3 Классификация аппаратных средств сбора информации

Аппаратные средства системы сбора и регистрации измерительной информации по функциональному назначению принято делить на следующие классы:

• средства коммутации;

• средства преобразования;

• средства сопряжения;

• средства обработки (персональный компьютер).

Программные средства для сбора и регистрации входных данных обычно представляют собой драйверы, разработанные специально для управления работой аппаратных средств.

Коммутаторы каналов.

В устройствах электроники, автоматики и вычислительной техники для осуществления управляемой передачи аналогового сигнала от нескольких датчиков с разделением времени на один АЦП, широко применяются аналоговые коммутаторы. Аналоговые коммутаторы осуществляют квантование сигналов по времени и амплитуде. На базе аналоговых коммутаторов строятся делители напряжения, многоканальные коммутаторы, устройства хранения и выборки.

Широкое распространение систем сбора информации, получающих данные от нескольких физических источников с разделением по времени, обусловило развитие интегральных схем многоканальных коммутаторов. Многоканальные коммутаторы разделяют во времени один выход, последовательно подключая к нему различные источники сигналов [12].

Основными параметрами аналоговых коммутаторов являются:

• время переключения ключа t_ВКЛ;

• число входных каналов N показывает, какое количество датчиков или каналов может обслужить коммутатор;

• коммутируемый ток I_КОМ, мА, – ток, протекающий по открытому каналу ключа;

• коммутируемое напряжение U_КОМ, В, – максимально допустимое напряжение, прикладываемое между входом и выходом аналогового ключа;

• сопротивление ключа в открытом состоянии R_ОТК;

• уровни напряжения по управляющему входу.

В таблице 3 представлены характеристики наиболее распространенных видов коммутаторов измерительных каналов.

Таблица 3 – Характеристики аналоговых коммутаторов

Обозначе-ние	К543КН1	К543КН2	К561КП2	К590КН1	К590КН3	К590КН6
Технология	p-МОП	p-МОП	КМОП	КМОП	КМОП	КМОП
Число каналов	16	16	8	8	42	8
Напряже-ние питания, В	-15, +5, +12	+12	+5	+5, -15	+5, -15	15
Напряже-ние комму-тации, В	12	+12	0…+15	5	5	15
Ток комму-тации, мА	0 - 10	0 - 10	0 – 20	0 - 10	0 - 10	0 - 20
Сопротивление комму-тации, Ом	200	350	500	500	500	300
Время пе-реключения канала, мкс	1	1.2	30 нс	1	1	0.3

Средства преобразования.

К средствам преобразования данных относят аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами [13]. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) – устройства, преобразующие числа, представленные в определенном, чаще всего в двоичном коде в аналоговый сигнал, напряжение или ток которого пропорциональны значению кода [13].

Основные типы АЦП.

1. Параллельные — входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) — 1, где N — разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного — 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12.

2. Последовательного приближения — преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

3. С измерением временных интервалов — широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты.

4. Последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) — в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

5. Двойного интегрирования (dual-slope) — в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

6. Следящие — вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения дотекущего.Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, работающий на частоте, значительно (в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые — 0/1), сумма которых на интервале дискретизации пропорциональна величине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации.

В таблице 4 приведены основные параметры наиболее популярных АЦП.

Параметры АЦП.

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость по аналогии с ЦАП называют обычно характеристикой преобразования АЦП.

Статические параметры.

1. Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,0245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.

2. Разрешающей способности соответствует шаг квантования, номинальное значение шага квантования h=Uпш/(2^N -1), где Uпш — номинальное максимальное входное напряжение АЦП (опорное напряжение), соответствующее максимальному значению выходного кода, N — разрядность АЦП.

Таблица 4 – Параметры АЦП

Тип АЦП	Число разрядов	ПШ, %	tПРБ, мкс	Напряжение питания, В	Входное напряжение, В	Ток потребления, мА
1	2	3	4	5	6	7
А К572ПВ1 Б В	12	3	170	55% 151% 	0 - 17	3 5 
А К572ПВ2 Б В	8	1 3 5	200	55% 151%	max	1.8
К1107ПВ1	6	0.1	0.1	55% -63%	0 - 6	30 150
К1107ПВ2	8	0.1	0.2	55% -63%	2 - 0	35 450
К1108ПВ1	10	5	0.9	55% -53%	0 - 4	50 90
К1113ПВ1	10	5	30	55% -155%	0 - 10	20

3. Погрешность полной шкалы — относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

4. Погрешность смещения нуля — значение выходного кода, когда входной сигнал АЦП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности.

