Programmation Informatique & Communications Industrielles

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1 Programmation Informatique & Communications Industrielles Licence Professionnelle Distribution Electrique et Automatismes Industriels Option Batiment Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

2 Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

3 Organisation 8 travaux dirigés (TD) de 2h 6 travaux pratiques (TP) de 3,5h Contrôle des connaissances : o o 1 note : moyenne des CR de TP 2 devoirs surveillés (informatique sur machine et communication sur papier) Rapport : Un effort particulier de synthèse des TD et des TP sera réclamé pour la rédaction du compte rendu de TP. L objectif n étant pas de fournir un programme, mais de parvenir à expliquer comment vous êtes arrivé à ce programme. Les explications de ce rapport ne se destinant pas à l enseignant mais à une personne telle que vous, avant que vous ne suiviez cet enseignement. La présence à tous les enseignements est obligatoire. Toute absence non justifiée sera prise en compte dans la note de TP PLANNINGDES COURS/TD Semaine 41 Cours : VB environnement Bases Variables fonctions Applications console TD1 : Algorithmique et Visual Basic Application console Ex1 Caractères ASCII Ex2 et Ex3 Semaine 42 Curs RS232 TD3 Communication : norme RS232 Cours VB : Tableaux Semaine 47 TD2 Contrôles (interfaces HIM) TD5 Programmation : Tableaux & Structures Semaine 48 Cours Ethernet Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

4 Semaine 49 TD4 Calcul d Atténuation Cours sur CPL et X10 TD6 TRANSMISSION PAR COURANT PORTEUR CPL NORME X10 Semaine 2 Semaine 2 Codage en bande de base TD Transmission sans fils Semaine 4 Cours sur ZigBee TD7 : Etude et analyse d un module ZigBee Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

5 Sommaire des Cours Organisation...3 Cours : VB environnement Bases Variables...3 TD1 : Algorithmique et Visual Basic...3 Curs RS TD3 Communication : norme RS TD5 Programmation : Tableaux & Structures...3 TD4 Calcul d Atténuation...4 Sommaire des Cours...5 Chap1 : Communication série...1 Eléments de base des modes de transmissions...1 simplex / duplext3...1 Série / Parallèle...1 Synchrone / AsynchroneTD Mise en œuvre d un protocole de communication...3 Trame de communication : On définit l efficacité (ou rendement) de la transmission par le rapport entre le nombre de bits de données (utiles) et le nombre de bits total nécessaire à la communication...3 Paramètres entrant en jeu :...3 Utiliser le port série :...4 Présentation...5 Partie électrique...6 Partie Physique...7 Signification des signaux :...8 Décrire le chronogramme suivant :...9 Réduction du nombre de fils :...9 La connexion NULL MODEM...10 Il s agit de relier directement deux équipements DTE, sans passer par les DCE. La principale différence vient alors du croisement des fils d émission/réception (RD/TD), ce qui ne doit pas être fait dans le cas de connexions DTE-DCE...10 Exercice : transmission série d un caractère...11 Exercice : construction d un driver de souris...12 Chap 3 : Liaison série RS Présentation...13 Comparaisons avec quelques autres standards...13 Détails sur les différences majeures avec la norme RS Liaisons tensions : modes asymétrique & symétrique (différentiel)...14 Le mode half-duplex...14 Les supports...15 La paire torsadée...15 D autres supports...16 Résumé des caractéristiques en fonction du medium Etude des conducteurs électriques...17 Modèle à constantes réparties d une ligne électrique...17 Impédance caractéristique...17 Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

6 Atténuation / Dispersion...18 En haute fréquence...18 Exercice : topologie réseau à réaliser en TP...19 Techniques de test / correction d erreurs...20 Chap 4 : Bus de communication...21 Liste de quelques bus...21 Étude par «couches» des communications...22 Le modèle OSI (open system interconnection)...22 Rôle essentiel des couches...22 Couches OSI des bus de terrain...23 Couche no 1 Physique (physical)...23 Couche no 2 Liaison (link)...23 Couche no 7 Application (application )...23 Etude d un bus...24 Normes de câbles...26 La norme Ethernet (IEEE 802.3)...27 L évolution de la bande passante...28 Compatibilité électromagnétique (CEM)...29 Il faut impérativement :...29 Mise à la terre...30 Conversion de bases...31 Introduction...31 Notations...31 La base décimale...31 Conversion binaire -> décimal...31 Conversion décimal->binaire...32 La base hexadécimale...33 Conversion hexadécimal -> décimal...33 Conversion décimal -> hexadécimal...33 Conversion hexadécimal -> binaire...33 Conversion binaire->hexadécimal...33 Table des caractères ASCII...34 Benoit DELINCHANT IUT1, GEII1, Grenoble

7 Chap1 : Communication série Eléments de base des modes de transmissions simplex / duplext3 simplex : les données circulent dans un seul sens : émetteur vers récepteur Exemples : ordinateur imprimante, souris ordinateur, radio. half-duplex : les données circulent dans les 2 sens mais pas simultanément : la bande passante est utilisée en intégralité (aussi appelé alternat ou semi-duplex). Exemple : talkie/walkies, êtres humains (on ne coupe pas la parole). full-duplex : les données circulent de manière bidirectionnelle et simultanément : la bande passante est divisée par 2 pour chaque sens (duplex intégral). Exemple : téléphone. Série / Parallèle Parallèle : 8 lignes = 1 octet (ou plus, si besoin) de données sont émises simultanément. La transmission est donc intuitivement plus rapide qu une transmission bit par bit. Or il existe un certain nombre de difficultés, limitant le débit et la distance de ces connexions : Les fils proches entraînent des perturbations importantes à haut débit (diaphonie). Les bits doivent arriver de manière synchronisée au récepteur. Le nombre de fils pose un problème de place et de coût. Série : L'échange de donnée se fait par ligne unique. Les bits sont donc envoyés à la suite. Cet échange intuitivement plus lent que la communication parallèle s avère permettre des échanges plus rapides et sur de plus grandes distances. Pour ces raisons, il est très répandu et marginalise les communications parallèles aux seules applications sur courte distance comme l intérieur d un appareil électronique. 1/41

