Συλλογη και Επεξεργασια Δεδομενων

• Το δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα χαρακτηρίζεται από την ταχύτατη ανάπτυξη της πληροφορικής τεχνολογίας • Η παγκοσμιοποίηση των αγορών και η διαφοροποίηση των καταναλωτικών συνηθειών επέβαλε την ευελιξία ως κρίσιμο χαρακτηριστικό των παραγωγικών συστημάτων • Η πρόοδος των επιστημών ωθεί προς ολοένα πιο σύνθετα και αποδοτικά συστήματα μετρήσεων

1. Σήματα και Μετρήσεις

Η μελέτη των φυσικών φαινομένων γίνεται με βάση πληροφορίες οι οποίες αναφέρονται σε διάφορα αντικείμενα ή γεγονότα που συμβαίνουν κατά την εξέλιξη των φαινομένων Οι πληροφορίες που αναφέρονται σε γεγονότα σχετίζονται κυρίως με μεταβολές φυσικών μεγεθών, τις ονομάζουμε σήματα Η σύγκριση ενός φυσικού μεγέθους με άλλο ομοειδές, το οποίο αυθαίρετα ή με συμφωνία λαμβάνουμε ως μονάδα, ονομάζεται μέτρηση

Τύποι Μετρήσεων

•

Διαφορά μεταξύ δύο ομοίων μεγεθών ή αντικειμένων

•

Διάταξη σε αύξουσα ή φθίνουσα τάξη

•

Κατάταξη μεγεθών σε διαστήματα

Η Λειτουργία της Μέτρησης

•

Απόκτηση των Πληροφοριών (Data Acquisition)

Mε τη δράση του συστήματος μετρήσεων και καταγραφή (χειρωνακτικά ή ηλεκτρονικά) των λαμβανόμενων μετρήσεων •

Ανάλυση των Πληροφοριών (Data Analysis)

Για να προκύψουν οργανωμένες πληροφορίες ή σημαντικά στοιχεία για το μετρούμενο σήμα •

Παρουσίαση των Αποτελεσμάτων (Data Presentation)

Χαρτί, οθόνη ή άλλο μέσο με μορφή αλφαριθμητική, διαγραμματική, γραφηματική ή οποιαδήποτε άλλη επιθυμητή •

Άσκηση Ελέγχου (Control)

Για την προσαρμογή του συστήματος προς κάποιο πρότυπο, το οποίο ικανοποιεί συγκεκριμένες απαιτήσεις

Συστήματα Μονάδων

• Με το

Διεθνές Σύστημα (S. I)

ορίζονται ορισμένα φυσικά μεγέθη ως

θεμελιώδη

από τα θεμελιώδη, μέσω των σχέσεων που τα συνδέουν με αυτά, ως

παράγωγα

ώστε τα άλλα μεγέθη και μονάδες να προκύπτουν

Μέγεθος Χρόνος Μήκος Μάζα Ένταση Ηλεκτρικού Ρεύματος Θερμοκρασία Ένταση Φωτός Σύμβολο t L m I T I L Μονάδα s m kg A K cd Ονομασία Δευτερόλεπτο

(second)

Μέτρο

(meter)

Χιλιόγραμμο

(kilogram)

Αμπέρ

(ampere)

Κέλβιν

(βαθμός)

Κανδέλα

(Candela)

Συστήματα Μετρήσεων

Φυσικό Σύστημα s(t) Σύστημα Μετρήσεων i(t)

i(t,x) = F [s(t,x)]

s(t,x) Αισθητήριο Βαθμίδα Διευθέτησης Βαθμίδα Μετατροπής Βαθμίδα Επεξεργασίας i(t,x)

• Η

βαθμίδα του αισθητηρίου

• Η

βαθμίδα διευθέτησης

• Η

βαθμίδα μετατροπής

• H

βαθμίδα επεξεργασίας

Τύποι Συστημάτων Μετρήσεων

•

Διάκριση ως προς τη Λειτουργική Δομή

α) Ενεργό

s(t,x) Διαδικασία F s F c F p Έξοδος i(t,x)

i(x,t) = F p [F c [F s [s(x,t)]]]

β) Παθητικό

Διεγέρτης (γεννήτρια σήματος) e(t) Διαδικασία s(t,x) F s1 F s2 F c1 F c2 F p i(t,x)

•

Διάκριση ως προς τα Σήματα

α) Συστήματα μετρήσεων σημάτων με

μοναδικό χαρακτήρα

β) Συστήματα μετρήσεων

περιοδικών σημάτων

γ) Συστήματα μετρήσεων

διακριτών σημάτων

δ) Συστήματα μετρήσεων

στοχαστικών σημάτων

•

Διάκριση ως προς τη Διάταξη

α)

Συγκεντρωτικό Αναλογικά Σήματα

Κανάλι 1 Κανάλι 2

Αναλογ ικός Πολυπ λέκτης

…… … Κανάλι ν

ADC Ψηφιακό Σήμα Έξοδος Βαθμίδα Επεξεργασίας

•

Αποκεντρωμένο

Ψηφιακά Σήματα Αναλογικά Σήματα

Κανάλι 1

ADC Ψηφιακ ός Πολυπλέ κτης

Κανάλι 2 Κανάλι ν

ADC ADC Βαθμίδα Επεξεργασίας Έξοδος

•

Τηλεμετρικά συστήματα

s(t,x) Διαδικασία Πομπός Κανάλι Εκπομπής Δέκτης Σύστημα Μετρήσεων i(t,x)

Χαρακτηριστικά Συστημάτων Μετρήσεων

•

Απόλυτο Σφάλμα

ή απλά

Σφάλμα

(

error

) •

Σχετικό Σφάλμα

Ακρίβεια

(

) -

(

) 100 %

(

) •

Ανάλυση

(

resolution

) ή

Διακριτική Ικανότητα

•

Περιοχή Μέτρησης

(

range

) •

Δυναμική Περιοχή

2. Συστήματα Ελέγχου

• Μια απ’ τις κύριες διαιρέσεις αναφέρεται στο είδος των σημάτων και σύμφωνα μ’ αυτή διακρίνουμε

αναλογικά

ψηφιακά

και

υβριδικά

συστήματα • Η επεξεργασία διακριτών σημάτων ακολούθησε με τον όρο

Σειριακός Έλεγχος

(

Sequence Control

) και περιλαμβάνει έλεγχο με λογικά κυκλώματα και χρονική διευθέτηση • Η επεξεργασία αναλογικών σημάτων περιλαμβάνει τη μετατροπή τους σε ψηφιακά με κατάλληλες διατάξεις, την υλοποίηση αλγορίθμων ελέγχου και την ενεργοποίηση κατάλληλων τερματικών διατάξεων, των δραστών actuators ) για την επιβολή των δράσεων ελέγχου

Αναλογικός Έλεγχος

• Η ανάπτυξη της Ηλεκτρονικής είχε ως αποτέλεσμα να είναι δυνατή αντικατάσταση του χειριστή από ειδική μονάδα ελέγχου (

Αναλογικός Ελεγκτής

), η οποία εκτελούσε αυτόματα τη δράση του ελέγχου

Μεταβλητές Εισόδου

Μεταβλητές Εξόδου

Διαδικασία (Process)

Αισθητήριο

Δράστης

Όργανο Μέτρησης

Xp Αναλογικός Ελεγκτής e + Αναφορά (set point)

• Το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου μπορούσε πλέον να υλοποιήσει πιο σύνθετους αλγόριθμους ελέγχου, όπως του

ελεγκτή τριών όρων

(

PID Controller

), του οποίου η έξοδος σε συνάρτηση με το χρόνο δίνεται από την εξίσωση:

X p

(

) 



 0

edt



de dt

Είσοδος

Ψηφιακός Έλεγχος

Έξοδος Διαδικασία (Process) Δράστης Δράστης Δράστης Αποπλέκτης Υπολογιστής Πολυπλέκτης Κονσόλα Χειρισμού

• Μικρο

ελεγκτές (προγραμματισμός) • Καταμερισμός χρόνου (λογισμικό) • Επικοινωνιακά πρωτοκόλλα (RS-232, IEEE488, VXI) • Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) • Προγραμματισμός Πραγματικού Χρόνου

Εποπτικός Έλεγχος

• Το Σύστημα Εποπτικού Ελέγχου (

Supervisory Control And Data Acquisition –SCADA

) συμβάλλει στην άμεση πληροφόρηση για την κατάσταση της διεργασίας, την αντιστάθμιση των μεταβλητών ελέγχου, την έγκαιρη διάγνωση ή και πρόγνωση βλαβών, την καταγραφή και αποθήκευση πληροφοριών σχετικά με την παραγωγή και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των διάφορων μέσων με στόχο τη μεγιστοποίηση της απόδοσης • Ο πυρήνας είναι ένα βάση δεδομένων

σύστημα αποφάσεων

, το οποίο περιλαμβάνει μια βάση δεδομένων πραγματικού χρόνου και συχνά μια σχεσιακή • Ο ρυθμιστικός έλεγχος (

regulatory control

περιοχή ανεκτής απόδοσης ) που στοχεύει στο να παραμένουν οι επιδόσεις του συστήματος σε μια σταθερή στάθμη ή

Προηγμένες Μορφές Ελέγχου

•

Ελέγχος με Προσωτροφοδότηση

(

feed-forward control

)

Διαταραχή Feed-forward Control

Ελεγκτής Διαδικασία (Process) Έξοδος Αναφορά (set point)

Ανατροφοδότηση

•

Προσαρμοστικός Ελέγχος

•

Προβλεπτικός Ελέγχος

Συστήματα Τεχνητής Νοημοσύνης

• Ο

Έμπειρος Έλεγχος

(

Expert Control

) • Ο

Νευρωνικός Έλεγχος

• Ο

Ασαφής Έλεγχος

3. Σήματα και Συστήματα

• Τα σήματα αναπαρίστανται μαθηματικά από συναρτήσεις μιας ή περισσοτέρων μεταβλητών. Οι μεταβλητές μπορεί να είναι ανεξάρτητες ή εξαρτημένες και διακρίνονται σε

μεταβλητές συνεχούς χρόνου

και

μεταβλητές διακριτού χρόνου

• Ένα σήμα συνεχούς χρόνου λέγεται

περιοδικό

με περίοδο

όταν:

x(t) = x (t + mT)

• Ένα σήμα διακριτού χρόνου θα είναι περιοδικό με περίοδο

, όπου Ν θετικός ακέραιος όταν:

x(n) = x (n + mN)

• Εκθετικό Σήμα

x(t) = c .

e αt

•

Ημιτονοειδές Σήμα x(t) = Acos (ωt+φ)

•

Μοναδιαία Βαθμίδα (Unit-Step) u(t) Συνεχούς Χρόνου

•

Μοναδιαίος Παλμός (Unit-Impulse) δ(t) Συνεχούς Χρόνου

•

Μοναδιαία Βαθμίδα (Unit-Step) u(n) Διακριτού Χρόνου

•

Μοναδιαίος Παλμός (Unit-Impulse) δ(n) Διακριτού Χρόνου

•

Δειγματοληψία Σήματος

•

Εκθετικό Σήμα Διακριτού Χρόνου x[n]=c a

•

Ημιτονοειδές Σήμα Διακριτού Χρόνου

x[n]=Acos(ωn+φ)

Συστήματα

• Ως

σύστημα

νοείται κάθε διαδικασία που έχει σαν αποτέλεσμα το

μετασχηματισμό των σημάτων

συσχετίζεται με το σήμα εισόδου δια του μετασχηματισμού του συστήματος. Τα . Το σήμα εξόδου του συστήματος

συστήματα συνεχούς χρόνου

μετασχηματίζουν τα συνεχή σήματα εισόδου τους σε συνεχή σήματα εξόδου • Tα

συστήματα διακριτού χρόνου

μετασχηματίζουν τα διακριτά σήματα εισόδου τους σε διακριτά σήματα εξόδου • Ένα σύστημα λέγεται ότι δεν διαθέτει

μνήμη

(

memory

) όταν η τιμή της εξόδου εξαρτάται μόνο από την τιμή της εισόδου εκείνη τη χρονική στιγμή, όπως συμβαίνει στις ωμικές αντιστάσεις:

y(t)=Rx(t)

• Ένα σύστημα λέγεται

αντιστρέψιμο

είσοδος οδηγεί σε συγκεκριμένη έξοδο (

invertible

) όταν συγκεκριμένη

• Ένα σύστημα χαρακτηρίζεται μετάθεση της εξόδου στο χρόνο

χρονικά αμετάβλητο

y(t)=sin[x(t)]

(

time-invariant

) όταν μια μετάθεση της εισόδου ως προς τον χρόνο οδηγεί σε αντίστοιχη •

Xρονομεταβλητό

(

time-variant

)

y[n]=nx[n]

( θεωρήσουμε δύο εισόδους

x 1 [n]

και

x 2 [n]

, με σχέση μεταξύ τους:

x 2 [n]=x 1 [n-n 0 ]

) • Ένα σύστημα χαρακτηρίζεται ως

γραμμικό

στην

αρχή της υπέρθεσης

(

superposition

(

linear

) όταν υπακούει ), δηλαδή αν οι έξοδοι σε διεγέρσεις x 1 , x 2 είναι y 1 , y 2.

•

Γραμμικό χρονικά αμετάβλητο

(

linear time invariant / LTI

) σύστημα

4. Δειγματοληψία

•

Η Σειρά Fourier

Η μορφή αυτή δηλώνει ότι μια περιοδική συνάρτηση του χρόνου απαρτίζεται από αρμονικές της θεμελιώδους συχνότητας

f 0 = 1/T 0

. Οι συντελεστές

C n

ονομάζονται

φασματικά πλάτη

(

spectral amplitudes

) καθόσον ο συντελεστής είναι το πλάτος της φασματικής συνιστώσας

C n cos(2πnf 0 t – φ n )

στη συχνότητα nf 0 . Το γράφημα των φασματικών πλατών σε συνάρτηση με τη συχνότητα ονομάζεται

φάσμα πλατών

(

amplitude spectrum

) και έχει την τυπική μορφή του σχήματος:

C n 0 f 0 2f 0 3f 0 4f 0 nf 0 f Φάσμα Πλατών ενός Περιοδικού Σήματος

C n 0 f 0 2f 0 3f 0 4f 0 nf 0

Φάσμα Πλατών ενός Περιοδικού Σήματος

f u(t) Ιδ(t+2T 0 ) Iδ(t+T 0 ) Iδ(t) Iδ(t-T 0 ) Iδ(t-2T 0 ) t -2To -To 0 To 2To

Περιοδική Σειρά Κρουστικών Παλμών

A u(t) -T 0 -τ/2 -Τ 0 -Τ 0 +τ/2 -τ/2 τ/2 Τ 0 -τ/2 T 0 Τ 0 +τ/2 t

Παλμοσειρά με παλμούς πλάτους Α και εύρος τ

Θεώρημα Δειγματοληψίας

Προκειμένου να δειγματοληπτήσουμε ένα αναλογικό σήμα

x(t)

χρησιμοποιούμε μια σειρά περιοδικών κρουστικών παλμών περίοδο

Τ p(t)

με (

περίοδος δειγματοληψίας

) και κυκλικής συχνότητας

ω s =2π/Τ

. Η συνάρτηση

p(t)

ονομάζεται

συνάρτηση δειγματοληψίας

(

sampling function

p ( t )



    

( t



nT )

Το αποτέλεσμα είναι το σήμα

x p (t)

x p (t) = x(t)p(t)

(γ) x(t) x p (t) 3T t (β) -3T -2T -T 0 T 2T (δ) x(t) x p (t) t x(t) 0 t -3T -2T -T 0 T 2T

Το πεδίο του χρόνου όπως είναι γνωστό είναι

δυϊκό (duality)

με το πεδίο συχνοτήτων (

modulation property

) και πολλαπλασιασμός στο πεδίο του χρόνου αντιστοιχεί σε

συνέλιξη (convolution)

αντίστροφα:

r ( t )



s ( t )



p ( t )



R (



)



1 2



[ S (



)

 στο πεδίο συχνοτήτων και

P (



)]

Χ(ω) (α) (β) -ω Μ Ρ(ω) 0 ω Μ 2π/Τ.

ω (γ) -2ω S -ω S X p (ω) 0 ω S 2ω S ω -2ω S -ω Μ -2ω S -ω S -2ω S +ω Μ -ω S -ω Μ -ω S +ω Μ -ω Μ 0 ω S ω Μ ω S -ω Μ ω S +ω Μ 2ω S 2ω S -ω Μ 2ω S +ω Μ ω

Το αποτέλεσμα της δειγματοληψίας στο πεδίο συχνοτήτων α)Φάσμα αρχικού σήματος β) Φάσμα συνάρτησης δειγματοληψίας γ) Φάσμα δειγματοληπτούμενου σήματος Χp(ω)

Η(ω) T -ω C 0 ω C ω

Φίλτρο Διελεύσεως Χαμηλών Συχνοτήτων • Αν γνωρίζουμε τα δείγματα, μπορούμε ν’ ανασυνθέσουμε το σήμα

x(t)

παράγοντας ένα

παλμοσυρμό

(

pulse train

) με περιοδικούς κρουστικούς παλμούς με πλάτος αντίστοιχο των δειγμάτων • H συχνότητα

ωS

αναφέρεται ως

συχνότητα Nyquist

(

Nyquist Frequency

) και η γενίκευση αυτή είναι γνωστή ως

Θεώρημα Δειγματοληψίας

(

Sampling Theorem

). Η συχνότητα 2ωΜ αναφέρεται συχνά ως

ρυθμός Nyquist

(

Nyquist Rate

) και αποτελεί κάτω φράγμα για τη συχνότητα δειγματοληψίας

Συγκράτηση

• Το

Θεώρημα Δειγματοληψίας

καθορίζει ότι ένα φασματικά περιορισμένο σήμα παρίσταται μοναδικά με τα δείγματά του, τα οποία θεωρούνται κρουστικοί παλμοί.Tο σήμα με τη δειγματοληψία μετατρέπεται σ’ ένα σήμα που αναφέρεται ως

σήμα συγκράτησης μηδενικής τάξης

(

zero – order hold

πηγαίο σήμα και συγκρατεί την τιμή του δείγματος, ώσπου να προκύψει το επόμενο δείγμα ). Το σύστημα δειγματοληπτεί το

p(t) (α) h o (t) x(t) x p (t) x o (t) t 0 T (β) x(t) x p (t) t (γ) (δ) t x o (t)

Δειγματοληψία και συγκράτηση μηδενικής τάξης.

α.)

Γενικό Διάγραμμα

β)

Αρχικό Σήμα Συνεχούς Χρόνου

γ)

Δειγματοληψία με κρουστικούςπαλμούς

δ)

Δειγματοληψία με συγκράτηση μηδενικής τάξης

Αλίαση

Όταν η συχνότητα δειγματοληψίας

ωS

είναι μικρότερη από το διπλάσιο της μέγιστης συχνότητας πρώτα αντίγραφα του φάσματος του αρχικού σήματος επικαλύπτονται με το φάσμα του αρχικού σήματος

ωΜ

του πηγαίου σήματος, τα

Τετραγωνικός Παλμός Τριγωνικό Σήμα Ημιτονοειδές

Δειγματοληψία στο Πεδίο Συχνοτήτων

• Ένα σήμα περιορισμένο χρονικά μπορεί ν’ αναπαραχθεί από δείγματα του αντίστοιχου φάσματος. Η διαδικασία περιγράφεται στο πεδίο του χρόνου με τη

συνέλιξη

x΄(t) = x(t) * p(t)

και

x ' ( t )

 

1 o k

   

x ( t



 

o k )

X(u)

(  )

(  ) 

   

(

 0 )  (  

 0 )

(  ) 

     (  

 0 ) • • Αν το σήμα

x(t)

είναι περιορισμένο χρονικά, δηλαδή:

x(t) = 0, |t|>T m

Πρέπει ανάλογα με το θεώρημα δειγματοληψίας στο πεδίο του χρόνου

 

 • Όπου αν ο χρόνος

2π/ω ο

δεν είναι μεγαλύτερος του σήματος στο καθοριζόμενο χρονικό παράθυρο

w (

2Τ

σήματος θα επικαλύπτονται και δεν είναι δυνατή η αναπαραγωγή του πηγαίου

t )

 τα αντίγραφα του     

0 0 , , t t

     

0 0 2 T m

Δειγματοληψία Σημάτων Διακριτού Χρόνο

x p [n] x[n] p[n]

• Η ακολουθία

x p [n]

που προκύπτει από τη δειγματοληψία είναι ίση με την πηγαία ακολουθία

x[n]

σε ακέραια πολλαπλάσια της περιόδου δειγματοληψίας Ν και ίση με μηδέν στα ενδιάμεσα χρονικά διαστήματα • Η ακολουθία

x p [n]

μπορεί να εκφρασθεί με την εξίσωση:

x p [ n ]



x [ n ] p [ n ]



   

x [ kN

• Η αναπαραγωγή της

x[n]

από την βαθυπερατού φίλτρου με κρουστική απόκριση: Η αναπαραγόμενη ακολουθία

x r x [n] p [n]

μπορεί να γίνει με τη χρήση ενός

h [ n ]







c sin c (

 

c n )

προκύπτει ως συνέλιξη και αναλυτικά:

]



[ n



kN ] x r [ n ]



   

x [ kN ] N



c 2



sin c [





c ( n



kN )]

5. Ενισχυτές

•

Ενισχυτής τάσης

(

Voltage Amplifier

) Η ενίσχυση τάσης

Α υ

του ενισχυτή θεωρείται ανεξάρτητη της πηγής και του φορτίου και χαρακτηρίζει τον ενισχυτή τάσης

V ο =A u V s

•

Ενισχυτής ρεύματος

(

Current Amplifier

)

I L =A i I S

• Ο

ενισχυτής διαγωγιμότητας

έχει άπειρη αντίσταση εισόδου και εξόδου και παράγει στην έξοδο του ρεύμα φορτίου

Ι L

(

Transconductance Amplifier

εξαιτίας της εφαρμογής τάσης

V s

) θεωρείται ότι στην είσοδο του

• O

ενισχυτής διαντίστασης

έχει πρακτικά μηδενική αντίσταση εισόδου και εξόδου και παράγει στην έξοδο του τάση

V o

(

Transresistance Amplifier

) θεωρείται ότι εξαιτίας της τροφοδοσίας της εισόδου με ρεύμα

Ι s

V O =R m I s

• O

ενισχυτής με αρνητική ανατροφοδότηση

έχει ως βασικό ενισχυτή έναν από τους προηγούμενους ενισχυτές και δίκτυο ανατροφοδότησης που αποτελείται από παθητικά κυρίως στοιχεία.Η ενίσχυση

του βασικού ενισχυτή ορίζεται από το λόγο: Α = Χο/Χι, β=Χf/Xo

Συγκριτής ή Μείκτης Χ S Σήμα Εισόδου

A f



X O X S







+ Χ i Βασικός Ενισχυτής Α X f =βΧ ο Σήμα Ανατροφοδότησης Δίκτυο Ανατροφοδότησης β Σήμα Εξόδου X ο =ΑΧ i

•

Διαφορικός Ενισχυτής (Differential Amplifier)

αποτελεί, συνήθως, την πρώτη βαθμίδα ενός συστήματος συλλογής δεδομένων, δέχεται το σήμα από το αισθητήριο και το αναδεικνύει. Εμφανίζει υψηλή αντίσταση εισόδου και μπορεί να ενισχύσει συνεχή σήματα.

V O =A V (V 1 -V 2 )

A d

 

h fe R C 2 R b A cm

 

R C 2 R E

•

Η διαφορική αντίσταση εισόδου του διαφορικού ενισχυτή

της τάξης των ΜΩ. Ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου ( είναι της τάξης των kΩ και η αντίσταση εισόδου κοινού τρόπου τροφοδοσίας είναι

Common Mode Rejection Ratio – CMRR

) είναι ο λόγος της διαφορικής ενίσχυσης προς την ενίσχυση κοινού τρόπου:

A d

 

h fe R C 2 R b

Τελεστικός Ενισχυτής

• Οι

τελεστικοί ενισχυτές

διακρίνονται για τη μεγάλη ενίσχυση συνεχούς, ζώνη διέλευσης συχνοτήτων από 0Ηz έως 1ΜΗz, ρυθμιζόμενη με εξωτερικές αντιστάσεις, υψηλή αντίσταση εισόδου και μικρή αντίσταση εξόδου. Πρακτικά, η αντίσταση εισόδου θεωρείται άπειρη, η αντίσταση εξόδου μηδενική και η διαφορική ενίσχυση άπειρη

V o V S

 

R f R 1

•

Διαφορικός ενισχυτής συνεχούς

V O



R 2 R 1 ( V 2



V 1 )

•

Ενισχυτής με ρυθμιζόμενη ενίσχυση

U O

 

R 3



R 4 R 4 R 2 R 1 U i

Βασικά Κυκλώματα Τελεστικών Ενισχυτών

•

Αναστρέφων αθροιστής τάσεων

V O

   

R f R 1 V 1



R R 2 f V 2



...



R R n f V n

  •

Μη αναστρέφοντος αθροιστή τάσεων

V O

  





R a

 

V 1



V 2



n ...



V n

•

Λογαριθμικός Ενισχυτής

V o

 

V T



ln V i RI s

•

Εκθετικός ενισχυτής

(Προκύπτει με εναλλαγή αντίστασης και τρανζίστορ στο προηγούμενο κύκλωμα)

V o





I s V i



e V T

•

Φωρατής κορυφής

Η έξοδος του παραμένει στη μεγαλύτερη τιμή που έχει λάβει.Είναι κατάλληλος για τον προσδιορισμό του πλάτους

Ενισχυτές Μετρήσεων

Ο ενισχυτής μετρήσεων είναι συνήθως διαφορικός ενισχυτής μεγάλης ακρίβειας, μεγάλης απόρριψης κοινού τρόπου και υψηλής ευστάθειας • Με έναν τελεστικό ενισχυτή

V o

 

R 2 R 1



V 1

  



R 2 R 1

  

R 3 R 4



R 4



V 2

• Με δύο τελεστικούς ενισχυτές Οι δύο τελεστικοί ενισχυτές είναι συνδεδεμένοι ως ακόλουθοι τάσης (

voltage followers

) και παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση εισόδου. Η αντίσταση

αR

ρυθμίζεται με ποτενσιόμετρο, ώστε να προκύψει η επιθυμητή ενίσχυση. Η έξοδος δίνεται από τη σχέση:

V o

 

V 1



V 2

 

 • Με τρεις τελεστικούς ενισχυτές (όπου το

V o



 

V 1



V 2

   

1 2

   προσδιορίζεται από τις τιμές των

R 1

R 2

R 3

R 4

)

6. Φίλτρα

• Το

φίλτρο

παθητικά είναι ένα κύκλωμα σχεδιασμένο να επιτρέπει τη διέλευση μιας συγκεκριμένης ζώνης συχνοτήτων και να εξασθενεί όλα τα άλλα σήματα, που βρίσκονται έξω από αυτή τη ζώνη. Τα φίλτρα μπορεί να είναι είτε ενεργά είτε

Tύποι φίλτρων:

•

Βαθυπερατά Φίλτρα

(

Lowpass Filters

) •

Υψηπερατά Φίλτρα

(

Highpass Filters

) •

Ζωνοδιαβατά Φίλτρα

(

Bandpass Filters

) •

Φίλτρα Απόρριψης Ζώνης

(

Bandreject ή Band-elimination ή Notch Filters

)

Φίλτρα Χαμηλών Συχνοτήτων

• Τα φίλτρα χαμηλών συχνοτήτων χρησιμεύουν στον περιορισμό του εύρους ζώνης των μετρουμένων σημάτων, ώστε να καθίσταται δυνατή η λήψη των προεπιλεγμένων χαμηλών συχνοτήτων • Η

συνάρτηση μεταφοράς

ενός φίλτρου ορίζεται ως το πηλίκο της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου και είναι της μορφής:

N ( s ) H ( s )





D ( s )

•

Φίλτρα Butterworth

Η απόκριση μέτρου ενός

φίλτρου Βutterworth

είναι:

A ( f )

 (όπου, ε είναι μια σταθερά και n ο βαθμός του πολυωνύμου, που φανερώνει και το πλήθος των πόλων του φίλτρου)

K 1

 

 

f f c

 

2 n

•

Φίλτρα Chebyshev ή Φίλτρα Ίσης Κυμάτωσης

Στο φίλτρο Chebyshev η απόκριση μέτρου διατηρεί μια μέγιστη τιμή σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων διέλευσης, παρουσιάζει αποκοπής .

κυμάτωση

(ripple) ίσου ύψους στη ζώνη διέλευσης και μέγιστο ρυθμό πτώσης πέρα από τη συχνότητα  Η

απόκριση μέτρου

δίνεται από τη σχέση (

για Κ=1

A ( f ) 1

 

2 1 C 2 n

 

f f c

 

είναι μια σταθερά και

C n (f/f c ) κυμάτωσης

τα πολυώνυμα Chebyshev. Το δίνεται από τη σχέση:  

10 log



 



(dB)

ύψος της

Αυξάνοντας το

, για συγκεκριμένη τιμή του

, αυξάνει ο ρυθμός της εξασθένησης στη ζώνη μετάβασης Αυξάνοντας την τάξη του φίλτρου πολυπλοκότητας

, για σταθερή τιμή του

, βελτιώνεται η απόδοση της ζώνης αποκοπής χωρίς μεγάλη κυμάτωση, αλλά με κόστος

•

Φίλτρα Bessel

Τα φίλτρα Bessel χρησιμοποιούνται για χρονικές καθυστερήσεις, για φιλτράρισμα σημάτων μετρήσεων παλμικού τύπου (μετατροπής τάσης συχνότητας) και σε φίλτρα εξομάλυνσης.

Η συνάρτηση μεταφοράς ενός φίλτρου Bessel μπορεί να παρασταθεί με την ίδια μορφή που παριστάνεται και η συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου Butterworth θέτοντας

Κ=b ο

Απόκριση μέτρου Απόκριση φάσης

Παθητικά Φίλτρα

Η πιο παλιά τεχνολογία για την υλοποίηση των φίλτρων χρησιμοποιεί διακριτά στοιχεία όπως, αντιστάσεις, πυκνωτές και πηνία και τα κυκλώματα που προκύπτουν ονομάζονται

παθητικά φίλτρα

Κυκλώματα (α) διαφόρισης και (β) ολοκλήρωσης με παθητικά στοιχεία Το κύκλωμα διαφόρισης επιτρέπει τη διέλευση των υψηλών συχνοτήτων, οπότε είναι ουσιαστικά ένα υψηπερατό φίλτρο πρώτης τάξης, με συνάρτηση μεταφοράς:

H ( s )



V o V i





s 1 RC

Η απόκριση μέτρου:

A ( f )



  

1 f c f

 

όπου, f c =1/2πRC είναι η συχνότητα αποκοπής

Η υλοποίηση των κυκλωμάτων διαφόρισης και ολοκλήρωσης με τελεστικούς ενισχυτές φαίνεται στο σχήμα:

H ( s )



V o V i

 

R 2 R 1





s 1 R 1 C

H ( s )  V o V i   R 2 R 1  1  1 sR 2 C Η συχνότητα αποκοπής του είναι

f c =1/2πR 2 C

διέλευσης είναι

–R 2 /R 1

και η ενίσχυση στη ζώνη

Ενεργά Φίλτρα

• Τα

ενεργά φίλτρα

(

active filters

) είναι φίλτρα που ενισχύουν το διερχόμενο σήμα, σε αντίθεση με τα παθητικά που όχι μόνο δεν το ενισχύουν, αλλά πολλές φορές το εξασθενούν • Έχουν το πλεονέκτημα της απομόνωσης μεταξύ των διαφόρων βαθμίδων λόγω της υψηλής εμπέδησης εισόδου και της υψηλής εμπέδησης εξόδου του τελεστικού ενισχυτή • Υπάρχουν τρεις βασικοί σχεδιασμοί ενεργών φίλτρων που παρουσιάζουν χαμηλή ευαισθησία στις μεταβολές των εξαρτημάτων κατασκευής τους

**Φίλτρα Μοναδιαίας Ενίσχυσης (unity-gain filters)**

• Προσφέρουν εξαιρετική απόδοση ως βαθυπερατά και υψηπερατά φίλτρα • Μπορούν να συνδεθούν σε διαδοχή για το σχηματισμό φίλτρων υψηλότερης τάξης • Εχουν πολύ μικρές ευαισθησίες ως προς τα παθητικά στοιχεία • Παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία ενίσχυσης σε υλοποιήσεις που απαιτούν ενίσχυση μεγαλύτερη της μονάδας Βαθυπερατό φίλτρο δεύτερης τάξης (φίλτρο

Sallen-Key

)

Φίλτρα Πολλαπλής Ανατροφοδότησης

• Επιτυγχάνουν παράγοντες

της τάξης του 10 και έχουν ιδιαίτερη αξία στην υλοποίηση βαθυπερατών και υψηπερατών φίλτρων • Βασικό πλεονέκτημα των κυκλωμάτων πολλαπλής ανατροφοδότησης είναι ότι μπορούν να σχηματίσουν ζωνοδιαβατά φίλτρα με έναν και μόνο τελεστικό ενισχυτή Βαθυπερατό φίλτρο δεύτερης τάξης

Biquad Συντονιστές

(

biquad resonators

) • Παρέχουν χαμηλή ευαισθησία και παράγοντες

της τάξης του

200

. Χρησιμοποιούνται σε

ζωνοδιαβατά συστήματα υψηλού Q

. Υψηλό

, όμως, δεν εξασφαλίζει σταθερότητα.Στο σχήμα φαίνεται ένα τυπικό biquad φίλτρο Biquad φίλτρο • Η πιο σημαντική παράμετρος στην επιλογή τελεστικού ενισχυτή για ενεργά φίλτρα είναι η

ενίσχυση ανοικτού βρόχου

σταθερή απόδοση στις υψηλές συχνότητες (

openloop gain

βρόχου πρέπει να είναι της τάξης του 100 ή και μεγαλύτερος, για ). Ο λόγος της ενίσχυσης ανοικτού βρόχου προς την ενίσχυση κλειστού

Βήματα για το σχεδιασμό βαθυπερατών και υψηπερατών φίλτρων μοναδιαίας ενίσχυσης

• Επιλέγουμε την κατάλληλη προσέγγιση του φίλτρου που δίνει την επιθυμητή απόκριση, με βάση τις χαρακτηριστικές των φίλτρων • Επιλέγουμε το καταλληλότερο φίλτρο για την εφαρμογή και αποκανονικοποιούμε τις τιμές των στοιχείων του στις κατάλληλες συχνότητες και στάθμες εμπέδησης • Υλοποιούμε το φίλτρο επιλέγοντας αντιστάσεις και πυκνωτές με όσο το δυνατόν μικρότερες ανοχές • Με τη βοήθεια του μετασχηματισμού

RC:CR

υψηπερατό φίλτρο από ένα βαθυπερατό και το αντίστροφο. Αυτό γίνεται αν αντικαταστήσουμε τις αντιστάσεις τιμής

εύκολα προκύπτει ένα με πυκνωτές τιμής

1/R

και τους πυκνωτές τιμής

με αντιστάσεις τιμής

1/C

Φίλτρα Ζώνης

• Τα φίλτρα ζώνης ή

ζωνοδιαβατά

φίλτρα επιτρέπουν τη διέλευση μιας ζώνης συχνοτήτων, με εύρος

και κεντρική συχνότητα

f o

, ενώ εξασθενούν όλες τις άλλες. Η συνάρτηση μεταφοράς είναι της μορφής: (όπου

είναι ο παράγοντας ποιότητας του φίλτρου)

H ( s )





s 2





f o



s 2



f o Q



Q s

 



f o



• Εκτός από το ζωνοδιαβατό φίλτρο, χρησιμοποιείται ευρέως και

το φίλτρο απόρριψης ζώνης

(bandreject ή band-elimination ή notch filter), το οποίο επιτρέπει τη διέλευση όλων των συχνοτήτων εκτός από αυτές που βρίσκονται γύρω από την κεντρική συχνότητα. Η συνάρτηση μεταφοράς είναι της μορφής:

H ( s )





s 2



2 s 2

 

f o Q

 



f o s

  

2 2



f o



• Ζωνοδιαβατό φίλτρο πολλαπλής ανατροφοδότησης

R 1



Q 2



f o C R 2



2 Q R 1 2



1 R 3



2 R 1

• Για υψηλότερο παράγοντα

Q φίλτρο

(

Tow-Thomas biquad

προτείνεται το

biquad ζωνοδιαβατό

). Απαιτεί τρεις τελεστικούς ενισχυτές, παρέχει τη δυνατότητα

ανεξάρτητης ρύθμισης

συχνότητας

f o

, του παράγοντα

της κεντρικής και της ενίσχυσης



1 2



f o R R d





R R g



R d K

Μετατροπείς Ρεύματος - Τάσης

• Η μετατροπή ρεύματος σε τάση είναι χρήσιμη όταν ένα ρεύμα πρέπει να μετρηθεί χωρίς να επηρεαστεί από την εισαγωγή αντίστασης στο κύκλωμα, καθώς και όταν είναι επιθυμητή η μέτρηση του ρεύματος μιας πραγματικής πηγής ρεύματος, όπως π.χ. ενός φωτοκύτταρου

V o

 

R f



• Μετατροπέας τάσης σε ρεύμα



V i R

Με τη χρήση αρνητικής αντίστασης

Στα σχήματα (α) και (β) φαίνονται εναλλακτικοί μετατροπείς τάσης σε ρεύμα, στην περίπτωση που η τάση εισόδου δεν αναφέρεται ως προς τη γείωση

7. Λήψη και Διευθέτηση Σημάτων

• Τα σήματα που διεγείρουν την είσοδο των συστημάτων συλλογής δεδομένων διακρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες: •

Aναλογικά

(

analog

)

σήματα

• Ψηφιακά (

digital

) σήματα . (Η στάθμη χαρακτηρίζεται ως

υψηλή χαμηλή

(

low-off

)) (

high-on

) η • Διακρίνουμε τα αναλογικά σήματα σε τρεις κύριες κατηγορίες Συνεχή (

) σήματα (π.χ. θερμοκρασία) Σήματα που μεταβάλλονται με το χρόνο (π.χ. σήματα του καρδιογραφήματος ) Σήματα φασματικά προσδιορισμένα (

frequency domain

) (π.χ. σήματα δονήσεων (

vibration

)) • Η διευθέτηση αναλογικών σημάτων περιλαμβάνει

ενίσχυση

(

amplification

απομόνωση

(

isolation

) και

φιλτράρισμα

Συνδεσμολογία Αισθητηρίων

•

Μορφοτροπείς αίσθησης

είναι οι διατάξεις που μετατρέπουν ενέργεια άλλης μορφής σε ηλεκτρική, κατάλληλη να μετρηθεί με μετρητικές διατάξεις • Τα αισθητήρια συνδεσμολογούνται ως

πηγές σήματος γειωμένες

(

grounded

) ή

επιπλέουσες

(

floating

)

(α) (β)

Γειωμένη

(α)

και επιπλέουσα

(β)

πηγή σήματος • Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα αισθητήρια τίθενται σε διατάξεις γέφυρας με 1, 2 ή 4 αισθητήρια

Χαρακτηριστικά Αισθητηρίων

Τα αισθητήρια θα μπορούσαν να ταξινομηθούν ανάλογα με τη λειτουργία, που επιτελούν (π.χ. μέτρηση πίεσης ή θερμοκρασίας), τη φυσική αρχή, στην οποία στηρίζεται η λειτουργία τους: •

Θερμικό

(Θερμοκρασία, θερμότητα, ροή θερμότητας, εντροπία) •

Ακτινοβολία

(Ακτίνες γ, ακτίνες x, υπεριώδης, ορατή, υπέρυθρη, μικροκύματα, ραδιοκύματα) •

Μηχανικό

ροή) (Μετατόπιση, ταχύτητα, επιτάχυνση, δύναμη, στρέψη, πίεση, μάζα,

•

Μαγνητικό

(Μαγνητικό πεδίο, μαγνητική ροπή, μαγνήτιση, μαγνητική διαπερατότητα) •

Χημικό

(Υγρασία, pΗ, συγκέντρωση αερίων, ατμοί, τοξικά εύφλεκτα υλικά) •

Βιολογικό

(Πρωτεΐνες, ορμόνες) •

Ηλεκτρικό

(Φορτίο, ρεύμα, τάση, αντίσταση, αγωγιμότητα, χωρητικότητα, επαγωγή, πόλωση, συχνότητα) α) Αυτοδιεγειρόμενο αισθητήριο και β) τροποποιούμενο αισθητήριο

Το ιδανικό αισθητήριο

• Το σήμα εξόδου πρέπει να είναι εντελώς ανάλογο με το σήμα εισόδου • Ισχύει

y(t)=S



x(t)

όπου,

η κλίση της χαρακτηριστικής εξόδου – εισόδου •

Απόκριση

(

response

)

Δy

αισθητηρίου είναι η μεταβολή του σήματος εξόδου •

Ευαισθησία

(

sensitivity

)

αισθητηρίου είναι ο λόγος της μεταβολής της απόλυτης τιμής εξόδου προς τη μεταβολή της απόλυτης τιμής εισόδου:



dy dx

•

Χρόνος ανόδου και καθόδου

(

rise and fall time

)

χρόνος απόκρισης

αισθητηρίου είναι ο χρόνος που χρειάζεται το σήμα στην έξοδο του αισθητηρίου, για να φτάσει το 90% της τελικής του τιμής •

Περιοχή μετρήσεων

(

range

) αισθητηρίου είναι η περιοχή όλων των δυνατών μετρήσεων • Ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά αισθητηρίου: Μη γραμμικότητα Αργή απόκριση Χαμηλή ευαισθησία Μετατόπιση ευαισθησίας Γήρανση Παρεμβολή Θόρυβος

Αισθητήρια Θερμοκρασίας

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται η

απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών

(

Kelvin

Τ=(θ+273,15) ο Κ

Σαν αισθητήρια σε συστήματα συλλογής δεδομένων χρησιμοποιούνται: •

Θερμοηλεκτρικά ζεύγη

•

Θερμικές αντιστάσεις

(

Thermistors – RTD

) •

Διμεταλλικά ελάσματα

•

Οπτικά πυρόμετρα

Κατά τη μέτρηση θερμοκρασίας, πρέπει να λάβουμε υπ’ όψιν παράγοντες που γεννούν σφάλματα, όπως η ακτινοβολία και η μεταφορά θερμότητας κ.ά.

