Tecnologie e progettazione di sistemi informatici e di telecomunicazioni/3

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1 Amedeo De antis Mario Cacciaglia Giandomenico Petrollini Carlo aggese > EdizioneMista Tecnologie e progettazione di sistemi informatici e di telecomunicazioni/3 Area tecnica

2 IBN RC Libri.p.A. Milano Prima edizione: aprile 2014 Ristampe: tampa: Cartoedit, Città di Castello (PG) Coordinamento editoriale Impaginazione Redazione Copertina Barbara peziali CDC Arti Grafiche.r.l., Città di Castello (PG) tudio Arcobaleno.r.l., Villasanta (MB) tudio Mizar, Bergamo Il software installato sul DVD è 2011 National Instrument Corporation. Tutti i diritti sono riservati. LabVIEW, MULTIIM, National Instruments, NI, Ultiboard, il logo di LabVIEW ed il logo di National Instruments sono marchi di proprietà di National Instruments. Il corso, il libro e il DVD sono prodotti da RC Libri.p.A. che è la sola responsabile, sia del corso che del libro che del DVD, nonché dei loro relativi contenuti. Né RC Libri.p.A. né qualsiasi libro o altri beni, servizi offerti da RC Libri.p.A. sono pubblicazioni, servizi ufficiali di National Instruments o attribuibili in qualsiasi modo a National Instruments. Il DVD allegato al libro di testo include i software Circuit Design uite versione Education e NI LabVIEW tudent Edition della National Instruments. L utilizzo dei software Circuit Design uite versione Education e NI LabVIEW tudent Edition è limitato a fini didattici in ambito domestico. I diritti di traduzione e riproduzione, totali o parziali anche ad uso interno e didattico con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i paesi. Fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuare nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla IAE del compenso previsto dall art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633, ovvero dell accordo stipulato tra IAE, AIE, N e CNA, CONFARTIGIANATO, CAA, CLAAI, CONFCOMMERCIO, CONFEERCENTI il 18 dicembre Le riproduzioni per uso differente da quello personale potranno avvenire, per un numero di pagine non superiore al 15% del presente volume, solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, c.so di Porta Romana 108, Milano, La realizzazione di un libro presenta aspetti complessi e richiede particolare attenzione nei controlli: per questo è molto difficile evitare completamente errori e imprecisioni. L editore ringrazia sin da ora chi vorrà segnalarli alle redazioni. Per segnalazioni o suggerimenti relativi al presente volume scrivere a: Direzione Editoriale RC Libri.p.A. - Divisione Education, via Rizzoli, 8, Milano, fax L editore è presente su Internet all indirizzo: L editore è a disposizione degli aventi diritto con i quali non gli è stato possibile comunicare per eventuali involontarie omissioni o inesattezze nella citazione delle fonti dei brani o delle illustrazioni riprodotte nel presente volume. L editore si scusa per i possibili errori di attribuzione e dichiara la propria disponibilità a regolarizzare. Le immagini utilizzate in questo libro non vanno interpretate come una scelta di merito da parte dell editore, né come invito all acquisto di prodotti. Le illustrazioni o riproduzioni sono state riportate a scopo esclusivamente didattico. I contenuti del tuo libro non si trovano solo sulla carta. Adesso puoi trovare esercizi, espansioni e molto altro sul web, all indirizzo Tali strumenti ti consentiranno di integrare lo studio sul testo cartaceo con la possibilità di ripassare, prepararti alle verifiche orali e scritte, approfondire quanto affrontato in classe, ecc. u ogni pagina del sito troverai un campo in cui digitare il codice che hai trovato nel volume, così avrai accesso diretto ai materiali digitali ad esso relativi. Potrai scaricare e salvare i materiali sul tuo computer in modo che tu possa poi ritrovarli facilmente in qualsiasi momento.

