un bit posterior posterior a cinco bits iguales. iguales. Estos bits reciben reciben el nombre de bit stuffing. Ejemplo de un mensaje real: DATO SOF identificador identificador RTR DE DLC DATO byte 2 CRC ACK FN byte 1 0 1100010000 0 000 0010 00010110 00000000 0 01 11111 ¿Como se diagnóstica el Can-Bus? Los sistemas de seguridad que incorpora el Can-Bus permiten que las probabilidades de fallo en el proceso de comunicación sean muy bajas, pero sigue siendo posible que cables, contactos y las propias unidades de mando presenten alguna disfunción. Para el análisis de una avería, se debe tener presente que una unidad de mando averia averiada da abona abonada da al Can-Bu Can-Buss en ningú ningúnn caso caso imp impide ide que el sistem sistemaa traba trabaje je con normalidad. Lógicamente no será posible llevar a cabo las funciones que implican el uso de información que proporciona la unidad averiada, pero sí todas las demás. Por ejemplo, si quedase fuera de servicio la unidad de mando de una puerta, no funcionaría el cierre eléctrico ni se podrían accionar el del resto de las puertas. En el supuesto que la avería se presentara en los cables del bus, sería posible accionar eléctricamente la cerradura de dicha puerta, pero no las demás. Recuérdese que esto solo ocurriría si los dos cables se cortan o se cortocircuitan a masa. También es posible localizar fallos en el Can-Bus consultando el sistema de auto diagnosis del vehículo, donde se podrá averiguar desde el estado de funcionamiento funcionamiento del sistema hasta las unidades de mando asociadas al mismo, pero necesariamente se ha de disponer del equipo de chequeo apropiado. Otra alternativa es emplear el programa informático CANAlyzer (Vector Informatik GmbH) con el ordenador con la conexión adecuada. Este programa permite visualizar el tráfico de datos en el Can-Bus, indica el contenido de los mensajes y realiza la estadística de mensajes, rendimiento y fallos. Probablemente, la herramienta más adecuada y asequible sea el osciloscopio digital con dos canales, memoria y un ancho de banda de 20 MHz. (FLUKE, MIAC M IAC etc.) con el que se pueden visualizar perfectamente los mensajes utilizando una base de tiempos de 100 microsegundos y una base de tensión de 5V. En este caso, se debe tener en cuenta que los bits stuff (el que se añade después de cinco bits iguales) deben ser eliminados.
Bluetooth es
una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPANs) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia por radiofrecuencia en la banda la banda ISM de los 2,4 GHz GHz.. Los principales objetivos que se pretenden conseguir con esta norma son: • •
Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos... Eliminar cables y conectores entre éstos.
•
Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre equipos personales.
Los dispositivos que con mayor frecuencia utilizan esta tecnología pertenecen a sectores de las telecomunicaciones y la informática informática personal, personal, como PDA PDA,, teléfonos móviles, móviles , computadoras portátiles, portátiles , ordenadores personales, personales , impresoras o cámaras digitales. digitales .
Usos y aplicaciones Se denomina Bluetooth al protocolo al protocolo de comunicaciones diseñado especialmente para dispositivos de bajo consumo, con una cobertura baja y basados en transceptores de bajo coste. Gracias a este protocolo, los dispositivos que lo implementan pueden comunicarse entre ellos cuando se encuentran dentro de su alcance. Las comunicaciones se realizan por radiofrecuencia de forma que los dispositivos no tienen que estar alineados y pueden incluso estar en habitaciones separadas si la potencia de transmisión lo permite. Estos dispositivos dispositivos se clasifican como "Clase 1", "Clase 2" o "Clase 3" en referencia a su potencia de transmisión, siendo totalmente compatibles los dispositivos de una clase con los de las otras.
