5.2.1 Fizikai réteg

A fizikai csatorna az alkalmazott technológia alapján háromféle lehet. A száloptikás kivitelezés, elektromágneses zajjal terhelt környezetben alkalmazott elsősorban. Robbanásveszélyes környezetben speciális kábelezést használnak, ahol az eszközök tápellátása is a csatornán keresztül történik. Ipari környezetben a leggyakrabban alkalmazott az RS-485 (Recommanded Standard). Az RS-485 ajánlott szabványt 1983 ban az Elektronikai Iparágak Szövetsége (Electronic Industries Association, EIA) fejlesztette ki TIA/EIA-485A néven, az intelligens eszközök kommunikációjához.

Az átvitel módja szimmetrikus, a jelet két adatvezeték közti feszültségkülönbség hordozza. A zavarok mindkét vezeték potenciálját megváltoztatják, viszont a feszültségek különbsége ezzel együtt állandó marad. A csatornán egyszerre több mester is lehet, de maximálisan 32 eszköz (mester, szolga). A maximális áthidalható távolság 1200 m, 9,6 kb/s mellett. A távolság csökkentésével – 100 m - elérhető a szabvány által megadott 12 Mb/s maximális adatátviteli sebesség.

Több eszköz (maximum 127), illetve nagyobb távolságok esetén lehetőség van ismétlők használatára, de egy szegmensen belül háromnál több használata nem ajánlott. A CAT 5-ös kábel a leggyakrabban használt vezeték, de alacsonyabb adatátviteli sebesség mellett alkalmazható bármilyen más sodrott érpáros vezeték is.

Duplex átvitel valósítható meg két érpár felhasználásával. Ilyenkor a mester adó vonalát a szolgák vevő kapcsaival kell összekötni. A Profibus a kétvezetékes fél-duplex átvitelt alkalmazza. A mester kérésére a szolgák az információt a közös vonalon juttatják vissza a mesterhez. A kábelek végeit a vezető hullámimpedanciájának megfelelő ellenállással kell lezárni (100 ). Gyakori megoldás, hogy a csatlakozó elembe építik be a lezáró ellenállást.

A hálózat fizikai topológiája lehet fa, sín, gyűrű illetve ezek kombinációja. A hálózat kialakításánál ügyelni kell az eszközök lehető legrövidebb vezetékkel történő bekötéseire. A legjobb megoldást adja, ha a bekötő pontok a készülékek csatlakozóinál kerülnek kialakításra (Daisy Chain, lásd 49. ábra, e) rajz).

Az RS-485 a vonal három állapotát határozza meg. Az eszközök vételi, adási és inaktív állapotban lehetnek. Inaktív állapotban az eszköz lekapcsolódik a vonalról, ezzel átadja az átvitel jogát más eszközöknek.

A szabvány nem tesz ajánlást a csatlakozókra vonatkozólag. Leggyakrabban a kilenctűs D csatlakozót használják. Ez a típusú csatlakozó megtalálható a PC kivezetései között is (COM), így egy konverter használatával egyszerűen lehet csatlakoztatni a hálózatba. Biztosabb megoldást jelent a PCI sínbe csatlakoztatható RS-485 hálózati kártya.