3 Presentazione Il progetto didattico del corso Tecnologie e progettazione di sistemi informatici e di telecomunicazioni è stato redatto al fine di far acquisire agli studenti del nuovo indirizzo di Informatica e telecomunicazioni degli Istituti Tecnici, settore Tecnologico, le conoscenze e le abilità previste dalle nuove linee guida. Tutti i volumi possono essere adottati sia per l articolazione Informatica, sia per l articolazione Telecomunicazioni, sarà il docente a scegliere e approfondire i diversi argomenti in base alle differenti esigenze didattiche. Nella sezione digitale del corso, disponibile su sono stati trattati ulteriori argomenti mentre altri sono stati approfonditi. Gli argomenti dei volumi si intersecano e si integrano con quelli relativi alla disciplina di istemi e reti, trattati nei testi prodotti dagli stessi autori, con lo scopo di far acquisire allo studente, al termine del percorso quinquennale, specifiche competenze nell ambito del ciclo di vita del prodotto software e dell infrastruttura di telecomunicazione, declinate in termini di capacità di ideare, progettare, produrre e inserire nel mercato componenti e servizi di settore. Per conseguire gli obiettivi specifici della disciplina, i testi sono organizzati secondo una struttura modulare e la ricchezza delle tematiche trattate consente al docente di organizzare una programmazione flessibile adeguando le strategie formative alle sue esperienze professionali e ai livelli di apprendimento delle classi. Particolare attenzione è stata dedicata all attività di laboratorio, intesa come momento di apprendimento e di scoperta, finalizzata a trasmettere agli studenti le tecniche di progettazione e di validazione dei parametri progettuali. Il progetto didattico complessivo previsto nei tre volumi è suddiviso in blocchi tematici, dei quali: il primo prende in esame soprattutto gli aspetti relativi alla teoria dell informazione e della comunicazione fino ad arrivare all analisi degli automi a stati finiti; il secondo blocco tematico sviluppa gli argomenti inerenti la struttura dei moderni istemi Operativi e prevede un approfondimento che riguarda le politiche di gestione dei processi e delle risorse (memoria centrale, memoria di massa e dispositivi di I/O), le tecniche per la programmazione concorrente e la sincronizzazione dell accesso a risorse condivise, le caratteristiche e i casi significativi di funzionalità programmabili di un istema Operativo; il terzo blocco tematico si occupa dei sensori, dei sensori intelligenti e della simulazione circuitale attraverso i software Multisim e LabVIEW; affronta inoltre in maniera esaustiva le problematiche legate ai microcontrollori e ai sistemi di acquisizione e distribuzione dei dati; il quarto blocco tematico rappresenta una novità poiché tratta i concetti fondamentali che sono alla base del Project Management e affronta le problematiche principali legate all ingegneria del software. In particolare vengono illustrate le fasi di un progetto nel contesto del ciclo di sviluppo, i modelli, gli aspetti architetturali, le fasi per la progettazione, le tecniche e gli strumenti per la gestione delle specifiche e dei requisiti nonché gli aspetti legati alla qualità. Il corso è corredato da numerosi progetti dalla valenza molto significativa poiché offrono spunti per realizzare lavori interdisciplinari in collaborazione con i docenti delle altre materie d indirizzo, facilitando in tal modo l integrazione tra le conoscenze teoriche e l attività sperimentale.

4 IV L ampiezza delle trattazioni di questo volume consente di acquisire le seguenti macro-abilità: selezionare e comparare componenti per circuiti elettronici sulla base delle loro specifiche; effettuare misure su dispositivi elettrici utilizzando la strumentazione di laboratorio; verificare il funzionamento di semplici circuiti analogici e digitali; operare con i software di simulazione circuitale analogico/digitale; conoscere e utilizzare i moduli NI DAQ 6008 e NI mydaq nei sistemi di acquisizione e distribuzione dati; conoscere e saper realizzare una rete wireless con moduli a Radio Frequenza XBee per l acquisizione di dati e/o misura; saper utilizzare i moduli DLP-IO8 e DLP-IO14 in ambiente LabVIEW e con linguaggi ad alto livello; sviluppare le capacità di utilizzare Arduino per l I/O digitale e per l acquisizione di grandezze analogiche; conoscere le modalità di stesura ed utilizzo degli sketch; progettare e realizzare applicazioni che interagiscono con le funzionalità dei sistemi operativi; individuare casi significativi di funzionalità programmabili di un sistema operativo; dimensionare un sistema di elaborazione embedded per un applicazione specifica; programmare il microcontrollore di un sistema embedded in presenza o meno del sistema operativo; conoscere l architettura e le tecniche di programmazione dei microcontrollori e dei sistemi embedded; conoscere i dispositivi integrati in un microcontrollore; conoscere le problematiche e le tecniche legate all interfacciamento analogico e digitale di un microcontrollore e/o di un sistema programmabile; realizzare applicazioni per la comunicazione di rete; progettare l architettura di un prodotto/servizio individuandone le componenti tecnologiche; sviluppare programmi client-server utilizzando protocolli esistenti; progettare semplici protocolli di comunicazione; rappresentare e documentare le scelte progettuali e di implementazione in riferimento a standard di settore. Gli Autori

