Einführung. Digitale Übertragungssysteme. Digitalübertragungssysteme mit Rechnerschnittstellen. Feldbussysteme. Highspeed-PC-Schnittstellen

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1 Einführung Folie 4-1 Digitale Übertragungssysteme Digitalübertragungssysteme mit Rechnerschnittstellen V ma V.11 Feldbussysteme EIA 485 Highspeed-PC-Schnittstellen FireWire USB Wireless: Bluetooth S 1 E O O E S 2 Folie 4-2

2 Rechnerschnittstellen RS 232-C (EIA) / V.24 (CCITT) DIN T1 RS 422 A (EIA) / V.11 (CCITT) DIN T3 Spannungsschnittstelle Spannungsschnittstelle TTY / 20 ma Stromschnittstelle DIN T1 CCITT = Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique (nun ITU-T) EIA = Electronic Industries Association DIN = Deutsches Institut für Normung Folie 4-3 Anwendungsmöglichkeiten klassische Verbindung : Modem-Rechner Weitverbindung: Drucker-Rechner Direkte Verbindung: Rechner-Rechner Verbindung: Rechner-Teminal Verbindung: Prozesssteuerung- Rechner Verbindung: Messgerät-Rechner Folie 4-4

3 Anwendungsmöglichkeiten Multiplexverbindung OMDV 2404-V OMDV 2404-V Automat SPS feste Zuordnung durch Multiplexer Folie 4-5 Anwendungsbeispiele Verbindung zwischen Steuerung und CNC-Maschinen in der Produktion Anschluss von einem Rechner an Peripheriegeräte über weite Strecken Verbindung zwischen Messgeräten und Rechner Beim Anschluss von Terminals an einen zentralen Rechner ist auch bei größerer Entfernung eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit wichtig Programmierung und Inbetriebnahme von speicherprogrammierbaren Steuerungen und Netzkomponenten Spezial-Einsätze, z.b. via LWL Unterwasser-Roboter für Inspektion und Reparaturen Maschinensteuerung bei CERN Medizintechnik (Potenzialtrennung) Folie 4-6

4 V.24-Schnittstelle Standardisiert bei CCITT (V.24 + V.28) EIA RS 232-C und RS 232-D Serielle Datenübertragung Punkt-zu-Punkt-Verbindung Datenaustausch im Vollduplex Anwendung: Drucker-, Modem-, Terminalanschluss Folie 4-7 V.24 Beschreibung Unsymmetrische Standardschnittstelle V.24 U Serielle Datenübertragung Eingangspegel: Low + 3 V V High - 15 V V Ausgangspegel: Low + 5 V V High - 15 V V Überbrückbare Entfernung elektrisch ca. 15 m Folie 4-8

5 V.24 Schnittstellenleitungen Steckverbinder: 25-poliger Submin-D / Data Terminal Ready 1 Schutzerde (Protective Ground) 2 Sendedaten (Transmit Data) 3 Empfangsdaten (Receive Data) 4 Sender einschalten (Request to send) 5 Sendebereit (Clear to send) 6 Betriebsbereit (Data Set Ready) 7 Betriebserde (Common) 8 Empfangssignalpegel (Data Carrier Detect) Folie 4-9 V.24 Schnittstellenleitungen Steckverbinder: 9-poliger Submin-D 6 Data Set Ready DSR 7 Request to send RTS 8 Clear to send CTS 9 Common / RI 1 Data Carrier Detect DCD 2 Receive Data RXD 3 Transmit Data TXD 4 Data Terminal Ready 5 Erde Buchse am PC i.d.r.: DB-9 male Geräte variieren: DB-9 male oder female, Pin-Belegung 1:1 oder X-over 4 verschiedene Kombinationen existent! Entsprechende Kabel nötig. Folie 4-10

6 V.24 Begriff DTE DTE = Data Terminal Equipment (Datenendeinrichtung) sendet Daten auf Leitung 2 (TxD) empfängt Daten auf Leitung 3 (RxD) DTE - Gerät z.b. PC optische V.24-Schnittstelle mit DTE-Einstellung 2 TxD 2 S 3 RxD 3 E 7 GND 7 Folie 4-11 V.24 Begriff DCE DCE = Data Communication Equipment (Datenübertragungseinrichtung) empfängt Daten auf Leitung 2 (TxD) sendet Daten auf Leitung 3 (RxD) DCE - Gerät z.b. Plotter Datenflussrichtung Datenflussrichtung optische V.24-Schnittstelle mit DCE-Einstellung 2 TxD 2 S 3 RxD 3 E 7 GND 7 aus Sicht des Senders (Rechner) Folie 4-12

