Ethernet - 10 Мбит/с; Быстрый (Fast) Ethernet - 100 Мбит/с; Гигабитный (Gigabit) Ethernet - 1 Гбит/с; 10-гигабитный Ethernet

В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, витая пара (невысокая стоимость, высокая помехоустойчивость) и оптоволоконный кабель (создание более длинных линий и высокоскоростных каналов связи).

Витая пара (twisted pair) - вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой.

Например, кабель FTP (foiled twisted pair — витая пара с общим экраном из фольги и медным проводником для отвода наведенных токов), 4 пары (solid), категория 5e (рисунок 3.13). Кабель предназначен для стационарной прокладки внутри зданий, сооружений и эксплуатации в структурированных кабельных системах. Разработан для приложений, работающих в частотном диапазоне с верхней границей 100 МГц.

Рисунок 3.13 — Витая пара

1 – Внешняя оболочка

2 – Экран-фольга

3 – Дренажный провод

4 – Защитная пленка

5 – Витая пара

На физическом уровне протокол Ethernet реализован в виде сетевых карт, встраиваемых в микропроцессорные системы, и концентраторов, соединяющих системы друг с другом.

На основе Ethernet строят промышленные сети (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink), которые успешно конкурируют с ранее разработанными сетями Profibus, DeviceNet, CANopen и др.

3.8 Микроконтроллеры

Микроконтроллер — это целая микропроцессорная система в одной микросхеме (на одном кристалле). Одна мик­росхема содержит в себе процессор, память, порты ввода/вывода и некоторые дополнительные устройства: таймеры, устройства прерывания, компараторы и др.

Общие сведения о микроконтроллерах

Использование одной микросхемы вместо системного блока, как в случае персонального компьютера, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров, а также многократно повышает надёжность.

Микроконтроллеры применяются в системах управления двигателями, бытовой технике, медицинских приборах, электроинструментах, игрушках и т.п. На сегодняшний день микроконтроллеры встраивают практически во все электронные устройства.

Производством микроконтроллеров занимаются Intel, Microchip, Atmel, Motorola, Hitachi, Philips, Texas Instruments, Infineon Technologies и многие другие компании.

Основной характеристикой микроконтроллеров является разрядность арифметико-логического устройства. По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Производительность микроконтроллера измеряют в MIPS (Million Instruсtions per Second — миллион инструкций в секунду).

Виды микроконтроллеров

Условно микроконтроллеры можно разделить на простейшие, встраиваемы и универсальные. Простейшие микроконтроллеры используются в тех случаях, когда не требуется высокая производительность, но важна низкая стоимость. Встраиваемые в приборы и аппаратуру микроконтроллеры запрограммированы на реализацию узкоспециализированных задач (например, простейшие устройства - клавишные переключатели, индикаторы). Универсальные микроконтроллеры ориентированы на решение многочисленных задач в системах управления, регулирования и контроля.

Типы корпусов микроконтроллеров

	DIP (Dual Inline Package) - корпус с двумя рядами контактов. Количество ножек в корпусе - 8, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 48 или 56.
	SOIC (Small Outline Integrated Circuit) - планарная микросхема - ножки припаиваются с той же стороны платы, где находится корпус. При этом, микросхема лежит корпусом на плате. Количество ножек и их нумерация – такие же как у DIP.
	PLCC (Plastic Leader Chip Carrier) - квадратный (реже - прямоугольный) корпус. Ножки расположены по всем четырем сторонам, и имеют J -образную форму (концы ножек загнуты под корпус). Микросхемы либо запаиваются непосредственно на плату (планарно), либо вставляются в панельку.
	TQFP (Thin Profile Quad Flat Package) - среднее между SOIC и PLCC. Квадратный корпус толщиной около 1мм, выводы расположены по всем сторонам. Количество ножек – от 32 до 144.

На рисунке 3.14 изображена упрощенная внутренняя структура микроконтроллера ATMEL АТ89С2051. Микросхема выполнена в стандартном DIP-корпусе и имеет 20 выво­дов. Напряжение питания микросхемы +5 В. Система команд совместима с широко распространенной микросхемой фирмы Intel — MCS-51.

АЛУ — арифметико-логическое устройство, заменяет процессор. Регистры процессора совмещены с ячейками внутреннего ОЗУ. ОЗУ данных — имеет 128 восьмиразрядных ячеек памяти.

ППЗУ программ — перепрограммируемое ПЗУ объемом 2 килобайта выполнено по технологии Flash-памяти. В эту память записывается программа, которую микроконтроллер будет выполнять.

Порты Р1 и РЗ — это два восьмиразрядных порта ввода/вывода. Они имеют названия Р1 и РЗ по аналогии с MCS-51. Порт РЗ не полный - линия Р3.6 не выходит ни на один из внешних выводов микросхемы и используется, как вход сигнала от встроенного аналогового компаратора.

