Classificazione dei Bus di campo

Classificazione in funzione del tipo di accesso:

Bus di campo con assegnazione decentralizzata:

- accesso al bus di tipo deterministico

- accesso al bus di tipo casuale

Bus di campo con assegnazione centralizzata:

- topologia lineare (punto-a-punto)

- topologia ad anello

(BUS > Basic Utility System)

Assegnazione decentralizzata o distribuita

Non esiste una stazione di controllo centrale,

la funzionalità del sistema viene suddivisa fra i singoli componenti collegati sul bus,

in base al principio della decentralizzazione.

Ogni componente risulta quindi indipendente e non viene sottomesso da un controllo centrale.

Accesso al bus di tipo deterministico

Token-passing:

determinati componenti collegati sul bus (master) sono autorizzati alla trasmissione per un

tempo prestabilito (tempo di mantenimento del token).

Questi componenti attivi si scambiano fra loro il gettone di trasmissione (token).

Fra le unità master si configura un anello logico, per cui questo processo è indipendente dalla

topologia della rete.

La velocità di reazione è proporzionale al tempo di mantenimento del token.

Vantaggi:

• I collegamenti fra i vari componenti della rete, possono essere realizzati senza una stazione di

controllo centrale

• In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione

• I tempi di risposta sono calcolabili

Svantaggi:

• I requisiti di programmazione di ogni singolo componente collegato sul bus sono

relativamente cospicui

• Le trasmissioni urgenti possono essere inoltrate solo previo ottenimento del token

• Occorrono meccanismi di riconoscimento dell’avvenuta perdita del token e di

reinizializzazione dell’anello logico

Esempi:

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), PROFIBUS-DP, ecc…

Topologia PROFIBUS

Accesso al bus di tipo casuale

Il bus non viene occupato secondo uno schema predefinito (scheduler).

Tutti i componenti collegati sul bus hanno gli stessi diritti, ascoltano in parallelo tutti i

messaggi, sono sempre pronti a ricevere e quando necessario, cominciano a trasmettere se

nessun altro componente sta inviando messaggi sul bus.

Vantaggi:

• Possibilità di attuare una comunicazione del tipo “event-driven”, cioè la trasmissione viene

inizializzata solo quando necessario (cioè solo quando è richiesta dall’applicazione del nodo)

• Carico medio molto inferiore sul bus (risp. acc. deterministico) e tempi di latenza molto brevi

• In caso di guasto ad un componente collegato sul bus, il sistema resta in funzione

Svantaggi:

• In una comunicazione pilotata dagli eventi (event-driven) i tempi di risposta non sono

definibili

• Necessità di un sistema di arbitraggio nel caso di contemporaneità di accesso al bus da parte

di 2 o più componenti (nodi)

Esempi:

CAN (Controller Area Network), LON (Local Operating Network), ecc…

Topologia CAN

Assegnazione centralizzata

Nel controllo centralizzato un componente del sistema è la stazione di controllo (centralina),

che viene incaricata ad arbitrare l’accesso al bus,

a controllare il trasferimento dei dati,

a controllare la trasmissione degli stessi e a gestire gli errori.

La stazione di controllo (master) interroga ciclicamente i componenti collegati al bus (slaves),

incaricandoli dei task di invio/ricezione dati da/alla stazione di controllo (polling).

Topologia lineare

Per il collegamento dei componenti su una linea bus,

nella topologia lineare si utilizzano linee punto-a-punto,

solitamente con una terminazione di linea.

