Наиболее быстродействующий интерфейс передачи данных называется. Развитие интерфейсов передачи данных. Тема: Типы интерфейсов данных

ИНТЕРФЕЙС (interface). Совокупность правил взаимодействия устройств и программ между собой или с пользователем и средств, реализующих это взаимодействие. Понятие интерфейса включает в себя как сами аппаратные и программные средства, связывающие различные устройства или программы между собой или с пользователем, так и правила и алгоритмы, на основе которых эти средства созданы. Например, интерфейс устройств - это и линии связи между ними, и устройства сопряжения, и способ преобразования передаваемых от устройства к устройству сигналов и данных, и физические характеристики канала связи. Программный интерфейс - это и программы, обслуживающие передачу данных от одной задачи к другой, и типы данных, и список общих переменных и областей памяти, и набор допустимых процедур или операций и их параметров. Интерфейс пользователя с программой - это и изображенные на экране терминала кнопки, меню и другие элементы управления, с помощью которых пользователь управляет решением задачи, и сам терминал и предусмотренные в программе операторы, позволяющие такое управление осуществить.

Пользовательский интерфейс - в данной главе это значит общение между человеком и компьютером.

Во многих определениях, интерфейс отождествляется с диалогом, который подобен диалогу или взаимодействию между двумя людьми. И точно как наука и культура нуждается в правилах общения людей и взаимодействия их друг с другом в диалоге, также и человеко-машинный диалог также нуждается в правилах.

Общий Пользовательский Доступ - это правила, которые объясняют диалог в терминах общих элементов, таких как правила представления информации на экране, и правила интерактивной технологии такие, как правила реагирования человека-оператора на то, что представлено на экране.

КОМПОНЕНТЫ ИНТЕРФЕЙСА

На практическом уровне, интерфейс это набор стандартных приемов взаимодействия с техникой. На теоретическом уровне интерфейс имеет три основных компоненты:

· Способ общения машины с человеком-оператором.

· Способ общения человека-оператора с машиной.

· Способ пользовательского представления интерфейса.

МАШИНА К ПОЛЬЗОВАТЕЛЮ

Способ общения машины с пользователем (язык представления) определяется машинным приложением (прикладной программной системой). Приложение управляет доступом к информации, обработкой информации, представлением информации в виде понятном для пользователя.

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ К МАШИНЕ

Пользователь должен распознать информацию, которую представляет компьютер, понять (проанализировать) ее, и переходить к ответу. Ответ реализуется через интерактивную технологию, элементами которой могут быть такие действия как выбор объекта при помощи клавиши или мыши. Все это составляет вторую часть интерфейса, а именно язык действий.

КАК ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ ДУМАЕТ

Эту часть интерфейса составляет комплекс представлений пользователя о приложении в целом, что называется пользовательской концептуальной моделью .

Пользователи могут иметь представление о машинном интерфейсе, что он делает и как им работать. Некоторые из этих представлений формируются у пользователей в результате опыта работы другими машинами, такими как печатающее устройство, калькулятор, видеоигры, а также компьютерная система. Хороший пользовательский интерфейс использует этот опыт. Более развитые представления формируются от опыта работы пользователей с самим интерфейсом. Интерфейс помогает пользователям развивать представления, которые могут в дальнейшем использоваться при работе с другими прикладными интерфейсами.

Разработка пользовательского интерфейса: что это значит?
Дизайн сайта, расположение функциональных блоков, содержание и расположение контента производится таким образом, что пользователь подталкивается к совершению необходимого действия: звонок, написание комментария, совершение покупки, заказ товара и т.д. Стоит понимать, что поведение пользователей никак не корректируется и не изменяется. Трансформации подвергается сам сайт.
Пользовательский интерфейс – порядок расположения функциональных блоков сайта, способствующий совершению определенных действий пользователем. Это может быть звонок, покупка товара, написание отзыва. Такой же результат может обеспечить и оценка юзабилити. Но путать эти понятия не стоит: от пользовательского интерфейса юзабилити отличается тем, что это метод, позволяющий оценить удобство пользования сайтом и успех выполнения пользователем задач. В то время как проектирование интерфейсов – полностью готовый прототип сайта. Проектирование подразумевает использование результатов юзабилити. Без данных, полученных при применении этой методики, ничего не получится.

ИНТЕРФЕЙС - это стандартизованная среда turn способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональный компьютером и т.п.

Интерфейсы информационного обмена между приборами, применяемые в промышленности, могут быть двух типов:

«точка-точка», соединяющий два прибора между собой;

мультиприборный, позволяющий подключать более двух приборов на одну линию передачи данных.

Основная характеристика интерфейса - пропускная способность, которая показывает, сколько бит информации передается по интерфейсу за 1 секунду и измеряется в bit per second (bps, Mbps), или бит в секунду (бит/с, Мбит/с). Необходимо учитывать, что эта пропускная способность включает «накладные расходы», связанные со способом передачи данных. Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.

ПРОТОКОЛ - это стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу.

Для сложных протоколов принята практика разделения их на несколько уровней (слоев). При этом каждый уровень реализуется отдельно и дополнительно стандартизуется обмен между уровнями. Это также позволяет заменять какие-то уровни (например, для адаптации к разным интерфейсам), оставляя неизменными другие.

Интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах

Интерфейс		Пропускная способность	Длина линии связи	Протоколы
	мультиприборный (до 32 приборов)	стандартно 115200 bps, есть реализации до 2 Mbps	не более 1200 м (без повторителя)
	точка-точка		не более 3м
«токовая петля»	точка-точка	до 115200 bps	не более 1000 м
Ethernet 10/100 base T (по витой паре)	точка-точка		не более 100 м
	точка-точка		не более 3 м	Mass Storage Device
	точка-точка

Совместимость приборов - это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.

Преобразователь интерфейсов - это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.

Шлюз (или мост) - это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.

Интерфейс RS -485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии.

Большинство приборов, предназначенных для работы в информационной сети, имеют встроенный интерфейс RS-485.

В обычном персональном компьютере (не промышленного исполнения) этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB (например, ОВЕН АСЗ-М или АС4).

По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала. Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).

Интерфейс RS -232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств (соединение «точка-точка»). Он является общепринятым и широко используется для подсоединения внешнего оборудования к ПК. Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала по двум линиям - TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (см. рис.).

Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).

Интерфейс «токовая петля» (разновидность RS-232). «Токовая петля» - разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.

Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены:

1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;

2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.

Рис. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом

«токовая петля» к сети

Интерфейс Ethernet . Ethernet - транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и ПЛК в распределенные информационные системы более высокого уровня.

Интерфейс USB . Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.

Интерфейс USB, как и RS-48S, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.

При виде исправной амуниции
Как презренны все конституции.

И при железных дорогах лучше сохранять двуколку.

К. Прутков

В предыдущих занятиях школы мы рассмотрели пример выбора способа реализации алгоритма и некоторые особенности проектирования устройств обработки сигналов. Сегодняшнее занятие в школе мы посвятим вопросам выбора и использования стандартных протоколов и интерфейсов передачи данных, используемых в современной аппаратуре обработки сигналов.

С задачей разработки устройств обмена данными в той или иной мере сталкивался практически каждый разработчик. В случае выбора протокола для нового изделия всегда встает вопрос о компромиссе между сложностью аппаратных средств интерфейса («амуниции») и протоколом передачей данных («конституции»). Кроме того, присматриваясь к новомодному интерфейсу, не следует забывать, что очень часто в наших скромных задачах достаточно возможностей старого доброго RS232 или RS485, реализация которых к тому же исключительно дешева и многократно отработана.

Последние несколько лет помимо прочих прелестей принесли разработчику и целый букет новых интерфейсов, позволяющих без помех передавать большие объемы информации на значительное расстояние. Современные ПЛИС ведущих производителей имеют встроенную аппаратную реализацию таких интерфейсов, как GTL, LVDS. Однако практически вся современная элементная база устройств обработки сигналов рассчитана на работу от питающего напряжения не выше 3,3 В, что вызывает необходимость разработки способов сопряжения указанных интерфейсов с традиционными. В то же время на русском языке практически отсутствует литература по этому вопросу. Многие компании опубликовали руководства по применению ИС для реализации технических средств интерфейса , но, к сожалению, они не всегда доступны российскому читателю.

Рис. 1. Области применения интерфейсов передачи данных

На рис. 1 представлены области использования различных интерфейсов передачи данных в координатах расстояние - скорость передачи.

Как нетрудно заметить, если требуется передача информации на расстояние больше нескольких десятков сантиметров, стандартные логические уровни оказываются неудовлетворительными. На помощь приходят специализированные протоколы. Какой же из них выбрать для разрабатываемой системы? Какая элементная база позволит реализовать его аппаратно? Каковы особенности применения данного интерфейса? Дать ответ на эти вопросы предстоит в этом занятии школы.

При выборе протокола передачи данных следует обращать внимание на несколько основных параметров. Это скорость передачи данных, расстояние между источником и приемником данных, заранее заданные уровни сигналов, совместимость, вид интерфейса (параллельный или последовательный). В табл. 1 приведена краткая характеристика основных интерфейсов и данные об основных производителях ИС, их поддерживающих. Разумеется, последний столбец отражает лишь малую толику существующих решений - в тех случаях, когда производителей слишком много, в таблице скромно указано семейство ИС.

