Основы проектирования приборов и систем. Лекции

двух направленные. Максимальное удаление до 15 м, максимальное число линий связи до 40, число взаимодействующих компонент 2, формат сообщений одно слово.

Устройство или контроллер, которые выполняют прием информации, называются Приемниками П. Устройство или контроллер, которые выполняют передачу информации, называются Источниками И. Структура параллельного интерфейса представлена на рисунке 25.

ГИ готовность источника; ГП готовность приемника.

Рисунок 25 Структура параллельного интерфейса

Интерфейс выполняет функцию обмена данными. Осуществление обмена данными с помощью сигналов Запрос приемника (ЗП) и Строб источника (СТР) происходит в жестко обусловленном режиме Запрос-Ответ. Источник может изменить значение сигнала СТР только тогда, когда Приемник изменил значение сигнала ЗП. Приемник может изменить значение сигнала ЗП только тогда, когда Источник изменил значение сигнала СТР.

Временная диаграмма при обмене информацией приведена на рисунке 26.

Сигналы состояния С это командные сигналы, сигналы наличия контроля, сигналы ошибок. Сигналы D данные.

Информация на линиях связи интерфейса представляется уровнем напряжения. Уровни сигналов на линиях соответствуют уровням для логических интегральных схем типа ТТЛ или TTL.

Усилители-передатчики должны обеспечивать на линию следующие уровни: логическая 1 от 0 до 0,4 В; логический 0 от 2,4 до 5,25 В.

Короткое замыкание между линиями не должно приводить к выходу из строя усилителейпередатчиков.

Усилители-приемники должны воспринимать с линии следующие уровни: логическая 1 от 0 до 0,8 В; логический 0 от 2,5 до 5,25 В.

Рисунок 26 Временная диаграмма при обмене информацией

Интерфейсы с последовательной передачей информации являются унифицированной системой связей и сигналов между устройством ввода-вывода и контроллером вычислительной системы. Как правило,

интерфейсы с последовательной передачей информации - асинхронные радиальные полудуплексные

(двухпроводные) или дуплексные (четырехпроводные токовая петля) интерфейсами. Максимальное удаление до 1,2 км. Соединяемые оконечные устройства имеют взаимно гальванически разделенное электрическое заземление. Цепи взаимосвязи обеспечивают передачу сигналов со скоростью 9600 бод (бит/с) на расстояние от 0 до 500 м.

Устройство или контроллер, которые выполняют прием информации, называются Приемниками П. Устройство или контроллер, которые выполняют передачу информации, называются Источниками И.

Цепь в интервале между передаваемыми знаками или словами находится в состоянии логической 1. Формат передаваемой информации приведен на рисунке 27.

Рисунок 27 Формат передаваемой информации

Каждая цепь взаимосвязи реализована так, чтобы она питалась током со стороны передатчика

(активный режим).

Допускается питание со стороны приемника (пассивный режим).

Состоянию логической 1 в цепях взаимосвязи соответствует ток от 30 до 50 мА (токовая петля 40 мА) или ток от 15 до 25 мА (токовая петля 20 мА), состоянию логического 0 ток от 0 до 5 мА (или от 0 до 3 мА).

Схема организации токовой петли при активных приемниках и пассивных передатчиках представлена на рисунке 28.

Рисунок 28 Схема организации токовой петли при активных приемниках и пассивных передатчиках

Схема организации токовой петли при активных передатчиках и пассивных приемниках представлена на рисунке 29.

Рисунок 29 Схема организации токовой петли при активных передатчиках и пассивных приемниках

2) Последовательные интерфейсы устройств отображения.

Применение плоскопанельных матричных дисплеев зачастую является единственным возможным способом реализации графического человеко-машинного интерфейса для широкого круга приложений. Применение цифрового интерфейса управления такими дисплеями, цифровыми по своей природе, обеспечивает получение очень высокого качества изображения.

