5.4. Промышленные интерфейсы и протоколы

Интерфейсом называется стандартизованная среда или способ обмена информацией между двумя или более единицами оборудования: приборами, контроллерами, персональным компьютером и т.п.

По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемого слова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно. В компьютере традиционно используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT-портами, шины ATA, SCSI и все шины расширения. В последовательном интерфейсе биты передаются друг за другом, обычно по одной (возможно, и двухпроводной) линии. Эта линия может быть как однонаправленной (например, в RS-232C, реализуемой СОМ-портом, шине Fire Wire, SPI, JTAG), так и двунаправленной (USB). 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. 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.

Основной характеристикой интерфейса является 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). Для разных интерфейсов и протоколов доля полезной информации, передаваемой в секунду, может быть от 30 % до 90 % от общей пропускной способности.

Протоколом называется стандартизованный набор правил передачи информации по какому-либо интерфейсу. Протокол обмена состоит из нескольких частей:

договоренность о параметрах связи (скорость, четность, число бит в байте и т. д.);

договоренность о последовательности передачи данных и форматах представления чисел;

договоренность об инициаторе обмена (если необходимо);

процедура восстановления связи (если необходимо);

дополнительные договоренности (например, передача прав главного хоста в сетях RS-485).

Параметры связи обязывают приемник и передатчик работать с одинаковыми аппаратными настройками. Обычно промышленные устройства используют строго определенные настройки обмена, некоторые – позволяют задавать скорость обмена (как программно, так и с помощью перемычек). Настройки четности и число бит в байте чаще всего фиксируются и не могут настраиваться со стороны аппаратуры.

Иногда, для согласования скорости работы, устройства выбирают фиксированную скорость начала обмена, устанавливают соединение и, обмениваясь данными на этой скорости, «договариваются» об использовании других скоростей и параметров обмена.

Для того чтобы принимающее устройство могло воспользоваться полученной информацией, ему необходимо знать, как ее интерпретировать. Для этого приемник и передатчик декларируют последовательность передачи данных. Часто именно эту часть договоренностей называют протоколом обмена, подразумевая наличие остальных частей.

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. Если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы, то в этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.

Преобразователем интерфейсов называется 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.

Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена – дуплексный, полудуплексный и симплексный. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если значения пропускной способности в обоих направлениях существенно различаются, или симметричным. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию в обоих направлениях поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим позволяет передавать данные только в одну сторону, т.е. только с передатчика на приемник, но не обратно, при этом нет необходимости подтверждения и обратной связи.

С появлением шин USB и Fire Wire в качестве характеристики интерфейса стала фигурировать и топология соединения. Для интерфейсов RS-232C и Centronics практически всегда применялась двухточечная топология PC – устройство (или PC – PC). Хотя разрабатываемые стандарты для параллельного порта (IEEE 1284.3) и предусматривают соединение устройств в цепочку (Daisy Chain) или через мультиплексоры, широкого распространения такие способы подключения пока не получили. К другому классу исключений относится построение моноканала на СОМ-портах. Интерфейсные шины USB и Fire Wire реализуют древовидную топологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и промежуточными (разветвителями). Эта топология позволяет подключать множество устройств к одному порту USB или Fire Wire.

При разработке собственных устройств встает вопрос выбора подходящего интерфейса подключения. Этот вопрос следует решать, исходя из принципа разумной достаточности, по возможности отдавая предпочтение внешним интерфейсам. Следует помнить, что разработка аппаратной части устройства (hardware) тесно связана и с программной поддержкой устройств – как модулями ПО, исполняемыми процессором компьютера (software), так и программами встроенного микроконтроллера (firmware), на базе которого, как правило, строятся современные устройства. Промышленностью выпускается множество моделей микроконтроллеров, имеющих популярные интерфейсы (USB, RS-232, PC и другие). Однако в ряде случаев приходится использовать и стандартизованные шины расширения ввода-вывода. Эти шины предоставляют более широкие возможности для взаимодействия процессора с аппаратурой, нескованные жесткими ограничениями внешних интерфейсов. Однако за универсальность и производительность внутренних шин расширения приходится расплачиваться более замысловатой реализацией интерфейсных схем и сложностями при обеспечении совместимости с другим установленным в компьютер оборудованием. При использовании внешних интерфейсов неприятности в случае ошибок чаще всего имеют отношение только к подключаемому устройству.