Juhtimissüsteemi sisene andmeedastus Seadmete vahelise andmevahetuse võimalused Andmed on objekti salvestunud välise materiaalse mõju üldistatud peegeldus. Andmed on välise mõju (signaali) poolt põhjustatud ja salvestavas objektis säilitatud muutuste üldistatud peegeldus. Objekti mällu salvestatud andmehulga mõõtmisel kasutatav ühik on bitt. Salvestatud andmeid esitatakse kasutajale kokkulepitud märkide (sümbolite) abil tavaliselt mingi teise materiaalse kandja vahendusel. Sest andmete kasutaja ei saa samastuda andmete lähteobjektiga. Andmete ülekandmisel ja esitamisel kasutajale on vaja andmesidekanaleid. Andmesidekanali kummaski otsas on andmete salvestuseks mäluelemendid. Lähteobjekti kunagi salvestunud reaalse mõju esitus andmesidekanali teises otsas on kasutaja seisukohast vaadeldav kui lähteandmekandjalt saabunud (üldistatud, kirjeldav) peegeldus, mis on (kõrvaliste vahendite ja mõjude abil) talle tunnetatavaks (vajadusel ka nähtavaks) tehtud. näit. "! $#% &'' (#) )!* +, ) ' - './!* 0 $ 1 Andmeelement on andmehulk, mis on salvestatud mäluelementi. Väikseim andmehulk mäluelemendis on üks bitt. Ühe biti väärtus on kas 0 või 1. Andmeelemendi salvestamine on protsess, milles lähteobjektilt andmeedastuskanali kaudu saabunud signaal mõjub sihtobjekti kindlale mäluelemendile, põhjustades selles kvalitatiivne muutuse (salvestuse). Sihtobjekti mäluelemendi materjalis või olekus kvalitatiivse muutuse esilekutsumiseks on vaja salvestada teatud hulk signaalienergiat. Lähteobjektilt saabunud signaal peabki suutma mõjuda mäluelemendi salvestavale osale ulatuses, mis on piisav kvalitatiivse muutuse esilekutsumiseks. Näiteks, peab signaal tagama mäluelemendi kondensaatoris teatud energiakoguse salvestamise. Kondensaatorisse salvestunud energia on võrdeline mahtuvuse ja pinge korrutisega. Andmete lugemiseks mäluelemendist peab salvestamisprotsessis toimunud oleku muutus olema mõõdetav. Andmete lugemiseks tuleb lugeja (e. vastuvõtjaobjekti) ja saatja (e. lähteobjekti) vahele luua andmesidekanal ja see kanal avada. Kanal tagab signaali (mõju) liikumise vastuvõtjani. Seejuures näeb andmete vastuvõtja juba saatjas eelnevalt salvestatud mõju peegeldust. Saatjast saabunud signaali vastuvõtmisel salvestatakse selle kvantitatiivne mõju mäluelementi, kuni toimub kvalitatiivne muutus. Näiteks peab mäluelemendi transistor olema lahti seni, kuni mäluelemendi kondensaator on täis laetud. Üldistuse tegemine on võimalik piisava mõju toimumisel. Sellist mõju võib kirjeldada sümbolitega. Kui kondensaator on täis laetud, siis andmeid kirjeldava sümboli väärtus (sisu) on näiteks 1. Kui mäluelemendi kondensaator on tühi, siis kirjeldava sümboli väärtus on 0. Andmeedastussüsteem kujutab endast komplekti tehnilisi seadmeid, mis on mõeldud andmete kogumiseks ja edastamiseks. Andmete edastamiseks ühest ruumi punktist teise on vaja andmekandjat. Andmekandja suunamiseks tuleb ehitada andmesidekanal. Signaal iseloomustab mõju, mille kestel toimub mingil konkreetsel materiaalsel kandjal (näiteks elektromagnetlainetel) andmete edastus. Andurite esmased mõõteelementide poolt tekitatud signaal on reeglina analoogkujul. See tähendab, et signaalienergiat ei ole mäluelementide vahendusel töödeldud. Anduritest saadud signaali moonutuste vältimiseks kasutatakse edastuskanalis nn. digitaliseerimist. Digitaliseerimisel võrreldakse vastuvõetud analoogsignaali standardiseeritud tugisignaaliga ja salvestatakse võrdluse tulemus vahemälus. Andmeedastus toimub kaasajal põhiliselt digitaalselt, numbrilisel kujul. Kui signaalil on ainult kaks nivood (näit. 1 ja 0) siis nimetatakse signaali diskreetseks.
