Сопряжение компьютерных систем

Введение

При проектировании распределенных автоматизированных систем управления технологическим процессом с использованием промышленных сетей зачастую возникают следующие сложности:
- требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;
- предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;
- необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;
- к сети необходимо подключить устройство, которое не имеет соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet;
- необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet c CAN и Modbus RTU);
- не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;
- фрагмент сети установлен на подвижном объекте.
Однако перечисленные проблемы или аналогичные им становится возможно решить с помощью различного рода сетевых устройств. Такими
Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств. Такими устройствами выступают повторители и преобразователи интерфейса, концентраторы, коммутаторы, мосты, маршрутизаторы, шлюзы.
В рамках данной работы предлагаются к рассмотрению повторители интерфейса.
В связи с этим ставится ряд следующих задач:
- рассмотреть проблему передачи данных на большое расстояние;
- рассмотреть сетевое устройство – повторитель.
- изучить, как использование повторителя позволяет решить проблему передачи данных на большое расстояние;
- рассмотреть повторитель интерфейса RS-485 ОВЕН АС5.
Таким образом, целью работы ставится изучение такого сетевого устройства, как повторители интерфейса.
Для достижения данной цели основными литературными источниками являлись:
1) Бройдо В. Л., Ильина О. П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. 4-е изд. – Спб.: Питер, 2011. – 560 с.: ил.
2) Хабрейкен Д., Хайден М. Освой самостоятельно сетевые технологии за 24 часа, 3-е изд.: Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007. – 432 с.: ил.
Кроме того при написании работы была использована и другая литература, а также источники сети Интернет.


1 ПРОБЛЕМА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БОЛЬШОЕ РАССТОЯНИЕ
Первоочередной задачей, когда речь идет о транспортировке данных становится наличие возможности их передачи на максимально возможное расстояние. Однако при этом физическая среда накладывает своё ограничение – рано или поздно мощность сигнала падает, и приём становится невозможным. Но ещё большую роль имеет то, что искажается «форма сигнала» – закономерность, в соответствии с которой мгновенное значение уровня сигнала изменяется во времени. Это происходит в результате того, что провода, по которым передаётся сигнал, имеют собственную ёмкость и индуктивность. Электрические и магнитные поля одного проводника наводят ЭДС в других проводниках (длинная линия).
Привычное для аналоговых систем усиление ставится не годным для высокочастотных цифровых сигналов. Безусловно, достичь некоторого эффекта при его использовании возможно, но, тем не менее, с увеличением расстояния искажения достаточно быстро нарушат целостность данных.
Данная проблема не является новой и в таких случаях применяется не усиление, а повторение сигнала. В таком случае устройство на входе должно принимать сигнал, после чего распознавать его первоначальный вид, а на выходе генерировать его точную копию

. Применение такой схемы в теории позволяет осуществлять передачу на максимально возможное расстояние.
Изначально в Ethernet использовался коаксиальный кабель с топологией «шина», и нужно было соединять между собой всего несколько протяжённых сегментов. Для этого обычно использовались повторители (repeater), имевшие два порта [1].
2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОВТОРИТЕЛЯ
Основной функцией повторителя (repeater), как это следует из его названия, является повторение сигналов, поступающих на его порт. Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счёт этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети узлами.
Повторитель восстанавливает уровень и форму сигнала, а также позволяет согласовать ее в пределах каждого из фрагментов, ограниченных повторителями. Поэтому повторители используют для увеличения расстояния, на которое требуется передать сигнал, а также для увеличения нагрузочной способности (коэффициента разветвления) передатчика интерфейса [2].
Повторители интерфейса, как правило, имеют гальваническую изоляцию, что позволяет их использовать и для деления сети на гальванически изолированные сегменты с целью защиты от помех.
Деление сети на гальванически изолированные фрагменты обеспечивает также электрическую защиту изолированных фрагментов от случайного попадания высокого напряжения в какой-либо фрагмент сети. В этом случае гальванически изолированные участки сети окажутся неповрежденными.
В связи с тем, что электромагнитная волна присутствует только в пределах одного фрагмента сети, а в соседний фрагмент передается лишь восстановленный сигнал, то повторители можно использовать и для выполнения ответвлений в сети с шинной топологией (рисунок 1), поскольку длина ответвления от кабеля до повторителя всегда может быть сделана достаточно малой. В таком случае не происходит отражений, имеющих место при выполнении ответвлений без повторителя [3].

Рисунок 1 - Применение повторителей интерфейса для разветвления линии передачи
Повторитель использует только часть первого уровня модели OSI. При этом отметим, что он не изменяет способа кодирования информации, не проверяет контрольные суммы, а также не восстанавливает потерянных битов, а только принимает электрические сигналы с помощью стандартного для выбранной сети приемника, восстанавливает их форму и передает дальше с помощью стандартного передатчика [4].
Согласующие резисторы внутри повторителя могут присутствовать или нет и могут отключаться микропереключателем или джампером. Перед применением повторителя нужно убедиться, имеются ли резисторы внутри корпуса преобразователя, или нужно подключить внешние резисторы к клеммам преобразователя.
Вывод земли «GND» соединяется с экраном кабеля, но не с землей. Оплетка кабеля должна заземляется только в одной точке [5].
Стоит отметить, что рассматриваемые нами повторители интерфейса могут иметь и несколько портов. В таком случае, если появляется сигнал на любом из портов, микроконтроллер ретранслирует его на все другие порты. Для того чтобы не возникало путаницы в терминологии, такие повторители, имеющие много портов, стали называть концентраторами или, хабами. Они позволяют выполнить физическое разветвление сетевого кабеля или слияние нескольких кабелей в один (концентрацию) без нарушения условий согласования линии передачи [6]