7 V.24 Software-Handshake Zusätzliche Steuerzeichen bei der Übertragung z.b. XON/XOFF-Protokoll Empfänger bereit sendet XON-Code Sender erkennt XON beginnt zu senden Empfängerpuffer voll sendet XOFF-Code Sender erkennt XOFF bricht ab, wartet auf XON Computer RXD 2 TXD 3 RTS 4 CTS 5 DSR 6 SGND 7 DCD 8 DTR 20 2 TXD 3 RXD 4 RTS 5 CTS 6 DSR 7 SGND 8 DCD 20 DTR Terminal Folie 4-13 V.24 Hardware-Handshake Zusätzliche Steuerleitungen notwendig: RTS = Sender einschalten (Request To Send) CTS = Sendebereit (Clear To Send) DSR = Betriebsbereit (Data Set Ready) DCD = Übertragungsstrecke in Ordnung (Data Carrier Detect) PGND 1 1 PGND Transmit Data TXD 2 2 TXD Receive Data RXD 3 3 RXD Request To Send RTS 4 4 RTS CTS 5 Clear To Send 5 CTS DSR 6 SGND 7 Data Set Ready Signal Ground 6 DSR 7 SGND DCD 8 DTR 20 Data Carrier Detected Data Terminal Ready 8 DCD 20 DTR Computer Terminal Folie 4-14

8 20-mA-Stromschnittstelle Beschrieben in DIN T1 auch bekannt als TTY Tele Type oder Current-Loop-Interface Symmetrische Schnittstelle Pegel digital: high 20 ma low 0 ma Pegel analog: 4 20 ma Datenrate: elektrisch 10 kbit/s optisch 10 kbit/s Reichweite: elektrisch 1 km optisch 7 km Anwendung digital: Durchflusssensoren bei Pipelines, SPS SIMATIC-S5 Anwendung analog: Drucksensoren bei Kranen Folie mA-Stromschnittstelle (digital mit LWL-Übertrag.) + 20 ma Aktive Seite + 20 ma 25 Passive Seite Folie 4-16

9 V.11-Schnittstelle Standardisiert bei CCITT (V.11) EIA (RS 422) Serielle Datenübertragung Punkt-zu-Punkt-Verbindung Datenaustausch im Vollduplex Anwendung: synchrone Datenübertragung per X.21 e o LWL o e Messeinrichtung Folie 4-17 V.11 Beschreibung Symmetrische Übertragung (bessere EMV-Eigenschaften) V.11 U Pegel (Differenzsignale): Eingang: high 0,2 V... +7,0 V low -7,0 V... -0,2 V Ausgang: high +2,0 V... +6,0 V low -6 V... -2,0 V Datenrate: elektrisch bis 1 Mbit/s (bei 60 m Leitung) optisch bis 10 Mbit/s (bei 60 m Leitung) Reichweite: elektrisch bis 1 km (mit 100 kbit/s) optisch bis 2 km (bei 5 Mbit/s) Folie 4-18

10 V.11 Punkt-zu-Punkt-Verbindung Folie 4-19 V.11-Schnittstelle Master (Host) Anwendung: Vollduplex Punkt-zu-Punkt-Verbindung Aufbau einer Ringbus-Struktur (Verbindung zwischen 1 Master und bis zu 100 Slave-Geräten) Br S E LWL E Br LWL S LWL E Br S Rx TX Rx TX Teilnehmer 1 Teilnehmer2 Folie 4-20

11 V.11 Optischer Ring ein Master maximal 100 Slaves Datenrate = 5 Mbit/s / Anzahl der Slaves Beispiel: Zeiterfassungsterminals Folie 4-21 Feldbus konventionell I / O I / O I / O I / O I / O I / O Automationssystem Prozess Feldbus eine Busleitung I / O Automationssystem Folie 4-22

12 Feldbus EIA 485 ist die standardisierte Schnittstelle für Feldbusse Offene Feldbusse Geschlossene Feldbusse (firmeneigene Lösungen) Profibus Suconet (K. Moeller) FIP Daisy (Bosch) DIN Messbus Sinec L1 (Siemens) Bit Bus Festo Feldbus InterBus S... CAN... Folie 4-23 EIA-485 Standardisiert bei EIA-485 (vormals RS 485) Serielle Datenübertragung Mehrpunkt-Verbindung (Bus) Datenaustausch im Halbduplex oder Vollduplex Symmetrische Übertragung Folie 4-24