Digitaalse andmeedastuse korral moodustatakse terviksõnum kirjetest, kirjed andmeelementidest, andmeelemendid märkidest, märgid bittidest. Terviksõnum jagatakse mõnikord edastuse ajaks väiksemateks sobiva pikkusega osadeks ehk pakettideks. Häiring tähistab üldjuhul neid nähtusi, mis püüavad edastatavaid andmeid edastuse ajal muuta või takistada. Edastustrakt tähendab andmeedastuskanali (channel) konkreetsemat tehnilist lahendust. Edastustrakt võib koosneda ühendustest (basic link) ja sõlmpunktidest (node). Paljudest ühendustest ja sõlmpunktidest koosnevat struktuuri nimetatakse andmeedastusvõrguks. Andmeedastuskanal võib olla püsiva ühendusega või ajutine ehk ühenduseta. Elektroonilise andmeedastuse all mõeldakse reeglina ilma materjali edastuseta toimuvat andmeedastusprotsessi. Edastus toimub elektromagnetiliste võngete abil metalljuhtmetes, valgusjuhtmes või raadiolainete vahendusel otse ruumis. Lisaks elektroonilisele andmeedastusele on olemas ka andmeedastus koos materiaalse kandjaga, näiteks tavalise, ümbrikusse pandud kirja või CD plaadi abil. Ühenduseta andmeedastusel moodustab saatja edastatavatest andmetest, andmete vastuvõtja aadressist ja muust edastustrakti juhtimiseks vajalikest andmetest terviku (sõnumi) ja saadab selle andmeedastussüsteemi kaudu vastuvõtjale. Sõnum liigub sihtpunkti suunas mööda võimalikke ühendusi läbides sõlmpunkte. Edastuse eel ei avata lähtekohast sihtkohani läbivat, terviklikku kanalit. Sõnumi teed juhib sõlmpunktides sihtkoha aadress ja sobiva ühenduse (lingi) olemasolu info. Internet on tüüpiline elektrooniline ühenduseta andmeedastussüsteem. Kirja saatmine on tüüpiline ühenduseta andmete edastamine füüsilisel kandjal. Füüsilise andmeedastuse eest hoolitseb näiteks firma Eesti Post ja tema tublid postiljonid. Ühendusega andmeedastusel luuakse andmeedastuse eelperioodil algataja ja sihtpartneri vahel andmeedastuskanal, seejärel saadetakse andmed ning protsessi lõpuks ühendus likvideeritakse. Analoogtelefon on tüüpiline ühendusega andmeedastussüsteemi näide. Ühenduse loomisel kasutatakse telefoninumbrit. Juhtmetega telefon võimaldab luua ühenduskanali kindlasse ruumipunkti. Ühendusega sidekanal on ka GSM mobiiltelefon, ainult, et kasutatakse traadita andmesidekanalit. Infosüsteem on komplekt tehnilisi, programmseid ja organisatsioonilisi vahendeid, mille ülesandeks on koguda ja töödelda lähteandmeid ning edastada ja esitada töötlemise tulemus informatsioonina tellijale. Infosüsteem võimaldab meil olemasolevaid andmeid kasutada. Infosüsteemi kasutatakse teenuse osutamiseks. Saadav info on funktsionaalses sõltuvuses andmetest. Andmetöötlemise funktsioon võib mõnikord olla kompleksne ja üsna keeruline. Info peab alati subjektile ütlema midagi uut, või äärmisel juhul kinnitama vana. Lihtsalt korduv andmete edastus (ka suures mahus) ei anna saajale õieti mingit infot. Info edastatakse töödeldud andmete komplektina. Mis ühele inimesele on info võib teisele olla jälle andmed. Infosüsteem võib olla üles ehitatud klient-server kontseptsiooni (ehk põhimõtte) kohaselt. Infoserver teenindab klienti. Klient teeb serverile päringu ja server seejärel vastab pärast soovitud andmetöötlust kliendile. Klient ja server vahetavad seejuures sõnumeid. Sõnumi kooseisus on lisaks andmetele tihti ka info sõnumi teelesaatmise aja kohta. Vananenud sõnumid võidakse selle info põhjal vastuvõtja poolt kõrvale heita. Sõnum võib oma koosseisus sisaldada terveid dokumente. Edastuskiirus tähendab alati bittides mõõdetud andmehulga edastust ajaühiku jooksul b/s (bps). Sündmuseks (event) nimetatakse mingi mõju toimumist teatud ajahetkel. Edastussündmuste hulka ajaühikus mõõdetakse nn. boodides. Modem on seade, mis muundab edastatavad digitaalandmed edastuseks sobivale analoogkujule, (lainekujule) suunab muundusel saadud nn. moduleeritud signaali edastustrakti ning hiljem edastustrakti teises otsas muundab saabuva signaali vastupidi analoogkujult digitaalkujule
