Introduccion a los protocolos Errores en la transmisión de la señal · 2010-04-14 · 11..--Fuentes de Errores en la transmisión: ... Aplicación critica 0% de errores La respuesta

Introducción a la transmisión digital de información

Introduccion a los protocolosIntroduccion a los protocolos

1.- Fuentes de Errores.

2.- Detección de errores.2.- Detección de errores.• Paridad

• ChekSum

• CRC

3.- Control del flujo de la información.• ARQ

4.- Metodos de acceso al medio.4.- Metodos de acceso al medio.

5.- Modelos de comunicacion.

6.- Concepto de bus de campo


Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal

EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR

Mensaje

“A”

“01100111”

“A”

“01100111”Mensaje


Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal

EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR

Mensaje

“A”

“01100111”

“C”

“01110111”Mensaje


1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión:Fuentes de Errores en la transmisión:

� Atenuación de la señal debida a la carga� Atenuación de la señal debida a la carga

Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas

interferencias eléctricas en las líneas de comunicación

Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas


� Distorsión de la señal debida a la atenuación

� Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)


Ruido térmico: Ruido Blanco

Ruido de fluctuación: Ruido Rosa


Ruido térmico: Ruido Blanco

Ruido de fluctuación: Ruido Rosa


� Atenuación de la señal debida a la carga

1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión:Fuentes de Errores en la transmisión:

Señal transmitida� Atenuación de la señal debida a la carga

� Distorsión de la señal debida a la atenuación

� Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)

Señal transmitida

Ruido

Señal y ruido Señal y ruido combinados

Señal recibida


¿Qué podemos hacer con los errores?La atenuación se corrige con:

REPETIDORES�� para señales digitales

AMPLIFICADORES�� para señales analógicas

La atenuación se corrige con:

REPETIDORES�� para señales digitales

AMPLIFICADORES�� para señales analógicas

Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles

� Utilización de pares trenzados

� Apantallamiento electroestático

Tierra simple

Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles

� Utilización de pares trenzados

� Apantallamiento electroestático

Tierra simple

AMPLIFICADORES�� para señales analógicasAMPLIFICADORES�� para señales analógicas

� Tierra simple

� Filtros

� Amplificador diferencial

� Tierra simple

� Filtros

� Amplificador diferencial

DETECTAR LOS ERRORESDETECTAR LOS ERRORES


¿Qué podemos hacer con los errores?

DETECTAR LOS ERRORES:DETECTAR LOS ERRORES:

� La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos� La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos

Texto puro�� 20% de errores

Aplicación critica �� 0% de errores

� La respuesta al error, su CORRECCION, depende del contenido, importancia, etc.

Método mas directo �� retransmisión del dato

� Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA� Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA

Bit adicionales que se envían con el mensaje y que representan en algún modo el contenido de este.


Redundancia:Redundancia:

de Caracteres:de Caracteres: 0 1 0 0 0 0 0 1

“A”carácter

-- ParidadParidad

de Trama:

“A”

1000011 1100110 1111001 1010101

C f y U

carácter

-- ParidadParidad

-- CHECKSUMCHECKSUM --

-- CRCCRC


Redundancia de caracteres: ParidadRedundancia de caracteres: ParidadSe añade un bit al final de la palabra de datos. Este bit es una función del resto de la palabra

Convenciones

Paridad Par -> el nº de ‘1’ es par

Paridad Impar -> el nº de ‘1’ es impar

Paridad de marca (Mark) � el bit de paridad es siempre 1

Paridad de espacio (Space)� el bit de paridad es siempre cero

NO Paridad (None)� el bit de paridad no se utiliza y su

0 1 0 0 0 0 1 0

0 1 0 0 0 0 1 1

“A”

NO Paridad (None)� el bit de paridad no se utiliza y su valor se deja sin especificar

1 0 1 0 1 0 1


Redundancia de caracteres: Redundancia de caracteres: ParidadParidad

Transmitido Recibido0 1 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 0 0 1 1