Αισθητήρια Δύναμης

Χρησιμοποιούμε την ιδιότητα των σωμάτων να υφίστανται ελαστικές παραμορφώσεις, όταν οι δυνάμεις που δρουν σε αυτά δεν είναι αρκετά μεγάλες, ώστε να δημιουργήσουν μόνιμες (πλαστικές) παραμορφώσεις • Το

strain gauge

είναι σύρμα με μήκος του είναι

R = ρ



L / A

, όπου

ρ L

και διατομή

, οπότε η αντίστασή η ειδική αντίσταση σύρματος και

Α = π



D 2 / 4

, όπου

η διάμετρος του σύρματος:



     



2 v

• Στους

πιεζοηλεκτρικούς μορφοτροπείς

η άσκηση δύναμης F προκαλεί τη δημιουργία τάσης που είναι ανάλογη προς τη δύναμη:

Vo = K



• Οι

γραμμικοί μεταβλητοί διαφορικοί μετασχηματιστές

οπλισμού, που είναι προσδεδεμένος σε ελατήριο περιέχουν ένα πρωτεύον και δύο δευτερεύοντα, στα οποία μετακινείται οπλισμός, με αποτέλεσμα η έξοδος του συστήματος να είναι ανάλογη της μετακίνησης του

Αισθητήρια Πίεσης

•

Mηχανική Πίεση

p = F / A

(

η εξασκούμενη δύναμη στην επιφάνεια Α) •

Υδραυλική Πίεση

(υδροστατική):

p = h ρ g

ανάλογη με το βάθος h στο

υγρό

•

Κινητική Πίεση: p=2KE / 3V

αερίου και V ο όγκος όπου, ΚΕ η ολική κινητική ενέργεια του •

Θερμοδυναμική Πίεση

, που σχετίζεται με το έργο W και την τριβή f:

 





• Η άμεση μέτρηση της πίεσης γίνεται με το γνωστό

μανόμετρο

με σωλήνες, διαφράγματα, κ.ά.

και η έμμεση

Αισθητήρια Ροής

Η ολική πίεση σε ένα ρευστό (

P t

) ισούται προς το άθροισμα της στατικής πίεσης (

P s

) και της δυναμικής πίεσης (

P α

)



2 ( P t



P s ) /

 Νόμος Bernoulli Σε ένα ρέον υγρό είναι βυθισμένη αντίσταση και η ένταση του ρεύματος έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε η θερμοκρασία της αντίστασης και του υγρού να παραμένουν σταθερές, λόγω απαγωγής θερμότητας από το υγρό Έτσι, είναι δυνατή η μέτρηση της ταχύτητας του υγρού με βάση το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση του αισθητηρίου από την σχέση:

I 2



C 2



C 3 U

όπου,

C 2 , C 3

νέες σταθερές Στην πράξη, χρησιμοποιούνται πολλά

ειδικά ροόμετρα

(momentum type, thermal type, turbine, κ.ά.), ενώ χρησιμοποιούνται και άλλες

ειδικές μέθοδοι

(

indirect methods

), των οποίων η εφαρμογή εξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή (μέτρηση παροχής όγκου, μέτρηση παροχής μάζας, κ.ά.)

Άλλα Αναλογικά Αισθητήρια

•

Υγρόμετρα

(Για τη μέτρηση της υγρασίας χρησιμοποιούνται ηλεκτρολυτικά ή διηλεκτρικά) •

Πεχάμετρα:

Για την οξύτητα (ή αλκαλικότητα) που περιέχουν ένα probe αναφοράς και ένα probe μέτρησης του pH:

pH = -Log 10 [H + ]

•

Πυκνόμετρα:

Για τη μέτρηση της πυκνότητας •

Υδροστατικά

: Για τη μέτρηση του ύψους της στάθμης το ύψος μετριέται έμμεσα, αφού μετρήσουμε την υδροστατική πίεση

• Για τη μέτρηση του ήχου χρησιμεύει διάταξη του σχήματος. Η

στάθμη πίεσης του ήχου

(

sound pressure level – SPL

) δίνεται από την εξίσωση:

Μικρόφωνο Προενισχυτής Equalizer

SPL



20 log 10 2 P





4 ( dB )

Κύριος Ενισχυτής Ανορθωτής Φίλτρο Μετρητική Συσκευή

• Η μέτρηση της μετατόπισης γίνεται σε ποτενσιόμετρα ή με γραμμικούς μεταβλητούς διαφορικούς μετασχηματιστές • Η

περιστροφή

μετριέται αναλογικά με ποτενσιόμετρα και συσκευές synchro • Η

ταχύτητα

μετριέται σαν το διαφορικό της μετατόπισης με ποτενσιομετρικές, χωρητικές, επαγωγικές μεθόδους, με LVDT, strain gauge, φαινόμενο Hall και fibers

• Η

επιτάχυνση

μετριέται με τη βοήθεια ελατηρίων, συρμάτων, εκκρεμών, strain gauges, πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, κ.ά. • Στη χημεία συνήθεις μετρήσεις αναφέρονται σε φασματομετρία, σε φασματομετρία Χ και ηλεκτρονίων, σε πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, συντονισμό στο spin των ηλεκτρονίων, χρωματογραφία • Οι

ανιχνευτές φωτός

(

photon detectors

) Φωτοαγώγιμοι αισθητήρες Φωτοβολταϊκοί αισθητήρες (

photovoltaic detectors

) •

Αισθητήρια για πυρηνικές μετρήσεις

Παλμικοι ανιχνευτές φαινομένων ιονισμού

Ανιχνευτές συνεχούς παρακολούθησης

φαινομένων, που ουσιαστικά παρέχουν τα αποτελέσματα της μέσης ακτινοβολίας

Για την

ανίχνευση χημικών και αερίων

, υπάρχουν πολλοί τύποι αισθητηρίων. Οι πιο σημαντικοί είναι οι παρακάτω: •

Τα αισθητήρια υπέρυθρου

(

infrared sensors

) •

Τα ηλεκτροχημικά – καταλυτικά αισθητήρια

(

electrochemical – catalytic sensors

) •

Τα αισθητήρια θερμικής αγωγιμότητας

•

Τα αισθητήρια διόδου laser

(

diode laser based sensors

)

Ψηφιακά Αισθητήρια

Oι ψηφιακοί μορφοτροπείς, που είτε δίνουν στην έξοδό τους παλμούς, οι οποίοι μπορούν να μετατραπούν εύκολα σε ψηφιακούς αριθμούς, με τη βοήθεια

απαριθμητών

(

counters

χρονιστών

(

timers

) ή

μετατροπέων από αναλογικό σε ψηφιακό

•

Μέτρηση θέσης

•

Μέτρηση ταχύτητας (

καταμέτρησης παλμών που παράγονται από κωδικοποιητές, ηλεκτρομαγνητικές γεννήτριες παλμών, χωρητικά ταχύμετρα

)

•

Μέτρηση ροής (

μέτρηση της χρονικής διαφοράς αποστολής και λήψης υπέρηχου ή με τη χρήση της μεθόδου Doppler)

• Η μέτρηση της πίεσης και της δύναμης γίνεται με ταλαντούμενα σύρματα, με βάση την εξίσωση (

η συχνότητα ταλάντωσης,

το μήκος του σύρματος,

η εφαρμοζόμενη τάση και

η μάζα ανά μονάδα μήκους):



2 1 T / M L

Επίσης τέτοιες μετρήσεις μπορούν να γίνουν με μικροκυματικές μεθόδους ή με κρύσταλλους quartz • Η μέτρηση της θερμοκρασίας μπορεί να γίνει με κρυστάλλους quartz, καθ’ όσον η συχνότα ταλάντωσης μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία:

f t =f o (1+at+bt 2 +ct 3 +…)

•

Universal Product Code – UPC

(Στη ράβδο σαν οπτικοί αναγνώστες χρησιμοποιούνται φωτοτρανζίστορ)

• Σε περιπτώσεις που δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε οπτικές συσκευές, χρησιμοποιούμε διακόπτες που βασίζονται στο φαινόμενο Hall (Το ρόλο του LED παίζει ένας μαγνήτης και του φωτοτρανζίστορ ένα αισθητήριο Hall) • Για τον προσδιορισμό της θέσης πάνω σε ευθεία μεταξύ δύο

limit switches

χρησιμοποιείται

οπτοηλεκτρονική μέθοδος

με τρείς γενικά sensors (A, B και Z και zero reference) • Για την αναγνώριση τάσεων, που είναι συνήθως έξοδος των αισθητηρίων χρησιμοποιούμε A/D converters σε ολοκληρωμένη μορφή

Γειώσεις – Θωράκιση -Τερματισμός

• Ως

γείωση

(

grounding

) ορίζεται το τμήμα ενός ηλεκτρικού ή ηλεκτρονικού κυκλώματος που βρίσκεται σε μηδενικό δυναμικό σε σχέση με τη γη α) Σειριακή μονού σημείου, β) παράλληλη μονού σημείου και γ) παράλληλη πολλαπλών σημείων

• Το πρόβλημα της σειριακής γείωσης μονού σημείου αντιμετωπίζεται με την παράλληλη γείωση μονού σημείου. Η μέθοδος αυτή είναι και η καλύτερη για γειώσεις στις χαμηλές συχνότητες. Στις υψηλές συχνότητες (>10ΜHz) οι γειώσεις πολλαπλών σημείων είναι καλύτερες γιατί εισάγουν μικρότερη εμπέδηση • Για εφαρμογές, όπου το αισθητήριο είναι αγείωτο, είναι αναγκαία η ύπαρξη διαδρομής

αποκατάστασης πόλωσης

(

bias restoration

) για τους συμβατικούς ενισχυτές • Μια περίπτωση που δεν γειώνεται η θωράκιση του αισθητηρίου είναι όταν οδηγείται από ενισχυτή με θωρακισμένη και ηλεκτρικά απομονωμένη έξοδο • Γείωση είναι απαραίτητη σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλό

CMRR

θωράκιση

(

shielding

) ενός αγωγού είναι ένα υλικό κατάλληλα μορφοποιημένο για να εμποδίζει ή να ελαττώνει την επιρροή από ηλεκτρικό ή από μαγνητικό πεδίο που υπάρχει στον περιβάλλοντα χώρο • Θωρακισμένο καλώδιο (αυτό είναι καλυμμένο με μεταλλικό μονό ή διπλό πλέγμα συρμάτων ή άλλου υλικού) • Για παράδειγμα, ένα μη θωρακισμένο καλώδιο σήματος δέχεται

παρεμβολή

(

interference

) 1mV, για κάθε kW φορτίου 60Hz και για κάθε 30cm περίπου καλωδίου, που βρίσκεται σε απόσταση 30cm από γειτονικό αγωγό ισχύος • Ο αποτελεσματικότερος μηχανισμός εξασθένησής τους είναι η

ανάκλαση

από μη μαγνητικό υλικό, όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο • Για μαγνητικά πεδία η

απορρόφηση

είναι ένας αποτελεσματικός μηχανισμός που πραγματοποιείται με ατσαλένια ή μεταλλική θωράκιση

Ως

τερματισμός

κύκλωμα (

termination

) γραμμής ορίζεται η συνδεδεμένη εμπέδηση φορτίου στην έξοδο γραμμής μεταφοράς ή μετατροπέα που κλείνει το • Εξασφαλίζει

προσαρμογή

εμπεδήσεων για την

αποφυγή ανακλάσεων

• Ο τερματισμός έχει πολύ μεγάλη σημασία σε

συστήματα συλλογής δεδομένων

(

DAS: data acquisition systems

) και ειδικότερα στον τρόπο που τα αισθητήρια λαμβάνουν τα σήματα από το περιβάλλον • Τα

DAS

συνδέονται με το φυσικό περιβάλλον διαμέσου πίνακα (

panel

) σύνδεσης, όπως το

screw-terminal barrier strip

Διευθέτηση DC Σημάτων

διευθέτηση σήματος

(

signal conditioning

) συνδέεται άμεσα με τη βελτίωση της ποιότητας του σήματος στην απαιτούμενη

ακρίβεια

(

accuracy

), στη

βαθμονόμηση

(

scaling

) και στο

εύρος ζώνης

(

bandlimiting

) •

RC βαθυπερατό φίλτρο πρώτου βαθμού

•

Βαθυπερατό ενεργό φίλτρο Butterworth

Διευθέτηση Αρμονικών Σημάτων

• Το σήμα προς μέτρηση παρέχεται από σύστημα αισθητηρίου γέφυρας • Το σύστημα διευθέτησης περιλαμβάνει θωράκιση, ώστε να μειώνεται η ηλεκτροστατική παρεμβολή • Τερματίζεται σε έναν

AD624

ενισχυτή μετρήσεων • Το φίλτρο που θα χρησιμοποιηθεί είναι ένα τρίτης τάξης φίλτρο Butterworth, ώστε να είναι δυνατή η μικρότερη τιμή σφάλματος

Αναλογική Επεξεργασία Σήματος

Η διευθέτηση αποσκοπεί απλώς στη

βελτίωση του σήματος

επεξεργασία στην

αναβάθμιση

(

upgrading

) (

improving

) ενώ η • Χρήσιμες συναρτήσεις επεξεργασίας είναι η εύρεση

μέσης τιμής

σήματος (

signal averaging

) Το

κύκλωμα μέσης τιμής

(

Paynter running-average circuit

) τρίτου βαθμού με απόκριση που τείνει συνεχώς να πλησιάσει την ιδανική

μέση τιμή

(

average

) • Η λογαριθμική συνάρτηση (σημάτων μεγάλης δυναμικής περιοχή, συμπίεση των σημάτων εισόδου, οικονομικότερη λύση)

8. Μετατροπές Σημάτων

Επιλογή κατάλληλων αισθητηρίων • Ακρίβεια • Πιστότητα • Ευρεία περιοχή λειτουργίας • Ταχύτητα απόκρισης • Ευκολία ρύθμισης και βαθμονόμησης • Αξιοπιστία σ' όλη την περιοχή μέτρησης • Χαμηλό κόστος κατασκευής ή αγοράς και τοποθέτησης • Μετατροπείς από αναλογικό σήμα σε ψηφιακό (

analog to digital converters -

ADC

) • Μετατροπείς από ψηφιακό σήμα σε αναλογικό (

digital to analog converters -

DAC

)

Δειγματοληψία και Συγκράτηση

Για να έχουμε αποδοτικό σύστημα πρέπει η είσοδος του

κυκλώματα συγκράτησης

(

hold circuits

)

ADC

να διατηρείται σταθερή κατά τη διάρκεια της μετατροπής. Τη λειτουργία αυτή επιτελούν • Σύνηθες είναι το κύκλωμα συγκράτησης

μηδενικής τάξης

(

zero - order hold

), η έξοδος του οποίου είναι μια σειρά βηματικών σημάτων • Για μετατροπή ψηφιακού σήματος σε αναλογικό, καλύτερη είναι η απόκριση του κυκλώματος συγκράτησης πρώτης τάξης • Αν το σύστημα δειγματολήπτη - συγκρατητή ελέγχεται ψηφιακά η έξοδος του παρέχει στον

ADC

σταθερό σήμα εισόδου κατά το χρόνο μετατροπής Η καθυστέρηση αυτή διακρίνεται σε δύο παράγοντες, το

aperture delay time

(

ADT

) και το

aperture uncertainty time

(

AUT

)

Συστήματα Συλλογής και Μετατροπής Δεδομένων

Χρησιμοποιούνται για τη συλλογή αναλογικών σημάτων από μια ή περισσότερες πηγές και τη μετατροπή αυτών των σημάτων σε ψηφιακή μορφή για ανάλυση ή επεξεργασία από υπολογιστές ή μετάδοση μέσω τηλεπικοινωνιακών δικτύων (προέρχονται, συνήθως, από αισθητήρια) Μετατροπή δεδομένων μονού καναλιού Η ικανότητα του ηλεκτρονικού συστήματος να διατηρεί την ακρίβεια του αρχικού σήματος αποτελεί και τον κύριο παράγοντα ποιότητας του συστήματος

Τα κύρια στοιχεία που απαιτούνται για ένα σύστημα συλλογής και μετατροπής αναλογικών σημάτων σε ισοδύναμη ψηφιακή μορφή είναι: •

Αναλογικός / Ψηφιακός Πολυπλέκτης

•

Κύκλωμα δειγματοληψίας κράτησης

•

Μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό / ψηφιακού σήματος σε αναλογικό

•

Λογική Χρονισμού / Διαχείρισης της όλης διαδικασίας

Πολυπλεξία πριν τη δειγματοληψία Πολυπλεξία μετά τη δειγματοληψία

Πολυπλέκτες

αναλογικός πολυπλέκτης

(

AMUX

) είναι ένα κύκλωμα που χρησιμοποιείται για να κατανέμει χρονικά πολλά και διαφορετικά σήματα μέτρησης σε μια και μόνο είσοδο ενός συστήματος μετατροπής δεδομένων • Στο παρελθόν οι αναλογικοί πολυπλέκτες κατασκευάζονταν με μηχανικούς διακόπτες, όπως οι

ηλεκτρονόμοι ακίδας

• Όταν απαιτείται υψηλή απομόνωση χρησιμοποιούμε τους διαφορικούς πολυπλέκτες με

πυκνωτή επιστροφής

(

differential flying-capacitor multiplexer

) • Σήμερα, οι πιο διαδεδομένοι διακόπτες είναι

τα τρανσίστορ επίδρασης πεδίου

(

CMOS και JFET

) Διαφορικός διακ. με πυκνωτη επιστροφής Αναλογικός διακόπτης CMOS

Κυκλώματα Δειγματοληψίας - Κράτησης

• Δυνατότητα μιας

«προσωρινής αναλογικής μνήμης»

, συνεχώς μεταβαλλόμενων σημάτων Κύκλωμα δειγματοληψίας-κράτησης Διάγραμμα χρονισμού συστήματος μετατροπής

πολυπλεγμένων δεδομένων

Χαρακτηριστικά Μετατροπέων

•

Ρυθμός Δειγματοληψίας (sampling rate)

•

Χρόνος Μετατροπής (conversion time)

•

Διακριτική Ικανότητα (resolution – ανάλυση)

σφάλμα κβαντισμού θα είναι:

ε = Α / 2

ανάλυση:

A = E / 2 n

Το

Κώδικες αναπαράστασης - Σφάλματα Μετατροπέων

•

Δυαδικός Κώδικας MSB

-Το ‘1’ στα αριστερά περισσότερο σημαντικό ψηφίο

LSB

-Το ‘1’ στα

δεξιά

περισσότερο σημαντικό ψηφίο Ιδανική σχέση εισόδου-εξόδου ενός 3-bit DAC

Στους πραγματικούς

DACs

, η ράβδος του μηδενός μπορεί να μην είναι ακριβώς μηδέν, οπότε μιλάμε για

σφάλμα αντιστάθμισης (offset error)

Η κλίμακα από το μηδέν μέχρι τα 7/8 FS μπορεί να μην είναι ακριβώς όπως έχει προσδιοριστεί στην ιδανική περίπτωση, οπότε μιλάμε για

σφάλμα ενίσχυσης (gain error)

Οι διαφορές στα ύψη των ράβδων μπορεί να μην είναι ίδιες, οπότε μιλάμε για σφάλμα

μη γραμμικότητας (nonlinearity)

•

Κώδικας BCD (Βinary-Coded Decimal)

Σύμφωνα με αυτόν, κάθε δεκαδικό ψηφίο αναπαριστάνεται από μια ομάδα τεσσάρων δυαδικά κωδικοποιημένων ψηφίων. Το LSB της πιο σημαντικής ομάδας έχει βάρος 0.1, το LSB της επόμενης ομάδας έχει βάρος 0.01, το LSB της επόμενης ομάδας έχει βάρος 0.001, κ.ο.κ Ως τώρα, οι κώδικες που αναφέρθηκαν είναι μονοπολικοί (

unipolar

) Για την μετατροπή αναλογικών σημάτων, τόσο θετικών όσο και αρνητικών, απαιτείται ένα επιπλέον ψηφίο πρόσημου (

sign bit

) για να διατηρήσει ο ψηφιακός κώδικας και την πληροφορία του πρόσημου •

Κώδικας μέτρου-πρόσημου (sign-magnitude)

Είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να εκφραστούν ψηφιακά αναλογικές ποσότητες με πρόσημο. Απλά καθορίζεται ο κώδικας για το μέτρο και προστίθεται το bit πρόσημου

•

Δυαδικός κώδικας αντιστάθμισης (offset binary)

O πιο εύκολος κώδικας για ενσωμάτωση στα κυκλώματα μετατροπής. Πρόκειται απλά για τον δυαδικό κώδικα με τη διαφορά ότι το 0000 δεν αντιστοιχεί στο μηδέν, αλλά στην αρνητική πλήρη κλίμακα . Το MSB αλλάζει στο αναλογικό μηδέν Το βασικό του μειονέκτημα είναι ότι η πιο μεγάλη αλλαγή ψηφίων γίνεται στο μηδέν (αλλάζουν όλα από 0111 σε 1000), γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα γραμμικότητας και μη σωστή κωδικοποίηση •

Κώδικας συμπληρώματος ως προς 1

Αυτός ο κώδικας βοηθάει στις αφαιρέσεις, μόνο που το επιπλέον κρατούμενο που προκύπτει δεν αγνοείται αλλά προστίθεται στο αποτέλεσμα. Έτσι, η αφαίρεση του 3/8 από το 4/8 γίνεται 0100+1100=0000+0001=0001, δηλαδή 1/8. Και εδώ παρουσιάζεται το πρόβλημα της ύπαρξης δύο κωδικών για το μηδέν

•

Κώδικας συμπληρώματος ως προς 2

Bρίσκεται παίρνοντας το συμπληρωματικό ενός αριθμού και προσθέτοντας

1LSB

Για παράδειγμα, το συμπλήρωμα ως προς δύο του 3/8 (0011) θα είναι το συμπληρωματικό του συν 1LSB, δηλαδή 1100+0001=1101. Ο κώδικας αυτός είναι πολύ χρήσιμος σε διάφορους υπολογισμούς γιατί μπορούμε να κάνουμε πρόσθεση Íδια μειονεκτήματα με τον δυαδικό κώδικα αντιστάθμισης

Μετατροπείς Ψηφιακού Σήματος σε Αναλογικό

Οι

μετατροπείς ψηφιακού σήματος σε αναλογικό

ψηφιακά σήματα διακριτού χρόνου σε αναλογικά σήματα και χρησιμοποιούνται στην

έξοδο υπολογιστών

DACs

μετατρέπουν τα για την ανασύνθεση δεδομένων, σε

μονάδες απεικόνισης

(displays), σε

συνθέτες σημάτων

(

signal synthesizers

)

(α)

Βασική δομή και

(β)

σύμβολο ενός DAC

•

Μετατροπείς με Βάρη Αντιστάσεων

(

weighted-resistor converters

)

V o

 

I o



R f

 

R f R



V ref



i n

 

0 2



•

Μετατροπείς R-2R

(

R-2R resistor converters

)

V o

 

I o



R f

 

R f 4 R



V ref



i n

 

0 2



•

Μετατροπείς τύπου πολλαπλασιασμού

(

multiplying converters

) Οι μετατροπείς αυτοί δέχονται μεταβλητή τάση αναφοράς και είναι χρήσιμοι στις τηλεπικοινωνίες και τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου. Αν D είναι η ψηφιακή είσοδος, η τάση εξόδου τους δίνεται από τη σχέση:

Vo = (σταθερά)



Vref



• Σε εφαρμογές που απαιτείται υψηλή ταχύτητα χρησιμοποιούνται

DACs

που ως έξοδο παρέχουν ρεύμα χρησιμοποιούνται σε συστήματα ελέγχου κίνησης και ρομποτικής

• •

Ολοκληρωμένοι DACs

DAC-08

, που φαίνεται στο σχήμα είναι ένας φθηνός ολοκληρωμένος μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Διαθέτει δύο εισόδους αναφοράς (ακίδες 14, 15) που επιτρέπουν θετικές και αρνητικές τάσεις αναφοράς.

Δυνατότητα λήψης μονοπολικής

(

unipolar

)

εξόδου

, καθώς και εξόδου θετικής και αρνητικής, δηλαδή

διπολικής

(

bipolar

)

Μετατροπείς Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό

• Υπάρχουν τρεις τρόποι ταξινόμησης των μετατροπέων αναλογικού σήματος σε ψηφιακό: Ανάλογα με το αν είναι

προγραμματιζόμενοι

ή όχι Αν είναι τύπου

ανατροφοδότησης

ανοικτού βρόχου

Αν χρησιμοποιούν μεθόδους σύγκρισης τάσεων ή μεθόδους ολοκλήρωσης

Μέθοδος

Σύγκριση Τάσης Ολοκλήρωση

Ταχύτητα Τεχνική 12-bit f s

1ms – 10ns Διαδοχική προσέγγιση Ανίχνευση 500kHz 250Hz Ταυτόχρονα 0.4s – 1ms Διπλή κλίση Εξισορρόπηση φορτίου Μετατροπή τάσης συχνότητας 100Hz 60Hz 2.5Hz

8-bit f s

8ΜHz 4kHz 100ΜHz 1.6kHz

1kHz 40Hz

• Η σημαντικότερη από αυτές τις τεχνικές είναι η μέθοδος της

διαδοχικής προσέγγισης

(

successive approximation

)

• Οι μετατροπείς

ανίχνευσης

(

tracking

ακολουθήσει την αναλογική είσοδο ) χρησιμοποιούν έναν απαριθμητή και προς τις δύο κατευθύνσεις (

up/down counter

μετατροπείς αυτοί είναι αρκετά γρήγοροι γιατί ο απαριθμητής δεν αρχικοποιείται ύστερα από κάθε δείγμα, αλλά προσπαθεί να ). Οι Όσο η έξοδος του DAC είναι μικρότερη από την αναλογική είσοδο, η έξοδος του συγκριτή είναι σε στάθμη ‘1’ και ο απαριθμητής απαριθμεί προς τα πάνω, με αποτέλεσμα να αυξάνει η έξοδος του DAC Όταν γίνει ίση με την αναλογική είσοδο, η έξοδος του συγκριτή τίθεται σε στάθμη ‘0’ και ο απαριθμητής απαριθμεί προς τα κάτω, με αποτέλεσμα να μειώνεται η έξοδος του DAC

• Οι

ταυτόχρονοι μετατροπείς

(

flash converters

) είναι οι ταχύτεροι από όλους τους ADCs γιατί όλα τα bits παίρνουν τιμή ταυτόχρονα

V ref =8V=V FS 3R/2 Αναλογικ ή είσοδος (V) Ψηφιακή έξοδος D 2 D 1 D 0 6.5V

R 7 0-0.5

0 0 0 5.5V

6 R 0.5-1.5

0 0 1 4.5V

5 1.5-2.5

0 1 0 R 3.5V

R 4 κωδικοποιητής 8 σε 3 D 0 D 1 D 2 2.5-3.5

0 1 1 2.5V

3 3.5-4.5

1 0 0 R 1.5V

4.5-5.5

1 0 1 2 R LSB/2=0.5V

5.5-6.5

1 1 0 1 R/2 >6.5

1 1 1 αναλογική V i =0 έως 7V

Η λογική του κωδικοποιητή δίνει μια δυαδική λέξη που αναπαριστάνει την αναλογική είσοδο. Η πολυπλοκότητά τους αυξάνει με γεωμετρική πρόοδο καθώς αυξάνει το μήκος λέξης της ψηφιακής εξόδου, γιατί η υλοποίησή τους απαιτεί 2n-1 συγκριτές για n-bit μετατροπή

• Ο μετατροπέας

διπλής κλίσης

(

dual slope

) έχει χαρακτηριστικό του την

αυτορρύθμιση

, που τον κάνει αναίσθητο στην μεταβολή της θερμοκρασίας, όσο και η χρήση φθηνών εξαρτημάτων

Φάση ολοκλήρωσης σήματος, Τ1 Φάση ολοκλήρωσης αναφοράς, Τ2 Φάση αυτόματου μηδενισμού, Τz

• Οι μετατροπείς

εξισορρόπησης φορτίου

(

charge balancing

) χρησιμοποιούν ένα κύκλωμα μετατροπής τάσης – σε – συχνότητα για να μετατρέψουν ένα σήμα εισόδου σε ένα ρεύμα Ii, από το οποίο αφαιρείται ένα ρεύμα αναφοράς Iref Το ρεύμα διαφοράς που προκύπτει ολοκληρώνεται σε διαδοχικά διαστήματα που καθορίζονται από ένα

συγκριτή κατωφλίου

πολυπλοκότητα με τον μετατροπέα διπλής κλίσης (

threshold comparator

) και από τις μετρήσεις ενός απαριθμητή. Παρουσιάζει παρόμοια ταχύτητα και

• Οι ADCs που βασίζονται σε

μετατροπή τάσης-συχνότητας

(

V/F: voltage-to-frequency

) χρησιμοποιούνται σε φθηνά και χαμηλού ρυθμού μετάδοσης συστήματα συλλογής δεδομένων από μεγάλες αποστάσεις ενσωματώνοντας

απομόνωση

(

isolation

) Ο V/F μπορεί να παρέχει έξοδο συχνότητας παλμών 0-10kHz για σήμα εισόδου 1mV-10V. Οι παλμοί αυτοί απλά απαριθμούνται για ένα καθορισμένο χρονικό διάστημα (

gating time

) από έναν απαριθμητή Σε κάθε περίοδο λαμβάνεται η μέση τιμή του σήματος εισόδου, οπότε πρόκειται για έναν μετατροπέα ολοκλήρωσης

Μετατροπείς και Μικροεπεξεργαστές / Μικροελεγκτές

Η διασύνδεση των μετατροπέων με μικροεπεξεργαστές / μικροελεγκτές διέπεται από κάποιες αρχές:

• Καταχωρητές DAC ή οποιουδήποτε περιφερειακό βλέπονται συνήθως ως μια διεύθυνση μνήμης ή I/O • Ο

μ.ε.

μπορεί να στείλει δεδομένα μέσω του διαύλου δεδομένων σε έναν καταχωρητή • Οι καταχωρητές ανάγνωσης και εγγραφής έχουν δύο καταστάσεις λειτουργίας:

προσπέλασης

(

transparent

) και

ασφάλισης

(

latching

) • Για εγγραφή σε ένα DAC, ο

μ.ε.

τοποθετεί τη διεύθυνση αυτού του DAC στο δίαυλο διευθύνσεων, μια έξοδος ενός αποκωδικοποιητή γίνεται 0 για να ενεργοποιηθεί ο ακροδέκτης επιλογής DAC.Τέλος ο

μ.ε.