5. Нелинейность — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования D(Uвх) от оптимальной (линия 2 на рис. 24). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности.

6. Дифференциальной нелинейностью АЦП в данной точке k характеристики преобразования называется разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h. В спецификациях на конкретные АЦП значения дифференциальной нелинейности выражаются в долях ЕМР или процентах от полной шкалы.

7. Погрешность дифференциальной линейности определяет два важных свойства АЦП - непропадание кодов и монотонность характеристики преобразования. Непропадание кодов — свойство АЦП выдавать все возможные выходные коды при изменении входного напряжения от начальной до конечной точки диапазона преобразования. При нормировании непропадания кодов указывается эквивалентная разрядность АЦП — максимальное количество разрядов АЦП, для которых не пропадают соответствующие им кодовые комбинации.

8. Монотонность характеристики преобразования — это неизменность знака приращения выходного кода D при монотонном изменении входного преобразуемого сигнала.

9. Температурная нестабильность АЦ-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры.

1. Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени.

2. Максимальная частота дискретизации (преобразования) — это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

3. Время преобразования (tпр) — это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

4. Время выборки (стробирования) — время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

Расчет некоторых параметров АЦП (пример).

Погрешность преобразования АЦП бывает двух видов - погрешность от дискретизации по уровню и погрешность от дискретизации по времени.

Требования к разрабатываемой системе накладывают ограничение на максимально допустимую погрешность от аналого-цифрового преобразования данных (от дискретизации по уровню) – не более 1% от измеряемого диапазона сигнала. Микросхема АЦП К1108ПВ1 имеет преобразует входное напряжение диапазоном от 0 до 4 В. Таким образом, погрешность от дискретизации по уровню должна быть не более.

.

Для данной микросхемы погрешность _РАСЧ равна

.

следовательно, используемая в данной работе микросхема АЦП К1108ПВ1 удовлетворяет требованиям к погрешности преобразования от дискретизации по уровню.

Выбор частоты дискретизации производится по теореме Котельникова [28]. Поскольку максимальная частота заданного сигнала равна 1000 Гц, то по теореме Котельникова разработанное устройство должно обеспечивать регистрацию сигналов с частотой, в 2 раза превышающей заданную (то есть 2000 Гц). Интервал дискретизации для разработанного устройства составляет 7 мкс, следовательно максимально возможная частота входного сигнала f, Гц, которую способно обработать устройство, составляет:

Гц.

Таким образом, разрабатываемое устройство обеспечивает обработку сигналов с частотой, в несколько раз превышающей заданную.

Основные типы ЦАП.

1. Взвешивающие — с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit).

2. Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно однобитовые) значения. Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу.

Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют bitstream (поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation — модуляция плотностью импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда.

Параметры ЦАП.

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Большинство параметров аналогично рассмотренным выше параметрам для АЦП, ниже рассмотрены специфические параметры.

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы.

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (t=0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство |Uвых-Uпш|=d/2.

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения Uвых ко времени, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

Интерфейсы.

Объединение модулей микропроцессорного устройства в единую систему и взаимодействие микропроцессора с внешними устройствами происходит с помощью интерфейса (interface — сопрягать, согласовывать).

Интерфейс должен обеспечивать:

• простое и быстрое соединение данного устройства с любым другим, имеющим такой же интерфейс;

• совместную работу устройств без ухудшения их технических характеристик;

• высокую надежность.

Под стандартным интерфейсом понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных компонентов в системах и направленных на обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости компонентов.

Основными элементами интерфейса являются:

• совокупность правил обмена информацией (временные диаграммы и диаграммы состояний сигналов интерфейса);

• аппаратная реализация (контроллеры);

• программное обеспечение интерфейса (драйверы).

Для любого интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства, различают три возможных режима обмена — дуплексный, полудуплексный и симплексный.

1. Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным, если пропускная способность в направлениях «туда» и «обратно» имеет существенно различающиеся значения, или симметричным.

2. Полудуплексный режим позволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала.

3. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).

В зависимости от способа передачи данных различают два вида интерфейса - последовательный и параллельный.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) - соединение внешних устройств).

Шина PCI является универсальной, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП, она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных [4, 11, 14].