0 1 0 1 1 1 0 1

Correcto

Er. detectado

Er. NO detectado

Err. detectado

Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan a un numero impar de bits)a un numero impar de bits)

SOBRETASA: Un 10% del tiempo se malgasta transmitiendo bit de comprobación que no cumplen su cometido en un 40% de los casos (1 Start, 7 Datos, 1 paridad, 1 stop�� 10 bits)


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad


0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 0 0 0 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 0 0 1 0 0 1

C

f

Y

UBCC

1 1 0 0 0 0 1 1

0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 0 0 1 0 0 1

Error de dos bits en una fila

Error detectado0 0 0 1 0 0 0 1CHECK VALUE

La unidad básica de comprobación pasa a ser la trama

� BCC �� carácter de comprobación de bloques.

� CRL Comprobación de redundancia longitudinal (LRC).

� CRV Comprobación de redundancia vertical (VRC).

Error detectado0 0 0 1 0 0 0 1CHECK VALUE


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad


0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 0 0 0 0 1

0 1 0 0 1 1 0 1

0 0 0 0 1 0 0 1

C

f

Y

UBCC

1 1 0 0 0 0 1 1

0 1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 0 0 1 0 0 1

Error de dos bits en dos filas

Error NO 0 0 0 0 1 0 0 1CHECK VALUE

La mayor virtud es su sencillez pero tiene un alto porcentaje de fallos

Error NO detectado

0 0 0 0 1 0 0 1CHECK VALUE


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM

Transmitido Recibido1 0 0 0 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0

1 1 0 0 0 0 1

1 0 0 1 1 0 1

1 0 1 1 1 0 1 1 1

C

f

Y

UBCC

1 0 0 0 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 1 0 0 1

1 0 1 0 1 0 1

1 0 1 1 1 0 1 1 1

Error de dos bits en dos filas

1 0 1 0 1 1 1 1 1

Incrementa la presición

Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)

Error detectado

1 0 1 0 1 1 1 1 1


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM

Transmitido Recibido1 0 0 0 0 1 0

1 1 0 0 1 1 1

1 1 0 0 0 0 1

1 0 0 1 1 0 1

1 0 1 1 1 0 1 1 1

C

f

Y

UBCC

1 0 0 0 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0

1 1 1 1 0 0 1

1 0 1 0 1 0 1

1 0 1 1 1 0 1 1 1

Error de un bits en dos

columnas

1 0 1 1 1 0 1 1 1

Incrementa la presición

Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)

Error NO detectado

1 0 1 1 1 0 1 1 1


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)

� Sobretasa idéntica a la suma de comprobación

� Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)� Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)

� Punto de arranque: Nº de bit deseado en el valor de comprobación (12, 32)

1000011 1100110 1111001 1010101 CRC CRC

C f y U

� DIVISION LARGA EN MODULO 2

� CRC-CCITT �� X-Modem

� CRC-16 �� Modbus-RTU

� CRC-12


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)

�� DIVISION LARGA EN MODULO 2

�� 3.278.305.625101000011 1100110 1111001 1010101

C f y U

3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto

Divisor de 17 bits �� resto menor de 17 bits

3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto

Divisor de 17 bits �� resto menor de 17 bits

60.36110 = EBC916 = 1110101111001001260.36110 = EBC916 = 11101011110010012

“c” “f” “y” “U” 1110101111001001


3.3.-- Control del flujo de información:Control del flujo de información:

Control de caracteres:ECOECOXON/XOFF

Control de Línea completa (PAQUETE):

ETX/ACK

Valor de comprobación

ETXDATASTXNúmero de secuencia de paquete

SOH

Campo de datos

Campo de servicios

comprobación paquete

Valor de comprobación

DATALENNúmero de secuencia de paquete

SOH

SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text


Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ

� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta

El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa

Time-out: Tiempo de espera para dar por fallida la

comunicación

Retries: Cantidad de intentos que realiza el maestro

1

1

2

Emisor

Receptor

ACK

ACKNAQ

2


Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ

� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta

El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa

� ContinuoEnvía tramas numeradas y si falla pide ha partir de la errónea


4.4.-- Métodos de acceso al medioMétodos de acceso al medio

�Maestro/esclavo

�Peer–to-peer (Punto a punto)