5 Presentazione Il progetto didattico del corso Tecnologie e progettazione di sistemi informatici e di telecomunicazioni è stato redatto al fine di far acquisire agli studenti del nuovo indirizzo di Informatica e telecomunicazioni degli Istituti Tecnici, settore Tecnologico, le conoscenze e le abilità previste dalle nuove linee guida. Tutti i volumi possono essere adottati sia per l articolazione Informatica, che per quella di Telecomunicazioni, sarà il docente a scegliere e approfondire i diversi argomenti in base alle differenti esigenze didattiche. Nella sezione digitale del corso, disponibile su sono stati trattati ulteriori argomenti, mentre altri sono stati approfonditi. Gli argomenti dei volumi si intersecano e si integrano con quelli relativi alla disciplina di istemi e reti, trattati nei testi prodotti dagli stessi autori. Lo scopo èè quello di far acquisire allo studente, al termine del percorso quinquennale, specifiche competenze nell ambito del ciclo di vita del prodotto software. Per conseguire gli obiettivi specifici della disciplina, i testi sono organizzati secondo una struttura modulare. La ricchezza delle tematiche trattate consente al docente di organizzare una programmazione flessibile adeguando le strategie formative alle sue esperienze professionali e ai livelli di apprendimento delle classi. Particolare attenzione è stata dedicata all attività di laboratorio, intesa come momento di apprendimento e di scoperta, finalizzata a trasmettere agli studenti le tecniche di progettazione e di validazione dei parametri progettuali. Il progetto didattico complessivo, previsto nei tre volumi, è suddiviso in blocchi tematici, dei quali: il primo prende in esame soprattutto gli aspetti relativi alla teoria dell informazione e della comunicazione fino ad arrivare all analisi degli automi a stati finiti; il secondo blocco tematico sviluppa gli argomenti inerenti la struttura dei moderni istemi Operativi e prevede un approfondimento che riguarda le politiche di gestione dei processi e delle risorse (memoria centrale, memoria di massa e dispositivi di I/O), le tecniche per la programmazione concorrente e la sincronizzazione dell accesso a risorse condivise, le caratteristiche e i casi significativi di funzionalità programmabili di un istema Operativo; il terzo blocco tematico si occupa dei sensori, dei sensori intelligenti e della simulazione circuitale attraverso i software Multisim e LabVIEW; affronta inoltre in maniera esaustiva le problematiche legate ai microcontrollori e ai sistemi di acquisizione e distribuzione dei dati; il quarto blocco tematico rappresenta una novità poiché tratta i concetti fondamentali che sono alla base del Project Management e affronta le problematiche principali legate all ingegneria del software. In particolare vengono illustrate le fasi di un progetto nel contesto del ciclo di sviluppo, i modelli, gli aspetti architetturali, le fasi per la progettazione, le tecniche e gli strumenti per la gestione delle specifiche e dei requisiti nonché gli aspetti legati alla qualità. il quinto blocco tematico, specifico di questo terzo volume, tratta le tecnologie Web comprese quelle che riguardano i Web ervice e le architetture ervice Oriented.

6 IV Il corso è corredato da numerosi progetti dalla valenza molto significativa poiché offrono spunti per realizzare lavori interdisciplinari in collaborazione con i docenti delle altre materie d indirizzo, facilitando in tal modo l integrazione tra le conoscenze teoriche e l attività sperimentale. L ampiezza delle trattazioni di questo volume consente di acquisire le seguenti macro-abilità: selezionare e comparare componenti per circuiti elettronici sulla base delle loro specifiche; effettuare misure su dispositivi elettrici utilizzando la strumentazione di laboratorio; verificare il funzionamento di semplici circuiti analogici e digitali; operare con i software di simulazione circuitale analogico/digitale; conoscere e utilizzare i moduli NI DAQ 6008 e NI mydaq nei sistemi di acquisizione e distribuzione dati; conoscere e saper realizzare una rete wireless con moduli a Radio Frequenza XBee per l acquisizione di dati e/o misura; saper utilizzare i moduli DLP-IO8 e DLP-IO14 in ambiente LabVIEW e con linguaggi ad alto livello; sviluppare le capacità di utilizzare Arduino per l I/O digitale e per l acquisizione di grandezze analogiche; conoscere le modalità di stesura ed utilizzo degli sketch; progettare e realizzare applicazioni che interagiscono con le funzionalità dei sistemi operativi; individuare casi significativi di funzionalità programmabili di un sistema operativo; dimensionare un sistema di elaborazione embedded per un applicazione specifica; programmare il microcontrollore di un sistema embedded in presenza o meno del sistema operativo; conoscere l architettura e le tecniche di programmazione dei microcontrollori e dei sistemi embedded; conoscere i dispositivi integrati in un microcontrollore; conoscere le problematiche e le tecniche legate all interfacciamento analogico e digitale di un microcontrollore e/o di un sistema programmabile; realizzare applicazioni per la comunicazione di rete; progettare l architettura di un prodotto/servizio individuandone le componenti tecnologiche; sviluppare programmi client-server utilizzando protocolli esistenti; progettare semplici protocolli di comunicazione; rappresentare e documentare le scelte progettuali e di implementazione in riferimento a standard di settore. Gli Autori