Рисунок 3.14 — Внутренняя структура микроконтроллера АТ89С2051

Таймеры — в микросхеме имеются два встроенных 16-разрядных тайме­ра/счетчика Т1 и Т2. Они могут использоваться для задания любых интервалов времени. Причем счетчик Т1 имеет режим работы, при котором он делится на два 8-разрядных таймера, каждый из которых может работать самостоятельно. Можно программно запус­тить и остановить любой из счетчиков. Каждый счетчик может рабо­тать в двух режимах: режиме отсчета временных интервалов (считают импульсы внутреннего тактового генератора), и в режиме подсчета внешних импульсов.

Встроенный контроллер прерываний способен обрабатывать шесть ис­точников прерываний: два внешних запроса, прерывания от счетчиков/таймеров Т1 и Т2 (запрос прерывания посту­пает в тот момент, когда соответствующий счетчик/таймер досчитает до нуля) (счетчик работает в режиме обратного счета) и два источника прерывания - это прерывания от последователь­ного канала ввода/вывода.

Аналоговый компаратор - на его выходе появляется сигнал лог. 1, когда напряжение на входе «+» превысит напряжение на входе «-».

Р1, РЗ - порты ввода/вывода – регистры с побайтовой и побитной адресацией. Процессор может записать в них любое число, может также считать число из порта. Каждая из линий порта может работать как выход или как вход. Записанное в порт число, немедленно появляется на соответствующих выводах.

Регистры микроконтроллера

В микроконтроллере можно выделить служебные регистры (указатель адреса, регистр флагов, указатель стека), специальные регистры (регистры портов ввода/вывода, последовательного канала, таймеров, системы прерываний) и регистры общего назначения.

При помощи специальных регистров проис­ходит управление режимами работы всех встроенных системных ресур­сов микроконтроллера, они образуют своеобразный костяк микроконтроллера.

Регистры общего назначения (РОН) позволяют реализовать различные процессы и устройства виртуально, т.е. программным путем.

Т.о. микроконтроллер это набор многофункциональных устройств, конкретные функции и режимы работы которых, определяются программой.

Пример: необходимо получить прямоугольные импульсы, т.е. реализовать функцию мультивибратора. Для этого достаточно на одном из выводов порта обеспечить чередование с определенной периодичностью уровня лог. 0 и лог. 1. Специальные регистры обеспечат выбор необходимого вывода и установку его в работу на выход, и будут задавать уровни 0 и 1. На регистрах общего назначения можно создать счетчики, которые будут отмерять временные интервалы длительности импульса и паузы.

Регулятор мощности

Для управления инерционной нагрузкой часто применяются тиристорные регуляторы мощности, работающие по принципу подачи на нагрузку нескольких полупериодов сетевого напряжения с последующей паузой.

Основой регулятора мощности (рис. 3.15) является микроконтроллер U1 типа AT89C2051. Для питания схемы регулятора использован маломощный трансформатор T1, что вместе с применением оптотиристоров обеспечивает гальваническую развязку от сети. Это делает устройство более электробезопасным.

Регулировка мощности в нагрузке осуществляется с помощью кнопок SB1 и SB2. Короткое нажатие одной из кнопок вызывает изменение мощности на один шаг. При удержании кнопки происходит монотонное изменение мощности. Одновременное нажатие двух кнопок выключает нагрузку, если до этого она была включена или включает максимальную мощность, если нагрузка была выключена.

Р исунок 3.15 — Схема регулятора мощности

Для индикации мощности в нагрузке служат светодиодные семисегментные индикаторы HG1 - HG3. Для уменьшения количества элементов использована динамическая индикация, которая реализована программно. Встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор осуществляет привязку к сетевому напряжению. На его входы через ограничители R17, R18, VD1, VD2 поступает переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора питания. Роль ограничителя для отрицательной полярности выполняют диоды выпрямительного моста. Компаратор восстанавливает знак сетевого напряжения. Переключения компаратора происходят в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Выход компаратора опрашивается программно, и как только обнаруживается изменение его состояния, на выход управления тиристорами (порт микроконтроллера INT0) выдается управляющий уровень для включения тиристоров. Если текущий полупериод подлежит пропуску, то управляющий уровень не выдается. Затем на 4 мс включается индикатор HG3. В это время происходит проверка нажатия кнопок и, если нужно, изменяется значение текущей мощности. Затем снимается управляющее напряжение с тиристоров, и на 4 мс включаются индикаторы HG1 и HG2. После этого в течение 4 мс ожидается новое изменение состояния компаратора. Если изменения не происходит, система все равно начинает цикл, не привязавшись к сети. Только в этом случае тиристоры не открываются. Это сделано для того, чтобы индикация нормально работала даже без импульсов привязки к частоте сети. Такой алгоритм работы, однако, накладывает некоторые ограничения на сетевую частоту: она должна иметь отклонение от 50 Гц не более 20%. На практике отклонение частоты сети значительно меньше.

Сигнал с порта INT0 поступает на ключ, выполненный на транзисторах VT3 и VT4, который служит для управления светодиодами оптотиристоров. Когда активен сигнал RESET микроконтроллера, на порту присутствует уровень логической единицы. Поэтому в качестве активного уровня выбран ноль. Для коммутации нагрузки используются два оптотиристора, включенные встречно-параллельно. Светодиоды оптотиристоров соединены последовательно. Ток светодиодов задается резистором R16 и равен примерно 100 мА.