�Paso de testigo (Token)

�CSMA: CD e BA

METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO

TRAMA DE PREGUNTA

CODIGO FUNCION DIRECCIONAREA DE DATOSCRCMAESTRO

ESCLAVO n

AUTOMATA

PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3

WinCC

MAESTRO

ESCLAVO n

TRAMA DE RESPUESTA

DIRECCION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC

Puerto de Comunicaciones

MAESTRO

ESCLAVO n

PROTOCOLO MOD-BUSMETODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO

DIRRECION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC

TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA

AUTOMATA

1 byte 1 byte N bytes 2 bytes

PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3

WinCC

Mod-bus RTU:

Puerto de Comunicaciones

MAESTRO

ESCLAVO n

MODEN MODEN

Peer_to_Peer

MODEN MODEN

MODEN

Maestros

PC

Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO

PLCPC

PROFIBUS

Dispositivos de campo (Esclavos)


Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA: CSMACarrier sense multiple accessCarrier sense multiple access

� CD: Collision detection• se transmite cuando el bus está desocupado

• si hay colisión, se repite la tentativa después de un tiempo aleatorio.

• ejemplo: Ethernet

I/O 1 I/O 2 I/O 3

I/O 4


� BA: Bitwise Arbitration• se transmite cuando el bus esta desocupado

Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMACarrier sense multiple access

• se transmite cuando el bus esta desocupado

• si existe colisión :

�bit 0 es dominante

�bit 1 es recesivo

• el dominante continua transmitiendo

• es más eficiente que CSMA/CD


CA: Collision Avoidance)

Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA/CACarrier sense multiple access

Identificador único que determina la prioridad del mensaje.

Mensaje con alta prioridad gana el acceso al bus.

Mensajes de baja prioridad son retransmitidos en el siguiente ciclo de bus


5.5.-- Modelos de comunicaciónModelos de comunicación

¿Qué modelos de PROTOCOLO existen en el mercado?

¿Cuáles son sus diferencias?

1.- MODELO ORIGEN/DESTINO1.- MODELO ORIGEN/DESTINO

ORIGEN DESTINO DATOS CRC

Jerarquías:

Maestro/esclavoMaestro/esclavo

Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto)

Paso de testigo

¿Qué modelos de PROTOCOLOS existen en el mercado?

¿Cuáles son sus diferencias?

2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR

IDENTIFICADOR DATOS CRC

- Los mensajes son identificados por su contenido

- Múltiples nodos pueden consumir la misma información al mismo tiempo (MULTIDIFUSION)

- Permiten jerarquías maestro/esclavo, peer-to-peer

- Producción de datos por:

Cambios de estado de los datos (por eventos).

Cíclica por tiempo.


5.5.-- Concepto de Bus de CampoConcepto de Bus de Campo5.5.-- Concepto de Bus de CampoConcepto de Bus de Campo

• Protocolo.

• Bus de comunicación.

• Bus de campo.


Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio de datos reciproco se ha establecido un protocolode datos reciproco se ha establecido un protocolo

¿QUÉ ES UN PROTOCOLO ?

de datos reciproco se ha establecido un protocolode datos reciproco se ha establecido un protocolo

Conjunto de reglas �� PROTOCOLOControl del flujo

Control de errores

Método de acceso al medio

En un protocolo hay:

- Cooperación

- Acuerdo previo

Metafísicamente“HANDSHAKING”

apretón de manos


DEFINICIÓN DE BUS: Línea de comunicación entre dos o más elementos que procesan información.

¿QUÉ ES UN BUS DE COMUNICACION ?

dos o más elementos que procesan información.