8 Synchrone / AsynchroneTD3 Comment être certain que le récepteur lit les états de la ligne au bon moment? C'est-à-dire comment gérer le problème de synchronisation entre émetteur et récepteur. Deux modes de transmission permettent de répondre à cette question : Mode synchrone : l émetteur et le récepteur sont cadencés à la même fréquence d horloge (incorporé au bus ou bien aux données). L horloge de réception et d émission doit émettre le même signal (pour la synchronisation). Le matériel le plus lent impose donc le rythme des communications. Le temps qui sépare l envoi de 2 messages doit être un multiple de Δt d un bit. Mode asynchrone : Chaque message est précédé d'un STARTbit et suivi d'un ou deux STOPbits. L'avantage des transmissions asynchrones réside dans la simplicité de la méthode. Le temps entre deux messages n'étant pas défini, le message est envoyé sans attendre la synchronisation. 2/41

9 Mise en œuvre d un protocole de communication Afin que les éléments communicants puissent se comprendre, il est nécessaire d'établir un protocole de transmission. Ce protocole devra être le même pour les deux éléments communiquants afin que la transmission fonctionne correctement. Trame de communication : Une trame est composée de 4 parties : 1 bit de start : la ligne au repos est à l'état logique 1, pour indiquer qu'un mot va être transmis la ligne passe à l'état bas avant de commencer le transfert. Ce bit permet de synchroniser l'horloge du récepteur. 5 à 8 bits de données : Les données effectives à transmettre, en commençant la transmission par les bits de poids faible vers les bits de poids fort. 0 ou 1 bit de parité : le mot transmis peut être suivi ou non d'un bit de parité qui sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission. Bit(s) de stop : après la transmission, la ligne est positionnée au repos. Trame de transmission en parité paire, avec 2 bits de stop, du caractère B dont le codage ASCII est On définit l efficacité (ou rendement) de la transmission par le rapport entre le nombre de bits de données (utiles) et le nombre de bits total nécessaire à la communication. Paramètres entrant en jeu : La vitesse de transmission : Elles sont normalisées et les valeurs principales en bauds en sont les suivantes: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 900, 1200, 2400, 3600, 4800, 7200, 9600, 19.2k, 38.4k, 57.6k, 115.2k Longueur des mots : de 5 à 8 bits de données. Nombre de bit de stop : 1, 2 ou 1,5 bits de stop. Control de flux : Sans, Matériel, Logiciel (XON/XOFF) Parité : Ce bit bit peut être forcé à 1 (mark parity) ou à 0 (space parity). Sinon la parité peut être : o paire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit pair sur l'ensemble donné + bit de parité. ex : soit la donnée contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 1, ramenant ainsi le nombre de 1 à 6. o impaire : le bit ajouté à la donnée est positionné de telle façon que le nombre des états 1 soit impair sur l'ensemble donné + bit de parité ex : soit la donnée contenant 5 état 1, le bit de parité paire est positionné à 0, laissant ainsi un nombre de 1 impaire. 3/41

10 Utiliser le port série : Relier un câble du port série COM1 au port série COM2. Lancer l hyperterminal (accessoires/communication) Configuration sur COM1 (9600 bauds, 8 bits de données, parité paire, 1 bit de stop, control de flux logiciel (Xon/Xoff). Lancer un autre hyperterminal sur COM2 avec la même configuration. Dialoguer entre les deux avec et sans le câble de connexion. Changer une des deux configuration (COM1 ou COM2). 4/41

11 Chap 2 : Liaison série RS232 Présentation La norme RS-232 (Recommended Standard 232) a été définie en par l EIA (Electronic Industries Alliance). Elle est également référencée V.24 par l ITU-T (International Telecommunication Union), renommée ainsi en 1993 et anciennement appelé CCITT (Comité Consultatif International des Téléphones et Télégraphes). La liaison série RS 232 est utilisée dans tous les domaines de l'informatique (ex : port de communication com1 et com2 des PC, permettant la communication avec des périphériques tels que modem / scanner / ), mais également dans le domaine des automatismes pour relier des capteurs aux automates, pour programmer un automate par un PC. Quelques périphériques RS232 : scanners optiques ou radiofréquence, contrôleur de vision, capteur d humidité et de température, serveur Wifi de port série Elle est de type «liaison série», permettant la communication entre deux systèmes numériques en limitant le nombre de fils de transmission par rapport à des liaisons parallèles. Elle est de type «asynchrone», c'est à dire qu'elle ne transmet pas de signal horloge contrairement aux liaisons synchrones. DTE : Data Terminal Equipment Système numérique U A R T Adaptation (TTL : MAX232) Signaux TTL (ou CMOS) DCE : Data Communication Equipment LIAISON RS232 Signaux RS232 MODEM (numériques) connexion directe Signaux analogiques (limité à qq mètres) (grandes distances) Système numérique U A R T Adaptation (TTL : MAX232) Signaux TTL (ou CMOS) LIAISON RS232 Signaux RS232 (numériques) MODEM Schéma fonctionnel de la liaison RS232 1 Electronics Industries Association, "EIA Standard RS-232-C Interface Between Data Terminal Equipment and Data Communication Equipment Employing Serial Data Interchange", August 1969, reprinted in Telebyte Technology Data Communication Library, Greenlawn NY, /41

12 Partie électrique Pour chaque signal, le support est un fil référencé par rapport à la masse. La norme permet d'adapter les signaux logiques (TTL ou CMOS) à l'aide d'un circuit adaptateur de ligne (ex : MAX232) qui transforme les niveaux logiques issus du système numérique en niveaux logiques compatibles avec les normes RS232 et vice versa. Avant adaptation : Après adaptation : Les niveaux logiques sont les suivants : Les niveaux logiques sont les suivants : niveau 0 = 0 V niveau 0 = +12 V (3V < v < 25V) niveau 1 = 5 V niveau 1 = -12 V (-25V < v < -3V) Adaptation de tension TTL ou CMOS en norme V28. Remarque : des tensions comprises entre -3V et +3V ne sont pas considérés comme de bons signaux. La ligne RS232 peut être représenté comme le circuit de jonction de la Figure 3 avec les caractéristiques du Tableau suivant, définie par la norme ITU-T V28. Circuit de jonction équivalent de la norme V28. Caractéristiques Min. Max. Tension du générateur en circuit ouvert (V0) ±25 V Courant de sortie en court-circuit (I0) 0.5 A Tension de jonction sur charge RL pour EL=0 (V1) ±5 V ±15 V Résistance de charge (RL) 3 kω 7 kω Capacité parallèle (CL) 2500 pf Vitesse 20 kbit/s Longueur de câble 50 m Temps de montée (slew rate) 30 V/µs Support 1 fil + masse Principales caractéristiques électriques du circuit de jonction (norme V28). 6/41

