Провода, по которым передаются цифровые данные (в нашем случае между резервуаром и местом наблюдения) называются шиной или сетью. Различие между этими двумя терминами скорее семантическое, нежели техническое, и они могут использоваться взаимозаменяемо для всех практических целей. По моему опыту, термин «шина» обычно используется для обозначения набора проводов, соединяющих цифровые компоненты внутри корпуса компьютерного устройства, а «сеть» — для чего-то более физически весомого.
Однако в последние годы слово «шина» приобрело популярность при описании сетей, которые специализируются на соединении между собой дискретных измерительных датчиков на больших расстояниях. Двумя примерами являются «Fieldbus» (дословно переводится как «полевая шина») и «Profibus» (тоже разновидность «полевой шины»). В любом случае мы подразумеваем те средства, с помощью которых два или более цифровых устройства соединяются вместе, чтобы данные могли передаваться между ними.
Смысл терминов, вроде те же «Fieldbus» или «Profibus», охватывают не только физическую проводку шины или сети, но также указанные уровни напряжения для связи, их временны́е последовательности (особенно для последовательной передачи данных), характеристики контактов разъёма и все остальные отличительные технические характеристики, в особенности сетевые.
Другими словами, когда мы говорим об определённом типе шины или сети по его/её названию, мы на самом деле говорим о стандарте связи, примерно аналогичном правилам и лексике письменного языка. Например, прежде чем два или более человека смогут стать друзьями по переписке, они должны иметь возможность писать друг другу в общепринятом формате.
Просто иметь почтовую систему, способную доставлять письма друг другу, недостаточно. Если они соглашаются писать друг другу на французском языке, они соглашаются придерживаться соглашений о наборе символов, словарном запасе, орфографии и грамматике, установленных стандартом французского языка.
Точно так же, если мы соединим два Profibus-устройства вместе, они смогут взаимодействовать друг с другом только потому, что стандарт Profibus определяет такие важные детали, как уровни напряжения, временны́е последовательности и т. д. Просто иметь набор проводов, протянутых между несколькими устройствами, недостаточно для создания работающей системы (особенно если устройства были созданы разными производителями!).
Чтобы проиллюстрировать это подробнее, давайте разработаем собственный стандарт шины. Взяв систему измерения в резервуаре для воды с пятью переключателями для определения различных уровней воды и используя (как минимум) пять проводов для передачи сигналов к месту назначения, мы закладываем основу для нашего мощного стандарта BogusBus™ (это ироничное название можно перевести, например, как «ЛипаШина™»):
Рис. 1. Разработаем собственный стандарт шины BogusBus™.
Физическая проводка для BogusBus™ состоит из семи проводов между передающим устройством (переключателями) и принимающим устройством (лампочками). Передатчик состоит из всех компонентов и проводных соединений слева от крайнего левого разъёма (символы «—>>—»). Каждый символ соединителя представляет собой взаимодополняющий элемент типа «папка» и «мамка». Проводка шины состоит из семи проводов между парами разъёмов.
Наконец, приёмник и все составляющие его проводки лежат справа от крайних правых разъёмов. Пять сетевых проводов (пронумерованных от 1 до 5) передают данные, а двое из этих проводов (обозначенные +V и -V) обеспечивают подключение к источникам питания постоянного тока. Также существует стандарт для 7-контактных разъёмов. Расположение контактов асимметрично, чтобы предотвратить «обратное» соединение.
Чтобы производители могли получить впечатляющий сертификат «совместимый с BogusBus™» на свою продукцию, они должны соответствовать спецификациям, установленным разработчиками BogusBus™ (как обычно, из другой компании, которая когда-то разработала шину для конкретной задачи и закончила продавать его для самых разных целей). Например, все устройства должны иметь возможность использовать питание 24 В постоянного тока от BogusBus™: переключающие контакты в передатчике должны быть рассчитаны на коммутацию этого постоянного напряжения, лампы обязательно должны быть рассчитаны на питание от этого напряжения, а также необходимо наличие соответствующих разъёмов.
Проводка, разумеется, должна соответствовать тому же стандарту: например, лампы с 1 по 5 должны быть подключены к соответствующим контактам так, чтобы при замыкании LS4-передатчика условного производителя XYZ загоралась лампа 4 приёмника производителя ABC, и т.д. на. Поскольку и передатчик, и приёмник содержат блоки питания постоянного тока с номинальным выходным напряжением 24 В, все комбинации передатчик/приёмник (от всех сертифицированных производителей) должны иметь блоки питания, которые можно безопасно подключить параллельно.