7 Guida alla lettura In queste pagine trovi indicazioni utili per organizzare lo studio al meglio attraverso gli strumenti che il corso di Tecnologie e progettazione di sistemi informatici e di telecomunicazioni ti mette a disposizione: il tuo libro di testo cartaceo; le espansioni che puoi consultare o scaricare collegandoti all indirizzo: Il libro cartaceo è suddiviso in moduli e unità; gli argomenti sono presentati in modo semplice, corredati da esemplificazioni, tabelle, grafici, esempi di simulazioni e proposte di verifiche sperimentali, al fine di facilitare la comprensione coinvolgendo gli studenti con l immediatezza e la praticità. Un ricco e puntuale apporto grafico agevola la comprensione dei con concetti teorici più ostici della materia Trasduttori intelligenti ti, digitali e di misura integra. Trasduttore D1820 tabella 4.1 Caratteristiche Unità di misura Valori elettriche V 3,0 5,5 ione V DD Tensione di alimentaz ura Range di temperat C + 85 C Accuratezza 10 ne max Tempo di conversio Risoluzione C C ± 0,5 B1820 Byte 0 CIRCUIT PARAITE POWER 1 4,7 k DQ 64 - BIT ROM AND 1 - wire PORT INTERNAL VDD GND 2 ENOR TEMPERATURE (TH) ALARM HIGH TRIGGER REGITER (EEPROM) (TL) ALARM LOW TRIGGER REGITER (EEPROM) CRATCHPAD Memoria di lavoro REGITER CONFIGURATION (EEPROM) C PP 5 TO Bit 11 3 DATI (IN) Ad altri trasduttori Temperatura [ C] Codice (Out) da un è caratterizzato rmente perché indirizzato singolacode ( tabella 4.2 ) a 64 bit. tore può essere D ROM Ciascun trasdut nella LAERE memorizzato proprio codice tabella 4.2 Bit Bit rom code. 64-bit lasered NUMBER + 85,0 + 25,0 + 0,5 0,0 0,5 25,0 CODE (10h) 8 BIT FAMILY 48 BIT ERIAL I succesd1020 (10h). 8-BIT CRC il codice del gono un ROM contengono 8 bit più significativi conten Gli significativi della numero seriale. Gli 8 bit meno gono un unico sivi 48 bit conten ridondanza. di controllo ciclico figura 4.8 Bit 10 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Bit 6 Bit 3 Bit 7 Bit 4 Bit 8 Bit 5 Bit ,0 tra DATA e Esempi di relazione UCITA (Binaria) Byte di misura Byte di segno centigradi, può espresso in gradi ( tabella 4.3 ). temperatura, il calcolatore Il valore della mentazione con utile per l imple tabella 4.3 Temperatura = 00h) Positiva (2 Byte = Byte 0,5 in decimale del T [ C] = Valore (32h), si ha: è C Es: se il Byte 0 0,5 = 25, ) 0,5 = 50 ( le) UCITA (Esadecima 0 0 A A h h h h Gli aspetti matematici della disciplina sono contenuti senza che la scientificità e la completezza della trattazione risultino penalizzate. F F F F h F F C E h F F 9 2 h o con l algoritmo essere ricavat [ C] = FFh) Negativa (2 Byte = ) x 0,5 a 1 del (1 Byte Complemento in decimale del T [ C] = Valore (92h), si ha: + 1) è a 1 del 1 Byte Es: se il Byte (Complemento 1 = = 55,0 C = 110 0,5 0,5 2) ( All interno delle parti teoriche sono presenti numerosi esempi svolti che consentono di acquisire i concentti teorici. problegli esercizi e le attività di laboratorio sono completate dall analisi dei proble mi attraverso il foglio di calcolo o con programmi di simulazione. 7 dulo 08 Un ampia trattazione è riservata ai programmi 1 NIIl mo UB DAQ 60W LabVIE nt in ambie e CAD, quali LabVIEW e Multisim, nella loro ultiinterfacce izione l acquis ma versione, largamente utilizzati in ambito 1 epedisr tri ne buzio 08 con il DAQ 60 industriale e universitario. dati digitali I software National Instruments sono allegati simulazioal Volume 1 del corso mentre i file di simulazio ne degli esercizi e delle attività di laboratorio, sono disponibili nella sezione digitale. Numerosi esercizi proposti, collocati alla fine delle unità, permettono di consolidare le conoscenze acquisite. Test di verifica consentono di fare il punto sulle competenze acquisite al termine dei principali argomenti. unità DAQ 6008 ulo NI UB he del mod istic 1.1 Caratter di basdaq è un modulo UB, L NI UB 6008 bile con la porta iche. È so costo, collega digitali e analog ents ancon linee di I/O National Instrum caratteprodotto dalla 6009 con alcune che il modulo te. ristiche più avanzalinee di I/O digitali e La gestione delle nte effetessere facilme può iche il DAQ analog W utilizzando tuata con LabVIE te in F UNCTIO N A ITAN T presen o GENERATE (ACQUIRE IGNAL IGNALEXPRE IGNAL). uto nel NIT, conten Il DAQ A ITAN interattiva guida grafica testare e DAQmx, è una per ta utilizza che può essere creare dei DAQ 6008 e per zione configurare il sizione o la distribu task per l acqui unità 172 Misura temperatura 2 Byte Bit 14 Ad esempio è frazionario. il numero binario 2 1, indica che ha: o nella forma (figura 4.8) si Il bit 0, espress binario 0000 per il numero a); 0 (misura positiv = 0 + 0,5 = + 0,5 C. segno = = misura Temperatura 1 4,7 k Tabelle e schemi puntuali accompagnano la trat trattazione teorica. depends on value(s) * Power-up state stored in EEPROM figura Microcontrollore figura 4.5 TO Reserved (FFh) (0Ch) COUNT REMAIN COUNT PER C (10h) egno temperatura Bit 15 LL 182 A 0 D DA LL 182 A 0 D DA LL 182 A 0 D TO EEPROM Byte 1 TH Register or User Byte 2 TL Register or User CRC * 8 al segno 2 è riservato atura e il Byte o se è FFh ico della temper il Byte 1 è 00h e negativ o se e il valore numer atura è positiv Il Byte 1 fornisc valore della temper (figura 4.7). Il 1 Byte (figura 4.7). temperatura figura 4.4 di controllo della ntazione e iale nei sistemi l alime ambito industr 3 fili: due per è utilizzato in su un BU a Il dispositivo più trasduttori ile collegare poiché è possib ) per i dati (figura 4.5). uno (bidirezionale DA 3 - GND 2 - DQ (Data IN/OUT) 1 - V DD Memory Map (AAh) (85 C) Temperature LB (00h) Temperature MB Byte 1* TH Register or User Byte 2* TL Register or User Reserved (FFh) figura BIT CRC GENERATOR POWER UPPLY ENE VDD 133 di memobyte della mappa o dai primi due essere ricavat temperatura può ). Il valore della figura 4.6 trasduttore ( ria tipica del serie D1820. complesso, della MEMORY CONTROL LOGIC VDD intelligenti bit 9, in verità molto lo schema interno La figura 4.4 mostra 4 Trasduttori Unità ms 750 mento al dware per il collega meccanici), disporre dell har è necessario sensori con contatti esercitazioni interruttori (o e le successive natura diversa, Per poter eseguir relè per pilotare carichi di oard. 6008: modulo DAQ su delle breadb zioni. essere montati LED per le segnala re possono eventualmente I dispositivi hardwa laboratorio dei dati. direttamente è alimentato Il dispositivo figura 1.1 UB. attraverso la porta modulo e è riprodotto il Nella figura 1.1 (pin 17 32). posti su due quelli digitali i connettori 1 16) e per sono visibili analogici (pin alla porta UB. collegamento lati per i segnali il cavo per il In alto, è visibile le seguenti: sono di base del modulo P1.3); Le caratteristiche (48 k/s il 6009); P0.7); 4 della porta 1 (P1.0 o uscita. o (max) 10 k/s porta 0 (P0.1 re, come ingress ampling Rate di I/O: 8 della te, via softwa di 4,7 kω colrd di pull-up 12 canali digitali programmabile individualmen è resistore on-boa ciascun canale rain (con un del tipo open-d 11 bit (13 bit Le uscite sono risoluzione a interni); 0 AI 7) con ione a 12 bit risoluz con legato ai +5 volt d ingresso single-ended (AI ) 3 AI 3+ AI ici (AI 0+ AI 0 8 canali analog differenziali il 6009) o 4 canali (14 bit il 6009); d uscita (AO 0 AO 1); ici 2 canali analog r PFI a 32 bit (PFI 0); counte e; 1 ingresso ento di tension +2,5 V riferim max 200 ma. e corrent +5 V con d ingresso): digitali (livelli degli ingressi sso a livello basso); 1. pecifiche V (tensione d ingresso a livello alto); VIL 0,3 0,8 V (tensione d ingre VIH 2,0 5,8 del DAQ 6008 all ingresso ita e interruttori di figura 2.3a di LED all usc re lo schema si può utilizza del DAQ 6008 nella fase di uscite digitali ( figura 1.1 ). dei LED alle il LED spento per comodità Per collega re modo da avere Unità 2) qui riportato non invertente 7407 in (Æ 7, buffer è utilizzato il Per l interfaccia power-on. 1.1 Collegamento figura 1.1 o dell integrato presenti all intern quattro i buffer o usati tutti e con l anodo output verrann tutti connessi l interfaccia di D3 e D4) sono Per realizzare i R1 R4 in LED (D1, D2, I resistor figura 1.2, i quattro dal modulo DAQ ta direttamente e osservare nella essere preleva Com è possibil endo che la può che suppon Ω. V) A), e (+5 da 1800 IL = 2 ma (0,002 all alimentazion Ω. o (2 ma) sono a basso consum un LED con corrente Ω. È stato scelto R4 = 1800 serie ai LED, o considerando i quattro switch = 1600 stato calcolat 1,8) /0,002 L/H, sono utilizzat Il loro valore è collegati alla V, si ha R4 = (5 logici con livello capi sia di 1,8 R8 (da 10 kω) 6008 segnali R5 DAQ pull-up caduta ai suoi i di ingressi del modulo si in serie a dei resistor Per porre sugli Essi vanno connes 4). e 3 (1, 2, 7407 e i quattro = 5 V. non invertente tensione Vcc porte del buffer quattro le utilizza O1, O2, o lo schema che 6008 e alle linee ti interruttori. 1.2 è mostrat digitali del DAQ ento ad altrettan Nella figura con il collegam collegate le uscite. resistori di pull-up I4 (ingressi dei buffer) vanno digitali del modulo I3 e ori) gli ingressi Alle linee I1, I2, te ai quattro interrutt O3 e O4 (collega

