8.6 Стандартні інтерфейси, що використовуються
у сучасній вимірювальній техніці
Варіанти з’єднань компонентів у вимірювальних приладах та системах можуть бути дуже різноманітними. Для того, щоб кожного разу не вирішувати проблеми сумісності двох пристроїв за типом використовуваних роз’ємів, за протоколом обміну інформацією, за керуючим сигналами, за логічним рівнями всіх сигналів і т.д., були розроблені стандартні інтерфейси, як для паралельної, так і для послідовної передачі даних. У документації на стандартні інтерфейси регламентується і програмна, і апаратна частини інтерфейсів, зафіксовані електричні і механічні з’єднання між пристроями, формати даних і команд. Інтерфейси зазвичай виготовляються у вигляді друкованих плат, призначених для вставляння в плоскі з’єднувачі («слоти») процесорної системи, за якими розведені сигнали системної шини і живлять напруги. Кожна системна шина розрахована на плати деякого стандартного розміру (або розмірів). Кожна плата, в залежності від типу шини, для якої вона призначена, має вздовж одного краю від 50 до 300 сполучень, або у формі позолочених друкованих ламелів, або у вигляді багатоштиркових з’єднань, припаяних до плати. Для з’єднання інтерфейсу з платою АЦП зазвичай використовується гнучкий стрічковий кабель, причому передбачаються заходи для зниження рівня перехресних перешкод на сигнальних та стробуючих лініях. Один із способів полягає в заземленні кожній другій лінії в кабелі, інший припускає використання гнучкого кабелю, скріпленого з гнучкою металевою заземленою підкладкою, яка зменшує індуктивність і перешкоди, і в той же час забезпечує майже постійний імпеданс кабелю. Для обох конструкцій є багатоконтактні «кінцеві заземлювачі», які підключаються до кабелю шляхом обтиску. Може також використовуватися кабель, зроблений з багатьох скручених пар, кожна з яких містить одну сигнальну і одну заземлену лінію.
Нестандартні інтерфейси краще виконувати в такий же спосіб, або шляхом розробки для них друкованих плат, або шляхом використання однієї з універсальних інтерфейсних плат, які мають місця для підключення мікросхем і інших компонентів. Деякі плати містять вбудовані схеми для взаємодії з системною шиною, включаючи обслуговування переривань і навіть прямий доступ до пам’яті (ПДП).
8.6.2 Стандартний інтерфейс паралельної передачі
даних (GPIB)
АЦП з паралельним портом вихідних даних може безпосередньо підключатися на системну шину процесорної системи, але в такому випадку розробник вимірювальної системи буде змушений сам писати програму-драйвер, що управляє обміном інформацією між АЦП і процесором. Альтернативний шлях - використання стандартного інтерфейсу. У цьому випадку для введення даних АЦП можна скористатися стандартними програмними функціями, які надаються розробниками інтерфейсу. До того ж застосування стандартного інтерфейсу дозволяє одному пристрою керувати кількома різними приладами одночасно через одну загальну магістраль. Без цього для кожного приладу довелося б розробляти свій власний інтерфейс, причому кожний з них керувався різними драйверами.
Для паралельної передачі даних у вимірювальних системах найбільш часто використовується стандартний інтерфейс IEEE-488, який також називається інтерфейсом загального призначення GPIB. Цей інтерфейс спочатку був розроблений фірмою Hewlett Packard і називався приладовим інтерфейсом Hewlett Packard (HPIB). Магістраль інтерфейсу складається з 24 сигнальних ліній, вісім з яких - лінії заземлення, а інші розбиті на три групи. Перша група складається з восьми двонаправлених сигнальних ліній і називається шиною даних. Шина даних використовується для передачі даних і команд між різними приладами, підключеними до інтерфейсу. Друга група з п’яти сигнальних ліній є шиною загального управління інтерфейсом, по ній передаються сигнали управління та стану. Остання група з трьох ліній використовується для управління передачею інформації по шині даних і називається шиною квітірування. Прилади, що під’єднуються до інтерфейсу, можуть працювати або як приймачі, або як джерела повідомлень. Прилад в режимі приймача отримує дані з магістралі інтерфейсу, а в режимі джерела - відправляє туди свої дані. В кожний момент часу тільки один пристрій може бути джерелом повідомлень, тоді як приймачами повідомлень можуть бути одночасно декілька пристроїв. Один з пристроїв на магістралі працює як контролер інтерфейсу. При подачі відповідної команди по шині даних можна перевести пристрій з режиму приймача в режим джерела повідомлень. Кожен прилад, приєднаний до магістралі інтерфейсу, має свою власну адресу. Всього можна привласнити адресу 31 пристрою. Адреса приладів надсилаються по шині даних у вигляді паралельного слова, що складається з семи розрядів: молодші 5 розрядів передають сама адреса, а інші два - керуючу інформацію. Якщо обидва цих керуючих розряди рівні 0, то команди розсилаються по всіх адресах; якщо шостий розряд дорівнює 1, а сьомий - 0, що адресуються прилад повинен перейти в режим приймача повідомлень; якщо шостий розряд дорівнює 0, а сьомий - 1, що адресуються прилад перемикається в режим джерела повідомлень.