Vantaggi:

• I tempi di reazione sono controllabili e prevedibili: è quindi possibile realizzare un accesso di

tipo deterministico, con tempi di risposta definiti

• I requisiti di programmazione per i componenti collegati al bus (nodi) sono limitati

• Le strategie di accesso sono modificabili e possono essere adattate al flusso dei dati

• Al polling può essere applicato un controllo delle priorità

Svantaggi:

• L’affidabilità e la disponibilità del sistema dipendono praticamente dalla stazione di controllo

• Il collegamento fra 2 slaves può essere inizializzato solo dalla stazione di controllo

• Il tempo di latenza massimo (tempo totale di reazione) dipende dal tempo del ciclo ed è

direttamente proporzionale al numero dei componenti (nodi) collegati sul bus

Esempi:

ASI (Actuator Sensor Interface), BITBUS, FIP (Factory Instrumentation Protocol), ecc…

Topologia BITBUS

Topologia ad anello

Le due estremità della linea vengono collegate fra loro, formando un percorso chiuso senza la

necessità di una terminazione di linea.

Vantaggi:

• I requisiti di gestione sono indipendenti dal numero dei componenti dell’anello

• Grazie all’interrogazione rigorosamente ciclica dei componenti collegati sul bus, è possibile

prevedere i tempi di risposta

• I costi hardware e software dei componenti sono ridotti

• I componenti collegati sul bus fungono da repeater, cioè il segnale viene rigenerato da ciascun

componente

Svantaggi:

• L’ampliamento e la sostituzione dei componenti collegati sul bus, sono possibili solo quando

il sistema non è in servizio

• Per determinare i tempi di risposta è necessario tenere presente il ritardo di ogni componente

presente sul bus

• Un guasto ad un componente (nodo) comporta necessariamente una condizione di guasto

dell’intero anello

Esempi:

INTERBUS-S, SERCOS (Serial Real Time Communication System), ecc…

Topologia SERCOS

Circuito per il calcolo del CRC-16

Il CRC-16 ha un polinomio generatore così: x16 + x15 + x2 + 1 > ( 11000000000000101 )

Un CRC è in grado di rivelare tutti gli errori singoli, tutti i doppi, tutti i casi di numero dispari

di errori e tutti gli errori a raffica di lunghezza minore del divisore.

L’idea base del CRC:

Il campo dati viene considerato un numero; si effettua un’operazione matematica su questo

numero e si trasmette insieme al messaggio (sottoposto al CRC) il risultato dell’operazione

quale controllo.

In ricezione si esegue la stessa operazione sul messaggio e si confronta il risultato ottenuto con

quello trasmesso.

Se i 2 risultati coincidono è estremamente probabile che NON vi siano stati errori.

L’hardware di un CRC è formato da un registro a scorrimento (flip-flop con lo stesso clock) e

da qualche porta EX-OR.

Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (1)

Baud-rate (o velocità di segnalazione):

è il numero di variazioni al secondo del segnale nel mezzo trasmissivo.

Bit-rate (o bps):

definisce il tasso di bit che possono essere trasmessi per unità di tempo.

Se in una trasmissione un livello di tensione viene codificato con più di un bit, significa che x

baud non sono x bps.

Solamente se ogni livello di tensione viene codificato con un bit (come normalmente avviene),

i valori di baud e di bit/s coincidono.

baudbitNratebit

Il tempo per spedire n bit è n/bit-rate.

Osservazioni sulla trasmissione dei segnali (2)

Shannon ha dimostrato che un segnale analogico di banda B (da 0 a B Hz) può essere

completamente ricostruito mediante una campionatura ad una frequenza maggiore di 2B.

Di conseguenza:

Il massimo bit-rate (detto anche velocità di trasmissione) di un canale di comunicazione dotato

di una banda passante da 0 a B Hz, privo di rumore che trasporta un segnale formato da V

livelli discreti è:

Esempio:

Un segnale codificato a 1 bit (cioè “0” e “1”) non può avere una velocità di trasmissione

maggiore di 200 kbps, su un canale con una banda di 100 kHz.

Questo vale per canali privi di disturbi.

Attraverso il Teorema di Shannon è anche possibile considerare le caratteristiche di canali

rumorosi, considerando il concetto di rapporto segnale/rumore (rapporto fra la potenza del

segnale e quella del rumore [dB]).

[bps]VBratebit2

log2)max(

=1 se codificato a 2 livelli