Таблица 1. Интерфейсы передачи данных

Тип интерфейса	Скорость передачи данных по одной линии, Мбит/с	Расстояние между источником и приемником данных, м	Стандарт	Производители элементной базы, поддерживающие интерфейс или семейства ИС
Последовательный	25/50	1,5	IEEE1394 - 1995
	100-400	4,5	IEEE1394-1995/p1394.a	Texas Instruments, Intel и др.
	12	5	USB2.0	Texas Instruments, Intel и др.
	35	10 (1200)	TIA/EIA485(RS-485)(ISO8482)
	200	0,5	LVDM (в разработке)	LVDM
	10	10 (1200)	TIA/EIA422(RS-422)(ITU-TV.11)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
	200/100	0,5/10	TIA/EIA644(LVDS)(в разработке)	LVDS
	512 Кбит/с	20	TIA/EIA232(RS-232)(ITU-TV.28)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
Параллельно-последовательный, последовательно-параллельный	455	До 10	TIA/EIA644 (LVDS)	Texas Instruments и др.
	1,25 Гбит/с	До 10	IEEE P802.3z	Texas Instruments и др.
	2,5 Гбит/с	До 10	IEEE P802.3z	Texas Instruments и др.
	35	10 (1200)	TIA/EIA485 (RS-485)(ISO8482)	Texas Instruments, Analog Devices, Maxim, Sipex и др.
	40/20	12/25	SCSI	Многие производители
	40	12	LVD-SCSI	Многие производители
	200/100	0,5/10	LVDM (в разработке)	LVDM
	33/66	0,2	Compact PCI
	33/66	0,2	PCI	TI, PLX, разработчики прошивок для ПЛИС
Параллельный	Тактовая частота до 4 МГц	10	IEEE Std1284-1994	AC1284, LVC161284LV161284
	Тактовая частота до 20 МГц	0,5	CMOS, JESD20, TTL, IEEE1014-1987	AC, AHC, ABT, HC, HCT и др.
	Тактовая частота до 33 МГц	0,5	LVTTL (JED8-A), IEEE1014-1987	LVTH. ALVT
	Тактовая частота до 40 МГц	0,5	VME64 StandardANSI/VITA1-1991	ABTE
	Тактовая частота до 60 МГц	0,5	IEEE Std1194.1-1991	BTL/FB+
	Тактовая частота до 60 МГц	0,5	JESD8-3	GTL/GTL+
	Тактовая частота до 100 МГц	0,5	JESD8-3	GTLP
	Тактовая частота до 200 МГц	0,1	EIA.JESD8-3,EIA/JESD8-9	SSTL

По способу организации передачи данных различают однопроводные (single-ended) и дифференциальные (differential) интерфейсы. На рис. 2 приведена обобщенная схема однопроводного интерфейса При однопроводной передаче данных используется одна сигнальная линия, и ее логический уровень определяется относительно земли. Для простых медленных интерфейсов допускается использование общей земли. В более совершенных интерфейсах каждый сигнальный провод имеет свою землю, и оба провода, как правило, объединяются в витую пару. Преимуществом однопроводных систем является простота и дешевизна реализации. Поскольку каждая линия передачи данных требует только одного сигнального провода, они удобны для передачи параллельных данных на небольшое расстояние. Примером может служить привычный параллельный интерфейс принтера. Другой пример - последовательный интерфейс RS-232. Как видим, однопроводные интерфейсы часто применяются в тех случаях, когда решающим фактором является стоимость реализации.

Рис. 2. Однопроводный интерфейс

Основным недостатком однопроводных систем является их низкая помехоустойчивость. Из-за наводок на общий провод возможен сдвиг уровней сигналов, приводящий к ошибкам. При передаче на расстояния порядка нескольких метров начинает оказывать влияние индуктивность и емкость проводов.

Преодолеть указанные недостатки удается в дифференциальных системах. На рис. 3 приведена принципиальная схема реализации дифференциальной передачи данных.

Рис. 3. Дифференциальный интерфейс

Для балансной дифференциальной передачи данных используется пара проводов. На приемном конце линии вычисляется разность между сигналами. Заметим, что такой способ передачи данных пригоден не только для цифровых, но и для аналоговых линий. Ясно, что при дифференциальной передаче удается в значительной мере подавить синфазную помеху. Отсюда следует основное достоинство дифференциальных протоколов - высокая помехоустойчивость. Недаром один из самых распространенных протоколов в промышленных компьютерах - RS-485 построен по дифференциальной схеме.

Недостатком дифференциальных схем является их относительно высокая стоимость, а также сложности при выполнении парных согласованных каскадов передатчиков и приемников.

Рассмотрим физические параметры интерфейсов. В литературе принято следующее обозначение уровней.

• VIH - входное напряжение высокого уровня (логической единицы);
• VIL - входное напряжение низкого уровня (логического нуля);
• VOH - выходное напряжение высокого уровня (логической единицы);
• VOL - выходное напряжение низкого уровня (логического нуля).

На рис. 4 приведены логические уровни для однопроводных интерфейсов, а на рис. 5 - для дифференциальных.

Рис. 4. Уровни сигналов в однопроводных интерфейсах

Интерфейс TIA/EIA - 644 (LVDS - Low voltage differential signaling), используется в скоростных системах передачи данных. Интерфейс LVDS использует дифференциальную передачу данных с довольно низкими уровнями сигналов. Разность сигналов составляет 300 мВ, линии нагружаются сопротивлением 100 Ом. Выходной ток передатчика составляет от 2,47 до 4,54 мА. Интерфейс TIA/EIA - 644 обладает лучшими характеристиками потребления по сравнению с TIA/EIA - 422 и может служить его заменой в новых разработках. Максимальная скорость передачи данных составляет 655 Мбит/с. Достоинство данного интерфейса - преемственность ИС приемопередатчиков по разводке с драйверами хорошо известных и применяемых интерфейсов RS-422 и RS-485. Данный подход позволяет использовать новые интерфейсы в уже разработанных платах , что облегчает переход на новую элементную базу.

Интерфейс LVDS поддерживают многие современные ПЛИС, такие как APEX фирмы ALTERA, Virtex фирмы Xilinx и ряд других. Типичными представителями драйверов этого интерфейса являются ИС SN65LVDS31/32, SN65LVDS179 фирмы Texas Instruments.

