7. Интерфейсы измерительных информационных систем
Интерфейс — это совокупность цепей, объединяющих различные устройства, и алгоритмы, определяющая порядок передачи информации между этими устройствами.
Цепи интерфейса подразделяют на три группы: информационные, адресные и управляющие.
Различают программные и физические интерфейсы. Информация передается в виде кодов определенного числа или словами. Для различия байтов данных, команд и адресов используются осведомительные сигналы. Для инициирования передач, синхронизации работы устройств и завершения передачи служат управляющие сигналы.
Основной характеристикой интерфейса является скорость передач информации, которая зависит от алгоритма передачи и технических характеристик цепей связи.
В целях модульного принципа построения систем разработаны стандартные интерфейсы, обеспечивающие информационную, электрическую и конструктивную совместимость различных устройств.
В настоящее время используются следующие структуры интерфейсов: одноступенчатые, двухступенчатые и трехступенчатые
возможными вариантами исполнения: цепочечная, радиальная, магистральная, радиально-магистральная, каждая из которых может быть с централизованным или децентрализованным управлением (рис. 11).
Обмен информацией может быть осуществлен синхронным и асинхронным методами.
Синхронный метод передачи и приема сигналов производится в фиксированные моменты времени. Темп обмена информацией при асинхронном методе определяется сигналом квитирования. Этот метод особенно эффективен при обмене информацией с различным быстродействием функциональных блоков.
В ИИС используются следующие основные интерфейсы: КОП КАМАК, PDP-11, (общая шина), RS-232C, RS-422, RS-423, RS-485, а также системные интерфейсы 8, 16, 32-разрядных микроЭВМ.
Приборный интерфейс предназначен для взаимодействия программируемых и непрограммируемых приборов и построения на их основе измерительных информационных систем. Соединение
Рис. 11. Основные структуры интерфейсов:
а — цепочечная; б — радиальная; в — магистральная; г — радиально-магистральная
Рис. 12. Приборный интерфейс:
К — коммутатор; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЦПУ — цифропе-чатающее устройство; ИКАР — интерфейсные карты
приборов осуществляется через многопроходный магистральный канал общего пользования (КОП, зарубежный аналог IEEE-488' длиной не более 20 м. Число приборов, подключаемых к магистрали, не должно превышать 15. Обмен информацией между приборами происходит под управлением контроллера. Всего регламентируется 10 интерфейсных функций. Каждая функция позволяет прибору выполнять прием, передачу и определенную обработку сообщений. Функции могут быть реализованы как аппаратно, так и программно. Приборный интерфейс представлен на рис. 12.
Интерфейс КАМАК. Он применяется для разветвленных систем сбора информации с большим числом первичных преобразователей и предоставляет возможность построения ИИС с двумя уровнями централизации.
Основными конструктивными элементами являются крейт модуль, стойка.
Крейт (каркас) имеет 25 станций (ячеек), в которые вставляются модули (вставные кассеты). Из них 23 станции рабочие, они служат для включения модулей, 24-я и 25-я станции отводятся для контроллера крейта (КК).
Функциональные блоки (ФБ) могут занимать произвольное расположение, так как адрес каждому ФБ присваивается после его установки в крейт.
Структурная схема системы в стандарте КАМАК представлена на рис. 13.
Рис. 13. Структурная схема системы в стандарте КАМАК
Магистраль крейта состоит из 81 сквозной шины, проходящей через все модули, и двух индивидуальных шин связи каждого управляемого модуля с контроллером крейта. Внутрикрейтовые связи образуют горизонтальный интерфейс системы КАМАК (Dataway). Крейты связываются между собой и с центральной ЭВМ верхнего уровня. Межкрейтовые связи проходят через контроллеры крейтов и строятся по принципам ветви (до семи крейтов вертикальный) или замкнутого кольца. Эти связи образуют интерфейс системы КАМАК (Branch highway). Структура КАМАК, таким образом, пирамидальная и включает в себя 2...4 уровня: верхний уровень — ЭВМ; второй — контроллеры ветвей; третий — контроллеры крейтов; четвертый — управляемые модули.
