Netwerken vs Bussen: een duidelijke gids voor bedrading in digitale systemen

De draden tussen de tank en de monitoringslocatie heet een bus of een netwerk. Het onderscheid tussen deze twee termen is meer semantisch dan technisch, en de twee kunnen voor alle praktische doeleinden interchangeabel gebruikt worden. In mijn ervaring wordt de term „bus” meestal gebruikt in reference tot een set draden die digitale componenten binnen de behuizing van een computerapparaat verbinden, en „netwerk” voor iets dat fysiek meer uitgestrekt is.

In recente jaren heeft het woord „bus” echter an populariteit gewonnen bij het beschrijven van netwerken die gespecialiseerd zijn in het interconnecteren van discrete instrumentatiesensoren over lange afstanden („Fieldbus” en „Profibus” zijn twee voorbeelden). In beide gevallen refereren we naar de middelen waarmee twee of meer digitale apparaten met elkaar verbonden zijn zodat data tussen hen gecommuniceerd kan worden.

Namen als „Fieldbus” of „Profibus” omvatten niet alleen de fysieke bedrading van de bus of het netwerk, maar ook de gespecificeerde spanningsniveaus voor communicatie, hun timing-reeksen (vooral voor seriele data transmissie), connector pinout-specificaties, en alle andere onderscheidende technische kenmerken van het netwerk.

Met andere woorden, als we spreken over een bepaald type bus of netwerk bij naam, spreken we eigenlijk over een communicatie standaard, ruwweg analog aan de regels en vocabulaire van een geschreven taal. Bijvoorbeeld, voordat twee of meer mensen pen-vrienden kunnen worden, moeten ze in een gemeenschappelijk formaat naar elkaar kunnen schrijven.

Alleen een postsysteem dat hun brieven kan bezorgen is niet genoeg. Als ze akkoord gaan om in het Frans te schrijven, gaan ze akkoord de conventies van tekenset, vocabulaire, spelling en grammatica te handhaven die gespecificeerd zijn door de standaard van de Franse taal.

Op dezelfde manier, als we twee Profibus-apparaten verbinden, kunnen ze alleen met elkaar communiceren omdat de Profibus-standaard dergelijke belangrijke details als spanningsniveaus, timing-reeksen, etc. heeft gespecificeerd. Alleen een set draden spannen tussen meerdere apparaten is niet genoeg om een werkend systeem te construeren (vooral als de apparaten door verschillende fabricanten zijn gebouwd!).

Om in detail te illustreren, laten we onze eigen busstandaard ontwerpen. Neem het ruwe water tankmeetsysteem met vijf schakelaars om variërende waterniveaus te detecteren, en gebruikend (minimaal) vijf draden om de signalen naar hun bestemming te geleiden, kunnen we de fundamenten leggen voor de machtige BogusBus:

De fysieke bedrading voor de BogusBus bestaat uit zeven draden tussen het zenderapparaat (schakelaars) en het ontvangerapparaat (lampen). De zender bestaat uit alle componenten en bedradingsverbindingen links van de linkerste connectoren (de „—>>—” symbolen). Elk connectorsymbool vertegenwoordigt een complementair mannelijk en vrouwelijk element. De busbedrading bestaat uit de zeven draden tussen de connectorparen.

Tenslotte ligt de ontvanger en al zijn constitutieve bedrading rechts van de rechtste connectoren. Vijf van de netwerkdraden (gelabeld 1 tot 5) dragen de data, terwijl twee van die draden (gelabeld +V en -V) verbindingen voor DC-voedingen bieden. Er is een standaard voor de 7-pins connectorstekkers. De pin-indeling is asymmetrisch om „achterstevoren” verbinding te voorkomen.

Om voor fabrikanten de ontzagwekkende „BogusBus-compatibel” certificering op hun producten te ontvangen, zouden ze moeten voldoen aan de specificaties ingesteld door de ontwerpers van BogusBus (waarschijnlijk een ander bedrijf, dat de bus ontwierp voor een specifieke taak en uiteindelijk vermarktte voor een brede verscheidenheid doeleinden). Bijvoorbeeld, alle apparaten moeten in staat zijn de 24 Volt DC voeding van BogusBus te gebruiken: de schakelcontacten in de zender moeten geschikt zijn voor het schakelen van die DC-spanning, de lampen moeten zeker geschikt zijn voor het aangedreven worden door die spanning, en de connectors moeten het allemaal aan kunnen.

Bedrading, natuurlijk, moet in compliance zijn met diezelfde standaard: lampen 1 tot 5 moeten bijvoorbeeld bedraad zijn naar de juiste pinnen zodat wanneer LS4 van fabrikant XYZ's zender sluit, lamp 4 van fabrikant ABC's ontvanger oplicht, enzovoort. Aangezien zowel zender als ontvanger DC-voedingen bevatten die gekenmerkt zijn door een uitgang van 24 Volt, moeten alle zender/ontvanger combinaties (van alle gecertificeerde fabrikanten) voedingen hebben die veilig in parallel kunnen worden aangesloten.