13 Partie Physique La norme EIA RS-232C définie l utilisation du connecteur de type Sub-DB25. Afin de simplifier les applications de la norme RS232, elle peut aussi être utilisée avec un connecteur Sub-DE9 (abusivement appelé Sub-DB9) il s agit de la norme EIA/TIA 574. Les possibilités de fonctionnement sont donc nécessairement réduites mais toujours largement suffisante pour des applications de communication standards. Sur les PC, la connectique RS232 disponible et de type Sub-D 9 points. D autres protocoles séries peuvent être trouvés avec des connectiques PS/2 (clavier/sourie) ou Sub-D 15 points (joystick ou instruments de musique : protocole MIDI). Connectique d un PC, Sub-D 9 male (sur le PC), Sub-D 9 femelle (sur le cable). Pin Nom RS232 V.24 Dir (DTE- Description DCE) 1 DCD CF 109 Détection de porteuse (DCD = Data Carrier Detect) 2 RD BB 104 Réception de données (RD = Receive Data) 3 TD BA 103 Transmission de données (TD = Transmit Data) 4 DTR CD Équipement prêt (DTR = Data Terminal Ready) 5 GND AB 102 Masse du signal (SG = Signal Ground) 6 DSR CC 107 Prêt à recevoir (DSR = Data Set Ready) 7 RTS CA 105 Demande d'autorisation à émettre (RTS = Request To Send) 8 CTS CB 106 Autorisation d'émettre (CTS = Clear To Send) 9 RI CE 125 Détection de sonnerie (RI = Ring Indicator) norme EIA/TIA 574, RS232 sur Sub-D 9 points 7/41

14 Signification des signaux : Notez que les sigles sont données interprétés du côté DTE : PC GND : (Ground) la masse. Référence nécessaire à toute mesure de tension. Lignes de données. Elles font passer les données numériques. RD : (Received Data) Données reçues (par le PC). TD : (Transmitted Data) Données émises (par le PC). Lignes de contrôle de flux. le contrôle de flux reste toujours (surtout dans une communication asynchrone) une logique de réception, c'est à dire que c'est la faculté de réception du partenaire qui indique si oui ou non un équipement va émettre. RTS : (Request to Send) Indique que le DTE (PC) est prêt à émettre, même si la traduction littérale est «demande d'émission». CTS : (Clear to Send) Indique que le DCE (modem) est prêt à recevoir, même si la traduction littérale est «autorisé à émettre». Lignes d'intérêt. Ces lignes indiquent au correspondant que l'équipement qui les met à '1' s'intéresse à la liaison RS-232. Le fait de faire passer temporairement l'une de ces lignes à '0' constitue un «break». DSR : (Data Set Ready) Indique que le DCE (modem) écoute sa liaison RS-232. DTR : (Data Terminal Ready) Indique que le DTE (PC) écoute la liaison RS-232. Autres lignes d'état du modem : DCD : (Data Carrier Detect, aussi nommée RLSD : Receive Line Signal Detect) Indique au DTE (PC) qu'une porteuse de données valide est bien détectée sur le RTC (réseau téléphonique commuté). RI : (Ring Indicator) Indique au DTE (PC) que la ligne téléphonique à laquelle le modem est relié est en train de sonner. 8/41

15 Décrire le chronogramme suivant : Exemple d une mise en œuvre du protocole de communication. Phase 1 : Phase 2 : Phase 3 : Phase 4 : Phase 5 : Phase 6 : Réduction du nombre de fils : Le coût d un câble est directement proportionnel au nombre de fils qu il contient. La norme RS232-C, utilisant la connectique SubD-25, utilise 23 fils. La norme EIA/TIA 574 (RS232 en SubD 9 points), en supprimant un certain nombre de fonctionnalités optionnelles, a réduit le nombre de fils à 9. Les fils obligatoires correspondent aux fils de transmission des données (GND, RD, TD). Les autres peuvent être optionnels ou simulés. C est par exemple le cas de RI qui peut être simulé par l envoi des caractères 'R','I','N','G',<RC>. 9/41

16 La connexion NULL MODEM Il s agit de relier directement deux équipements DTE, sans passer par les DCE. La principale différence vient alors du croisement des fils d émission/réception (RD/TD), ce qui ne doit pas être fait dans le cas de connexions DTE-DCE. Le control de flux peut être logiciel (protocole XOn/XOff). On utilise pour cela des caractères de fin de transmission (XOFF=19, caractère CTRL+S) et de reprise de transmission (XON=17, caractère CTRL+Q). Ainsi aucun fil n est nécessaire. L auto-control de flux. Pour cela, des fils sont rebouclés de DTR (Data Terminal Ready) à DSR (Data Set Ready) puis par la même occasion à DCD (Data Carrier Detect). Ainsi que de RTS (Request To Send) à CTS (Clear To Send). Dans cette solution matériel, les équipements s autorisant eux-mêmes à émettre, il n y a pas réellement de control de flux! Le control de flux partiel. Le protocole RTS/CTS peut être utilisé. Le control de flux complet. Les protocoles RTS/CTS et DTR/DSR peuvent être utilisés. Control de flux Sans Avantages Inconvénients Schéma de câblage Nombre de fils. Lenteur, Fiabilité. Auto Nombre de fils. Rapidité Fiabilité. Partiel Rapidité Complet Rapidité, Applications spécifiques Nombre de fils. Différentes gestion du control de flux Faces avant et arrière de la connectique Sub D9S (à souder) 10/41