13 Abschlusswiderstände +5 V 330 Daten + Daten Daten - Daten Folie 4-25 Beschreibung EIA-485 Symmetrische Übertragung EIA 485 U Pegel (Differenzsignale): U +0,4 HIGH Undefiniert -0,4 LOW Undefiniert Folie 4-26

14 EIA-485 Elektrische Pegel identisch mit RS 422 (V.11)-Standard Differenzsignale: Eingang: high 0,2 V... +7,0 V low -7,0 V... -0,2 V Ausgang: high +2,0 V... +6,0 V low -6 V... -2,0 V Begrenzung 32 Teilnehmer auf ein Segment Folie 4-27 Vollduplex 4-Draht-Verbindung, Bsp: DIN Messbus Master Slave 1 T(A) T(B) R(A) R(B) R(A) R(B) T(A) T(B) CPU 2 R(A) R(B) T(A) T(B) Slave 32 CPU Folie 4-28

15 Halbduplex 2-Draht-Verbindung, Bsp: Profibus, Bitbus DATA (A) DATA (B) Control 1 CPU CPU Control 2 32 CPU Control Folie 4-29 Repeater Regeneriert elektrische Signale (Pegel und Zeitverhalten) verbindet mehrere Segmente Master R R Folie 4-30

16 Externe Steuerung Am Repeater muss die Datenrichtung jeweils über einen Steuerkanal (RTS) festgelegt werden Master RTS R RTS R Folie 4-31 Interne Steuerung Elektrische Sender sind hochohmig geschaltet Zwei Möglichkeiten Differenzspannung Dauer High / Dauer Low Folie 4-32

17 Differenzspannung R U 3 Bereiche: U +0,4 +0,03-0,03-0,4 HIGH TRISTATE LOW undefiniert undefiniert Folie 4-33 Dauer High / Dauer Low Im sendefreien Zustand wird der Bus auf High (Low) gestellt Nach einer bestimmten Anzahl von High (Low) (z.b. 11 beim Profibus) schalten sich die Schnittstellen in den Tristate-Modus. 5V 5V 5V 5V U R Folie 4-34

18 IEEE 1394 (FireWire oder i.link) Standard: IEEE (1. Version 1995 verabschiedet) von Apple als FireWire entwickelt bei Sony bekannt als i.link, bei Texas Instruments als Lynx außer bei Apple selten im Rechnerbereich eingesetzt, obwohl Controller-Karten schon ab 20 (2x 1394a) verfügbar Hot-Plugging (zus. Geräte im Betrieb ansteckbar) Topologie: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen als Linie durch i.d.r. 1-3 (meist 2) Ports pro Gerät, maximal 16 Kabelstrecken zwischen 2 Geräten Teilnehmer: bis zu 63 (über Bridges bis 1023 Busse möglich aber nicht verfügbar), bis zu 17 Geräte in Daisy-Chain, max. 72 m Einsatzgebiet: Anbindung schneller Peripheriegeräte, z.b. digitale Video-Kameras Folie 4-35 IEEE 1394a Geschwindigkeit: 100, 200, 400 Mbit/s Geräte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten an einem Bus Distanzen: 400 Mbit/s: max. 4,5 m Punkt-zu-Punkt 800 Mbit/s: bis 100 m wg. Neuer Kodierung, u.a. 8B10B Buszugriff Alle Geräte bestimmen unter sich einen Master (dynamisch, bis Topologieänderung), Peer-to-Peer Gerät erfragt bei Master das Zugriffrecht Vorteil: kein Polling nötig Nachteil: Zugriff braucht länger Master gibt Takt (8000/s) für isochrone Übertragung vor Bidirektionale Datenübertragung, paketorientiert Asynchroner und isochroner Modus Folie 4-36

19 IEEE 1394a Stromversorgung integriert: VDC, max. 1,5 A Medien: Twisted-Pair 2 Paare, geschirmt, für Datentransport (1 für Daten, 1 für Takt), jedoch HDX 1 Paar für Spannungsversorgung (kann auch entfallen) maximal 4,5 m Bilder: Folie 4-37 IEEE 1394b Geschwindigkeit: aktuell 800 Mbit/s, (künftig) 1600 Mbit/s, dann ggf Mbit/s Auch Ring-Topologie Medien: Kupfer: 9-adrig mit neuen Steckverbindern LWL: bis zu 100 m Punkt-zu-Punkt Buszugriff: neues Verfahren, neue Signalpegel und -codierung Abwärtskompatibel durch bilinguale Chips Folie 4-38

