Documento AEP 701291.E01.IT

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Gianni Becattini – AD di AEP Ticketing Solutions

g.becattini@aep-italia.it

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Il trasporto dell’informazione

Integrazione ed interfacce

Interfacce seriali Infrarossi Ethernet CAN bus

Protocolli

Comunicazione bordo terra

Sistemi radio

Concentratori

Problemi di integrazione

10010

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E’ necessario interfacciare tra loro gli apparati a bordo.

Gli apparati devono quindi essere dotati di interfacce.

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Scopo dell’interfacciamento è quello di far comunicare ed interagire correttamente tra loro due o più apparati per uno scopo comune.

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Po

rta

RS

-23

2

Po

rta

RS

-48

5

Po

rta

RS

-23

2

inte

rna

Po

rta

infr

aro

ss

o

Co

man

di

“a

fil

o”

GPS e/o GPRS

Sistema di Bordo /

W-LAN

Attivazione/

abilitazione

Palmari

Servizio

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Tamtam, segnali di fumo ecc.

Telegrafo Chappe (1793)

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Il codice Morse rappresenta una prima forma di scambio dati per via elettrica.

Ogni carattere alfanumerico è codificato in una sequenza di punti e di linee.

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Emile Baudot

(1803-1845) nel

1870 inventa

codice telegrafico

che da lui prende

nome

Basato su due

stati logici ("1" e

“0”) come il Morse

ma più facile da

codificare e

codificare con

mezzi meccanici

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Il codice Baudot prevede solo 5 bit e richiede quindi due comandi di “cambio set” (LTRS/FIGS) per consentire tutte le lettere, i numeri ed i segni di interpunzione (infatti 25=32)

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0 1 0 1 0

START bit indica l’arrivo

prossimo di un carattere

data bit

01010 = “R”

STOP bit un tempo di riposo per

consentire il ripristino dei meccanismi

Un carattere può arrivare in qualunque momento, preseduto dal bit di START. Per questo questa interfaccia è detta “asincrona”.

La velocità di comunicazione si esprime in baud (1/t) o in bit/sec.

t

Prossimo carattere

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Il codice ASCII prevede 8 bit e consente quindi ( 28=255) combinazioni. Il codice originane ne usava però solo 128.

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START 0

BIT0 1

BIT1 1

BIT2 1

BIT3 0

BIT 0

BIT5 0

STOP 1

BIT 7 1

BIT 6 1

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Per verifica della corretta ricezione si aggiunge talvolta un bit di parità

Nella parità PARI si aggiunge per rendere pari il numero dei bit a 1

Nella parità DISPARI si aggiunge per rendere dispari il numero dei bit a 1

E’ possibile usare l’ottavo bit o aggiungerne uno ulteriore

Per questo si devono indicare quanti sono i data bit

I bit di stop possono essere 1 o 2

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Valori tipici

110 9.600

300 19.200

600 38.400

1200 57.600

2.400 115.200

4.800

NOTA: non sempre baud rate e bit rate coincidono

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Talvolta è necessario prevedere un meccanismo per arrestare la trasmissione quando la capacità di trasmettere dati in un certo tempo supera quella di chi riceve

Possibili meccanismi software (X-ON – X-OFF)

Possibile uso di ulteriori segnali hardware. Es. ◦ RTS – Request To Send

◦ CTS – Clear To Send

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Un apposito chip detto UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) esegue la conversione dei dati da parallelo a seriale e viceversa

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Come comunicare gli zero e gli uno

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20 o 60 mA - “MARK” e “SPACE”

Carichi induttivi / alta tensione

Full / half duplex

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Si può associare un livello di tensione allo “0” ed un altro all’”1”

Es. ◦ zero: tra 0 e 2V

◦ uno: tra 3,5 e 5V

Metodo soggetto ad errori per la raccolta di disturbi dall’ambiente circostante

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MARK (“0”) tensione negativa

SPACE (“1”) tensione positiva

migliore immunità al rumore

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Seriale asincrona, full duplex. Usata di solito per velocità fino a 115.200

baud. Da punto a punto Buona per distanze fino a circa 10 m Adatta ad una grande varietà di apparati (es.