Подумайте, что могло бы произойти, если бы производитель XYZ изготовил передатчик с отрицательным (-) выводом источника питания 24 В постоянного тока, подключённым к заземлению, а производитель ABC изготовил приёмник с положительным (+) выводом источника питания 24 В постоянного тока, подключённым к заземлению. Если оба заземления являются относительно «твёрдыми» (т. е. имеют низкое сопротивление между ними, как это могло бы быть в случае, если два заземления выполнены на металлической конструкции промышленного здания), два разных источника питания замкнули бы друг друга!
BogusBus™, конечно, совершенно гипотетический и очень непрактичный пример цифровой сети. Он имеет невероятно низкое разрешение данных, требует значительной проводки для подключения устройств и обменивается данными только в одном направлении (от передатчика к приёмнику). Однако этого достаточно в качестве учебного примера того, что такое сеть, и некоторых соображений, связанных с выбором сети и её эксплуатацией.
Существует множество типов шин и сетей, с которыми вы можете столкнуться в своей профессии. Каждый из них имеет свои области применения, преимущества и недостатки. Вот различные ингридиенты «алфавитного супа», используемые для маркировки:
Шины ближней связи
PC/AT
Использовалась в ранних IBM-совместимых компьютерах для подключения периферийных устройств (таких как дисковод и звуковые карты) к материнской плате компьютера.
PCI
Ещё одна шина, используемая в персональных компьютерах, но не только в IBM-совместимых. Гораздо быстрее, чем PC/AT. Типичная скорость передачи данных 100 Мбайт/сек (32 бита) и 200 Мбайт/сек (64 бита).
PCMCIA
Шина, предназначенная для подключения периферийных устройств к ноутбукам и персональным компьютерам размером с ноутбук. Занимает очень мало места, но значительно медленнее, чем другие популярные шины ПК.
VME
Высокопроизводительная шина (совместно разработанная Motorola и основанная на более раннем стандарте Motorola Versa-Bus) для создания универсальных промышленных и военных компьютеров, где несколько карт памяти, периферийных устройств и даже микропроцессоров могут быть подключены к пассивной «стойке» или «клетке из карт» для упрощения проектирования систем по индивидуальному заказу. Типичная скорость передачи данных 50 Мбайт/с (ширина 64 бита).
VXI
Фактически является расширением шины VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) включает в себя стандартную шину VME вместе с разъёмами для аналоговых сигналов между платами в стойке.
S-100
Иногда называемый шиной Altair, этот стандарт шины введён по итогам конференции 1976 года и предназначался для использования в качестве интерфейса для микропроцессорного чипа Intel 8080. Философия аналогична VME, где к пассивной «стойке» можно было подключить несколько функциональных карт, что облегчило создание пользовательских систем.
MC6800
Эквивалент Motorola S-100, ориентированной на Intel, предназначенный для подключения периферийных устройств к популярному микропроцессорному чипу Motorola 6800.
STD
Означает Simple-To-Design (переводится как «простота в дизайне») и представляет собой ещё одну пассивную «стойку», похожую на шину PC/AT, и хорошо подходит для проектов, основанных на IBM-совместимом оборудовании. Разработанный Pro-Log, он имеет ширину 8 бит (параллельная передача данных) и вмещает относительно небольшие (4,5 дюйма на 6,5 дюйма) печатные платы.
Multibus I и II
Ещё одна шина, предназначенная для гибкого проектирования заказных компьютерных систем, разработанная Intel. Ширина 16 бит (параллельная передача данных).
Compact PCI
Промышленная адаптация стандарта PCI для персональных компьютеров, разработанная как более производительная альтернатива старой шине VME. При тактовой частоте шины 66 МГц скорость передачи данных составляет 200 Мбайт/сек (32 бита) или 400 Мбайт/сек (64 бита).
Microchannel
Ещё одна шина, разработанная IBM для их злополучной серии компьютеров PS/2, предназначенная для сопряжения материнских плат ПК с периферийными устройствами.
IDE
Шина, используемая в основном для соединения жёстких дисков персональных компьютеров с соответствующими периферийными платами. Широко используется в современных персональных компьютерах для сопряжения жёсткого диска и привода CD-ROM.
SCSI
Альтернативная (технически превосходящая IDE) шина, используемая для дисководов персональных компьютеров. SCSI расшифровывается как Small Computer System Interface (дословно переводится как «системный интерфейс малого компьютера»). Используется в некоторых IBM-совместимых ПК, а также в Macintosh (Apple) и многих мини-компьютерах и мейнфреймах для бизнеса. Используется для сопряжения жёстких дисков, дисководов CD-ROM, флоппи-дисководов, принтеров, сканеров, модемов и множества других периферийных устройств. Скорость до 1,5 Мбайт в секунду для оригинального стандарта.