8 Il tuo libro sul web I contenuti del tuo libro proseguono sul web all indirizzo Internet: ulle pagine del testo trovi i rimandi alle espansioni: digitando il codice che hai trovato all interno di questo volume, potrai accedervi direttamente e scaricarle sul tuo computer. A partire dalla pagina iniziale, che vedi qui riportata, puoi navigare nei contenuti digitali suddivisi per modulo: approfondimenti, tabelle e grafici su argomenti di particolare interesse; esercizi di simulazione con LabVIEW e Multisim; test di verifica. trumenti sempre disponibili: indicazioni utili per l uso del foglio di calcolo; linkografia a siti di interesse dedicati ai diversi ambiti tecnologici; calcolatrice; tavola periodica; unità di misura.

9 Indice 1 Tecnologie per le reti cablate wireless 1 3 Tecnologie e linguaggi per il Web 53 Unità 1 Reti cablate Mezzi trasmissivi cablati tandard IEEE Fast Ethernet Gigabit Ethernet 8 Unità 2 Reti wireless LAN wireless IEEE Livello Fisico di Livello MAC di Trasmissione dei segnali Criteri di sicurezza Bluetooth Infrarossi WiMAX ZigBee e IEEE Test di verifica 23 2 Metodi e tecnologie per la programmazione di rete 25 Unità 1 La programmazione di rete Client erver con socket Utilizzazione dei socket I componenti Indy con C++ Builder Applicazioni Client erver in rete locale sullo stesso PC Applicazioni Client erver in rete locale su PC diversi erver con indirizzo IP statico erver con indirizzo IP dinamico Applicazione Client erver con scambio d informazioni Applicazione Client erver con due Client 40 Unità 2 Realizzazione di Thread con C++ Builder XE Thread e multithreading Creazione di un thread con VCL 46 Unità 1 Tecnologie Web lato client: HTML HTML: generalità truttura di una pagina HTML Principali tag HTML Immagini e tabelle Form 62 Unità 2 Linguaggi di scripting lato client: Javacript Primo esempio Javacript Funzioni Javacript Interfacciare form con Javacript 69 Test di verifica 74 Laboratorio 76 Approfondimenti Frame in HTML Tecnologie Web lato server 4 Tecnologie per la realizzazione di Web ervice 85 Unità 1 Tecnologie XML truttura di un documento XML Regole XML Namespaces XML chema 92 Unità 2 ervice Oriented Architecture e Web ervice ervice Oriented Architecture Web ervice WDL: Web ervices Description Language OAP: imple Object Access Protocol Il protocollo HTTP UDDI: Universal Description Discoveryand Integration 107 Test di verifica 109 Laboratorio 111

10 VIII 5 Trasduttori di misura integrati, digitali e intelligenti istema di distribuzione analogico multicanale 159 Unità 1 Circuiti di condizionamento 116 Unità 2 Trasduttori di temperatura integrati AD LM Unità 3 Trasduttori digitali Trasduttore On-Off a effetto Hall Trasduttore ottico Trasduttore di temperatura MT Trasduttori di velocità e posizione Encoder ottico 127 Unità 4 Trasduttori intelligenti Trasduttore intelligente di temperatura D L integrato D18B Trasduttore intelligente di temperatura e di umidità HT Test di verifica istemi di acquisizione e distribuzione dati analogici 143 Unità 1 istemi di acquisizione dati Architettura dei sistemi di acquisizione e di distribuzione dati ottosistema di misura ottosistema di controllo ottosistema d uscita Catena di acquisizione a un solo canale Rilevamento, condizionamento e filtraggio Convertitore A/D Massima frequenza del segnale campionabile Circuito /H Convertitori A/D con track-hold interno Campionamento dei segnali 155 Unità 2 istemi di distribuzione dati istema di distribuzione dati a un solo canale 157 Unità 3 Campionamento e ricostruzione segnali Campionamento del segnale continuo Ricostruzione del segnale originale 167 Test di verifica 169 Approfondimenti Convertitori commerciali Campionamento con ADC e /H Campionamento con ADC e Track-hold interno Architettura di un sistema di acquisizione multicanale 7 Acquisizione e distribuzione dati in ambiente LabVIEW 171 Unità 1 Il modulo NI UB DAQ Caratteristiche del modulo NI UB DAQ Installazione del software 173 Unità 2 Acquisizione e distribuzione dati digitali con il DAQ Collegamenti con gli ingressi digitali Collegamenti con le uscite digitali Creazione di un task con DAQ Assistant in LabVIEW Acquisizione e distribuzione dati digitali con LabVIEW 183 Unità 3 Acquisizione e distribuzione dati analogici con il Canali analogici d ingresso Canali analogici d uscita pecifiche Acquisizione di segnali analogici Acquisizione di un canale analogico in modalità N ample Acquisizione di canali analogici in modalità 1 ample (On Demand) Acquisizione di un canale analogico in modalità Continuous Distribuzione di segnali analogici 203