θέτει μηδέν στον ακροδέκτη ενεργοποίησης του DAC μέσα από τη

γραμμή ελέγχου read/write

R/W

Δειγματοληπτημένα δεδομένα

Τα συστήματα που χρησιμοποιούν δειγματοληπτημένα δεδομένα παρέχουν διακριτά σήματα πεπερασμένης ακρίβειας από συνεχή σήματα που, θεωρητικά, έχουν την πραγματική ακρίβεια • • Δειγματοληψία χωρίς επιστροφή στο μηδέν

(NRZ: nonreturn-to-zero)

(πολυπλεξία σημάτων πολλών καναλιών σε ένα μονό κανάλι, π.χ. σε συστήματα τηλεμετρίας) Δειγματοληψία με επιστροφή στο μηδέν

(RZ: return-to-zero)

(λειτουργία όλων των συσκευών μετατροπής δεδομένων που αφορούν συστήματα εισόδου και εξόδου υπολογιστών)

Θόρυβος Αλίασης

Σύμφωνα με το

θεώρημα Nyquist

, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη συχνότητα του αναλογικού σήματος, ώστε η ανασύνθεση του σήματος να μπορεί να γίνει με ικανοποιητική προσέγγιση, αλλιώς έχουμε το φαινόμενο της

αλίασης

Τα αποτελέσματα της αλίασης : Παραμόρφωσης της

ενδοδιαμόρφωσης

Μικρή

συχνότητα αναδίπλωσης fo

Όλα τα παραπάνω προβλήματα, μαζί με θόρυβο λόγω συνιστωσών εκτός της βασικής ζώνης του κύριου σήματος, όπως η

σύμφωνη παρεμβολή (coherent interference)

, είτε

τυχαίο θόρυβο (random noise spectra)

που παρουσιάζεται πάνω από τη συχνότητα fo οπότε και υποδειγματοληπτείται

Σφάλματα σε Σχέση με τη Δειγματοληψία

Το παρόν δείγμα είναι το τρέχον δεδομένο μέχρι ένα νέο δείγμα να αποκτηθεί Σε αυτήν την εξέλιξη εμφανίζεται το

σφάλμα μεταξύ δειγμάτων

(

intersample

) και το

σφάλμα διανοίγματος

ΔV’pp (

aperture

ΔVpp ), που είναι ουσιαστικά σχέσεις χρόνου και πλάτους Το

intersample

και το

aperture

σφάλμα είναι σφάλματα του συστήματος, σε αντίθεση με το σφάλμα κβάντισης που είναι σφάλμα του ADC

Το σχήμα (β) περιγράφει την

μέση καθυστέρηση σήματος

(

average signal delay

) με αναφορά στην είσοδό του, που φαίνεται στο σχήμα (α). Η διαφορά ανάμεσα σε αυτό το μέσο σήμα και την NRZ αναπαράστασή του αποτελεί το σφάλμα μεταξύ δειγμάτων Το

intersample

σφάλμα ΔVpp για ένα ημιτονικό σήμα Vs παίρνει την μέγιστη τιμή του όταν η Vs έχει την μέγιστη κλίση, δηλαδή κατά το πέρασμα από την μηδενική τάση

Γενικά, το σφάλμα αυτό παριστάνει την απόκλιση των δεδομένων στην έξοδο του A/D από τις αντίστοιχες τιμές του συνεχούς σήματος εισόδου ως συνέπεια της δειγματοληψίας, κβάντισης και κωδικοποίησης του σήματος Ο

χρόνος διανοίγματος

( αβεβαιότητας ΔVpp μέσα στο οποίο αποκτάται ένα δειγματοληπτημένο σήμα

aperture

) tα παρέχει το πεπερασμένο πλάτος Το σφάλμα διανοίγματος πρέπει να ελαχιστοποιείται στα συστήματα δειγματοληψίας δεδομένων. Η μεταβολή του χρόνου διανοίγματος tα δεν επηρεάζει το

intersample

σφάλμα

Ανασύνθεση Σημάτων

ανασύνθεση

εξόδου (

recovery

διακριτό ψηφιακό σήμα είναι επιθυμητή σε πολλές εφαρμογές (σήματα

ενεργοποιητών

( ) ενός συνεχούς αναλογικού σήματος από ένα

actuators

), ψηφιακά συστήματα ελέγχου, ανάκτησης σημάτων αισθητήρων, σε συστήματα εικόνας) Στο σχήμα συγκρίνεται η ανασύνθεση σημάτων με άμεση D/A μετατροπή, με τεχνικές ανασύνθεσης που εισάγουν

γραμμική παρεμβολή

(

linear interpolation

) και βαθυπερατό ενεργό φίλτρο

Το ανακατασκευασμένο σήμα εξόδου είναι καθυστερημένο κατά μια περίοδο δειγματοληψίας Τ=RC για τη γραμμική παρεμβολή και ανάλογο με τον αριθμό των πόλων του φίλτρου και τη συχνότητα αποκοπής για την ανακατασκευή με φίλτρο Η καθυστέρηση προστίθεται στην κατά μέσο όρο Τ/2 καθυστέρηση σήματος σε NRZ δειγματοληψία που εισάγει ο μετατροπέας D/A Μια κοινή τεχνική ανασύνθεσης σημάτων είναι να ακολουθείται ο μετατροπέας D/A από ένα ενεργό βαθυπερατό φίλτρο για να επιτύχουμε την ποιότητα του σήματος εξόδου που επιθυμούμε

Επιλογή Κατάλληλου Μετατροπέα, Πολυπλέκτη, S/H

•

Επιλογή Mετατροπέα

Διακριτική ικανότητα , bit εισόδου, ακρίβεια και εύρος της αναλογικής εισόδου DAC Κώδικας, ψηφιακή είσοδος σειριακή ή παράλληλη Σήμα εξόδου ρεύματος ή τάσης, εύρος της πλήρους κλίμακας Τάση αναφοράς σταθερή ή μεταβλητή (MDAC) Είδος ψηφιακή διασύνδεσης, απαιτήσεις ταχύτητας, σε πόσο χρόνο να ολοκληρώνεται μια μετατροπή D/A ή A/D Περιοχές θερμοκρασίας λειτουργείας μετατροπέα Σταθεροποιημένες είναι οι τάσεις τροφοδοσίας Χαρακτηριστικά σήματος εισόδου (θορυβώδες, δειγματοληπτημένο, φιλτραρισμένο), είδος A/D μετατροπή πρέπει να επιλεγεί

•

Επιλογή Πολυπλέκτη

Πόσα κανάλια εισόδου Πόσος χρόνος απαιτείται για την αποκατάσταση της επιθυμητής ακρίβειας όταν μεταβαίνει από το ένα κανάλι στο άλλο; Μέγιστος ρυθμός εναλλαγής Ρυθμός εναλλαγής σταθερός ή προσαρμόσιμος στις εκάστοτε συνθήκες της εφαρμογής •

Επιλογή S/H

Εύρος του σήματος εισόδου Ακρίβεια Τι διαρροές επιτρέπεται να υπάρχουν στη διάρκεια της κράτησης Πόσο επηρεάζει η θερμοκρασία και οι διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας

Κάρτες ADC

Η πρόσθεση καρτών στο εσωτερικό του υπολογιστή – στη σχεδίαση των συστημάτων μετρήσεων

Add-in

με πρόσβαση στην παράλληλη αρτηρία του, εξασφαλίζουν ευελιξία και αποτελεσματικότητα •

Απλές είσοδοι

(

single ended

) για σήματα πάνω από ένα κατώφλιο και απόσταση μικρότερη των 5m χρησιμοποιείται κοινή γη •

Διαφορικές είσοδοι

(

differential

) για την απόρριψη σήματος κοινού τρόπου τροφοδοσίας, ασθενή σήματα, μεγάλες αποστάσεις • Δέχονται στην είσοδό τους αναλογικά και ψηφιακά σήματα και παρέχουν, σαν έξοδό τους, σήματα και των δύο ειδών • Συνοδεύονται από ειδικές κάρτες ή εργαλεία (

boards

), ειδικά καλώδια, για την επιτέλεση συγκεκριμένων λειτουργιών, ειδικά πακέτα για την υποστήριξη διαφόρων εφαρμογών, τυπικά προγράμματα σε ανώτερη γλώσσα

9. Διασύνδεση Συστημάτων Μετρήσεων

Διασύνδεση Συσκευών Εισόδου / Εξόδου

Η διασύνδεση των συσκευών εισόδου-εξόδου (

I/O: Input/Output

) και περιφερειακών σε έναν μ.ε. παρουσιάζει αρκετά προβλήματα λόγω: •

Η μεγάλη ποικιλία των κατηγοριών των συσκευών εισόδου-εξόδου

αυτό πρέπει να χρησιμοποιούνται κατάλληλα κυκλώματα διασύνδεσής , όπως μηχανικές, ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές. Σπάνια υπάρχει συμβατότητα και γι’ •

Tο εύρος της περιοχής ταχυτήτων ποικίλει πάρα πολύ

, με ρυθμό μεταφοράς (

transfer rate

) από μερικά bytes ανά λεπτό μέχρι αρκετές εκατοντάδες Κbytes το δευτερόλεπτο

•

Η μεγάλη ποικιλία στη διαμόρφωση των δεδομένων

π.χ (για την μετατροπή από τη σειριακή μορφή της λέξης σε παράλληλη) •

Μερικά περιφερειακά παράγουν δεδομένα με τέτοια μορφή, η οποία δεν είναι αποδεκτή από τη CPU

. Για παράδειγμα, σε ένα μικροεπεξεργαστικό σύστημα, οι χαρακτήρες συνήθως αναπαρίστανται σε κώδικα ASCII των 7 bit, ενώ ένας «αναγνώστης» καρτών (

card reader

) παράγει κώδικα Hollerith των 12-bit για κάθε χαρακτήρα • Εκτός από την αποκωδικοποίηση διεύθυνσης και τη διασύνδεση που αφορά συνήθως την μνήμη, πρέπει να χρησιμοποιηθούν επίσης κατάλληλες τεχνικές για το συμβιβασμό του τεράστιου εύρους ταχυτήτων των περιφερειακών

Προγραμματισμένη Μεταφορά Δεδομένων

Για την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων του κάθε περιφερειακού, χρησιμοποιούνται μερικές τεχνικές προγραμματισμένης μεταφοράς δεδομένων, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: •

Σύγχρονος τρόπος

(

synchronous mode

) Χρησιμοποιείται για συσκευές I/O των οποίων τα

χαρακτηριστικά χρονισμού

τους είναι

ακριβώς καθορισμένα

, ή είναι

αρκετά γρήγορες

, έτσι ώστε να είναι συμβατές σε επίπεδο ταχύτητας με τη CPU με την οποία επικοινωνούν •

Ασύγχρονος τρόπος

(

asynchronous mode

) Όταν τα χαρακτηριστικά χρονισμού μιας συσκευής I/O δεν μπορούν να προβλεφθούν δημιουργείται ένα

σήμα «αίτησης ετοιμότητας»

(

request ready signal

) από τη CPU και ένα οποίο προέρχεται από τη συσκευή I/O. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή σαν

μέθοδος χειραψίας

(

σήμα επιβεβαίωσης

handshaking mode

) (

acknowledge signal

), το

•

Τρόπος οδηγούμενος από διακοπή

(

interrupt driven mode

) Ο επεξεργαστής ξεκινά την μεταφορά δεδομένων ζητώντας από τη συσκευή να τεθεί σε ετοιμότητα και στη συνέχεια συνεχίζει την εκτέλεση του αρχικού προγράμματος αντί να παρακολουθεί συνεχώς την κατάσταση της συσκευής I/O. Όταν η συσκευή είναι έτοιμη, πληροφορεί τον επεξεργαστή διαμέσου μιας ειδικής γραμμής ελέγχου, ητς

γραμμή αίτησης διακοπής

(

interrupt line

)

Μεταφορά Δεδομένων με Άμεση Προσπέλαση στην Μνήμη

Η CPU απομακρύνεται από την διαδικασία μεταφοράς δεδομένων με την τοποθέτηση σε τρίτη κατάσταση ( και αναλαμβάνει ο

tristated

ελεγκτής DMA

( ) του διαύλου διευθύνσεων, του διαύλου δεδομένων και των γραμμών ελέγχου της μνήμης και των συσκευών I/O

direct memory access

) Για να γίνει αυτό η CPU πρέπει να είναι εξοπλισμένη με τα ακόλουθα

χαρακτηριστικά

: • Μια γραμμή ελέγχου εισόδου

DMA

• Μια γραμμή ελέγχου εξόδου

DMA

• Να είναι ικανή να θέτει σε τρίτη κατάσταση (tristate) τις γραμμές διευθύνσεων, δεδομένων και ελέγχου

Ο ελεγκτής

DMA

θα πρέπει επίσης να εκτελεί τις ακόλουθες

λειτουργίες

: • Διασύνδεση των διαύλων της CPU με τη συσκευή I/O • Δημιουργία του σήματος αίτησης μεταφοράς

DMA

(

DMA request signal

) • Πρέπει να ελέγχει τον δίαυλο δεδομένων και τις γραμμές ελέγχου που απαιτούνται για την μεταφορά δεδομένων • Να διατηρεί πληροφορίες σχετικά με τον αριθμό των bytes που θα μεταφερθούν, καθώς και την διεύθυνση έναρξης των δεδομένων στην μνήμη

Θύρες Εισόδου / Εξόδου

Οι θύρες I/O μπορούν να πραγματοποιηθούν είτε χρησιμοποιώντας πρότυπες TTL πύλες, είτε χρησιμοποιώντας ειδικά chips τα οποία κατασκευάζονται από τους κατασκευαστές των συσκευών. Μια θύρα I/O αναμένεται να περιλαμβάνει τα ακόλουθα: •

Λογική Επιλογής Συσκευής

(

device selection logic

) •

Απομονωτές Δεδομένων

(

data buffers

) •

Οδηγούς Διαύλου

(

bus drivers

) •

Καταχωρητής κατάστασης

(

status register

) •

Γραμμές ελέγχου

(

control lines

)

Οι θύρες I/O είναι διαθέσιμες σε μια ποικιλία μορφών. Οι απλούστερες από αυτές είναι: • Π

ρογραμματιζόμενες

ή περισσότερους (

programmable

) θύρες I/O μπορούν να διαμορφωθούν για μια ποικιλία τρόπων με την εγγραφή κατάλληλων κωδικών ελέγχου σε έναν

καταχωρητές μέσα στο chip

(

οn-chip registers

• M

η-προγραμματιζόμενες

(

non-programmable

) Oι οποίες μπορούν να διαμορφωθούν για έναν περιορισμένο αριθμό τρόπων με την αλλαγή των καλωδιώσεων Yπάρχει το μειονέκτημα ότι είναι απαραίτητη η αλλαγή στις συνδέσεις του ολοκληρωμένου που χρησιμοποιείται για την ικανοποίηση των διαφορετικών απαιτήσεων Ξεπερνιέται με τη χρήση ολοκληρωμένων προγραμματιζόμενων θυρών I/O, τα οποία είναι ειδικά κατασκευασμένα από τους κατασκευαστές της CPU

Μια προγραμματιζόμενη θύρα I/O αποτελείται από τα ακόλουθα κύρια συστατικά: •

Δυνατότητα για άμεση διασύνδεση

•

Απομονωτές τριών καταστάσεων

(

tristate buffers

) •

Λογική επιλογής συσκευής

(

device selection logic

) •

Γραμμές ελέγχου

για τη διευκόλυνση της «χειραψίας» (

handshaking

) •

Καταχωρητές απομόνωσης

(

buffer registers

) ή

μανταλωτές

(

latches

) •

Καταχωρητές εντολών ελέγχου

(

control command registers

) •

Καταχωρητή κατάστασης

(

status register

) •

Λογική ανάγνωσης/ εγγραφής και ελέγχου

Εσωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών

Οι εσωτερικοί δίαυλοι σε έναν υπολογιστή (δίαυλος διευθύνσεων, δεδομένων και ελέγχου) μεταφέρουν διευθύνσεις, δεδομένα και σήματα ελέγχου ανάμεσα στον μικροεπεξεργαστή, τη

λανθάνουσα μνήμη

(

cache memory

), τη στατική και δυναμική μνήμη RAM, τους οδηγούς δίσκων (

disk drives

), τις

σχισμές επέκτασης

(

expansion slots

) καθώς και άλλες εσωτερικές διατάξεις Οι περισσότεροι σημερινοί προσωπικοί υπολογιστές αποτελούνται από τρεις τύπους εσωτερικών διαύλων: •

Τοπικός δίαυλος (local bus)

Ενώνει απευθείας τον μικροεπεξεργαστή με τη λανθάνουσα μνήμη, την κύρια μνήμη, το συνεπεξεργαστή και τον ελεγκτή διαύλου PCI

•

Δίαυλος PCI (Peripheral Control Interconnect)

Ο δίαυλος PCI χρησιμεύει στη διασύνδεση του μικροεπεξεργαστή με εξωτερικές διατάξεις μέσω των σχισμών επέκτασης (

expansion slots

) Είναι ένας δίαυλος 64-bit, λειτουργεί σε ταχύτητες 33MHz ή 66MHz Απομονώνεται από τον τοπικό δίαυλο μέσω μιας μονάδας ελεγκτή διαύλου και δέχεται χρονισμό ανεξάρτητα από τον μικροεπεξεργαστή Υποστηρίζει «plug-and-play» •

Δίαυλος ISA (Ιndustry Standard Architecture)

Ο ISA έχει δίαυλο δεδομένων είτε 8-bit είτε 16-bit και λειτουργεί στα 8MHz, ενώ μια έκδοση επέκτασης, ο EISA, παρέχει δίαυλο δεδομένων 32-bit

Εξωτερικοί Δίαυλοι Διακίνησης Πληροφοριών

•

Παράλληλη μετάδοση

Ένας τρόπος είναι να μεταδοθούν ταυτόχρονα και τα 8 bit, οπότε μιλάμε για

παράλληλη μετάδοση

, όπως φαίνεται στο σχήμα. Αυτός ο τρόπος απαιτεί τουλάχιστον 8 γραμμές για μετάδοση, μία για κάθε ψηφίο και επιπρόσθετες γραμμές για άλλες λειτουργίες Το βασικό πλεονέκτημα της παράλληλης μετάδοσης είναι ότι ολόκληρο το byte λαμβάνεται ταυτόχρονα, αλλά το μειονέκτημα είναι ο μεγάλος αριθμός καλωδίων που απαιτείται Η απόσταση δεν ξεπερνά τα 3 ή 6 μέτρα

•

Σειριακή μετάδοση

Ένας άλλος τρόπος είναι να μεταδοθούν τα 8 bit το ένα κατόπιν του άλλου, οπότε απαιτείται μόνο ένα καλώδιο, όπως φαίνεται στο σχήμα Το πλεονέκτημά της είναι ότι ελαχιστοποιείται ο αριθμός των καλωδίων, αλλά αυξάνει ο χρόνος μετάδοσης και χρησιμοποιείται για μεγάλες αποστάσεις, οπότε το κόστος των καλωδίων αυτό καθ’ αυτό κάνει απαγορευτική τη χρήση της παράλληλης μετάδοσης Σήμερα, επικρατούν δύο τρόποι στον χρονισμό της σειριακής μετάδοσης:

•

Ασύγχρονη μετάδοση

Πρέπει να ορίζεται σε κάθε συσκευή ο ρυθμός με τον οποίο θα μεταδίδει και θα λαμβάνει

δεδομένα

(

bps

) Η μετάδοση ενός byte ξεκινά με την αποστολή ενός είναι πάντα το ‘0’, ακολουθεί η μετάδοση των 8 bit του byte και τέλος μεταδίδεται ένα ή δύο

bit τέλους

(

stop bit

) που είναι πάντα το ‘1’

bit αρχής

(

start bit

), που •

Σύγχρονη μετάδοση

Ο χρονισμός γίνεται με δύο τρόπους:

Χαρακτήρες χρονισμού

(

sync characters

) χρησιμοποιείουνται όταν μεταδίδονται μεγάλα πακέτα δεδομένων. Ειδικοί χαρακτήρες συγχρονισμού στέλνονται στη αρχή αυτών των πακέτων (ειδική ακολουθία ψηφίων που χρησιμοποιεί η συσκευή λήψης) για να συγχρονιστεί με την ταχύτητα της συσκευής μετάδοσης

Σήματα ρολογιού

(

clock signals

) Χαρακτηρίζεται από μετάδοση και λήψη σημάτων ρολογιού. Ξεχωριστά καλώδια ή κανάλια στέλνουν πληροφορία σχετικά με το χρονισμό των δεδομένων που μεταδίδονται Η σύγχρονη μετάδοση πλεονεκτεί όταν μεταδίδονται μεγάλα πακέτα δεδομένων, αφού δεν σπαταλάται χρόνος για να μεταδοθούν bit αρχής και τέλους για κάθε χαρακτήρα

•

Μονόδρομη, Ημι-Αμφίδρομη και Αμφίδρομη Επικοινωνία

Κατά την

μονόδρομη επικοινωνία

(

simplex communication

μεταδίδει και η άλλη λαμβάνει, π.χ. ο υπολογιστής στέλνει πληροφορία στο τερματικό, αλλά το τερματικό δεν στέλνει στον υπολογιστή ) η μια συσκευή Η

ημι-αμφίδρομη επικοινωνία

(

half-duplex communication

) αποτελεί μια εναλλακτική μετάδοση, όπου υπάρχουν δύο δρόμοι, αλλά μόνο μια κατεύθυνση κάθε φορά. Ο χρήστης του τερματικού στέλνει κάποια πληροφορία στον υπολογιστή και αυτός απαντά. Μόνο μια συσκευή μεταδίδει δεδομένα κάθε φορά Στην

αμφίδρομη επικοινωνία

(

full-duplex communication

) ο υπολογιστής και το τερματικό μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν ταυτόχρονα. Το τερματικό δεν είναι υποχρεωμένο να περιμένει πότε θα σταματήσει να μεταδίδει ο υπολογιστής για να μεταδώσει το ίδιο. Το ίδιο ισχύει και για τον υπολογιστή

Οι εξωτερικές συσκευές συνδέονται σε έναν υπολογιστή μέσω μιας διασύνδεσης εισόδου/εξόδου (I/O) που ονομάζεται

θύρα

. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι θυρών σε έναν υπολογιστή: •

Σειριακή θύρα

Το ποντίκι, μερικές οθόνες απεικόνισης και οι σειριακοί εκτυπωτές, μαζί με τα modems, σχεδιάζονται έτσι ώστε να συνδέονται στη θύρα αυτή Το RS-232C χρησιμοποιείται, συνήθως, για

διασύνδεση τερματικών

Data Terminal Equipment

) με

συσκευές μετάδοσης δεδομένων

( (

DTE: DCE: Data Communications Equipment

). Για παράδειγμα, ένας υπολογιστής θεωρείται ως

DTE

, ενώ ένα modem θεωρείται ως

DCE

Το πρότυπο

EIA-232

καθορίζει

25 γραμμές

που απαιτούν ένα

βύσμα 25-pin

μεταξύ ενός

DTE

και ενός

DCE

(DB-25), όπως δείχνεται στο σχήμα επάνω

Σε εφαρμογές προσωπικού υπολογιστή δεν χρειάζονται όλα τα σήματα του

RS 232C

. Συνήθως χρησιμοποιούνται από τρία ως έντεκα σήματα. Για αυτό, ένας

σύνδεσμος 9-pin

(DB-9) ορίστηκε από την IBM για σειριακές της διασυνδέσεις

Η αποστολή του ‘1’ είναι γνωστή ως

mark

και ορίζεται ως ένα ηλεκτρικό σήμα μεταξύ –3V και –15V. Η αποστολή του ‘0’ είναι γνωστή ως

space

και ορίζεται ως ένα ηλεκτρικό σήμα μεταξύ +3V και +15V. Τα σήματα που βρίσκονται έξω από αυτές τις ζώνες θεωρούνται απροσδιόριστα και αγνοούνται από τον λήπτη Οι γραμμές δεδομένων δεν είναι συμβατές με τη λογική TTL. Για το λόγο απαιτούνται «μεταφραστές» τάσης, οι οποίοι ονομάζονται

οδηγοί γραμμής

drivers

) και

δέκτες γραμμής

(

line receivers

(

line

), για διασύνδεση της TTL λογικής με τα σήματα RS-232 Ο ρυθμός με τον οποίο μεταδίδονται τα bit (bits/sec) ονομάζεται

baud

. Από τεχνικής πλευράς ορίζεται ως ο αριθμός αλλαγών του σήματος ανά δευτερόλεπτο. Η κάθε συσκευή έχει τις δικές της απαιτήσεις σε baud. Ωστόσο, στα περισσότερα τερματικά και εκτυπωτές το baud είναι ρυθμιζόμενο, συνήθως μεταξύ

και

9600baud

Το

μέγιστο μήκος καλωδίου

για το

RS-232C

είναι

15 μέτρα

με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων στα

20kbaud

. Η χρησιμοποίηση μικρότερου καλωδίου επιτρέπει και υψηλότερο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων

•

IEEE-1394

Πολύ γρήγορο πρότυπο εξωτερικού σειριακού διαύλου που υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων ως και 400Mbps Χρησιμοποιείται για διασύνδεση με περιφερειακά γραφικών και video, όπως οι ψηφιακές κάμερες Αναπτύχθηκε από την Apple Μπορούν να συνδεθούν μέχρι και 63 συσκευές Αποτελείται από έξι καλώδια, δύο συνεστραμμένα ζεύγη για δεδομένα και δύο για τροφοδοσία Επιτρέπει ενεργό σύνδεση (

hot plugging

) •

USB (Universal Serial Bus)

Για εξωτερικούς σειριακούς διαύλους μπορεί να αντικαταστήσει τα περισσότερα από τα υπάρχοντα πρότυπα για χαμηλές ως μέσες ταχύτητες Υποστηρίζει δύο ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων, μια υψηλή στα 12Mbps και μια χαμηλή στο 1.5Mbps

Υποστηρίζει σύνδεση ως και 127 περιφερειακών συσκευών Επιτρέπει

plug-and-play

και

hot plugging

Το καλώδιο

USB

έχει 4 καλώδια, δύο για δεδομένα και δύο για τροφοδοσία

Δίαυλοι Διασύνδεσης Εξωτερικών Παράλληλων Συσκευών I/O

•

IEEE-488

Αυτό το πρότυπο διαύλου είναι γνωστό και ως δίαυλος διασύνδεσης γενικού σκοπού GPIB (

General-Purpose Interface Bus

) Αναπτύχθηκε από την Hewlett-Packard στη δεκαετία του 1960 και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές ελέγχου και μετρήσεων Αποτελείται από 24 γραμμές που χρησιμοποιούνται για την παράλληλη μεταφορά 8 ψηφίων δεδομένων κάθε φορά 8 σήματα ελέγχου (3 χειραψίας και 5 διαχείρισης διαύλου) και 8 γραμμές για γείωση και θωράκιση Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων είναι

1Mbyte/sec

και τείνει να αυξηθεί στα 8Mbytes/sec Για να συνδεθούν ελεγχόμενες συσκευές μέσω του διαύλου

IEEE-488

εγκαθίσταται μια κάρτα διασύνδεσης (συνδέονται ως και 14 συσκευές ) Μέγιστο μήκος καλωδίου 15 μέτρα Τα σήματα χωρίζονται σε 3 βασικούς διαύλους: το

δίαυλο δεδομένων

, το

ελέγχου μεταφοράς δεδομένων

και το

δίαυλο διαχείρισης διασύνδεσης δίαυλο

•

SCSI (Small Computer System Interface)

Πρόκειται για ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πρότυπο για διασύνδεση προσωπικών υπολογιστών με περιφερειακά. Είναι ένα πρότυπο του

Αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Τυποποίησης

(

ANSI : American National Standards Institute

) και υπάρχουν πολλές παραλλαγές όπως:

SCSI-1

: Είναι ένας σύνδεσμος 25-pin που παρέχει ένα δίαυλο δεδομένων 8-bit και υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων 4Mbytes/sec

SCSI-2

: Είναι το ίδιο με το SCSI-1, αλλά χρησιμοποιεί σύνδεσμο 50-pin και υποστηρίζει πολλαπλές συσκευές

Εκτεταμένο SCSI

(

Wide SCSI

): Χρησιμοποιεί ευρύτερο σύνδεσμο από το SCSI-2 για να υποστηρίξει μεταφορές δεδομένων 16-bit

Γρήγορο SCSI

(

Fast SCSI

): Παρέχει μεταφορά δεδομένων 8-bit αλλά υποστηρίζει ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων 10Mbytes/sec

Γρήγορο Εκτεταμένο SCSI

(

Fast Wide SCSI

): Αυτή η έκδοση επιτρέπει μεταφορά δεδομένων 16-bit στα 20Mbytes/sec

Έξτρα SCSI

(

Ultra SCSI

): Μεταφέρει δεδομένα 8-bits στα 20Mbytes/sec

SCSI-3

: Έχει 16 γραμμές δεδομένων και τρέχει στα 40Mbytes/sec

Έξτρα SCSI-2

(

ltra SCSI-2): Μεταφέρει 8-bits στα 40Mbytes/sec

Έξτρα Εκτεταμένο SCSI-2

(

Wide Ultra SCSI-2

): Αυτή η έκδοση παρέχει μεταφορά δεδομένων 16-bits και λειτουργεί στα 80Mbytes/sec

Λογισμικό Συστημάτων Μετρήσεων

Το

λογισμικό

(

software

) που χρησιμοποιείται σήμερα στα συστήματα μετρήσεων καλύπτει ένα ευρύτατο φάσμα •

Προγράμματα οδηγών διατάξεων

(

device drivers

) Βοηθά το χρήστη στον έλεγχο των συσκευών του συστήματός, απαλλάσσοντάς τον από την υποχρέωση να έχει σαφή αντίληψη του υφιστάμενου hardware •

Αναπτυξιακά συστήματα υψηλού επιπέδου

Στηρίζεται στη δημιουργία ενός πυρήνα υψηλού επιπέδου για την ανάπτυξη

προγραμμάτων εφαρμογών

(

application programs

), στον οποίο εμπεριέχονται συναρτήσεις οδηγών συσκευών και μετρήσεων π.χ. το LOTUS 1-2-3 • Η τρίτη γενιά προγραμμάτων δίνει τη δυνατότητα σχεδίασης του συστήματος μετρήσεων και προγραμματισμού των λειτουργιών του με

γραφικό τρόπο.

Προσφέρεται συμπαγές, ευέλικτο και φιλικό πλαίσιο ανάπτυξης π.χ.

LabVIEW

Το

LabVIEW

aboratory προγραμματισμού την

G V

irtual

nstrument

ngineering

orkbench είναι ένα αναπτυξιακό περιβάλλον που βασίζεται σε μια γραφική γλώσσα . Είναι πλήρως ολοκληρωμένο για επικοινωνία με hardware, όπως το

GPIB, VXI, PXI, RS-232

βιβλιοθήκες για τη χρήση λογισμικών όπως και

RS-485

. Έχει ενσωματωμένες

TCP/IP δικτύωση

Δημιουργεί 32-bit μεταγλωττισμένα προγράμματα ( μέτρηση καθώς και εκτελέσιμα αρχεία

compiled programs

), που προσφέρουν μεγάλες ταχύτητες εκτέλεσης για συλλογή δεδομένων, έλεγχο,

Διασύνδεση Συσκευών Ι/Ο σε Μικροϋπολογιστή

•

Διασύνδεση Πληκτρολογίου

Σε ένα τυπικό μικροϋπολογιστικό σύστημα για λήψη και καταγραφή μετρήσεων η ύπαρξη αλφαριθμητικού πληκτρολογίου δίνει στο σύστημα μια αυτονομία και στο χρήστη πολλές δυνατότητες, όπως ανάπτυξη ποικίλων εφαρμογών Η διασύνδεση του πληκτρολογίου στο υπολογιστικό σύστημα γίνεται με χρήση του προγραμματιζόμενου ολοκληρωμένου

8279

της Ιntel Mε τις 4 γραμμές εξόδου (γραμμές σάρωσης) σαρώνει τις 4 γραμμές του πίνακα του πληκτρολογίου, ενώ οι γραμμές εισόδου (γραμμές επιστροφής) συνδέονται στις 8 στήλες της μήτρας Αν πατηθεί κάποιο πλήκτρο βραχυκυκλώνει η αντίστοιχη γραμμή σάρωσης με την αντίστοιχη γραμμή επιστροφής οπότε αναγνωρίζουμε ποιο πλήκτρο πατήθηκε

Το πρόβλημα των αναπηδήσεων των πλήκτρων αντιμετωπίζεται με δυο τρόπους: Είτε με χρήση του αμοιβαίου αποκλεισμού δυο πλήκτρων, οπότε με τον τρόπο αυτό, αν πατηθούν περισσότερα από ένα πλήκτρα δεν μπορούν να αναγνωριστούν Με χρήση της επικάλυψης πολλαπλών πλήκτρων, όπου με τον τρόπο αυτό κάθε πλήκτρο καταγράφεται με τη σειρά που πατιέται, άσχετα αν την ώρα που είναι πατημένο πιεστούν και άλλα πλήκτρα •

Διασύνδεση Οθόνης Υγρών Κρυστάλλων (LCD)

Η επικοινωνία του LCD με το μικροϋπολογιστικό σύστημα γίνεται παράλληλα μέσω μιας προγραμματιζόμενης θύρας εισόδου/ εξόδου Οι συνδέσεις είναι τέτοιες ώστε ο μικροεπεξεργαστής να στέλνει και να διαβάζει δεδομένα σε (από) μια θύρα

Οθόνη LCD Seiko Μ4024 4 γραμμών με 40 χαρακτήρες ανά γραμμή Εκτός από τα 8 bit του διαύλου δεδομένων της οθόνης (DB7-DB0), τα οποία συνδέονται στη θύρα Β του 8255, υπάρχουν ακόμα 4 σήματα (pins), τα οποία είναι σήματα ελέγχου και οδηγούνται από τις εξόδους PC7-PC4 της θύρας C Τα pins E1-E2 αποτελούν σήματα εκκίνησης λειτουργίας (Ε1 για τις πάνω δύο γραμμές και Ε2 για τις κάτω δύο), το R/W για εγγραφή και ανάγνωση, το RS για επιλογή καταχώρησης, το V lc για μεταβολή του contrast της οθόνης, το V ss για γείωση και το V dd για τροφοδοσία

•

Διασύνδεση μετατροπέα A/D

Ο ADC0809 διαθέτει οκτώ πολυπλεγμένες εισόδους ΙΝ7-ΙΝ0. Η ενεργοποίηση κάθε εισόδου καθορίζεται από τους ακροδέκτες

ADD A

ADD B

και

ADD C

Η είσοδος

CLOCK

συνδέεται με την έξοδο ενός μετρητή του χρονιστή

8253

, ο οποίος έχει προγραμματιστεί να δίνει παλμούς συχνότητας 500kHz Για την ανάγνωση των δεδομένων χρησιμοποιείται η θύρα Α του 8255, για τα σήματα ελέγχου

ADD A

ADD B

ADD C

ALE

και

START

χρησιμοποιείται η θύρα Β και για το σήμα τέλους μετατροπής

EOC

η θύρα C. Η είσοδος

OUTPUT ENABLE

έχει τεθεί σε ‘1’όλη τη διάρκεια της μετατροπής Μια τυπική διαδικασία μετατροπής έχει ως εξής: Από τη θύρα Β καθορίζεται ότι θα χρησιμοποιηθεί η είσοδος ΙΝ0 για μετατροπή της (ΑDD A=ADD Β=ADD C=0) Ενεργοποιείται το σήμα START, ενώ το σήμα ALE παραμένει ενεργό Απενεργοποιείται το ALE Απενεργοποιείται το START και η μετατροπή διαρκεί οκτώ περιόδους , EOC=0 Μετά από συνολικά 64 περιόδους το σήμα EOC ανέρχεται και είναι έτοιμη η ψηφιακή λέξη για ανάγνωση

Γενικό Διάγραμμα Συστήματος Συλλογής Δεδομένων

8-bit δίαυλο δεδομένων παράλληλο

A/D μετατροπέα

μικροελεγκτή

και

μνήμη

Ο δίαυλος ελέγχου παρέχει σήματα ελέγχου προς και από τις συσκευές Κάθε από τα 8 αισθητήρια δίνει ως έξοδο μια τάση που εξαρτάται από το αναλογικό μέγεθος που μετράει (ενισχυτής προγραμματισμένης ενίσχυσης)

Σάρωμα

(διάβασμα) των μεταβλητών σε διαστήματα (κατάλληλα σήματα ελέγχου

χειραψία

(

handshaking

) ή

επιλογή

(

polling

) σε κάθε μια συσκευή, ξεκινώντας από τον πολυπλέκτη και καταλήγοντας στον A/D μετατροπέα Ο ADC λαμβάνει την προσαρμοσμένη αναλογική τάση, την μετατρέπει σε ψηφιακή 8-bit,μειώνει την πολυπλοκότητα του κυκλώματος και τα καλωδία Το

κύκλωμα δειγματοληψίας/ κράτησης

, μαζί με τον εξωτερικό πυκνωτή κράτησης, επιτρέπει στο σύστημα να πάρει ένα δείγμα και να το κρατήσει

Συστήματα Τεχνολογίας RISC

Τα συστήματα της κατηγορίας αυτής έχουν ως πυρήνα έναν

μικροελεγκτή τεχνολογίας RISC

(

Reduced Instruction Set Computer

) όπου δίνει τη δυνατότητα κατάρτισης συμπαγούς κώδικα προγραμματισμού (διαθέτει μειωμένο αριθμό εντολών) κατανάλωση μικρή ταχύτητα λειτουργίας ευρείας περιοχής Εκπροσώπους της κατηγορίας αυτής των μικροελεγκτών είναι η οικογένεια

PIC16CXX

της Microchip π.χ. ο PIC16C71 έχει: 2 αναλογικές είσοδοι κοινής γης για τάσεις 0 – 5 V DC με βήμα 20 mV Πληκτρολόγιο τριών πλήκτρων, σειριακή θύρα, εξωτερική μνήμη EEPROM, μονάδα δύο εξόδων με απομόνωση και τροφοδοσία 9 V DC Το σύστημα μπορεί να προγραμματισθεί με τα πλήκτρα ελέγχου ή με τη βοήθεια υπολογιστή, κατάλληλου λογισμικού και της σειριακής θύρας Δυνατοί δύο τρόποι λειτουργίας:

αυτόνομα ηλεκτρονικού υπολογιστή

(

stand-alone

) ή

με τη συνεργασία

Διασύνδεση Σε Εργαστηριακά Συστήματα Μετρήσεων

Η διασύνδεση των συσκευών σε εργαστηριακό και βιομηχανικό περιβάλλον είναι ένα θέμα που απασχόλησε και απασχολεί σήμερα τους τεχνικούς Μία λύση για τη διασύνδεση σε εργαστηριακό, κυρίως, περιβάλλον δόθηκε το 1974 από την Hewlett-Packard ως πρότυπο για την

ψηφιακή διασύνδεση προγραμματιζόμενων οργάνων

(

Digital Interface for Programmable Instrumentation

)

IEEE-488

Το πρότυπο αυτό καθιερώνει μηχανικά, ηλεκτρικά και λειτουργικά πρότυπα, με βάση τους εξής κανόνες: • Όλα τα δεδομένα είναι

ψηφιακά

• Αριθμός συσκευών που συνδέονται άμεσα σε μία αρτηρία δεν υπερβαίνει τις 15 • Το μήκος του καλωδίου της αρτηρίας δεν υπερβαίνει 20 μέτρα • Ο ρυθμός εκπομπής των δεδομένων δεν υπερβαίνει το

1 Megabit / sec

Με το πρότυπο

ΙΕΕΕ-488

καθιερώνεται και σχετική ορολογία: •

HANDSHAKE

: Πρωτόκολλο (κατάλληλη σειρά σημάτων κατάστασης και ελέγχου) για τη μεταφορά δεδομένων με τεχνική data ready - data received •

DEVICE - DEPENDENT MESSAGE (DDM)

: Σήματα που ανταλλάσσονται μεταξύ συσκευών και δεν υφίστανται επεξεργασία από το interface •

LISTEN

: Ικανότητα για λήψη σημάτων DDM •

TALK

: Ικανότητα για αποστολή DDM μέσω του interface •

CONTROL

: Διαδικασία διευθέτησης των συσκευών, ως listeners, κλπ.