eraldades seejuures edastatud andmed kandesageduselt. Modem moduleerib kandesagedust edastustrakti ühes otsas ja demoduleerib teises otsas. Siit tuleneb ka selle andmeedastusseadme nimi. Modemeid kasutatakse paarikaupa. Suurema andmeedastuskiiruse saavutamiseks kasutatakse tänapäeval palju digitaalmodemeid. Digitaalmodemi väljundis ei moduleerita siinuslist kandesignaali pinget nagu tavalises modemis, vaid tekitatakse modemis teatud protokolli kohaselt rohkem kui kaks väljundsignaali nivood ehk diskreetsusastet. Lähteandmed mis saabuvad modemisse näiteks arvutist (1 ja 0) kodeeritakse digitaalmodemisse saabumisel vastavalt kokkulepitud reeglitele (moduleerimise protokollile) ja edastatakse seejärel sidekaablisse. Näiteks Ethernet tüüpi arvutivõrgus nimega 1000BaseT kasutakse andmesidesignaali loomisel 5 erinevat pingenivood (PAM5 protokoll). ISO OSI mudel. Andmeedastuse standardiseerimine on väga oluline, sest vajadusel peavad koos töötama maailma eri otstes asuvad väga erinevad infosüsteemid. Rahvusvaheline Standardiseerimise Organisatsioon on loonud infosüsteemide moodulhaaval arendamiseks nn. ISO OSI viitemudeli (International Organization for Standardization - Open Systems Interconnection). Standardis määratakse kindlaks reeglid infosüsteemide osade liitmiseks tervikuks alates füüsilisest edastuskanalist ja lõpetades kasutajalahenduse (tarkvaraprogrammi) jaoks vajaliku nn. rakendusliidesega. Avatud süsteemide loomise viitemudelit kutsutakse ka seitsmekihiliseks mudeliks. Seda mudelit kasutatakse info vahetamisel nii arvutustehnikas, telefonisides kui ka viimasel ajal tööstusprotsesside juhtimissüsteemide väljatöötamisel. Viitemudelit ei saa otse kasutada konkreetsete andmesidelahenduste väljatöötamiseks, ta on justkui ühilduvuse tagamise mõõdupuu. Ta annab mudeli ja erinevate kihtide kokkupuuteindade kirjeldused ehk liideste spetsifikatsioonid, mitte nende kihtide konkreetse sisu. Iga kihi funktsioonid kirjeldatakse oma reeglite ehk protokolliga. ISO OSI mudel koosneb seitsmest kihist, millest igaühel on oma nimi ja number. Madalaim kiht mudelis on füüsiline kiht ja kõrgeim kasutaja- ehk teiste sõnadega rakenduskiht. Põhimõtteliselt on igale kihile defineeritud rida alternatiivseid standardeid, mis ühilduvad vaid alumise ja ülemise naaberkihiga liidese kaudu. Iga kiht töötab nii, et selle kihi kasutaja ei näe alumisi ega ülemisi kihte, vaid näeb oma liidest selle kihi (N) taseme teenustena. Praktikas saab kihi realiseerida riistvaras või programmidena. Sama taseme kihtide konkreetsete seadmete vahele on defineeritud liides (N)-connection), mis põhineb andmeside reeglitel ehk protokollil (N)-protocol). Konkreetse kihi sisemine ehitus ja tehniline lahendus ei paista väljapoole. Olulised on ainult ISO OSI mudelile vastavad kihtide vahelised ülemised ja alumised piirpinnad ning liidesed eri seadmete sama tasemega kihtide vahel. Kui vaadelda madalaima kihi, füüsilise kihi kaudu edastustraktis kulgevaid sõnumeid, siis võib nende andmeosas näha ülemiste kihtide sõnumeid kihthaaval madalamate kihtide sõnumite sees. Joonis iseloomustab ISO OSI mudeli kihte ja nende ülesandeid. Praktikas liituvad kihid 1 ja 2 lahutumatult üksteisega. Üldiselt on lahutamatud ka kihid 3 ja 4. Enamikul juhtudest puudub 6 kihi osa täielikult. Kihis 7 on aga rida eritüübilisi rakendusi teenivaid, vajaduse korral ka paralleelselt töötavaid osi.