17 Exercice : transmission série d un caractère. Soit une liaison série configurée de la manière suivante : 9600 bauds, 8 bits de données, parité paire, 1 bit de stop, control de flux matériel. Quelles sont les configurations de câblage pour réaliser cette communication? Soit le caractère A à envoyer par la liaison série. Quel est le code ASCII (décimal et hexadécimal) de ce caractère? Donner la valeur binaire correspondante. Tracer le chronogramme logique correspondant ainsi que le chronogramme des tensions sur le câble RS232. Données V Tensions -10V temps bit temps bit Même question pour le caractère a. Données V Tensions -10V temps bit temps bit Utiliser le programme «r:\licence pro\rs232\rs232.swf» pour visualiser ces chronogrammes. Calculer l efficacité (rendement) de la transmission. Proposer des solutions permettant d améliorer ce rendement pour la transmission de caractères ASCII non étendu (0->127). 11/41

18 Exercice : construction d un driver de souris. Les souris sont des dispositifs communiquant de manière série avec l ordinateur. Le protocole des souris Microsoft compatibles PS2 / RS232, utilise 1 bit de start, 7 bits de données, pas de parité, et 1 bit de Stop, ceci a 1200 bits/sec. Les données sont envoyées par paquets de 3 octets, constituant le télégramme suivant : octet d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 1 X 1 LB RB dy7 dy6 dx7 dx6 2 X 0 dx5 dx4 dx3 dx2 dx1 dx0 3 X 0 dy5 dy4 dy3 dy2 dy1 dy0 LB (left button), respectivement RB (right button), vaut 1 quand le bouton gauche, respectivement droit, est pressé. Les mouvements en x (dx) et en y (dy) sont codés sur 8 bits dont les bits de poids faibles se trouvent sur les octets 2 et 3 et le reste dans le premier octet. Calculer la durée du télégramme. En déduire la fréquence de rafraîchissement du pointeur souris. Donner les masques permettant d isoler LB et RB. Ecrire les instructions C correspondantes. Donner une solution permettant de reconnaître le début de transmission (arrivée du premier octet du télégramme). Faire l algorigramme correspondant. 12/41

19 Chap 3 : Liaison série RS485 Présentation La norme RS-485 (EIA-485), contrairement à la norme RS232, ne définit que les caractéristiques électriques de la couche physique. Les principales différences sont le medium de communication (une paire torsadée), un mode de tensions différentielles, et la possibilité de travailler en réseau (et non en mode point à point). Caractéristiques Min. Max. Tension du générateur en circuit ouvert ±6 V Courant de sortie en court-circuit 150 ma Résistance interne du générateur 50 Ω 100 Ω Résistance de charge 100 Ω Capacité parallèle 2500 pf Vitesse 10 Mbit/s Longueur de câble 10m 1km Circuit de jonction équivalent et Support Paire différentielle principales caractéristiques électriques de la norme V11 (RS-485). Comparaisons avec quelques autres standards SPECIFICATIONS RS232 RS423 RS422 RS485 Mode of Operation SINGLE SINGLE DIFFERENTIAL DIFFERENTIAL -ENDED -ENDED Total Number of Drivers and Receivers on One Line 1 DRIVER 1 RECVR 1 DRIVER 10 RECVR 1 DRIVER 10 RECVR 32 DRIVER 32 RECVR Maximum Cable Length 50 FT FT FT FT. Maximum Data Rate (40ft ft. for RS422/RS485) 20kb/s 100kb/s 10Mb/s-100Kb/s 10Mb/s- 100Kb/s Maximum Driver Output Voltage ± 25V ± 6V -0.25V to +6V -7V to +12V Driver Output Signal Loaded ± 5V to ± 3.6V ± 2.0V ± 1.5V Level (Loaded Min.) ± 15V Driver Output Signal Unloaded ± 25V ± 6V ± 6V ± 6V Level (Unloaded Max) Driver Load Impedance (Ohms) 3k to 7k >= Max. Driver Current in Power On N/A N/A N/A ± 100uA High Z State Max. Driver Current in Power Off ± ± 100uA ± 100uA ± 100uA High Z State ± 2v Slew Rate (Max.) 30V/uS Adjustable N/A N/A Receiver Input Voltage Range ± 15V ± 12V -10V to +10V -7V to +12V Receiver Input Sensitivity ± 3V ± 200mV ± 200mV ± 200mV Receiver Input Resistance (Ohms), (1 Standard Load for RS485) 3k to 7k 4k min. 4k min. >=12k High speed bus : LVDS : Low Voltage Differential Signaling ECL - Emitter Coupled Logic CML : Current Mode Logic IEEE 1394 (firewire) Zone couverte par la liaison RS-485 Zones de fonctionnement (longueur/débit) de quelques normes. 13/41

20 Détails sur les différences majeures avec la norme RS232 RS232 RS485 Connexion Point à point Bus Emetteurs / récepteurs 1 / 1 32 / 32 Couplage électrique Mode asymétrique Mode symétrique (différentiel) Support physique 2 fils de données + masse 1 paire torsadée Type de liaison Full duplex Half duplex Débit maximum 20 kb/s 10 Mb/s Portée typique 10 m 1 km Liaisons tensions : modes asymétrique & symétrique (différentiel) mode asymétrique : les états logiques sont transmis sur la ligne par 2 niveaux de tension, l un positif, l autre négatif. Le plus utilisé travaille en logique négative pour le 1 logique (exemple : RS 232). Les systèmes basés sur ce mode sont sensibles aux bruits ( 20Kbit/s, 15 mètres max). mode symétrique (différentiel) : Il s agit d un amplidifférentiel. Il n est concerné que par la différence de tension (insensible aux bruits) Il permet la communication sur grandes distances (1200 mètres) à des vitesses élevées (10 Mbit/s) (exemple : RS 485) Le mode half-duplex Contrairement à la RS232 qui est full duplex, la RS485 est généralement halfduplex et ne nécessite alors que 2 fils. Si un appareil émet, l'autre passe ses sorties TxD+ et TxD- en haute impédance. En RS485, il est toujours possible d'utiliser deux paires pour communiquer en mode full-duplex. 14/41