Разрядность PCI - 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, при частоте шины 33 МГц теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте - 263 Мбайт/с (реальная вдвое ниже).

Для подключения шины PCI к другим шинам применяются специальные аппаратные средства - мосты шины PCI (PCI Bridge). Главный мост (Host Bridge) используется для подключения PCI к системной шине (шине процессора или процессоров). Одноранговый мост (Peer-to-Peer Bridge) используется для соединения двух шин PCI. Две и более шины PCI применяются в серверных платформах - дополнительные шины PCI позволяют увеличить количество подключаемых устройств. Таким образом, совокупность мостов, расположенных вокруг шины PCI, выполняет маршрутизацию (routing) обращений по всем связанным шинам. В общем случае считается, что устройство с конкретным адресом может присутствовать только на одной из шин данного компьютера, а на каком именно, "знают" запрограммированные мосты.

Основные возможности шины [4, 11, 14].

1. Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения числа контактов используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.

2. Поддержка 5 В и 3.3 В логики. Разъемы для 5 В и 3.3 В плат различаются расположением ключей (cуществуют универсальные платы, поддерживающие оба напряжения, но частота 66 MHz поддерживается только 3.3 В логикой).

3. Частота работы шины 33 MHz или 66 MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

• 132 МВ/с при 32-bit/33 MHz;

• 264 MB/с при 32-bit/66 MHz;

• 264 MB/с при 64-bit/33 MHz;

• 528 МВ/с при 64-bit/66 MHz.

4. Для работы шины на частоте 66 MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.

5. Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).

6. Поддержка write-back и write-through кэша.

7. Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.

8. Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).

9. Шина позволяет устанавливать до 5 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.

10. PCI - устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течении которого устройство может занимать шину.

11. Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) в непрерывное пространство памяти, то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов [4, 11, 14].

Спецификация шины PCI определяет три типа ресурсов: два обычных (диапазон памяти и диапазон ввода/вывода) и configuration space - "конфигурационное пространство". Автоконфигурирование устройств (выбор адресов, запросов прерываний) поддерживается средствами BIOS и ориентировано на технологию Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture.

Стандарт PCI определяет для каждого слота конфигурационное пространство размером до 256 восьмибитных регистров, не приписанных ни к пространству памяти, ни к пространству ввода/вывода. Доступ к ним осуществляется по специальным циклам шины Configuration Read и Configuration Write, вырабатываемым контроллером при обращении процессора к регистрам контроллера шины PCI, расположенным в его пространстве ввода/вывода.

Конструкция разъема шины PCI.

Конструктивно разъем 32-битной шины PCI (84 контакта) состоит из двух следующих подряд секций (рисунок 7). Внутри второй секции имеется поперечная перегородка (ключ) для предотвращения неправильной установки карт. Разъемы и карты к ним поддерживают уровни сигналов либо 5 В, либо 3,3 В, либо оба уровня (универсальные). В первых двух случаях карты должны соответствовать уровню сигнала разъема, универсальные карты ставятся в любой разъем.

Интерфейс обеспечивает поддержку режима Bus Mastering и автоматической конфигурации компонентов при установке (Plug-and-Play). Все слоты PCI на материнской плате сгруппированы в сегменты, число разъемов в сегменте ограничено четырьмя. Если сегментов несколько, они соединяются посредством так называемых мостов (bridge). В настоящее время PCI является самым распространенным интерфейсом. С его помощью подключают к материнской плате устройства расширения: звуковые карты, контроллеры SCSI, модемы, карты видеозахвата, сетевые карты и прочие компоненты.

Преимущества шины PCI [1, 4, 11, 14].

1. Поддерживается синхронный обмен данными формата 32 или 64 бит. При этом используется метод мультиплексирования (передача адресов и данных по очереди по одним линиям), что позволило снизить число контактов в разъемах.

2. Предусмотрена установка компонентов с уровнями сигналов 5 В или 3,3 В. «Ключи» (пластмассовые перемычки) на разъемах исключают установку плат в «чужой» слот. Возможно изготовление универсальных плат расширения, поддерживающих оба уровня сигналов (что сейчас и делает большинство производителей).

Рисунок 7 - Разъем 32-битной шины PCI

Комбинация частот шины 33 МГц или 66 МГц с разрядностью данных предоставляет достаточно широкий диапазон для выбора пропускной способности шины. Заметим, что при частоте 66 МГц допустим уровень сигнала только 3,3В (а устройства на 33 МГц могут выйти из строя на более высокой частоте).

