Интерфейсы – это устройство, позволяющее производить обмен данными между источником и приемником.

Параллельный интерфейс .

Представляет собой n – разрядную шину, по которой параллельно вводятся или выводятся данные по линиям связей, каждая из которых имеет свой вес. По n-разрядной шине производится обмен данными между источником и приемником.

Допустим данные вводятся в ВУ из АЦП, тогда АЦП – источник, ВУ – приемник. Сигнал CS выбирается при совпадении адреса на ША установленного процесса и адреса присвоенного порту или устройству с которым происходит обмен данными. Устройства, адреса которых не совпадают с адресом устройств на ША, находятся в нейтральном состоянии («отдыхают»). Данные устанавливаются на ШД одновременно.

Данные маркируются по разрядам. В каждый разряд можно записать либо 0, либо 1. Номер разряда соответствует его весу. При объединении 4-х разрядов в 1-н знак, получим младший и старший разряд. Для того, что бы записать в разряд число, нужно сложить значение старшего и младшего разряда.

К параллельному интерфейсу относятся: внутренние шины (адресов, данных), интерфейс для принтера, для подключения внешних устройств, таких как ISA, PCI, AGP, LPT.

Достоинство: высокая скорость передачи информации.

Недостаток: Ограниченная длина линии связи, подверженность воздействию внешних помех, скорость передачи информации ограничена внутренней шиной.

Параллельные интерфейсы используются для обмена данными внутри ПК и внешним устройством, находящихся на небольшом расстоянии (LPT ~ 3м).

Если скорость обмена данными между процессором и внешним устройством не соответствует скорости, на которой работает процессор, используют буферезацию.

Буфер – это память, которая может обмениваться данными на скорости, соответствующей скорости внешнего устройства (заполнение буфера) и впоследствии обмениваться данными между буфером и процессором на скорости процессора.

Пример буферов: КЭШ память, буферная память в составе устройств ввода/вывода данных (платы с АЦП, видеокарты).

Последовательный интерфейс .

Данные передаются последовательно по одному проводу. К последовательным интерфейсам относятся: COM- порт, USB, PC/2 (мышка, клавиатура). Можно связывать между собой только два устройства.

Последовательные синхронные интерфейсы (ПСИ) – для передачи данных используются кроме линии данных линии тактовых импульсов (сигналов).

Чтение запись данных производится по фронту тактового импульса (-импульса синхронизации обмена данными).

Если к линии данных подключено более одного устройства, то выбор устройства, с которым производится обмен данными осуществляется специальным сигналом CS.

К этим интерфейсам относится: SPI, I 2 C

Эти интерфейсы применяются для обмена данными внутри ВУ, содержащих в своем составе микроконтроллер и некоторую периферию (АЦП, ЦАП, датчик температур) внутри прибора.

Последовательный асинхронный интерфейс (ПАН)

В составе ПАН нет сигналов синхронизации (нет CLK (тактовых сигналов)). Обмен данными осуществляется последовательной установкой на линию данных битов данных на равные интервалы времени.

● Последовательные асинхронные полудуплексные интерфейсы

RxD – приемник,

TxD – передатчик.

Через равные интервалы времени передается состояние одного и того же разряда. В данном типе интерфейсов при передаче данных могут участвовать только 2 устройства (приемник и пердатчик).

1– стартовый импульс (синхронизирует процесс передачи);

2– передается байт данных (количество передаваемых бит 5-8);

3 – передается служебная информация (бит проверки на четность);

4– стоповые биты (минимум 2) – разделительные биты между последовательно передаваемыми посылками.

3+4 – служебные биты

Бит проверки на четность применяют для исключения случайных ошибок (значение бита равно 1 или 0 в информативном такте, значение устанавливается таким, чтобы общее число единиц было четным).

Если в байте три единицы, то бит четности = 1, если 6, то бит четности =0.

Стоповые биты определяют минимальный интервал времени между соседними посылками. Их может быть 1 или 2 в зависимости от принятого протокола обмена данными. Если посылка данных осуществляется через интервал времени больший чем интервал стоповых битов, то это не приводит к сбою передачи данных по интерфейсу, если меньше, то приводит.