По электрическим свойствам к интерфейсу LVDS примыкает интерфейс LVDM . Этот протокол поддерживают ИС SN65LVDM176, SN65LVDM050.

Рис. 5. Уровни сигналов в двухпроводных интерфейсах

При проектировании однопроводных интерфейсов одной из центральных проблем является сопряжение различных устройств с объединительной или кросс-платой (backplane systems), особенно если требуется «горячая замена» узлов. Как правило, на объединительной плате приняты единые уровни сигналов, и задача разработчиков периферийных плат состоит в правильном выборе средств сопряжения. Следует заметить, что за долгую историю ТТЛ-уровни стали стандартом де-факто для объединительных плат и внутрифирменных (или внутриведомственных) интерфейсов. Поэтому при развитии существующих систем и применении новой элементной базы возникает необходимость в сопряжении новых плат с общей шиной. Для этих целей существует целый набор решений.

Как известно, классические ТТЛ и КМОП семейства ИС обеспечивают ток нагрузки до 24 мА при минимальном импедансе линии 50 Ом. С появлением БиКМОП технологии стало возможным достигнуть значения выходного тока –32/ 64 мА и работы на линию с импедансом 25 Ом. Для этих целей приспособлено семейство ИС SN74ABT25xxx. Данные микросхемы могут быть также использованы в системах так называемой «горячей замены» модулей, съемные модули могут подключаться или отключаться по ходу работы прибора.

При проектировании подключаемых модулей необходимо выполнить несколько требований, которые, во-первых, предупредят поломку модуля при подключении к работающей системе и, во-вторых, не приведут к сбоям в работе системы. Рассмотрим их.

Интерфейс между подключаемым и основным модулями состоит из шин питания, земли и сигнальных шин. Модель микросхемы, подключаемой к системе, показана на рис. 6.

Рис. 6. Диоды на входе и выходе ИС

Защита входов и выходов микросхем осуществляется с использованием диодных ключей.

Для защиты выходов используются диоды Д3 и Д4. Диод D3 используется в микросхемах КМОП для защиты от электростатических разрядов. Диод D4 защищает от напряжения на выходе, меньшего уровня логического нуля.

При разработке подключаемых модулей лучше использовать микросхемы БиКМОП, поскольку они выгодно отличаются от прочих тем, что имеют схему (рис. 7), которая держит выход микросхемы в состоянии высокого импеданса в момент включения микросхемы. Эта цепь следит за напряжением питания и состоит из двух диодов D1 и D2 и транзистора Q1, на базу которого подается напряжение. При напряжении питания, которое меньше установленного (например, для серии ABT/BCT VCOFF~2,5 В, для LVT VCOFF~1,8 В), выход этой цепи переходит в состояние логической единицы. При этом он отключает сигнал на выходе микросхемы, независимо от входного. Это свойство микросхем БиКМОП гарантирует, что поведение схемы предсказуемо даже при очень низком напряжении питания.

Рис. 7. Цепь, отключающая выход при пониженном напряжении питания в микросхемах БиКМОП

При горячем подключении модуля поведение системы будет предсказуемо, если соблюдаются по крайней мере два условия:

• на разъеме есть один или несколько контактов земли, выдвинутых вперед относительно других контактов;
• интерфейс состоит только из биполярных или БиКМОП микросхем с тристабильными выходами или с выходами с открытым коллектором.

Проблема конфликтов на шине стоит особенно остро, когда встречаются выходные сигналы разных уровней - низкого и высокого. На рис. 8 показан этот процесс. Ток, который возникает в результате конфликта, достигает 120 мА, и в этой борьбе выживает та микросхема, которая имеет на выходе низкий уровень. Микросхема с высоким уровнем на выходе работает в режиме короткого замыкания и сгорает.

Рис. 8. Ток короткого замыкания при конфликтах на шине

Для того чтобы избежать такого конфликта, нужна дополнительная схема, которая во время включения питания держала бы выходы в состоянии высокого импеданса.

Основным элементом этой схемы может быть ИС TLC7705. Такие микросхемы используются для генерации сигнала RESET при включении прибора. В нашем случае выводы этой микросхемы подключаются ко входам разрешения шинных формирователей. Во время инициализации или включения модуля сигнал RESET переводит выходы микросхем в третье состояние. При создании таких схем удобно использовать микросхемы, которые имеют два входа ENABLE (например, SN74ABT541). Это решение показано на рис. 9.

Рис. 9. Мониторинг конфликтов на шине

Существуют шинные формирователи, которые уже содержат в себе все необходимые для защиты от шинных конфликтов компоненты - коммутаторы и резисторы. Эти микросхемы выпускаются в двух сериях: ETL (Enhanced Transceiver Logic, серия SN74ABTE) и BTL (Backplane Transceiver Logic, серия SN74FB).

Микросхемы серии ETL имеют дополнительный вывод для подключения напряжения зарядки выходной емкости микросхемы, обычно называемый VCCBIAS. Он питает схему, заряжающую конденсатор во время включения модуля.

На рис. 10 показана схема интерфейса с использованием микросхемы ETL. В момент включения модуля после подсоединения контактов VCC1 и GND на микросхеме U3 появляется напряжение VCCBIAS. Одновременно включаются микросхемы U2 и U1 и сигналом OE отключают выходы шинного формирователя от шины.

