Es gibt viele Möglichkeiten, die physikalische Schicht zu implementieren. Die Netzwerkausrüstung bietet eine breite Palette von Anschlussmöglichkeiten. Bestimmte Netze sind anhand des OSI-Modells genau definiert, wobei Kabel, Brücken, Industrierouter, serielle Server, DTUs und PCs leicht identifiziert werden können. Manchmal gibt es nur einige wenige Geräte, die über eine Art proprietäres Netz miteinander verbunden sind, oder einen Black-Box-Ansatz, bei dem der Netzdienst an das Gerät gebunden ist.
Das gebräuchlichste Gerät für den seriellen Datenaustausch ist ein serieller Server, d. h. ein RS232-, RS422- und RS485-Gerät, mit dem zwei oder mehr Geräte miteinander verbunden werden können. Für alle drei Schnittstellen werden die Begriffe Datenendgerät (DTE) und Datenkommunikationsgerät (DCE) verwendet. Eine DEE ist eine Komponente, die mit einer anderen Komponente an einem anderen Ort kommunizieren möchte, z. B. ein PC, der mit einem anderen PC kommuniziert. Die DÜE ist die Komponente, die tatsächlich kommuniziert oder die in der Norm besprochenen Generator- und Empfängerfunktionen ausführt. Modems sind ein gängiges Beispiel für DCEs.
Die Schnittstelle zwischen DEE und DÜE kann nach mechanischen, elektrischen, funktionalen und verfahrenstechnischen Aspekten klassifiziert werden. Die mechanischen Spezifikationen definieren den Steckertyp und die Anzahl der Stifte. Die elektrischen Spezifikationen definieren die Leitungsspannungen und Wellenformen sowie die Fehlerarten und -auswirkungen. Zu den funktionalen Spezifikationen gehören das Timing, die Daten-, Steuer- und Signalmasse sowie die zu verwendenden funktionalen Pins. Die Programmschnittstelle legt fest, wie die Signale ausgetauscht werden.
RS485 ist eine weitere serielle Datenübertragungsmethode. Offiziell handelt es sich um die EIA 485, die "Norm für elektrische Eigenschaften von Generatoren und Empfängern, die in symmetrischen digitalen Mehrpunktsystemen verwendet werden" der Electronics Industry Association (EIA). Diese Norm definiert eine Methode zur Erzeugung von Nullen als Spannungsimpulse. Denken Sie daran, dass es bei all der Datenverarbeitung, dem Framing, der Gruppierung, dem Routing und der Adressierung, die von den oberen Schichten durchgeführt werden, immer noch darum geht, 1en und 0en auf ein physikalisches Medium zu übertragen.
Das Wichtigste über RS485 ist, dass es mehrere Empfänger und Generatoren zulässt und dass die Kabeleigenschaften in Bezug auf die Signalgeschwindigkeit und die Länge spezifiziert sind. Typische Kabel sind abgeschirmte, verdrillte Kupferdrahtpaare, die für typische Signalisierungsraten von 10 Millionen Bits pro Sekunde (Mbps) ausreichen. Diese Norm definiert nur die elektrischen Eigenschaften der Wellenform. Beachten Sie, dass RS485 keine Mediensteuerungsfähigkeiten spezifiziert - dies hängt ausschließlich von dem an den Generator angeschlossenen Gerät (normalerweise ein Chip) ab. RS-485 funktioniert normalerweise mit Kabellängen von bis zu 2.000 Fuß.
Ein Beispiel für ein einfaches serielles Netzwerk könnte eine Reihe von Loggern sein, die über eine RS-485-Verbindung mit einem PC verbunden sind, der die von jedem Logger gesammelten Daten empfängt. Der Hersteller verkauft eine Einsteckkarte, die in jeden Videorekorder eingebaut wird und eine Verdrahtungsanleitung enthält. Jede Netzwerkkarte wird über eine Reihe von abgeschirmten Twisted-Pair-Kabeln mit anderen Netzwerkkabeln verbunden, die schließlich an einer Netzwerkschnittstellenkarte im PC enden. Abgesehen von der Kenntnis der Grenzen von RS-485 (Entfernung, Abschirmung, Datenraten usw.) ist es nicht notwendig, die Netzwerkschichten in dieser Anordnung zu kennen und zu verstehen.
Der Titel der RS422-Norm lautet TIA/EIA 422 B, "Electrical Characteristics of Balanced Voltage Digital Interface Circuits", die von der Telecommunications Industry Association (in Verbindung mit der EIA) entwickelt wurde. Ähnlich wie bei RS485; der Hauptunterschied besteht in der Anstiegszeit und den Spannungseigenschaften der Wellenform. RS422 ermöglicht normalerweise Kabellängen von bis zu 1,2 Kilometern und bis zu 100.000 Bits pro Sekunde (kbps). Bei 10 Millionen bps (Mbps) ist die Kabellänge auf etwa 10 Meter begrenzt (Abbildung 4-3). Bei Kabelungleichgewicht oder hohem Gleichtaktrauschen kann die Kabellänge weiter reduziert werden, um die gewünschte Signalisierungsrate beizubehalten.
RS232C ist wahrscheinlich die am weitesten verbreitete Form des seriellen Datenaustauschs. Die TIA, wiederum mit der EIA, nennt sie offiziell EIA/TIA 232 E, "Schnittstelle zwischen Datenendgeräten und Datenleitungsabschlussgeräten unter Verwendung des binären Datenaustauschs". Der Zusatz "E" weist auf eine höhere Version als die normale "C"-Version hin. Diese Norm unterscheidet sich von RS422 und RS485 dadurch, dass sie sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Schnittstelle definiert.
RS232 ist für Übertragungsraten bis zu 20 kbit/s und Entfernungen bis zu 50 Fuß geeignet. Nullen (Leerzeichen) und Einsen (Markierungen) werden auf der Grundlage der Spannungsdifferenz zum gemeinsamen Signal (3 V dc = 0, -3 V dc = 1) gemessen. Die gebräuchlichsten mechanischen Schnittstellen sind D-Sub-9- und D-Sub-25-Stecker.
Die Schaltkreise (Pins) in RS232-Geräten sind in vier Kategorien unterteilt: gemeinsames Signal, Datenschaltkreis (gesendete Daten, empfangene Daten), Steuerschaltkreis (d.h. Sendeaufforderung, Sendefreigabe, DÜE bereit, DEE bereit) und Zeitschaltkreis.
Die oben genannten Standards werden alle in seriellen Kommunikationssystemen verwendet, die für größere Entfernungen ausgelegt sind. Es gibt eine universelle parallele Schnittstelle, den General Purpose Interface Bus (GPIB) oder IEEE-488. Sie kann bis zu 15 Geräte miteinander verbinden, in der Regel Personalcomputer und wissenschaftliche Geräte. Sie bietet hohe Datenübertragungsraten von bis zu 1 Mbps, ist aber in ihrer Länge begrenzt. Die zulässige Gesamtlänge des Busses beträgt 20 Meter und der Abstand zwischen den Geräten darf 4 Meter nicht überschreiten.
Der IEEE-488-Bus ist eine parallele Mehrpunktschnittstelle mit 24 Leitungen, die für alle Geräte zugänglich sind. Diese Leitungen sind in Datenleitungen, Handshake-Leitungen, Busmanagementleitungen und Masseleitungen unterteilt. Die Kommunikation erfolgt digital, und die Nachrichten werden byteweise gesendet. Der Anschluss ist ein 24-poliger Stecker; die Geräte am Bus verwenden Buchsen, während die Verbindungskabel passende Stecker haben. Ein typisches Kabel hat männliche und weibliche Stecker, um eine Verkettung von Geräten zu ermöglichen.
Ein Beispiel für eine IEEE-488-Implementierung ist ein Messsystem zur Bewertung der Leistung von chemischen Probenzellen. Der Tank übernimmt die Probenaufbereitung (Druck-, Durchfluss- und Temperaturregelung) und die chemische Analyse (pH-Wert, gelöster Sauerstoff und Leitfähigkeit) von Wasserproben. Im Tank befinden sich der Drucksensor, der Widerstandstemperaturdetektor (RTD), das Thermoelement und die Vergleichsstelle. Ein 30-Punkt-Scanner wird verwendet, um Daten von allen Sensoren zu multiplexen. Der Scanner wird über eine GPIB-Schnittstelle an einen Desktop- oder Laptop-Computer angeschlossen. Unter IEEE-488 können die Daten mit Hilfe von Anwendungen auf Ihrem PC effizient und zuverlässig erfasst, gespeichert, angezeigt und reduziert werden.
Das Medium, das für die physikalische Schicht verwendet wird, ist in der Regel ein Satz von Kupferdrähten. Ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (UTP) ist das günstigste. Es ist leicht, einfach zu ziehen, einfach abzuschließen und nimmt weniger Platz in der Kabeltrasse ein als geschirmtes Twisted Pair (STP). Allerdings ist es anfälliger für elektromagnetische Störungen (EMI).
STP ist schwerer und schwieriger herzustellen, aber es kann die Signalisierungsraten in einem bestimmten Übertragungsschema erheblich steigern. Die Verdrillung hebt das Magnetfeld und den Stromfluss auf einem Leiterpaar auf. Magnetfelder entstehen in der Nähe von anderen Leitern, die große Ströme führen, und in der Nähe von großen Elektromotoren. Es gibt verschiedene Klassen von Kupferkabeln, wobei Klasse 5 die beste und teuerste ist. Kupferkabel der Klasse 5, die für 100-Mbps-Anwendungen geeignet sind, haben mehr Verdrillungen pro Zoll als Kupferkabel niedrigerer Klassen. Je mehr Verdrillungen pro Zoll, desto mehr Meter Kupferdraht werden für eine Kabellinie verwendet, und mehr Kupfer bedeutet mehr Geld.
Die Abschirmung bietet eine Möglichkeit, die das Kabel umgebenden elektrischen Felder zu reflektieren oder zu absorbieren. Abschirmungen gibt es in vielen Formen, von Kupfergeflecht oder -gewebe über aluminisiertes Mylar-Band, das um jeden Leiter gewickelt wird, bis hin zu verdrillten Paaren.
Da die Anwendungen der Nutzer immer höhere Bandbreiten erfordern, werden zunehmend Glasfaserkabel eingesetzt. Der Begriff "Bandbreite" bezieht sich technisch gesehen auf die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Frequenz eines Übertragungskanals, gemessen in Hertz (Hz). Allgemeiner ausgedrückt handelt es sich um die Kapazität oder die Datenmenge, die über eine bestimmte Leitung übertragen werden kann.
Die Standardbandbreite von Glasfaserkabeln beträgt 100 Mbit/s. Bei ihrer Einführung wurden Glasfaserkabel nur für spezielle Anwendungen eingesetzt, da sie teuer und schwierig zu handhaben waren. In den letzten Jahren hat sich der Einsatz von Glasfaserkabeln aufgrund des Strebens nach größeren Bandbreiten und der einfacheren Handhabung immer mehr durchgesetzt. Es werden Werkzeuge und Schulungen für die Installation und Fehlerbehebung von Glasfaserkabeln angeboten.
Es gibt drei Grundtypen von Glasfaserkabeln: Multimode-Fasern mit Stufenindex, Multimode-Fasern mit graduellem Index und Singlemode-Fasern. Multimode-Glasfasern werden in der Regel durch LEDs an beiden Enden des Kabels betrieben, während Singlemode-Glasfasern in der Regel durch einen Laser betrieben werden. Singlemode-Fasern können höhere Bandbreiten erreichen als Multimode-Fasern, sind aber dünner (10 Mikrometer) und physikalisch schwächer als Multimode-Fasern. Die Ausrüstung für die Übertragung und den Empfang von Singlemode-Glasfasersignalen kostet viel mehr (mindestens das Vierfache) als Multi-Mode-Signale.
Ein klarer Vorteil von Glasfaserkabeln ist die Störfestigkeit. Obwohl die Brandschutzvorschriften beachtet werden sollten, können Glasfaserkabel ungestraft durch lärmintensive Bereiche verlegt werden. Kabel, die durch mehrere Räume in einer Fabrik verlegt werden, sollten die Anforderungen der National Fire Protection Association (NFPA) für Brandbekämpfungs-, Belüftungs- und Klimatisierungssysteme (HVAC) erfüllen.
Schlüsselwörter: Industrielles Ethernet-Datenübertragungsgerät