Скорость передачи данных измеряется в [бод]. (1 бод = 1 бит/с).

Достоинства:

Для передачи данных требуется минимум проводов,

Хорошо работает на длинных дистанциях.

Проще сама реализация интерфейса.

Недостаток:

Т.к. данные идут последовательно, длина линии связи может составлять до сотен метров;

Скорость передачи данных меньше, чем у параллельного интерфейса (эту проблему можно решить за счет длительности тактов)

Использовался в первых телеграфных релейных линиях связи.

● Последовательные асинхронные дуплексные интерфейсы

Дуплексный режим – одновременно информация передается в обе стороны. Источник и приемник имеют разные приоритеты.

Промышленный интерфейс RS-485 (Дуплексный режим)

Этот интерфейс позволяет подключать в одной ШД несколько устройств.

Master – означает что компьютер первым посылает запрос по линии связи RS-485, содержащей адрес устройства с которым будет вести обмен данными. Все устройства принимают этот запрос находясь в режиме ожидания, и то устройство адрес которого совпадает с заданным ПК номером принимает или передает данные в соответствии с установленным протоколом обмена данных.

Как правило все устройства - исполнительные механизмы.

RS-422 (Полудуплексный режим)

tком > tуп

tком – время посылки между командами

tуп – время передачи данных любого из устройств (длительность ответа n-го устройства для исключения конкуренции сигналов по линии передачи данных).

Для преобразования сигналов служат специализированные преобразователи. Устройства преобразования сигналов интерфейсов RS-422, RS-485 имеют в своем составе гальваническую развязку. Передача данных по линиям интерфейсов RS-422, RS-485 осуществляется по 2-м проводам с использованием дифференциальной линии связи для уменьшения влияния внешних проводов.

Data+ Data-	Rs-485
TxD+ TxD- RxD+ RxD-	RS-422

Длина линии связи может достичь до 1 км с использованием стандартного устройства преобразования.

Типы устройств ввода/вывода

1.Устройства, устанавливаемые на шину компьютера (PSI ,ISA). Имеют связь непосредственно с внутренней шиной, достаточно быстро могут вводить информацию.

2. Внешние устройства (COM – port, LPT – port, USB - port). Устройство вывода преобразует цифровой код в напряжение. Платы цифрового (дискретного) вывода информации применяются для управления оборудованием по принципу «включен/выключен».

В состав современных плат ввода - вывода сигнала может быть включен Digital Signal Processor (DSP – цифровой сигнальный процессор). Он выполняет функцию предварительной обработки вводимых сигналов.

Может осуществлять мультиплексирование подаваемых на АЦП данных; цифровую фильтрацию данных (удаление помех), частотный анализ сигнала (строится путем преобразований Фурье).

Характеристики устройств ввода/вывода

Характеристики для АЦП:

Количество разрядов;

Максимальное входное напряжение (Существует ряд стандартных максимальных напряжений: 1; 2,5; 5; 10 В);

Полярность (однополярный: U=0÷Umax, двухполярный: U=-Umax÷Umax);

Наличие мультиплексера (предназначен для переключения каналов и определения, с какого канала пойдет сигнал на АЦП)

При наличии мультиплексера появляется такой параметр, как частота преобразования канала АЦП. В паспорте АЦП указывается общая частот преобразования. Поэтому, если f p - частота преобразования, указанная в паспорте, то часта преобразования одного канала: f канала =f p /m, где m – число каналов.

Наличие гальванической развязки (применяется для разделения нулевых потенциалов работы вычислительных и внешних устройств);

Объем буферной памяти (для высокочастотных систем).

При записи происходит потеря информации, т.к. скорость записи меньше скорости считывания.

Во многих АЦП есть возможность подключения дифференциального сигнала.

Очевидно, что современной робототехнике для управления роботами требуется множество различных параметров. Их передача реализуется через различные интерфейсы передачи данных характеризующиеся различными скоростями передачи данных, типом передаваемой информации и способом её передачи.

В Таблица 3.3 представлены наиболее распространённые и часто встречающиеся в робототехнике и стандарты связи.