MODEM, PC, GPS, ecc.)

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Controllo di flusso ◦ RTS - Request To Send

◦ CTS - Clear To Send

◦ DTR - Data Terminal Ready

◦ DSR – Data Set Ready

◦ ecc.

Segnali particolari ◦ RI – Ring Indicator

◦ DCD – Data Carrier Detect

◦ ecc.

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DB-9

DB-25

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La tensione di uscita del ricevitore è proporzionale alla differenza tra i due ingressi A e B

Il rumore raccolto dalle linee di comunicazione viene quindi cancellato

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Come RS-485 ma full duplex

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Un solo dispositivo alla volta pilota la linea, gli altri stanno in ascolto

Possibilità di realizzare reti con apparati indirizzati (“bus”)

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Seriale, half duplex, di solito asincrona.

Differenziale Multi punto (max.

32/128 dispositivi). Adatta a costituire il bus

di bordo Tratti molto lunghi

all’aperto possono richiedere dispositivi per la soppressione delle scariche elettrostatiche.

Computer di bordo

Console autista

Validatrice 1

Validatrice 2

Modulo GPS

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Computer di bordo

Console autista

Validatrice 1

Validatrice 2

Modulo GPS

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Nel cablaggio dritto, tutta la corrente di rumore scorre nella stessa direzione e si somma

Nel cablaggio attorcigliato (“twisted pair”) le correnti di rumore si annullano su ogni “anellino”

Il rumore si riduce di parecchie volte con cavi twisted pair

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Infrarossi

Bluetotth

Ethernet

CAN bus

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Connessioni a brevissima distanza, in linea ottica. Velocità 115.200 baud ed oltre. Talvolta richiesta per carico/scarico dati di emergenza. Poco pratica per il collegamento validatrice/PC (PC poco maneggevole). Più pratica per la connessione con i palmari In abbandono sui PC e sui palmari Assolutamente obsoleta

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Ne parliamo dopo tra i sistemi radio

La rete più diffusa nel mondo PC

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In realtà si dovrebbe dire “standard IEEE 802.3”, ma il nome Ethernet continua ad essere impropriamente usato

Standard su ogni PC, ha diffusione crescente sugli apparati di bordo

10-BaseT o superiore (connettori RJ-45)

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Veloce ed affidabile, banda addirittura eccedente le necessità del SDB anche a soli 10 MHz

Nativamente isolata a 1.500V (trasformatore)

Topologia più complessa del 485 (stella)

Richiede switch/hub di tipo automotive

Richiede cablaggio più complesso e quindi costoso

Protocolli standard (UDP/IP, TCP/IP ecc.)

Un bus per impiego automotive

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Controller Area Network (CAN) è uno standard seriale per bus di campo introdotto dalla Robert Bosch GmbH nel 1990

Principalmente usato in ambiente automotive Multicast Espressamente progettato per funzionare anche in

ambienti fortemente disturbati Può utilizzare una linea differenziale come la RS-485 Bit rate fino a 1 Mbit/s su linee lunghe fino a 40 m. Velocità inferiori consentono di raggiungere distanze

maggiori (ad es. 125 kbit/s per 500 m). Il protocollo del CAN è standardizzato come ISO

11898-1 (2003).

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Lo standard descrive principalmente i seguenti strati del ISO/OSI Reference Model: ◦ data link layer, composto

dal sottostrato Logical Link Control (LLC) e dal Media Access Control (MAC)

◦ physical layer

I protocolli di tutti gli altri strati sono lasciati alla libera scelta del progettista della rete

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Tutti ascoltano tutto

Il filtraggio dei messaggi avviene a livello locale

Un messaggio può essere recepito anche da più destinatari simultaneamente

(per gentile concessione di TEQ SA, CH)

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Sistema di comunicazione più evoluto rispetto al classico RS-485

Non molto usato nei Sistema di Bigliettazione Elettronica

Differenze di protocolli e di implementazione

Difficilmente utilizzabile sulla rete dell’autobus anche per motivi di natura non tecnica (competenze, garanzie ecc.)