Clase
Potencia máxima permitida (mW mW))
Potencia máxima permitida (dBm dBm))
Rango (aproximad o)
Clase 1
100 mW
20 dBm
~100 metros
Clase 2
2.5 mW
4 dBm
~25 metros
Clase 3
1 mW
0 dBm
~1 metro
En la mayoría de los casos, la cobertura efectiva de un dispositivo de clase 2 se extiende cuando se conecta a un transceptor de clase 1. Esto es así gracias a la mayor sensibilidad y potencia de transmisión del dispositivo de clase 1, es decir, la mayor potencia de transmisión del dispositivo de clase 1 permite que la señal llegue con energía suficiente hasta el de clase 2. Por otra parte la mayor sensibilidad del dispositivo de clase 1 permite recibir la señal del otro pese a ser más débil. Los dispositivos con Bluetooth también pueden clasificarse según su ancho de banda:
Versión
Ancho de banda
Versión 1.2
1 Mbit/s
Versión 2.0 + EDR
3 Mbit/s
UWB Bluetooth (propuesto)
53 - 480 Mbit/s
PROTOCOLO HART Características del protocolo Fácil de usar: HART tiene una eficacia probada en terreno, es muy sencillo de usar y provee una muy efectiva comunicación digital de dos vías. Asimismo, este protocolo es usado simultáneamente con la señal análoga de 4-20 mA, utilizada por los instrumentos tradicionales. Solución de comunicación única: Como ninguna otra tecnología de comunicación digital, el protocolo HART provee una excepcional solución de comunicación compatible con gran parte de la base de instrumentos instalados y en uso actualmente. Esta característica de compatibilidad asegura que el cableado existente y la estrategia de control actual continuará en el futuro. Diseñado para ocupar la señal análoga tradicional de 4-20 mA, el protocolo HART maneja comunicaciones digitales utilizando dicha señal como portadora, para medición de procesos y aparatos de control. Las aplicaciones incluyen interrogación de variables de proceso remotas, acceso cíclico a datos de proceso, ajuste de parámetros y diagnóstico. Comunicación tipo Maestro-Esclavo: Maestro-Esclavo: Durante operación normal, en cada esclavo (equipo de terreno) la comunicación es iniciada por un equipo de comunicación tipo maes-tro. Dos maestros pueden conectarse a cada lazo de comunicación HART. El maestro primario es generalmente un aparato de Control tipo DCS (sistema de control distribuido), controlador de lógica programable (PLC) o un Computador Personal (PC). El maestro secundario puede ser un terminal portátil de comunicación u otro PC. Los aparatos esclavos incluyen transmisores, actuadores de válvula y controladores que responden al comando del maestro primario o secundario.
La señal de frecuencia, corazón del protocolo
El protocolo de comunicación HART está basado en el sistema de comunicación telefónica estándar BELL 202 y opera usando el principio del Cambio Codificado de Frecuencia (FSK). La señal digital está construida de dos frecuencias principales, 1200 Hz y 2200 Hz, representando los Bits 1 y 0 (cero), respectivamente. Las ondas seno de estas dos frecuencias están superim-puestas en la señal de corriente continua análoga de 4-20 mA DC. Con esto, cables de comunicación con señales análogas transportan a la vez comunicación análoga y digital (Fig. 1).
Figura 1: Comunicación análoga y digital simultánea.
Producto que el valor promedio de la señal FSK es siempre cero, la señal análoga de corriente continua de 4-20 mA, no es afectada en ningún modo por esta comunicación digital. La comunicación digital tiene un tiempo de respuesta promedio aproximado de dos a tres actualizaciones por segundo, sin interrumpir la señal análoga, y se requiere una mínima impedancia de lazo análogo de 230 ohms.
Redes de comunicación HART Los aparatos HART pueden operar en una o dos configuraciones diferentes de RED: Punto a punto o Multidrop (multipunto). Comunicación tipo Punto a Punto: En el modo Punto a Punto, la señal tradicional de 4-20 mA es usada para comunicar una variable de proceso mientras otras variables adicionales -parámetros de configuración y otras informaciones de aparato- son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART (Fig. 2). La señal análoga de 4-20 mA no es afectada por la señal HART y puede ser usada para el monitoreo o control en la forma normal. La señal de comunicación digital HART le da acceso a variables secundarias y a otras informaciones, que pueden se usadas para propósitos de operación, mantención y diagnóstico.
Figura 2: Modo de operación Punto a Punto.