В настоящее время среди производителей офисной компьютерной техники существуют две группы производителей, работающих над новым цифровым интерфейсом устройств отображения. При этом для организации передачи данных используется одинаковый подход. Передающий узел, размещаемый в непосредственной близости от видеоконтроллера, обеспечивает кодирование и передачу в мультиплексном режиме данных и сигналов синхронизации по небольшому числу проводников. Приемный узел осуществляет обратное преобразование данных и передачу их в параллельном коде в схему управления ЖКпанелью.

На электрическом уровне для кодирования и передачи информации используются протоколы двух разных типов:

для интерфейса LVDS (Low Voltage Differential Signaling - дифференциальные сигналы низкого напряжения), находящего широкое применение для подключения ЖК-панелей в ноутбуках;

для технологии PanelLink которая предоставляет наборы микросхем (передатчик и приемник) для передачи данных с использованием TMDS (Transmission Minimized Differential Signaling -

дифференциальные сигналы с минимизированными переходами).

Основу технологии LVDS составляет дифференциальная схема передачи данных. Вместо представления логических 1 и 0 точными уровнями напряжения этот стандарт различает их только по разности напряжений. Такой подход гарантирует нечувствительность к внешним синфазным помехам, так как воздействующий на носители шум воспринимается приемниками сигнала как общий фон модуляции и отфильтровывается. Для достижения высокой скорости передачи данных при низком значении питающего напряжения максимальный размах дифференциального сигнала в LVDS составляет всего 250-450 мВ.

Втехнологии PanelLink также используется дифференциальная схема передачи данных. Вместе с тем

впередатчике и приемнике PanelLink реализован ряд передовых конструктивных решений, направленных на понижение уровня электромагнитного излучения. Встроенные переменные резисторы приемника помогают понизить уровень шумов отражения за счет согласования входного импеданса микросхемы-приемника с характеристическим сопротивлением системы кабель-разъем. Цепь фазовой автоподстройки частоты, входящая в состав обеих микросхем, гарантирует высокое качество передаваемых данных, сокращая колебание длительности импульсов, поступающих от графического контроллера, до значения не более 1 нс. Чтобы еще больше подавить электромагнитное излучение от линий связи, в технологии PanelLink используется специальный алгоритм кодирования, обеспечивающий минимизацию числа фронтов передаваемых импульсов.

3) Интерфейсы последовательной передачи данных RS-422/RS485.

Программируемые контроллеры многих производителей в качестве средств организации распределенных систем сбора данных и управления содержат различные реализации интерфейсов RS-422

или RS-485.

Рассмотрим основные положения стандартов EIA RS-422A и RS-485. В ходе изложения основных требований стандартов EIA RS-422/RS-485 использованы следующие термины:

линия связи (Interchange Circuit) - физическая среда, предназначенная для переноса информации между единицами оборудования, принимающими участие в информационном обмене, включая данные, сигналы управления и синхронизации;

канал передачи данных (Data Transmission Channel) - совокупность физической среды и технических средств, включая аппаратуру преобразования сигналов, вовлекаемых в процесс передачи информации между оборудованием системы связи;

формирователь (Driver):

~ электронная цепь (источник) на передающей стороне линии связи, посредством которой осуществляется передача двоичных цифровых сигналов в оконечную нагрузку по соединительному кабелю,

~передатчик двоичных цифровых сигналов;

оконечная нагрузка (Terminator):

~электронная цепь (потребитель) на приемной стороне цепи обмена, посредством которой

осуществляется прием двоичных цифровых сигналов от формирователя по соединительному кабелю, ~ приемник двоичных цифровых сигналов.

При проектировании системы на базе технических средств, соответствующих стандарту, следует учитывать:

количество передатчиков и приемников; скорость передачи данных;

способ объединения технических средств;

максимальная протяженность линии связи.

Как правило, система содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующие резисторы. Каждый формирователь должен обеспечивать работу на 32 единицы нагрузки помимо согласующих резисторов, каждая из которых представляется совокупностью приемника и формирователя, находящегося в пассивном состоянии. Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения единиц нагрузки. Сопротивление каждого согласующего резистора должно совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля (от 100 до 120 Ом).