Son seis los niveles que lo forman: •Nivel mecánico. (Conectadores y placas)•Nivel eléctrico. (alimentación, impedancia)•Nivel lógico. (señales)•Nivel de temporización básica. (diagramas de tiempos)•Nivel de transferencia elemental. (maestro/esclavo, protocolo)•Nivel de transferencia elemental. (maestro/esclavo, protocolo)•Nivel de transferencia de bloque. (Protocolo)


Protocolos y líneas de comunicación usadas en las aplicaciones industriales

¿QUÉ ES UN BUS DE CAMPO ?

en las aplicaciones industriales

Existen dos tipos bien diferenciados:Buses de campo propietarios:

La propiedad intelectual pertenece a una compañía y se necesita licencia para usarlo.

Buses de campo no propietarios o abiertos:Buses de campo no propietarios o abiertos:Especificaciones publicas y disponiblesComponentes criticas disponiblesProceso de validación definido.


El conjunto de todos los componentes físicos necesarios para establecer una vía

¿QUÉ CONTITUYE UN BUS DE CAMPO ?

físicos necesarios para establecer una vía de transmisión de datos así como los

procedimientos comunes asociados para intercambiar datos.

Sensorbuses fieldbuses

¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?

• ASI

• CANbus

• LonWorks

• CANbus

• DeviceNet

• SDS

Sensorbuses

• IEC 61158

• PROFIBUS

• WorldFIP

fieldbuses

• Seriplex

• Sensoplex

• InterBus-S

• LonWorks

• ModBus

ControlNET Modbus ® Interbus

Typical

Applications

Process, Factory Process, Factory

Building AutomationProcess, Factory

Data Rate bits/s 5M Typ1.2K - 115.2K 500K

Communication Technique Producer/Consumer Master/Slave Master/Slave

Media Access Method CTDMA *3 Token Passing NoneMedia Access Method CTDMA *3 Token Passing None

Media Supported Co-ax, Fibre-Optic Twisted Pair Co-ax, Fibre-Optic

Max. No. of Addressable

Nodes

99 per link 247 per network 256 Stations

Deterministic *1 Yes No Yes

Intrinsically Safe No No No

Bus Powered? No No No

ASICs *2 Available Yes No Yes

Physical Layer Standard Generally based on differential Not Specified RS485Physical Layer Standard Generally based on differential

Manchester encodingNot Specified RS485

Applicable Standards BSI draft standard prov EN

50254

Modicon Protocol

PI-MBUS-300

Rev.E

DIN E 19258 prov EN

50254

Ethernet ® WorldFIP LONWORKS ®

Typical

Applications

Process, Data Process, Smart,

Building, Factory

Automation

Process, Building, Factory

Automation

Data Rate bits/s 10M 31.5K, 1M and 2.5M 300 to 1.25M

Communication

Technique

Master/Slave,

Peer to Peer

Producer/Consumer Master/Slave,

Peer to Peer

Media Access Method CSMA/CD Bus Arbiter Access Predictive Media

Media Supported Co-ax Twisted Pair, Radio,

Fibre-Optic

Co-ax, Twisted Pair,

Radio, Fibre-Optic


Nodes

400 per segment 256 per network 32,768 per domain

Deterministic *1 No Yes No

Intrinsically Safe No Yes Yes

Bus Powered? No Yes YesBus Powered? No Yes Yes

ASICs *2 Available Yes Yes Yes

Physical Layer Standard Unbalanced Voltage IEC/ISA/FF IEC

1158-2

Numerous

Applicable Standards IEE802.3,

ISO8802.3(10Bas

e-5)