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QUESTO MESSAGGIO NON CONTIENE ERRORI DI STOMPA

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La trasmissione può essere affetta da disturbi di natura elettrica.

E’ necessario un sistema di controllo e di ritrasmissione.

Bisogna cioè stabilire delle regole di comportamento.

L’insieme di queste regole si chiama protocollo.

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STX LEN DATA ETX CKS

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Da dove inizia il computo (es. STX incluso?)

Dove finisce il computo (es. EXT incluso?)

Regole di calcolo del checksum. Es. XOR di tutti i caratteri (da dove a dove?) o algoritmi più complicati (es. CRC – Wikipedia ne riporta più di 20!)

Lunghezza del checksum (un byte o due?)

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A invia un pacchetto a B B riceve il pacchetto e lo

verifica. Se il pacchetto è OK invia ACK, viceversa invia NAK

A sta in attesa per un tempo prefissato

Se A riceve ACK il pacchetto è arrivato. Ma se riceve NAK è arrivato errato.

Se non riceve niente indietro nel tempo previsto deve ritrasmettere il messaggio

Ecc. ecc.

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Un apparato può fare da “master” della linea, decidendo quali unità “slave” interrogare

Le unità slave rispondono solo se interrogate

Possibile pensare ad un sistema multimaster con gestione delle collisioni

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Una volta trasferiti i dati si deve anche concordare sul loro significato.

asf df

61nhy3!

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Definire l’interfaccia elettrica (es. RS-232) Definire velocità di comunicazione (baud rate) Definire altri parametri fisici (quanti data bit,

numero bit di STOP, parità) Definire regole per i pacchetti e codici controllo Definire protocollo Definire significato dei dati Ecc. Dati due apparati presi a caso, la probabilità che

essi possano comunicare tra loro è pressoché nulla.

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BS: a banda stretta (“a frequenza singola”)

SS: spread spectrum

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Lungo raggio: assegnazione frequenza VHF in concessione (obsoleto)

Breve raggio: comunicazione in banda UHF (433 o 868 MHz)

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L’onda diretta e molte onde riflesse si combinano in modo casuale determinando l’instabilità del segnale

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Onde dirette

Qui funziona

Qui no

Onda riflessa

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Tecnica in cui il segnale viene trasmesso su una banda di frequenze che più ampia di quella dell'informazione contenuta

Miglior rapporto segnale/rumore

Eliminazione interferenze

Utilizzo contemporaneo della stessa gamma di frequenze a più utenti

Mimetizzazione del segnale radio grazie ad una minore potenza specifica che si confonde con il rumore radio di fondo

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Lo spread spectrum fu brevettato lel 1942 dall’attrice Hedy Lamarr, famosa per l’apparizione nella prima scena di nudo integrale nel film cecoslovacco Estasi e come donna gatto nel fumetto Batman

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Prima di sfuggire al nazismo, si sposò con un mercante di armi austriaco. Come intrattenitrice dei clienti del marito, capì che il controllo remoto radio dei siluri era un’area fondamentale di ricerca per i venditori d’armi.

Le comunicazioni radio di banda stretta erano soggette al “jamming”, il che neutralizzava i vantaggi delle armi radio-guidate.

Da qui ebbe l’idea di usare, per muovere la frequenza del segnale di controllo, una configurazione a salti complessa ma predeterminata.

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Lo SS, variando la frequenza, varia le riflessioni e le loro combinazioni, rendendo assai più affidabile la comunicazione

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Telefonia mobile

Bluetooth

WI-FI (PC Wireless LAN)

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ricevere configurazioni e applicazioni

trasmettere le transazioni di utilizzo ed informazioni di stato

ricevere altri dati (es. turni macchina, topologia rete, liste nere ecc.)

eventualmente inviare/ricevere dati in tempo reale

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Short range: da 10 a 200 m – adatta a bus “stanziali”

Long range: (quasi) ovunque sul territorio

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Localizzati: il trasferimento dati avviene in un area precisa (es. al distributore del carburante).