20 IEEE 1394 (FireWire oder i.link) Topologie Folie 4-39 USB Universal Serial Bus Entwickelt von INTEL, bei imac auch von Apple unterstützt (alle Interfaces durch USB ersetzt) Bis zu 127 Peripherie-Geräte anschließbar: Maus, Keyboard, Drucker, Scanner, Modem,... Hub belegt eigene Adresse Topologie: Baum = Punkt-zu-Punkt-Verbindungen per Hub vervielfacht max. 7 Ebenen (Root-Hub + max. 5 weitere Hubs kaskadiert) Hot-Plugging (zus. Geräte im Betrieb ansteckbar) Integrierte Spannungsversorgung Folie 4-40

21 USB-Versionen Version 1.1 mit Geschwindigkeit: 1,5 Mbit/s, 12 Mbit/s (theor.) Einsatzbereich: Anbindung zahlreicher langsamer Peripheriegeräte, wie Tastatur und Maus Version 2.0 mit Geschwindigkeit 480 Mbit/s Einsatzbereich: Anbindung normaler Peripheriegeräte: Drucker, bisher HDDs, Speichersticks Spannungsversorgung: 5 V, 500 ma Version 3.0 mit 4,8 Gbit/s (Superspeed) Einsatzbereich: Anbindung schneller Peripherie, wie HDDs, SDDs Konkurrenz zu SATA Spannungsversorgung: 5 V, 900 ma Folie 4-41 USB Universal Serial Bus Medien: 4 Adern: 2 für Spannungsversorgung (5 V, max. 0,5 A), 2 für Datentransport nur HDX STP für 12 Mbit/s, max. 5 m UTP für 1,5 Mbit/s, max. 3 m differenzielle Übertragung: Ader 2 führt umgekehrten Signalpegel von Ader 1, das reduziert Störungseinflüsse Stecker: Flachstecker A für Verbindung upstream und B-Stecker für downstream (damit wird Loop vermieden) Verteilung über USB-Hubs Host (PC) nötig, der Zugriff über Token kontrolliert Übertragung per NRZI, nach 6 Einsen in Folge wird per Bit-Stuffing eine Null eingefügt, damit Synchronisation möglich. Logisch-Eins = gleicher Signalpegel, Logisch-Null = Pegelwechsel Folie 4-42

22 USB Universal Serial Bus 4 Paket-Typen: Token Daten Handshake Special 4 Übertragungsarten: isochron für zeitkritische große Datenmengen (Audio/Video) Interrupt-Transfer für asynchrone kleine Datenmengen mit definierter vereinbarter Latenzzeit, per Polling abgefragt vom Host Bulk für große Datenmengen, nutzt restliche verfügbare Bandbreite, wiederholt fehlerhafte Pakete Control-Transfer für neu angeschlossene Geräte zu konfigurieren Folie 4-43 FireWire vs. USB FireWire Flexibel einsetzbar durch Linienstruktur zwischen beliebigen Geräten USB Host nötig für Zugriffkontrolle Hubs für Verteilung nötig Bei Apple breit eingesetzt sowie in Peripheriegeräten V1: 100 / 200 / 400 Mbit/s V2: 800 Mbit/s S3200: 3,2 Gbit/s Max. 63 Geräte 8 33 VDC Max. 1,5 A (max. 48 W) Bei PCs und Notebooks bereits vorhanden V1: 1,5 / 12 Mbit/s V2: 480 Mbit/s V3: 4,8 Gbit/s Max. 127 Geräte 5 VDC max. 2,5 W pro Interface Max. 0,5 A reicht nicht für alle ext. HDDs mit v3 bis 0,9 A ( 4,5 W) Folie 4-44

23 Wireless Schnittstellen Überall dort, wo Datenkabel technisch nicht möglich ungewünscht unkomfortabel sind Parameter beeinflussen sich gegenseitig: Geschwindigkeit d Reichweite Energieverbrauch e v Folie 4-45 Bluetooth IEEE WPAN Distanz: 10 m / 50 m / 100 m Teilnehmer: Piconet mit über 200, davon max. 8 gleichzeitig aktiv max. 10 Piconets überlagert Datenrate: max. 24 Mbit/s pro Piconet Frequenzband: 2,4 GHz - kann.11b-komponenten stören! Frequency Hopping mit 79 Kanälen à 1 MHz, Hops/s Verschlüsselung: 128 bit Einsatz: drahtlose Peripherie-Anbindung PC - Drucker, Scanner,... PC - Headset PDA - Handy... Folie 4-46