Таблица 3.3

Как видно из таблицы среди проводных последовательных интерфейсов RS-232С самый медленный, однако в силу простоты реализации большой распространенности в мире его использование наиболее приемлимо для учебных моделей и прототипов на которых отрабатываются различные тестовые принципы и алгоритмы. Так как его поддержка реализована в 99% программных продуктов на уровне стандартных библиотек интерфейсов по разработке ПО для современных компьютеров, а возможности которые предоставляет данный протокол связи позволяют контролировать наличие ошибок в линии, что достаточно для большинства схем. Конечно не стоит забывать и о параллельном интерфейсе однако он обладает существенными недостатками: прежде всего это очень низкая скорость передачи данных которая в некоторых случаях становится узким местом в реализации схемы, необходимость в прокладке большего числа кабелей по сравнению с последовательным интерфейсом передачи данных и малой длинной линии обусловленной очень низкой помехозащищённостью. Всё это делает данный интерфейс неудобным в реализации и мало подходящим для создания связи между микроконтроллерами и управляющей схемой.

Среди беспроводных протоколов для целей управления простыми роботами наиболее подходящим является стандарт связи ZigBee в связи с малой потребляемой мощностью оборудования работающего по этому стандарту и его направленности на данный сектор задач.

Последовательный интерфейс RS-232С

Данный последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных, определяется стандартом EIA RS-232-C (Таблица) и рекомендациями V.24 CCITT. Изначально он создавался для связи компьютера с терминалом однако в настоящее время используется в самых различных целях.

Интерфейс RS-232-C предназначен для соединения двух устройств. При чём линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот, данный режим называется полнодуплексным. Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение хотя и возможна организация аппаратного подтверждения путем организации дополнительных линий для обеспечения функций определения статуса и управления.

Таблица 3.4

Основными преимуществами использования RS-232C являются возможность передачи на большие (по сравнению с параллельным интерфейсом) расстояния и более простая схема разводки кабеля. Данные в RS-232C передаются в последовательном коде побайтно. Каждый байт обрамляется стартовым и стоповыми битами в добавок к ним может присутствовать и бит чётности, но как правило он не используется.

Современный компьютер имеет 25-контактный (DB25P) или 9-контактный (DB9P) разъем (более распространённый и в дальнейшем будет рассматриваться и подразумеваться только он) для подключения RS-232C. Распайка контактов для (DB9P).

Таблица 3.5. Порядок обмена по интерфейсу RS-232C

Наименование	Направление	Описание	Контакт (DB9P)
		Carrie Detect (Определение несущей)
		Receive Data (Принимаемые данные)
		Transmit Data (Передаваемые данные)
		Data Terminal Ready (Готовность терминала)
		System Ground (Корпус системы)
		Data Set Ready (Готовность данных)
		Request to Send (Запрос на отправку)
		Clear to Send (Готовность приема)
		Ring Indicator (Индикатор)

Назначение сигналов следующее:

FG - защитное заземление (экран).

TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде

RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде

RTS - сигнал запроса передачи. Активен во все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен во все время передачи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей данных (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Используется при соединение с модемом и приеме им сигнала вызова по телефонной сети. В нашем случае вообще не используется.

Для связи наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для двунаправленной передачи).

Использование двухпроводной линии связи возможно только в случае передачи из компьютера во внешнее устройство, при этом используются используются сигналы SG и TxD. Все 10 сигналов интерфейса задействуются только при соединении компьютера с модемом что в данном случае не актуально.

Данные соопровождаются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми битами их количество не принципиально. Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты данных через определннные интервалы времени. Очень важно, чтобы тактовые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое расхождение - не должно превышать 10%.

Скорость передачи по RS-232C в соответствии со стандартом может выбираться из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с. Очевидно что данная вольность в выборе скорости позволяет подобрать наиболее оптимальные условия для передачи данных.

Замечу, что данные передаются в инверсном коде т.е. логической единице соответствует низкий уровень, а логическому нулю - высокий уровень сигнала.