21 Les supports La paire torsadée La paire de fils torsadée est le support physique de communication le plus utilisé, notamment sur les bus de terrain. Le nombre de torsions par pied (33cm) de câble est en fonction de l utilisation prévue. Ses principales caractéristiques sont : son coût est relativement faible non blindé : o débit max. = quelques dizaines de Mbits/s o distance max. = quelques centaines de mètres o sensible aux perturbations électromagnétiques blindé : o débit max. = env. 100 Mbits/s o distance max. = env. 1 km Effet des perturbations électromagnétiques Qu elles viennent de sources externes où des conducteurs voisins (diaphonie), des sources de champs électromagnétiques peuvent perturber le signal. Sensibilité aux champs magnétiques : les câbles torsadés sont moins sensibles aux champs magnétiques car les tensions induites par les variations de flux s annulent mutuellement. sensibilité aux champs électriques : les blindages améliorent encore l immunité aux perturbations sensibilité aux défauts de masse : possibilité d isoler les coupleurs par transformateurs Les câbles comportent généralement 4 paires (8 fils) et disposent de différents blindages selon que les paires sont blindées individuellement ou que l ensemble est écranté par rapport à l extérieur : Paire torsadée non blindée - Unshielded Twisted Pair (UTP) Paire torsadée écrantée - Foiled Twisted Pair (FTP) ou Screened Unshielded Twisted Pair (ScTP) - dénomination officielle (F/UTP) Paire torsadée blindée - Shielded Twisted Pair (STP) - nouvelle dénomination U/FTP Paire torsadée écrantée et blindée - Shielded and Foiled Twisted Pair (SFTP) - nouvelle dénomination SF/UTP Unshielded Twisted Pair (UTP), Foiled Twisted Pair (FTP), Shielded Twisted Pair (STP) 15/41

22 D autres supports le câble coaxial offre des performances supérieures, mais est difficile à mettre en oeuvre la fibre optique est intéressante sur le plan CEM, mais sa mise en oeuvre est plus difficile (fibre plastique plutôt que fibre de verre). les radio transmissions sont parfois utilisées (Wifi, bluetooth) o Wifi b, pour ordinateur portable principalement, utilise la bande 2,4 Ghz. Peut atteindre des débits de 11Mb/s sur une portée de 300 mètres et plus en fonction de la puissance de l émetteur. o Bluetooth, pour PDA, Ordinateur portable, capteur, véhicule, lecteur de code barre plus intéressante que l infrarouge (IrDA) car non directionnel. La puce est également extrêmement économe en énergie. Ne dépasse pas les 1 Mb/s en taux de transfert pour une distance maximale de quelques mètres (750 kb/s à 10m). Résumé des caractéristiques en fonction du medium 16/41

23 R << ω G ω < C et Etude des conducteurs électriques Lorsqu'on envoi un signal dans une ligne cela se traduit par une onde incidente qui voyage à environ km/s, (Facteur de vélocité 0,7 : vitesse=facteur*c) En bout de ligne se produit un phénomène de réflexion voire la création d une onde stationnaire, qui peut complètement perturber la communication. Modèle à constantes réparties d une ligne électrique. La résistance de ligne R, modélise les pertes dans les conducteurs, elle dépend de la section du conducteur et de la conductivité électrique du matériau utilisé. Elle varie en fonction de la température (une augmentation de 20 C induit une variation de 8% sur la résistance). Elle varie également en fonction de la fréquence en raison de l effet de peau. R = qq 10 Ω/km L'inductance de ligne L, modélise l influence magnétique entre les conducteurs. Elle dépend de la distance entre les conducteurs, de leur diamètre, mais également de la qualité des torsades et du pas de torsade des conducteurs. L = qq 0.1 mh/km La capacité de ligne C, modélise l influence électrostatique entre les conducteurs. Elle dépend de la distance entre les conducteurs, de leur diamètre, de la constante diélectrique de l isolant, mais également de la qualité des torsades et du pas de torsade des conducteurs. C = qq 10 pf/km La perditance ou conductance transversale G, modélise les pertes dans l isolation des conducteurs. Elle dépend des pertes diélectriques, de la capacité de ligne et augmente en fonction de la fréquence. La résistance de l'isolation des lignes dépasse les MΩ/km soit G < ms/km. Impédance caractéristique L impédance caractéristique Zc correspond à l impédance qu aurait la ligne non fermée si elle possédait une longueur infinie. Zc est aussi l impédance qu on mesurera aux bornes d une ligne finie mais terminée par une impédance de terminaison de valeur identique à l impédance caractéristique Zc du câble. Afin d assurer des bonnes caractéristiques de la ligne, on veillera toujours à connecter cette impédance en bout de ligne, on parle d adaptation de ligne. R' + jl ω Z C = G' + jc ω, dans l hypothèse de faibles pertes ( L indépendante de la fréquence : L Z C = C ), Zc est réelle, 17/41

24 ( R+ j L ω )G ( + j C ω ) αre γ() 20 log ( e) Atténuation / Dispersion Le signal U(t,x) subit une modification de nature exponentielle le long de son trajet :, U( x) e U( t t, ) avec γω() Deux défauts apparaissent alors durant la transmission : Atténuation : elle est liée à la partie réelle de γ(ω) introduisant une modification sur l amplitude du signal. Elle est caractérisée par l affaiblissement linéique (db/m) : Re( γ ) Par quelques approximations, on simplifie les calculs par R 2 Z c Dispersion : elle est liée à la partie imaginaire de γ(ω), introduisant une modification sur la phase du signal. Un signal carré arrive déformé au bout de la ligne, sous l effet d un déphasage affectant de manière différente chaque harmonique du signal. t t En haute fréquence En haute fréquence, l effet pelliculaire apparaît, et les pertes diélectriques peuvent devenir non négligeables. L effet pelliculaire fait croître R proportionnellement à ω Les pertes diélectriques font croître G proportionnellement à ω t t 18/41

25 Exercice : topologie réseau à réaliser en TP RS232 est une liaison point à point. RS485 est une liaison permettant de réaliser un réseau. Nous souhaitons donc réaliser un réseau d ordinateurs en RS485 à partir de leur port série. Pour cela, nous allons utiliser une carte de conversion 232/485. Quelles sont les adaptations à faire pour passer de la norme RS232 à la norme RS485. A partir des cartes fournies, retrouver les composants intervenants dans cette conversion ( La topologie de bus linéaire est choisie, que faut-il faire pour ne pas avoir de réflexion de l onde en bout de ligne? Faire un schéma du réseau. 19/41