I N T E R F A C E B U S

Οι βασικές λειτουργίες του

GPIB DRIVERS & RECEIVERS MESSAGE CODING FUNCTIONS SH, AH, SR, RL, T (TE), L (LE), PP, DC, DT, C DEVICE FUNCTIONS

Τα μηνύματα χωρίζονται στα

GPIB Function Messages

, που χρησιμεύουν στη διαχείριση της αρτηρίας και ονομάζονται

Interface Messages

, και στα

DDM

, που χρησιμεύουν στην επικοινωνία των διαφόρων μονάδων Η λειτουργία

Source Handshake

(SH) και η

Acceptor Handshake

(AH) χρησιμεύουν στη μεταφορά bit-parallel/ byte-serial μηνυμάτων (

multiline messages

) Τα

multiline μηνύματα

μεταφέρονται είτε ως

εντολές

(

commands

), είτε ως data bytes, ανάλογα με την τιμή της γραμμής

ΑΤΝ- (ATTENTION)

Οι λειτουργίες

(

talker

) και

ΤΕ

(

extended talker

) επιτρέπουν σε μία συσκευή να εκπέμψει δεδομένα στην αρτηρία δεδομένων Οι

(

listener

) και

(

extended listener

) επιτρέπουν σε μία συσκευή να λαμβάνει δεδομένα με τη βοήθεια του

ΑΗ

Η λειτουργία του ελέγχου

(

controller

) είναι πηγή όλων των μηνυμάτων. Κάθε χρονική στιγμή, μόνο ένα όργανο μπορεί να λειτουργήσει ως ενεργός ελεγκτή Ο ενεργός ελεγκτής είναι επιφορτισμένος με διάφορες λειτουργίες ελέγχου: •

Επιλογή

(διευθυνσιοδότηση) ομιλητών και ακροατών •

Parallel Poll

(

), οπότε ανιχνεύει τα flags των συσκευών με τη βοήθεια του σήματος IDY (identify – σήμα σε μία γραμμή •

Serial Poll

(

), για μεγαλύτερη ακρίβεια στη διάγνωση του συστήματος • •

Μεταφορά του ελέγχου του GPIB

σε έναν άλλον ελεγκτή Ορισμός των λειτουργιών των συσκευών ως

απομακρυσμένων

τοπικών

•

Αρχική Διευθέτηση

(

initialization

) της αρτηρίας (με βοήθεια του σήματος IFC)

Για την πραγματοποίηση του συστήματος χρησιμοποιούνται 24 γραμμές, από τις οποίες οι 16 είναι γραμμές σημάτων (χρησιμεύουν για τη μεταφορά πληροφορίας, μηνυμάτων του interface και DDM ), 1 για γείωση, 1 για τον θώρακα του καλωδίου και 6 τα ζευγάρια 6 γραμμών σημάτων Η αρτηρία έχει οργανωθεί σε τρεις ομάδες γραμμών: •

Ομάδα γραμμών δεδομένων

(DIO1) ως (DIO8) • Ο

μάδα επικοινωνίας

(

handshake

– NRFD, DAV, NDAC) •

Ομάδα σημάτων διαχείρισης

(

interface management

– IFC, ATN, SRQ, REN) Το

NRFD

(

Νot Ready For Data

) δείχνει την ετοιμότητα της συσκευής να λάβει δεδομένα και είναι 0 όσο το ΑΤΝ είναι 1 (ελέγχεται από τη λειτουργία SH) Το

DAV

(

DAta Valid

) δείχνει ότι στις γραμμές υπάρχουν δεδομένα και είναι 1, όταν το ΑΤΝ είναι 1 (οδηγούμενο από την SH του ελεγκτή) Το

NDAC

(

Not Data ACcepted

) δείχνει ότι οι ακροατές δέχονται δεδομένα όταν είναι 0, ενώ όταν είναι 1, ένας ή περισσότεροι ακροατές δεν δέχονται δεδομένα

Η γραμμή

IFC

χρησιμεύει στο να τεθούν όλες οι συσκευές σε μία γνωστή

κατάσταση ηρεμίας

, οδηγείται από τον

στο 1 (το λιγότερο για 100 μsec) Η γραμμή

REN

χρησιμεύει για

remote control

οργάνου, οδηγούμενη μόνο από τον SC ή

remote operation

ενός Η γραμμή

SRQ

(

Service ReQuest

) χρησιμοποιείται για ασύγχρονη αίτηση εξυπηρέτησης οργάνου από τον ενεργό ελεγκτή Η γραμμή

ΕΟΙ

(

End Of Identify

) μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον ομιλητή για να δείξει το πέρας ενός χαρακτήρα Για τη σύνδεση των συσκευών χρησιμοποιούνται ειδικά καλώδια 24 γραμμών, σε τοπολογία γραμμική ή αστέρα ή οποιονδήποτε συνδυασμό τους. Στους υψηλούς ρυθμούς, παρατηρείται πρόβλημα όταν τα υπερβαίνουν τα 4 m Η

Utility Routine

στο GPIB (

) περιέχει πληροφορίες για τα όργανα που συνδέονται

ΙΕΕΕ-488 με Μικροϋπολογιστές

Η δομή και λειτουργία των μικροεπεξεργαστών είναι απόλυτα κατάλληλη για εφαρμογή σε συστήματα

ΙΕΕΕ-488

διότι: • Χρησιμοποιούν δίαυλο δεδομένων 8-bits, που μπορούν να λειτουργούν παράλληλα • Τα δεδομένα μπορούν να κυκλοφορούν με μορφή

εκθετική

(όπως στη Fortran),

floating point

integer

, μορφές που μπορούν να αποκωδικοποιηθούν και να υποστούν επεξεργασία από τους μικροϋπολογιστές • Οι

λειτουργίες διασύνδεσης

(

interface functions

) μπορούν να σχεδιαστούν με hardware (ταχύτητα ) ή software (οικονομία)

Με τη χρήση του πρωτοκόλλου

ΙΕΕΕ-488

είναι δυνατή η διασύνδεση διατάξεων για έλεγχο συσκευών μέσω του GPIB όπως εικονίζεται στο σχήμα Οι τρεις γραμμές

DAV

NDAC

NRFD

συνεννόηση μεταξύ των συσκευών (

handshaking lines

) χρησιμεύουν στη

Στο σχήμα εικονίζεται η συνδεσμολογία μεταξύ του μικροϋπολογιστή κάποιου οργάνου και του GPIB

Για την κατανόηση λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος GPIB θεωρούμε μία δυνατή σειρά γεγονότων σε σύστημα αυτόμάτου ελέγχου (

automatic test system

) • Ο controller εκκινεί το GPIB σύροντας το IFC σε δυναμικό ’0’ για 100 μsec και εκκινεί τις συσκευές του συστήματος δίνοντας την εντολή

“Device Clear”

• Καταργεί ένα όργανο από ακροατή και το θέτει ως

ομιλητή

(

talker

) • Μετάγεται σε

Data Mode

και καθοδηγεί τα δεδομένα προς αυτό το όργανο • Σταματά την

Unlisten Command

• Αντιλαμβάνεται ποια όργανα χρειάζονται σταμάτημα • Επικοινωνεί σταματώντας την προηγούμενη εντολή για να αρχίσει ο έλεγχος • Σταματά την

Unlisten Command

• Θέτει ως ομιλητή το όργανο που κάνει μέτρηση και τον εαυτό του ως ακροατή • Αφήνει το

ΑΤΝ

να ανέβει σε υψηλό δυναμικό • Όταν το όργανο τελειώσει τη μέτρηση, τη δίνει στον controller • Γνωρίζει πόσα bytes θα λάβει από το όργανο ενώ συνεχίζει για άλλο έλεγχο Η

απαίτηση εξυπηρέτησης

(

service request

) μπορεί να καλύπτεται από τον controller ή να κάνει το

Controller Polling

σειριακά

Διασύνδεση με Βιομηχανικές Εφαρμογές

•

CAMAC

(

Computer Automated Measurement And Control

) Ο αγωγός δεδομένων παράλληλος με 24 read lines και 24 write lines (data way), ενώ το σύνολο των αγωγών φθάνει τους 86. Ο ρυθμός φθάνει τα 5 Mbits / sec και μπορούν να διευθυνσιοδοτηθούν μέχρι 23 σταθμοί με 16 υποδιευθύνσεις •

MEDIA

(

Modular Electronic Digital Instrumentation Assemblies

) Για τις χημικές βιομηχανίες, το οποίο διαθέτει τον ενεργό αγωγό (

active highway

) που επιτρέπει τον έλεγχο του αγωγού από τις διάφορες μονάδες και τον παθητικό (

passive

) αγωγό, που σχετίζεται με λειτουργίες εισόδου – εξόδου • Παλαιότερο σύστημα είναι το

British Standard Interface BS4421/ 1969

Συστήματα Απεικόνισης

•

LED

Στην αγορά διατίθενται κόκκινα, πράσινα και κίτρινα LED καθώς και δίχρωμα (πράσινο – κόκκινο). Συνδεοντάς τα με κατάλληλα

ολοκληρωμένα

Πετυχαίνουμε διάφορους τρόπους απεικόνισης Παλαιότερα χρησιμοποιούσαν ειδικούς λαμπτήρες με αέρια (π.χ. νέον), που ήταν μεγάλοι και λαμπεροί, φθηνοί, αλλά χρειάζονταν υψηλές τάσεις (π.χ. 100 V στο 1 mA) ή λαμπτήρες πυρακτώσεως, που χρειάζονται όμως μεγάλο ρεύμα και ξεχωριστή οδήγηση

•

LCD

Στα

στοιχεία υγρού κρυστάλλου

(

Liquid Crystal

) περιέχεται διάλυμα οργανικών ουσιών με ασύμμετρα μόρια, τα οποία μπορούν να προσανατολιστούν με την εφαρμογή εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου

Ανακλαστικού τύπου

(

Reflection type

) Υπάρχει ένας πολωτής φωτός, που πολώνει την εισερχόμενη ακτίνα φωτός και, αν το επίπεδο πολώσεώς της δεν αλλάζει κατά την πορεία της μέσα στον κρύσταλλο, τότε ανακλώμενη εξέρχεται

Τύπου εκπομπής

(

transmission type

) Η ακτίνα συνεχίζει και διέρχεται από ένα δεύτερο πλακίδιο (ανάλυσης), όμοιο με το πολωτικό και με το ίδιο χαρακτηριστικό επίπεδο, αν δεν έχει περιστραφεί το επίπεδο πολώσεως του φωτός κατά τη δίοδο μέσα από τον υγρό κρύσταλλο

•

Μαγνητική Αποθήκευση

Το συνηθισμένο σήμερα μέσο είναι ο

σκληρός

ή ο

εύκαμπτος δίσκος Κασετόφωνα

που ενεργοποιούνται μόλις εμφανισθούν στην είσοδο δεδομένα και μπορούν να καταγράψουν 16 έως 24 αναλογικά κανάλια και αποτελούν πολύτιμα στοιχεία DAS Η μέθοδος απεικόνισης (καταγραφής) είναι συνήθως η

χωρίς επιστροφή στο μηδέν

(

NRZ / NON-RETURN-TO-ZERO

συμπληρωματική NRZ

( ), ενώ για υψηλή απόρριψη θορύβου και για αυτόματο συγχρονισμό στην ανάγνωση χρησιμοποιείται η

Complementary NRZ

) Η κασέτα πρέπει να είναι για

ψηφιακή αποθήκευση

, δηλαδή να είναι σύμφωνη με τη σύσταση ISO / DIS 3407, η ταχύτητα να κυμαίνεται ανάμεσα στα 4 και 13 mm / sec, η πυκνότητα γραφής να είναι 24 bits / mm

•

Printers / Plotters

Για τα

αναλογικά καταγραφικά

οι διάφορες κατηγορίες ξεχωρίζουν με βάση τη συχνότητα απόκρισης: Για συχνότητες μέχρι 2 Hz χρησιμοποιούνται καταγραφικά με κινητό πηνίο ή σερβομηχανισμούς Σε υψηλότερες συχνότητες (έως και 200 Hz) χρησιμοποιούνται γαλβανόμετρα κινητού πηνίου με γραφίδες, μηχανισμός ενισχυμένος με ειδικά ελατήρια που ονομάζεται

PEN-MOTOR

Για ακόμη υψηλότερες συχνότητες (μέχρι 10 KHz), χρησιμοποιούνται οπτικά γαλβανόμετρα, ενώ το μέσο καταγραφής μπορεί να είναι φιλμ ή ειδικό χαρτί ευαίσθητο στη χρησιμοποιούμενη ακτινοβολία (π.χ. υπεριώδης) Πάνω από αυτό το όριο χρησιμοποιούνται διατάξεις με

CRT display

Κύριο χαρακτηριστικό αυτών των συσκευών αναδεικνύεται: • Η

γραμμικότητα

(

Linearity

) που για τα καλά καταγραφικά καθορίζεται σε 0,5 % • Η

ευαισθησία

(σε V/cm) • Ο

δείκτης ολίσθησης

καθορίζει πόσο θα ολισθήσει η γραφίδα σε μία ώρα λειτουργίας με την είσοδο γειωμένη Για όργανα που συνεργάζονται με υπολογιστή χρησιμοποιούνται όροι όπως: Η

ακρίβεια

του καταγραφικού (

Plotter

) καθορίζεται από το πόσο κοντά σε ένα δοσμένο σημείο μπορεί να χαραχθεί μία γραμμή σε επαναληπτική βάση και εκφράζεται σε χιλιοστά της ίντσας (

MILS

) Η

ανάλυση

καθορίζεται από τον αριθμό των διάκριτων γραμμών που μπορούν να χαραχθούν ανά ίντσα (π.χ. 100 γραμμές ανά ίντσα) Η

ταχύτητα καταγραφής

ορίζεται με διάφορους τρόπους. Για

εκτυπωτές

εκφράζεται με χαρακτήρες ανά δευτερόλεπτο, ενω για

καταγραφικά

εκφράζεται με inches per second

Ο όρος σύγχρονη λειτουργία δείχνει ότι τα δεδομένα εισέρχονται με σταθερό ρυθμό, ενώ η ασύγχρονη λειτουργία είναι συνυφασμένη με εκτύπωση δεδομένων σε ποικίλλοντα χρονικά διαστήματα Ο όρος

font

σχετίζεται με το χαρακτηριστικό

style

γραφής ενός αλφαριθμητικού set (π.χ. gothic) και τέτοιες ομάδες στοιχείων μπορούν να προγραμματισθούν σε πολλές σημερινές συσκευές Οι ηλεκτροστατικοί εκτυπωτές χρησιμοποιούν χαρτί με διηλεκτρική επάλειψη, που φορτίζεται ηλεκτροστατικά, με την έννοια

στιγμών

(

DOT

) Τα καταγραφικά για υπολογιστές διακρίνονται σε

ηλεκτροστατικά, flatbed

και

drum

, ενώ στην κατηγορία αυτή υπάγονται και τα

COM - Computer Output Microfilm Device

• Η αρχή λειτουργίας του CRT είναι γνωστή (από τον παλμογράφο) και μοιάζει με αυτήν της τηλεόρασης Υπάρχουν δύο βασικές τεχνικές που εικονίζονται στο σχήμα: Η

Stroke Writing (

line drawing

random position

vector writing

directed beam)

, χρησιμοποιεί τη δέσμη ηλεκτρονίων σαν μολύβι για τη δημιουργία μίας εικόνας στην οθόνη, η οποία δημιουργείται ως ένα σύνολο ευθύγραμμων τμημάτων Στην τεχνική

Raster Scan (

digital TV

scan graphics)

η οθόνη χωρίζεται σε μεγάλο αριθμό διακριτών

στοιχείων φωσφόρου (picture elements)

, που ονομάζονται

PIXELS

και απαρτίζει το

Raster

Για τη διατήρηση της εικόνας στην οθόνη, χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές: • Η τεχνική

directed-beam refresh

συνδυάζεται με την τεχνική

stroke-writing

και αναφέρεται στο «φρεσκάρισμα» (

refresh

) της οθόνης πολλές φορές το δευτερόλεπτο, ώστε να αποφευχθεί η ελάττωση της φωτεινότητας • Η παλαιότερη τεχνική

Vector Refresh

στην οθόνη ξανασχηματίζεται) ή

Stroke-Writing Refresh

(η εικόνα • Η τεχνική

Direct-View Storage Tube - DVST

συνδυάζεται με την τεχνική

Stroke-Writing

και αναφέρεται στην ικανότητα να διατηρείται η εικόνα στην οθόνη και όχι να ξανασχηματίζεται • Η τεχνική

Raster Scan

είναι όμοια με αυτή των τηλεοράσεων, αλλά χρησιμοποιούν ψηφιακά σήματα από τον υπολογιστή • Ένας σύγχρονος τύπος CRT Display είναι ο

Shadowmask

, που χρησιμοποιεί τρεις δέσμες (τρία ηλεκτρονικά τηλεβόλα) για τα τρία βασικά χρώματα

• Μία νέα τεχνική που συνδυάζει CRT και LCD (LC/CRT) έχει αναπτυχθεί πρόσφατα. Η σύνθεση του συστήματος εικονίζεται στο σχήμα και περιλαμβάνει μονόχρωμο CRT και ένα παράθυρο» LCD, παρέχει πολύ υψηλή ανάλυση και ως τεχνική αναφέρεται

Field-Sequential Color Display

Διασύνδεση Συστήματων Απεικόνισης με Μικροϋπολογιστές

• Για την απεικόνιση σε μικρές μονάδες, που περιλαμβάνουν μικροεπεξεργαστές, χρησιμοποιούμε είτε

διάκριτα LED

(on-off ενδείξεις) είτε

αριθμητικές και αλφαριθμητικές μονάδες

• Για την απεικόνιση αριθμητικών δεδομένων, χρησιμοποιούνται κυρίως

7-segment displays

• Στην περίπτωση αυτή της απευθείας οδήγησης χρησιμοποιούνται

βαθμίδες αποκωδικοποίησης – οδήγησης

, όπως τα ολοκληρωμένα 74LSXX (TTL) ή τα ολοκληρωμένα της σειράς 74ΧΧ • Μία άλλη δυνατότητα είναι να συνδεσμολογηθούν τα displays ως

“write-only memory”

γεγονός που εξοικονομεί τις θύρες εξόδου. Μία άλλη δυνατότητα είναι η πολύπλεξη των displays

Απευθείας οδήγηση 7-segment LED Κύκλωμα με display write-only memory

Οδήγηση Φορτίων

Οι περισσότεροι μικροϋπολογιστές μπορούν να οδηγήσουν σειράς 74, ενώ εκείνοι που έχουν θύρες εξόδου CMOS μπορούν να οδηγήσουν τη σειρά

74 LS

(low-power Shottky TTL)

buffers TTL

της Για τάσεις μέχρι 30 V και 40 mA, οι buffers είναι ικανοί να οδηγήσουν ωμικά φορτία χωρίς προστασία, ενώ τα επαγωγικά φορτία πρέπει να παραλληλίζονται με 4 διόδους προστασίας (π.χ. ΙΝ4001, 1 Α, 50 V) Συνδεσμολογίες οδηγών βαθμίδων για μεγάλα φορτία

Για τον έλεγχο θέσης χρησιμοποιούνται σύγχρονοι και βηματικοί κινητήρες (σε plotters, printers, κ.ά.). Γενικά χρησιμοποιούνται A/D converters, που λαμβάνουν τα δείγματα από την έξοδο του μικροϋπολογιστή και τη μετατρέπουν σε συνεχές μέγεθος Οδήγηση μικρού σύγχρονου κινητήρα Οδήγηση stepper motor

Διασύνδεση με Πληκτρολόγια

Ο έλεγχος και χειρισμός των συσκευών είναι δυνατόν να γίνει με τη βοήθεια πληκτρολογίων (

keyboard

), διάφορες μορφές των οποίων κυκλοφορούν στο εμπόριο Κωδικοποιητής πληκτρολογίου Δεκαεξαδικοί κώδικες για πληκτρολόγιο

Τα προτερήματα χρήσης είναι ο εύκολος χειρισμός, η ομοιομορφία στην εισαγωγή πληροφοριών, η αυξημένη αξιοπιστία και η δυνατότητα χειρισμού από μακριά Ένας κωδικοποιητής κατάλληλος για

interrupt control

εικονίζεται στο σχήμα είναι αυτός που

Εκτεταμένα συστήματα διακοπτών σε μόνιμη θέση, οργανωμένα όπως στο σχήμα, έχουν το χαρακτήρα της μνήμης ROM για το όργανο που τα περιέχει (

switch-programmed ROM

)

Διασύνδεση με Εκτυπωτές

• Η επικοινωνία με τους εκτυπωτές υποστηρίζεται από κατάλληλα κυκλώματα για την αποκωδικοποίηση και το χρονισμό • Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο εκτυπωτής περιέχει buffer, ώστε να αποθηκεύονται οι χαρακτήρες και να εκτυπώνονται κάτω από τον έλεγχο του μικροϋπολογιστή • Ο χρονισμός για αυτές τις λειτουργίες γίνεται με τη βοήθεια ειδικής συσκευής ανίχνευσης, που παράγει δύο παλμούς για κάθε χαρακτήρα • Η κεφαλή ανίχνευσης R παρέχει στάθμη αναφοράς μηδενός για τους παλμούς της κεφαλής Τ, παράγοντας ένα παλμό ανά πλήρη περιστροφή της κεφαλής εκτύπωσης • Πολλές φορές ο εκτυπωτής παίρνει τα δεδομένα προς εκτύπωση από τη RAM

10. Πληροφορία και Θόρυβος

• Θεωρούμε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα με επιτρεπόμενα μηνύματα

m 1 , m 2 , …, m n

με πιθανότητες εμφάνισης

p 1 , p 2 , ..., p n

αντίστοιχα. Όπως είναι γνωστό:

p 1 + p 2 + . . .+ p n = 1

• Υποθέτουμε ότι ο πομπός αποστέλλει το

μήνυμα m k

με αντίστοιχη

πιθανότητα p k

, το οποίο παραλαμβάνει ο δέκτης επιτυχώς. Το σύστημα μεταφέρει στην περίπτωση αυτή

ποσότητα πληροφορίας

(

amount of information

I k



log 2 1 p k

η μονάδα της οποίας ονομάζεται bit • Γενικά, αν σε ένα σύστημα μπορούν να μεταφερθούν Μ ανεξάρτητα και ισοπίθανα σύμβολα, με

Μ = 2 Ν

, όπου Ν ακέραιος, η ποσότητα πληροφορίας που μεταφέρει κάθε σύμβολο θα είναι:

I = log 2 M = log 2 2 N = N bits

• Εφόσον τα μηνύματα είναι ανεξάρτητα, η

πληροφορία του συνδυασμένου μηνύματος m k και m ℓ

προκύπτει:

I k ,

 

log 2 p k 1 p

 

log 2 1 p k



log 2 1 p

 

I k



 • Η

μέση ποσότητα πληροφορίας

προσδιορίζεται ως εξής:



I o





p 1

(

average information

) ανά μήνυμα

log 2 1 p 1



p 2 log 2 1 p 2



...



p M log 2 1 p M

• Αν σε ένα κανάλι διαθέτουμε δύο δυνατά μηνύματα με αντίστοιχες πιθανότητες εμφάνισης p και (1-p), η μέση πληροφορία ανά μήνυμα θα είναι:



p log 2 1 p



( 1



p ) log 2 1 1



• Γενικά, αν τα μηνύματα είναι Μ, μέγιστο θα έχουμε όταν αυτά είναι

ισοπίθανα

(p = 1 / Μ ) και η μέση πληροφορία ανά μήνυμα θα είναι:

H max

 

1 M log 2 M



log 2 M

• Ο

πληροφοριακός ρυθμός R

μηνύματα στο δευτερόλεπτο με (

information rate

) για κανάλι που διαβιβάζει ν

μέση ποσότητα πληροφορίας Η

, είναι:

R = r



Χωρητικότητα

Η διαβίβαση πληροφορίας από ένα κανάλι μπορεί να γίνει με μικρή πιθανότητα εμφάνισης σφάλματος, εφόσον ο πληροφοριακός ρυθμός δεν ξεπερνά κάποιο όριο. Για συγκεκριμένο κανάλι το όριο αυτό ονομάζεται

χωρητικότητα καναλιού C

(

channel capacity

) •

Θεωρήματος του Shannon

καναλιού: (

Shannon’s theorem

) για τη χωρητικότητα Αν ο πληροφοριακός ρυθμός R υπερβαίνει μία οριακή τιμή C, η πιθανότητα εμφάνισης σφάλματος τείνει προς τη μονάδα καθώς το Μ αυξάνει • Σε κανάλι με θόρυβο που ακολουθεί κατανομή Gauss (gaussian) το

Θεώρημα Shannon – Hartley

καθορίζει ότι η χωρητικότητα ενός «άχρωμου» φασματικά περιορισμένου καναλιού είναι:



B log 2 S N

 

bits / sec

(όπου, Β το εύρος ζώνης διέλευσης του καναλιού, S η ισχύς του σήματος και Ν ο συνολικός θόρυβος στη ζώνη του καναλιού)

Θόρυβος

Ο θόρυβος υπάρχει σε κάθε μέτρηση και προκαλεί αβεβαιότητα, η οποία μεγαλώνει όσο μειώνεται ο

λόγος σήματος προς θόρυβο

• Για να προσδιορίσουμε τη στάθμη θορύβου θεωρούμε ότι εμφανίζεται σαν τάση στην είσοδο π.χ. ενός ιδανικού ενισχυτή, η οποία έχει βραχυκυκλωθεί (εκφράζεται σε για μία συγκεκριμένη συχνότητα ή σε μV για μία ζώνη συχνοτήτων) ή σαν ρεύμα στην είσοδο η οποία είναι «ανοικτοκυκλωμένη» • Ο πλέον συνήθης θόρυβος που εμφανίζεται στους αγωγούς είναι ο

θερμικός θόρυβος

, του οποίου η ισχύς δίνεται από την εξίσωση:

P = 4



όπου, k η σταθερή του Boltzmann (k = 1,38•10 -23 j / grad), T η απόλυτη θερμοκρασία και Β η ζώνη διέλευσης του στοιχείου • Αν η ισχύς του θορύβου αυτού θεωρηθεί ότι καταναλίσκεται σε αντίσταση R, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι προέρχεται από σήμα με τάση ή ρεύμα (ο θόρυβος αυτός ονομάζεται και

λευκός θόρυβος)

i 2 R



P R





B R

• Ο

θόρυβος shot

Το ρεύμα θορύβου i

e 2 n





r d 2

σχετίζεται με τη διάκριτη φύση του φορτίου κατά τη ροή του. n σε μία επαφή p-n είναι:

i 2 n





I D



και η αντίστοιχη τάση: Και ο θόρυβος shot είναι ανάλογος προς το εύρος ζώνης διέλευσης • Ο

θόρυβος flicker

1/f θόρυβος

, εμφανίζεται στις χαμηλές συχνότητες (ροζ θόρυβος ή θόρυβος επαφής ή θόρυβος ημιαγωγών), οφείλεται στη ροή φορτίων σε ασυνεχές μέσο. Η δράση του αρχίζει να εμφανίζεται από το 1 kHz και η τάση του θορύβου προκύπτει από τη σχέση:

e n 2









R 2



( 1 f ) b

• Στο

διπολικό transistor

εμφανίζονται διάφορες συνιστώσες θορύβου. Στην αντίσταση r bb εμφανίζεται

θερμικός θόρυβος

e n 2





r bb



• Σε

e 2 R 1



FET



 εμφανίζεται θερμικός θόρυβος στη σύνθετη αντίσταση εισόδου R 1 :

R 1



θόρυβος shot στην πύλη από DC ρεύμα I G :

2 i gn





I G



και flicker • Στη

δίοδο

εμφανίζεται θερμικός θόρυβος, λόγω της αντίστασης r s του πυριτίου, θόρυβος shot στην επαφή p-n, και θόρυβος flicker στις χαμηλές συχνότητες

v s 2





r S



B i d 2





I D



B i







( I D



f )



Θόρυβος Ενισχυτών

Ως θόρυβο μπορούμε να ορίσουμε την ενέργεια η οποία, όταν προστίθεται σε κάποιο σήμα

, αλλοιώνει το πληροφοριακό περιεχόμενό του

. Η ποσότητα του θορύβου της εισόδου δεν πρέπει να υπερβαίνει κάποιο συγκεκριμένο πλάτος Τα στοιχεία που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή του θορύβου χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: • Στοιχεία που παρεμβάλλουν θόρυβο στον ενισχυτή αλλά ανήκουν στο κύκλωμα του αισθητήρα • Στοιχεία ή μέρη εσωτερικά του ίδιου του ενισχυτή

• Μια πολλή σημαντική κατηγορία θορύβου που παρουσιάζεται σε όλα τα στοιχεία που περιέχουν αντίσταση, είναι ο

θερμικός θόρυβος

και περιγράφεται από τη σχέση:

V t



4 kTR s



Volt/ Hz

 • Η ροή συνεχούς ρεύματος στο βρόχο του αισθητήρα προκαλεί εμφάνιση

θορύβου επαφής

ή θορύβου

Schottky

ανάλογα με το συνεχές ρεύμα I dc , όταν συναντάει εμπόδιο με την μορφή σύνδεσης αγωγών ή επαφής p-n. Οφείλεται στην μεταβολή της αγωγιμότητας, μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τη συχνότητα του σήματος f και ευθέως • Ορίζουμε ως

λόγο σήματος προς θόρυβο SNR

ενισχυτή το λόγο της ισχύος του σήματος στην είσοδο του ενισχυτή προς την ισχύ του θορύβου (

signal-to-noise ratio

) ενός • Σαν

εικόνα θορύβου

(

noise figure – NF

) ορίζεται ο λογάριθμος του λόγου σήματος προς θόρυβο στην είσοδο προς τον αντίστοιχο λόγο στην έξοδο ενός συστήματος:

( S N )

το

σήμα S

και ο

θόρυβος Ν

εκφράζονται σε Watt ή Volt 2





log





o i NF





log ολική ισχύς θορύβου ισχύς θορύβου πηγής

Παρεμβολές

Κάθε αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία κατά κανόνα παρενοχλεί τη λειτουργία που επιτελείται σε γειτονικούς αγωγούς • Οι παρεμβολές μπορεί να οφείλονται σε ηλεκτροστατικά, μαγνητικά ή ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Η πιο σοβαρή πηγή παρεμβολών είναι το ηλεκτρικό δίκτυο των 50 Hz, που επάγει τάσεις μέσω παρασιτικών χωρητικοτήτων στις συνδέσεις ή στις ίδιες τις πηγές των σημάτων • Άλλοι συνήθεις λόγοι παρεμβολών είναι μεταβολές της θερμοκρασίας, που επηρεάζουν τις πηγές τροφοδοσίας και σήματος και την αγωγιμότητα των ημιαγωγών • Μηχανικές δονήσεις που καταστρέφουν συνδέσεις • Παλμοί από άνοιγμα και κλείσιμο διακοπτών τροφοδοσίας ή συστημάτων εκκίνησης (π.χ. αυτοκίνητα) • Υψηλές τάσεις ή τάσεις από ηλεκτροκινητήρες

• Ακόμα και σε θωρακισμένους ενισχυτές, μπορούν να εμφανισθούν παρασιτικές χωρητικότητες, με αποτέλεσμα την ανατροφοδότηση της εισόδου από την έξοδο και την ταλάντωση του ενισχυτή Γενικά, για τη

θωράκιση

ακολουθούνται οι εξής κανόνες: • Γειώνεται προς το κοινό ηλεκτρόδιο ή στη γη του σήματος • Συνδέονται σε σειρά και γειώνονται στο κοινό ηλεκτρόδιο ή στη γη του σήματος • Τα ρεύματα στις θωρακίσεις πρέπει να αποφεύγονται Σε ότι αφορά τις

παρεμβολές μαγνητικής προέλευσης

, ισχύουν τα εξής: • Για μεταφορά μεγάλων ρευμάτων χρησιμοποιούμε συνεστραμμένο καλώδιο • Θωρακίζουμε με κατάλληλο υλικό (εξαρτάται από συχνότητα και ένταση πεδίου) • Ελαχιστοποιούμε το μήκος των καλωδίων • Αποφεύγουμε βρόχους γειώσεων και μειώνουμε κάθε επιφάνεια ευαίσθητη σε μαγνητικά πεδία

Όταν γίνεται

μαγνητική σύζευξη βαθμίδων

αποφεύγονται πολλά προβλήματα, καθώς εφαρμόζονται τεχνικές διαμόρφωσης – αποδιαμόρφωσης και δεν απαιτείται γαλβανική σύνδεση μεταξύ των βαθμίδων Οι μετασχηματιστές τροφοδοσίας, που μας απαλλάσσουν από τα προβλήματα που σχετίζονται με το ρευματολήπτη, πρέπει να θωρακίζονται στο πρωτεύον και στο δευτερεύον, γεγονός που έχει σαν αποτέλεσμα το υψηλό κόστος τους Αν το σύστημα μετρήσεων δεν δικαιολογεί τέτοιο κόστος τροφοδοσίας, εφαρμόζονται άλλες τεχνικές (δεύτερος μετασχηματιστής που διεγείρεται από ταλαντωτή τροφοδοτούμενο μέσω ανορθωτή από τον πρώτο μετασχηματιστή κ.ά.), ώστε να απορρίπτονται σήματα κοινού τρόπου τροφοδοσίας

11. Tηλεμετρικά Συστήματα

Η Τηλεμετρία είναι κλάδος της Πληροφορικής με αντικείμενο τη μεταφορά δεδομένων μετρήσεων φυσικών παραμέτρων από σταθμούς μετρήσεων γεωγραφικά απομακρυσμένους. Π.x μετεωρολογικοί και σεισμολογικοί σταθμοί • Η μετάδοση σημάτων είναι

μονόφορη

αμφίδρομη

• Ανάλογα με το είδος των πομποδεκτών διακρίνουμε τα συστήματα τηλεμετρίας σε

αναλογικά

και

ψηφιακά

• Ανάλογα με το μέσο μετάδοσης τα τηλεμετρικά συστήματα διακρίνονται σε

ενσύρματα

ασύρματα

δορυφορικά

οπτικών ινών

κ.ά

Σήματα

Ο πομπός μετασχηματίζει το σήμα, ώστε αυτό να διαβιβασθεί μέσα από το τηλεπικοινωνιακό κανάλι, το οποίο εισάγει θόρυβο στο διαβιβαζόμενο σήμα. Στο δέκτη γίνεται αποκάλυψη της πληροφορίας υποβαθμισμένη •

Γραμμικό

θεωρείται ένα

σύστημα F

, το οποίο δεχόμενο στην είσοδό του ταυτόχρονα σήματα f 1 , f 2 ,… στην έξοδό του προσφέρει αποτέλεσμα με βάση την αρχή της υπέρθεσης:

F(c 1 f 1 + c 2 f 2 + …) = c 1 F(f 1 ) + c 2 F(f 2 ) + …

• Ένα

σήμα f(t)

είναι

περιοδικό

, όταν γι’ αυτό ισχύει:

f(t) = f(t + kT o ), To



Η σειρά Fourier δίνει τη δυνατότητα

ανάλυσης

των σημάτων σε απλούστερες

συνιστώσες

(ημιτονικά σήματα), οπότε διευκολύνεται η μελέτη της συμπεριφοράς των συστημάτων στις διάφορες αρμονικές

f ( t )



1 2

    

F (



) e j



t d



, ω



2ππ

Με την εφαρμογή του

τελεστή Fourier

έχουμε την αναπαράσταση του σήματος στο πεδίο συχνοτήτων (

frequency domain representation

) Εξισώσεις ή γραφήματα για τα F n

συχνοτήτων

( αναφέρονται σαν

discrete frequency spectrum

διακριτά φάσματα

), ενώ τα αντίστοιχα για την F(ω) αναφέρονται σαν

συνεχή φάσματα συχνοτήτων

(

continuous frequency spectrum

Κατά την περιγραφή ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου σημειώνονται οι στάθμες των σημάτων στα διάφορα σημεία του, ως προς την τάση ή την ισχύ τους Το εύρος ζώνης των σημάτων δηλώνει την κατανομή της ισχύος του σήματος σε μια περιοχή συχνοτήτων, ενώ για τη σύγκριση του σήματος με το θόρυβο χρησιμεύει

ο λόγος σήματος προς θόρυβο

(

Signal to Noise Ratio – SNR

) Σαν

συνέλιξη

(

convolution

) δύο σημάτων f 1 (t) και f 2 (t) ορίζεται ένα νέο σήμα f(t):

f ( t )

    

f 1 ( x ) f 2 ( t



x ) dx

• Η ενέργεια

ενός σήματος g(t) εκφράζεται με τη σχέση Με τη χρήση του θεωρήματος του Parseval και την

E g

    

g 2 ( t ) dt

φασματική πυκνότητα ενέργειας μπορεί να αντικαταστήσει τον τετραγωνικό όρο:

E g



1 2

     

g (



) d

 ή

E g

     

g ( f ) df

• Για τα περιοδικά σήματα η ενέργεια δεν είναι πεπερασμένο μέγεθος. Η

μέση ισχύς

(average power) ενός περιοδικού σήματος είναι:

P g



T lim



1 T

 

T T 2 2 g 2 ( t ) dt

• Τα σήματα με πεπερασμένη ενέργεια Eg αναφέρονται σαν

σήματα ενέργειας

(

energy signals

) και σήματα με πεπερασμένη ισχύ Pg αναφέρονται σαν σήματα ισχύος (

power signals

). Η συσχέτιση σημάτων ενέργειας g 1 (t) και g 2 (t) ορίζεται με την εξίσωση:

S g 1 g 2 (



)



lim T

 

1 T

 

T T 2 2 g 1 ( t ) g 2 ( t

 

) dt

• Η περιοχή συχνοτήτων όπου κατανέμεται όλη ή η περισσότερη ισχύς σήματος αναφέρεται σαν

εύρος ζώνης

του σήματος Β. Αν θεωρήσουμε σαν Β τη ζώνη όπου κατανέμεται το 95% της ισχύος του σήματος, τότε έχουμε:

0 , 95 P g



1 2

  



  

S g (



) d

 Με βαθυπερατά φίλτρα κόβεται η ισχύς πάνω από Β Hz

Mέσο Εκπομπής

Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά ενός τηλεπικοινωνιακού καναλιού (διαύλου) είναι το μέσο, διά του οποίου μεταδίδεται το σήμα (π.χ. για το τηλεφωνικό σήμα είναι το τηλεφωνικό καλώδιο) Το κανάλι διαφοροποιεί το σήμα. Επιδρά στη μείωση της ισχύος του σήματος, γεγονός που αποδίδεται με τον όρο

εξασθένιση

(

attenuation

) Τα

μέσα εκπομπής

χωρίζονται σε

σταθερά

(

bounded media

) π.χ. γραμμές μεταφοράς και

μη σταθερά

(π.χ. αέρας, νερό, διάστημα) Ζεύγη χρησιμεύουν για τη μεταφορά σημάτων

πολύ χαμηλών συχνοτήτων

Low Frequency – VLF

) με μήκος κύματος μέχρι 10Km και

χαμηλών συχνοτήτων

(

Low Frequency – LF

) με μήκος κύματος μέχρι 1Km (

Very

Τα σήματα με

μέσες συχνότητες υψηλές συχνότητες

( (

Medium Frequency – MF High Frequency – HF

) μέχρι 10m ) μέχρι 100m,

Πολύ υψηλές συχνότητες

(

Very High Frequency – VHF

) μέχρι 1m, και εν μέρει,

υπερυψηλές συχνότητες

(

Ultra High Frequency –UHF

) μέχρι 10cm μεταφέρονται συνήθως με ομοαξονικό καλώδιο

(Super High Frequency – SHF)

χρησιμοποιούνται

κυματοδηγοί

μέχρι 1cm και μέχρι το υπερέρυθρο, (

wavequides

). Για ζώνη

υπερέρυθρου

ορατού

και

υπεριώδους φάσματος

χρησιμεύουν οι

οπτικές ίνες

(

optical fibers

) Από την άλλη πλευρά στη ζώνη των

μακρών κυμάτων

(

Longwave radio

) από μερικά KHz έως μερικά MHz, συνωθούνται συστήματα ναυσιπλοίας (

submarine cable navigation

), από μερικά KHz έως μερικές εκατοντάδες KHz (ΑΜ ράδιο) Στη ζώνη των

βραχέων

(

Shortwave radio

), εκτός των ραδιοερασιτεχνών, εκπέμπουν αυτοκίνητα (μερικές δεκάδες MHz)

Ραδιόφωνα FM και VHF τηλεόραση (γύρω από τα 100MHz) Συστήματα αεροναυσιπλοίας (μερικές εκατοντάδες MHz) και τηλεόραση UHF (μέχρι 1GHz) Πάνω από εκεί έχουμε μικροκυματικές ζεύξεις, δορυφορικές ζεύξεις κ.ά Η ζώνη που χρησιμεύει σήμερα για την ανάπτυξη τοπικών δικτύων εκτείνεται από τα 100KHz περίπου μέχρι τα 2.4 GHz (Wi-Fi) Τα χρησιμοποιούμενα μέσα είναι τηλεφωνικά ζευγάρια, ομοαξονικά καλώδια, ο αέρας, αλλά και οπτικές ίνες Το διαδιδόμενο σήμα είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα, που, ανάλογα με τη συχνότητά του, παρουσιάζει ιδιομορφίες στη συμπεριφορά του ως προς το μέσο μετάδοσης Τα μέσα για