Однокрейтовые системы двухуровневые.
Основной принцип, заложенный в системе КАМАК, — принцип использования центральной ЭВМ. Направления протоколов команд и информации жестко связаны.
Для защиты от помех используются экранирование, заземление, согласование характеристик линий связи, а также контроль по четности и повторение передачи кодов.
Основной недостаток системы — большая аппаратурная избыточность и наличие сложной системной части практически в каждом модуле, большая стоимость интерфейса и всей системы в целом. Поэтому стандарт КАМАК следует использовать только в сложных ИИС.
Последовательные интерфейсы периферийных устройств. Ими могут служить интерфейсы RS-232C, RS-423, RS-422, RS- 485. Основные параметры этих интерфейсов представлены в табл.1. В основе интерфейсов RS-232C, RS-422 лежит однопроводная несогласованная линия (рис. 14), по которой информация передается двуполярными посылками со скоростью до 20 Кбод (RS-232C) и 300 Кбод (RS-423) при длине линии не более 15 и 600 м соответственно. В однопроводной линии для передачи сигнала используется один провод, напряжение на котором сравнивается в приемнике с напряжением линии «Общая земля», общей для всех про-
Рис. 14. Схемы однопроводной несогласованной (а) и симметричных
дифференциальных последовательных линий связи с симплексным (б)
и полудуплексным (в) режимами передачи информации
чих сигнальных проводников. Этот способ построения линии наиболее прост, но имеет существенный недостаток: на информационный сигнал накладываются помехи в линии. Так как помехи в линии пропорциональны длине линии связи и ширине полосы
рабочих частот, то в интерфейсах RS-232C и RS-423 наложены ограничения на оба параметра (см. табл.1). Например, в интерфейсе RS-423 при скорости передачи информации 3 Кбод длина линии может достигать 1200 м, а при скорости 300 Кбод — всего лишь 12 м. Кроме того, для уменьшения взаимных помех скорость нарастания фронтов передаваемых сигналов ограничивается до 30 В/мкс.
Интерфейс RS-422 распространяется на симметричные дифференциальные линии (витая пара, радиочастотный кабель), обладающие более высокими характеристиками, чем однопроводные линии. В частности, по линии интерфейса RS-422 возможна передача информации со скоростью до 100 Кбод на расстояние до 1200 м и со скоростью 10 Мбод на расстояние до 12 м. Дифференциальный режим (рис14, б) достигается применением дифференциального передатчика, согласованной линии связи (в виде витой пары или радиочастотного кабеля) и дифференциального приемника. Сигнал передатчика появляется на входе приемника в виде разностного напряжения, тогда как помехи в линии остаются синфазными. Благодаря этому дифференциальный приемник с достаточным диапазоном подавления синфазной составляющей может отличать сигнал от помехи. К тому же интерфейс RS-422 позволяет наряду с симплексным режимом передачи (см. рис. 14, б) организовать полудуплексный режим передачи (рис. 14, в) и мультиплексный режим последовательной передачи информации.
Рис. 15. Структурная схема интерфейса «Общая шина»
В последнем случае, применяемом для связи между периферийными устройствами микропроцессорных систем, для передачи информации в одном направлении используются две дифференциальные симметричные линии связи, например витые пары. В исходящем направлении включены один передатчик и п приемников. Такой режим позволяет обслуживать до 12 абонентов. Основные трудности заключаются в обеспечении хорошего заземления системы.
Интерфейс «Общая шина». Он разработан для связи центрального процессора семейства IBM, где используется магистральная система шин с раздельными объединенными шинами для адресных сигналов и данных, а также с отдельной шиной для сигналов управления (рис. 15).
К каналу обмена информацией между отдельными функциональными блоками ЭВМ можно подключать дополнительные блоки памяти и различные устройства ввода-вывода. Такое расширение возможностей ЭВМ позволяет использовать его в ИИС, АСУТП и строить на ее базе ИВК.
Обмен информацией между функциональными блоками происходит асинхронно по каналу, который представляет собой магистраль, состоящую из 38 линий.