26 Techniques de test / correction d erreurs Parité : Bit(s) ajouté(s) à l'information pour en vérifier l'intégrité. Lorsque l'on parle de caractères, la parité (horizontale : LRC) peut être paire (toujours un nombre pair de bits positionnés à 1) ou impaire, ou forcée à un, ou nulle. La vérification de la parité peut être utile lorsque l'on transmet de l'information à haute vitesse ou sur des lignes de qualité médiocre. Parité verticale : de la même manière que pour la transmission d un octets où chaque bit est considéré pour placer un bit de parité à 1 ou 0, ici les bits 0, 1, 7, de chaque octets sont utilisés pour calculer une parité verticale : Données NXOR Calcul en parité impaire (paire : XOR) Parité combinée : en combinant les deux parités précédentes, il est possible de corriger une erreur de transmission. En effet, en croisant la ligne donnant une parité horizontale fausse et la colonne donnant une parité verticale fausse. Checksum : travail sur l ensemble des données. Ici la somme arithmétique des données est calculée est tronquée sur 8 bits Données Somme arithmétique Somme tronquée à 8 bits Checksum zero (entier 8 bits, non signé) CRC : Cyclic Redundancy Check. Code (polynômial) de redondance cyclique. Le CRC est utilisé pour se prémunir contre les pertes d'informations ou leur altération en créant une redondance limitée pouvant permettre une autoréparation du message. (Exemple Ethernet). 20/41

27 Chap 4 : Bus de communication Un grand nombre de normes de bus de communication existe. Ces normes visent généralement un panel d applications spécifiques mais pour lesquelles il peut exister des recouvrements. Certaines normes sont propriétaires d autres ouvertes, elles peuvent être définies par des industriels, ou des organisations. Évaluation de la répartition du marché en 2007 des bus de communication pour l acquisition de données Liste de quelques bus USB (Universal Serial BUS) FireWire IEEE 1394 GPIB (General Purpose Interface Bus) IEEE 488 Hart (Highway Addressable Remote Transducer) LON (Local Operating Network) BACnet (Building Automation and Control Networks), KNX (Konnex), EIB (European Installation Bus) X10 Profibus PA/DP/FMS (Process Field Bus, de Siemens), ProfiNet AS-I (Actuators Sensors Interface) Modbus (Modicion) /JBus Interbus CAN (Controller Area Network, Boch) Bus LIN (Local Interconnect Network) Worldfip (Factory Instrumentation Protocole) DeviceNet BUS I²C : Inter Integrated Circuit Bus ARCNET Bluetooth IrDA (Infrared Data Association) MP-Bus (servomoteurs) SAIA-SBUS Controlnet Bus Flexray IEEE 1588 PTP Sercos (SErial Real-time COmmunications System) EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) 21/41

28 Étude par «couches» des communications Le modèle OSI (open system interconnection) la description d un bus de terrain fait intervenir o les connexions physiques o le codage des informations o la gestion des conflits d accès o l adressage des stations et des messages o le déclenchement des échanges de données le modèle OSI a été élaboré par l ISO (organisation internationale de normalisation) o il a été défini pour les grands réseaux de communication o il est malgré tout utilisable pour les bus de terrain OSI n est pas un protocole, mais une manière normalisée de décrire un système le modèle OSI définit 7 couches chacune réalise une fonction particulière dans la communication la fonction réalisée par une couche est définie par son PDU (protocole data unit), afin que les données traitées par cette couche soient directement exploitables par la couche homologues de la station destinatrice chaque couche reçoit ou fournit un «service», par son SDU (service data unit) à la couche qui lui est immédiatement supérieure. Rôle essentiel des couches 22/41

29 Couches OSI des bus de terrain les couches 3 à 6 ne sont pas vraiment utilisées le gain en rapidité est significatif o si vraiment nécessaire, ce qui appartiendrait aux couches 4, 5 et 6 est regroupé avec la couche 7 o si vraiment nécessaire, ce qui appartiendrait à la couche 3 est regroupé avec la couche 2 Couche no 1 Physique (physical) assure la transmission d une suite de bits sur le média de transmission o décrit les interfaces mécaniques (connecteurs) et électriques o décrit les mécanismes d activation et de désactivation des connexions physiques o décrit les protocoles d échange de bits => informe la couche supérieure en cas de problème de transmission physique supports de transmission (média) o fils torsadés, câbles coaxiaux, fibres optiques, ondes radioélectriques Couche no 2 Liaison (link) assure la transmission sans erreur d un bloc de données (trame) o permet le transfert fiable d informations entre systèmes connectés o structure les données sous forme de trames o détecte les erreurs de transmission et provoque éventuellement la correction (retransmission) o régule le flux d informations sur la liaison Couche no 7 Application (application ) o fournit les divers services de communication o définit les mécanismes communs aux applications réparties et la signification des informations échangées o contient les interfaces entre le bus de terrain et les systèmes utilisateurs o la couche 7 n a pas de frontière vers le haut, toutefois, les spécialistes des bus de terrain parlent souvent d une couche no 8 «utilisateur» 2 grandes catégories d applications o mode connecté connexion permanente mode non connecté téléchargements, messagerie, 23/41

30 Etude d un bus Nom du BUS : Organisme/Entreprise créatrice ou de normalisation : Domaine applicatif : Description de la couche physique : Description de la couche liaison : Description de la couche application : Autre : 24/41

31 ANNEXES : Normes de câbles La norme Ethernet (IEEE 802.3) Compatibilité électromagnétique (CEM) Conversion de bases Introduction... La base décimale... La base hexadécimale... Table des caractères ASCII Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 25/