Amikor az RS-485 hálózat inaktív, akkor minden eszköz vételi állapotban van. Mivel a vonalon nincs adatforgalom, lebegő állapot alakulhat ki. Ilyen állapotban a vonal nagyon érzékeny a zavarokra. A vevő érzékenysége 200 mV, ennél kisebb feszültség esetén a vonalon az utolsó vett bitnek megfelelő feszültségérték jelenik meg. A 200 mV megtartásához egy előfeszítő ellenállást alkalmaznak a vevő bemeneteken. Ezt az ellenállást az áramköri tápfeszültség (általában 5 V) és a vevő bemenetek közé kötik. Egy tíz készüléket tartalmazó hálózat esetén ennek az ellenállásnak az értéke a következő módon adódik. A vevő kapcsok bemeneti ellenállása 12000 Ω, tíz párhuzamos eszköz esetén ez 12000/10=1200 Ω terhelést jelent. A vonalakon szerepelnek a 100 -os lezáró ellenállások párhuzamosan kapcsolva. Ez a 100/2=50 Ω érték ami az 1200 Ω bemeneti ellenállással együtt (1200*50)/(1200+50)=48 Ω ellenállást jelent. Ennek az ellenállásnak kell biztosítania a 200 mV feszültséget, 200/48=4,167 mA. A 200 mV-nál nagyobb feszültség tartásához elegendő biztonságot jelent 3,5 mA. Ezt az ármot az 5/3,5=1428 Ω előfeszítő ellenállás biztosítja. Az 1428V-ból már van a vonalon 48 Ω, azaz 1428-48=1380 Ω, ami a két vevő bemeneten egyenként 690 Ω-ot jelent.

A szabvány nem tesz ajánlást a csatlakozókra vonatkozólag. Leggyakrabban a kilenctűs D csatlakozót használják. Ez a típusú csatlakozó megtalálható a PC kivezetései között is (COM), így egy konverter használatával egyszerűen lehet csatlakoztatni a hálózatba. Biztosabb megoldást jelent a PCI sínbe csatlakoztatható RS-485 hálózati kártya.

Az RS-485 adó a két kimenetén +12V, -7V-ot állít elő. A rendszerben a logikai 1 a két vonal közötti -0,3 V-nál kisebb feszültségnek felel meg, a logikai 0 pedig a +0,3 V-nál nagyobb feszültségnek.

Gigabites Ethernet

Még 1995-ben a Villamosmérnökök Egyesülete kiadta az IEEE 802.3z szabványt, ami elterjedt neve a gigabites Ethernet. A név a maximális 1000 Mb/s átviteli sebességre utal. Ez a sebesség 5-ös kategóriájú UTP kábel esetén a biztonságos átvitelhez mind a 4 érpárt felhasználják, így a 100 m távolság az adó, és vevő mögött megmaradhat. 550 m áthidalható távolságot enged meg az 1000Base-SX elrendezés, ahol multi-módusú 50 m vagy 62,5 m magátmérőjű fényvezető szálat alkalmaznak. Nagyobb távolságot az 1000Base-LX rendszerben mono-módusú vagy multi-módusú fényvezető szállal hidalnak át.

A fényvezető szálakban a 8 bites adatokat 10 biten kódolják, a módszer emiatt kapta a 8B/10B elnevezést. A kódolás szerint minden egyes adatbájthoz 10 bit, azaz 2¹⁰=1024 lehetséges kód tartozik. A felhasznált kódszavakat úgy választják ki, hogy egyetlen kódban se legyen négy egymást követő azonos bit, illetve nem lehet benne hat darabnál több 0, vagy 1. A megoldás a sűrű jelváltás miatt biztosítja, hogy az adó, és a vevő szinkronban maradjon. Minden kódszóban a 0-ák, és 1-esek száma kiegyenlített, így az optikai-villamos átalakítás után a jel egyenáramú komponense minimális marad. A kódolás magában hordozza a redundanciát, azaz egy adat bájthoz két kód is tartozhat. Ilyenkor a kódoló áramkör mindig azt a kódot választja, ami a már elküldött adatokban lévő kiegyenlítettlenséget csökkenti. Az 1 ns-os fény impulzusokat lézer állítja elő (LED nem képes ekkora sebességre), ami növeli a telepítés költségeit, de ipari alkalmazása amúgy se jellemző.

Az 1000Base-T esetén öt feszültségszinttel kódolják a jelet. A négy sodrott érpáron párhuzamosan viszik át a szimbólumokat. Az öt feszültségszint által megjelenített szimbólumok a 00, 01, 10, 11, valamint egy további vezérlési célokra alkalmas szimbólum. Így tulajdonképpen egy órajel alatt nyolc bitet visznek át egyszerre. Az átvitel jellege ilyen megoldással fél-duplex.