На шині загального управління інтерфейсом кожна сигнальна лінія виконує свою власну задачу в управлінні інформаційними потоками по магістралі інтерфейсу. Наведемо опис п’яти керуючих ліній:
1. IFC - «Скидання інтерфейсу». Перемикає всі пристрої, підключені до магістралі інтерфейсу в початковий стан. Встановлюється контролером.
2. ATN - «Увага». Вказує на те, що на шину даних виставлено повідомлення. Якщо рівень сигналу ВИСОКИЙ, виставлені дані, якщо НИЗЬКИЙ - команда. Встановлюється контролером.
3. SRQ - «Запит на обслуговування». З цієї лінії пристрої передають контролеру заявку на обслуговування.
4. REN - «Дистанційне управління». Дозволяє всіх пристроїв на шині приймати команди і дані. Встановлюється контролером.
5. EOI - «Кінець або підтвердження». Використовується або для посилки ознаки закінчення передачі пристроєм - джерелом повідомлень, або спільно з сигналом «ATN» встановлює порядок роботи пристроїв, що надіслали заявку на обслуговування.
Якщо пристрій хоче переслати дані по магістралі інтерфейсу, він виставляє сигнал НИЗЬКОГО рівня на лінії SRQ. У відповідь на це контролер виставляє на лінії АТN сигнал ВИСОКОГО рівня, після чого пристрій, послали запит на обслуговування, може посилати повідомлення на шину даних.
Сигнальні лінії шини квітірування використовуються для управління побайтно передачею даних. До складу цієї шини входять наступні три лінії:
1. DAV - «Дані готові». НИЗЬКИЙ рівень сигналу на цій лінії показує, що інформація на шині даних готова для прийому.
2. NRFD - «До прийому даних не готовий». ВИСОКИЙ рівень сигналу на цій лінії вказує на те, що пристрій, готовий до прийому даних.
3. NDAC - «Дані не прийняті». ВИСОКИЙ рівень сигналу на цій лінії показує, що прийом даних завершився успішно.
На рис. 8.12 показаний протокол обміну інформацією через інтерфейс GPIB.
Перед початком прийому даних прилади, які приймають інформацію, повинні виставити на лінії NRFD сигнал ВИСОКОГО рівня, а пристрій, що передає дані, повинна виставити сигнал НИЗЬКОГО рівня на лінії DAV. Лише за дотримання цих двох умов можлива процедура обміну інформацією. Зміна інформації на шині даних може проводитися тільки після того, як всі прилади-слухачі виставили на лінії NDAC сигнал ВИСОКОГО рівня.
Рисунок 8.12
У шині GPIB використовується асинхронна система зв’язку, тому дані можна передавати з тією швидкістю, яка можлива при роботі з тим чи іншим пристроєм-передавачем або приймачем.
Контролер шини може виробляти й передавати підключеним до шини пристроїв команди чотирьох типів: адресовані, прийому, передачі та універсальні.
Команди прийому і передачі
Ці команди задають, який з пристроїв буде передавати або приймати дані. Останні п’ять розрядів команд прийому та передачі містять адреса пристрою, який повинен відповідно приймати або передавати дані. Команда передачі з п’ятьма молодшими розрядами в одиничному стані є командою припинення передачі (UNT), переводить всі пристрої-передавачі в неробочий стан. Аналогічна команда прийому є командою припинення прийому (UNL).
Універсальні команди. Команди цієї категорії адресуються до всіх пристроїв шини. Всього їх п’ять: LLO - блокування автономного управління; DCL - скидання пристроїв, PPU - скасування налаштування на паралельне опитування, SPE - дозвіл послідовного опитування, SPD - блокування послідовного опитування.
Адресовані команди. На цей тип команд реагують тільки пристрої, яким безпосередньо перед цим була передана команда прийому. Є п’ять адресуються команд: GTL - перейти в автономний режим, SDC - скидання вибраного пристрою, РРС - настройка на паралельне опитування, GET - груповий запуск, ТСТ - отримання управління.
Для зв’язку інтерфейсу з прикладною програмою використовують стандартні драйвери, що встановлюються на комп’ютері. Прикладна програма в цьому випадку отримує доступ до функцій введення / виводу даних, що подаються інтерфейсом, використовуючи такі команди мов високого рівня, як INPUT, OUTPUT і т.д.
Для підключення приладів до магістралі зазвичай використовується стандартний 24-штирковий роз’єм:
Виводи 1-4, 13-16 - дані.
Вивід 5. EOI - загальне управління інтерфейсом.
Вивід 6. DAV - керування передачею даних.
Вивід 7. NRFD - керування передачею даних.
Вивід 8. NRFD - керування передачею даних.
Вивід 9. IFC - загальне управління інтерфейсом.
Вивід 10. SRQ - загальне управління інтерфейсом.
Вивід 11. ATN - загальне управління інтерфейсом.
Вивід 12. SHIELD - екран.
Вивід 17. REN - загальне управління інтерфейсом.
Вивід 18-23. GND - заземлення.
Вивід 24. GND - сигнальна земля.
Конфігурація приладів через GРІВ-інтерфейс може бути або лінійною, або мати форму зірки, або являти собою комбінацію перших двох типів.
Максимальна відстань між двома приладами не повинна бути більше 4 м, а максимальна довжина кабелю не повинна перевищувати 20 м. На одну магістраль можна підключати не більше 15 приладів. Під час роботи всі прилади повинні бути у включеному стані.
Швидкість передачі даних для сучасних СР1В інтерфейсів перевищує 1 Мбайт/с.