Формирователи и приемники, соответствующие требованиям стандарта EIA RS-485, сохраняют работоспособность при воздействии на них синфазного напряжения в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В (мгновенное значение). Синфазное напряжение определяется совокупностью некомпенсированных разностей потенциалов земли приемников и формирователей, максимальным значением напряжения помех, измеренного между землей приемника и жилами кабеля, соединенными с землей на передающей стороне линии связи, а также максимальным значением напряжения смещения выходов формирователей (Uos). Если значение разности потенциалов между землями выходит за пределы допустимого диапазона, то при реализации сети на основе интерфейса RS-485 следует применять приемопередатчики с гальванической изоляцией.

Один из возможных способов объединения формирователей и приемников с гальванической изоляцией показан на рисунке 30.

Рисунок 30 Способ объединения приемопередатчиков EIA RS-485 с гальванической изоляцией

Лекция 10

1) Универсальная последовательная шина USB.

Универсальная последовательная шина USB (Universal Serial Bus) - это кабельная шина,

обеспечивающая высокоскоростной обмен информацией между хост-системой и различными периферийными устройствами. Шина USB разрабатывалась как удобное и универсальное средство подключения периферийных устройств к настольным компьютерам без необходимости выключения питания

споддержкой установки и удаления периферийных модулей в процессе работы.

Всентябре 1998 года появилась спецификация USB 1.1. Собственно, по своим техническим и скоростным характеристикам она не отличалась от USB1.0. Просто в ней были исправлены ошибки версии

1.0.

Вапреле 2000 года была опубликована спецификация USB 2.0, а в конце 2001 года эта версия была стандартизована. Сегодня шина USB 2.0 является самой распространенной. Интерфейс USB 2.0 является обратно совместимым с интерфейсом USB 1.1.

Шина USB, обладая полосой пропускания 1,5 или 12 Мбит/с, может одновременно поддерживать до 127 устройств, подключенных к одному кабелю с максимальной длиной 5 м. USB-кабель состоит из 4 проводников:

два провода формируют витую пару, применяемую в дифференциальных передачах данных; два представляют собой линии питания и заземления устройств, не имеющих собственного

источника питания 5 В постоянного напряжения.

Всоответствии со спецификацией шины USB периферийные устройства делятся на два основных типа:

низкоскоростные;

высокоскоростные.

Низкоскоростные устройства (мыши, джойстики и клавиатуры) передают данные со скоростью 1,5 Мбит/с. Соединительные кабели могут быть неэкранированными.

Высокоскоростные устройства передают данные со скоростью 12 Мбит/с (видеоустройства, диски и сетевые адаптеры). Устройства этого типа проектируются с учетом обеспечения высокой производительности.

Архитектура USB поддерживает построение такой иерархической топологии, в которой "нижележащие" концентраторы и устройства подключаются к "вышележащим" по типу "звезда", при этом вдоль каждого пути может быть не более 5 концентраторов. На рисунке 31 показана структура этой иерархии. Концентраторы - это интеллектуальные устройства, которые работают не только как ретрансляторы и маршрутизаторы сигналов, но и обеспечивают некоторые основные функции управления.

Рисунок 31 Топология подключений

Главный концентратор представляет собой конечный пункт для всех USB-портов системы. Обмен данными между главным концентратором и USB-устройством происходит в двух направлениях:

вниз, когда информация передается от главного концентратора по сигнальным линиям через промежуточные концентраторы, пока не достигнет требуемого периферийного устройства;

вверх, когда информация передается от периферийного устройства по сигнальным линиям через промежуточные концентраторы, пока не достигнет главного концентратора.

Каждый USB-концентратор или периферийное устройство могут быть запитаны либо от собственного источника питания, либо от шины. USB-устройства, в зависимости от способа получения питания, можно распределить по 5 категориям:

концентраторы с питанием от шины; концентраторы с собственным питанием;

маломощные периферийные устройства с питанием от шины; мощные периферийные устройства с питанием от шины; периферийные устройства с собственным источником питания.