Comunicación tipo Multipunto (Multidrop): El modo Multipunto requiere solamente un par de alambres y si es aplicable, el lazo también puede tener barreras de seguridad y fuentes de poder auxiliares para hasta 15 aparatos de terreno (Fig. 3). Todos los valores de proceso son transmitidos digitalmen-te; en el modo Multi-punto, las direcciones de "Polling" de los aparatos de terreno son mayores que 0 y la corriente a través de cada equipo está fijada a un mínimo valor (típicamente 4 mA).
Figura 3: Modo de operación Multipunto.
Se recomienda el uso del modo Multipunto para aplicaciones con instalaciones de control de supervisión, que tengan equipamientos bastante alejados entre sí, tales como como tend tendid idos os de cañe cañerí ría a en gaso gasodu duct ctos os y oleo oleodu duct ctos os,, como como tamb tambié ién n en instalaciones en plantas de almacenamiento de combustibles u otros fluidos, o en estaciones de transferencia controlada de fluidos.
Los beneficios de la comunicación HART • Mejora las operaciones en planta. • Otorga mayor flexibilidad operacional.
• Protege la inversión hecha en la instrumen-tación de la planta. • Entrega una alternativa económica de comunicación digital. • Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones Multipunto.
PROTOCOLO RS-485 RS-485 o también conocido como EIA-485, que lleva el nombre del comité que
lo convirtió en estándar en 1983. Es un estándar de comunicaciones en bus de la capa física del Modelo OSI. OSI. Especificaciones requeridas • • • • • • •
Interfaz diferencial Conexión multipunto Alimentación única de +5V Hasta 32 estaciones (ya existen interfaces que permiten conectar 128 estaciones) Velocidad máxima de 10 Mbps (a 12 metros) Longitud máxima de alcance de 1.200 metros (a 100 Kbps) Rango de bus de -7V a +12V
Aplicaciones • •
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SCSI -2 y SCSI-3 usan esta especificación especificación para ejecutar la capa física. física . RS-485 se usa con frecuencia en las UARTs para comunicaciones de datos de poca velocidad en las cabinas de los aviones. Por ejemplo, algunas unidades de control del pasajero lo utilizan. Requiere el cableado mínimo, y puede compartir el cableado entre varios asientos. Por lo tanto reduce el peso del sistema. RS-485 se utiliza en sistemas grandes de sonido, como los conciertos de música y las producciones de teatro, se usa software especial para controlar remotamente el equipo de sonido de una computadora, es utilizado más generalmente generalmente para los micrófonos. RS-485 también se utiliza en la automatización de los edificios pues el cableado simple del bus y la longitud de cable es larga por lo que son ideales para ensamblar los dispositivos que se encuentran alejados.
FIREWIRE FIREWIRE, ESTÁNDAR IEEE 1394 • • • • •
Introducción: Topología: Arquitectura: Arbitrage: Gestión del bus - Configuración:
INTRODUCCIÓN El estándar IEEE 1394-1995 o bus HPSB (High Performance Serial Bus) describe un bus serie Plug&Play de alta velocidad utilizable tanto sobre placa (para interconexión de tarjetas sobre el mismo panel posterior) como sobre cable (para interconexión de tarjetas en distinto panel posterior o entre periféricos externos). Este estándar está a su vez basado en el estándar es tándar ISO/IEC 13213:1994 (ANSI/IEEE 1212), que describe una arquitectura de comunicación entre buses de sistemas microcomputadores a través de Registros de Comando y Estado (CSR). El bus 1394 está basado en un bus original de Apple denominado FireWire, término utilizado todavía por muchos fabricantes, mientras que otros han adoptado el nombre i.Link, que es marca registrada de Sony Corp. IEEE1394 permite la conexión tanto de dispositivos digitales multimedia de altas prestaciones, como grabadoras de vídeo, televisores, equipos de música, consolas de mezclas, etc, como de dispositivos tradicionales de PC como discos duros, CD-ROMs, impresoras, escáneres, etc. A diferencia de otros buses donde la comunicación depende de un control centralizado (por ejemplo, en un PC), IEEE 1394 soporta un modelo peer-to-peer, en la que cualquier dispositivo puede comunicarse directamente con cualquier otro, siempre que utilicen los mismos protocolos. arriba
TOPOLOGÍA •
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Cada bus soporta hasta 63 dispositivos y se puede configurar en cadena y/o árbol. Esto quiere decir que de cada dispositivo pueden conectarse uno (cadena) o más (árbol) dispositivos (red no cíclica, no pueden crear bucles). La conexión física es punto a punto, con un espaciado de hasta 4.5 metros como máximo entre dispositivos. Pueden haber hasta 16 tramos de cable (conexiones) entre Nodos (saltos finitos), lo que permite la conexión directa de hasta 16 Nodos en Cadena (hasta 72 metros de cable c able en total). De cada Nodo pueden conectarse varias ramas (conexión en árbol). Los dispositivos típicos dispondrán de 3 conectores, aunque el estándar prevé desde 1 hasta un máximo de 16. Para poder establecer una cadena, es necesario que los dispositivos dispongan por lo menos de 2 conectores, mientras que para establecer una conexión en árbol, el dispositivo debe tener al menos 3 conectores. También pueden haber dispositivos con un sólo conector, por lo que sólo pueden conectarse como final de cadena. Los Bridges se utilizan para interconectar buses iguales o distintos: Un controlador 1394 PCI es un Bridge entre los buses 1394 y PCI, que soporta por tanto hasta 63 nodos (dispositivos). Se pueden utilizar Bridges entre buses 1394 y SCSI o entre buses 1394-cable y 1394-backpanel, etc. o
o
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Se pueden mezclar dispositivos de distintas velocidades, aunque la velocidad del bus será la del dispositivo más lento. Se establecen 3 opciones de velocidad, a 98.304, 196.608 y 393.216 Mbps respectivamente. Estas velocidades se redondean, respectivamente, a 100, 200 y 400 Mbps, y el estándar los denomina oficialmente S100, S200 y S400. Actualmente está en desarrollo un nuevo estándar a 800 Mbps, y en un futuro está previsto superar el Gbps. Algunos controladores pueden soportar funciones de Mapa de Topología y de Velocidad, para permitir transferencias a distintas velocidades entre distintas parejas de dispositivos. Los enlaces punto-a-punto, la transmisión diferencial, la codificación Data-Strobe y la resincronización de señales en cada nodo hacen de 1394 un bus muy robusto a nivel de integridad de señal, lo que hace posible alcanzar fiablemente altas velocidades de transmisión.
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En cuanto a cables y conectores, inicialmente se definió la conexión a 6 hilos, y posteriormente (IEEE-1394a) se ha definido una conexión adicional a 4 hilos que pueden utilizar dispositivos que no se alimentan desde el propio bus. Los cables establecidos para cada caso son: El cable apantallado de 4 conductores (2 pares twisteados y apantallados para señal). El cable apantallado de 6 conductores (2 pares twisteados y apantallados para señal + 1 par twisteado para alimentación y masa). Los dispositivos con aislamiento galvánico pueden alimentarse a través de estos hilos de alimentación del bus. o
o
arriba
ARQUITECTURA Capa física: •
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El bus aparece como un mapa de memoria, con cada nodo ocupando un rango de direcciones. La configuración automática se realiza cada vez que se añade un dispositivo, cambiando el mapa de memoria. Los dispositivos y sus recursos internos se selección anmediante un direccionamiento directo y jerárquico con 64 bits: estándar de direccionamiento IEEE1212. I EEE1212. 64 bits: 16 ExaBytes de espacio de memoria Node ID (identificador de nodo): 16 bits: o
Bus ID (dirección de bus): 10 bits = 1024 buses en un sistema. Physical ID (dirección de nodo): 6 bits = 64 nodos por bus. Node OFFSET (espacio de nodo): 48 bits = 256 Terabytes de espacio por nodo. Direcciona mediante los 48 bits menos significativos de la dirección total de 64 bits. Este espacio se divide en: Espacio Inicial de Memoria. Espacio Privado. Espacio Inicial de Registro. Espacio Inicial de Unidad. De ellos, el Espacio Inicial de Registro es un espacio de 2 KB con dirección base FFFF F000 0000 hex, que está reservado para aquellos recursos que deben estar accesibles inmediatamente después de una inicialización (reset) del bus.