24 Bluetooth Beim Start melden sich Geräte bei den Kommunikationspartnern mit ihren Geräteprofilen passende Geräte finden sich Headset Generic Access Profile, GAP Schnurlos-Telefon ISDN CAPI Tastatur/Maus Ethernet-Netz, PAN Drucker Dateitransfer Modem, DUN Service Discovery Appl. Profile Serial Port Profile, SPP Parallele Verbindungen, z.b. 2 Rechner mit 1 ISDN-IF, möglich Meist 2 Rollen innerhalb eines Profils: Aufbau der Verbindung + Annahme der Verbindung oder Client + Access-Point (z.b. bis zu 7 ISDN-Clients pro ISDN-AP) Folie 4-47 ZigBee IEEE Keine Konkurrenz zu Bluetooth, da geringere Datenrate geringere Sendeleistung Anwendung: Gebäudeautomation (ab 2006 marktrelevant) Licht- und Thermostatsteuerung Zählerablesung Leistungsregelung Folie 4-48

25 ZigBee Low-Rate-WPAN Frequenzband: , MHz, 2,4 GHz ab ZigBee PRO: Frequency Agility für automatische Frequenzwahl bei Störungen Topologien: Datenrate: ca kbit/s Distanz: > 100 m Teilnehmer: Zugriffmethode: CSMA/CA Stern Baum Masche Coordinator Full Function Device FFD Reduced Function Device RFD Folie 4-49 LR-PAN-Pakete 4 Paketformate: Beacon-Frame Präambel 4 Oktetts SFD 1 Oktett Daten-Frame Präambel 4 Oktetts Paket-Länge 1 Oktett Frame-Ctrl. 2 Oktetts Acknowledgment-Frame Präambel 4 Oktetts MAC-Command-Frame Präambel 4 Oktetts PHY-Teil SFD 1 Oktett PHY-Teil SFD 1 Oktett PHY-Teil SFD 1 Oktett PHY-Teil Paket-Länge Frame-Ctrl. 1 Oktett 2 Oktetts Paket-Länge Frame-Ctrl. 1 Oktett 2 Oktetts Paket-Länge Frame-Ctrl. 1 Oktett 2 Oktetts Sequ.nr. 1 Oktett Sequ.nr. 1 Oktett Sequ.nr. 1 Oktett Sequ.nr. 1 Oktett Adr.feld 4 o. 10 oct. Superframe spec. GTS fields 2 oct. k oct. MAC-Teil Adr.feld 4-20 oct. MAC-Teil FCS 2 Oktetts MAC-Teil Adr.feld Command-Typ 4-20 oct. 1 oct. MAC-Teil Pending Adressfelder Beacon-Info m oct. n oct. Dateninfo n Oktetts Command-Info n Oktetts FCS 2 Oktetts FCS 2 Oktetts FCS 2 Oktetts GTS Guaranteed Time Slot Folie 4-50

26 Z-Wave 868 MHz / 1 Kanal (USA 915 MHz) Datenrate: 9,6 kbit/s oder 40 kbit/s Distanz: ca. 30 m indoor, 100 m outdoor punkt-zu-punkt, durch Netz kaskadiert Teilnehmer: 232 pro Netz Topologie: Mesh-Netz Verschlüsselung: 3DES Anwendung: Gebäudeautomation (Einfamilienhaus) Z-Wave-HW - Quelle: Zensys Folie 4-51 UWB Frequenzen in Deutschland von Bundesnetzagentur am freigegeben Frequenzbereich 30 MHz bis 10,6 GHz in Allgemeinzuteilung UWB kann zum Transport von WUSB dienen und unterstützt daher max. 480 Mbit/s bei max. 10 m. Max. Sendeleistung zwischen 6,0 und 8,5 GHz mit 1 mw (e.i.r.p.) Nicht im Freien erlaubt, nur in Gebäuden und Fahrzeugen Folie 4-52

27 Weitere drahtlose Schnittstellen Nanonet (kompatibel mit IEEE ) von Nanotron 2,4 GHz 0,5-2 Mbit/s Ca. 300 m (900 m im Freien) EnOcean (kein Standard) 868 MHz Lichtschalter, Sensorik UWB (erste Zulassungen) Bis 1 Gbit/s bei max. 10 m SimpliciTI Folie 4-53 Wireless Interfaces Solution Datenrate Distanz P Tx in mw sonstiges Bluetooth 1-24 Mbit/s 10 m / 50 m / 100 m 1 / 2,5 / 100 Nanonet 0,5 2 Mbit/s 300 m (900 m frei) 1 UWB 1 Gbit/s 10 m 1 Zigbee kbit/s >100 m 1 Z-Wave kbit/s 100 m k.a. SimpliciTI EnOcean 125 kbit/s 30 m (300 m frei) k.a. Energy harvesting Folie 4-54