Overweeg wat er zou kunnen gebeuren als fabrikant XYZ een zender maakte met de negatieve (-) kant van hun 24VDC voeding aangesloten op aarding en fabrikant ABC een ontvanger maakte met de positieve (+) kant van hun 24VDC voeding aangesloten op aarding. Als beide aardingen relatief „solid” zijn (dat wil zeggen, een lage weerstand tussen hen, zoals het geval zou kunnen zijn als de twee aardingen op de metalen structuur van een industrieel gebouw gemaakt zijn), zouden de twee voedingen elkaar kortsluiten!

BogusBus is natuurlijk een volledig hypothetisch en zeer onpraktisch voorbeeld van een digitaal netwerk. Het heeft ongelooflijk slechte dataresolutie, vereist substantiële bedrading om apparaten te verbinden, en communiceert slechts in één richting (van zender naar ontvanger). Het volstaat wel als een tutorial voorbeeld van wat een netwerk is en enkele van de overwegingen geassocieerd met netwerkselectie en -operatie.

Er zijn veel soorten bussen en netwerken die je in je beroep kunt tegenkomen. Elk heeft zijn eigen toepassingen, voordelen en nadelen. Het is de moeite waard om jezelf te associëren met een deel van de „alfabetsoep” die gebruikt wordt om de verschillende ontwerpen te labeleren:

Korte-afstand bussen

PC/AT
Bus gebruikt in vroege IBM-compatibele computers om perifere apparaten zoals schijfstations en geluidskaarten te verbinden met het moederbord van de computer.

PCI
Een andere bus gebruikt in personal computers, maar niet beperkt tot IBM-compatibele. Veel sneller dan PC/AT. Typische dataoverdrachtsnelheid van 100 Mbytes/seconde (32 bit) en 200 Mbytes/seconde (64 bit).

PCMCIA
Een bus ontworpen om peripherieën te verbinden met laptop en notebook formaat personal computers. Heel kleine fysieke „voetafdruk”, maar aanzienlijk langzamer dan andere populaire PC-bussen.

VME
Een hoge-prestatie bus (samen ontworpen door Motorola, en gebaseerd op Motorola's eerdere Versa-Bus standaard) voor het bouwen van veelzijdige industriële en militaire computers, waar meerdere geheugen, periferie, en zelfs microprocessorkaarten in een passieve „rek” of „kaartkooi” kunnen worden gestoken om custom systeemontwerpen te faciliteren. Typische dataoverdrachtsnelheid van 50 Mbytes/seconde (64 bits breed).

VXI
Eigenlijk een uitbreiding van de VME-bus, VXI (VME eXtension for Instrumentation) omvat de standaard VME-bus samen met connectors voor analoge signalen tussen kaarten in de rek.

S-100
Soms de Altair-bus genoemd, was deze busstandaard het product van een conferentie in 1976, bedoeld als interface voor de Intel 8080 microprocessorchip. Vergelijkbaar in filosofie met VME, waar meerdere functiekaarten in een passieve „rek” kunnen worden gestoken, wat de constructie van custom systemen faciliteert.

MC6800
Het Motorola-equivalent van de Intel-gerichte S-100-bus, ontworpen om perifere apparaten te interfaccen met de populaire Motorola 6800 microprocessorchip.

STD
Staat voor Simple-To-Design, en is nog een passieve „rek” vergelijkbaar met de PC/AT-bus, en leent zich goed voor ontwerpen gebaseerd op IBM-compatibele hardware. Ontworpen door Pro-Log, is het 8 bits breed (parallel), wat relatief kleine (4.5 inch bij 6.5 inch) printkaarten accommodeert.

Multibus I en II
Een andere bus bedoeld voor het flexibele ontwerp van custom computersystemen, ontworpen door Intel. 16 bits breed (parallel).

CompactPCI 

Een industriële aanpassing van de persoonlijke computer PCI-standaard, ontworpen als een hogere-prestatie alternatief voor de oudere VME-bus. Bij een buskloksnelheid van 66 MHz, zijn dataoverdrachtsnelheden 200 Mbytes/seconde (32 bit) of 400 Mbytes/sec (64 bit).

Microchannel
Nog een bus, deze ontworpen door IBM voor hun ongelukkige PS/2-reeks computers, bedoeld voor het interfaccen van PC-moederborden met perifere apparaten.

IDE
Een bus primair gebruikt voor het verbinden van personal computer harde schijven met de bijpassende periferiekaarten. Wijd gebruikt in de huidige personal computers voor harde schijf- en CD-ROM-station interfacing.