Рис. 10. Схема интерфейса с использованием микросхем серии ETL

Броски напряжения в цепях питания системы при подключении модуля появляются точно так же, как броски в сигнальных цепях. При этом величина заряжаемой емкости колеблется от десятков до сотен микрофарад и зависит от емкости блокирующих конденсаторов на подключаемой плате. Один из путей к ограничению скачка напряжения - включение в цепь питания коммутатора, который медленно включается. На рис. 11 предложена схема, в которой роль коммутатора играет P-МОП транзистор. RC-цепочка обеспечивает медленное изменение сигнала на базе транзистора. Диод D быстро разряжает конденсатор после того, как модуль был выключен.

Рис. 11. Схема медленного включения модуля с использованием транзистора

Предполагается, что транзистор имеет малое сопротивление во включенном состоянии. При работе рассеиваемая на транзисторе мощность невелика из-за небольшого падения напряжения. При необходимости можно параллельно включать несколько транзисторов.

В подключаемых модулях удобно использовать собственные источники питания.

На рис. 12 приведена схема источника питания, который получает из системы от десяти до сорока вольт и преобразует их импульсным способом в 5 В. Схема не дает броска напряжения при включении.

Рис. 12. Децентрализованный источник питания

В следующем занятии мы продолжим рассмотрение интерфейсов и особенностей применения логических ИС новых семейств.

Литература

1. Стешенко В. Б. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов. // Компоненты и технологии, № , , 2000 г.
2. Стешенко В. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС // Chip News,1999, № 8–10, 2000, №1, 3–5 .
3. Стешенко В. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: «Додека», 2000.
4. Alicke F., Bartholdy F., Blozis S., Dehemelt F., Forstner P., Holland N., Huchzermier J. Comparing Bus Solutions, Application Report, Texas Instruments, SLLA067, March 2000.
5. Стешенко В. ACCEL EDA: технология проектирования печатных плат. М.: «Нолидж», 2000, 512 с., ил.

Растущий объем внедрения самых различных систем автоматизации во всех областях промышленности требует обработки постоянно возрастающего объема информации. «Основными артериями» являются кабели последовательной передачи данных, по которым управляют комплексными процессами и передают результаты измерений параметров технологического процесса.

Широко применяются различные типы последовательных интерфейсов, которые гарантируют помехозащищенную высокоскоростную передачу данных в тяжелых промышленных условиях.

RS-232 (V.24)

Один из самых распространенных последовательных интерфейсов определен в стандартах TIA-232 и CCITT V.24.

Интерфейс реализует обмен данными между двумя устройствами (соединение точка к точке) в дуплексном режиме на расстоянии до 15 м.

В самой простой конфигурации требуется три провода - ТхD (передаваемые данные), RxD (принимаемые данные) и GND (общий сигнальный провод). При этом управление передачей данных осуществляется с так называемым программным квитированием. Для передачи с программным квитированием имеются дополнительные линии, используемые для передачи сигналов управления, тактовых сигналов, а так же для сигнализации.

Интерфейсы устройств могут быть спроектированы как оборудование для передачи данных (DCE) или как оконченное оборудование обработки данных (DTE). Различительным признаком является разное направление передачи на линиях при одинаковом обозначении и назначении выводов. Пример: DTE-устройство осуществляет передачу через подключение TxD (передаваемые данные), в то время как DCE-устройство через это же соединение принимает данные. Такое решение позволяет реализовать простую прямую связь между двумя устройствами. При соединении однотипных устройств все соединительные линии необходимо перекрещивать.

Уровни сигналов обеих линий передачи данных определены следующим образом:

• от -3 до -15 для логического значения «I»
• от +3 до +15 для логического значения «0»

На линиях передачи управляющих и оповестительных сигналов логика работы, напротив, инвертирована (лог. «I» = положительный потенциал). Максимальная скорость передачи данных составляет 115,2 кбит/с. В промышленных условиях дистанцию передачи в таком случае рекомендуется уменьшить до 5 м.

TTY

Интерфейс TTY с токовой петлей впервые был применен в телеграфии. В настоящее время его все еще можно встретить в (ПЛК) и принтерах. Как для передачи, так и для приема данных необходимо по одной паре линий, при этом линии должны быть попарно скручены. Передача данных осуществляется в дуплексном режиме с программным квитированием. Линии передачи управляющих сигналов не предусмотрены. Значение тока 20 мА в петле соответствует состоянию логическая «I». Если цепь тока разорвана, это воспринимается как состояние логический «0». В каждой петле требуется формирующий ток источник, который может быть подключен либо на передающей, либо на принимающей стороне. Сторона, формирующая ток, считается «активной», «пассивная» же находится всегда напротив активной. Различают три конфигурации интерфейса:

1. Полностью активные интерфейсы TTY с источниками тока как ветви передатчика, так и в ветви приемника.
2. Пассивные интерфейсы TTY без соответствующих источников стабилизированного тока.
3. Полуактивные интерфейсы TTY с источником тока только на стороне передачи (TD).

Приемник (RD) является пассивным. Каждая токовая петля может работать лишь с одним источником тока. Разрешены только комбинации «полностью активный/пассивный» и «полуактивный/полуактивный». Такая передача данных может быть реализована на расстояния до 1000 м. Максимальная скорость передачи составляет 19200 бит/с.