Напряжение постоянного тока подается от главного концентратора вниз по иерархии. Максимальный ток, потребляемый каждым устройством от шины, составляет 500 мА при напряжении 5 В, при этом пусковой ток не может превышать 100 мА.

Выходные порты концентраторов с собственным питанием могут быть запитаны от внутреннего источника концентратора с максимальным током нагрузки 500 мА при напряжении 5 В. Концентраторы без собственного источника получают питание только от шины, поэтому общий ток нагрузки при подключении к такому концентратору нескольких периферийных устройств может превысить допустимые 500 мА.

Для предотвращения отказов источников постоянного тока главный и все промежуточные концентраторы с собственным питанием должны иметь схемы защиты своих источников от перегрузки по току. Если какой-либо концентратор обнаруживает, что общий ток потребления нижележащими устройствами превышает 5 А, то он должен всех их обесточить и уведомить хост-контроллер о возникшей ситуации.

Некоторые USB-устройства (клавиатуры, мыши и концентраторы) имеют свои собственные постоянно подключенные "входные" соединительные кабели. Другие же устройства (модемы, принтеры и сканеры) должны подключаться разъемными кабелями.

Был разработан механизм, предотвращающий ошибки соединений разъемными кабелями (см. рис. 32)

типа:

соединения выходного порта одного концентратора с выходным портом другого, поскольку это приводит к образованию замкнутых контуров в иерархии USB;

соединения входного порта одного устройства с входным портом другого, поскольку в этом случае оба устройства "изымаются" из иерархии.

Рисунок 32 Возможные ошибки соединения

Было решено оснащать съемные USB-кабели различными разъемами:

на входном конце кабеля должен находиться разъем Типа А для подключения к выходному порту концентратора;

на выходном конце кабеля должен быть разъем Типа В для подключения его к входному порту USB-устройства.

Встандарте USB 2.0 предусмотрено три типа разъемов: разъем типа А (рис. 33); разъем типа В (рис. 34);

разъем miniUSB типа В (рис. 35).

Рисунок 33 Разъем типа А

Рисунок 34 Разъем типа В

Рисунок 35 Разъем miniUSB типа В

Впоследствии, в январе 2007 года, были представлены разъемы microUSB типа В (рис. 36), которые предназначены для мобильных телефонов и коммуникаторов и не используются в компьютерах и периферийных устройствах.

Рисунок 36 Разъем microUSB типа В

На рисунке 37 показана логическая топология архитектуры USB, которая продемонстрирована на рисунке 31. Хотя физически устройства подключаются к шине USB в многоуровневой звездообразной манере, детали этой физической иерархии скрыты от прикладных программ в системном программном обеспечении, и каждое логическое устройство представляется прикладной программе как некоторый набор конечных точек подключения. Приложение ведет обмен информацией с каждой конечной точкой.

Рисунок 37 Логическая топология

Все операции по передаче данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные USBустройства сами начать обмен данными не могут. Они могут только реагировать на команды хоста. Как только прикладная программа хоста затребует передачу информации, системные программы хоста инициируют ее независимо от направления пересылки данных: от хоста к периферийному устройству или наоборот.

Вотличие от периферийных интерфейсов предыдущего поколения, которые: требовали наличия специальной платы-контроллера; не реконфигурировались в процессе работы системы;

требовали отдельного кабеля для подключения каждого типа периферийных устройств, универсальная последовательная шина USB является недорогим, удобным стандартизированным интерфейсом подключения периферийных устройств, сводящим количество необходимых соединительных кабелей к минимуму. Данный интерфейс поддерживает как низкоскоростные периферийные устройства, так и высокопроизводительные скоростные. Возможность автоконфигурирования позволяет отказаться от микропереключателей и перемычек, а тщательно продуманная конструкция соответствует требованиям надежности промышленных систем.