o
o
Node ID, Bus ID, Physical ID: Los 16 bits más significativos de la dirección total de 64 bits identifican un único nodo de entre todos los nodos que forman parte de los distintos buses del sistema. Los 10 bits más significativos de esta dirección son so n los mismos para todos los nodos pertenecientes a un mismo bus, cuyo valor se denomina Bus ID, mientras que los 6 bits menos significativos identifican un único nodo perteneciente a dicho bus, y se denomina Physical ID. Esta dirección Physical ID se asigna a cada nodo como parte del proceso de inicialización del bus (los nodos no se configuran manualmente). La existencia de varios buses en un mismo sistema precisa de unos elementos (Bridges) para controlar y gestionar el flujo de información entre los mismos. Se pueden utilizar Bridges para aumentar el número de nodos más allá de 64, o para dividir el tráfico del bus en varios segmentos independientes, lo que permite utilizar más eficientemente el ancho de banda disponible. En el caso habitual, una controladora PCI es un Bridge que podrá soportar por lo tanto hasta 64 dispositivos directamente, sin necesidad de hubs intermedios. Asignación de dirección física (Physical ID): Cada vez que se enciende o se reinicia un bridge, y cada vez que se añade o se quita un nodo del bus, bien sea por conexión/desconexión física físic a o por encendido/apagado del mismo, se asignan direcciones físicas a cada nodo. Los dispositivos no disponen de conmutadores de configuración, y además se soporta la conexión en caliente (hotplug). La parte física que gestiona el interfaz 1394 en los dispositivos se denomina PHY, los cuales implementan la función de Configuración
Automática de la Red que entre otras cosas gestiona el protocolo de asignación de direcciones físicas Capa de enlace:
Transmisión de paquetes. Dos tipos de tansmisión: •
Transferencias Transfe rencias isócronas: isóc ronas: se garantiza una velocidad veloci dad de transmisión predeterminada y garantizada mediante el envío de paquetes de duración 125 µs (ciclo), que se s e desglosan en un máximo de 64 canales -uno por dispositivo-. Un Canal Isócrono es una relación entre nodos que forman un grupo, en el que hay Transmisores (Talkers) y Receptores (Listeners). Cada grupo (canal) se identifica por un número entre 0 y 63. No se requiere confirmación. Se envía una cantidad arbitraria de datos a intervalos regulares a un nodo destino. Son transferencias que tiene garantizada una tasa de transferencia de hasta el 80% del ancho disponible. Hay un nodo especial que es el controlador de recursos isócronos (isochronous resource manager) que puede ser o no el nodo raíz. El ancho de banda que un dispositivo isócrono puede obtener está sólo limitado por el ancho de banda ya ocupado por otros dispositivos isócronos. Pueden ser transferencias de difusión (broadcast). No incluyen corrección de errores. o
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Transferencias Transfe rencias asíncronas: asínc ronas: En modo asíncrono, asíncr ono, los datos y la información de la capa de transacción se envía a una determinada dirección y posteriormente se recibe un mensaje de reconocimiento que confirma que la información ha llegado a su destino. Sin ancho de banda garantizado y que se producen tras una competición limpia por el bus. Incluyen diversos tamaños de paquetes, en función de la velocidad del cable. Incluyen confirmación de recepción y corrección de errores. o
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En cada uno de estos modos de desarrolla a su vez tres fases distintas: secuencia de arbitraje, transmisión del paquete de datos y reconocimiento. Durante la secuencia de arbitraje un dispositivo que desee transmitir datos envía una petición de acceso al bus a la capa física. Durante la fase de transmisión el dispositivo fuente transmite un paquete de datos que contiene información de formato y transacción, la dirección de los dispositivos fuente y destino y los datos. La fase de reconocimiento consiste en el envío de un código de confirmación por parte del dispositivo destino indicando que los datos fueron correctamente recibidos. Más interesante resulta la propuesta de FireWire de establecer asimismo comunicaciones en modo síncrono, ya que de esta forma se garantiza una velocidad de transmisión predeterminada y garantizada. Ello permite afrontar aplicaciones en el entorno multimedia, en las cuales es preciso efectuar la transmisión en tiempo real, lo que a su vez elimina la necesidad nec esidad de instalar etapas de buffer. Capa de transacción: • •
Operaciones de lectura y escritura. Bloqeo de transferencias asíncornas.