EN 50170(Part 3) LonMark Interoperability

Association

Guidelines

CAN HART ® AS-Interface

Typical

Applications

Process, Building,

Factory, Vehicle

Automation

Smart Instrumentation Process, Building,

Factory

Automation

Data Rate bits/s To 1M 1200 167K

Communication

Technique

Producer/Consumer,

Peer to Peer

Master/Slave Master/Slave

Media Access

Method

CSMA/CD/NDA None Cyclic polling

Media Supported Twisted Pair,

Fibre-Optic

Twisted Pair Twisted Pair

Max. No. of

Addressable

Nodes

2^11, or 2^29 in

extended address

mode

15 per loop 31 per network

Deterministic *1 No No Yes

Intrinsically Safe No Yes NoIntrinsically Safe No Yes No

Bus Powered? No Yes Yes

ASICs *2 Available Yes Yes, partial Yes

Physical Layer

Standard

Balanced Differential

Voltage

4-20mA pair (f.s.k current

modulation)

Balanced Differential

Voltage

Applicable

Standards

ISO 11898 HART Protocol

Specification Rev 5.1

Physical Layer Rev 8.0

IEC947-5-2/D EN60947

DIN VDE 0660/208

Profibus DP FMS PA

Typical

Applications

Process, Factory Process, Factory Process, Smart

Data Rate bits/s To 1.5M and 12M 500K 31.25K

Communication Technique Master/Slave,

Peer to Peer

Master/Slave,

Peer to Peer

Master/Slave,

Peer to Peer

Media Access Method Token Passing Token Passing Token Passing

Media Supported Twisted Pair Twisted Pair Twisted Pair


Nodes

127 per network 127 per network 127 per network

Deterministic *1 No No No

Intrinsically Safe No No Yes

Bus Powered? No No YesBus Powered? No No Yes

ASICs *2 Available Yes Yes Yes

Physical Layer Standard RS485 RS485 IEC/ISA/FF IEC 1158-2

Applicable Standards EN 50170(Part 2) DIN

19245 EN 50 254

EN 50170(Part 2) DIN

19245

DIN 19245

Sensorbuses fieldbuses

¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?

• ASI

• CANbus

• LonWorks

• CANbus

• DeviceNet

• SDS

Sensorbuses

• IEC 61158

• PROFIBUS

• WorldFIP

fieldbuses

• Seriplex

• Sensoplex

• InterBus-S

• LonWorks

• ModBus

1.- Realizar una evaluación de las aplicaciones y el tipo de control que se necesita.Tamaño de la red, Volumen de trafico, Rendimiento, Fallos de estaciones, Longitud del mensaje, Expansión.

2.- Comparar estas necesidades con las características de los fieldbuses disponibles.

ENFOQUE METÓDICO ANTE LA SITUACIÓN ACTUAL DE DIFERENTES

FIELDBUSES:

3.- Clasificar las prioridades de control de las aplicaciones tomando en cuenta los siguientes factores:

Rendimiento:¿Cuál es la característica más importante para la aplicación?

DeterminismoRepetitibidadTiempo de respuesta

Gateways:¿Requiere de mas de un fieldbus el diseño propuesto?¿Requiere de mas de un fieldbus el diseño propuesto?¿Es necesaria la comunicación mutua entre diferentes fieldbuses?

Costos:¿Cuáles de los siguientes costos son mas importantes:

Componentes físicos.Costos por tiempo improductivo.Costos de la instalación.

¿Es fácil la integración en el sistema?

Interbus-s, CAN/DeviceNet y Hart.

Ethernet Industrial, Profibus y Asi.

Tríos interesantes

Para adaptarse a los diferentes requisitos, se pueden combinar diversas redes de comunicación.

- Definida por: Distribución del cable que interconecta los diferentes interlocutores.

- Las diferentes estaciones son los nodos de la red.

Topología de la red

ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA

- La estructura más simple es una red formada por dos estaciones, es decir, dos nodos (punto a punto)

Factores a tener en cuenta:La distribución de los equipos a interconectar.La inversión que se quiere hacer.El tráfico que va a soportar la red local.La capacidad de expansión.La capacidad de expansión.

No se debe confundir el término topología con el de arquitectura.

La arquitectura de una red engloba :La topología.El método de acceso al cable.Protocolos de comunicaciones

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