11 IX Unità 4 Il modulo NI mydaq in ambiente LabVIEW Confronto delle caratteristiche con il DAQ 6008 e DAQ Esempio di utilizzazione del mydaq Il counter input/output 215 Test di verifica 217 Approfondimenti Il modulo NI mydaq 8 Acquisizione e distribuzione dati con i moduli DLP-I08 e DLP-I Unità 1 I moduli DLP-IO8 e DLP-IO Unità 2 Applicazione e distribuzione dati digitali in ambiente LabVIEW Comandi per il DLP-IO8 e DLP-IO14 per acquisire o inviare dati digitali Analisi di alcune funzioni.vi ARDUINO e i sistemi embedded 269 Unità 1 istemi Embedded Classificazione dei sistemi di elaborazione Moduli embedded Esempio di sistema embedded a microcontrollore Analisi dell hardware del sistema oftware di gestione del microcontrollore 276 Unità 2 La board ARDUINO UNO Installazione dei driver della scheda pecifiche tecniche Alimentazione della scheda I/O digitali Input analogici Risorse di comunicazione 284 Unità 3 La programmazione di ARDUINO L IDE di Arduino Gli sketch Le librerie 298 Test di verifica 300 Unità 3 Acquisizione di dati analogici con i moduli DLPI-IO8 e DLPI-IO14 con LabVIEW Token per ingressi analogici e per misure di temperatura Acquisizione di canali analogici truttura dei dati acquisiti Acquisizione di una temperatura 250 Unità 4 Il modulo DLP-IO8 con i linguaggi visuali Apertura e chiusura del collegamento con il DLP-IO Acquisizione di dati digitali con DLP-IO Distribuzione di dati digitali con il DLP-IO Le funzioni utilizzate con il DLP-IO Reti wireless per sistemi di acquisizione dati e misura 301 Unità 1 I moduli a radiofrequenza XBee Dimensioni dei moduli e funzioni dei pin Tipo di antenna erie 1, serie 2, serie 2B igla identificativa del modulo Modalità operative Protocolli Protocollo IEEE Protocollo ZigBee Protocollo DigiMesh Configurazione dei Moduli XBee 314 Test di verifica 315 Unità 2 Programmazione dei moduli XBee Programmazione dei moduli con la scheda XBee - UB Board 316

12 X 2.2 Programmazione dei moduli con il Wireless Proto hield 320 Unità 3 Applicazione di sistemi wireless con Arduino Uno crittura dello sketch crittura dei programmi di ricezione sul PC Applicazione in ambiente LabVIEW Applicazione in ambiente C++ Builder Programmazione dei moduli XBee Microcontrollori PIC 329 Unità 1 Il microcontrollore PIC16F876A Caratteristiche di base del PIC16F876A 330 Unità 2 Moduli periferici del PIC16F876A Il convertitore A/D del PIC16F876A I registri ADCON1 e ADCON I registri ADREH e ADREL Tempo di acquisizione e di conversione Acquisizione con generazione d interrupt Il modulo comparatore I moduli Timer Timer TIMER TIMER Capture/Compare/PWM Modo Capture Modo Compare Modo PWM 347 Approfondimenti Programmi applicativi microcontrollori I microcontrollori PIC18FXXX Laboratorio 349 Unità 1 Interfacce per l acquisizione e distribuzione dati digitali con il DAQ Unità 2 Acquisizione dati con termocoppia 355 Unità 3 Acquisizione con il DAQ 6008 con accelerometro a tre assi 360 Unità 4 Realizzazione di un sistema embedded con Arduino Uno 372

13 Tecnologie per le reti cablate e wireless Unità 1 Reti cablate Unità 2 Reti wireless1 Prerequisiti Conoscere le topologie di rete. Conoscere il modello IO-OI per le reti. Conoscere i principali metodi di accesso al mezzo. Obiettivi Conoscere i principali mezzi trasmissivi. Conoscere il progetto IEEE 802 per le reti. Conoscere i dispositivi per la realizzazione di reti cablate e wireless. Conoscere i principali standard per le LAN, WLAN, MAN e WMAN. Conoscere i principali standard per le LR-WPAN. Tecnologie per le reti cablate e wireless U.1 U.2 Reti cablate Reti wireless