GPIB (IEEE 488)
Интерфейсная шина общего назначения, также известная как HPIB или IEEE 488, которая предназначалась для сопряжения электронного испытательного оборудования, такого как осциллографы и мультиметры, с персональными компьютерами. 8-битный адрес / путь данных с 8 дополнительными линиями для управления связью.
Centronics parallel
Широко используется на персональных компьютерах для сопряжения принтеров и плоттеров. Иногда используется для взаимодействия с другими периферийными устройствами, такими как внешние ZIP-дисководы (100 Мбайт для гибких дисков) и ленточные накопители.
Универсальная последовательная USB-шина
Предназначенная для соединения множества внешних периферийных устройств (таких как клавиатуры, модемы, мыши и т. д.) с персональными компьютерами. Давно использовавшийся на компьютерах Macintosh, теперь он устанавливается как новое оборудование на IBM-совместимые машины.
FireWire (IEEE 1394)
Высокоскоростная последовательная сеть, способная работать на скоростях 100, 200 или 400 Мбит/с с универсальными функциями, такими как «горячая замена» (добавление или удаление устройств при включённом питании) и гибкая топология. Предназначен для высокопроизводительного взаимодействия с персональным компьютером.
Bluetooth
Сеть радиосвязи, предназначенная для офисного соединения компьютерных устройств. Положения о безопасности данных включены в этот сетевой стандарт.
Сети дальней связи
Токовый контур 20 мА
Не следует путать с обычным аналоговым стандартом измерительных приборов 4-20 мА. Это сеть цифровой связи, основанная на прерывании токового контура 20 мА (иногда 60 мА) для представления двоичных данных. Хотя низкий импеданс обеспечивает хорошую помехозащищённость, он чувствителен к неисправностям проводки (например, обрывам), которые могут привести к выходу из строя всей сети.
RS-232C
Наиболее распространённая последовательная сеть, используемая в компьютерных системах, часто используемая для подключения периферийных устройств (таких как принтеры и мыши) к персональному компьютеру. Ограничены по скорости и расстоянию – обычно 45 футов (≈ 13 метров) и 20 кбит/с, хотя более высокие скорости могут работать на более коротких дистанциях. Мне удалось надёжно запустить RS-232 на скоростях свыше 100 кбит/с, но для этого использовался кабель длиной всего 6 футов (≈ 1,5 метра)! RS-232C часто называют просто RS-232 (без «C»).
RS-422A/RS-485
Две последовательные сети, предназначенные для преодоления некоторых ограничений расстояния и универсальности RS-232C. Широко используется в промышленности для соединения последовательных устройств в электрически заводских средах с большим количеством «шумов». Обеспечивают гораздо бо́льшие расстояния и скорости, чем RS-232C, обычно более полумили (≈ 800 метров) и на скоростях, приближающихся к 10 Мбит/с.
Ethernet (IEEE 802.3)
Высокоскоростная сеть, соединяющая компьютеры и некоторые типы периферийных устройств. «Обычный» Ethernet работает со скоростью 10 миллионов бит/сек, а «быстрый» Ethernet работает со скоростью 100 миллионов бит/сек. Более медленный (10 Мбит/с) Ethernet реализован различными способами на медных проводах (толстый коаксиальный кабель = «10BASE5», тонкий коаксиальный кабель = «10BASE2», витая пара = «10BASE-T»), радио и оптоволокне (= «10BASE-F»). «Быстрый» Ethernet также реализован несколькими способами (витая пара, 2 пары = «100BASE-TX»; витая пара, 4 пары = «100BASE-T4»; оптоволокно = «100BASE-FX»).
Token ring
Ещё одна высокоскоростная сеть, связывающая компьютерные устройства вместе с использованием концепции связи, сильно отличной от Ethernet, что позволяет более точно определять время отклика от отдельных сетевых устройств и повышает устойчивость к повреждению сетевой проводки.
FDDI
Очень высокоскоростная сеть, реализованная исключительно на оптоволоконных кабелях.
Modbus/Modbus Plus
Первоначально реализован корпорацией Modicon, крупным производителем программируемых логических контроллеров (ПЛК) для соединения стоек удалённого ввода/вывода (входа/выхода) с процессором ПЛК. По-прежнему достаточно популярен.
Profibus
Первоначально реализован корпорацией Siemens, другим крупным производителем оборудования для ПЛК.
Foundation Fieldbus
Высокопроизводительная шина, специально разработанная для обеспечения связи нескольких технологических приборов (преобразователей, контроллеров, позиционеров клапанов) с главными компьютерами и друг с другом. В конечном итоге может заменить аналоговый сигнал 4-20 мА в качестве стандартного средства соединения контрольно-измерительных приборов в будущем.