RS-422

Требования интеллектуальных машин к быстрым и высокопроизводительным средствам передачи данных описываются стандартом RS-422. Последовательная передача данных между двумя устройствами осуществляется в дуплексном режиме со скоростью до 10 Мбит/с на расстояния до 1200 м.

Электрические уровни в линиях передачи данных определены следующим образом:

• от -0,3 до -6 для логической «I»
• от +0,3 до +6 для логического «0».

Состояние сигнала характеризуется разницей напряжений между точками замера (А) и (В). Если напряжение в точке (А) по сравнению с напряжением в точке (В): - Отрицательно, то линия данных - лог. I, линия управления - лог.0, (UA-UB-0,3 B).

Оконченные сопротивления нагрузки (100…200 Ом) на входах приемника, не только препятствует отражению в линии передачи, но и дополнительно повышают надежность передачи благодаря четко выраженному результирующему току.

RS-485 W2

Этот тип последовательного интерфейса отличается не только высокой производительностью, как и интерфейс RS-422, но также допускает многоточечное подсоединение до 32 оконечных устройств. Электрические уровни и сопоставленные им логические значения идентичны определяемым стандартом RS-422. правда, из-за 2-проводной схемы соединения передача данных может осуществляться только в полудуплексном режиме, это означает, что передача и прием данных производятся попеременно и должны управляться соответствующей программой. Соответствующий программно реализуемый протокол должен в отличие от коммуникации по чистой схеме точка-точка обеспечить возможность обращения к каждому подключенному по многоточечной схеме оконечному устройству по адресу, а также идентификацию этого устройства. В каждый момент времени передавать данные может лишь одно оконечное устройство, все остальные должны в это время находиться в режиме «слушания». Двухпроводной шинный кабель может иметь длину до 1200 м, на его обоих концах должны быть подключены оконечные сопротивления нагрузки (100…200 Ом). Отдельные оконечные устройства могут удаляться от шины с использованием ответвлений на расстояние до 5 м. При применении попарно скрученного и экранированного кабеля максимальная скорость передачи данных составляет 10 Мбит/с. Стандарт RS-485 определяет всего лишь физические свойства интерфейса. Поэтому совместимость интерфейсов RS-485 между собой не обязательно гарантирована. Такие параметры, как скорость передачи, формат и кодирование данных определяются системными стандартами, например стандартами INTERBUS, PROFIBUS, MODBUS и т.п.

RS-485 W4

Стандарт RS-485 с 4-проводной схемой позволяет в противовес стандарту RS-485 с 2-проводной схемой осуществлять связь через шину в дуплексном режиме. Примером этого является измерительная шина DIN-Messbus. В отличие от 2-проводной технологии в этом случае ветви передачи приемника отделены друг от друга и поэтому могут работать одновременно. Топологии, основанные на принципе «ведущий/ведомый», применяются предпочтительно в измерительных шинных системах, в которых ведущее устройство ведет передачу данных максимально 32 ведомым, находящимся в режиме «слушания». Ветви передачи ведомых устройств могут находиться в третьем дискретном состоянии (tri-state), в котором поддерживается их высокое полное сопротивление. Только измерительная станция, к которой поступил запрос, активно подключает свой передатчик к шине. Электрические уровни и их логические значения соответствуют, как и во всех других интерфейсах типа RS-485, стандарту RS-422. Максимальная скорость передачи составляет 10 Мбит/с. Кабель шины должен иметь оконечные сопротивления, его жилы должны быть попарно скручены и экранированы.

Модем

Обычная телефонная сеть позволяет передавать только аналоговые сигналы в диапазоне частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Поэтому для передачи через телефонную сеть цифровых сигналов от последовательных интерфейсов необходимо предварительное преобразование. Для этого требуется устройство, преобразующее поток цифровых данных в колебания аналоговых сигналов, а эти колебания затем обратно в поток цифровых данных. Эти процессы называют модуляцией и демодуляцией, а устройство, их выполняющее, соответственно модемом. Процесс образования коммутируемой связи соответствует международным стандартам. При этом несущая частота служит для синхронизации обоих модемов. С помощью общедоступной телефонной сети можно таким образом реализовать канал между устройствами, расположенными в любой точке мира. Но даже при использовании выделенной линии расстояния в 20 км не составляют проблемы.

Хотя требуется только два провода, передача данных чаще всего происходит в дуплексном режиме.

Максимальная производительность аналоговой линии составляет 33,6 кбит/с.

Передач а по стандарту V.90 со скоростью 56 кбит/с возможна только от интернет-сервера к модему. В обратном направлении, т.е. от модема V.90 к модему V.90, скорость передачи составляет максимум 33,6 кбит/с.

INTERBUS

INTERBUS представляет собой кольцевую систему. Передающая и принимающая линии объединены в один кабель, из-за этого INTERBUS воспринимается как древовидная структура с линиями, представленными ответвлениями от магистрального кабеля. Эти ответвления соединяются с удаленной шиной через ответвительные клеммные модули шины. Соединения между оконечными устройствами удаленной шины являются активными соединениями точка-точка, физический уровень соответствует стандарту RS-422. При этом полезные данные передаются как дифференциальные сигналы по попарно скрученным сдвоенным проводам (4 провода) в дуплексном режиме. Скорость передачи данных составляет 500 кбит/с или 2 Мбит/с. Возможная общая протяженность линий связи до 12,8 км, при этом система может включать в себя максимум 255 сегментов длиной до 400 м каждый.