βιομηχανικά δίκτυα

είναι οι

γραμμές μεταφοράς

ομοαξονικά καλώδια) και οι

οπτικοί κυματοδηγοί

(ζεύγη και

Γραμμές Μεταφοράς

Η γραμμή μεταφοράς νοείται σαν κατανεμημένο ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως εικονίζεται στο σχήμα, ενώ η στιγμιαία τάση v(x,t) και ρεύμα i(x,t) σχετίζονται με τα στοιχεία του κυκλώματος ως εξής:  

 

x i x

     

   

 

L L

  



t t i

      όπου R η

κατανεμημένη αντίσταση

(σε Ω/m), L η

κατανεμημένη αυτεπαγωγή

(σε Η/m), G η

κατανεμημένη αγωγιμότητα

(σε Ω -1 /m) και C η

κατανεμημένη χωρητικότητα

(σε F/m) Οι λύσεις των εξισώσεων είναι:  

( R





L )( G





C ) Z o



R G

 



L j



γ είναι μιγαδικός αριθμός της μορφής γ=α+jβ, όπου α η

σταθερά εξασθένισης

(

attenuation constant

) και β η

σταθερή φάσης

(

phase constant

). H Ζ ο ονομάζεται

χαρακτηριστική

(σύνθετη)

αντίσταση

(

characteristic impedance

) της γραμμής μεταφοράς

• Όταν ένα σήμα φθάνει στο δέκτη, ο οποίος έχει (σύνθετη) αντίσταση Ζ

συντελεστής ανάκλασης τάσης και ρεύματος

e , ένα μέρος του σήματος ανακλάται και δημιουργεί πρόβλημα στη μετάδοση. Ο ορίζονται με τις εξίσώσεις: 

   

A 2 e

 

A 1 e

       

I I

   

o o



   

A 2 e

 

A 1 e

                • Όταν R << ωL και G << ωC η γραμμή ονομάζεται

ελεύθερη απωλειών

free line

), για την οποία ισχύει:

Z o



L / C

 



L / C

(

loss-

• Ανακλάσεις δεν υπάρχουν σε γραμμές με άπειρο μήκος (πολύ μακριές) Στην περίπτωση αυτή, ισχύουν τα εξής για

V = V s e -γx = V s e -ax e -jβx I



V Z o s e



ax e





• Η αντίσταση που τερματίζεται σε αντίσταση ίση με τη χαρακτηριστική της ονομάζεται

ορθά τερματισμένη

(

correctly terminated

). Η εξίσωση μπορεί να γραφεί:

v ( x , t )



2 V s e



ax cos(



 

x )

• Ο χρόνος που απαιτείται για διαδοθεί το σήμα κατά χ με ταχύτητα

U = ω / β

ονομάζεται

ταχύτητα διάδοσης

(propagation velocity) και για μια γραμμή ελεύθερη απωλειών, ισχύει   

LC U



1 / LC

• Όταν G <<ωC (σύνηθες στις υψηλές συχνότητες) ισχύει:

Z o



L C

  

LC a



R 2 Z o



G 2 Z o

• Τα μεγέθη

και

Ζ ο

εκφράζονται με τα μεγέθη

, τα οποία ονομάζονται

σταθερές

της γραμμής μεταφοράς. Όταν η γραμμή μεταφοράς είναι

ζεύγος παράλληλων αγωγών,

d, θα είναι:



27 , 77



ln( d / r ) ( σε pF/m)

με ακτίνα αγωγού r και απόσταση αγωγών

Z o



120



ln(d/r) ( σε Ω)

όπου ε είναι η σχετική είναι διηλεκτρική σταθερά • Για

χάλκινους αγωγούς,

όταν η ακτίνα r εκφράζεται σε cm: όπου f η συχνότητα λειτουργίας σε Ηz



8 , 34 10 -6 f/r

• Για

ομοαξονικό καλώδιο,

με ακτίνα εσωτερικού αγωγού r και εξωτερικού R, στις υψηλές συχνότητες είναι:



55 ln( , 55



R / r ) ( σε pF/m) Z o





ln(R/r) ( σε Ω)

• Για να έχουμε ικανοποιητική διάδοση σε ένα μέσο,

πρέπει το εύρος ζώνης του σήματος να είναι μικρότερο από το εύρος ζώνης του μέσου διάδοσης

Κανάλι

Το εύρος ζώνης διέλευσης ενός μέσου εκπομπής διαιρείται, κατά κανόνα, σε τμήματα, τα οποία ονομάζονται  H(ω) 

κανάλια

. Η επίδραση του καναλιού στο διαδιδόμενο σήμα συνίσταται στον πολλαπλασιασμό του μέτρου του σήματος με σε κάθε συχνότητα και στην πρόθεση φάσης θ h (ω) • Tα κανάλια

χωρίς παραμόρφωση χρονική καθυστέρηση

t d : (

distortionless channels

r(t) = kg(t - t d

όπου k το μέτρο  ) αποδίδουν τα σήματα στην έξοδό τους με τη μορφή που τα παρέλαβαν στην είσοδό τους, υπεισάγοντας

H(ω)



= k

• Αν το σήμα είναι

περιορισμένο φασματικά

(

bandpass signal

), περιγράφεται από την εξίσωση:

g bp (t) = g c (t)cosω o t + g s (t)sinω o t

Η φασματική ενέργεια πυκνότητας στην είσοδο και στην έξοδο του καναλιού συνδέονται με τη σχέση:

Ψ r (ω)=



R(ω)



2 =



H(ω)G(ω)



2 =



Η(ω)



2 Ψ g (ω)

και οι φασματικές πυκνότητες ισχύος με τη σχέση:

S r (ω)=



H(ω)



2 S g (ω)

Τα πραγματικά κανάλια παραμορφώνουν τα σήματα, καθώς δεν εξασθενούν το σήμα ομοιόμορφα σε όλες τις συχνότητες και η καθυστέρηση φάσης δεν είναι γραμμική συνάρτηση της συχνότητας. Οι συνήθεις μορφές θορύβου είναι: •

Θόρυβος διαφωνίας

Οφείλεται σε ανεπιθύμητα σήματα που προέρχονται από γειτονικά κανάλια στο ίδιο μέσο εκπομπής ή σε άλλα μέσα γειτονικά με αυτό •

Θόρυβος με μορφή συνάρτησης Dirac

σε συσκευές που γειτονεύουν με το μέσο εκπομπής (π.χ. μηχανές ισχύος) και εξουδετερώνεται με κατάλληλη θωράκιση οφείλεται σε σήματα που παράγονται •

Θερμικός θόρυβος

Οφείλεται σε τυχαίες κινήσεις των φορέων ηλεκτρικού φορτίου στους αγωγούς, οι οποίες παράγουν ρεύμα με μέση τιμή μηδέν σε ευρύ χρονικό διάστημα. Η μέση τετραγωνική τιμή της τάσης σε αντίσταση R στην απόλυτη θερμοκρασία T, σύμφωνα με τον H. Nyquist, θα είναι:

Ε[v 2 ]= 4kTRB

(όπου Ε είναι ο τελεστής της μέσης τιμής, k η σταθερά του Boltzmann και Β το εύρος ζώνης συχνοτήτων). Ο θόρυβος είναι λευκός και δεν αλλάζει με την f

Οπτικές Ίνες

Μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στις επικοινωνίες δεδομένων είναι η χρήση του φωτός για μεταφορά ψηφιακών παλμών μέσα από οπτικές ίνες. Οι οπτικές ίνες είναι ένα μέσο με: •

Χαμηλή εξασθένιση

(τυπικά 1dB/km) •

Αναισθησία

στο θόρυβο από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές •

Ευρεία ζώνη συχνοτήτων

(τυπικά 1GHz για multi mode fibers και 10GHz για single mode fibers, σε αποστάσεις πάνω από 1km) •

Μικρό μέγεθος

(καλώδιο πάχους 1 εώς 2mm μαζί με την πλαστική συσκευασία) •

Μικρό βάρος

•

Πολύ μεγάλη χωρητικότητα

Οι ηλεκτρονικές συσκευές που χρησιμοποιούν φως λειτουργούν στο οπτικό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος συχνοτήτων. Υπάρχουν τρεις βασικές περιοχές στο οπτικό φάσμα συχνοτήτων: • Η

υπέρυθρη

περιοχή περιλαμβάνει μεγάλα μήκη κύματος φωτός που δεν μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι • Η

ορατή

περιοχή περιλαμβάνει μήκη κύματος φωτός που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι • Η

υπεριώδης

περιοχή περιλαμβάνει μικρά μήκη κύματος φωτός που δεν μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι Ο

δείκτης διάθλασης n

δύο υλικών είναι αυτός που καθορίζει το μέγεθος της διάθλασης στην επαφή δύο υλικών με διαφορετικές πυκνότητες. Ορίζεται ως ο λόγος της ταχύτητας διάδοσης μιας ακτίνας φωτός στο κενό c προς την ταχύτητα διάδοσης στο υλικό υ:

n = c / υ

• Μια

δίοδος φωτοεκπομπής LED

(

light emitting diode

) μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή ενέργεια. Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται από τη δίοδο εξαρτάται από τον τύπο του ημιαγωγού • Μια άλλη πηγή φωτός που χρησιμοποιείται στην οπτικοηλεκτρονική είναι το

laser

(

light amplification by stimulation emission of radiation

) Οι ILDs πλεονεκτούν έναντι των LEDs επειδή: • Παράγουν περισσότερο εστιασμένο φως • Η ισχύς ακτινοβολίας εξόδου τους είναι μεγαλύτερη, συνήθως 5mW • Προσφέρουν υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων • Παράγουν μονοχρωματικό φως Μειονεκτούν επειδή είναι ακριβότερες, έχουν μικρότερο χρόνο ζωής και εξαρτώνται περισσότερο από τις μεταβολές της θερμοκρασίας • Οι

φωτοδίοδοι

και τα

φωτοτρανσίστορ

(φωτόνια) σε ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπουν τη φωτεινή ενέργεια

• Οι

οπτικές ίνες

είναι διαφανείς, διηλεκτρικοί κύλινδροι που περιβάλλονται από ένα δεύτερο διηλεκτρικό κύλινδρο. Το φως μεταφέρεται με διαδοχικές ανακλάσεις στην επιφάνεια επαφής ενός

πυρήνα

(εσωτερικός κύλινδρος) (

core

) και της

επένδυσής

του (εξωτερικός κύλινδρος) (

cladding

) Η αλλαγή της κατεύθυνσης ορίζεται απο το

νόμο του Snell

n 1





n 2



Η γωνία πρόσπτωσης για την οποία η ακτίνα αναγκάζεται να ταξιδέψει κατά μήκος της επιφάνειας επαφής, δηλαδή θ 2 =90 ο , ονομάζεται

κρίσιμη γωνία θ c

και δίνεται από τη σχέση: 



n 2 n 1

Αποδεικνύεται ότι όταν για τη γωνία πρόσπτωσης θ 1 ισχύει 



n 1 2



n 2 2

τότε η ακτίνα παθαίνει ολική ανάκλαση από την εξωτερική επένδυση. Έτσι διαδίδεται μέσω της οπτικής ίνας και η γωνία ονομάζεται

γωνία αποδοχής

(

acceptance angle

)

Οι απώλειες των οπτικών ινών έχουν σαν αποτέλεσμα την ελάττωση της μεταφερόμενης φωτεινής ισχύος. Οι βασικές απώλειες είναι: •

Απώλειες απορρόφησης

(

absorption

). Οφείλονται σε προσμίξεις του γυαλιού της οπτικής ίνας. Το μεταφερόμενο κύμα απορροφάται και γίνεται θερμότητα •

Σκέδαση του υλικού

(

material scattering

) που οφείλεται σε πολύ μικρές ανωμαλίες στην κατασκευή της ίνας, με αποτέλεσμα να προκαλείται διάθλαση •

Χρωματική παραμόρφωση

(

chromatic distortion

) που οφείλεται στη διαφορετική ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει κάθε κύμα μέσα στην ίνα •

Απώλειες ακτινοβολίας

(

radiation

) που οφείλονται σε μικρές κάμψεις της ίνας, με αποτέλεσμα να σκεδάζεται το κύμα •

Τροποποιητική διασπορά

(

modal dispersion

διαφορετικούς δρόμους που ακολουθεί το φως μέσα στην ίνα. Κάθε δρόμος αντιστοιχεί σε διαφορετικό χρόνο διάδοσης ) που οφείλεται στους •

Απώλειες σύζευξης

(

coupling

) που οφείλονται σε κακές προσαρμογές σε τερματισμούς μεταξύ ίνας-ίνας, LED-ίνας, κ.ά

Ένα σύστημα επικοινωνίας με χρήση

οπτικής ίνας

βασικές συνιστώσες: αποτελείται από τρεις •

Πομπός (transmitter)

Ο πομπός αποτελείται από έναν μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC), έναν μετατροπέα τάσης σε ρεύμα, μια πηγή φωτός (LED ή ILD) και ένα σύνδεσμο πηγής-ίνας •

Δέκτης (receiver)

Ο δέκτης έχει ένα σύνδεσμο ανίχνευσης ίνας-φωτός, ένα φωτοανιχνευτή, έναν μετατροπέα ρεύματος σε τάση, έναν ενισχυτή και έναν μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC) •

Οπτική ίνα (fiber)

Η ίνα είναι κατασκευασμένη είτε από πάρα πολύ καθαρό γυαλί, είτε από πλαστικό. Η επένδυση καλύπτεται από ένα

κάλυμμα

, που με τη σειρά του έχει μια επικάλυψη που ονομάζεται

χιτώνιο

(

jacket

). Έτσι αποκτά μηχανική αντοχή

Συνοπτικά τα πλεονεκτήματα της χρήσης των

οπτικών ινών

είναι: • Τα οπτικά συστήματα έχουν μεγαλύτερη

χωρητικότητα

• Δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο

crosstalk

καλωδίων λόγω μαγνητικής επαγωγής που εμφανίζεται μεταξύ των • Δεν έχουν στατικές

παρεμβολές

που προκαλούνται από έκθεση στο φως, ηλεκτρικούς κινητήρες, φθορισμό και άλλες πηγές ηλεκτρικού θορύβου • Τα οπτικά συστήματα παρουσιάζουν μεγαλύτερη

ηλεκτρική απομόνωση

• Τα οπτικά καλώδια δεν ακτινοβολούν ενέργεια και επομένως δεν αλληλεπιδρούν με άλλα επικοινωνιακά συστήματα • Τα οπτικά καλώδια είναι περισσότερο ανθεκτικά στις περιβαλλοντικές συνθήκες. Λειτουργούν σε μεγαλύτερη περιοχή θερμοκρασιών, απο τα χάλκινα καλώδια, και επηρεάζονται λιγότερο από διαβρωτικά υγρά και αέρια • Είναι ασφαλέστερα και ευκολότερα να εγκατασταθούν και να επισκευαστούν γιατί δεν σχετίζονται με ηλεκτρικά ρεύματα και τάσεις. Επίσης, είναι μικρότερα και ελαφρύτερα από τα χάλκινα καλώδια

Αναλογικές Επικοινωνίες

Για τη μετάδοση των σημάτων σε μέσα κοινής χρήσης χρησιμοποιείται κατά κανόνα

πολλαπλασιασμός συχνότητας

. θεωρούμε ότι το προς μετάδοση σήμα έχει τη μορφή ημιτονοειδούς σήματος:

U m ( t )



A m cos



m t



A m cos 2



f m t

A m το πλάτος και f m = ω m /2π η συχνότητα του σήματος 

A m 2 ( e j



m t







m t )



A m 2 ( e j 2



f m t





j 2



f m t )

A A Am/2 AmΑc/4 -f c -f m -f c -f c +f m 0 f c -f m f m f c +f m f -f m 0 f m f Το φάσμα του σήματος αυτού αποτελείται από δύο συνιστώσες. Θεωρούμε ότι πολλαπλασιάζουμε το προς μετάδοση σήμα με ένα βοηθητικό σήμα και προκύπτει το φάσμα του σύνθετου σήματος

Με τον πολλαπλασιασμό των δύο σημάτων σχηματίζεται η ζώνη πάνω από τη συχνότητα του βοηθητικού σήματος f c , η οποία ονομάζεται

άνω πλευρική ζώνη

(

upper-side band

) και η ζώνη κάτω από την f c , η οποία ονομάζεται

κάτω πλευρική ζώνη

(

lower-side band

). Το φαινόμενο του πολλαπλασιασμού δύο σημάτων φέρεται γενικά με τον όρο

μείξη

ή ετεροδύνωση (

mixing–heterodyning

)

|Μ(jω)|

Μ(ο) -f M

f M

|F[m(t)cosω c t]| f

-f c -f M -f c -f c +f M ½ Μ(ο)

f c -f M f c f c +f M

Το σήμα συχνότητας f c αναφέρεται συνήθως ως

oscillator signal

) ή

φέρον σήμα

(

carrier signal

σήμα τοπικού ταλαντωτή

). Η ανάκτηση του αρχικού σήματος μπορεί να γίνει από το γινόμενο με ένα φίλτρο βασικής ζώνης (

local

Αν στο γινόμενο των δύο σημάτων προστεθεί το φέρον, προκύπτει σήμα

διαμορφωμένο κατά πλάτος

(

Amplitude Modulation – AM

)

u(t)= A c [1+m(t)]cosω c t

Ως δείκτης διαμόρφωσης m φέρεται ο λόγος του πλάτους του σήματος προς μετάδοση προς το πλάτος του φέροντος, ο οποίος επιλέγεται μικρότερος της μονάδας. Η διαμόρφωση

ΑΜ

είναι ευαίσθητη στο θόρυβο και στην απόσβεση, καθώς η πληροφορία διαμορφώνει το πλάτος του φέροντος. Η ανάκτηση του σήματος m(t) μπορεί να γίνει με φίλτρο απόρριψης υψηλών συχνοτήτων

Φασματική Πυκνότητα

Σήμα προς μετάδοση Εκπεμπόμενο Σήμα

f M f c -f M f c f c +f M

Παρατηρούμε ότι το φάσμα του κατά πλάτος διαμορφωμένου σήματος περιέχει το φέρον και τις δύο πλευρικές. Επειδή το φέρον δεν μεταφέρει πληροφορία, επιδιώκεται η συμπίεσή του, ώστε η ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος να περιέχει κυρίως το σήμα που μεταφέρει πληροφορία. Στην περίπτωση αυτή έχουμε

σήμα διαμορφωμένο κατά πλάτος με δύο πλευρικές και συμπιεσμένο φέρον

(

Double-Side-Βand, Suppressed-Carrier – DSB – SC

)

Για εξοικονόμηση φάσματος και για καλύτερα αποτελέσματα σε εκπομπή υπό δεδομένη ισχύ καταργείται η μία πλευρική ζώνη και προκύπτει σήμα

απλής πλευρικής ζώνης

(

Single-Side-Band – SSB

) Τα σήματα απλής πλευρικής ζώνης μπορούν να πολυπλεχθούν

κατά συχνότητα

(

Frequency Division Multiplexing – FDM

) να διαβιβασθούν μέσα από το ίδιο κανάλι και καλούνται παραδοσιακά

φερέσυχνα

(τηλεφωνία) • Στη

γωνιακή διαμόρφωση

είναι συνάρτηση του σήματος προς μετάδοση. Διακρίνουμε δύο είδη γωνιακής διαμόρφωσης: (

Angle Modulation

) η φάση του φέροντος σήματος

Διαμόρφωση κατά Συχνότητα Διαμόρφωση κατά Φάση

( (

Frequency Modulation – FM Phase Modulation – PM

) ) και Το φέρον σήμα και στις δύο θεωρείται ημιτονοειδές σήμα της μορφής:

c(t)= Acos(ω c t +θ c )

όπου ω c η κυκλική συχνότητα και θ c η φάση του φέροντος

• Η διαμόρφωση

είναι προτιμότερη από την

ΑΜ

, γιατί η πληροφορία περιέχεται στις μεταβολές της συχνότητας και όχι στο πλάτος

Στη διαμόρφωση

η στιγμιαία τιμή του σήματος πληροφορίας U m προκαλεί απόκλιση συχνότητας Δf από τη συχνότητα φέροντος fc: Δf = f – f c = k m  U m όπου km ο

δείκτης διαμόρφωσης

μετάδοση της πληροφορίας . Η πληροφορία διαμορφώνει τη συχνότητα του φέροντος και η απολαβή της γραμμής δεν ενοχλεί τη Στο κύκλωμα του σχήματος ο αποκωδικοποιητής τόνου

PLL

αποκάλυψη παλμών από

χρησιμεύει στην σήμα, ενώ στο κύκλωμα δεξιά βλέπουμε έναν απλό πομπό

Αναλογικά Τηλεμετρικά Συστήματα

Τα παλαιότερα τηλεμετρικά συστήματα στηρίζονταν σε αναλογικές επικοινωνίες. Τα συλλεγόμενα σήματα μπορούν να πολυπλεχθούν κατά συχνότητα και να διαβιβασθούν στο σταθμό επεξεργασίας, όπου αποπολυπλέκονται

Ch 1 Αισθητήριο 1 VCO BP DSC LP

Κανάλι

Αισθητήριο 2 VCO M IX E R Ε ΝΙ Σ Χ Υ Τ Η Σ BP DSC LP Ch 2 Αισθητήριο λ VCO BP DSC LP Ch λ

Διάγραμμα βαθμίδων ενός τηλεμετρικού συστήματος με φερέσυχνα

Το σήμα από το αισθητήριο διεγείρει

ταλαντωτή ελεγχόμενο από τάση

(

Voltage Controlled Oscillator – VCO

) και το σήμα

που παράγεται μειγνύεται με τη βοήθεια

μείκτη

(

mixer

) Το πολυπλεγμένο σήμα μεταφέρεται μέσα από ένα κανάλι (μισθωμένη γραμμή, ραδιομετάδοση, κ.ά.) στο σταθμό υποδοχής, όπου διεγείρει ενισχυτή αυτόματα ελεγχόμενης ενίσχυσης Η έξοδος του ενισχυτή προσαρμόζεται σε

βαθμίδες φίλτρων διέλευσης ζώνης συχνοτήτων

(BP) με κεντρικές συχνότητες αντίστοιχες των ταλαντωτών

VCO

Το φιλτραρισμένο σήμα διεγείρει διευκρινιστή (DSC), όπου οι αποκλίσεις της συχνότητας του

σήματος μετατρέπονται σε τάση Το αποδιαμορφωμένο σήμα διέρχεται από κ.ά.)

φίλτρο διέλευσης χαμηλής ζώνης

(LP) και παραδίδεται για αξιοποίηση (καταγραφή, αποθήκευση, επεξεργασία, Η μορφή αυτή τηλ. συστημ. είναι συνηθισμένη για σεισμολογικές μετρήσεις

Η σύζευξη αναλογικών πομποδεκτών για τη μεταβίβαση των φυσικών σημάτων με ψηφιακά συστήματα καταχώρησης στο σταθμό επεξεργασίας χαρακτηρίζει τα υβριδικά τηλεμετρικά συστήματα

Αισθητήριο 1 Αναλογικός Πολυπλέκτης Πομπός Δέκτης Ψηφιακός Υπολογιστής Α/D Αισθητήριο ν

Στο σχήμα εικονίζεται το διάγραμμα βαθμίδων ενός υβριδικού τηλεμετρικού συστήματος, όπου τα σήματα πολυπλέκονται από αναλογικό πολυπλέκτη και αποστέλλονται στο σταθμό επεξεργασίας με αναλογικό τρόπο Στο σταθμό υποδοχής μετατρέπονται σε ψηφιακά δεδομένα και υφίστανται επεξεργασία από τον ψηφιακό υπολογιστή του συστήματος

Εκπομπή Ψηφιακού Σήματος

Ένα ψηφιακό μήνυμα είναι μία διατεταγμένη ακολουθία συμβόλων, από ένα αλφάβητο πεπερασμένου μεγέθους Μ. Για

δυαδικές επικοινωνίες

(Μ = 2) Το ψηφιακό μήνυμα μεταδίδεται με ένα

ρυθμό σηματοδοσίας

(

signaling rate

), ενώ την ποιότητα επικοινωνίας χαρακτηρίζει η

πιθανότητα εμφάνισης λανθασμένου ψηφίου

(

Βit Εrror Probability – BER

) Κάθε κανάλι με εύρος ζώνης συχνοτήτων Β έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει δεδομένα με

μέγιστο ρυθμό

(

data rate

)

C max = 2Blog 2 M (bits / sec)

Υπό κατάλληλη κωδικοποίηση, η

μέγιστη χωρητικότητα

ενός καναλιού δίνεται από τη σχέση:

C max = Blog 2 (1+SNR)

Για υψηλότερους ρυθμούς, χρησιμοποιούμε και κανάλι με μεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων και ισχύει ο τύπος:

SNR 1 =(SNR 2 ) B2 / B1

(απαιτείται και κατάλληλη κωδικοποίηση)

Κωδικοποίηση

Ως

κωδικοποίηση

(

coding

) ορίζεται η διαδικασία της επεξεργασίας συμβόλων (‘0’ και ‘1’), που αποσκοπεί στη βελτίωση των τηλεπικοινωνιών, όταν η πληροφορία είναι ψηφιακή ή μπορεί να παρασταθεί με διακριτά σύμβολα Η διαδικασία της κωδικοποίησης μετασχηματίζει ψηφιακό σήμα σε νέα ακολουθία συμβόλων, ενώ η

αποκωδικοποίηση

(

decoding

) μετατρέπει κωδικοποιημένη ακολουθία στο πραγματικό αρχικό μήνυμα Η κωδικοποίηση προσφέρει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: • Απαιτείται λιγότερη πολυπλοκότητα εξαρτημάτων για το χειρισμό ενός δυαδικού σήματος • Ο θόρυβος έχει μικρότερη επίδραση σε δυαδικό σήμα παρά σε σήμα αποτελούμενο από Μ διαφορετικές κυματομορφές. Έτσι έχουμε λιγότερα σφάλματα

Υπάρχουν διάφορες μορφές κωδικοποίησης, μερικές από τις οποίες δίνονται αμέσως παρακάτω και περιγράφονται στο σχήμα •

Μονοπολική επιστροφής στο μηδέν

(

unipolar RZ

περιόδου) και το 0 με ανυπαρξία παλμού ), όπου το 1 αναπαριστάνεται με τετραγωνικό παλμό μισού εύρους (τάση στο μισό της •

Μη επιστροφής στο μηδέν

παλμού (

NRZ

), όπου το 1 αναπαριστάνεται με τετραγωνικό παλμό, που καλύπτει όλη την περίοδο, και το 0 με ανυπαρξία

•

Διπολική επιστροφής στο μηδέν

( ως προς την αναισθησία στο θόρυβο

bipolar RZ

), όπου το 1 μεταφέρεται με κάποιον παλμό p(t) και το 0 με –p(t). Είναι καλύτερη από τη μονοπολική RZ •

Εναλλακτικής πολικότητας επιστροφής στο μηδέν

(

AMI RZ: alternate mark inversion

), όπου το 1 μεταφέρεται ως παλμός p(t) ή –p(t), ανάλογα με το αν ο προηγούμενος παλμός ήταν –p(t) ή p(t) και το 0 αναπαρίσταται με ανυπαρξία παλμού •

Manchester

(

split-phase

), όπου το 1 μεταφέρεται με τετραγωνικό παλμό p(t) και το 0 με τον αντίθετο παλμό –p(t). Η τάση p(t) για το πρώτο μισό της περιόδου είναι θετική (+1) και για το υπόλοιπο μισό αρνητική (-1)

Για την

επιλογή κατάλληλης κωδικοποίησης

λαμβάνονται υπ' όψιν πολλές παράμετροι: • Η πρώτη παράμετρος είναι ο

χρονισμός

, ο οποίος αναφέρεται στην επιλογή κατάλληλου ρολογιού για το συγχρονισμό πομπού - δέκτη. Μερικές τεχνικές (Manchester) συνδυάζουν την πληροφορία με το σήμα χρονισμού σε ένα σήμα • Δεύτερη παράμετρος είναι ο

θόρυβος

, την εξουδετέρωση της επίδραση του οποίου μπορούμε να επιτύχουμε με κατάλληλη κωδικοποίηση, ώστε να επιτευχθεί μέγιστη αναισθησία του συστήματος στο θόρυβο του καναλιού • Τρίτη παράμετρος είναι η

δυνατότητα ανεύρεσης και διόρθωσης λαθών

• Τέταρτη παράμετρος είναι η

φασματική πυκνότητα ισχύος

χρησιμοποιούμενου μέσου ή του εύρους ζώνης του καναλιού , με την έννοια της προσαρμογής του φάσματος των σημάτων προς τη συχνοτική απόκριση του • Άλλη παράμετρος είναι

η διαφάνεια του καναλιού ως προς τα δεδομένα

, ώστε τα δεδομένα να μεταφέρονται ορθά ανεξάρτητα αό τον τύπο των bits

• Η

φασματική πυκνότητα

ισχύος ενός κωδικοποιημένου σήματος είναι:

Sy(ω) =



P(ω)



2 S x (ω)

όπου Ρ(ω) ο μετασχηματισμός Fourier της

παλμοσυνάρτησης

p(t), S x (ω) η φασματική πυκνότητα ισχύος μίας σειράς συναρτήσεων Dirac • Αν η

σηματοδοσία είναι on-off

(

on-off signaling

– επιστροφή στο μηδέν –

return to zero – RZ

), η φασματική πυκνότητα ισχύος του σήματος αυτού θα είναι:

(  )    16 sin

2    4     1  2 

T o n

         2 

n T o

     • Στην

πολική σηματοδοσία

(

polar signaling

) το 1 μεταφέρεται με παλμό p(t) και το 0 με παλμό –p(t). Η φασματική πυκνότητα ισχύος θα είναι:

(  )    4 sin

2    4  • Η

σηματοδοσία duobinary

είναι όμοια με τη διπολική και η φασματική πυκνότητα ισχύος θα είναι:

Sy (



)

  

4 sin c 2

 

 

cos 2

 

  • Στη

σηματοδοσία Manchester

(

split-phase

) η φασματική πυκνότητα ισχύος της σηματοδοσίας είναι:

Sy (



)



T o sin c 2

 

 

sin 2

 

 

Παρεμβολή

Ένας τετραγωνικός παλμός, εάν αναλυθεί κατά Fourier, περιέχει άπειρο πλήθος αρμονικών. Από αυτές, οι υψηλότερης τάξης απορρίπτονται από ένα κανάλι με περιορισμένο εύρος ζώνης, οπότε ο τετραγωνικός παλμός παραμορφώνεται Το πρόβλημα με τον όρο

αλληλοπαρεμβολή συμβόλων

(

intersymbol interference – ISI

) αντιμετωπίζεται με δύο

κριτήρια του Nyquist για μηδενική παρεμβολή

• Το

πρώτο κριτήριο του Nyquist

καθορίζει ότι ένας παλμός p(t) πρέπει να έχει πλάτος διαφορετικό από το μηδέν στην πηγή του (p(0) ≠ 0) και πρέπει να μηδενίζεται τις χρονικές στιγμές t = ±nTo (p(±nTo) = 0) (Το η χρονική απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών παλμών)

p ( t )



f o cos( 1





f f o o 2 t t 2 ) sin c ( f o t )

• Το

δεύτερο κριτήριο του Nyquist

καθορίζει ότι για παλμούς περιορισμένους φασματικά στη ζώνη μέχρι f o /2, ο

μόνος παλμός

που ικανοποιεί τις απαιτήσεις αυτές είναι ο παλμός:

p ( t )





( f o 1 cos(



4 f



f o 2 t o 2 t ) )

Scrambling

Όταν, κατά τη μεταφορά δεδομένων, έχουμε μεγάλες ακολουθίες από 1 ή 0, είναι δύσκολη η αποκάλυψη συχνότητας συγχρονισμού Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται η βαθμίδων ενός

scrambler τεχνική scrambling

εικονίζεται στο σχήμα για την αποφυγή εμφάνισης ανισοκατανομής των 1 και 0 στο σήμα πληροφορίας. Το διάγραμμα

x(n) ψ(n) + +

y ( n )



x ( n )



y ( n



3 )



y ( n



5 )

ψ(n-3) + Ζ -1 Ζ -1 Ζ -1 + ψ(n-5) Ζ -1 Ζ -1 Ν Μ

Οι πράξεις εδώ λογίζονται

Modulo 2

(είναι μία έκφραση της λογικής πράξης exclusive-or). Όταν στον πομπό εφαρμοσθεί η τεχνική αυτή, στο δέκτη εκτελείται η

αντίστροφη διαδικασία

(

descrambling

). Η έξοδος του Scrambler μπορεί να περιγραφεί από την εξίσωση:

Y ( z )



[ 1



F ( z )



F 2 ( z )



F 3 ( z )



...] X ( z )

Επικοινωνίες Βασικής Ζώνης

Όταν το σήμα εκπέμπεται

χωρίς διαμόρφωση

σε ένα κανάλι, η επικοινωνία χαρακτηρίζεται ως

βασικής ζώνης

(

baseband

) π.χ.

Ethernet

Οι επικοινωνίες βασικής ζώνης διακρίνονται σε αναλογικές και ψηφιακές, ανάλογα με το είδος του σήματος που εκπέμπεται Όταν το σήμα διαβιβάζεται μέσα από μέσο εκπομπής μήκους L, προστίθεται σε αυτό θόρυβος. Στο δέκτη ενισχύεται σε ενισχυτή με απολαβή Α και περιορίζεται από φίλτρο σε ζώνη Β. Η ισχύς του θορύβου στο δέκτη είναι:

N o



Ο λόγος σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του συστήματος προκύπτει ότι είναι:

S o N o



S r NB



S i LNB

όπου το Ν η φασματική πυκνότητα θορύβου Καθώς το μήκος του καναλιού αυξάνεται, μειώνεται ο λόγος του σήματος προς θόρυβο. Για το λόγο αυτο χρησιμοποιούνται

επαναλήπτες

(

repeaters

). Αυτοί μπορεί να είναι

ενισχυτές

αναγεννητές

(

regenerative devices

)

Επικοινωνίες Ευρείας Ζώνης

Όταν το σήμα εκπέμπεται

με διαμόρφωση

η επικοινωνία χαρακτηρίζεται ως

ευρείας ζώνης

(

broadband

) και όταν διατίθεται μόνο

ένα κανάλι

, η επικοινωνία χαρακτηρίζεται ως

carrier-band

• Με τη

διαμόρφωση

δίνεται η δυνατότητα ακτινοβολίας, μειώνει τις επιδράσεις του θορύβου και των παρεμβολών, πολυπλεξίας και γίνεται καλύτερη αξιοποίηση των συσκευών μετάδοσης • Όταν ως μέσο εκπομπής χρησιμοποιείται ο αέρας, η ισχύς του σήματος ακτινοβολείται με τη βοήθεια

κεραιών

(

antennas

). Το μέγεθος των κεραιών είναι στην τάξη του λ/10, όπου λ το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου σήματος

Για την καλύτερη εκμετάλλευση του μέσου εκπομπής, σε αυτό διοχετεύονται πολλά σήματα με τη μέθοδο της πολυπλεξίας, ανάλογα με το χαρακτηριστικό μέγεθος κατανομής του μέσου • Όταν το κάθε σήμα έχει στη διάθεσή του όλο το μέσο για καθορισμένο χρονικό διάστημα, αναφερόμαστε σε

χρονική πολυπλεξία

(

time division multiplexing – TDM

). Ο χρόνος διαιρείται σε

χρονικά παράθυρα

(

time slots

) Όταν τα χρονικά παράθυρα για κάθε σήμα είναι προκαθορισμένα, η πολυπλεξία ονομάζεται

σύγχρονη

. Όταν η κατανομή γίνεται ανάλογα με τις απαιτήσεις, η πολυπλεξία ονομάζεται

ασύγχρονη

Όταν διαβιβάζονται σήματα σε διαφορετικούς ρυθμούς, στα σήματα με μεγαλύτερους ρυθμούς διατίθενται περισσότερα χρονικά παράθυρα, μέσα σε ένα

πολυπλεκτικό κύκλο

(επάνοδο στα αρχικά σήματα εκπομπής) Στο δέκτη γίνεται η αποκάλυψη του

πλαισίου

(

frame

) αλλά και κάθε bit. Απαιτείται συγχρονισμός, ο οποίος καθίσταται δυνατός με την πρόσθεση

bits συγχρονισμού

(

frame bit synchronization

) και

bit ελέγχου

(

control

)

• Όταν το εύρος ζώνης του μέσου διανέμεται σε ζώνες, ώστε κάθε σήμα να εκπέμπεται σε καθορισμένη ζώνη, αναφερόμαστε σε

συχνοτική πολυπλεξία

(

Frequency Division Multiplexing – FDM

) Κάθε σήμα διαμορφώνεται με διαφορετική

συχνότητα φέροντος

(

carrier

), ώστε να αποφεύγονται οι επικαλύψεις των ζωνών συχνοτήτων των σημάτων Κάθε σήμα μπορεί να υποστεί και διαφορετική διαμόρφωση (π.χ. πλάτους, συχνότητας, κλπ.) Το διαμορφωμένο σήμα διαχωρίζεται σε αποφεύγονται οι παρεμβολές και να διευκολύνεται ο διαχωρισμός τους στο δέκτη

μικρές ζώνες

(

guard band

), ώστε να Το φάσμα φθάνει στο δέκτη ως ένα σήμα, με εύρος ζώνης μεγαλύτερο από το άθροισμα των ζωνών συχνοτήτων των επιμέρους σημάτων

Για την εξουδετέρωση της εξασθένησης που προκαλεί το μέσο εκπομπής χρησιμοποιούνται ενισχυτές. Στην πράξη όμως η ενίσχυση μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα Οι ενισχυτές προσθέτουν θόρυβο στο σήμα που ενισχύουν η

εικόνα θορύβου

(

noise figure

) του ενισχυτή, θα είναι:



SNR SNR o i



S i G p S i N i N o



N o G p N i

G p η ενίσχυση ισχύος του ενισχυτή, S i σήματος εισόδου, S o η ισχύς του η ισχύς του σήματος εξόδου, και Ν ο ο θόρυβος εξόδου Όταν τα σήματα έχουν στάθμη μεγαλύτερη από την επιθυμητή, χρησιμοποιούνται

εξασθενητές

(

attenuators

), οι οποίοι χαρακτηρίζονται από τον

παράγοντα εξασθένησης

(

attenuator factor

)

Για τη διόδευση του σήματος από μία γραμμή σε άλλη ή σε άλλες χρησιμεύουν: • Σ

υζεύκτες

(

couplers

) Διαιρούν την ισχύ του σήματος χωρίς να την διαχωρίζουν σε ίσα τμήματα Χρησιμεύουν στη σύνδεση τερματικών μέσω

μικρών καλωδίων

(

drop cables

) με τα καλώδια που μεταφέρουν την πληροφορία (

trunk cables

) •

Διαχωριστές – διαιρέτες (splitters)

Διαιρούν την ισχύ του σήματος σε ίσα μεγέθη, προκειμένου να τροφοδοτήσουν πολλές γραμμές • Οι απώλειες ως προς το σήμα που τροφοδοτεί το τερματικό αναφέρονται ως

tap loss

. Συνδυασμοί συζευκτών και διαχωριστών – διαιρετών ονομάζονται

taps ή multitaps

, τα οποία χρησιμεύουν στη διανομή του σήματος στα διάφορα τερματικά Τα συστήματα με αμφίπλευρη επικοινωνία για την ενίσχυση, μετατροπή συχνότητας ή αναγέννηση των σημάτων και προς τις δύο κατευθύνσεις ονομάζονται

head end

Διαμόρφωση

Στα τοπικά δίκτυα εφαρμόζεται

ψηφιακή διαμόρφωση

, η οποία διακρίνεται σε: •

Διαμόρφωση κατά παλμούς

(

pulse wave modulation

) Η πληροφορία κωδικοποιείται σε μία σειρά παλμών με

μεταβολή του πλάτους των παλμών

(

Pulse Amplitude Modulation – PAM

)

Εύρους των παλμών

(

Pulse Width Modulation – PWM

)

Θέσης των παλμών

(

Pulse Position Modulation – PPM

) Όταν ο παλμός ΡΑΜ κωδικοποιηθεί επιπλέον στο δυαδικό σύστημα, προκύπτει η

παλμοκωδική διαμόρφωση

(

Pulse Code Modulation – PCM

) •

Διαμόρφωση συνεχούς κύματος

(

continuous wave modulation

) Ανάλογα με το χαρακτηριστικό μέγεθος του φέροντος που μεταβάλλεται, διακρίνουμε

διαμόρφωση πλάτους

(

Amplitude Shift Keying – ASK

)

Διαμόρφωση συχνότητας

(

FSK

)

Διαμόρφωση φάσης

(

Phase Shift Keying – PSK

)

Bασικά χαρακτηριστικά ποιότητας μίας τεχνικής διαμόρφωσης: • Η

μικρή πιθανότητα σφάλματος

(

bit error probability

) • H

απόδοση εύρους ζώνης

(

bandwidth efficiency – BWE

), που ορίζεται ως ο λόγος ρυθμού δεδομένων R προς το εύρος ζώνης W σε Hz

•

PSK

Η χρονική περιγραφή ενός σήματος

PSK

δίδεται από τη σχέση:

u ( t )

  

I n g ( t



nT n



(όπου I n = e jθn και θn = 2π (n-1)/M, n=1, 2, 3, … και Μ ο αριθμός των φάσεων. Το σήμα g(t) είναι ένας παλμός, όπως οι τετραγωνικοί ή raised cosine pulses, και Τ = 1/R, όπου R ο ρυθμός δεδομένων) H πιθανότητα σφάλματος δίνεται από την εξίσωση:

P e



1 2 erfc



( 1



m 2 ) / z



)

• Η αναπαράσταση του

FSK

στο επίπεδο του χρόνου γίνεται από την εξίσωση:

u ( t )

  



0 e j

 



nt g ( t



nT )

Η περίπτωση της βαθμιαίας αλλαγής συχνότητας αναφέρεται ως

FSK συνεχούς φάσης

(

phase continuous

). Στην περίπτωση που οι διαφορετικές συχνότητες είναι πολλαπλάσια του 1 / Τ, αναφέρεται ως

FSK συναφούς φάσης

(

phase coherent

) H πιθανότητα σφάλματος δίνεται από την εξίσωση:

P e



1 erfc 2 z 2

• Στην περίπτωση

ASK

, το σήμα αναπαρίσταται χρονικά με την εξίσωση:

u ( t )



  

0 I n g ( t



nT )

Αν παρακολουθήσουμε τα γραφήματα των τριών εύρος ζώνης W για

ASK

φασματικών κατανομών, μπορούμε να δούμε ότι το και

PSK

είναι περίπου:

w = ( 1 + r )R

(όπου R ο ρυθμός δεδομένων και r συντελεστής, με 0 ≤ r ≤ 1) H πιθανότητα σφάλματος για

ASK

είναι:

P e



1 2 erfc ( z / 2 )

όπου



S r BWE NR

S r η ισχύς στην είσοδο του δέκτη, R ο ρυθμός εκπομπής σε bit / sec, BWE η φασματική απόδοση και Ν / 2 η φασματική πυκνότητα ισχύος του θορύβου Η συνάρτηση erfc(x) ορίζεται με την εξίσωση:

erfc ( x )



  

x e



t 2 dt

• Η

πιθανότητα σφάλματος

P e ορίζεται ως πιθανότητα λήψης 0, όταν έχει εκπεμφθεί 1 ή αντίθετα λήψης 1, όταν έχει εκπεμφθεί 0. Η πιθανότητα αυτή εξαρτάται από το θόρυβο και τη δομή του δέκτη.