SCSI
Een alternatief (technisch superieur aan IDE) bus gebruikt voor personal computer schijfstations. SCSI staat voor Small Computer System Interface. Gebruikt in sommige IBM-compatibele PC's, alsmede Macintosh (Apple), en veel mini en mainframe zakelijke computers. Gebruikt om harde schijven, CD-ROM-stations, diskettestations, printers, scanners, modems, en een heleboel andere perifere apparaten te interfaccen. Snelheden tot 1.5 Mbytes per seconde voor de oorspronkelijke standaard.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, ook bekend als HPIB of IEEE 488, bedoeld voor het interfaccen van elektronische testapparatuur zoals oscilloscopen en multimeters met personal computers. 8 bit breed adres/data „pad” met 8 additionele lijnen voor communicatiecontrole.

Centronics parallel
Wijd gebruikt op personal computers voor het interfaccen van printer en plotter apparaten. Soms gebruikt om te interfaccen met andere perifere apparaten, zoals externe ZIP (100 Mbyte diskette) schijfstations en bandstations.

USB
Universal Serial Bus, bedoeld om veel externe perifere apparaten (zoals toetsenborden, modems, muizen, etc.) met personal computers te verbinden. Lang gebruikt op Macintosh PC's, het wordt nu geïnstalleerd als nieuwe apparatuur op IBM-compatibele machines.

FireWire (IEEE 1394)
Een hoge-snelheid serieel netwerk capabel van opereren op 100, 200, of 400 Mbps met veelzijdige features zoals „hot swapping” (toevoegen of verwijderen van apparaten met de stroom aan) en flexibele topologie. Ontworpen voor hoge-prestatie personal computer interfacing.

Bluetooth
Een radio-gebaseerd communicatienetwerk ontworpen voor kantoor koppeling van computerapparaten. Voorzieningen voor databeveiliging ontworpen in deze netwerkstandaard.

Uitgestreckte-afstand netwerken

20 mA stroomlus
Niet te verwarren met de gangbare instrumentatie 4-20 mA analoge standaard, dit is een digitaal communicatienetwerk gebaseerd op het onderbreken van een 20 mA (of soms 60 mA) stroomlus om binaire data voor te stellen. Hoewel de lage impedantie goede ruisimmuniteit geeft, is het vatbaar voor bedradingsfouten (zoals breuken) die het hele netwerk laten faillen.

RS-232C
Het meest voorkomende serieel netwerk gebruikt in computersystemen, vaak gebruikt om perifere apparaten zoals printers en muizen te koppelen aan een personal computer. Beperkt in snelheid en afstand (typisch 45 voet en 20 kbps, hoewel hogere snelheden met kortere afstanden kunnen draaien). Ik heb RS-232 betrouwbaar kunnen draaien bij snelheden boven 100 kbps, maar dit was met een kabel van slechts 6 voet lang! RS-232C wordt vaak aangeduid als simpelweg RS-232 (geen „C”).

RS-422A/RS-485
Twee seriele netwerken ontworpen om enkele van de afstand en veelzijdigheidsbeperkingen van RS-232C te overwinnen. Wijd gebruikt in de industrie om seriele apparaten samen te koppelen in elektrisch „ruisvolle” fabrieksomgevingen. Veel grotere afstand en snelheidslimieten dan RS-232C, typisch meer dan een halve mijl en bij snelheden naderend 10 Mbps.

Ethernet (IEEE 802.3)
Een hoge-snelheid netwerk dat computers en sommige typen perifere apparaten samen koppelt. „Normaal” Ethernet draait op een snelheid van 10 miljoen bits/seconde, en „Fast” Ethernet draait op 100 miljoen bits/seconde. De langzamere (10 Mbps) Ethernet is geïmplementeerd op een verscheidenheid van manieren op koperen draad (dikke coax = „10BASE5”, dunne coax = „10BASE2”, twisted-pair = „10BASE-T”), radio, en op optische vezel („10BASE-F”). De Fast Ethernet is ook op een paar verschillende manieren geïmplementeerd (twisted-pair, 2 paar = 100BASE-TX; twisted-pair, 4 paar = 100BASE-T4; optische vezel = 100BASE-FX).

Token ring
Een ander hoge-snelheid netwerk dat computerapparaten koppelt, gebruikmakend van een communicatiefilosofie die veel anders is dan Ethernet, wat toelaat voor meer precieze responstijden van individuele netwerkapparaten, en grotere immuniteit tegen netwerkbedradingsschade.

FDDI
Een zeer hoge-snelheid netwerk exclusief geïmplementeerd op glasvezelkabels.

Modbus/Modbus Plus
Oorspronkelijk geïmplementeerd door de Modicon corporation, een grote maker van Programmeerbare Logische Controllers (PLC's) voor het koppelen van externe I/O (Input/Output) rekken met een PLC-processor. Nog steeds vrij populair.

Profibus
Oorspronkelijk geïmplementeerd door de Siemens corporation, nog een grote maker van PLC-apparatuur.

Foundation Fieldbus
Een hoge-prestatie bus expliciet ontworpen om meerdere procesinstrumenten (transmitters, controllers, klep positioners) toe te laten om te communiceren met hostcomputers en met elkaar. Kan uiteindelijk de 4-20 mA analoge signaal verdringen als de standaard manier om procescontrol-instrumentatie te interconnecteren in de toekomst.