Обмен данными по последовательному интерфейсу осуществляется с помощью обращений по специально выделенным для этого портам COM1 (адреса 3F8h…3FFh, прерывание IRQ4), COM2 (адреса 2F8h…2FFh, прерывание IRQ3), COM3 (адреса 3F8h…3EFh, прерывание IRQ10), COM4 (адреса 2E8h…2EFh, прерывание IRQ11). Аналогичное описание присутствует и в документации к любому микроконтроллеру использующему данный интерфейс связи.

Однако возникает вопрос о достаточности скорости работы данного интерфейса при использовании протокола RS-232С с максимальной скоростью передачи составляющей 115200 бит/с. Разрешить подобный вопрос позволяет простая формула. Для расчёта по которой требуется знать скорость интерфейса, некоторые его особенности и количество байт требуемое для управления приводом (некоторым приводам требуется всего один байт, а некоторым 2 или даже 3 для управления, но этот параметр определяется особенностью самого привода)

Формула (для выяснения количества обновлений задания для привода за 1 секунду:

где i - количество обновления команд за 1 секунду, V - скорость канала,

N - количество приводов, S - количество байт требуемое для управления 1 приводом, k - служебные байты, предназначенные для активации контроллера, порядковый № привода, контрольная сумма, а 10 это количество бит передаваемых за одну посылку по протоколу RS-232С т.е. 8 бит даннных плюс один стартовый и один стоповый бит. Бит чётности не используется. Тогда для змеевидного робота Змеелок получается:

Что означает: за 1 секунду приводы могут максимально получить ~182 команды что более чем достаточно для реализации управления т.к. по расчётам минимально необходимое количество обновлений в секунду составляет 20 - 40 обновлений.

В связи со всем вышеизложенным на начальном этапе разработки змеевидного робота целесообразно направить усилия на создание многозвенного робота с проводным интерфейсом RS-232С с последующим переходом на интерфейс CAN или беспроводной ZigBee как более скоростные и современные.

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.

Лекция 4 Типы интерфейсов данных

Лекция 4

Тема: Типы интерфейсов данных

Данные в сетях передаются в виде пакетов или ячеек. Сначала использовалась передача пакетов, которая до сих пор остается наиболее распространенным методом передачи данных в локальных сетях. Передача ячеек (пакетов фиксированной длины) позволяет строить высокоскоростные каналы между локальными и глобальными сетями. Для каждого метода передачи необходимы специальные интерфейсы, управляющие сетевыми коммуникациями на физическом уровне. В следующих разделах описываются и сравниваются используемые в сетях пакеты и ячейки, а также предназначение для них интерфейсы.

Передача пакетов

Данные передаются от узла к узлу в виде больших фрагментов, называемых пакетами или фреймами. Коммуникационное программное обеспечение каждого узла разбивает данные на такие фрагменты. В зависимости от передающей среды, фрагмент данных преобразуется в электрический, радио- или световой сигнал, который и может быть передан между узлами. Требуется много пакетов данных, чтобы передать страницу текста или файл.

Формат пакетов определяется используемым в сети протоколом. Например, протокол определяет способ указания адреса узла, посылающего пакет, адреса принимающего узла, типа передаваемых данных, размера пакета, объёма передаваемых данных и метода обнаружения поврежденных пакетов или коммуникационных ошибок. Другой важной частью пакета является синхронизирующая информация для передачи множества пакетов, позволяющая отсылать пакеты через заданные интервалы времени. На рис.1 показан общий формат пакета.

Для физической передачи пакетов в сеть служит карта сетевого интерфейса, или сетевой адаптер (networkinterface card, NIC). Сетевой адаптер позволяет подключить рабочую станцию, файл-сервер, принтер или другое устройство к сетевой передающей среде, например, к коаксиальному кабелю или витой паре. На одном конце адаптера располагается разъем (или коннектор), соответствующий типу сетевой среды.