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ARBITRAGE • • •
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El tiempo de bus se divide en ciclos de 125ms de periodo. El nodo raíz es el maestro de ciclo. Un ciclo se inicia con un paquete de inicio de ciclo que se difunde a todo el bus. Inmediatamente se inician las transacciones isócronas (tiempo dividido en canales isócronos). Un dispositivo isócrono debe estar autorizado por el manejador de recursos isócronos. Un dispositivo isócrono puede tener asignado uno o más canales isócronos. Los dispositivos que desean utilizar los recursos isócronos arbitran por el bus ->notifican a su nodo padre que quieren el bus. Los dispositivos más cercanos al nodo raíz conseguirán ganar el bus. Un dispositivo que haya ganado un canal isócrono no competirá hasta el próximo ciclo por los canales isócronos. Tras las transferencias isócronas se inician las transferencias asíncronas con un mecanismo similar.
tramas asíncronas a), b) y isíncronas c)
1394 utiliza una señalización denominada "Data-Strobe", técnica patentada por STMicroelectronics, que evita la necesidad de trasmisión de señal de reloj. La transmisión de cada c ada bit involucra un cambio en la línea de Data o en la de Strobe, pero nunca en ambas, con lo que el reloj se s e recupera fácilmente mediante la función XOR de ambas señales. Este sistema soporta a su vez la detección automática de velocidad. La transmisión es diferencial y Semi-Duplex. Se utiliza un par twisteado para transmisión de Dato y recepción de Strobe, y el otro par se usa para recepción de Dato y transmisión de Strobe. Ambos pares son por tanto bidireccionales.
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GESTIÓN DEL BUS - CONFIGURACIÓN •
Reset del bus e inicialización: Ocurre cuando se añade/elimina un nodo del bus. El nodo que detecta la variación en la topología fija en TPA y TPB de todos sus puertos un '1' lógico. Todos los nodos lo transmiten y pasan a estado de inactividad. La inicialización elimina la información de la topología del árbol. o o
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Identificación del árbol El nodo hijo acepta y desactiva Parent_Notify. Los nodos rama envían un Parent_Notify a los puertos de los que no lo han recibido. Si hay contención se reintenta un tiempo (aleatorio) después si es necesario. El nodo raíz será el nodo que sólo tenga hijos. o o
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Identificación del árbol: Ejemplo Un nodo puede forzar ser raíz retrasando su petición Parent_Notify. o
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Autoidentificación: El nodo raíz envía una sseñal eñal Arbitration_Grant a su puerto menos significativo con un nodo hijo. Si el nodo hijo es una rama repite el proceso. Si es una hoja se asigna a sí mismo el ID I D 0 y transmite a su padre un paquete Self_ID. El paquete se transmite a lo largo del bus. Cada nodo incrementa su contador ID. El nodo que se ha configurado señala un Self_ID_done a su padre ya que no tiene nodos hijo por configurar. El nodo raíz continua enviando Arbitration_Grant a sus s us puertos de manera descendente. Cuando un nodo recibe Self_ID_Done de todos sus puertos se configurará en el próximo Arbitration_Grant del nodo raíz. El nodo raíz tendrá ID mayor del bus. o
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En el paquete Self_ID se transmite la velocidad de transmisión de cada nodo. Al final de la autoidentificación cada nodo conoce la topología del bus y la velocidad de cada nodo. La velocidad de transmisión de datos entre dos nodos será la menor de los nodos intermedios. Todos los nodos que desean ser manejador de recursos isócronos (Isochronous Resource Manager) se identifican en el paquete Self_ID. El número con mayor ID pasa a ser el IRM.