Основная проблема шины USB 2.0 заключается в том, что она является полудуплексной. Несмотря на декларируемую максимальную скорость передачи данных до 480 Мбит/с, шина USB 2.0 имеет достаточно большие задержки между запросом на передачу данных и собственно началом передачи. Поэтому в реальности интерфейс USB 2.0 не позволяет передавать данные со скоростью более 280 Мбит/с (35 Мбайт/с). Конечно, такая скорость передачи данных сегодня уже явно недостаточна.

Не только внешние накопители, но и многие другие периферийные устройства нуждаются в существенно большей пропускной способности интерфейса, нежели может предоставить интерфейс USB 2.0. Поэтому появился новый высокоскоростной стандарт USB 3.0.

12 ноября 2008 года была принята окончательная спецификация нового высокоскоростного стандарта USB 3.0 (revision 1.0), обеспечивающего максимальную скорость передачи данных до 5 Гбит/с.

Если говорить о главном преимуществе стандарта USB 3.0 по сравнению со стандартом USB 2.0, то это скорость передачи данных. Спецификацией USB 3.0 предусмотрен режим SuperSpeed со скоростью передачи данных до 5 Гбит/с (640 МБ/с), то есть более чем в 10 раз превышающей ту, что предусмотрена спецификацией USB 2.0.

Высокая скорость передачи у шины USB 3.0 - это не единственное отличие от шины USB 2.0. Сохраняется обратная совместимость USB 3.0 с USB 2.0. То есть в спецификации USB 3.0, кроме режима

SuperSpeed, оставлены и режимы Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed. Разъемы USB 3.0 совместимы с разъемами USB 2.0.

Следующее важное отличие спецификации USB 3.0 от USB 2.0 заключается в том, что стандартом предусмотрена дуплексная передача данных по разным витым парам. Таким образом, контактов в разъемах USB 3.0 стало больше. Увеличилось и количество проводов в USB-кабеле. Так, в стандарте USB 2.0 одна витая пара использовалась для приема/передачи данных, а другая - для питания, то есть в разъемах USB 2.0 было четыре контакта, а USB-кабель содержал четыре провода. В спецификации USB 3.0 первая витая пара применяется для передачи данных, вторая - для приема данных, третья - для питания, а для совместимости со стандартом USB 2.0 предусмотрена четвертая витая пара, по которой осуществляется прием/передача

данных в режиме USB 2.0 (Hi-Speed, Full-Speed и Low-Speed). Кроме того, в обязательном порядке присутствует еще одна «земля» (GND_DRAIN) в виде оплетки двух витых пар. Таким образом, в кабеле USB 3.0 не четыре провода (как в кабеле USB 2.0), а восемь (рис. 38), а в разъемах USB 3.0 как минимум девять контактов (оплетки витых пар подключаются к контакту GND_ DRAIN).

Рисунок 38 Кабель USB 3.0

Напряжение питания, передаваемое по USB-шине, осталось без изменений - +5 В.

Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Имеются разъемы USB 3.0 следующих типов: типа А, типа В, Powered-B, Micro-B, Micro-A и Micro-AB. Соответствие между разъемами различных типов отображено в таблице 3. Разъем USB 3.0 Micro-A существует только в штепсельном варианте, а разъем USB 3.0 Micro-AB - только в гнездовом. Особо отметим, что спецификацией USB 3.0 не предусмотрены разъемы miniUSB типа В, которые широко распространены в настоящее время.

Таблица 3. Соответствие между разъемами различных типов

Разъем USB 3.0 типа А (рис. 39), как штепсельный, так и гнездовой, по своей форме и размерам не отличается от разъема USB 2.0 типа А. Он полностью совместим с разъемом USB 2.0 типа А, то есть в гнездовой разъем USB 3.0 типа А, кроме штепсельного разъема USB 3.0 типа А, можно вставлять штепсельный разъем USB 2.0 типа А, и наоборот: в гнездовой разъем USB 2.0 типа А можно вставлять штепсельный разъем USB 3.0 типа А.

Рисунок 39 Разъем USB 3.0 типа А

Всего в разъеме USB 3.0 типа А имеется девять контактов (рис. 40). Назначение контактов указано в таблице 4.