Прикладной уровень (Application layer)

Обеспечивает обработку полученных данных. Реализуется как в виде стандартных протоколов, так и в виде уникальных для данного устройства протоколов.

Функции всех уровней модели OSI можно отнести к одной из двух групп:

1. Зависимые от конкретной технической реализации коммуникационного канала.

2. Зависимые от задачи, решаемой данным устройством (приложением).

Три нижних уровня – физический, канальный и сетевой – являются сетезависимыми (зависят от технических особенностей коммуникационного канала). Три верхних уровня – прикладной, представительный и сеансовый – ориентированы на приложения и мало зависят от канала связи. Транспортный уровень – промежуточный.

6. Характеристики линий связи.

При выборе линии связи основными характеристиками для разработчика являются:

· пропускная способность (или скорость передачи данных);

· достоверность передачи данных;

· удельная стоимость.

Однако эти характеристики определяются не только самой линией связи, но и используемым протоколом передачи данных. Например, пропускная способность в значительной мере определяется используемым цифровым кодом, определяющим спектральный состав передаваемых данных. Выбор способа физического представления информации – физическое или линейное кодирование.

Поэтому для линий связи вводят более узкие характеристики:

· амплитудно-частотная характеристика - (АЧХ показывает во сколько раз амплитуда сигнала на выходе системы отличается от амплитуды входного сигнала на всём диапазоне частот.);

· полоса пропускания - (диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы);

· затухание - ( Затухание сигнала в линии связи представляет из себя отношение мощностей или амплитуд синусоидальных колебаний заданной частоты на входе и выходе линии связи );

· помехоустойчивость (способность линии уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде и на внутренних проводниках. Эта способность целиком и полностью зависит от характеристик используемой физической среды и средств линии, предназначенных для экранирования и подавления помех самой линии)

· перекрестные наводки на ближнем конце кабеля (определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Внутренними называются помехи, возникающие при передаче электромагнитного сигнала по паре проводников, которые наводят на другую пару проводников сигнал помехи. В случае, когда ко второй паре подключен приемник, то наведенная помеха может быть принята за полезный сигнал)

9. Протоколы физического уровня RS. RS-232, RS-485.

Существует несколько протоколов физического уровня, которые ориентированы на работы с портами типа UART. Один из таких протоколов – RS-232.

Аббревиатура RS означает Recommended standard (то есть де-юро он стандартом не является). Протокол RS-232 определяет физический уровень протокола, который часто используется совместно с UART (то есть использует для передачи асинхронный старт-стопный режим, способ физического кодирования NRZ). Основные характеристики RS-232:

· Среда передачи данных – медный провод. Сигнал является небалансным (потенциальным). В этом случае сигнал передается по одному индивидуальному проводу кабеля, передатчик и приемник имеют по одному выводу в отличие от дифференциального сигнала (каждый сигнал передается по индивидуальной паре). Вторым проводом является общий (земля), используемый сразу всеми сигналами и подключаемый к общим вывода питания приемника и передатчика. Такой способ снижает стоимость соединительного кабеля, но и ухудшает помехоустойчивость системы.

· Количество узлов – всегда 2. Передатчик первого узла соединен с приемником второго и наоборот. Соответственно всегда используется полнодуплексный режим работы – данные передаются в обоих направлениях одновременно и независимо.

· Максимальная длина провода – 15,25 м. для скорости передачи 19,2 Кбит/с.

· Уровни напряжений сигнала на выходе передатчика: сигнал двуполярный, логической “1” соответствует напряжение -5 ¸ -15 В., логическому “0” - +5 ¸ +15 В.

· Минимальные уровни напряжения на входе приемника ±3 В.

· Ток в линии – 500 ма (на самом деле выпускаемые драйверы RS-232 допускают ток в пределах 10 ма).

В настоящее время существует большое количество драйверов, выполняющих преобразование сигналов из цифровых уровней (однополярный сигнал, ограничиваемый уровнем цифрового питания) к уровню RS-232.

Протокол RS-485.

Обеспечивает упрощенное равноправное (на физическом уровне) подключение произвольного числа устройств к линии передачи данных.

Основные характеристики:

· среда передачи данных – всегда витая пара. Обычно используется 1 пара (полудуплексный режим), возможно использование 2-х пар (полнодуплексный режим, не являющийся стандартным). Линии пары также маркируются буквами A и B. Рекомендуется использование экранированной витой пары;

· способ передачи – полудуплексный (при использовании одной пары) либо полнодуплексный (при использовании двух пар). В последнем случае режим связи аналогичен режиму RS-422.

· максимальная дальность передачи – 1220 м на скорости 100 кбит/с;

· максимальная скорость передачи – 10 Мбит/с на расстояние до 15 м;

· сигнал передатчика двуполярный. Соотношения потенциалов линий A и B: состояние 0 – A>B, состояние 1 – B>A. Разность потенциалов A и B должна составлять 1,5 – 5 В, уровень тока в линии – до 250 ма.

Изначально протокол предусматривал подключение к одной линии до 32 устройств, но производители драйверов линии увеличили это количество до 128-256.

10. Режимы работы, физический, канальный уровни MODBUS. ASCII и RTU режимы.

MODBUS является коммуникационным протоколом уровня приложений, соответствующим уровню 7 модели OSI (прикладной уровень).

· MODBUS представлен как зарезервированный системный порт 502 стека TCP/IP;

· используется (в основном в промышленном оборудовании) для асинхронной последовательной передаче поверх различных физических сред

· модификация MODBUS PLUS представляет собой высокоскоростную сеть передачи данных, например, аудиопереговоров;

· и другие применения.

Далее будем рассматривать «классический» MODBUS, широко применяющийся именно в промышленных сетях уровня цеха.

Протокол MODBUS всегда используется в режиме «Ведущий – Ведомый», в каждой сети имеется только одно ведущее устройство и до 255 ведомых устройств. Общий формат кадра MODBUS имеет следующий вид:

Рис. 4.1. Общий формат кадра MODBUS

Инициатором обмена данными всегда является ведущее устройство. Ведомое устройство передает свой кадр только в ответ на кадр ведущего устройства, в ответ на 1 кадр ведущего устройства ведомое устройство возвращает не более 1 кадра.

На физическом уровне для реализации MODBUS в промышленном оборудовании как правило выбирают последовательный канал стандарта RS-232 или RS-485. Используется асинхронный режим передачи данных, передача данных выполняется побайтово. Передаваемый байт данных имеет старт-бит, 8 битов данных и 2 стоп-бита. Скорости передачи определяются интерфейсом (RS-232 или RS-485) и обычно составляют 4808÷38460 Бод.

На канальном уровне могут поддерживаться два режима работы последовательного порта: ASCII и RTU.

Режим ASCII

Для передачи используются только символы таблицы кодировки ASCII. Каждый передаваемый байт содержит код одного символа ASCII, имеет структуру, приведенную на следующем рисунке:

Рис. 4.2. Структура байта в режиме ASCII

Бит четности может использоваться в одном из трех режимов:

1) контроль четности: имеет значение 1, если биты D0 – D6 содержат нечетное число битов “1”, 0 – в противном случае (биты D0 – D6 и PB должны содержать четное число единиц);

2) контроль нечетности: имеет значение 1, если биты D0 – D6 содержат четное число битов “1”, 0 – в противоположном случае (биты D0 – D6 и PB должны содержать четное число единиц);

3) контроль четности/нечетности запрещен: всегда содержит значение 1.

Элементы кадра MODBUS имеют для режима ASCII следующий формат: