Transmisia Ethernet

CUPRINS

INTRODUCERE

CAP.1. DESCRIEREA CIRCUITULUI

SCHEMA BLOC A CIRCUITULUI

1.2. FAMILIA DE PROCESOARE MSP 430

1.3. MICROCONTROLERUL MSP430G2

1.4. CHIPUL ETHERNET W5200

CAP.2. SENZORI

3.1. PREZENTARE GENERALA

2.2. CLASIFICAREA SENZORILOR DE TEMPERATURA

3.2. SENZORUL DE TEMPERATURA LM50

CAP.3. TRANSMISIA ETHERNET

3.1. PREZENTARE GENERALA

3.2. MEDIUL DE COMUNICATIE

3.3. TRANSMISIA DATELOR

3.4. PROTOCOLUL TCP

CAP.4. DESCRIEREA REALIZARII PRACTICE

4.1. SCHEMA ELECTRICA A CIRCUITULUI

4.2 REZULTATE EXPERIMENTALE

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Sistemele de încălzire din locuințele noastre necesită în prezent o atenție deosebita, mai ales iarna, când este necesară ajustarea constantă a temperaturii. Automatizarea unui astfel de sistem ar putea aduce numeroase avantaje atât din punct de vedere al comfortului dorit, cât și din punct de vedere al consumului de energie. Cu un astfel de sistem ușor de controlat și modificat, putem opri încălzirea atunci când ea nu este necesară, sau evita supraîncălzirea atunci cand temperatura de afară este ridicată.

Algoritmul propus în lucrarea de față oferă posibilitatea de a stabili regulile de control automat al temperaturii într-o camera, precum și o accesare ușoara, la distanță, cu ajutorul transmisiunii datelor prin Internet.

Pentru partea software, am folosit limbajul de programare C++, iar pentru implementarea codului, am folosit mediul de dezvoltare Energia. Partea hardware conține următoarele componente principale: placa de dezvoltare MSP430, senzori de temperatură, modul de conectare Ethernet și element de încălzire. Accentul cade pe componenta principală, microcontrolerul, în jurul căruia se construiește sistemul. Placa de dezvolatare MSP430 ce conține microcontrolerul, primește date de la senzorii de temperatură, le analizeaza și ia decizii pe baza cărora trimite înapoi date, în funcție de cum dorim sa îl programăm. Fiecare model de placă conține un număr de pini digitali și unul de pini analogici, corespunzător intrărilor și ieșirilor. Pinii digitali sunt folosiți pentru a controla sau primi date de la aparate care au doua stări – oprit sau pornit, 0 sau 1, utili în acest caz pentru a opri sau porni sistemul de încălzire. Pinii analogici sunt folosiți pentru a citi date de la senzori care oferă date nu doar cu două stări, ci o multitudine de poziții intermediare între 0 și 1, foarte utili pentru citirea temperaturii dintr-o cameră. În final, întregul circuit va comanda un modul cu releu, care va fi închis sau deschis in funcție de datele transmise.

Modulul de Ethernet preia datele și le transmite mai departe către calculator, prin Internet, folosind protocoale de comunicații de tip TCP și CSMA/CD care asigură un transfer rapid, evitând posibile coliziuni. Modulul folosit conține cipul W5200 al firmei producătoare Wiznet.

În continuare se va detalia schema bloc a circuitului, cât și fiecare dispozitiv component în parte.

SCHEMA BLOC A CIRCUITULUI

FAMILIA DE PROCESOARE MSP430

MSP430 este o familie de microcontrolere RISC pe 16 biti produse de Texas Instruments. Arhitectura microcontrolerului este de tip von-Neumann și cuprinde: unitatea de procesare RISC pe 16 biți, memoria Flash de program până la 128 Bytes, periferice analogice ce pot conține atât convertoare A/D cât și convertoare D/A, precum și porturile paralele, seriale și timer-ele. Sistemul de power management include 6 moduri diferite, ceea ce permite controlul adecvat al puterii consummate în funcție de starea sistemului. Un circuit DMA asigură transferul rapid al blocurilor de date achiziționate, iar atașarea acestuia se poate face la majoritatea perifericelor existente pe chip.

Câteva dintre caracteristicile principale ale microcontrolerelor MSP430 le fac cele mai potrivite pentru aplicații portabile, cu acces la distanță, sau care necesita un consum mic de energie:

Procesorul este mic și eficient, cu un numar mare de registre

Dispozitivele pot fi puse foarte ușor în modul de reducere a consumului energetic(low-power mode); nu este necesară o instrucțiune specială, acest mod fiind controlat de biții din registrul de stare. MSP430 este trezit de o întrerupere și se întoarce automat la modul low-power după întrerupere

Există mai multe moduri low-power, în funcție de cât de mult dispozitivul trebuie să rămâna activat și cât de repede ar trebui să revină la funcționarea de viteza maximă

Există o gamă largă de ceasuri. De obicei, un ceas de cristal de joasă frecvență functioneaza continuu la 32 KHz și este folosit pentru a trezi periodic dispozitivul.

Procesorul este comandat de un oscillator intern, controlat digital, care repornește in mai puțin de o secundă. Prin urmare, MSP430 se poate trezi din modul standby mult mai rapid, și după executarea instrucțiunilor se întoarce la modul de consum energetic redus.

O gama largă de periferice este disponibilă, dintre care multe pot rula autonom, fară procesor, majoritatea timpului.

Multe dispozitive portabile includ ecrane cu cristale lichide, pe care MSP430 le poate

comanda direct.

Unele dispozitive MSP430 sunt clasificate ca specifice aplicațiilor pentru produse standard (ASSP) și conțin unitați hardware de tip analog, specializate pentru diferite tipuri de măsurători.

MICROCONTROLERUL MSP430G2553

Schema bloc a microncontrolerului:

În schema bloc a microcontrolerului se identifică ușor arhitectura de tip von-Neumann prin faptul că există o singură memorie de sistem, cu un singur set de adrese folosit atât pentru memoria volatilă, cât și pentru cea nevolatilă. Această arhitectură ar putea fi mai puțin avantajoasă, în sensul că necesită mai multe cicluri cu memoria pentru a extrage o instrucțiune completă din memorie. Cu toate acestea, sistemul este mai simplu și nu există o diferențiere între accesul datelor de tip numeric sau variabil.

Codul programului se scrie în memoria de program de tip Flash, nevolatilă. Datorită flexibilității ei, oferită prin design, este posibil ca memoria flash să fie citită sau scrisă la momentul execuției cu CPU. Acest tip de memorie permite de asemenea stocarea informației, fără ca aceasta sa fie pierdută la un restart, fiind o alternativa ușoară și necostisitoare pentru dispozitivele externe EEPROM.

CPU conține 16 registre și asigură un timp redus de executie al instructiunilor. Patru dintre registre, de la R0 la R3 sunt dedicate pentru: numărător de program, indicator de stivă, registru de stare și respectiv, generator constant. Restul registrelor sunt registre de uz general.

Instrucțiunile pot opera cu date la nivel de cuvânt sau bit. Setul de instrucțiuni contine 51 de instrucțiuni, cu 3 tipuri de format și 7 moduri de adresare: cu registrul, indexată, relativă, absolută, indirectă, indirectă cu autoincrementare și imediată.

CHIPUL ETHERNET W5200

Deoarece în lucrarea de față se dorește transmisia datelor prin internet și afișarea acestora pe un calculator, avem nevoie de un cip Ethernet care să faciliteze acest tip de comunicație cu microcontrolerul.

Cipul W5200 este un controler de Ethernet care permite conexiunea ușoara la internet pentru circuite folosind interfața SPI. W5200 este potrivit pentru aplicații care necesită un singur cip care să implementeze protocolul TCP/IP și care să suporte nivelul fizic al legăturii de date specificate de Ethernet pentru rețelele locale. Oferă o soluție economică pentru a construi un nod Ethernet, oferind comunicații de viteză mare 10MB/s și fiind capabil sa recunoască aplicațiile din terminale, stații de lucru, computere personale, sisteme mici de afaceri; are o interfață de sistem universal compatibilă cu aproape orice microprocesor, microcalculator, oferind posibilitatea operatorului de a regla, pentru orice aplicatie, balanța preț/performanțe. Secțiunile cipului de transmitere și de recepție sunt independente și pot opera simultan.

Cipul W5200. Descrierea pinilor.

Interfața SPI

Interfața permite unui transmițător să comunice cu alte componente din afara transmițătorului. SPI (Serial Peripheral Interface) este una dintre cele mai utilizate metode in stabilirea unei comunicații seriale între două sau mai multe dispozitive. SPI utilizează

dispozitive master/slave pentru controlul fluxului de date.

W5200 este configurat printr-o interfață SPI pe 4 fire, unde W5200 este considerat dispozitivul slave. Există patru semnale în magistrala SPI:

Master Output, Slave Input(MOSI)

Master Input, Slave Output (MISO)

Serial Clock (SCKL)

SPI Slave Select (SCS)

Comunicatia Master/Slave într-o interfață SPI

MOSI este folosit pentru a transfera date de la master la slave. MISO transferă date de la

slave la master. SCLK se ocupă cu sincronizarea interfeței seriale de comunicație. Un dispozitiv

slave poate comunica cu cel master cand linia Slave Select este zero. De fiecare dată când

dispozitivul master trimite un bit spre slave prin MOSI, dispozitivul slave trimite un bit spre master prin MISO. În acest fel, interfața SPI asigură o comunicare duplex deoarece informația este transmisă între slave și master concomitent.

SENZORI

Senzorul este definit ca fiind “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiții sau proprietăți și inregistrează, indică sau uneori răspunde la informația primită”. Astfel, senzorii au funcția de a converti un stimul intr-un semnal măsurabil, cuprinzand atat traductorul, care transformă mărimea de intrare in semnal electric util, cat și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor, și eventual pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor. Stimulii pot fi mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici la origine, in timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică.

De multe ori, informația căutată se referă la mărimi implicând o energie care se dezvoltă sau acționează în fenomenul studiat, de exemplu: energie mecanică (forța, presiune, deformație, deplasare, debit, viteză, accelerație): energie chimică (potențial electrochimic); energie termică

(temperatură, flux de căldură); energie radiantă (intensitate de radiație, distribuție spectrală a radiației); energie electrică (tensiune, curent, câmp electric, câmp magnetic etc.). În aceste cazuri, semnalul electric se poate obține prin conversia cu ajutorul traductorului, a mărimii neelectrice în mărime electrică. În acest scop, traductoarele trebuie să conțină un element sensibil la variația unui anumit parametru. Astfel, un traductor de temperatură trebuie să conțină un element sensibil la variația temperaturii, deci este necesar ca elementul sensibil al acestuia să aibă o proprietate fizică care depinde de mărimea măsurată în mod liniar și într-un interval mare.

Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante:

În funcție de tipul mărimii fizice de intrare senzorii pot fi clasificați în:

absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale

mărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referință) aleasă;

incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadrul

domeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.

Foarte importantă este clasificarea în funcție de tipul mărimii de ieșire, în:

senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.

Privind problema semnalului de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:

senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;

senzori cu un număr mare de valori tipul mărimii de ieșire, în:

senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.

Privind problema semnalului de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:

senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;

senzori cu un număr mare de valori, pentru măsurarea unei mărimi într-o anumită plajă; pot fi analogici sau numerici.

După natura marimii de intrare se disting:

senzori de pozitie

senzori de viteza

senzori de temperatura

SENZORI PENTRU MASURAREA TEMPERATURII

Termistorul

Una dintre cele mai comune si ieftine solutii de masurare a temperaturii este termistorul. In cea mai simpla forma, un termistor este un resistor dependent de temperatura cu variatia rezistentei odata cu temperatura. In mod ideal, acest raspuns ar trebui sa fie liniar. In practica acest lucru nu se intampla si aceasta neliniaritate trebuie corectata. Un mod simplu de corectie ar fi utilizarea unui convertor analog-digital al unui micontroller MSP430 pentru a masura rezistenta si liniariza rezultatul comparativ cu valorile continute de un tabel.

Traductorii de temperatură numiți termistori sunt rezistori semiconductori termosensibili care prezintă o variație specifică a rezistenței electrice în funcție de variația temperaturii (NTC – Rθ scade, când θ creste, iar PTC – Rθ creste, când θ creste).

Termistorii sunt utilizați pe scară largă într-o mare varietate de aplicații industriale, rezidențiale, birotică, autovehicule, etc deoarece au: sensibilitate ridicată, timp de răspuns scurt, dimensiuni reduse, fiabilitate mare.

Termistorii sunt realizați din materiale pe bază de germaniu, siliciu, carbon precum și oxizi sau amestecuri de oxizi de bariu, nichel, titan, cobalt etc. prin sinterizare la temperaturi ridicate.
Termistorii pot fi clasificati in doua clase, in functie de valoarea lui k- coeficientul de temperatura al rezistentei. Atunci cand valoarea lui k este pozitiva, rezistenta creste odata cu cresterea temperaturii si dispozitivul este numit termistor cu coeficient de temperatura pozitiv( PTC). Atunci cand coeficientul k este negative, rezistenta scade odata cu cresterea temperaturii si dispozitivul este numit termistor cu coefficient de temperatura negativ(NTC).

Termistorul NTC

Un termistor metal – oxid convențional are coeficientul temperatură negativ, adică rezistența lui va scădea cu creșterea temperaturii.

Caracteristici principale:

Legea de variație a rezistenței cu temperatura:

, T2>T1[K]

Coeficientul de variație a rezistenței cu temperatura:

[K]

Constanta de disipare termică:

[mW/ºC]

unde:

T – temperatura atinsă la echilibrul termic;

R – rezistența termistorului la temperatura T.

La utilizarea termistorilor în circuitele de măsurare sau reglare a temperaturii, trebuie să se ia

măsuri pentru a evita auto-încălzirea termistorului.

Constanta de timp termică τ [s]: este timpul aferent schimbării temperaturii termistorului cu 63,2 % din diferența între temperatura finală și inițială la o solicitare termică de tip „treaptă”, în condiții de „zero – power” (fără a fi parcurs de curent electric).

Tipic, reprezentarea grafică a caracteristicii R=f(T) se liniarizează prin logaritmare

Caracteristica termistorilor tip NTC

Termistorul PTC:

Prezintă o creștere bruscă a rezistenței când temperatura în creștere atinge o valoare specificată ([°C] temperatura nominală).

Se utilizează ca detectoare termice în asociere cu un auxiliar de comandă( releu electronic).

Caracteristica rezistență – temperatură Rθ=f(θ) este prezentata in urmatoarea figura:

Caracteristica pentru termistor tip PTC

Caracteristici tehnice (valori uzuale) ale termistorilor PTC:

– Rezistența nominală R25°C≤ 250Ω;

– Temperatura nominală: θN= 70÷150°C;

– Toleranța temperaturii nominale: ±Δ θN= ± 5°C;

– Rezistența la θN – Δ θN: ≤550Ω;

– Rezistența la θN + Δ θN: ≥1650Ω;

– Rezistența la θN + 15°C :≥ 4KΩ;

– Constanta de timp termică: τ≤ 6 sec

Termocuplu

Un alt exemplu de senzor de temperatura este termocuplul, care este realizat prin alipirea a doua metale sau aliaje diferite. Materialele folosite la construcția termocuplurilor trebuie să satisfacă următoarele condiții:

a. să aibă o compoziție omogenă și constantă;

b. să dezvolte o tensiune termoelectromotoare stabilă la temperaturi ridicate;

c. curba tensiunii termoelectromotoare in funcție de temperatură să fie căt se poate

de liniară;

d. să aibă o bună conductivitate electrică

e. proprietățile electrice ale metalului sau aliajului să nu se modifice in urma

oxidării;

f. forța electromotoare să fie constantă in timp;

Cele mai răspandite materiale sunt: platina, constantanul, cromelul, nichelul, alumel,etc.

Termocuplul se compune din două fire din metale diferite, numite termoelectrozi, sudate

la un capăt(1). Capătul sudat se numește sudură caldă, iar celelalte capete (2 și 3) numite capete

libere ale termocuplului, se leagă prin conductoarele de legătură la aparatul electric pentru

măsurarea tensiunii termoelectromotoare. Legăturile dintre capetele libere și conductoarele de

legătură constituie sudura rece. Temperatura sudurilor reci trebuie la o valoare constantă. Firele

folosite pentru prelungirea termocuplului se numesc fire de compensare, și au rolul de a muta

sudura rece din apropierea cuptorului intr-un loc cu temperatură constantă:

Arhitectura unui termocuplu

Măsurarea temperaturii θ (°C) cu ajutorul termocuplurilor se bazează pe aplicarea legilor

fenomenelor termoelectrice (legi fenomenologice, care explică mai mult partea calitativă a fenomenelor). Tensiunea termoelectromotoare care apare în circuitul termocuplului este rezultatul acțiunii concomitente a două efecte: efectul Thomson și efectul Seebeck.

Efectul Thomson: dacă extremitățile unui conductor omogen se află la temperaturi diferite (T1 <

T2) agitația electronilor crește cu temperatura, astfel că electronii se deplasează spre concentrațiamai mică, adică spre capătul mai rece, rezultă polaritatea (-) la rece și (+) la cald. Între capeteleconductorului apare tensiunea termoelectromotoare Thomson (funcție de material și ΔT):
,

unde: este coeficientul Thomson pentru conductorul a.

Dacă circuitul închis este din doi conductori omogeni de natură diferită (a și b), tensiunea

termoelectromotoare Thomson totală care apare în acest circuit este diferența tensiunilor pe ramuri:

Aceasta depinde de materialele (σa, σb) și de valorile temperaturii absolute T1 și T2 de la

joncțiunile din extremități.

Efectul Seebeck: la joncțiunea (locul de contact) celor doi conductori a și b apare o diferență de potențial datorită concentrației diferite a purtătorilor de sarcini din cele două metale (efectul Volta). Această tensiune depinde de temperatura absolută a joncțiunii:

Tensiunea termoelectromotoare pentru un termocuplu (a, b) dat este:

și depinde numai de valorile temperaturii absolute T1 și T2.

Termorezistențe

Senzorii rezistivi pentru măsurarea electrică a temperaturii se bazează pe dependența rezistivității conductoarelor metalice cu temperatura, de regulă o variație crescătoare a rezistivității cu creșterea temperaturii caracterizată printr-un coeficient de temperatură pozitiv (PTC – Positive Temperature Coefficient), de exemplu la senzorii din platină.

Dependența de temperatură a metalelor și a aproape a tuturor aliajelor dă oportunitatea

folosirii lor ca senzori de temperatură. Rezistența electrică apare in primul rand din cauza

agitației termice și ea depinde, pentru o temperatură dată, de natura materialului, prezența

impurităților sau a defectelor din rețeaua cristalină, lungimea și secțiunea materialului. La

modificarea temperaturii are loc atat o modificare a mobilității purtătorilor de sarcină, cat și o

modificare a dimensiunilor geometrice. Prin urmare, variația rezistenței electrice se datorează pe

de-o parte modificării rezistivității electrice, iar pe de altă parte modificării dimensiunilor

(dilatare). Deoarece coeficientul de variație al rezistivității cu temperatura este la metale cu două

ordine de mărime mai mare decat coeficientul de dilatare, ultimul efect este de obicei neglijabil.

Criteriile privind alegerea metalelor din care se confecționează termorezistoarele sunt:

– rezistivitate mare pentru obținerea unor traductoare de dimensiuni reduse

– coeficient de variație a rezistivității cu temperatura ridicat pentru a avea o sensibilitate

ridicată

– asigurarea unei purități cat mai ridicate pentru reproductibilitate

– stabilitate in timp la acțiunea agenților chimici

– și nu in ultimul rand preț de cost cat mai redus

Din păcate indeplinirea simultană a tuturor condițiilor de mai sus nu poate fi realizată. In

prezent ca materiale pentru realizarea termorezistoarelor metalice se folosesc: platina, nichelul,

cupru și wolframul.

Dintre metalele enumerate, platina se apropie cel mai mult de caracteristicile unui

termorezistor ideal: stabilitate pe termen lung, durabilitate, reproductibilitate in răspuns, poate fi

realizat cu puritate mare 99,99 %, inactivă chimic, etc.

Constructiv, termorezistoarele trebuie să fie protejate la acțiunea agenților exteriori, să

preia temperatura mediului in care sunt introduse, să nu fie influențate de fenomenele de dilatare,

să permită măsurarea atat in curent continuu cat și in curent alternativ.

Majoritatea termorezistențelor se construiesc cu valori nominale de 100Ω la 0°C sau, mai rar, de 10Ω la 0°C.

Caracteristica termorezistentei Pt 100

Senzorul LM 50

LM 50 este un circuit integrat cu senzor de temperatură, care poate detecta un domeniu de valori cuprinse între -40ºC si +125ºC folosind doar alimentarea pozitivă. Tensiunea de ieșire este liniar proporțională cu temperatura Celsius(+10mv/ºC) și are un offset de +500 mV. Offsetul ajută la citirea temperaturilor negative, fără a mai fi nevoie de alimentarea negativă. Tensiunea ideală de ieșire a senzorului LM 50 variază de la +100mV la +1.75V pentru valori de temperatură cuprinse între -40ºC și +125ºC. LM 50 nu necesită alte calibrări externe pentru o acuratețe de ±3ºC la temperatura camerei și ±4ºC în restul domeniului de valori(-40ºC- +125ºC).

Acest senzor a fost ales luând în considerare următoarele caracteristici:

Calibrare directa în grade Celsius

Acuratețe de ±2ºC la o temperatură de +25ºC

Gama de temperaturi masurată se situează între -40ºC și +125ºC

Potrivit pentru aplicații la distanță

Lucrează între 4.5V și 10V

Curent de drenă mai mic de 130μA

Nivel scăzut de auto-încălzire, mai puțin de 0.2ºC

FUNCTIONALITATEA PID

Un regulator PID este unul din cele mai utilizate instrumente atunci când este nevoie de controlul unei variabile, cum ar fi: viteza, temperatura, presiunea. Un regulator PID este folosit pentru a varia în mod continuu un regulator care ajustează variabila ce se doreste a fi controlata. Un regulator PID poate fi pus în aplicare în interiorul codului folosind calcule simple, dar precise.

Un regulator proportional integral dervivat( PID) este un mecanism de bucla feedback folosit in multe aplicatii industriale. Un semnal de eroare este calculat prin calcularea diferentei dintre valoarea dorita a fi obtinuta si valoarea efectiva de la iesirea sistemului. Controlerul efectueaza functii matematice PID asupra erorii calculate si suma rezultata se aplica in cadrul sistemului. Procesul de calculare a erorii este repetat continuu de fiecare data cand iesirea se schimba si functiile matematice ale regulatorului PID se aplica acestei noi erori.

Regulatorul PID este compus din trei termeni separati: proportionala, integrala si derivata. Fiecare termen afecteaza cate un aspect diferit al iesirii sistemului. Intrarea regulatorului este eroarea calculata. Derivata si integrala erorii calculate sunt luate astfel incat sa poata fi utilizate de regulator. Ajustarile facute cu ajutorul derivatei si intergralei sunt exprimate in unitati de timp; acestea sunt referite prin reciprocile lor: RESET si respectiv, RATE. Rata si resetul sunt metode folosite pentru a compensa offseturile si schimbarile de temperatura. Temperatura va scadea sau creste de la valoarea de referinta, pana ce se va obtine o temperatura stabila. Diferenta dintre temperatura stabila si cea de referinta se numeste offset, care poate fi compensata atat manual, cat si automat. Folosind resetarea manuala, utilizatorul va deplasa banda proportionala, astfel incat procesul sa se stabilizeze la temperatura de referinta. Resetarea automata, cunoscuta sub numele de integrala, va integra semnalul de abatere in raport cu timpul, iar integrala va fi insumata cu semnalul de abatere pentru a shifta banda proportionala. Puterea de iesire creste sau descreste astfel in mod automat pentru a aduce temperatura procesului inapoi la valoarea de referinta. Rata sau functia derivata ofera regulatorului capacitatea de compensare pentru variatiile rapide de temperatura.

Legea de reglare de tip P

Cea mai simpla lege de reglare este de tip proportional. Daca ne referim la structura clasica a sistemelor de reglare automata cu reactie unitara si un singur grad de libertate, ca in figura urmatoare, se poate define legea de reglare de tip P sub forma:

r ɛ u y

+ –

In acest caz putem spune ca regulatorul are o comportare de tip P, iar functia de transfer atasata acestuia este:

Un asemenea regulator are o comportare ideala reprezentata prin raspunsul indicial din figura: Raspunsul reprezentat punctat ar putea define comportarea reala a unui regulator de tip P. Aceasta comportare este determinate de modul de implementare a legii de reglare de tip P.

Ideal, pentru o treapta unitara aplicata la intrare(), raspunsul este o treapta de amplitudine egala cu factorul de amplificare.

Un regulator P poate controla orice proces stabil, insa performantele obtinute sunt limitate, iar eroarea in regim stationar pentru referinta treapta este diferita de zero.

Legea de reglare de tip PI

Daca la component P se adauga o component de tip integral(I), se obtine legea de reglare PI data de relatia:

Ca si in cazul legii de reglare de tip P, coeficientul poarta denumirea de factor de amplificare al componentei P, iar raportul = poarta denumirea de factor de amplificare al componentei integrale. In acest caz putem scrie relatia relatia anterioara sub forma:

Se poate observa ca factorul de amplificare este chiar coeficientul care defineste componenta proportionala , iar coeficinetul este determinat atat de cat si de constanta de timp a actiunii integrale . Functia de transfer atasata legii de reglare PI este:

Spre deosebire de regulatorul P, unde numai este ajustabil, in cazul regulatorului PI sunt ajustati cei dor parametrii si , sau si . Prin ajustarea componenteu integrale , se va modifica efectul actiunii de integrare, iar prin modificarea factorului de proportionalitate se modifica atat component integrala, cat si cea proportionala.

Comportarea reala a regulatorului PI, tinand seama de modul de implementare a legii de reglare, este diferita de comportarea ideala.

Prezenta componentei integrale in structura unui algoritm de reglare poate genera efecte nedorite ca urmare a saturarii.

TRANSMISIA ETHERNET

Arhitectura retelelor

Un concept foarte important in retelele de calculatoare este acela de protocol. Protocolul este un ansamblu de conventii si reguli pe baza carora se realizeaza transmiterea datelor.

Pentru reducerea complexitatii alcatuirii, majoritatea retelelor sunt organizate pe mai multe nivele( straturi), in sensul impartirii stricte a sarcinilor: fiecare nivel este proiectat sa ofere anumite servicii, bazandu-se pe serviciile oferite de nivelele inferioare. Atunci cand doua calculatoare comunica, in fapt, se realizeaza o comunicare intre nivelele de acelasi rang ale celor doua masini. Nivelul n al masinii A realizeaza schimb de date cu nivelul n al masinii B prin intermediul unui protocol numit protocolul nivelului n . In realitate datele nu sunt transmise de la nivelul n al unei masini catre nivelul n al alteia. In schimb, fiecare nivel realizeaza prelucrarile specifice asupra datelor si le transmit nivelului inferior, pana la nivelul fizic unde se realizeaza schimbul efectiv de date. Doar din punct de vedere logic se poate vorbi de o "conversatie" intre nivelele a doua masini. Intre oricare doua nivele adiacente exista o interfata , care stabileste care sunt serviciile oferite nivelului superior. In momentul proiectarii arhitecturii retelei trebuie sa se specifice clar numarul de nivele si interfetele aferente. Multimea protocoalelor si a nivelelor

reprezinta arhitectura retelei. Specificatiile arhitecturii( i.e. documentatia ce descrie

arhitectura) trebuie sa fie destul de detaliate pentru a permite implementarea de aplicatii care sa se conformeze specificului fiecarui nivel. In acest sens, ISO a elaborat un model arhitectural de referinta pentru interconectarea calculatoarelor, cunoscut sub denumirea de modelul arhitectural ISO/OSI cunoscut si sub denumirea de stiva OSI.

Modelul OSI imparte arhitectura retelei in sapte nivele, construite unul deasupra altuia, adaugand functionalitate serviciilor oferite de nivelul inferior.

Nivelul fizic are rolul de a transmite datele de la un calculator la altul prin intermediul unui mediu de comunicatie. Datele sunt vazute la acest nivel ca un sir de biti. Problemele tipice sunt de natura electrica: nivelele de tensiune corespunzatoare unui bit 1 sau 0, durata impulsurilor de tensiune, cum se initiaza si cum se opreste transmiterea semnalelor electrice, asigurarea pastrarii formei semnalului propagat.

Nivelul legaturii de date corecteaza erorile de transmitere aparute la nivelul fizic,

realizand o comunicare corecta intre doua noduri adiacente ale retelei. Mecanismul utilizat in acest scop este impartirea bitilor in cadre (frame), carora le sunt adaugate informatii de control. Cadrele sunt transmise individual, putand fi verificate si confirmate de catre receptor. Alte functii ale nivelului se refera la fluxul de date( astfel incat transmitatorul sa nu furnizeze date mai rapid decat le poate accepta receptorul) si la gestiunea legaturii (stabilirea conexiunii, controlul schimbului de date si desfiintarea conexiunii).

Nivelul retea asigura dirijarea unitatilor de date intre nodurile sursa si destinatie,

trecand eventual prin noduri intermediare( routing). Este foarte important ca fluxul de date sa fie astfel dirijat incat sa se evite aglomerarea anumitor zone ale retelei( congestionare). Interconectarea retelelor cu arhitecturi diferite este o functie a nivelului retea.

Nivelul transport realizeaza o conexiune intre doua calculatoare gazda( host) detectand si corectand erorile pe care nivelul retea nu le trateaza. Este nivelul aflat in mijlocul ierarhiei, asigurand nivelelor superioare o interfata independanta de tipul retelei utilizate. Functiile principale sunt: stabilirea unei conexiuni sigure intre doua masini gazda, initierea transferului, controlul fluxului de date si inchiderea conexiunii.

Nivelul sesiune stabileste si intretine conexiuni (sesiuni) intre procesele aplicatie, rolul sau fiind acela de a permite proceselor sa stabileasca "de comun acord"caracteristicile dialogului si sa sincronizeze acest dialog.

Nivelul prezentare realizeaza operatii de transformare a datelor in formate intelese

de entitatile ce intervin intr-o conexiune. Transferul de date intre masini de tipuri diferite (Unix-DOS, de exemplu) necesita si codificarea datelor in functie de caracteristicile acestora. Nivelul prezentare ar trebui sa ofere si servicii de criptare/decriptare a datelor in vederea asigurarii securitatii comunicatiei in retea.

Nivelul aplicatie are rolul de "fereastra" de comunicatie intre utilizatori, acestia fiind reprezentati de entitatile aplicatie( programele). Printre functiile nivelului aplicatie se afla:

o identificarea partenerilor de comunicatie, determinarea disponibilitatii acestora si autentificarea lor

o sincronizarea aplicatiilor cooperante si selectarea modului de dialog

o stabilirea responsabilitatilor pentru tratarea erorilor

o identificarea constrangerilor asupra reprezentarii datelor

o transferul informatiei

Ethernet functioneaza la nivelul fizic si al legaturii de date al stivei OSI.

Ethernet este la ora actuala cea mai cunoscuta si utilizata tehnologie de comunicatie pentru o retea locala. Standardul Ethernet este definit de IEEE (Institute for Electrical

and Electronic Engineers) ca IEEE 802.3 si defineste regulile pentru configurarea unei retele Ethernet precum si modul de interactiune între diferitele elemente ale unei astfel de retele.

Fiecare calculator echipat cu o placã de retea Ethernet, denumit si statie, functioneazã

independent de toate celelalte statii din retea: nu existã control centralizat. Toate statiile

atasate la retea sunt conectate la acelasi sistem de transport pentru semnal, denumit mediu

de comunicatie. Informatia este transmisã serial, un bit la un moment dat, prin linia de comunicatie cãtre toate statiile atasate acesteia.

O retea Ethernet are urmatoarle elemente de bazã: mediul fizic de comunicatie, protocolul de comunicatie si cadrarea informatiei.

1. mediul fizic de comunicatie – folosit pentru transmiterea semnalului purtãtor de

informatie între calculatoarele retelei;

2. protocolul de comunicatie – un set de reguli pentru controlul accesului la mediul de

comunicatie respectat de fiecare interfatã, pe baza cãruia se arbitreazã accesul mai

multor calculatoare la acest mediu;

3. cadrarea informatiei – un cadru Ethernet ce constã într-un set standardizat de biti

folosit la transportul datelor prin retea.

Mediul de comunicatie – Cabluri Ethernet

La elaborarea unei rețele locale alegerea suportului de transmisiune este influențată de performanțele urmărite, în primul rând de debitul datelor transmise în rețea și de alte criterii, cum ar fi: costul cablajului, folosirea unui cablaj existent, facilitățile de racordare a echipamentelor, fiabilitatea suportului ținând seama de mediul în care este instalat, protecția față de

perturbații, facilitățile de întreținere.

Suportul cel mai folosit în prezent este cablul cu fire metalice, coaxial sau cu perechi răsucite, dar, într-o măsură din ce în ce mai mare, sunt folosite și fibra optică și legăturile radio.

Liniile în cablu prezintă caracteristici foarte diferite în ceea ce privește lărgimea benzii de frecvențe utilizabile, atenuarea pe unitatea de lungime, atenuarea de paradiafonie (pentru circuite apropiate), impedanța caracteristică. Standardul 802.3 specifică subnivelul MAC și nivelul fizic pentru rețelele CSMA/CD. Specificările relative la mediul de transmisiune au fost elaborate succesiv, în secțiuni separate ale standardului, pentru debitele de 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s și 10 Gb/s. Distantele maxime pentru segmentele de retea Ethernet si numãrul de statii legate la o retea

Ethernet depind de tipul cablului de transmisie folosit.

Pentru o retea Ethernet sunt folosite urmãtoarele tipuri de cabluri:

• 10 Base 5 (sau cablu coaxial gros) – însemnând 10 Mb/s, în banda de bază, cu segmente de

cablu coaxial gros având, fiecare, o lungime de maximum 500 m;

• 10 Base 2 (sau cablu coaxial subtire) – 10 BASE 2 – 10 Mb/s, în banda de bază, cu segmente de cablu coaxial subțire, având lungimea maximă de 200 m (mai exact 185 m);

• 10 Base T – foloseste douã sârme torsadate (preferabil ecranate) într-o topologie stea, fiecare segment conectând un singur dispozitiv la un repetor, cunoscut sub numele de hub;

• 10 Base F – foloseste ca mediu de comunicatie cablul optic;

• 10 Broad 36 – singurul tip de mediu fizic cu transmisie în bandã largã, permite conectarea statiilor prin cablu TV cu circuit închis

Metoda CSMA cu detectarea coliziunii (CSMA/CD – Collision Detection)

Reteaua Ethernet foloseste protocolul numit CSMA/CD. Este cea mai utilizată tehnică de acces aleatoriu, normalizată în standardele IEEE 802.3 și ISO 8802.3 pentru rețele liniare. La ascultarea mediului înainte de a transmite se adaugă și ascultarea în timpul transmisiunii. Un sistem gata să transmită, detectând mediul liber, începe să transmită și continuă să asculte mediul de transmisiune. Astfel, dacă va avea loc o coliziune, aceasta este sesizată, transmisia mesajului este abandonată și sistemul emite un semnal special de bruiaj cu scopul de a avertiza și celelalte sisteme aflate în emisie. Sistemul va încerca să retransmită ulterior, conform unui anumit algoritm de reluare a transmisiunii. Această variantă aduce un plus de eficacitate în raport cu celelalte pentru că se detectează imediat coliziunile și se abandonează transmisia în curs. Coliziunea este sesizată comparând semnalul emis cu cel care se propagă pe mediul de transmisiune. Metoda de detectare a coliziunilor este relativ simplă dar necesită tehnici de codare (reprezentare a datelor) adecvate pentru a recunoaște ușor o suprapunere de semnale.

Cadrele Ethernet

Standardul IEEE 802.3 definește un format de bază al cadrului de date, care este cerut de toate implementările MAC, și câteva formate suplimentare opționale care sunt folosite pentru a extinde posibilitățile protocolului de bază. Formatul cadrului de bază conține 7 câmpuri si este folosit pentru transferul informatiei între statii. Un cadru constã din un numãr de biti organizati în câteva câmpuri. Acestea includ câmpurile cu adresele statiilor, câmpul pentru date având dimensiunea între 46 si 1500 biti, un câmp pentru controlul erorilor. Adresele pe 48 de biti sunt unice pentru fiecare placã de retea, sunt atribuite de producãtor si nu pot fi modificate

Primul camp al pachetului este campul Preambul, cu o lungime de 7 octeti, necesar statiilor care primesc pachetul sa se sincronizeze cu ceasul statiei transmitatoare.

Urmeaza campul SFD (Start Frame Delimiter), delimitator de inceput de cadru, care contine, pentru corecta sa interpretare, biti de non-informatie, avand o codificare Manchester diferita de codificarea pentru bitii de informatie 0 sau 1.

Adresa de destinație (DA – Destination Address) conține 6 octeți. Ea indică ce stație sau stații trebuie să recepționeze cadrul. O adresă de destinație poate indica fie o adresă individuală (corespunzătoare unei singure stații) sau o adresă „multicast” corespunzătoare unui grup de stații. O adresă având toți biții 1 se referă la toate stațiile din rețeaua LAN, și poartă numele de adresă „broadcast”.

Adresa sursei (SA – Source Address), conține de asemenea 6 octeți și indică adresa stației care transmite cadrul Este întotdeauna o adresă individuală.

Campul Lungime contine 2 octeti si defineste lungimea exacta a cadrului de date. Acesta va fi folosit mai departe de FCS pentru a asigura ca transmisia s-a realizat complet.

Campul Data contine informatia ce se doreste a fi transmisa. Data (DATA) este o secvență de n octeți de orice valoare, unde n este mai mic sau egal cu 1500. Dacă lungimea datelor este mai mică decât 46 atunci câmpul DATA trebuie extins prin adăugarea unui număr de octeți (Pad) pentru a aduce lungimea câmpului la 46 de octeți.

Campul FCS (Frame Control Sequence) are rolul de a detecta erorile din cadru. Suma de control a cadrului conține 4 octeți. Ei conțin o valoare care reprezintă suma de control CRC (cyclic redundancy check) pe 32 de biți a tuturor biților cadrului, mai puțin cei conținuți în câmpurile Preambul, SFD și FCS. Înainte de trimiterea unui cadru stația transmițătoare calculează suma de control și o memorează în câmpul FCS. Stația care recepționează cadrul face aceeași operație și compară rezultatul cu valoarea din câmpul FCS. Dacă valoarea calculată diferă de cea din câmpul FCS se consideră că s-a produs o eroare de transmitere și cadrul este abandonat.

Protocoale de transport in Interet

Protocoalele Internet sunt suita de protocoale cel mai larg implementată în echipamentele de calcul și comunicație ale producătorilor. Orice producător de computere oferă astăzi suport pentru cel puțin o parte din suita protocoalelor Internet

Suita de protocoale TCP/IP cuprinde o sumă de protocoale pentru prelucrarea datelor în procesul de comunicație:

• TCP (Transmission Control Protocol) comunicația între aplicații

• UDP (User Datagram Protocol) comunicația simplă între aplicații

• IP (Internet Protocol) comunicarea între computere

• ICMP (Internet Control Message Protocol) pentru erori și statistici

• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) pentru adresare dinamică

Dupa initializarea procesului, cipul de Ethernet poate transmite si receptiona date prin intermediul protocolului de comunicare TCP. TCP realizeaza conexiunea la socl folosind propria adresa IP, numarul portului si adresa IP a destinatiei. Când o aplicație vrea să comunice cu alta prin intermediul protocolului TCP, ea trimite o cerere de comunicație la o adresă precisă. După sincronizarea celor două aplicații TCP inițiază o comunicație full-duplex între cele două aplicații care va ocupa linia dintre cele două până când una dintre aplicații va închide comunicația.