A copertura estesa: tutta l’area del deposito è coperta.

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Prestazioni di solito più modeste

Dovrebbe avere un costo più basso rispetto ai sistemi SS per risultare appetibili

Se incorporato nella stessa validatrice può determinare una sensibile riduzione del costo installazione.

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WI-FI

Bluetooth

Telefonia mobile

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IEEE 802.11

Il bus è un terminale in rete PC

11 M bps e oltre

Spread spectrum, alta immunità ai disturbi

Elevate prestazioni

Copertura di aree

Nessun canone: basso costo gestione

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Obiettivi primario: bassi consumi e basso costo

circa 1 MD di apparati

Comunicazione con max. 7 dispositivi

Master/slave (piconet) Sicurezza non elevatissima

Personal Area Network (PAN) e non LAN

Più adatta a connessioni punto-punto che non a vere reti come la IEEE 802.11

Poco adatto alla comunicazione terra/bordo

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fino a 40 kbps (evoluzione verso UMTS, 250 kbps)

connessione “always on”

costi in discesa

passa da Internet

richiede protocollo TCP/IP (maggiore complessità software)

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9 kbps

tempo di connessione elevato

tariffa a tempo

superato

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tempi di comunicazione non garantiti (anche molte ore di ritardo)

costo elevato performance

globali modeste

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Costituisce il “ponte” tra i mezzi ed il resto del sistema

Il software del concentratore è critico e condiziona la funzionalità dell’intero sistema

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Gestire la comunicazione in sicurezza Gestire le sincronizzazioni Gestire depositi, gruppi e sottogruppi Gestire i mezzi in manutenzione Gestire i canali WI-FI Gestire il roaming Gestire gli automatismi (es. chiusura turno) Fornire indicazioni diagnostiche Tenere traccia delle operazioni (eventi) Segnalare autobus “smarriti”

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Gestire i numeri sociali

Gestire i numeri di serie degli apparati e loro sostituzioni

Funzionare in modo “unattended”

Essere configurabile

Opera 24H24!

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Collegare tra loro apparati diversi, eventualmente anche i marche diverse

Fare in modo che essi comunichino ed interagiscano in maniera ordinata per un fine comune

Rendere due apparati diversi indifferenti dal punto di vista del sistema e quindi intercambiabili tra loro

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Molteplicità di fornitori

Incremento della concorrenza

Riduzione dei costi

Riduzione delle spese di manutenzione

Maggiori possibilità di evoluzioni future

Riutilizzo di soluzioni già adottate

Miglior investimenti

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Apertura

Comunicazione Integrazione

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Per quanto esse siano numerose, possono solo a contribuire all’obiettivo dell’integrazione senza peraltro risolvere compiutamente il problema

E’ quindi necessario porre in essere una serie di precauzioni per assicurare l’integrabilità

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L’integrazione nasce a livello contrattuale

Tutte le informazioni necessarie per gli interfacciamenti e le relative autorizzazioni devono essere previste e disponibili

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...si devono conoscere gli apparati da integrare tra loro

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Apparato

L’apparato viene “reso” integrabile

Necessaria esistenza di kit di sviluppo, librerie e di tutte le necessarie informazioni

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L’apparato, ove previsto per tale uso, viene controllato dall’esterno comunicando opportunamente con esso

Necessario kit per interfacciamento

Apparato

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L’interfacciamento tra apparati di marca diversa funziona solo con la collaborazione di tutti i soggetti coinvolti.

Una limitazione alla disponibilità di informazioni può costituire una inviolabile barriera tecnologica verso l’integrazione futura di apparati diversi.

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E’ necessario che il Costruttore preveda una politica volta a favorire l’apertura e l’integrazione

Apertura e documentazione non sono mai disponibili per caso

Benvenuti apparati aperti, kit di sviluppo e di integrazione

Tecniche e sistemi di comunicazione