32 Normes de câbles Un certain nombre de normes existent : Etats-Unis : TIA/EIA-568-A International : ISO/IEC IS 1180 Europe : Cenelec EN Canada : CSA T529 Australie et Nouvelle-zélande : SAA/SNZ HB27:1996 La norme internationale ISO/CEI spécifie les recommandations en matière de systèmes de câblage de télécommunication (câblage structuré). Cette norme possède un champ d'application très large (téléphonie analogique et RNIS, différents standards de communication de données, systèmes de contrôle et de gestion technique du bâtiment, automatisation de production). Il couvre à la fois le câblage cuivre et en fibre optique. Ce standard a été conçu pour l'usage dans les locaux commerciaux consistant en un seul et même bâtiment, ou en plusieurs bâtiments regroupés en campus. Il est optimisé pour des locaux s'étendant jusqu'à 3 km. Pour la distribution horizontale la norme impose du câble à 4 paires torsadées acceptant 3 impédances différentes : 100, 120 et 150 ohms. Il existe différentes catégories de câbles pour différentes classes d application. Par exemple, pour valider une application classe D, il est nécessaire de s assurer que tous les composants sont certifiés catégorie 5. catégorie = caractéristiques d un type de câble, certifié selon une norme reconnue. classe = caractéristique des applications (fast-ethernet 100 Mbit/s catégorie 5) Longueurs théoriques du canal selon la catégorie des composants et la classe validée La quantité d informations (exprimées en bits par seconde) maximale (indépendamment du codage) supportée par une ligne de transmission diminue au fur et à mesure que le bruit sur le câble augmente et que la puissance du signal diminue (baisse du rapport signal/bruit). Capacité de transfert d information des câbles UTP de classe E, ScTP de classe E et classe F Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 26/

33 La norme Ethernet (IEEE 802.3) Ethernet a été développé par Xerox en collaboration avec DEC et Intel en Il s'agit d'un standard définissant le support physique et les couches basses d'un réseau local dont la topologie peut être en étoile ou sous forme de bus linéaire. Ce standard a été ensuite normalisé par l' IEEE sous la référence mais le nom Ethernet est toujours utilisé pour désigner ces réseaux normalisés. Cette norme définie un grand nombre de supports physiques, en fonction du débit du codage et du media. Par exemple 10BASE-TX définit un débit de 10Mbit/s en codage bande de base (Manchester) sur paire torsadée (catégorie 5 UTP). Pour le codage on distingue deux termes : BAND quand le signale utilise la bande de base (baseband), c'est-à-dire la bande de fréquence du signal émis. BORAD quand le signale est modulé par une porteuse, lui permettant d être associé à d autres signaux ou d être transmis à grande distance pour les signaux à faible débit (10Mb/s). Pour les media, ceux majoritairement utilisés sont la paire torsadée (T, TX, ) et la fibre optique (F, FX, SX, ). Des premières versions en câble coaxial ont été définies mais ne sont plus utilisées pour Ethernet (10BASE5 limité à 500m, 10BASE2 limité à 200m, 10BROAD36, NRZ modulé en PSK permettant d atteindre 3,6km). Il existe par exemple plusieurs normes utilisant des paires torsadées, définissant plusieurs débits en fonction de la qualité du câble (bande passante) et des techniques de codage/modulation des données. Réseau Fréquence Codage / Modulation Taux de transfert 10Base-T (Traditional 16 MHz Manchester 10 Mb/s Ethernet) 100Base-TX (Fast 80 MHz 4B/5B puis NRZ 100 Mb/s Ethernet) 1GBase-T (Gigabit 250 MHz PAM-5, Utilise les 4 paires 1000 Mb/s Ethernet) en full duplex. 10GBase-T 500 MHz 128 DSQ + LDPC. Utilise les 4 paires en full duplex Mb/s L utilisation de plusieurs paires en même temps permet également de multiplier le débit. Par exemple le 100BaseT4 utilise 4 paires (1 transmission, 1 réception, 2 bi-directionnelles) de câbles UTP de catégories 3 (n est plus utilisée). Les 100Mbps sont ainsi répartis sur 3 paires. Pour les hauts débit (Gigabit Ethernet à 1Gb/s) la catégorie 5 n est plus suffisante, on utilise alors des catégories plus élevées (1GBaseT en catégorie 5e ou 6, distance maximale de 100m) ou bien de la fibre optique en fonction des distances souhaitées (1GBaseLX, SX ou CX, respectivement sur 3km, 500m, 25m). Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 27/

34 La norme 10GBase-T définie en 2006 propose un débit maximum de 10 Gb/s sur une distance de 100 mètres à partir de paires torsadées : Classe Catégorie Type Bande passante Connecteur E 6e FTP 500 Mhz RJ45 Ea 6a UTP 500 Mhz RJ45 F 7 Blindé 600 Mhz GG45 Au niveau de la connectique, la prise RJ45 (4 paires) est celle définie dans la norme ISO/CEI Celle-ci n est plus suffisant pour la catégorie 7 et est remplacée par la GG45 (compatible RJ45). Pour la téléphonie ou utilise des prises RJ11 (2 paires). RJ45 GG45 RJ11 L évolution de la bande passante Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 28/

35 Compatibilité électromagnétique (CEM) La mise en place d'un réseau en milieu industriel ne peut se faire sans une prise en compte des problèmes liés à la compatibilité électromagnétique. Les lignes sont facilement perturbées par les champs électriques et magnétiques, et ce, d'autant plus que les commandes de moteurs se font par des variateurs de vitesse. Il faut impérativement : séparer les lignes de puissances des câbles informatiques par des écrans métalliques, disposer très proprement et aligner les câbles dans des chemins métalliques pleins, attacher les câbles informatiques pour les plaquer sur les supports métalliques, sans les déformer, relier très souvent (tous les 5 m) les chemins de câble à la terre par un fil de forte section, Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 29/