Υποθέτουμε ότι ο θόρυβος είναι

προσθετικός λευκός θόρυβος

(

additive white Gaussian noise – AWGN

) και ότι ο δέκτης ελαχιστοποιεί την πιθανότητα του σφάλματος, έχοντας τη δυνατότητα κατοπτρισμού:

h ( t )



s 1 ( T



t )



s o ( T



t )

(όπου h(t) η συνάρτηση μεταφοράς, s 1 (t), s 0 (t) κωδικοποιημένοι παλμοί που αντιστοιχούν στο 1 και στο 0, και Τ το χρονικό διάστημα μεταξύ των bits) Όταν το ρολόι του δέκτη είναι συγχρονισμένο με αυτό του πομπού, αναφερόμαστε σε

συναφή αποδιαμόρφωση

(

coherent demodulation

), η οποία και επιφέρει τα καλύτερα αποτελέσματα Η καλύτερη εκλογή είναι ένα σταθερότητα

PLL

, ιδίως αν διαθέτει και εσωτερικό συγκριτή. Στις υψηλότερες συχνότητες πρέπει να δίνεται προσοχή στο loop filter και στη

Στη διαμόρφωση τόνου το AC σήμα διακόπτεται (on / off) και η αποδιαμόρφωση γίνεται με αποδιαμορφωτή τόνου, όπως στο σχήμα. Το ολοκληρωμένο 567 διαθέτει δύο

ανιχνευτές φάσης

(

phase detector – PD

), ένα σε φάση και ένα με διαφορά φάσης 90 ο Nέες τεχνικές με μικρό όγκο εφαρμογών: • H

διαμόρφωση Δέλτα

(

Delta modulation – DM

) είναι υβριδική (αναλογική – ψηφιακή) μέθοδος, με την οποία εκπέμπουμε μεταβολές του σήματος εισόδου • H

διαμόρφωση διάχυτου φάσματος

(

Spread Spectrum – SS

) στηρίζονται στη μεταφορά δεδομένων υπό χαμηλό SNR, μέσα από κανάλι ευρείας ζώνης. Οι τεχνικές αυτές παρουσιάζουν προτερήματα όπως

ασφάλεια των δεδομένων

(

data security

), την

πολλαπλή προσιτότητα

(

multiple access capability

), την μη

ευαισθησία στο θόρυβο

και στις ηθελημένες παρεμβολές (

jamming

)

Εκπομπή Δεδομένων

Για την εκπομπή δεδομένων χρησιμοποιούνται δίκτυα δεδομένων, τα οποία διακρίνονται σε: •

Βroadcast

Έχουμε

άμεση επικοινωνία

(

direct communication scheme

χωρίς να διέρχονται από κάποιον ενδιάμεσο σταθμό.

), πολλοί σταθμοί χρησιμοποιούν ένα κοινό κανάλι, μέσα από το οποίο εκπέμπονται τα μηνύματα, Καθιερώνεται τρόπος εισόδου στο μέσο εκπομπής (

media access control – MAC

), ώστε να μην παρενοχλεί ο ένας σταθμός τον άλλο •

Relaying Networks

Σχηματίζεται δακτύλιος, όπου κάθε σταθμός επικοινωνεί με τους άμεσα γειτονικούς του και μέσω αυτών με τους υπόλοιπους σταθμούς. Τυπικό παράδειγμα τέτοιου δικτύου είναι το ΙΒΜ token ring

•

Switching networks

Η επικοινωνία μεταξύ δύο σταθμών εξασφαλίζεται με τη λειτουργία ενδιάμεσων σταθμών, οι οποίοι

μετάγουν

(

switch

) το μήνυμα προς τον προορισμό του.

Όταν το δίκτυο αποκαθιστά έναν φυσικό δρόμο επικοινωνίας, πριν αρχίσει το μήνυμα να εκπέμπεται, αναφερόμαστε σε

μεταγωγή κυκλώματος

(

circuit switching

), ενώ όταν μηνύματα ή πακέτα, που δρομολογούνται προς τον προορισμό τους, αποθηκεύονται προσωρινά και εκπέμπονται υπό τον έλεγχο του δικτύου, αναφερόμαστε σε

μεταγωγή μηνύματος

(

message switching

store-and-forward switching

)

• Το πιο συνηθισμένο μέσο για τη μεταφορά δεδομένων είναι το

τηλεφωνικό δίκτυο

, το οποίο είναι ένα καλά οργανωμένο δίκτυο με ιεραρχική δομή Για τη μεταφορά δεδομένων μέσα από το τηλεφωνικό δίκτυο απαιτούνται ειδικές συσκευές (

modems

). Σήμερα αναπτύσσονται σταδιακά ειδικά δίκτυα δεδομένων (π.χ.

ISDN

DSL

κ.ά.) Η μετάδοση απαιτεί κάποιο χρόνο, λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας μετάδοσης. Αν η ταχύτητα αυτή στο μέσο εκπομπής είναι υ και το καλυπτόμενο μήκος μετάδοσης είναι Ρ, η

καθυστέρηση διάδοσης

(

propagation delay

) θα είναι:

T p



P u

Όταν μεταδίδεται ένα μήνυμα με ρυθμό R και μήκος Χ (σε bits), η

καθυστέρηση εκπομπής μηνύματος

(

message transmission delay

) είναι:

T m



X R

και η

συνολική καθυστέρηση του μηνύματος

(

message delay

D m



T p



T s

• Συγχρονισμός πομπού – δέκτη: Όταν η μεταφορά δεδομένων συνοδεύεται από την ύπαρξη ρολογιού συγχρονισμού, αναφερόμαστε σε

σύγχρονη μεταφορά

και μπορεί το σήμα συγχρονισμού να μεταφέρεται ξεχωριστά Όταν ο συγχρονισμός γίνεται με τη βοήθεια start-stop bits, αναφερόμαστε σε

ασύγχρονη μεταφορά

• Κατά τη διαμόρφωση της πληροφορίας σε bit, στην αρχή και στο τέλος των οποίων τίθενται bytes SYN, εκτός της καθ’ αυτό πληροφορίας (

user data

διάκριτα πλαίσια

(

frames

) από ) τίθενται και άλλα bytes, που αναφέρονται στη

διεύθυνση

(

address

) τόσο του πομπού όσο και του δέκτη, bytes ελέγχου και bytes για την ανεύρεση και διόρθωση λαθών • Όταν ο αριθμός των μεταφερόμενων δεδομένων δεν είναι μεγάλος, χρησιμοποιούμε τηλεφωνικό κανάλι, το οποίο μας διατίθεται μετά από κλήση (

switched line

). Όταν ο όγκος των δεδομένων είναι μεγάλος και υπάρχει ανάγκη για συνεχή και άμεση επικοινωνία χρησιμοποιούνται

μισθωμένες γραμμές

(

leased lines

)

• Επικοινωνία μεταξύ δύο ψηφιακών τερματικών συσκευών Η μεταφορά δεδομένων μπορεί να γίνει μόνο προς μία κατεύθυνση (

simplex

transmission

) ή και προς τις δύο κατευθύνσεις (

duplex transmission

). Στη δεύτερη περίπτωση, όταν οι δύο σταθμοί που είναι σε επικοινωνία μπορούν να εκπέμπουν μόνο εναλλακτικά (κάθε χρονική στιγμή εκπέμπει μόνο ένας), τότε αναφερόμαστε σε

half-duplex

επικοινωνία. Όταν και οι δύο μπορούν ταυτόχρονα να εκπέμπουν, αναφερόμαστε σε

full duplex

επικοινωνία και απαιτείται

τετρασύρματη σύνδεση

(

four-wire circuit

) Τα χαρακτηριστικά της τηλεφωνικής γραμμής καθιερώθηκαν από την εταιρεία Bell πριν αρκετές δεκαετίες και οι νεότερες οδηγίες είναι συμβατές με τις παλαιότερες

Modems

Σε πολλές χώρες, οι γραμμές που χρησιμοποιούνται για μετάδοση δεδομένων είναι τηλεφωνικές γραμμές, τα χαρακτηριστικά των οποίων έχουν σχεδιαστεί για να μεταφέρει ανθρώπινη φωνή (στη ζώνη 300 Hz – 3.400 Hz) Η συσκευή που προσαρμόζει το μήνυμα (data – παλμοσειρές με Dual 1) στο τηλεφωνικό δίκτυο ονομάζεται

modem

(MODulator – DEModulator)

Terminal

Digital signal

MODEM 1

Modulated carrier

MODEM 2

Digital signal

Computer

Τα

modems

χρησιμεύουν για επικοινωνία μέσω του δημόσιου τηλεφωνικού δικτύου, ενώ η πραγματική ταχύτητα που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εξαρτάται από την ποιότητα του δικτύου που χρησιμοποιούμε

Πετυχαίνουμε υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης (στέλνοντας πιο πολλα bit ανά κύκλο). Αυτό οφείλεται στους τρόπους διαμόρφωσης. Αυτοί είναι βασικά τρεις: •

Διαμόρφωση Πλάτους (ΑΜ)

Αντιστοιχεί σε λογική κατάσταση 1 μεγάλο πλάτος φέροντος και σε κατάσταση 0 μικρό πλάτος φέροντος. Η εξασθένηση όμως της γραμμής ποικίλλει και ένα τέτοιο σύστημα δεν είναι αξιόπιστο. Δεν συνηθίζεται στα

modems

•

Διαμόρφωση Συχνότητας (FM)

Αντιστοιχεί π.χ. στο 1 μία χαμηλή συχνότητα και στο 0 μία υψηλότερη. Ένα τέτοιο σύστημα είναι αξιοποιήσιμο, αλλά για χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Πράγματι, η

FSK

διαμόρφωση χρησιμοποιείται στα

modems

μέχρι τα 1.200 bps •

Διαμόρφωση Φάσης (ΡΜ)

Δεν αλλάζει η συχνότητα του φέροντος, αλλά κάθε φορά που φθάνει π.χ. ένα bit 1, η φάση μετατίθεται κατά ορισμένη γωνία (π.χ. 180 2.400 bps και 4.800 bps ο ), ενώ όταν φθάνει 0, η φάση παραμένει όπως είναι. Η τεχνική αυτή χρησιμεύει σε ρυθμούς μετάδοσης

Για να πετύχουμε υψηλότερο τεχνική: Τα εισερχόμενα bits ζευγαρώνονται (δυνατά ζεύγη: 00, 01, 11, 10) και απαρτίζουν τα

dibits

. Για κάθε dibit το modem δημιουργεί μία συγκεκριμένη μετάθεση φάσης στο φέρον (0

bit rate

ο , +90 ο στα σύγχρονα , +180 ο , +270 ο

modem

εφαρμόζεται η εξής αντίστοιχα) Για ακόμη μεγαλύτερους ρυθμούς χρησιμοποιούνται τριάδες bits, tribits, με οκτώ μεταθέσεις φάσης του φέροντος, τετράδες bits με οκτώ μεταθέσεις φάσης (PSK) και τέσσερα διαφορετικά πλάτη εκπομπής ενώ για ρυθμούς 14.400 bps και 16.800 bps χρησιμοποιείται η

διαμόρφωση Trellis

(

Trellis coded modulation

), που χρησιμοποιεί τεχνικές συμπίεσης πληροφορίας Για να αποφευχθούν προβλήματα

ασυμβατότητας

, η

CCITT

με τη σύσταση

V.24

καθιέρωσε ένα πρότυπο διασύνδεσης (

interface

) για την επικοινωνία μεταξύ

DTE

και

Modem

σε ρυθμούς μέχρι 20.000 bps Για μεγαλύτερους ρυθμούς υπάρχει η σύσταση

V.35

μέχρι 48.000 bps καθώς και άλλες νεότερες και για στρατιωτικές εφαρμογές η

MIL-STD-188

που δεν είναι πλήρως συμβατή με τη

V.24

Το πρότυπο

RS-232

περιγράφει 25 κυκλώματα που συνεργάζονται ως ομάδα και καθορίζει αριθμό ακροδεκτών. Δεν περιγράφει plugs και sockets, αλλά χρησιμοποιούμε το γνωστό

DB25

Μπορούμε να φθάσουμε στα 20.000 bps με έως 15 μέτρα καλώδιο. Για μεγαλύτερες αποστάσεις ή για καλώδιο με μικρότερη χωρητικότητα μειώνεται και ο ανώτερος δυνατός ρυθμός μετάδοσης

Data Set Ready (DSR) Request To Send (RTS) DTE Ready For Sending (RFS) Clear To Send (CTS) Transmit Data Transmit Timing

Transmit Data

Receive Data MODEM Receive Timing Data Carrier Detect

Στη συνέχεια αναλύονται τα σήματα που εικονίζονται στο σχήμα: •

Data Set Ready

–

DSR

: σήμα ελέγχου από το

modem

στο

DTE

, που δείχνει ότι το modem είναι συνδεδεμένο και έτοιμο να ξεκινήσει

•

Request To Send

στείλει δεδομένα –

RTS

: Κλήση από το

DTE

στο

modem

να του επιτρέψει να •

Ready For Sending

modem ότι το

DTE

–

RFS

(ή

lear

end –

CTS

μπορεί να εκπέμψει δεδομένα ): Πληροφορία από το •

Transmitted Data

: Η σύνδεση

DTE

δεδομένα από το

DTE

στο

modem

–

modem

, στην οποία μεταφέρονται τα για διαμόρφωση – εκπομπή •

Transmit Timing

: Σήμα χρονισμού από το modem, ώστε το

DTE

σε καθορισμένο ρυθμό να εκπέμπει •

Receive Data

: Σύνδεση

modem

–

DTE

, μέσω της οποίας οδεύουν τα αποδιαμορφωμένα δεδομένα προς το

DTE

•

Receive Timing

: Σήμα από το

modem

αποκαλύπτεται στο modem από το φέρον στο

DTE

, ώστε να γνωρίζει το

DTE

πότε να λάβει δεδομένα και να μεταφράσει τα bits σωστά. Το σήμα αυτό

•

Data Carrier Detect

: Σήμα από το modem που πληροφορεί το

DTE

κλειδωμένο στο φέρον και έτοιμο να αποδιαμορφώσει ότι είναι Κατά την επικοινωνία, οι διαδικασίες γίνονται με

καθορισμένη σειρά

(δισύρματη επικοινωνία) και τα διάφορα σήματα βρίσκονται σε αλληλεξάρτηση. Σε περίπτωση που αποστέλλονται δεδομένα από μακριά, τα δεδομένα στέλνονται σε block και χαρακτηριστικοί είναι ορισμένοι χρόνοι: •

Propagation Delay

είναι ο χρόνος που απαιτείται, ώστε το σήμα από το ένα άκρο της γραμμής να φθάσει στο άλλο. Για επίγειες γραμμές κυμαίνεται στα 10 με 15 μsec, ενώ για δορυφορική σύνδεση στα 250 έως 300 msec / hop •

Modem Delay

είναι ο χρόνος που μεσολαβεί από την εμφάνιση του σήματος στο

V.24 / RS-232

interface μέχρι να εμφανισθεί το διαμορφωμένο σήμα στη γραμμή. Κυμαίνεται ανάμεσα στα 10 και 15 msec για κάθε ζευγάρι modem •

Reaction Time DTE

του

DTE

είναι ο χρόνος που απαιτείται για να αντιληφθεί το ότι λαμβάνει δεδομένα και να αντιδράσει

Στο σχήμα εικονίζεται ο τρόπος σύνδεσης του modem στην τηλεφωνική γραμμή δημόσιου δικτύου (ΤΧ είναι ο διαμορφωτής και RX ο αποδιαμορφωτής) Για την αύξηση της

ταχύτητας επικοινωνίας

(αύξηση

throughput efficiency

) χρησιμοποιούνται τετρασύρματες γραμμές, ώστε να υπάρχουν μόνιμα δύο κανάλια επικοινωνίας, ένα για εκπομπή και ένα για λήψη ταυτόχρονα

Για την καλύτερη αξιοποίηση των γραμμών θέτουμε στην ίδια γραμμή πολλά τερματικά μέσω

modem

Μία μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσουμε

multipoint

multidrop γραμμή

, όπου ο υπολογιστής κατέχει την

κεντρική θέση

(

central site

) και τα τερματικά τις

δευτερεύουσες θέσεις

(

remote sites

outstations

), ενώ το

modem

του υπολογιστή συνδέεται με όλα τα υπόλοιπα μέσω τετρασύρματης γραμμής Η δισύρματη γραμμή που συνδέει το διαμορφωτή του κεντρικού

modem

τους αποδιαμορφωτές των άλλων λέγεται

Broadcast

ή με

Οutbound Channel

και η άλλη δισύρματη που συνδέει τον αποδιαμορφωτή του κεντρικού με τους διαμορφωτές των άλλων,

Inbound Channel

Τα περιφερειακά

modem

έχουν το καθένα δική του διεύθυνση, με τη χρήση της οποίας επικοινωνεί με το κεντρικό (

τεχνική polling – selecting

) Πολλά τερματικά σε ένα μόνο modem μέσω ενός

Digital Splitter

(

MSU – Modem Sharing Unit

), όπου τα τερματικά έχουν διαφορετικές διευθύνσεις και ο υπολογιστής συνδέεται προς αυτά με τη βοήθεια επικοινωνιακού πρωτοκόλλου

RS – 449 / 422 / 423

Το πρότυπο

CCITT V.24 / RS-232C

μήκος των καλωδίων. Νεότερα πρότυπα επιτρέπουν υψηλότερες ταχύτητες και μεγαλύτερο μήκος καλωδίων έχει περιορισμούς στην ταχύτητα και στο • Το πρότυπο

RS-423

Προσδιορίζει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά για σήματα που χρησιμοποιούν μία γραμμή και κοινή γη (

unbalanced

) και είναι συμβατό με το

RS-232C

. Για απόσταση 1.000 m ο συνιστώμενος ρυθμός είναι 1.000 bps, για 100 m 10 kbps • Το πρότυπο

RS-422

Όμοιο με το

RS-423

αλλά ασύμβατο. Διαφέρει στο ότι κάθε σήμα T x , R x χρησιμοποιεί

δισύρματη γραμμή

(

balanced

), όπου τα σύρματα είναι συνεστραμμένα, ώστε να δέχονται την ίδια επίδραση του θορύβου, ενώ στο τέρμα της γραμμής γίνεται αναγνώριση της διαφοράς τους

• Το πρότυπο

RS-449

Καθορίζει τη μορφή των σημάτων, τον τύπο των βυσμάτων (

plug

), τις συνδεσμολογίες των ακροδεκτών (

pins

), κ.ά για τα πρότυπα

RS-423

RS-422

Ο αριθμός των σημάτων είναι 30 και χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στην πρώτη κατηγορία υπάγονται 10 από αυτά και είναι τα κυριότερα σήματα δεδομένων και χρονισμού (Send Data, Receive Data, κ.ά.) και για ρυθμούς κάτω από 20 kbps μπορούν να χρησιμοποιηθούν τα πρότυπα

RS-422

και

RS-423

, ενώ για ρυθμούς πάνω από 20 Kbps μόνο το

RS-422

Στην δέυτερη κατηγορία υπάγονται τα υπόλοιπα 20 σήματα που αφορούν την ποιότητα των σημάτων, την επιλογή ρυθμών, κ.ά. και υπάγονται στο πρότυπο

RS-423

. Τα

συνδετικά στοιχεία

(

connectors

) έχουν 37 ακροδέκτες για το

κύριο

(

primary

)

κανάλι

και 9 ακροδέκτες για το δευτερεύον και μοιάζουν με αυτούς του

RS-232C

Διατάξεις Μετάδοσης Δεδομένων

• Μερικά από τα

modem

έχουν

ενσωματωμένους πολυπλέκτες

(

Time Division Multiplexers – TDM

), με αποτέλεσμα να μπορούν να διαχωρίσουν το

συρμό δεδομένων

(

data stream

) με μικρότερους ρυθμούς (

multistream modems

) • Άλλα σημερινά

modem

περιέχουν μικροεπεξεργαστή για τον έλεγχο διάφορων λειτουργιών (

intelligent modems

). Ένα τέτοιο

modem

μπορεί να τεθεί σε κεντρική θέση και να ελέγχει ένα δίκτυο με

modems

σε περιφερειακές θέσεις • Τα τελευταία χρόνια κατασκευάζονται ψηφιακά δίκτυα δεδομένων, που δεν απαιτούν την παρουσία

modem

, αλλά ειδικές τερματικές μονάδες για τη σύνδεση στο δίκτυο •

Ακουστικοί συζευκτές

τηλεφωνική γραμμή (

acoustic couplers

) για την προσαρμογή τερματικών σε τηλεπικοινωνιακές γραμμές, επιτρέπουν σε απλό τηλέφωνο να χρησιμοποιηθεί ως interface μεταξύ του τερματικού και της γραμμής, μετατρέποντας τα ψηφιακά δεδομένα σε ακουστικούς τόνους, που μπορούν να διαβιβασθούν στην

Στο πρώτο σχήμα εικονίζεται το διάγραμμα βαθμίδων ενός

modem

, όπου ο

duplexer

διαχωρίζει την εκπομπή από τη λήψη, φροντίζοντας να μειώνει την αλληλεπίδρασή τους (με τη χρήση

notch-filter

). Ο αποδιαμορφωτής τόνου μπορεί να είναι

PLL

ή ψηφιακός αποκωδικοποιητής Κατά την εκπομπή το

VCO

μετάγεται μεταξύ των δύο εκπεμπόμενων συχνοτήτων. Η μορφή του

duplexer

με τη χρήση τελεστικών ενισχυτών εικονίζεται στο σχήμα δεξιά

• Για τη μετατροπή των δεδομένων από σειριακή σε παράλληλη μορφή χρησιμεύουν πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα που ονομάζονται γενικά

UART

(

Universal Asynchronous Receiver and Transmitter

) Αυτά δεν εκπέμπουν το συρμό όπως τον παραλαμβάνουν, αλλά προσθέτουν πληροφορία για συγχρονισμό (Start και Stop bits), ώστε να μην χρειάζεται ξεχωριστό κανάλι για εκπομπή του σήματος συγχρονισμού (clock) Η μεταβιβαζόμενη λέξη έχει 10 bits, από τα οποία 8 για χρήσιμη πληροφορία. Το bit έναρξης είναι 0 και το bit πέρατος είναι 1. Μπορεί να χρησιμοποιηθούν και πρόσθετα bit, όπως τα

bit ισοτιμίας

(

parity

) • Για σύγχρονη μετάδοση χρησιμοποιούνται άλλα ολοκληρωμένα που έχουν και αυτή τη δυνατότητα και ονομάζονται

USART

(

Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter

), όπου τα δεδομένα εκπέμπονται συνεχώς σε καθορισμένες ομάδες

Για κοντινές αποστάσεις, ψηφιακές γραμμές

CMOS-TTL

για σειριακή μετάδοση δεδομένων μπορούν να συνδεθούν απευθείας, αλλά για μακρύτερες αποστάσεις (πάνω από 10 m), η εξασθένηση και ο θόρυβος δημιουργούν πρόβλημα. Τότε χρησιμοποιείται η συνδεσμολογία του σχήματος αριστερά Το

RS-422

interface του σχήματος δεξιά χρησιμεύει για ρυθμούς μεγαλύτερους και ο δέκτης του είναι ειδικός συγκριτής με μεγάλο λόγο απόρριψης κοινού τρόπου τροφοδοσίας (

CMRR

), ώστε να λειτουργεί και υπό υψηλό θόρυβο Το πλεονέκτημα εδώ σε σχέση με το προηγούμενο κύκλωμα είναι ότι χρειαζόμαστε μία μόνο τάση τροφοδοσίας

Για μικρές γραμμές μεταφοράς και χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων, χρησιμοποιούμε το κύκλωμα του σχήματος, όπου οι συνιστώσες του θορύβου υψηλής συχνότητας απορρίπτονται από το φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων στην είσοδο του δέκτη, του οποίου η σταθερή χρόνου τ = RC πρέπει να είναι αρκετά μικρότερη από την περίοδο των παλμών της παλμοσειράς δεδομένων. Ο δέκτης αποτελεί

Schmitt trigger

, όπου οι παλμοί αναγεννιούνται Σπουδαίο ρόλο παίζουν τα δίκτυο, που είναι δημόσιο

PBX

(

Private Branch Exchange

), δηλαδή τα τηλεφωνικά κέντρα που είναι ιδιωτικά και χρησιμεύουν στον έλεγχο των τηλεπικοινωνιών από ένα κτίριο ή μία περιοχή προς και από το συνδρομητικό

UART

Μεταξύ του μικροϋπολογιστή και των περιφερειακών σε κάποια απόσταση είναι συνήθης η ασύγχρονη σειριακή εκπομπή δεδομένων, σε χαμηλούς ή μέσους ρυθμούς. Για την κάλυψη αυτών των αναγκών οι κατασκευαστές παρέχουν

Universal Asynchronous Receiver – Transmitters

(

UART

) Πρόκειται για διατάξεις σε μορφή το αντίστροφο

LSI chip

, που πραγματοποιούν την ασύγχρονη μετατροπή από παράλληλη σε σειριακή μορφή των δεδομένων και Σε κάθε επικοινωνία με

UART

οι χαρακτήρες αποτελούνται από τρία ή τέσσερα τμήματα. Το πρώτο είναι το start bit, το δεύτερο τα πέντε έως οκτώ bits δεδομένων, το τρίτο είναι ψηφίο ισοτιμίας και, τέλος, ένα ή δύο stop bits Ο συγχρονισμός προκύπτει από την εναλλαγή stop-start bit και όταν η εναλλαγή δεν είναι σωστή, το

framing error status bit

τίθεται σε υψηλό δυναμικό

Ασύγχρονη επικοινωνία δεδομένων α) μικρή ταχύτητα β) μέγιστη ταχύτητα Ανίχνευση start bit στο δέκτη

UART

Ο ρυθμός εκπομπής σε baud είναι χρήσιμος για τον καθορισμό του εύρους ζώνης του καναλιού της επικοινωνίας. Ο ρυθμός καθορίζεται από το εξωτερικό ρολόι Αν επιθυμούμε σταθερό ρυθμό, μπορούμε να λάβουμε υποπολλαπλάσιο της συχνότητας ρολογιού του μικροϋπολογιστή Στη λήψη τα bits παραλαμβάνονται από shift register. Όταν γεμίσει τα διοχετεύει σε ένα data register, για να παραλάβει τον επόμενο χαρακτήρα. Το αντίστροφο συμβαίνει κατά την εκπομπή. Η λογική αυτή ονομάζεται

double buffering

Υπάρχει η δυνατότητα άμεσης μεταφοράς του χαρακτήρα στη CPU, χωρίς να μεσολαβεί data register. Αυτή η δυνατότητα υποστηρίζεται από τον Asynchronous Communications Interface Adapter της Motorola (ACIA-6850), που μπορεί να ελέγχει και modem, για εκπομπή δεδομένων μέσω τηλεφωνικής γραμμής

Ψηφιακά Τηλεμετρικά Συστήματα

Τα ψηφιακά τηλεμετρικά συστήματα μπορούν να διακριθούν σε: •

Συστήματα πραγματικού χρόνου

(

Real-Time / On-Line

) Τα φυσικά σήματα συλλέγονται με αισθητήρια και μετατρέπονται σε ψηφιακά δεδομένα στο

σταθμό μετρήσεων

(

field station

). Τα δεδομένα εκπέμπονται αμέσως προς το σταθμό επεξεργασίας

Αισθητήριο 1 Αναλογικός Πολυπλέκτης

Ρύθμιση Ενίσχυσης

Α/D Πομπός AMP Αισθητήριο ν Ψηφιακός Υπολογιστής Δέκτης

•

Συστήματα με ενδιάμεση αποθήκευση

(

Off-Line

) Είναι δυνατή η αποθήκευση των δεδομένων στο σταθμό μετρήσεων, για μικρό ή μεγάλο χρόνο, πριν τη διαβίβασή τους στον κεντρικό σταθμό επεξεργασίας. Οι συσκευές καταχώρησης φέρονται με το όνομα

Data Loggers

και αποτελούν συνήθως μονάδες επιτόπιας επεξεργασίας μετρήσεων με μικροελεγκτή Η μεταβίβαση των μετρήσεων γίνεται στον κεντρικό σταθμό με την πρωτοβουλία του κεντρικού υπολογιστή •

Αυτόνομο σύστημα μετρήσεων

Η κεντρική μονάδα των σταθμών μετρήσεων είναι κάποιου είδους υπολογιστής εξοπλισμένος με κατάλληλα στοιχεία εισόδου – εξόδου δεδομένων όπως κάρτες εισόδου / εξόδου αναλογικών ή / και ψηφιακών σημάτων από αναλογικά / ψηφιακά αισθητήρια και σταθμούς με υπολογιστές ειδικού σκοπού

•

Κατανεμημένα συστήματα μετρήσεων και ελέγχου

Στη κατηγορία εντάσσονται οι

Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές

(

Programmable Logic Controllers – PLC

), οι δυνατότητες των οποίων είναι πάρα πολλές και ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο του ελεγκτή. Η δομή των συστημάτων αυτών είναι όμοια με τη δομή των δικτύων ψηφιακών υπολογιστών

Αισθητήριο 1 Σύστημα Διευθέτησης Πομπoδέκτης PLC Αισθητήριο ν

12. Συστήματα Υπολογιστών

Συστήματα Μετρήσεων και Ελέγχου

Η δυνατότητα του χρήστη να συνδεθεί σε οποιοδήποτε δίκτυο, ανεξάρτητα από τα μηχανήματα που διαθέτει, με ασφαλή και αξιόπιστο τρόπο, εξασφαλίζεται από ένα σύνολο κανόνων, που απαρτίζουν ένα τηλεπικοινωνιακό πρωτόκολλο Σταθμός στην ιστορία των πρωτοκόλλων, υπήρξε η ανάπτυξη του

OSI/RM

(

Open Systems Interconnection seven-layer Reference Model

) Παλαιότερα χρησιμοποιούσαν, συνήθως, ένα μεγάλο υπολογιστή για τον έλεγχο των παραγωγικών διαδικασιών. Η σημερινή αντίληψη διαφέρει ουσιαστικά και τα συστήματα που σχεδιάζονται έχουν ιεραρχική δομή

Ένα τυπικό διάγραμμα ιεραρχικού συστήματος ελέγχου διεργασιών αποτελείται απο τέσσερα ιεραρχικά επίπεδα: •

Πρώτο επίπεδο

Οι υπολογιστές του πρώτου επιπέδου είναι μικροϋπολογιστές (MC), είναι προσαρμοσμένοι στην ελεγχόμενη διαδικασία (

dedicated ή special purpose microcomputers

) και βοηθούν στην επικοινωνία με τα υψηλότερα επίπεδα ιεραρχίας Συνδέονται μεταξύ τους με τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, ώστε να δημιουργηθεί ένα σύστημα υπολογιστών με

κατανεμημένη επεξεργασία

(

distributed computer system

) και αποτελούν δίκτυο υπολογιστών •

Δεύτερο επίπεδο

Κυριαρχούν οι minicomputers ή supermicros χρησιμεύουν σαν

ελεγκτές περιοχής

(

area controllers

), δηλαδή εποπτεύουν τη διαδικασία μέσω των micros του πρώτου επιπέδου

•

Τρίτο επίπεδο

Περιλαμβάνει τον κεντρικό υπολογιστή ( πληροφόρηση για

plant management

central plant computer

), όπου συλλέγονται δεδομένα από τους δορυφορικούς υπολογιστές, παράγεται . Ο κεντρικός υπολογιστής συνεπικουρείται από τον ειδικό υπολογιστή

CAD/CAM

του τρίτου επιπέδου στην εφαρμογή τεχνικών

CIM

(

Computer Integrated Manufacture

) •

Τέταρτο επίπεδο

Συνυπάρχουν ο corporate και ο ειδικός υπολογιστής για σχεδιασμό. Ο πρώτος ελέγχει την απόδοση του συστήματος και μπορεί να έχει πρόσβαση και από το τμήμα πωλήσεων, το λογιστήριο κ.ά. Η επικοινωνία μεταξύ corporate και plant computer μπορεί να γίνει μέσω τηλεφωνικών γραμμών, δορυφορικών ζεύξεων, οπτικών ινών κ.ά.