Применение повторителей и согласующих резисторов-терминалов на конце линии не требуется, поскольку кольцо автоматически замыкается на последнем устройстве удаленной шины.

PROFIBUS

Шина PROFIBUS определена стандартами МЭК 61158 и МЭК 61784 и технически базируется на 2-проводной системе RS-485 с полудуплексным режимом передачи данных. Система Profibus построена как чисто линейная структура с возможностью подключения до 32 оконечных устройств, максимальная протяженностью сегмента шины составляет 1200 м. чтобы обеспечит помехоустойчивую работы шины, в частности, при высоких значениях скорости передачи данных, следует применять лишь те типы шинных кабелей, которые разработаны специально для шины Profibus. Оконечные устройства системы Profibus соединяются между собой путем прокладки двухжильного шинного кабеля со скрученными жилами. Если в сеть необходимо объединить больше оконечных устройств, то машину или промышленную установку необходимо сегментировать. Отдельные сегменты обмениваются между собой данными через повторители, которые обеспечивают усиление и разделение потенциалов сигналов, несущих полезную информацию. Каждый повторитель расширяет систему на один дополнительный сегмент с 32 оконечными устройствами и полной длиной кабеля, причем максимально можно подключить 127 оконечных устройств. Скорость передачи в системах Profibus может быть настроена в диапазоне от 9,6 кбит/с до 12Мбит/с. Значение скорости влияет на допустимую длину сегментов шины, а также пассивных ответвлений (таблица). Чтобы обеспечить надежную передачу данных, каждый сегмент шины Profibus на медном кабеле должен начинаться и заканчиваться согласующим резистором.

Скорость	Длина сегмента	Допустимая длина ответвления на один сегмент
9,6 кбит/с	1200 м	32х3 м
19,2 кбит/с	1200 м	32х3 м
45,45 кбит/с	1200 м	32х3 м
93,75 кбит/с	1200 м	32х3 м
187,5 кбит/с	1200 м	32х3 м
500 кбит/с	400 м	32х1 м
1,5 Мбит/с	200 м	32х0,3 м
3,0 Мбит/с	100 м	Не допускается
6,0 Мбит/с	100 м	Не допускается
12,0 Мбит/с	100 м	Не допускается

CANopen/Device Net

Протокол локальной сети контроллеров (Controller Area Network (CAN)) был первоначально разработан для объединения в сеть автомобильной электроники. Путем расширения протокола были получены системы CANopen и Device Net для промышленных применений полевой шины.

Все оконечные устройства шины соединяют линейно трехжильным кабелем имеющим в начале и в конце согласующие сопротивления.

Оконечные устройства прослушивают обмен данными по шине и, дождавшись паузы, начинают передачу пакетов данных. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Поскольку разные пакеты данных при этом могли бы мешать друг другу, предусмотрен побитовый арбитраж, предотвращающий потерю данных. Этот механизм называют Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (сокращенно CSMA/CA - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов).

Оконечные устройства сравнивают уровни сигнала на шине с уровнями передаваемых ими сигналов. Эти уровни могут оказаться либо доминантными (уровень 0) или рецессивными (уровень I). Как только поверх собственной комбинации битов будет записан доминантный уровень, это означает, что другое оконечное устройство перешло в режим передачи. Оказавшийся рецессивным передатчик немедленно останавливает свою передачу и будет пытаться снова передать свой пакет данных уже во время следующей паузы. Сообщения, а тем самым и запросы на доступ к шине можно при раздаче адресов ранжировать по приоритетам в зависимости от количества доминантных бит.

Время распространения сигнала ограничивает максимально достижимую протяженность сети в зависимости от скорости передачи, так как метод CSMA/CA работает только в ограниченном временном окне. Это обязательно необходимо учитывать при проектировании.

Ethernet

Ethernet описан в стандарте IEE 802 и был первоначально разработан для коммуникации между офисными устройствами (компьютерами, принтерами и т.п.). При этом была принята линейная топология и был применен коаксиальный кабель. В настоящее время сети строят исключительно с децентрализованной топологией типа «звезда» на основе витых пар или оптоволоконного кабеля. При этом в промышленных сетях скорость передачи данных составляет 10 или 100 Мбит/с. Структуру сети можно согласовать с требованиями каждого отдельного случая путем организации каскадов с помощью разветвителей типа «звезда» (концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы).

Если для распределения данных применяют концентраторы, система должна работать в полудуплексном режиме. В этом случае обмен данными обеспечивается механизмом Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidment (CSMA/CA - множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов). При этом оконечные устройства прослушивают канал обмена информацией в сети и начинают передачу данных только после приостановки других передач. Пакет отсылается каждому оконечному устройству сети. Оконечные устройства сравнивают содержащийся в присланном пакете адрес получателя со своим собственным адресом и принимают пакет только в случае совпадения адресов. Часто несколько оконечных устройств идентифицируют шину как свободную и начинают передачу данных одновременно. Вследствие этого пакеты данных разрушают друг друга, В этом случае говорят о коллизии. Активное конечное устройство, первым обнаружившее коллизию, сразу же требует от всех оконечных устройств медленной остановки передачи данных. Чтобы пакеты данных не потерялись и их можно было бы послать вновь, передатчики должны получить квитирующее сообщение до того, как был послан последний бит сообщения.