ISO OSI Kihi ülesanded Andmete struktuur mudeli kihi nimi 7. Rakenduskiht Rakendusprogrammile Andmed (Application) osutatavad teenused (näit HTTP) 6. Esitluskiht Andmete esituskuju (Presentation) muutmine 5. Seansikiht Nimede ja aadresside teisendused, (Session) pääsuõigused, sünkroniseerimine. 4. Transpordikiht Transparentse ja usaldatava Transport Andmed (Transport) andmeliikluse tagamine päis (näit. TCP,UDP) 3. Võrgukiht Sõnumite marsruutimine Paketi Transport Andmed (Network) lokaal ja laivõrkudes (näit. IP) päis päis 2. Kanalikiht Info edastus ühest punktist teise Kaadri Paketi Transport Andmed (Data link) Lihtne vigade parandamine päis päis (näit Ethernet) 1. Füüsiline kiht Andmete füüsiline edastus kaablis, punktist punkti, (Physical) andmesideseadmete pistikute tüübid, mõõdud, signaali nivood jne. Joonis ISO OSI avatud (standardipõhiste) süsteemide ülesehituse seitsmekihiline mudel. Füüsiline kiht. Füüsiline kiht on viitemudeli madalaim kiht, ning ta sisaldab bittide edastamiseks vajalikke loogilisi, elektrilisi, ja mehhaanilisi tingimusi. Nende hulka kuuluvad seadmetevahelised füüsilised liidesed, (pistikühendused, kaablid) bitiedastuse ajastus, võimalikud muundused digitaalkujult analoogkujule ja tagasi jne. Ühendusega süsteemides hoolitseb füüsiline kiht ka ühenduse loomise ja lahutamise eest vastavalt kanalikihi nõuetele. Ühendusteta süsteemides jälgib ta edastustrakti kasutamiskorda ja annab selle kohta teateid kanalikihile. Füüsiline kiht hoolitseb andmete edastuse eest kaablivõrgu ühest punktist teise bittide tasemel ning edastustrakti eest elektrilisel või optilisel tasemel. Ta hoolitseb ka operatsioonide ohje eest. Füüsiline kiht töötleb (muundab) bitte signaaliks (kodeerib, dekodeerib) ja edastab neid järjekorras, milles nad sellesse kihti saabusid. Füüsiline kiht teatab ka kanalikihi tõrkeolukorrast ja kanali kvaliteedist. Digitaalandmeid saab edastada rööp või jadakujul. Rööpkujul edastatakse kõik bitid korraga, iga bitt mööda oma juhet Väikestel vahemaadel (<5m) samuti arvuti sees edastatakse andmed tihti rööpkujul. Jadakujul edastatakse bitid järjestikku, ükshaaval mööda ühtainust juhtmepaari. Jadakujul andmete edastamisel peab saatja teatama vastuvõtjale sõnumi alguse, sõnumi lõpu, märgi alguse ja iga biti koha. Suurtel vahemaadel edastatakse andmed jadakujul. Sellise füüsiline liidese tase on defineeritud näiteks standardiga RS485. Standard määratleb ka juhtmepaariga samaaegselt ühendatavate seadmete maksimumhulga (<32). See arv on seotud mikroskeemide koormatavusega. Hoonesisesestes edastustraktides kasutatakse füüsilise kihi ehitamisel nelja keerutatud juhtmepaariga vaskkaableid (vastavalt füüsilise kihi standardile ISO 11801 kaugusteni kuni 100 m) ja nende otsas kaablite lõpetamiseks RJ45 tüüpi pistikühendusi.