36 utiliser le câble adéquat, en particulier le pas des torsades et leurs décalages en cas de paires sous la même gaine, respecter les rayons de courbure et les contraintes mécaniques prévus. Mise à la terre Veiller au raccordement à la terre des blindages ; un blindage non relié à la terre est plus catastrophique que pas de blindage du tout. Le problème du blindage n'est pas simple : La mise à la terre d'un seul côté n'est pas satisfaisante au point de vue des hautes fréquences et des champs électriques : le blindage peut se comporter comme une antenne et rayonner à l'intérieur. La mise à la terre des deux côtés n'est pas satisfaisante au point de vue des basses fréquences et des champs magnétiques. Il se forme une boucle de masse avec la terre. Le blindage est parcouru par des courants induits qui bien entendu rayonnent à l'intérieur. Les constructeurs préconisent l'une ou l'autre des solutions, mais cela peut ne pas marcher. Il faut alors : soit utiliser un double blindage isolé (l'un relié à la terre aux deux bouts, l'autre relié à la terre à une seule extrémité), soit réduire les boucles de masse de la solution B en reliant le plus souvent possible le blindage à la terre. (en général tous les 4 ou 5 m). Il faut se méfier des couplages capacitifs qui introduisent des boucles non-visibles. Par ailleurs il importe aussi de respecter les conditions sur les longueurs des câbles qui sont fixées par les lois de la physique mais aussi par certains mécanismes de détection d'erreurs qui vérifient la superposition ou non de trames. Ces conditions dépendent du réseau utilisé : longueur maximale toujours mais aussi souvent longueur minimale. Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 30/

37 Conversion de bases Introduction Un nombre est définit par un groupement de plusieurs bits. Un octet (en anglais byte, à prononcer baillte, à ne pas confondre avec bit) est un regroupement de 8 bits. Nombre en binaire : Numéro des bits : On numérotera les bits de la façon suivante: de la droite vers la gauche, en partant de 0. Le bit 0 est couramment appelé bit de poids faible, le bit le plus à gauche est quant à lui appelé bit de poids fort (en anglais LSB : least significant bit, et MSB : most significant bit). Un groupe de 16 bits, soit deux bytes, est appelé un mot (word en anglais). Le byte de gauche est appelé byte de poids fort, le byte de droit, byte de poids faible. Un groupe de 32 bits, soit 2 mots, est appelé un mot long. Le mot de gauche est appelé mot de poids fort, le mot de droite, mot de poids faible. Notations On utilise un suffixe spécifiant la base du nombre. Par exemple 10 décimal se note 10d ou b pour la base 2 (binaire) o pour la base 8 (octale) d pour la base 10 (décimale) h pour la base 16 (hexadécimale) La base décimale Conversion binaire -> décimal Prenons un nombre quelconque, mettons 1429, en base 10. Ce nombre peut-être décomposé de la manière suivante: 1429 = = 1x x x x10 0 Un nombre peut donc être décomposé sous la forme de la somme de chacun des chiffres qui le composent, multipliés par la dimension de la base à l'exposant de leur rang. Cette méthode est applicable aux autres bases. Prenons le nombre binaire : La première chose à faire est de numéroter les bits Et maintenant appliquons la formule trouvée: = 1x x x x2 6 soit en base 10 = = est donc l'équivalent de en base 10. Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 31/

38 Conversion décimal->binaire Il faut décomposer le nombre décimal en somme de puissances de 2. Par exemple, 149 peut s'écrire Il est important de retenir quelques valeurs clés des puissances de 2, par exemple 2 8 = 256, 2 16 =65536 pour réussir ces conversions. Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 32/

39 La base hexadécimale Les chiffres composant le système hexadécimal sont : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Les intérêts du système hexadécimal sont : la possibilité de coder des nombres importants avec très peu de caractères (4 chiffres suffisent à coder états différents) les conversions binaire->hexadécimal et hexadécimal->binaire sont aisées. Conversion hexadécimal -> décimal. Il faut utiliser la même méthode que pour la conversion binaire->décimal. 229A = 2* * * *16 0 = 2* * * = = 8860 Conversion décimal -> hexadécimal. Il faut décomposer notre nombre en puissance de Conversion hexadécimal -> binaire Un chiffre hexadécimal correspond à 4 bits. Il suffit donc de convertir un à un chaque chiffre hexadécimal en binaire et de les mettre les un à la suite des autres. Par exemple 6E : 6h = 0110b, et Eh = 14d = 1110b. 6E donnera donc en binaire Conversion binaire->hexadécimal La première chose à faire est de diviser ce mot en sections de 4 bits (nibble en anglais) puis de convertir ces groupes de 4 bits en hexadécimal. Prenons un mot: b. Décomposé en nibble : Puis on associe le chiffre hexadécimal correspondant : 0011b = 3d = 3h 0111b = 7d = 7h 0010b = 2d = 2h 1101b = 13d = Dh b vaut donc 372Dh Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 33/

40 Table des caractères ASCII caractère déci hexa caractère déci hexa caractère déci hexa NUL (Null) 0 00! P SOH (Start of heading) 1 01 " Q STX (Start of text) 2 02 # R ETX (End of text) 3 03 $ S EOT (End of transmission) 4 04 % T ENQ (Enquiry) 5 05 & U ACK (Acknowledge) 6 06 ' V BEL (Bell) 7 07 ( W BS (Backspace) 8 08 ) X TAB (Horizontal tabulation) 9 09 * 42 2A Y LF (Line Feed) 10 0A B Z 90 5A VT (Vertical tabulation) 11 0B, 44 2C [ 91 5B FF (Form feed) 12 0C D \ 92 5C CR (Carriage return) 13 0D. 46 2E ] 93 5D SO (Shift out) 14 0E / 47 2F ^ 94 5E SI (Shift in) 15 0F _ 95 5F DLE (Data link escape) ` DC1 (Device control 1) a DC2 (Device control 2) b DC3 (Device control 3) c DC4 (Device control 4) d NAK (Negative acknowledgement) e SYN (Synchronous idle) f ETB (End of transmission block) g CAN (Cancel) h EM (End of medium) : 58 3A i SUB (Substitute) 26 1A ; 59 3B j 106 6A ESC (Escape) 27 1B < 60 3C k 107 6B FS (File separator) 28 1C = 61 3D l 108 6C GS (Group separator) 29 1D > 62 3E m 109 6D RS (Record separator) 30 1E? 63 3F n 110 6E US (Unit separator) o 111 6F SP (Space) A p B q C r D s E t F u G v H w I x J 74 4A y K 75 4B z 122 7A L 76 4C { 123 7B M 77 4D 124 7C N 78 4E } 125 7D O 79 4F ~ 126 7E Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 34/

41 Informatique & Communications GEII1 Lpro DEAI 35/