Временные ограничения квитирующего сообщения при коллизии непосредственно влияют на максимальную протяженность сети. Так называемый коллизионный домен ограничивается сетевым адаптером, маршрутизатором или коммутатором. Такая сегментация сети устраняет ограничения сети с концентраторами, благодаря этому становятся возможными большая территориальная протяженность сети и оптимизация обмена данными.

В идеальном случае каждое оконечное устройство подключают к коммутационному порту, тем самым оно получает собственный коллизионный домен. Производительность сети повышается, поскольку коллизии исключены, механизм CSMA/CD можно отключить и эксплуатировать сеть в дуплексном режиме в полосе частот двойной ширины.

При монтаже следует учитывать тип применяемого устройства. В соответствии с интерфейсами DTE/DCE в случае устройств RS-232 имеются Ethernet-устройства с интерфейсами MDI или MDIx. Однотипные устройства необходимо всегда подключать соединительными кабелями со скрещенной разводкой, а устройства различного типа кабелями с разводкой 1:1.

С помощью внутренней коммутации, объединяющей множество устройств, возможно переключение интерфейса вручную или автоматически (функция автосогласования) непосредственно на месте установки. Благодаря этому во всех случаях имеется возможность соединения кабелем с разводкой 1:1.

Еще одним автоматическим механизмом является функция автосогласования скорости и режима работы, благодаря которой устройства выбирают общие для всех скорость и режим передачи (полудуплекс или дуплекс).

В качестве последовательного промышленного интерфейса передачи данных в средствах автоматизации рассмотрим протокол RS-485.

Стандарт Ассоциации электронной промышленности (EIA) RS-485 представляет собой широко используемый промышленный стандарт на двунаправленную, симметричную линию передачи. Протокол стандарта

EIA RS-485 имеет следующие характеристики:

Максимальная длина линии в пределах одного сегмента сети: 1200 метров (4000 футов);

Пропускная способность – 10 Мбод и выше;

Дифференциальная линия передачи (уравновешенные симметричные линии);

Максимальное число узлов в сегмент-32;

Двунаправленная коммуникационная линия с функцией арбитража работающая по кабелям, состоящим из одной витой пары;

Возможность подключения параллельных узлов. Истинная многоточечная схема подключения.

Модули ADAM являются полностью изолированными и при передаче и при приёме данных работают с единственной витой парой. Поскольку соединение узлов выполняется параллельно, модули могут быть свободно отключены от головного (системного) компьютера без каких-либо последствий для функционирования остальных узлов. Применение экранированной витой пары в промышленных условиях является предпочтительным, поскольку это обеспечивает получение высокого отношения полезный сигнал/шум.

При совместной работе узлов в сети, в ней не происходит конфликтов по передаче данных, поскольку используется простая последовательность команда/возвращённое значение. В сети всегда присутствует один инициатор обмена (без адреса) и большое количество пассивных узлов (с адресом). В нашем случае в качестве арбитра выступает персональный компьютер, подключённый через свой последовательный RS-232 порт, к сетевому преобразователю RS-232/RS-485 типа ADAM. В качестве пассивных участников обмена данными выступают модули ADAM. Когда модули не передают данные, они находятся в состоянии ожидания. Головной компьютер инициирует обмен данными с одним из модулей путём реализации последовательности команда/возвращаемое значение. Команда обычно состоит из адреса модуля, с которым хочет установить связь головной компьютер. Модуль с указанным адресом выполняет команду и передает возвращаемое значение в системный компьютер.

Многоточная структура сети RS-485 работает на базе двухпроводного соединения узлов в сегменте сети. Стыкуемые модули подключатся к этим двум линиям с помощью так называемых ответвителей (drop cables). Таким образом, все подключения выполняются параллельно и любые подсоединения и отсоединения узлов никак не влияют на работу сети в целом. Поскольку модули ADAM работают со стандартом RS-485 и используют команды в формате кодов ASCII, тот они могут стыковаться и обмениваться информацией с любыми компьютерами и терминалами, воспринимающими эти коды. При организации сети на базе протокола RS-485 могут применяться схемы соединений: в цепочку, звездой, смешанная и т.д.

Структурная схема системы связи, в состав которой входят при­емники и формирователи, соответствующие требованиям настоя­щего стандарта, приведена на рис. 22. Элементами системы являются формирователи, приемники, соединительный кабель и согласую­щие резисторы (R с). Общая нагрузка, обусловленная наличием приемников и формирователей в пассивном (включенном, высокоимпедансном) состоянии, определяется количеством присутствующих еди­ниц нагрузки. Единица нагрузки, в свою очередь, определяется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Нагрузкой является формирователь (G), приемник (R) либо их параллельное соединение в пассивном состоянии (рис.12).

Каждый случай неравномерности импеданса линии приводит к отражению и искажению передаваемого сигнала. Если неравномерность импеданса имеет место в линии передачи, это немедленно приводит к эффекту отражения сигнала, искажающему исходный сигнал. Особенно этот эффект проявляется на концах линий. Для устранения неравномерности установите на конце линии согласующее сопротивление.