Спецификация PCI требует поддержки компонентами режима Multiple Bus Mastering (многостороннее управление шиной). В таком режиме устройства перехватывают управление шиной и самостоятельно распределяют ее ресурсы. Специальный таймер, имеющийся на устройстве, определяет максимальное время, в течение которого возможен монопольный доступ.

Один канал контроллера PCI поддерживает до четырех слотов расширения. Для удвоения их числа применяется мост между парой контроллеров. Метод передачи данных по шине называют Linear Burst (метод линейных пакетов). То есть, данные при записи-чтении идут единым пакетом, так как адрес для каждого следующего байта автоматически увеличивается на единицу. Таким образом отпадает необходимость передавать адресный блок. Для ускорения передачи применяется кэширование - поддерживаются методы отложенной «write-back» и сквозной «write-through» записи.

Важной особенностью интерфейса PCI является поддержка протокола Plug-and-Play (PnP). Спецификацией 2.2 определены три типа ресурсов - диапазон памяти, диапазон ввода-вывода и так называемое «пространство конфигурации». Последний ресурс содержит три подблока - заголовок (не зависит от конкретного типа устройства), блок устройства, пользовательский блок. Заголовок содержит информацию об изготовителе, классе устройства, другие служебные сведения.

Содержание блока устройства зависит от его конкретного типа. В зависимости от метода выбранного изготовителем, конфигурация устройства производится либо через BIOS (если в нем присутствует эта функция), либо программно через драйвер. Поле CardBus CIS Pointer используется для идентификации устройств с интерфейсом PCMCIA. Поле Capability Pointer определяет совместимость с ACPI.

Интерфейс PCI Express (3GIO) [4, 11, 14].

Аббревиатура 3GIO расшифровывается как «3-е поколение шины ввода-вывода» (Third Generation Input/Output Interconnection).

Масштабируемость производительности достигается через повышение частоты и добавление линий к шине. PCI Express призвана обеспечить высокую пропускную способность на контакт с низким количеством служебной информации и низкими задержками. Поддерживаются несколько виртуальных каналов на один физический.

Система адресации полностью совместима со спецификацией PCI, что позволяет подключать устройства PCI к новой шине. Без изменений остался механизм автоматического конфигурирования устройств (Plug-and-Play). Данные пересылаются пакетами по 8 или 10 бит (в последнем случае два бита предназначены для поддержки механизма контроля четности и исправления ошибок).

Спецификация интерфейса PCI Express предусматривает несколько уровней взаимодействия и протоколов:

• физический;

• данных (Data Link);

• транзакций (транспортный);

• приложений и драйверов;

• конфигурационный.

Физической основой PCI Express являются последовательные низковольтные дифференциальные линии связи, по одной паре для передачи и приема данных. Масштабируемость шины достигается кратным (1, 2, 4, 8, 16, 32) увеличением числа линий. Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанавливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит. При необходимости 2 бита используются для контроля за целостностью данных. Тем самым реализуется концепция обмена данными «точка - точка».

Теоретически полоса пропускания самого узкого канала достигает 2,5 Гбит/с в каждом направлении.

Система адресации и команд включает три стандартных поля, совместимых с интерфейсом РСI (область памяти, адрес ввода-вывода, инициализации и конфигурирования), а также дополнительное поле сообщений (Message) [4, 11, 14].

Шина USB (Universal Serial Bus– универсальная последовательная шина).

Шина USB является промышленным стандартом расширения архитектуры персональных компьютеров (РС), ориентированным на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники.

Версия 1.0 была опубликована в январе 1996 года. В настоящее время опубликована версия 2.0.

Архитектура USB определяется критериями:

• легко реализуемое расширение периферии РС;

• дешевое решение, поддерживающее скорость передачи до 12 Мбит/с (версия 1.0) и до 480 Мбит/с (версия 2.0);

• полная поддержка в реальном времени передачи аудио- и видеоданных;

• гибкость протокола смешанной передачи, изохронных данных и асинхронных сообщений;

• интеграция с выпускаемыми устройствами;

• доступность в РС всех конфигураций и размеров;

• создание новых классов устройств, расширяющих РС;

• простота кабельной системы и подключений;

• скрытие подробностей подключения от конечного пользователя;

• самоидентифицирующиеся ПУ, автоматическая связь устройств с драйверами и конфигурирование;

• возможность динамического подключения ПУ и конфигурирования.