Сетевой адаптер является приемопередатчиком, обеспечивающим канал передачи данных в сетевой среде. Его встроенные средства упаковывают во фрейм заголовок, исходный и целевой адреса, данные и хвостовик, а фрейм в виде законченного пакета передается в коммуникационную среду. Сетевой адаптер имеет алгоритмы для приема, распаковки, передачи и синхронизации данных, а также для управления конфликтами и ошибками. Программные алгоритмы, реализующие эти функции, хранятся в исполняемых и служебных файлах, называемых сетевыми драйверами. Для каждого сетевого адаптера необходимы определенные сетевые драйверы, соответствующие методу доступа к сети, формату инкапсуляции данных, типу кабельной системы и физической (MAC) адресации. В программных драйверах реализуются стандарты многоуровневых сетевых коммуникаций, заданные эталонной моделью OSI. Драйверы позволяют сетевому адаптеру выполнять передачу данных на Физическом (Уровень 1) и Канальном (Уровень 2) уровнях.

Передача ячеек

Обычно ячейка (cell) содержит фрагмент данных фиксированной длины в формате, пригодном для передачи с большими скоростями - от 155 Мбит/с до 1 Гбит/с и выше. Как показано на рис. 2 ячейка имеет заголовок(header), в котором содержится следующая информация:

Данные для управления потоком, координирующие передачу информации между исходным и целевым узлами;

Информация о маршруте и канале, позволяющая передавать данные по кратчайшему маршруту;

Признак, указывающий на то, содержит ли ячейка реальные данные или управляющую информацию для осуществления высокоскоростного соединения;

Сведения об ошибках.

Имеющая фиксированную длину полезная нагрузка ячейки отличается реальных данных, содержащихся в пакете. В зависимости от протокола, Л кеты содержат данные переменной длины, которая кратна байту (8 битам) Например, данные в пакете распространенного стандарта Ethernet может иметь длину от нескольких сот до нескольких тысяч бит.

При асинхронном режиме передачи (asynchronous transfer mode, ATM) данные в ячейке всегда имеют длину 384 бита. Технология ATM (подробно описываемая в главе 8) представляет собой метод передачи данных, в котором ячейки и множество каналов используются для пересылки речевых сигналов, видео и данных в локальных и глобальных сетях. Фиксированная длина позволяет более точно синхронизировать передачу данных и обеспечить высокие скорости коммуникаций и качество обслуживания (Quality of Serve QoS). Качество обслуживания количественно описывает качество передачи данных, пропускную способность и надежность сетевой системы. Некоторые производители и телекоммуникационные компании предлагают для своих систем или оборудования гарантированное качество обслуживания.

В первую очередь ячейки используются в сетях ATM, поэтому интерфейсы данных состоят из коммутаторовATM, интерфейсов подключаемых устройств (AUI) и оптоволоконного кабеля. В составAUI-интерфейса входят приемопередатчик и сетевые драйверы, построенные по тем же принципам, что и драйверы для сетевых адаптеров, однако ориентированные на соединения по коаксиальному кабелю, витой паре или оптоволокну.

Согласно спецификациям ATM Forum и TIA Fiber Division, LAN Section, для передачи ячеек в магистралях локальных сетей, работающих на скорости 622 Мбит/с и на расстояниях до 500 м, требуется одномодовый оптоволоконный кабель. Многомодовый кабель с полосой пропускания 500 МГц на 1 км является наиболее выгодным решением для резервных магистралей, обеспечивающих скорость до 100 Мбит/с на расстоянии до2000 м. Следовательно, наилучшая конструкция кабельной системы, удовлетворяющаяся современным и будущим требованиям к резервным магистралям, представляет собой комбинацию многомодовых (62,5/125FDDI Grade) и одномодомовых оптических кабелей. Такие решения можно рассматривать как пример комбинированной кабельной системы.

Обычно кабельная магистраль содержит от 18 до 48 многомодовых оптических кабелей. При добавлении от 6 до 12 одномодовых кабелей (имеющих чрезвычайно высокие показатели полосы пропускания) можно обеспечить совместимость с будущими высокоскоростными приложениями. Свободные (или темные) оптические кабели можно оставить не разведенными до тех пор, пока в них не появится необходимость. В большинстве проектов затраты на установку избыточных кабелей невелики по сравннию с общими расходами на монтаж и намного меньше, чем затраты на установку дополнительных кабелей в будущем.