Το διάγραμμα αυτό ασφαλώς δεν είναι υποχρεωτικό και η οργάνωση του συστήματος εξαρτάται από το σχεδιαστή και την ελεγχόμενη διαδικασία

Η ιεραρχική δομή προσφέρει μεγάλη ευελιξία και παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με την κλασική αντίληψη όπως: • Η ανάπτυξη και εγκατάσταση του συστήματος μπορεί να γίνει

βαθμιαία

(όχι μια και έξω), με αποτέλεσμα το ρίσκο να είναι μικρό σε κάθε βήμα και το κόστος να διαμοιράζεται σε πολλές χρήσεις • Το σύστημα έχει

πλεονασμό

εκτός, υπάρχουν άλλοι να συμπληρώσουν το κενό, τουλάχιστον σε ότι αφορά τις κρίσιμες λειτουργίες (

redundancy

) και όταν ένας υπολογιστής τεθεί • Το κόστος της ανάπτυξης software (που σήμερα αποτελεί το μεγαλύτερο τμήμα των επενδύσεων) μπορεί να ελεγχθεί αποτελεσματικά, καθώς κάθε εφαρμογή μπορεί να αναπτυχθεί ξεχωριστά, χωρίς διακοπές στη συνήθη λειτουργία του συστήματος, ενώ μικραίνει και ο κίνδυνος ολικής βλάβης

Τοπικά Δίκτυα Υπολογιστών

Οι υπολογιστές επικοινωνούν μεταξύ τους σε μια βιομηχανία με την έννοια ενός

τοπικού δικτύου υπολογιστών

(

Local Area Network – LAN

). Οι πιο συνηθισμένες τοπολογίες είναι βασικά τρεις: •

Δίκτυο Αστέρα

(

star network

) Απαρτίζεται από τον

κεντρικό σταθμό ελέγχου

(

central control station

), προς τον οποίο συνδέονται όλες οι άλλες συσκευές, όπως οι

σταθμοί χρήστη

(

user stations

). Για να αποσταλεί ένα μήνυμα από ένα σταθμό σ’ έναν άλλο, το μήνυμα δρομολογείται μέσω του κεντρικού σταθμού ελέγχου, που παίζει ρόλο όμοιο μ’ αυτόν των συνδρομητικών τηλεφωνικών κέντρων •

Δίκτυο Δακτυλίου

(

ring network

) Κάθε σταθμός έχει δύο γειτονικούς, μέσω των οποίων επικοινωνεί με τους υπόλοιπους. Ο αποδέκτης καθορίζεται από τη διεύθυνσή του, που εμπεριέχεται στο μήνυμα. Έτσι, κάθε σταθμός κατά τη διαδρομή του μηνύματος ελέγχει τη διεύθυνση και, αν είναι η δική του, φορτώνει το μήνυμα

•

Δίκτυο Αρτηρίας

(

bus network

) Υπάρχει μια μόνο γραμμή μεταφοράς (η αρτηρία – bus), στην οποία συνδέεται κάθε σταθμός χρήστη, που διακρίνεται από τη διεύθυνσή του, με την οποία αναγνωρίζει και τα μηνύματα που του αποστέλλονται. (π.χ.

Ethernet)

Το δίκτυο αυτό είναι το πλέον κατάλληλο για βιομηχανικά περιβάλλοντα, γιατί η τηλεπικοινωνιακή γραμμή μπορεί να κείται εκτός του περιβάλλοντος της διεργασίας (περιφερειακά), προσφέροντας ευκολία στην εγκατάσταση και συντήρηση, ευελιξία στην αναδιάταξη των συσκευών, με σκοπό την αλλαγή της δομής της διεργασίας, προσθαφαίρεση σταθμών χωρίς διακοπή λειτουργίας κ.ά Το ευαίσθητο σημείο της τοπολογίας είναι η ύπαρξη ενός μόνο μέσου εκπομπής και ο τρόπος κατανομής του καναλιού στους διάφορους σταθμούς • Άλλες τοπολογίες είναι, δυνατές, όπως η

τοπολογία δέντρου

(

tree

), η

τοπολογία πλήρους και άμεσης σύνδεσης

όλων των σταθμών μεταξύ τους, η

τοπολογία μερικής σύνδεσης

και άλλες

μικτές τοπολογίες

Στο δίκτυο αστέρα, ο κεντρικός σταθμός ελέγχου καθορίζει τη ροή πληροφοριών από σταθμό σε σταθμό. Στους άλλους δύο τύπους δικτύου υπάρχουν δυο συνήθεις τρόποι διευθέτησης: •

Token Passing

Ένας

ειδικός κώδικας

(

token

) διαβιβάζεται μέσω του δικτύου με υψηλή ταχύτητα από σταθμό σε σταθμό, με καθορισμένη σειρά, όπου μπορεί να ληφθούν μέτρα για δυνατότητα ιεραρχίας ως προς την προτεραιότητα. Κάθε σταθμός μπορεί να επικοινωνήσει μόνο όταν κατέχει το ειδικό «σύμβολο» (token). Κατάλληλο για βιομηχανικά δίκτυα •

CSMA/CD

(

carrier – sensed multiple access with collision detection

) Κάθε σταθμός, που θέλει να εκπέμψει, ακροάται πρώτα το δίκτυο και, εάν είναι ελεύθερο, εκπέμπει αμέσως. Αν το δίκτυο είναι απασχολημένο, περιμένει μέχρι να ελευθερωθεί και ξαναπροσπαθεί.

Αν συμπέσει δύο σταθμοί να προσπαθούν να εκπέμψουν ταυτόχρονα στην ίδια γραμμή, το σύστημα δίνει ειδικό σήμα, που θέτει όλους τους σταθμούς εκτός για τυχαία χρονική διάρκεια (για κάθε σταθμό). Ονομάζεται και

connection – based method.

Κατάλληλο για δίκτυα γραφείων

Η τηλεπικοινωνιακή γραμμή πρέπει να έχει τα εξής χαρακτηριστηκά: • Μεγάλη

χωρητικότητα

(

high data transmission capacity

) Μεγάλο εύρος ζώνης διελεύσεως (

ευρείας ζώνης

(

broad band badwidth

) ή γίνεται σε ) σημαίνει μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Ένα άλλο χαρακτηριστικό είναι το αν η εκπομπή είναι

βασική ζώνη

(

base band

Εκπομπή ευρείας ζώνης σημαίνει ότι πολλά διαφορετικά μηνύματα μπορεί να εκπέμπονται ταυτόχρονα πάνω στη γραμμή, το καθένα σε διαφορετική συχνότητα (π.χ. φερέσυχνα) • Ανεπηρέαστη από ηλεκτρικούς θορύβους (που παράγονται στο περιβάλλον) • Να είναι φθηνή σ’ ό,τι αφορά την εγκατάσταση, τη συντήρηση και την αλλαγή

Ότι αφορά τη φυσική υπόσταση της γραμμής, υπάρχουν τρεις δυνατότητες: • Α

πλό – συνεστραμμένο - τηλεφωνικό ζεύγος

(

twisted – pair

) Αποτελείται από δύο (ή και περισσότερους, π.χ.4) αγωγούς από χαλκό, είναι φθηνό και γνωστό από την τηλεφωνία. Παρουσιάζει όμως σοβαρά μειονεκτήματα σε βιομηχανικό περιβάλλον, εξαιτίας του ότι υπόκειται στις επιδράσεις του θορύβου και παρουσιάζει μικρό εύρος ζώνης διελεύσεως.

1-2 Mbps σε απόσταση μικρότερη από δύο χιλιόμετρα και έως δέκα σταθμούς •

Ομοαξωνικό καλώδιο

Έχει μεγάλο εύρος ζώνης διελεύσεως και μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για εκπομπή ευρείας ζώνης, είτε για εκπομπή σε βασική ζώνη. Λόγω της θωράκισής του δεν υπόκειται σε ηλεκτρικούς θορύβους, ενώ είναι εύκολη η προσθαφαίρεση ενδιάμεσων λήψεων.100 Mbps σε 30km με 1000 σταθμούς •

Καλώδιο οπτικών ινών

(

fiber optics cable

) Μέσο με μεγάλο εύρος ζώνης διελεύσεως, που δεν υπόκειται σε ηλεκτρικούς θορύβους. Το κόστος της δεν είναι υψηλό άλλα δεν υπάρχουν πολλοί τεχνικοί εξιδεικευμένοι. Δύσκολες ενδιάμεσες λήψεις. 10 Mbps σε 1km με 10 σταθμούς

Για τη μέτρηση του ρυθμού, εκπομπής στα δίκτυα χρησιμεύουν δύο μονάδες: Το

baud rate

και το

bit rate

. Η πραγματική ροή πληροφορίας καθορίζεται από το bit rate (bit/sec) Η τοπολογία ενός τοπικού δικτύου καθορίζεται από πολλές παραμέτρους: • Αρχικό κόστος εγκατάστασης • Κόστος επέκτασης • Δυνατότητα επικοινωνίας χωρίς μεγάλους περιορισμούς στους ρυθμούς (

bottleneck

) • Η πολυπλοκότητα (ιδιαίτερα προς τη δρομολόγηση μηνυμάτων) • Οι καθυστερήσεις • Οι επιπτώσεις στη λειτουργία του δικτύου, όταν ένας σταθμός τίθεται εκτός λειτουργίας ή δεν λειτουργεί σωστά Οι εφαρμογές που καλούνται να υπηρετήσουν τα τοπικά δίκτυα είναι κυρίως

αυτοματισμός γραφείου

και

αυτοματισμός της παραγωγής

(

automated manufacturing applications

)

Πρωτόκολλο Βιομηχανικού Αυτοματισμού

Ένα από τα στοιχειώδη προβλήματα στη σχεδίαση και ανάπτυξη δικτύων είναι το ότι οι διάφοροι υπολογιστές και συσκευές που συνεργάζονται μ΄ αυτούς είναι ασύμβατοι μεταξύ τους Για το λόγο αυτό στη δεκαετία του ΄80, με πρωτοβουλία της GM αναπτύχθηκε και καθιερώθηκε το

πρωτόκολλο βιομηχανικού αυτοματισμού

(

Manufacture Automation Protocol – MAP

).Το

MAP

είναι μια ομάδα προτύπων για το σχεδιασμό LAN σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, που έχουν ιεραρχική δομή Χρησιμοποιεί

δίκτυο αρτηρίας

(

bus network configuration

εκπομπή ευρείας ζώνης

(

broadband transmission

τρόπο διευθέτησης token pass

(

token passing access scheme

) και

ρυθμό μετάδοσης δεδομένων

σε

megabits/sec

Βασίζεται στις προδιαγραφές του

ISO

αναφέρεται σαν

OSI

pen

ystem

nternational

tandards

rganization, nterconnection, και αποτελούν καθιερωμένο πρότυπο αναφοράς

Διαθέτει επτά επίπεδα ( δεδομένων μεταξύ

layers

), που αφορούν το software και το hardware, το οποίο υποστηρίζει τα δίκτυα και βασίζεται στη λειτουργικότητα. Κάθε επίπεδο, έχει μια εκχωρημένη λειτουργία, που αφορά την επικοινωνία και την ανταλλαγή

ομότιμων επιπέδων

, σε διάφορες συσκευές Υπάρχουν δύο κατηγορίες λειτουργιών στην ανταλλαγή δεδομένων: •

Interconnection

Αναφέρονται στα προβλήματα δημιουργίας και συντήρησης (επίβλεψης) ενός αγωγού δεδομένων αν και οι συσκευές διαφέρουν τεχνολογικά. Τα προβλήματα σχετίζονται με φυσικά στοιχεία της μεταφοράς των δεδομένων, όπως η ταχύτητα εκπομπής, το μέγεθος του πακέτου, η ανίχνευση λαθών κ.ά.

•

Interworking

Αναφέρονται στα 3 υψηλότερα επίπεδα και σχετίζονται με απαιτήσεις τυποποίησης των δεδομένων για διάλογο μεταξύ συσκευών, με σκοπό την εκπλήρωση κάποιας εφαρμογής

Τα Επτά Επίπεδα του

MAP

είναι: •

Physical layer

Αναφέρεται στην εκπομπή των bits στις γραμμές του δικτύου και σχετίζεται (καθορίζει) με το ρυθμό εκπομπής και το μέσο μετάδοσης •

Data link layer

Σχετίζεται με την ανάλυση των περιπτώσεων που δύο συσκευές θέλουν να εκπέμψουν ταυτόχρονα, το μέγεθος των μονάδων δεδομένων, ανίχνευση λαθών •

Network layer

Αναφέρεται στη δρομολόγηση πακέτων δεδομένων από τους ακροδέκτες της πηγής στους ακροδέκτες του δέκτη μέσω του δικτύου •

Transport layer

Είναι υπεύθυνο για την αξιόπιστη διανομή των πακέτων και συνεργάζεται με το προηγούμενο επίπεδο

•

Session layer

Η λειτουργία του είναι να υποστηρίζει μιας μορφής διάλογο μεταξύ των συσκευών, που χρησιμοποιούν το δίκτυο, και περιλαμβάνει ασφαλιστικές δικλείδες για τον επανασυγχρονισμό της εκπομπής σε περίπτωση λάθους κ.ά.

•

Presentation layer

Αναφέρεται στη σύνταξη και τον τύπο των ανταλλασσόμενων δεδομένων και προβλέπει ενιαία κωδικοποίηση και μορφοποίηση των δεδομένων •

Application layer

Αναφέρεται στη διασύνδεση συσκευών και αφορά λειτουργίες όπως μεταφορά files, επενέργεια από μακριά, διαχείριση μηνυμάτων, εκμετάλλευση αρχείων μιας συσκευής από μια άλλη κ.ά Ένα συγγενές πρωτόκολλο είναι το

TOP

echnical and

ffice

rotocol για λειτουργίες γραφείου. Αυτό αναπτύχθηκε από την Boeing Computer Services και έχει τα επίπεδα 3 ως 7 ίδια με τα αντίστοιχα του

MAP

, όπου στο

TOP

χρησιμοποιείται η

CSMA/CD Αccess Μethod

(διαφορές φυσικής διασύνδεσης)

OSI / RM

Το γενικό πρότυπο, που καλύπτει όλες τις επικοινωνιακές εφαρμογές αναπτύχθηκε από τον

Διεθνή Οργανισμό Προτυποποίησης

(

International Organization for Standardization

) και αναφέρεται σαν

Open Systems Interconnection (OSI) Reference Model

Το πρότυπο αυτό υποδιαιρεί τις επικοινωνιακές λειτουργίες σε επτά ομάδες, οι οποίες συνιστούν

επτά επίπεδα

, ιεραρχικά οργανωμένα (

seven layer model

): •

Φυσικό Επίπεδο

(

Physical Layer – PL

) Αναφέρεται στο κανάλι επικοινωνίας και διαλαμβάνει τα της εκπομπής, διαμόρφωσης, πολυπλεξίας, σηματοδοσίας κ.λ.π. Οι λειτουργίες του επιπέδου αυτού εμφανίζουν το μέσο εκπομπής σαν ένα δυαδικό επικοινωνιακό κανάλι στο αμέσως ανώτερο επίπεδο

•

Επίπεδο δεδομένων

( Data Link Layer – DLL) Αναφέρεται στην ασφαλή μετάδοση των δεδομένων και εξασφαλίζει την ανακοπή της ροής προς τα ανώτερα επίπεδα εσφαλμένων πληροφοριών. Επιτελεί λειτουργίες όπως

έλεγχο ροής

(

flow control

αποκατάσταση σύνδεσης

(

connection establishment

έλεγχο εισόδου στο μέσο εκπομπής

(

medium access control

), ώστε να εμφανίζεται αξιόπιστο •

Επίπεδο Δικτύου

(

Νetwork Layer – NL

) Αναφέρεται στο δίκτυο επικοινωνιών και διαλαμβάνει τα της δρομολόγησης δεδομένων, διευθυνσιοδότησης, ελέγχου ροής και διαχείρισης του δικτύου •

Επίπεδο Μεταφοράς

(

Transport Layer – TL

) Γίνεται η διαχείριση της επικοινωνίας μεταξύ δύο χρηστών. Αυτό χρησιμεύει σαν διασυνδετικό επίπεδο μεταξύ των τριών κατωτέρων και τριών ανωτέρων επιπέδων, εξασφαλίζοντας στα τρία ανώτερα επίπεδα ένα κανάλι αξιόπιστο, με τη βοήθεια των τριών κατωτέρων επιπέδων

•

Επίπεδο της Συνόδου (Session Layer – SL)

Αναφέρεται στον έλεγχο επικοινωνιών μεταξύ χρηστών και διαλαμβάνει τα της ομαδοποίησης των μηνυμάτων και της διευθέτησης του ποιος εκπέμπει σε ποιον. Είναι προσανατολισμένο προς την εφαρμογή, εξασφαλίζοντας ασφαλή ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ δύο διαδικασιών •

Eπίπεδο Eμφάνισης

(

Presentation Layer – PrL

) Aναφέρεται στη μεταβολή της δομής των δεδομένων, ώστε να αυξηθεί η αποδοτικότητα της επικοινωνίας και να εξασφαλισθεί η ασφάλεια και ο ιδιωτικός χαρακτήρας των δεδομένων (data compression, data encryption, authentication κ.ά.). Πρέπει να εξασφαλισθεί η συμβατότητα των δεδομένων, καθώς διάφορες μηχανές είναι δυνατόν να χρησιμοποιούν διάφορους κώδικες (π.χ. ASCII, EBCDIC κ.ά.) •

Eπίπεδο των Eφαρμογών

(

Application Layer – AL

) Αναφέρεται σε υπηρεσίες προς τον χρήστη, όπως διαχείριση αρχείων, ηλεκτρονικό ταχυδρομείο κ.ά. Οι υπηρεσίες αναφέρονται κύρια στην επικοινωνία και συγχρονισμό διαφόρων διαδικασιών, που αφορούν εφαρμογές

Στοιχεία του OSI / RM

Σαν

σύστημα

(

system

) στο

OSI / RM

ορίζεται ένας ή περισσότεροι υπολογιστές, μαζί με τα απαραίτητα περιφερειακά τους και το λογισμικό. Η επικοινωνία προϋποθέτει την ύπαρξη ορισμένων

προδιαγραφών

(

requirements

) Σαν

οντότητα

(

entity

) αναφέρεται καθετί που χρησιμεύει στην πραγματοποίηση λειτουργιών σ’ ένα επίπεδο. Οντότητες του ίδιου επιπέδου σε διαφορετικούς σταθμούς ονομάζονται

ομότιμες οντότητες

(

peer entities

) Λειτουργίες ενός επιπέδου είναι διαθέσιμες στις οντότητες του αμέσως ανώτερου επιπέδου σαν

υπηρεσίες

(

services

), οι οποίες προσφέρονται στα

σημεία παροχής υπηρεσιών

(

Services Access Points - SAP

) Η επικοινωνία μεταξύ οντοτήτων του ίδιου επιπέδου καθορίζεται από

πρωτόκολλα

(

protocols

), τα οποία είναι

σύνολα κανόνων και τύπων

(

rules & formats

)

Η επικοινωνία μεταξύ δυο οντοτήτων μπορεί να γίνει με

αποκατάσταση ενός φυσικού κυκλώματος

(

virtual circuit – connection oriented communications

) π.χ. κλασσική τηλεφωνική σύνδεση ή χωρίς αυτή (

datagrams – connectionless

) Στην πρώτη περίπτωση η επικοινωνία διακρίνεται σε τρεις φάσεις: •

Εγκαθίδρυση της σύνδεσης

(

connection establishment

) •

Μεταφορά των δεδομένων

•

Απόλυση της σύνδεσης

(

connection release

) Στη δεύτερη περίπτωση, ο σταθμός παραδίδει τα μηνύματα στο σύστημα εκπομπής, το οποίο διεκπεραιώνει τις υπόλοιπες λειτουργίες Το επίπεδο εφαρμογών

[AL]

δεν προσφέρει υπηρεσίες σε κανένα άλλο επίπεδο, παρά μόνο στις ίδιες τις εφαρμογές που επιτελούνται. Αυτές καλύπτονται μερικά με πρωτόκολλα, όπως αυτά για

μεταφορά και διαχείριση αρχείων

(

File Transfer And Management - FTAM

)

Οι οντότητες του ίδιου επιπέδου επικοινωνούν μεταξύ τους, ανταλλάσσοντας

μονάδες πληροφοριών

(

information units

), οι οποίες είναι χαρακτηριστικές για κάθε επίπεδο (

Protocol Data Units – PDU

) και αντιστοιχούν σε μηνύματα (

messages

), πακέτα δεδομένων (

packets

), πλαίσια (

frames

) κ.ά.

Η μονάδα πληροφορίας που διαπερνά το διασυνδετικό στρώμα δύο επιπέδων με τη βοήθεια των υπηρεσιών του κατώτερου επιπέδου ονομάζεται

Service Data Unit – SDU

Οι αντίστοιχες μονάδες πληροφοριών (PDU) μπορούν να περιέχουν πρόσθετη πληροφορία για τις υπηρεσίες που απαιτούνται και αποτελούνται από μια

SDU

και την

πληροφορία ελέγχου

(

Protocol Control Information – PCI

) Σε κάθε επίπεδο προστίθενται πληροφορίες ελέγχου υπό μορφή φακέλου [επικεφαλίδα (

header

), ουρά (

trailer

)] π.χ. στο επίπεδο DLL προστίθενται framing bits, address bits, controls bits και τμήμα ελέγχου (

frame check sequence

), διαμορφώνοντας την πληροφορία σε πλαίσια, τα οποία αναλαμβάνει το φυσικό επίπεδο

[PL]

να εκπέμψει

To Φυσικό Επίπεδο

Το φυσικό επίπεδο επιτελεί λειτουργίες που αναφέρονται στην αποδοτική εκμετάλλευση του μέσου εκπομπής, όπως κωδικοποίηση, διαμόρφωση, πολυπλεξία κ.ά.

• Το πρότυπο

ΙΕΕΕ 802.4

έχει ένα διαμορφωτή

AM / PSK

και ο κωδικοποιητής εφαρμόζει

κωδικοποίηση Duobinary

. Σαν μέσο εκπομπής θεωρείται ομοαξωνικό καλώδιο με χαρακτηριστική αντίσταση 75Ω, το οποίο χρησιμεύει τόσο για τη μεταφορά ac ισχύος, όσο και για τη μεταφορά σημάτων με ρυθμό 10Mbps σε κανάλι 12MHz • Το πρότυπο

ΙΕΕΕ 802.3

στο φυσικό επίπεδο προβλέπει διάφορα υποεπίπεδα (

sublayers

). Αυτά αναφέρονται στη διασύνδεση με το μέσο εκπομπής (

Medium Attachment Unit – MAU

Medium Dependent Interface – MDI

Attachment Unit Interface – AUI

), στη σηματοδοσία (

Physical Signaling

–

PLS

) και τον έλεγχο του μέσου (

Medium Access Control – MAC

)

Το PLS προβλέπει

κωδικοποίηση Manchester

. Το μέγιστο μήκος του frame είναι 1518 bytes, ο προβλεπόμενος ρυθμός 10 Mbps (ISO / 8802/3) και το μέγιστο μήκος καλωδίου χωρίς επαναλήπτη καθορίζεται στα 500m • Το

πρότυπο TOP

(

Technical and Office Protocol

) υιοθετεί το πρότυπο

ΙΕΕΕ 802.3

, προβλέποντας αριθμό τερματικών μέχρι 1025 • Το πρότυπο

MAP

(

Manufacturing Automation Protocol

) προβλέπει (στη έκδοση

MAP 3.0

) σαν μέσο εκπομπής ομοαξωνικό καλώδιο με διαμόρφωση

–

PSK

και ρυθμό 10 Mbps Στις εφαρμογές που δεν χρησιμοποιούνται επικοινωνίες ευρείας ζώνης προβλέπεται

FSK

συναφούς φάσεως με ρυθμό 5 Mbps. Η εφαρμοζόμενη κωδικοποίηση είναι η duobinary και ο μέγιστος ανεκτός θόρυβος καθορίζεται στη στάθμη των –10 dBmV(RMS)

Επίπεδο Δεδομένων

Το

Data Link Layer

επιτελεί τις εξής λειτουργίες: •

Έλεγχο σφαλμάτων

(

error control

), ώστε σε μια επικοινωνία ο ρυθμός σφαλμάτων από 10 -6 , που είναι τυπικός για το φυσικό επίπεδο, ν’ ανέλθει σε 10 -11 •

Έλεγχο ροής

(

flow control

), ώστε ο ρυθμός λήψης να αντιστοιχεί στο ρυθμό εκπομπής δεδομένων •

Διαχείρισης ζεύξης

δεδομένων (

link management

), ώστε κατά την εκπομπή και λήψη δεδομένων να τηρούνται κάποιοι κανόνες, που εξασφαλίζουν την ορθή μεταφορά •

Έλεγχος του μέσου

(

Medium Access Control – MAC

παρεμποδίζει ο ένας τον άλλο (

collision

) ), ώστε κάθε στιγμή να εκπέμπονται δεδομένα από τους σταθμούς που πρέπει να εκπέμψουν, για να μην Με τις λειτουργίες του το DLL επιτυγχάνει

συγχρονισμό

της

πρόσβασης στο μέσο

(

medium access synchronization

) και

συγχρονισμό διαλόγου

(

dialogue synchronization

)

•

Ασύγχρονα πρωτόκολλα

(

start – stop protocols

) Ο έλεγχος λαθών γίνεται με αποστολή του σήματος από το δέκτη προς τον πομπό, για την επαλήθευση της παραλαβής

έλεγχο ηχούς

(

echo checking

), που αναφέρεται σε Ο έλεγχος ροής στηρίζεται σε τεχνικές

X-on / X-off

, όπου

X-on

είναι χαρακτήρας που αποστέλλεται για να ειδοποιήσει τον πομπό να εκπέμψει και

X-off

χαρακτήρας που δείχνει κατάσταση υπερφόρτωσης (

overload

), οπότε κάθε αποστολή χαρακτήρων αγνοείται Ο συγχρονισμός γίνεται μάλλον σε επίπεδο πλαισίου (

frame

) •

Σύγχρονα πρωτόκολλα

Ο έλεγχος λάθους γίνεται με αναγνώριση (

acknowledgment

) και οι αντίστοιχοι μηχανισμοί ονομάζονται απαίτηση αυτόματης επανάληψης (

Automatic Repeat Request – ARQ

)

Όταν εκκινεί η διαδικασία αποστολής πλαισίου, εκκινεί ταυτόχρονα χρονιστής (

timer

), που αν δεν λάβει ενημέρωση, το frame ξαναποστέλλεται. Υπάρχουν διάφορες παραλλαγές ARQ (idle, continuous, selective transmission, go – back – N), που εξαρτώνται από τις απαιτήσεις της εφαρμογής Ο συγχρονισμός γίνεται σε επίπεδο bit (

bit – oriented protocols

) Τα εκπεμπόμενα τερματικά πλαίσια, ανήκουν σε δυο κατηγορίες: •

Αριθμημένα πλαίσια

Συνοδεύονται από αριθμούς, που χρησιμεύουν στη διάκρισή τους (

sequence numbers

). Στην κατηγορία αυτή διακρίνουμε τα

πλαίσια πληροφορίας

(

information frames

) και τα

πλαίσια εποπτείας

(

sypervisory frames

) •

Μη αριθμημένα πλαίσια

(

unnumbered frames

) Συνηθίζονται σε ορισμένα πρωτόκολλα (π.χ.

ΙΕΕΕ 802.2

)

•

MAC

Για την ορθή πρόσβαση καθενός στο μέσο, χρησιμεύει μηχανισμός ελέγχου πρόσβασης. Στην περίπτωση που το μέσο ή, πιο ορθά, το κανάλι εκχωρείται σε κάθε σήμα για κάποιο χρόνο (διαμέριση χρόνου), εφαρμόζεται πολυπλεξία στο χρόνο (

Time Division Multiplex - TDM

) Όταν στο μέσο διαβιβάζονται ταυτόχρονα διάφορα σήματα, στα οποία εκχωρούνται διάφορα κανάλια, ώστε το συνολικό εύρος ζώνης του μέσου να διαμοιράζεται σε ζώνες που αντιστοιχούν σε διάφορες συνδέσεις, έχουμε πολυπλεξία στη συχνότητα (

Frequency Division Multiplex - FDM

Ο έλεγχος της πρόσβασης στο μέσο μπορεί να γίνεται κεντρικά ή αποκεντρωμένα (

centralized-decentralized

) Για πρόσβαση μπορεί να απαιτείται polling ή να συμβεί κάποιο γεγονός (

event driven

) Το δικαίωμα προς εκπομπή εκχωρείται με ειδικό μήνυμα (

token passing

), ενώ άλλες φορές η πρόσβαση στο μέσο εκπομπής γίνεται με τυχαίο τρόπο (random access techniques π.χ.

CSMA/CD

)

Η ομάδα προτύπων

ΙΕΕΕ 802

διαχωρίζει το DLL σε δύο υποεπίπεδα Το ανώτερο αφορά το

λογικό έλεγχο

(

Logical Link Control – LLC

) και το κατώτερο τον έλεγχο του μέσου (

MAC

) Η

μηχανή διασύνδεσης

στοιχείο μεταξύ

MAC

(IFM) λειτουργεί σαν διασυνδετικό και απομονωτικό και LLC Η

μηχανή ελέγχου πρόσβασης

(ACM) συνεργάζεται με τις αντίστοιχες μηχανές άλλων σταθμών μιας αρτηρίας με token (

token bus

) Οι

μηχανές λήψης και εκπομπής

διευθετούν τα δεδομένα σε πλαίσια, ενώ επιλαμβάνονται και των θεμάτων θορύβου (

noise bursts

) Στην τεχνική

Carrier Sense Multiple Access

CSMA

, κάθε σταθμός που επιθυμεί να εκπέμψει, ακροάται το κανάλι, για να διαπιστώσει αν είναι απασχολημένο, αν όχι, εκπέμπει αμέσως. Απαιτείται μηχανισμός ανίχνευσης της παρεμπόδισης (

Collision Detection - CD

), με ακρόαση του καναλιού

Για την ανίχνευση λαθών κατά τη μεταφορά των δεδομένων, προστίθενται πρόσφατα (

redundancy

) bits στην πληροφορία, που καθιστούν δυνατή την ανεύρεση και τη διόρθωση των λαθών Η πιο απλή περίπτωση είναι ασφαλώς ν’ αποστέλλεται κάθε byte περιττό (π.χ.3) αριθμό φορών και να προκύπτει το κάθε bit με κανόνες πλειοψηφίας. Αυτό είναι ωστόσο αντιοικονομικό Η

απόσταση Hamming

(

Hamming distance

) μεταξύ δύο κωδικών μπλόκ είναι ο αριθμός των bits που αυτά διαφέρουν. Η

συνθήκη για να ανιχνεύσουμε t λάθη

είναι ότι πρέπει η λέξεων είναι:

d min

ελάχιστη απόσταση Hamming d(min)

= t +1

μεταξύ δυο κωδικών Για να ανιχνεύσουμε και διορθώσουμε μέχρι t λάθη, η αντίστοιχη συνθήκη είναι:

d min = 2t +1

Οι πιο συνήθεις στην πράξη είναι οι κυκλικοί κώδικες. Σε αυτούς μια κωδική λέξη c με n bits παράγεται από μια λέξη πληροφορίας d των k bits, εξάγοντας τους συντελεστές c i από το πολυώνυμο:

c ( x )





c i x n



• To πρωτόκολλο

ΙΕΕΕ 802.2

είναι αφιερωμένο στο λογικό έλεγχο (LLC) και προβλέπει τρεις τύπους λειτουργίας:

Unacknowledged Connectionless

Connection – Oriented

και

Acknowledged Connectionless

. Το LLC προσφέρει τέσσερις κλάσεις υπηρεσιών • Με το πρωτόκολλο όπως

το Ethernet ΙΕΕΕ 802.3

(

ΜΑC

) καλύπτονται δίκτυα με

CSMA/ CD

(10 Mbps) και το

Cheapernet

(10 Μbps) To πλαίσιο του

ΙΕΕΕ 802.3

αρχής

εκκινεί με 7

προοιμιακά bytes

(start frame delimiter), 2 έως 6 bytes

, ακολουθεί 1 , 2 έως 6 bytes

SA byte

, διάστημα με 2 bytes που δηλώνει τον αριθμό των

bytes πληροφορίας

του πεδίου δεδομένων, διάστημα με τα

δεδομένα

, διάστημα με

βοηθητικούς προσδιορισμούς

(PAD) και λήγει με 4 bytes

Frame Check Sequence

FCS

• Με το πρωτόκολλο

ΙΕΕΕ 802.4

Mbps,

FSK

καλύπτονται δίκτυα με

PSK

συναφούς φάσης στα 5 και 10 Mbps και

FSK

σε 1,5 και 10 συνεχούς φάσης σε 1Mbps

Το πλαίσιο του εκκινεί με μερικά

προοιμιακά bytes

(

preamble

), ακολουθεί

διάστημα εκκίνησης

με 1 byte (

starting delimiter

), 1 byte για

έλεγχο πλαισίου

(

frame control

), διάστημα με 2 έως 6 bytes που περιέχει τη

διεύθυνση προορισμού

(

Destination Address – DA

), διάστημα 2 έως 6 bytes με τη

διεύθυνση της πηγής

(SA), διάστημα με τα

δεδομένα

διάστημα με 4 bytes για τον

έλεγχο του frame

(LLC frame), (FCS – CRC) και λήγει με 1

byte τέλους

(

end delimiter

) • Tο πρωτόκολλο

ΙΕΕΕ 802.5

, (token ring protocol) καλύπτονται δίκτυα δακτυλίου με token στα 1 και 4 Mbps • To πρωτόκολλο

MAP 3.0

στο επίπεδο δεδομένων προβλέπει δύο υποεπίπεδα, το LLC και το

MAC

. Το LLC αντιστοιχεί στο πρωτόκολλο

ΙΕΕΕ 802.2

με δυνατότητα υπηρεσιών Ι και ΙΙΙ, ενώ το πρότυπο

ΙΕΕΕ 802.4

MAC

αντιστοιχεί στο • Το

ΤΟΡ

για LAN προβλέπει LLC όπως του

MAP

, αλλά στο

MAC

προβλέπονται και τα πρότυπα

ΙΕΕΕ 802.5

και

CSMA/CD

Επίπεδο Δικτύου

Το επίπεδο δικτύου (NL) επιτελεί της εξής λειτουργίες: •

Δρομολόγηση

(

routing

) Για την ορθή δρομολόγηση απαιτούνται οντοτήτων,

διευθύνσεις ονόματα

(

names

) των επιθυμητών (

addresses

) που δείχνουν πού είναι αυτές οι οντότητες και

διαδρομές

(

routes

), ώστε να ακολουθηθεί, κατά τη μεταφορά των δεδομένων, μια καθορισμένη διαδρομή Οι αλγόριθμοι δρομολόγησης διακρίνονται χωρικά σε: •

Αλγορίθμους πηγής

από την πηγή (

source routing

), όπου η πλήρης διαδρομή καθορίζεται •

Αυξητικούς αλγορίθμους

(

incremental routing

), όπου η πηγή καθορίζει τον προορισμό και τη διαδρομή οι ενδιάμεσοι σταθμοί • Και σε

μεικτούς αλγορίθμους

(

hybrid routing

)

Χρονικά οι αλγόριθμοι δρομολόγησης διαιρούνται σε: •

Σταθερούς

(

fixed

ή καθορίζονται άπαξ

deterministic routing

), όπου οι πίνακες δρομολόγησης •

Δυναμικούς

(

dynamic

adaptive routing

ενημερώνονται συνεχώς. Απαραίτητος ένας μηχανισμός ελέγχου ως προς τον οποίο οι αλγόριθμοι διακρίνονται σε: ), όπου οι πίνακες δρομολόγησης

Μονωμένους

(

isolated routing

) κάθε κόμβος μεταγωγής ενημερώνει μόνος του τις πληροφορίες του

Κεντρικούς

(

centralized routing

), όπου ένα κεντρικό σημείο συλλέγει τις μεταβολές του δικτύου και παρέχει ενημέρωση στους διάφορους κόμβους

Κατανεμημένους

(

distributed routing

), όπου η δυναμική ενημέρωση κατανέμεται σε όλους τους κόμβους μεταγωγής •

Διευθυνσιοδότηση

(

addressing

) Οι διευθύνσεις μπορεί να είναι επιπέδου (

flat

) τύπου ή να διαθέτουν ιεραρχική (

hierarchical

) δομή, για απόδοση. Μεταξύ των διευθύνσεων και των διαδρομών υπάρχει αντιστοιχία (

mapping

), που προκύπτει με

αλγορίθμους δρομολόγησης

(

routing algorithm

) ή

πίνακα δρομολόγησης

(

routing table

)

•

Ανάλυση συμφόρησης δικτύου

(

congestion resolution

) Απαιτούνται

τεχνικές ελέγχου ροής

διακρίνονται σε

συγκεντρωμένες

( (

flow control techniques centralized

) και ), οι οποίες

αποκεντρωμένες

(

decentralized

) Στις συγκεντρωμένες τεχνικές ελέγχου ροής υπάρχει ένα

κέντρο ελέγχου

(

Network Control Center – NCC

), το οποίο συλλέγει πληροφορίες για την υφιστάμενη κυκλοφορία, εφαρμόζοντας

αλγορίθμους αποτίμησης

Βασικός

δείκτης συμφόρησης

του δικτύου είναι η καθυστέρηση των μηνυμάτων. Μια μέθοδος αποφυγής συμφόρησης είναι η

ελαχιστοποίηση της μέσης καθυστέρησης

(

delay

) των μηνυμάτων. Ο

χρόνος καθυστέρησης

πακέτου δίνεται από την εξίσωση:

Τ = 1 / (μ - λ)

κάθε όπου μ ο ρυθμός εξυπηρέτησης (

service rate

) του κόμβου και λ ο ρυθμός άφιξης των πακέτων Για τον προσδιορισμό της ροής χρησιμεύει η

μέθοδος των αποκλίσεων

(

flow deviation method

). Σε ένα δίκτυο με Ν κόμβους και Μ συνδέσεις (

links

) με πίνακα κίνησης γ ij σύνδεση i θα είναι: (

packets/sec

) μεταξύ του i και j κόμβου, η καθυστέρηση στη

Τ i = 1 / (μC i - λ i )

όπου C i η χωρητικότητα της i σύνδεσης

• Kατάσταση

deadlock

. Αδυναμία μεταφοράς δεδομένων από ένα κόμβο σε άλλο Έχουμε

protocol deadlock

, που οφείλεται στην ανυπαρξία ειδικού σήματος ελέγχου, ή

buffer deadlock

, που οφείλεται στο ότι οι buffers των αποδεκτών είναι πλήρεις. Οι καταστάσεις αυτές παρακάμπτονται με ειδικές τεχνικές Για τη σύνδεση δύο δικτύων, τα οποία αναφέρονται σαν

catanets

, χρειάζονται: •

Επαναλήπτες

(

repeaters

), οι οποίοι συνδέουν τα δίκτυα στο φυσικό επίπεδο •

Γέφυρες

(

bridges

), οι οποίες συνδέουν τα δίκτυα στο επίπεδο δεδομένων •

Δρομολογητές

(

routers

), οι οποίοι συνδέουν τα δίκτυα στο επίπεδο δικτύου •

Gateways

, που συνδέουν τα δίκτυα στο επίπεδο εφαρμογών Αρχιτεκτονικά το επίπεδο δικτύου διαιρείται σε τέσσερα υποεπίπεδα: •

Sub network Access Facility – SNACF

(διασυνδετικό με υποδίκτυα) •

Subnetwork Dependent Convergence Facility-SNDCF (

μετάφραση υπηρεσιών) •

Subnetwork Independent Convergence Facility–SNICF (

παρόμοια λειτουργία

)

•

Routing & Relaying

(αναφέρεται σε δρομολογήσεις)