Таблица 5 - Схема цоколевки портов USB

Вилка тип А (устанавливается на кабеле)	Розетка тип А (устанавливается на корпусе компьютера)	Вилка тип В (устана- вливается на кабеле)	Розетка тип В (устанавливается на корпусе периферийного устройства)

Таблица 6 - Назначение выводов стандартного порта USB

№ вывода	Обозначение	Описание
1	V BUS	Питание, +5 В
2	D-	Data (передача данных)
3	D+	Data (передача данных)
4	GND	Ground (корпус)

Архитектура интерфейса USB.

Топология интерфейса USB представляет собой звезду или пирамиду.

В вершине этой пирамиды, в корневом узле, находится хост-устройство, а все остальные узлы являются функциональными устройствами (функциями) или соединителями (хабами).

Система USB состоит из трех основных частей:

• USB хост-устройство;

• USB разветвитель (хаб);

• USB устройство (функция).

USB хост-устройство (устройство – хозяин интерфейса) – это главное устройство в любой USB системе, которое организует все передачи данных и команд по шине интерфейса.

Интерфейс USB в компьютерной системе множественного доступа реализуется хост-контроллером, который является комбинацией аппаратных средств и программного обеспечения.

Хост-контроллер находится в корневом узле главной системы (на материнской плате) компьютера, и обеспечивает, как правило, две точки присоединения.

Основные функции хост-контроллера:

• определение подключения и удаления USB устройств;

• управление потоком команд между корневым узлом и USB устройством;

• управление потоком данных между корневым узлом и USB устройствами;

• сбор статусов (состояний) и статистики активности устройств;

• обеспечение питанием устройств, подключенных к машине.

Системное ПО USB на хост-контроллере управляет взаимодействием между устройством и его ПО.

Существует 5 основных вариантов взаимодействия системного ПО USB и ПО устройства, подключаемого к шине USB:

• конфигурирование устройства;

• опрос устройства;

• синхронный обмен данными;

• асинхронный обмен данными;

• управление питанием устройства.

Структура USB.

Шина USB позволяет:

• подключать;

• конфигурировать;

• использовать;

• отключать устройства во время работы хоста и самих устройств.

Перечень терминов, используемых в спецификации USB. Устройства (Device) USB могут являться:

• хабами (соединителями);

• функциями;

• их комбинацией.

Хаб (Hub) (разветвитель) обеспечивает дополнительные точки подключения устройств к машине, т.е. он являются кабельным концентратором.

Функции USB представляют собой устройства, способные передавать данные или принимать данные или управляющую информацию по шине USB.

Устройство USB должно иметь интерфейс USB, обеспечивающий полную поддержку протокола USB, выполнение стандартных операций (конфигурирование и сбор) и предоставление информации, описывающей устройство.

Логически устройство, подключенное к любому хабу USB и сконфигурированное, может рассматриваться как непосредственно подключенное к хост-контроллеру.

Каждая функция предоставляет конфигурационную информацию, описывающую возможности ПУ и требования к ресурсам.

Перед использованием функция должна быть сконфигурирована хостом.

Примеры функций:

• указатели – мышь, планшет, световое перо;

• устройства ввода – клавиатура или сканер;

• устройства вывода – принтер, звуковые колонки (цифровые);

• телефонный адаптер ISDN;

• внешняя память.

Хаб – ключевой элемент системы Plug and Play (PnP) в архитектуре USB. Напомним, что хаб является кабельным концентратором. Точки подключения называются портами хаба. Каждый хаб преобразует одну точку подключения в их множество. Архитектура допускает соединение нескольких хабов. У каждого хаба имеется один восходящий порт (upstream), предназначенный для подключения к хосту или хабу верхнего уровня. Остальные порты являются нисходящими (downstream), предназначенными для подключения функций или хабов нижнего уровня.

Хаб может распознать подключение устройств к портам или отключение от них и управлять подачей питания на сегменты нисходящих портов.

Каждый из портов может быть разрешен или запрещен и сконфигурирован на полную или ограниченную (низкую) скорость обмена.

Хаб обеспечивает изоляцию сегментов с низкой скоростью от высокоскоростных.

Хабы могут управлять подачей питания на нисходящие порты, предусматривается установка ограничения на ток, потребляемый каждым портом.