Joonis 2 Standardikohane RJ45 tüüpi pistikupesa. Mõnel juhul kasutataksekaablite otsastamisel ka nn. D-tüüpi pistikühendusi (9, 25 ja 50 kontakti). Koaksiaalkaablid ühendatakse põhiliselt BNC tüüpi pistikute ja pesadega. Keerutatud paaridega vaskkaableid toodetakse kolme tüüpi. Põhilised neljapaarilised kaablitüübid ja nende ristlõiked on toodud alljärgneval joonisel. Varjestamata kaabel; Fooliumiga varjestatud kaabel; Varjestatud kaabel. Keerutatud paar traat Foolium ümber iga kaablipaari Ümbritsev fooliumi kiht Traatsukk Joonis 3. Enamkasutatavate (vask)andmesidekaablite ristlõige. Kahte elektroonikaseadet füüsiliselt ühendavat kaablitest, pistikupesadest, ristühenduspaneelist ja ühenduskaablitest koosnevat tervikut nimetatakse kanaliks (Channel). Kanalis võib edastada andmeid neljas (4) vaskkaabli paaris korraga. Alljärgnevalt on toodud standardis ISO11801 defineeritud vaskkaabli kanali kirjeldus. HUB, Switch Ristühenduspaneel Töökoha pistikupesa Arvuti Ristühenduskaabel Seadmekaabel Koondumispunkt Ühenduskaabel L < 5m (vajadusel) (vajadusel) L <5 m 1 2 4 Hub Püsiv kaabliühendus (Basic Link) 2 90 m IBM Compatible Kanal (Channel) 2 100 m Joonis 4. Andmeedastuskanali ISO 11801 füüsilise taseme komponendid. Andmeedastuskanal peab vastama füüsilise kihi standardile ISO 11801. Standard defineerib kaablikanali ja kaabliühenduse (link) füüsikaliste parameetrite tasemete klassid. Termin Class on defineeritud vaskkaabli süsteemidele standardis ISO11801. Standardsed kaabelduse füüsikaliste parameetrite tasemete kirjeldused on esitatud klasside kaupa järgnevalt: A, B, C, D,
3 E, ja F. Analoogne elektroonika ja telekommunikatsioonitööstuse standard EIA/TIA 568A defineerib füüsikaliste parameetrite kategooriad (näit. CAT3, CAT5, CAT6). Klass C (CAT3) on mõeldud edastatava signaalide sagedusteni 16 MHz, Klass D (CAT5) on mõeldud edastatava signaalide sageduseni 100 MHz. Klass E (CAT6) on mõeldud edastatava signaalide sagedusteni 200 MHz. ISO OSI mudeli teise kihi rakendused, nagu seda on näiteks Ethernet, Token Ring jne. nõuavad häireteta tööks füüsilise kihi kindlat taset. Seda taset kirjeldabki standardi klass. Kiirem edastuskanal võimaldab töötada kiiremal arvutivõrgul. Näiteks Ethernet lahendus 100BaseT (andmeedastuse kiirus 100 Mb/s) eeldab kaabelduses KlassD või CAT5 taset. Juhime tähelepanu asjaolule, et kanali läbilaskevõimet iseloomustatakse MHz dega aga andmeedastuskiirust Mb/s (Mega bitti / sekundis). Megaherzid ja Megabitid on kaks täiesti eri füüsikalist ühikut ja mõistet. Signaalid ja andmeülekanne Juhtimissüsteemis edastatakse andmeid juhtmete kaudu elektri- või valgussignaalidena, samuti läbi ümbritseva ruumi raadiolainete (raadiosignaalide) või valguslainete abil. Andmeülekandel kasutatakse kahte liiki juhtmeid: 3 Metalljuhtmed, Valgusjuhtmed. Metalljuhtmetes eristatakse kahte liiki signaale: - Balanseeritud signaalid (andmeülekandel kasutatakse seadmetest galvaaniliselt isoleeritud keerutatud juhtmepaare); - Balanseerimata signaalid (andmeülekandel kasutatakse koaksiaalkaablit ja varjestatud juhtmepaare, milledest varjestus ja (või) üks juhe on maandatud seadme korpusega). Balanseerimata andmeülekandel ei ole vaja juhtmete ja saatja/vastuvõtja vahelist galvaanilist lahutust. Seetõttu on see ülekandemeetod mõnikord odavam ja eriti olmetehnikas laialt levinud.