14 2 1 unità Reti cablate In un sistema di comunicazione le informazioni da inviare da una sorgente a una destinazione sono associate a un onda elettromagnetica che si propaga in un mezzo trasmissivo, costituito da conduttori metallici, fibre ottiche, spazio libero, guide d onda, ecc. Nello spazio vuoto l onda elettromagnetica si propaga liberamente a una velocità uguale a quella della luce, circa km al secondo. Nei fili di rame o nelle fibre ottiche, invece, la propagazione è delimitata all interno del mezzo e la velocità di propagazione è minore di quella della luce e parzialmente dipendente dalla frequenza. Tenendo presente i modi di propagazione di un onda elettromagnetica è possibile suddividere i mezzi trasmissivi in mezzi guidanti e non guidanti. Mezzi guidanti: sono costituiti da doppini intrecciati, cavi coassiali, fibre ottiche, ecc., e sono detti guidanti perché la propagazione dell onda è forzata al loro interno. Le fibre ottiche sono mezzi ottici guidanti perché in essi si ha la propagazione di un onda elettromagnetica la cui frequenza cade nel visibile (propagazione della luce). Mezzi non guidanti o wireless: sono costituiti dal vuoto e dall aria e sono detti non guidanti perché l onda elettromagnetica si propaga liberamente nello spazio. La comunicazione è affidata a onde radio, raggi infrarossi, luce visibile. I mezzi ottici non guidanti sono utilizzati principalmente per collegare reti LAN mediante segnali emessi da laser e aventi frequenze comprese nella regione dell infrarosso. 1.1 Mezzi trasmissivi cablati Il doppino intrecciato (twisted pair) è costituito da una coppia di conduttori di rame, aventi uno spessore di circa 1 mm e ricoperti ciascuno da una guaina isolante. I conduttori sono intrecciati l uno con l altro (binatura) in forma elicoidale per ridurre al minimo i fenomeni di interferenza fra coppie di cavi posti vicini. Il doppino è usato in telefonia per collegare ciascuna abitazione alla centrale più vicina (terminali del sistema telefonico), può essere usato sia per trasmissioni analogiche sia per trasmissioni digitali. Negli ultimi anni le prestazioni dei doppini sono notevolmente migliorate grazie all utilizzazione di nuovi materiali isolanti e di nuove guaine esterne, alla messa a punto di nuove geometrie delle coppie e all aumento della sezione dei conduttori. I doppini sono classificati in base alla schermatura come TP, FTP e UTP e in un cavo vi possono essere numerose coppie di doppini. Cavo TP (hielded Twisted Pair): ogni doppino ha un proprio schermo cui si aggiunge uno schermo globale. Gli schermi possono essere a foglio, oppure a calza, oppure ibridi (foglio+calza). Per le sue caratteristiche il doppino TP offre le migliori prestazioni ma è molto più ingombrante. Cavo FTP (Foiled Twisted Pair): tutti i doppini contenuti nel cavo sono schermati da un unico foglio di alluminio. Cavo UTP (Unshielded Twisted Pair): non presenta alcun schermo esterno. Il cavo UTP (figura 1.1) è costituito da quattro coppie di fili contenuti in un rivestimento isolante. Ogni coppia è intrecciata con una binatura minima di 6 giri/metro per eliminare l interferenza proveniente dalle altre coppie e da altre apparecchiature elettriche. Il doppino UTP è molto utilizzato nelle reti Ethernet, in quelle Token-Ring e nelle reti telefoniche.

15 Unità 1 Reti cablate 3 I doppini sono classificati in categorie, ognuna delle quali trova applicazione in ambiti specifici. Categoria 1 (Telecommunication): comprende i cavi adatti unicamente a telefonia analogica. Categoria 2 (Low peed Data): comprende i cavi per telefonia analogica, digitale (IDN) e trasmissione dati a bassa velocità (linee seriali). Categoria 3 (High peed Data): i cavi hanno caratteristiche adatte a realizzare reti locali fino a 10 Mbps, in particolare per soddisfare gli standard 10Base-T di IEEE e Token-Ring a 4 Mbps. Categoria 4 (Low Loss, High Performance Data): comprende i cavi per LAN Token-Ring fino a 16 Mbps. Categoria 5 (Low Loss, Extended Frequency, High Performance Data): i cavi sono simili a quelli di categoria 3, ma hanno più spire per centimetro. Possono essere utilizzati per applicazioni fino a 100 Mbps su distanze di 100 metri. Categoria 6: comprende cavi in grado di gestire segnali aventi una banda fino a 250 MHz, sono utilizzati principalmente per Ethernet 10Base-T, 100Base-TX e 1000Base-T, per sistemi di sicurezza, telefono e sono in grado di trasmettere dati e voce fino a 155 Mbps. La lunghezza massima di un segmento di cavo è di circa 220 metri. Categoria 7: comprende cavi in grado di gestire segnali aventi banda fino a 600 MHz, sono utilizzati per reti Ethernet 10Base-T, 100Base-TX con velocità fino a 10 Gbps. figura 1.1 Ogni cavo di categoria superiore è in grado di fornire tutti i servizi offerti da quelle di categoria inferiore. Attualmente sono preferiti i cavi di categoria 5 perché i loro costi sono molto contenuti in relazione alla prestazioni garantite. Il cavo coassiale è formato da un conduttore centrale e da uno o più schermi o calze (figura 1.2). Le tipologie dei cavi coassiali sono principalmente Thin Ethernet e Thick Ethernet. figura 1.2 Thin Ethernet (Ethernet sottile): ha un diametro di circa 5 mm (1/4 ), una impedenza di 50 Ω, un doppio schermo costituito dal foglio più calza ed è previsto dallo standard IEEE Base2. Thick Ethernet (Ethernet spesso RG213): ha un diametro di circa 12,7 mm (1/2 ), una schermatura a quattro strati, è caratterizzato da ottimi parametri elettrici ma è costoso, poco flessibile, e difficile da porre in opera a causa dei notevoli problemi legati ai raggi minimi di curvatura ammessi.

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