• Η δρομολόγηση στο πρότυπο

ΜΑΡ 3.0

γίνεται με τη βοήθεια μιας συνάρτησης, που καθορίζεται από την οδηγία

ISO 8473 Connectionless Mode Network Service – CNLS

, η οποία αναφέρεται και σαν

πρωτόκολλο CNLS

. Η PDU του επιπέδου δικτύου περιλαμβάνει διάφορα πεδία Όταν το μήνυμα είναι μεγάλο, διαιρείται σε τμήματα (

segmentation

), ώστε να μην υπερβαίνει ένα μέγιστο μήκος. Οι συναρτήσεις του

CNLS

που υποστηρίζει το

ΜΑΡ

αναφέρονται σε σύνθεση και αποσύνθεση PDU, ανάλυση επικεφαλίδας, έλεγχο κύκλου ζωής PDU, δρομολόγηση και αποστολή PDU, διαίρεση και ανασύνθεση PDU, απογραφή λαθών και ανεύρεση λαθών επικεφαλίδας • Το πρότυπο ονομάζονται

ΤΟΡ 3.0

brouters

έχει επίπεδο δικτύου όμοιο με αυτό του

ΜΑΡ 3.0

. Για τη διασύνδεση τοπικών δικτύων μεταξύ τους έχουν προταθεί συσκευές, που . Αυτές επιτελούν έλεγχο συμφόρησης, όπως και οι routers, αλλά εμφανίζουν τη διαφάνεια των γεφυρών

Επίπεδο Μεταφοράς

Οι βασικές υπηρεσίες επιπέδου μεταφοράς αναφέρονται σε: •

Διευθυνσιοδότηση

(

addressing

) •

Πολυπλεξία

(

multiplexing

) •

Έλεγχο ροής

(

flow control

) •

Έλεγχο σφαλμάτων

(

error control

) •

Διαχείριση της σύνδεσης

(

connection management

) Το επίπεδο προσφέρει

πέντε κλάσεις υπηρεσιών

: (η μελέτη των πρωτοκόλλων του γίνονται με τα δίκτυα

Petri

(

petrinets

) και γλώσσες υψηλού επιπέδου) •

Κλάση 0

προϋποθέτει εμφάνιση ορισμένου ρυθμό λαθών και αποτυχία σύνδεσης •

Κλάση 1

είναι ικανή για ανεύρεση λαθών •

Κλάση 2

προσφέρει επιπλέον δυνατότητα πολυπλεξίας •

Κλάση 3

ανακαλύπτει σφάλματα του επιπέδου δικτύου •

Κλάση 4

είναι ικανή να απαλλάξει το δίκτυο από σφάλματα επιπέδου δικτύου • Το

ΜΑΡ 3.0

και

ΤΟΡ 3.0

υιοθετεί ένα υποσύνολο υπηρεσιών της κλάσης 4

Επίπεδο Συνοδού

Επιτελεί λειτουργίες μεταξύ τερματικών όπως τη

μεταφορά δεδομένων

(

data transfer

διαχείριση διαλόγου

(

dialog management

) και

συγχρονισμό διαλόγου

(

dialog synchronization

) • Σε κεντρικά συστήματα ο συγχρονισμός γίνεται από το

coordinator

ενώ σε κατανεμημένα συστήματα (

distributed systems

) εφαρμόζεται αποκεντρωμένος συγχρονισμός (

token passing

πλήρη κατανεμημένο συγχρονισμό)

• Στο

OSI / RM

οι διακριτές πληροφορίες αναφέρονται σαν

ενέργειες

οι οποίες διαιρούνται σε

μονάδες διαλόγου

(

dialog units

(

activities

). Ο συγχρονισμός των ), διαδικασιών εκτελείτε με

release token

token passing

. Τα token διακρίνονται σε

data token

minor synchronization token

και

major sync/ activity token

• Το

ΜΑΡ 3.0

υιοθετεί τις λειτουργικές μονάδες

kernel, duplex, resynchronize

μερικές άλλες, ενώ το

ΤΟΡ 3.0

τις

typed data, expedited data, exceptions, kernel, duplex, activity management, half – duplex

και

minor synchronize

και

Επίπεδο Παρουσίασης

Το επίπεδο παρουσίασης επιτελεί λειτουργίες που αναφέρονται στη

μεταβολή της σύνταξης

(

transfer syntax

) η οποία σχετίζεται με την

ασφάλεια

των δεδομένων (

data security

), τη

συμπίεση

του μηνύματος (

message compression

), και τη

συμβατότητα

των δεδομένων (

data compatibility

) Η ασφάλεια των δεδομένων εξασφαλίζεται με τους

κωδικοποιητές

: •

Τελικού χρήστη

(

end user encoders

) λειτουργούν πριν αποδοθεί το μήνυμα •

Πηγής

(

source encoders

), επενεργούν απ’ ευθείας στα σύμβολα της πηγής •

Καναλιού

(

channel encoders

), οι οποίοι επενεργούν στα πλαίσια δεδομένων Ανάλογα με το μήκος των κωδικών λέξεων, έχουμε

τεχνικές κωδικοποίησης

: •

Σταθερού μήκους

(

fixed length

). Για την μετατροπή χρησιμοποιούνται

ciphers

•

Μεταβλητού μήκους

(

variable length

). Εδω δρούν οι

κώδικες

(

codes

) Μετατροπή γίνεται με ειδικό

κρυπτογραφικό αλγόριθμο

(

encryption algorithm)

Επίπεδο Εφαρμογών

Διαδικασίες που επικοινωνούν στο επίπεδο εφαρμογών με άλλες διαδικασίες αναφέρονται σαν

διαδικασίες εφαρμογών

(

application processes

). Για να συνεργαστούν δύο διαδικασίες (

interwork

), πρέπει να μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους.Το κοινό τους τμήμα ονομάζεται

shared schema

• Μια οντότητα του επιπέδου εφαρμογών μπορεί να αναλυθεί σε

ομάδα στοιχείων υπηρεσιών

(

Application Service Elements – ASE

), καθένα από τα οποία υποστηρίζει μια συγκεκριμένη εφαρμογή (π.χ. μεταφορά αρχείων). Η διαχείριση γίνεται από τα

Association Control Service Elements – ACSE

, τα οποία καθορίζουν μια σχέση μεταξύ δύο οντοτήτων του επιπέδου εφαρμογών • Η

προδιαγραφή βιομηχανικών μηνυμάτων

(

Manufacturing Message Specification – MMS

) είναι ένα ASE για την επικοινωνία συσκευών σε βιομηχανικές εφαρμογές π.χ. οπτικά συστήματα, robots,

PLC

CNC

κ.ά.

• Σαν πρότυπο είναι αποδεκτό από την ΕΙΑ ως

RS-511 std.

του

ΜΑΡ 3.0

. Οι λειτουργίες που παρέχει είναι: και αποτελεί τμήμα ( O

χειρισμός μεταβλητών

message passing

), ο (

variable access

), η

αποστολή μηνυμάτων συγχρονισμός,

διαχείριση του προγράμματος

, η

διαχείριση των γεγονότων

(

event management

) κ.ά.

• Για τη μεταφορά και τη διαχείριση αρχείων υφίσταται το πρωτόκολλο

FTAM

File Transfer Access and Management

Πομπός και δέκτης αναγνωρίζονται μεταξύ τους, καθορίζουν το απαιτούμενο file και το ανταλλάσσουν υπό μορφή FADU - File Access Data Unit. Η αναπαράσταση των αρχείων είναι ανεξάρτητη από την εφαρμογή και αναφέρεται σαν Virtual Filestore – VFS • Το πρότυπο

MAP 3.0

, υιοθετεί στο επίπεδο εφαρμογών

directory services

FTAM

MMS

και

ACSE.

Καθορίζονται επιπλέον και άλλα πρότυπα με προσανατολισμό προς τις εφαρμογές, όπως το

Computer Graphics Interface

• Το πρότυπο

ΤΟΡ 3.0

υιοθετεί

directory services

FTAM

και

ACSE

Υλοποίηση

Τα τελευταία χρόνια, έχουν εμφανισθεί στην αγορά ολοκληρωμένα κυκλώματα για την υλοποίηση των πρωτοκόλλων του

OSI / RM

MAP

και

ΤΟΡ

• Η Motorola κατασκεύασε το ολοκληρωμένο

68824

σαν

Token Bus Controller

. Είναι τεχνολογίας HCMOS και υλοποιεί το υποεπίπεδο

MAC

του

ΙΕΕΕ 802.4

για ρυθμούς δεδομένων 10Mbps • Η Intel με το ολοκληρωμένο

82586

υλοποιεί το

MAC

για το

ΙΕΕΕ 802.3

άλλα πρωτόκολλα που ομοιάζουν με το

Ethernet

. Το ολοκληρωμένο αυτό και ονομάζεται

LAN coprocessor

. Σε επίπεδο κάρτας η

iSXM 554

υλοποιεί το πρότυπο

ΙΕΕΕ 802.4

, ενώ σε επίπεδο software το υποεπίπεδο LLC υλοποιείται με το πακέτο

iNA 960

Υλοποίηση του

ΜΑΡ 960

είναι το

ΜΑΡΝΕΤ

, το οποίο περιλαμβάνει τόσο το

iNA

και την κάρτα

iSXM 554

για την υλοποίηση του πρωτοκόλλου

token bus

• H Hewlett Packard έχει αναπτύξει την κάρτα

HP OSI Express

, η οποία υλοποιεί το μεγαλύτερο τμήμα του προτύπου

ΜΑΡ 3.0

Απόδοση Δικτύων

Για τη μέτρηση της απόδοσης των δικτύων χρησιμοποιούνται

μοντέλα

, που διακρίνονται σε

αναλυτικά

, σε

εξομοιωμένα

και

μοντέλα βασισμένα σε μετρήσεις

. Τα αναλυτικά μοντέλα βασίζονται σε μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τα συστήματα και είναι κατά κανόνα

μοντέλα ουρών

(

queunig models

Μελετώνται με τη βοήθεια της θεωρίας πιθανοτήτων Έτσι για πρωτόκολλα

token bus

, όταν ένας σταθμός είναι ενεργός, η

μέγιστη τιμή καθυστέρησης

του πλαισίου για αποστολή από σταθμό σε σταθμό, γίνεται:

Τ fd = (X max +X t ) / R +Nω

και η

μέγιστη απόδοση Τ

h = X max / Τ fd

Όπου

X max του token

, είναι το

μέγιστο μήκος του πλαισίου

Χt

το

μήκος του πλαισίου R

ρυθμός

και

ω = (Τ prop +T int )

χρόνος περιπάτου

(

walk time

) Όταν όλοι οι σταθμοί είναι ενεργοί, η μέγιστη καθυστέρηση πλαισίου γι’ αποστολή από σταθμό σε σταθμό θα είναι:

Τ fd = N[(X max +X t ) / R +ω]

και η μέγιστη απόδοση ως προς τον χρήστη:

Τ h = NX max / Τ fd

Οι συνήθεις μετρήσεις απόδοσης αναφέρονται σε ποσοστά μηνυμάτων που επανεκπέμπονται, σε καθυστερήσεις μηνυμάτων από σταθμό σε σταθμό, αριθμό διακοπών κ.ά.

Χρήσιμες μετρήσεις είναι αυτές που καθορίζουν το ποσοστό των χαμένων μηνυμάτων, το ποσοστό των μηνυμάτων που έχουν ληφθεί επιτυχώς, ο χρόνος καθυστέρησης ενός μηνύματος, ο αριθμός των bits πληροφορίας που διέρχονται από ένα σταθμό κάθε δευτερόλεπτο κ.ά Οι μετρήσεις είναι χρήσιμες στην αρχική σύνδεση του δικτύου, στη σχεδίαση των εφαρμογών, στο συντονισμό του δικτύου και στην διαχείρισή του Στις βιομηχανικές εφαρμογές κύριο ρόλο παίζει η αξιοπιστία των συστημάτων, καθόσον οποιαδήποτε διακοπή στη λειτουργία του συστήματος κοστίζει πάρα πολύ στη βιομηχανία

Ethernet

Το δίκτυο

Ethernet

είναι από τα πιο διαδεδομένα δίκτυα για εφαρμογές γραφείου. Σαν μέσο εκπομπής χρησιμεύει ομοαξωνικό καλώδιο 50Ω, ο ρυθμός των δεδομένων είναι 10Μbps και το πλήθος των σταθμών μικρότερο του 1024. Η απόσταση που μπορεί να καλυφθεί είναι στην τάξη των λίγων χιλιομέτρων Η τοπολογία του δικτύου είναι αρτηρίας και τα επίπεδα του προτύπου τρία: •

Φυσικό

- Προσπέλαση στο μέσο εκπομπής και κωδικοποίηση σε

Manchester

•

Δεδομένων

- Δημιουργία του πλαισίου και τη διαχείριση της σύνδεσης •

Ανώτερο

(

client layer

) - Αναλαμβάνει όλες τις άλλες λειτουργίες του δικτύου Η τεχνική για την προσπέλαση του μέσου εκπομπής είναι η

CSMA / CD

εκπομπή βασίζεται σε

μεταγωγή πακέτων

(

packet switching

και η ) σε βασική ζώνη Ο συγχρονισμός επιτυγχάνεται με ειδικό σήμα των 8 bytes (

preamble

ειδικής κάρτας. Ήδη αναπτύσσονται δίκτυα με ρυθμό 16 Gbps ) πριν την αποστολή του πλαισίου. Η σύνδεση κάθε σταθμού στο δίκτυο γίνεται μέσω

Δίκτυα SS

Τα γνωστά δίκτυα παρουσιάζουν περιορισμούς στη λειτουργία τους. Τα

διάχυτου φάσματος

(

Spread Spectrum – SS

) παρουσιάζουν

δίκτυα υψηλό δείκτη ασφάλειας

πολλαπλή προσιτότητα

ηθελημένες παρεμβολές (

jamming

) και

αναισθησία

στο θόρυβο και στις Οι δύο βασικές τεχνικές διαμόρφωσης διάχυτου φάσματος είναι η

direct – sequence spectrum spreading

την πληροφορία σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Στο δέκτη το σήμα συμπιέζεται στην αρχική του ζώνη και η

frequency hopping

. Και οι δύο διαχέουν Η προσπέλαση στο δίκτυο στην τεχνική

CDMA

μπορεί να γίνει απ’ ευθείας, χωρίς να προηγηθεί ακρόαση του δικτύου, καθόσον δεν υπάρχει πρόβλημα παρεμπόδισης και τα τερματικά μπορούν να εκπέμπουν με διάφορους ρυθμούς Τα χαρακτηριστικά αυτά καθιστούν τα

δίκτυα SS

εφαρμογές ιδανικά για βιομηχανικές

13. Προδιαγραφές και Αξιοπιστία Συστημάτων

Τεχνικές Προδιαγραφές

Χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά του συστήματος κάτω από καθορισμένες συνθήκες και συντάσσονται, συνήθως, από το χρήστη (βιομηχανία, εργαστήρια) Με τις τεχνικές προδιαγραφές τίθενται όρια αποδεκτής λειτουργίας για τα διάφορα μεγέθη όπως περιοχές τιμών, οι συνθήκες περιβάλλοντος (θερμοκρασία, υγρασία, κλπ.), οι πηγές τροφοδοσίας (AC / DC), οι απαιτούμενες ενδείξεις και το είδος των εξόδων του συστήματος Στη συνέχεια αναφέρονται πιο ειδικά στοιχεία: •

Διακριτική ικανότητα

του συστήματος (ανάλυση – μικρότερη μεταβολή της εισόδου, που μπορεί να γίνει αντιληπτή από το σύστημα, ώστε αυτή να το διεγείρει σε επεξεργασία

resolution

) θεωρούμε τη

•

Απόλυτο σφάλμα

ορίζεται η διαφορά ανάμεσα στη μέτρηση και στην πραγματική τιμή του μετρούμενου μεγέθους •

Σχετικό σφάλμα

ο λόγος του απόλυτου σφάλματος προς την πραγματική τιμή του μεγέθους (έχει επικρατήσει με τον όρο

ακρίβεια

της μέτρησης) •

Ευαισθησία

ενός συστήματος ορίζουμε το πηλίκο της μεταβολής Δy της εξόδου προς τη μεταβολή της εισόδου Δx που προκάλεσε τη μεταβολή εξόδου •

Μη γραμμικότητα

όπου ορίζεται απο το λόγο:

NL = Δx max / x max

•

Ρυθμός ανόδου

(

slew rate

) ορίζεται η ταχύτητα μεταβολής της εξόδου του συστήματος, όταν εφαρμοσθεί βηματική είσοδος. Για ημιτονικά σήματα ορίζεται σαν τη μεγαλύτερη συχνότητα του σήματος που δεν παραμορφώνει την κορυφή • Όταν η είσοδος του συστήματος είναι μηδενική και η έξοδος έχει ένδειξη διάφορη του μηδενός, θεωρούμε ότι παρουσιάζει

μετάθεση

(

offset

), ενώ όταν η έξοδος μεταβάλλεται για μηδενική είσοδο, θεωρούμε ότι έχει

ολίσθηση

(

drift

)

•

Δυναμική περιοχή

του συστήματος ορίζεται ο λόγος της μέγιστης προς την ελάχιστη τιμή του σήματος εισόδου που μπορεί να διεγείρει το σύστημα και να υποστεί επεξεργασία με την καθορισμένη ακρίβεια •

Διακριτικός παράγοντας

(

discrimination factor

) F ορίζεται:

F = A dd / A cc

•

Απόρριψης κοινού τρόπου τροφοδοσίας (CMRR)

ορίζεται ο λόγος:

Η = A dd / A cd H (dB) = 20

 ο οποίος συνήθως εκφράζεται σε dB με βάση τη σχέση:

log



A dd / A cd



Σφάλματα

Τα σφάλματα κατά τις μετρήσεις μπορεί να είναι: •

Συστηματικά

ονομάζονται τα σφάλματα με σταθερό χαρακτήρα και εξαρτώνται από τη μετρούμενη διαδικασία ή το σύστημα μετρήσεων και εξουδετερώνονται με μηδενισμό ή ρύθμιση (

calibration

) με τη βοήθεια ειδικών προγραμμάτων •

Σφάλματα που οφείλονται σε επίδραση του περιβάλλοντος

αναφέρονται στην ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και δυσμενών συνθηκών λειτουργίας. Εξουδετερώνονται με κατάλληλη επιλογή των στοιχείων ώστε να μην επηρεάζονται πολύ από τις συγκεκριμένες συνθήκες με την προστασία του συστήματος από παρεμβολές (διαχωρισμός, θωράκιση, σταθεροποίηση κ.ά.) και την αντιστάθμιση των παρεμβολών με κατάλληλα σήματα •

Στοχαστικά

που οφείλονται σε τυχαίες διαδικασίες αναφέρονται στη δράση του θορύβου. Εξουδετερώνονται με δειγματοληψία, ολίσθηση της συχνότητας προς υψηλότερες,τεχνική

cross-correlation

και με ελάττωση της θερμοκρασίας

Βελτίωση των Μετρήσεων

Για τη βελτίωση του συστήματος των μετρήσεων εφαρμόζονται διάφορες τεχνικές. Η πιο διαδεδομένη τεχνική είναι η επιβολή

ανασύζευξης

βαθμίδα με είσοδο x, έξοδο y και συνάρτηση μεταφοράς Η επιβάλουμε αρνητική ανατροφοδότηση του σήματος εξόδου με ενίσχυση Κ, η νέα συνάρτηση μεταφοράς γίνεται:

H f



1 K 1



1 1 KH

Η σχετική ευαισθησία γίνεται:

 . Αν σε μία 

H H f f



H H





1 HK

Αν χαράξουμε τα διαγράμματα BODE του συστήματος πριν και μετά την επιβολή ανασύζευξης, θα παρατηρήσουμε ότι η ζώνη διελεύσεως του αυξήθηκε και έχουμε μείωση της ευαισθησίας ως προς διαταραχές στον απευθείας κλάδο Αν η διαταραχή συμβεί μετά το σύστημα μέτρησης, π.χ. με την επίδραση του σήματος X d και μηδενικό σήμα εισόδου έχουμε στην έξοδο:





d HK ή y



X d ( 1



HK )

Αν το γινόμενο Η·Κ είναι αρκετά μεγαλύτερο της μονάδας, η επίδραση της διαταραχής θα είναι αρκετά εξασθενημένη

Εργονομία

Ασχολείται με τις ικανότητες και τα όρια συμπεριφοράς των ανθρώπων, με σκοπό τη σχεδίαση των συστημάτων με τρόπο ευνοίκο για τους ανθρώπους Θεωρείται κλάδος της επιστήμης και το αντικείμενο του αναφέρεται σε: • Δημιουργία καλών συνθηκών εργασίας • Δημιουργία εύχρηστων και αποδοτικών εργαλείων, συσκευών και συστημάτων • Καθορισμό των ανώτερων επιτρεπτών φόρτων εργασίας για τον άνθρωπο • Ανακάλυψη των μηχανισμών με τους οποίους προσλαμβάνει την πληροφορία ο άνθρωπος και καθορισμό σχετικών κατωφλίων • Καθορισμό τρόπου παρουσίασης της πληροφορίας, για να είναι άμεσα κατανοητή Δύο είναι οι συνήθεις τρόποι πρόσληψης πληροφορίας από τον άνθρωπο: •

Ακοή

- Μπορεί να αντιληφθεί ακουστικά σήματα από 20 Hz έως 20.000 Hz περίπου, με διακριτική ικανότητα 3 Hz με καλύτερη περιοχή μεταξύ 300 Hz και των 6.000 Hz και 40 dB με 80 dB ως προς την ένταση, με όριο τα 140 dB

•

Όραση -

Περιορίζεται ανάμεσα στα 380 nm και 720 nm του οπτικού φάσματος, ενώ ο φωτισμός μπορεί να μεταβάλλεται από 10 -9 cd/m 2 έως 10 9 cd/m 2 με διακριτική ικανότητα ανάμεσα στα 1 και 20 nm Η καλύτερη περιοχή με τη μέγιστη ευαισθησία οφθαλμού είναι ανάμεσα στα 450 nm με 650 nm (κίτρινη προς πράσινη περιοχή) και με φωτισμούς μεταξύ των 10 cd/m 2 και 100 cd/m 2 Προφανώς, έξω από τις καθορισμένες περιοχές δεν είναι δυνατή η ακοή και όραση. Στην περίπτωση αυτή απαιτούνται ειδικές συσκευές για τη μετατροπή των σημάτων σε αντιληπτά από τον άνθρωπο σήματα οι διάφοροι

μορφοτροπείς

Στις περισσότερες περιπτώσεις, το αποτέλεσμα των μετρήσεων απεικονίζεται σε μίας μορφής οθόνη (CRT, LCD, LED) υπό μορφή γραμμάτων, σχεδίων, γραφημάτων, ειδικών σημάτων κ.ά.

Η επιλογή των χαρακτηριστικών του μηνύματος (χρώμα, ένταση, μέγεθος, απόσταση παρατήρησης κ.ά.) παίζει κρίσιμο ρόλο και για αυτό έχει απασχολήσει αρκετά τους ειδικούς επιστήμονες

Αξιοπιστία

Η αξιοπιστία των συστημάτων σχετίζεται απόλυτα με την ποιότητα των στοιχείων που τα απαρτίζουν. Η

ποιότητα

των στοιχείων εξαρτάται από τις μεθόδους ποιοτικού ελέγχου που εφαρμόζονται κατά την παραγωγή τους Η ποιότητα εξαρτάται από τον κατά την παραγωγή του

κύκλο ζωής

χρόνο ζωής

(

lifecycle

lifetime

), που είναι ο χρόνος που μεσολαβεί ανάμεσα στην παραγωγή και απαξίωση ενός προϊόντος και από το αν το προϊόν καλύπτει τις προδιαγραφές που έχουν τεθεί Σαν

αξιοπιστία

ενός συστήματος ορίζεται η πιθανότητα το σύστημα να λειτουργήσει σύμφωνα με τις προδιαγραφές του, μετά από κάποια περίοδο λειτουργίας του. Η αξιοπιστία R και η ποιότητα Q συνδέονται με τη σχέση:

R ( t )



Q t

Για μία συνεχή μεταβλητή x με συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας f(x), η κατανομή πιθανότητας (πιθανότητα να συμβούν κατά μέγιστο k γεγονότα) δίνεται από τη σχέση:

F ( x )



P ( x



k )

  



f ( t ) d ( t )

Αν θεωρήσουμε n συστήματα και το γεγονός x ότι ένα σύστημα θα αποτύχει, τότε η πιθανότητα ένα ή περισσότερα συστήματα να μην λειτουργήσουν ορθά υπολογίζεται από την όπου,

μ = np κατανομή Poisson

η μέση τιμή της κατανομής :

f ( x )



exp(

 

x !

)





x !

Η πιθανότητα να αποτύχουν x συστήματα σε χρόνο t δίνεται από την εξίσωση:

f ( x )



exp(

 

t x !

)(



t ) x

Η πιθανότητα να μην αποτύχει κανένα είναι:

f(0) = exp(-λt)

Στην εξίσωση ορισμού της αξιοπιστίας, η παράμετρος λ ονομάζεται

ρυθμός σφαλμάτων

(

failure rate

). Η ελπίδα ότι σε ένα σύστημα σε ένα χρονικό διάστημα θα λειτουργήσει η

MTBF

(

mean time between failure

) δίνεται από την εξίσωση:

E ( t )



 

R ( t ) dt



 

tf ( t ) dt



 

exp(

 

t ) dt



 

tf ( t ) dt

Η παράμετρος λ στην αρχή της ζωής ενός συστήματος συνεχώς φθίνει, κατόπιν, για ευρύ χρονικό διάστημα, παραμένει σταθερή και τέλος, αυξάνεται ταχέως.

Η χρήσιμη ζωή του συστήματος περιορίζεται στο χρονικό διάστημα που ο ρυθμός σφαλμάτων μένει σταθερός. Στην αρχή συμβαίνουν πάντα σφάλματα, που οφείλονται στη μη ορθή ρύθμιση, εκπαίδευση του προσωπικού κ.ά.

Διαθεσιμότητα και Αξιοπιστία

Κατά τη διάρκεια του χρόνου ζωής τους τα διάφορα συστήματα υφίστανται συντήρηση, ώστε να συνεχίζεται η ορθή λειτουργία τους Σαν

διαθεσιμότητα A(t)

ορίζεται ο λόγος του χρόνου ορθής λειτουργίας του συστήματος προς το άθροισμα του χρόνου ορθής λειτουργίας και του χρόνου που απαιτείται για τη συντήρηση του συστήματος. Αν ο μέσος χρόνος προς συντήρηση είναι

MTTR - Mean Time To Repair

, η διαθεσιμότητα εκφράζεται από τη σχέση:

A(t) = MTBF / (MTBF +MTTR)

Αν με μ συμβολίζουμε το ρυθμό συντήρησης, τότε MTTR = 1 / μ. Γνωστού όντος ότι MTBF = 1 / λ, η διαθεσιμότητα γίνεται:

A = μ / (μ + λ)

Αν ένα σύστημα απαρτίζεται από διάφορα υποσυστήματα σε σειρά, η συνολική αξιοπιστία του συστήματος υπολογίζεται από τη σχέση: όπου, R i είναι η αξιοπιστία του i υποσυστήματος



i n

 

1 R i

Αν η αξιοπιστία αυτή εκφράζεται με εκθετική συνάρτηση του χρόνου, τότε:

R ( t )



i n

 

1 R i ( t )



i n

 

1 exp(

 

i t )



exp(

 

s t )

όπου 



i n

 



    

 



...

 

Στην περίπτωση που όλα τα παράλληλα υποσυστήματα είναι σε λειτουργία και η αξιοπιστία τους εκφράζεται με εκθετική συνάρτηση του χρόνου, θα είναι:





i n

 

1 [ 1



exp(

 

i t )]

Όταν η συνδεσμολογία των υποσυστημάτων είναι πολύπλοκη εφαρμόζουμε μεθόδους, όπως για τον υπολογισμό των συναρτήσεων μεταφοράς: • Η μέθοδος της αναγωγής στηρίζεται στον υπολογισμό της αξιοπιστίας των επιμέρους υποσυστημάτων και τη σταδιακή σύνθεση του από τα μέρη • Με άλλη μέθοδο εξετάζουμε όλες τις πιθανές περιπτώσεις ορθής λειτουργίας του συστήματος (

path-tracing

) • (

Decomposition

) Συνίσταται στην ανάλυση του συστήματος σε απλά υποσυστήματα, ώστε να γίνει ο υπολογισμός εύκολος

Τεχνικές Markov

Ένα μοντέλο

Markov

τάξης k με m πιθανά γεγονότα για κάθε στοχαστική μεταβλητή x i μπορεί να βρεθεί σε m k δυνατές καταστάσεις. Το πλήθος των συμβόλων με τα οποία πρέπει να περιγραφεί κάθε κατάσταση ονομάζεται τάξη της αλυσίδας Markov π.χ. υποθέτοντας ότι m = 2 με x i = 1 ή 0, ο αριθμός των δυνατών καταστάσεων είναι 4 και διακρίνονται ως S 00 , S 01 , S 10 , S 11 Αν η αλυσίδα βρίσκεται σε μία κατάσταση, μπορεί να συμβεί μετάβαση σε μία άλλη και οι δυνατές καταστάσεις είναι πάλι m, δηλαδή ο αριθμός των μεταβάσεων είναι m k+1 , π.χ. με k = 1, m = 2, x καταστάσεων (

state diagram

) i = 0 ή 1, οι δυνατές μεταβάσεις είναι 0 → 0, 0 → 1, 1 → 0 και 1 → 1. Για κάθε μετάβαση ορίζεται μία πιθανότητα (υπό συνθήκη) και οι καταστάσεις με τις μεταβάσεις συνθέτουν το διάγραμμα Στην περίπτωση αυτή θα ισχύει:

P (0/0) + P (1/0) = 1

και

P (0/1) + P (1/1) = 1

και γενικά αν S α μετάβαση ισχύει: μία αρχική κατάσταση και S i

ΣP ( S i /S a ) = 1

η τελική κατάσταση, κατά τη

Σχεδίαση

Με τη σειρά οι διαδικασίες που εκτελούνται είναι συνήθως οι εξής: Καθορισμός της εφαρμογής και του σκοπού του συστήματος,της απαραίτητης αξιοπιστίας κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας, διαίρεσή του σε ανεξάρτητα τμήματα, καθορισμός άμεσης συνδεσμολογίας κατά τμήμα σε σχέση με το κόστος και την αξιοπιστία, υπολογισμός του κόστους παραγωγής για κάθε τμήμα, φιλοσοφίας συντήρησης, καθορισμός ρυθμών σφαλμάτων και ρυθμών συντήρησης, υπολογισμός αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας, σύγκριση των υπολογιζόμενων τιμών με τις τεθείσες ως απαίτηση Αν η σχεδίαση δεν είναι επιμελημένη, μπορεί το σύστημα να υπόκειται σε σφάλματα, είτε από κακή σχεδίαση των μερών του συστήματος, είτε από απρόσμενες λειτουργικές συνθήκες, είτε από κακή τροφοδοσία Τα εφαρμοζόμενα τέστ αξιοπιστίας είναι συνήθως σειριακής υφής και όχι τόσο αποδοτικά. Η σχεδίαση πρέπει να προβλέπει πάντα το χειρότερο σενάριο

14. Yλοποίηση Συστημάτων

Γλώσσες και Λειτουργικά Συστήματα

Κατά την σχεδίαση εφαρμογών μετρήσεων και ελέγχου, ο σχεδιαστής είναι αναγκασμένος να επιλέξει τα εργαλεία ανάπτυξης του

software

Η επιλογή αναφέρεται σε

γλώσσες προγραμματισμού

λειτουργικά συστήματα

ρόλο η ταχύτητα και οι οποίες εμφανίζονται συχνά, ο προγραμματισμός μπορεί να γίνει σε και

εργαλεία ανάπτυξης γλώσσες μηχανής

( . Για μικρές εφαρμογές, στις οποίες παίζει

machine language

) ή σε

γλώσσα Assembly

Πολλές φορές η επιλογή περιορίζεται απο το

hardware

Η προσωπική επιλογή του σχεδιαστή και η εμπειρία του είναι καθοριστικοί παράγοντες στην εξέλιξη της εφαρμογής

Οι απαιτήσεις των εφαρμογών μετρήσεων και ελέγχου από μια γλώσσα είναι: •

Ασφάλεια

, ώστε τα πιθανά λάθη να ανιχνεύονται και να διορθώνονται •

Αναγνωσιμότητα

, ώστε να καταλαβαίνουμε εύκολα τα τμημάτα του κώδικα •

Ευελιξία

, ιδιαίτερα σε λειτουργίες εισόδου – εξόδου •

Απλότητα

, ώστε να μαθαίνεται εύκολα •

Μεταφερότητα

, ώστε να μπορεί να τρέχει σε διάφορους υπολογιστές Οι πιο διαδεδομένες γλώσσες για εφαρμογές πραγματικού χρόνου είναι η

FORTRAN

BASIC, PASCAL

CORAL 66, MODULA 2

και η

• Για τον εύκολο, γρήγορο και αποδοτικό προγραμματισμό συστημάτων πραγματικού χρόνου έχουν αναπτυχθεί περιβάλλοντα γραφικού προγραμματισμού όπως το

LabVIEW

της

National Instruments

• Η ολοένα αυξανόμενη χρήση διαδικτυακών εφαρμογών ωθεί προς την χρησιμοποίηση γλωσσών

JAVA

, εργαλεία διαχείρισης παραγωγικών λειτουργιών, όπως το

RHYTHM

και λειτουργικά συστήματα

UNIX

•

Λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου

(

RTOS

)

Διαχείριση Έργου

Οι διαδικασίες διαχείρισης ενός έργου (

project management

) διακρίνονται σε: •

Aναγνώριση

του έργου (

project identification

) Eξετάζονται παράμετροι που αφορούν την αντικατάστασης χειροκίνητων συστημάτων από πλήρως αυτόματα, ο κορεσμός υφιστάμενων συστημάτων, η ξεπερασμένη τεχνολογία και η ανάγκη αντικατάστασης η αναβάθμισης •

Aποτίμηση

(

evaluation

) Aναφέρονται στοιχεία κόστους. Ακολουθεί η

ανάλυση

του έργου και ειδικά του προτεινόμενου συστήματος, ώστε να είναι δυνατή η

κατάρτιση προδιαγραφών

•

Eπιλογή

(

selection

) Η πιο κρίσιμη διαδικασία είναι η

διαδικασία αξιολόγησης

(κρίσης) των προτεινόμενων λύσεων που υποβάλλουν οι προμηθευτές. Δύο τρόποι:

Rank order

- κατάρτιση καταλόγου με σειρές, που αναφέρονται σε σημαντικά χαρακτηριστικά του συστήματος, και στήλες, που αναφέρονται σε προμηθευτές

Weighted table

συνίσταται στην κατάρτιση καταλόγου με τη διαφορά ότι για κάθε στοιχείο του συστήματος ορίζεται ένα μέτρο σπουδαιότητάς του μέσα στο σύστημα, καθόσον όλα τα στοιχεία του δεν είναι το ίδιο σπουδαία, οπότε οι προμηθευτές βαθμολογούνται ανάλογα με το μέτρο σπουδαιότητας του στοιχείου Η επιλογή του προμηθευτή μπορεί να μη βασίζεται μόνο σε στοιχεία κόστους ή κόστους/απόδοσης. Πολλές φορές απαιτείται να εξετασθούν μη άμεσα μετρήσιμα στοιχεία, όπως η προηγούμενη εμπειρία, η παρουσία στην αγορά, η ποιότητα των προϊόντων και των προηγούμενων έργων του Η ανάλυση του συστήματος, κατά κανόνα, καταλήγει σε προδιαγραφές που αφορούν τη λειτουργία του συστήματος ( του συστήματος, ώστε να προκύψει

functional specification

αναλυτική προδιαγραφή

( ). Για την ορθή σχεδίαση, στη φάση αυτή, απαιτείται λεπτομερής εξέταση όλων των λειτουργιών

detailed specification

)

Βιωσιμότητα Έργου

Κύριο κριτήριο εδώ είναι η

κερδοφορία

και η

τεχνική αρτιότητα

που κατά κανόνα ακολουθούνται αναφέρονται στον προσδιορισμό του κόστους και των εσόδων από τη λειτουργία του υλοποιούμενου συστήματος . Τα βήματα Το κόστος του έργου διακρίνεται σε εξοπλισμού, διαμόρφωση θέσεων εργασίας, εγκατάσταση εξοπλισμού κ.α.) και το

κόστος λειτουργίας κόστος αρχικής επένδυσης

(αγορά Τα έσοδα μπορούν να προσδιορισθούν με διάφορες μεθόδους (έρευνες αγοράς κ.α.). Με βάση τα στοιχεία αυτά συντάσσεται ειδική μελέτη (

μελέτη σκοπιμότητας ή βιωσιμότητας

), όπου προσδιορίζονται τα συνολικά οφέλη Για την αξιολόγηση της βιωσιμότητας ενός έργου χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι. Η πιο απλή μέθοδος αναφέρεται στον

τα πραγματοποιηθέντα έξοδα

προσδιορισμό της χρονικής περιόδου (payback period) που απαιτείται για να εξισωθούν τα έσοδα προς

Διαφορετικός τρόπος ανάλογα με τον ρυθμό εσόδων Στην περίπτωση σταθερού ρυθμού εσόδων διαιρείται το συνολικό κόστος προς τα ετήσια έσοδα, ενώ στην περίπτωση μη σταθερού ρυθμού εσόδων αθροίζονται τα έσοδα και προσδιορίζεται ο χρόνος που τα έσοδα εξισώνονται προς τα έξοδα. Ιδιαίτερα χρήσιμη μέθοδος σε έργα με σχετικά μικρό χρόνο απόσβεσης

Μέθοδο του μέσου ετήσιου ρυθμού απόσβεσης

(

average gross annual rate of return

) διαιρούνται τα έσοδα προς τον συνολικό χρόνο ζωής ενός έργου και το αποτέλεσμα εκφράζεται ως ποσοστό της αρχικής επένδυσης. Το ποσοστό αυτό μπορεί να βοηθήσει στην αξιολόγηση ενός έργου και ιδιαίτερα να δείξει αν ένα έργο είναι εύκολο να υλοποιηθεί Όπως είναι γνωστό, η αξία του χρήματος μεταβάλλεται με το χρόνο εξαιτίας του πληθωρισμού. Για τον υπολογισμό της πραγματικής αξίας ενός ποσού σε μια χρονική στιγμή γίνεται

αποπληθωρισμός

με βάση γνωστές μεθόδους