Иванов Ю.И., Югай В.Я. Интерфейсы средств автоматизации

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.19. Нуль-модемные соединения кабелей RS-232

Выбор варианта соединения определяется условиями формирования

управляющих и проверочных сигналов устройств DTE. Следует отметить,

что вариант кабеля “a” наиболее популярен, и его следует использовать в тех

случаях, когда нет достаточной информации об особенностях реализации ин-

терфейсов соединяемых устройств. Вариант кабеля “г” позволяет “убедить”

компьютер в постоянной

готовности внешнего устройства DTE к приему и

передаче сигналов.

Таким образом, интерфейс RS-232 предполагает наличие в устройствах

DTE до 3 выходов и 5 входов, а в устройствах DCE наоборот – 5 выходов и 3

входов. Компанией MAXIM выпускается ряд модификаций микросхем, со-

держащих полный набор таких преобразователей. Например, MAX3246E,

MAX3241E, MAX239, MAX209 и MAX3245E состоят из трех преобразовате-

лей логических уровней в RS-232 и пяти преобразователей RS-232 в логиче-

ские уровни TTL и CMOS элементов.

Рис. 1.20. Функциональные схемы MAX3237 и MAX3241

В свою очередь, MAX3237E, MAX237E, MAX207, MAX3248E и

MAX3238 состоят из пяти преобразователей RS-232 в логические уровни и

трех преобразователей логических уровней в RS-232. В качестве примера на

рис. 1.20 показаны функциональные схемы микросхем MAX3237 и

MAX3241.

Благодаря встроенным преобразователям напряжений, питание микро-

схем обеспечивается от единственного источника питания (3-5.5 В), но это

требует подключения четырех внешних конденсаторов. Если в разрабаты-

ваемом устройстве имеются три источника питания с напряжениями +5 В и

±12 В, то может оказаться более эффективным применение микросхем без

преобразователей напряжений SN75185 или MAX1406.

Во многих случаях для

обеспечения связи между устройствами с помо-

щью интерфейса RS-232 достаточно двух сигналов: TD и RD. Для таких при-

менений можно рекомендовать MAX3226 или MAX3227 (рис. 1.21), которые

отличаются только максимальной скоростью передачи (250 и 1000 кбит/с со-

ответственно).

Рис. 1.21. Функциональные схемы MAX3226 и MAX3227

Если к устройству предъявляются жесткие требования по габаритам, то

следует выбирать микросхемы со встроенными

конденсаторами, например,

MAX233A (рис. 1.22).

На практике достаточно часто устройства ввода-вывода информации с

интерфейсом UART применяются для работы с компьютером. В том случае,

когда ток, потребляемый этим внешним устройством, не превышает десятков

миллиампер, оказывается возможным осуществить его питание непосредст-

венно от сигнальных цепей COM-порта компьютера (рис. 1.23).

Рис. 1.22. Функциональная схема MAX233A

При трехпроводном соединении (рис. 1.18) сигналы DTR и RTS остаются

свободными, а напряжения в этих сигнальных цепях можно использовать в

качестве источника питания. В этом случае необходимо программным путем

установить на выводах DTR и RTS сигналы, соответствующие напряжению

+12 В. Как правило, с целью защиты от перегрузок, выходные буферы драй-

веров

подключены к выходам микросхем через токоограничивающие рези-

сторы 300 Ом. В этой связи максимальный ток нагрузки стабилизатора на-

пряжения 78L05 не может быть больше 30-40 мА.

Рис. 1.23. Схема питания устройства ввода-вывода от COM-порта

DB9M COM-порт

Конт.Наимен.

DTR

RTS

MCU

Vcc

78L05

In O ut

VD1

VD2 C6

C1-C5 0.1 мкФ

С6-С7 47 мкФ

VD1-VD2 1N4148

RS-232

1.3. Интерфейс SPI

Синхронный последовательный интерфейс SPI предназначен для ввода-

вывода данных в интерфейсах "точка-точка" с одним ведущим (SPI-master) и

одним ведомым (SPI-slave) устройством (рис. 1.24). Схема управления SPI-

master формирует тактовые импульсы SCK, по которым одновременно про-

изводится передача сигналов на выходе MOSI и прием сигналов на входе

MISO. Эти же тактовые импульсы SCK, поступая в SPI-slave, управляют

приемом

сигналов на его входе MOSI и формированием сигналов на его вы-

ходе MISO. Раздельные сигнальные цепи MOSI и MISO позволяют легко

реализовать полнодуплексный режим обмена данными.

Рис. 1.24. Интерфейс SPI

Форматы данных, параметры сигналов, временные характеристики и т.п. в

интерфейсе не регламентируются, например, скорость обмена данными оп-

ределяется только частотой тактовых импульсов SCK, формируемых SPI-

master. Максимальное

расстояние зависит от уровня искажения сигналов в

линиях связи, предполагается, что надежный обмен данными возможен при

расстояниях до нескольких метров.

Интерфейс SPI, по-существу, полноценным интерфейсом даже для физи-

ческого уровня не является. Фактически, SPI реализует стандартную проце-

дуру ввода-вывода данных в регистрах сдвига, никаких алгоритмов контроля

работы, контроля передаваемых данных

не предусмотрено. Все необходимые

процедуры контроля должен выполнять SPI-master. Это, с одной стороны,

требует применения дополнительных средств контроля, а с другой стороны,

максимально упрощает средства реализации самого интерфейса SPI. SPI-

MOSI

SCK

MISO

SPI-master

8-битовый

регистр сдвига

выход

вход

Схема

управления

8-битовый

регистр сдвига

выход

вход

SPI-slave

MISO

MOSI

SCK

GND

slave – это стандартный регистр сдвига с требуемым числом разрядов дан-

ных.

Например, микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL поддержи-

вают ввод-вывод данных в режиме и SPI-master, и SPI-slave. Стандартный

цикл обмена предполагает одновременную передачу в обоих направлениях

по одному байту данных (рис. 1.24). При передаче многобайтовых сообще-

ний SPI-slave должен содержать регистр сдвига соответствующей разрядно-

сти,

а SPI-master должен производить управление обменом требуемой после-

довательности байтов данных, обрабатывая каждый байт после очередного

стандартного цикла работы интерфейса и обеспечивая запуск следующего

стандартного цикла обмена.

Интерфейс SPI применяется не только для обмена данными между микро-

контроллерами, но и для сопряжения микроконтроллеров с внешними АЦП

(ADC) и ЦАП (DAC), микросхемами памяти - SRAM, FRAM, SEERAM и

многими

другими устройствами. Благодаря последовательному формату дан-

ных и простой логической организации интерфейса SPI эти микросхемы про-

изводятся в компактных 8 – 16 выводных корпусах. В табл. 1.6 приведены

примеры микросхем различного функционального назначения и разных про-

изводителей с интерфейсом SPI. Эти примеры показывают, что последова-

тельный формат интерфейса позволяет существенно сократить требуемое

число линий ввода-вывода.

Таблица 1.6

Тип

микросхе-

мы

Основные параметры

Тип

корпуса

Производитель

ADC

ADS1241 24-Bit, Delta-Sigma, 15 Гц SSOP-28 www.ti.com

ADS1252 24-Bit, Delta-Sigma, 41 кГц SO-8 www.ti.com

ADS8320 16-Bit, SAR, 100 кГц SO-8 www.ti.com

AD7688 16-Bit, PulSAR, 500 кГц mSOIC-10 www.analog.com

DAC

TLV5618A 12-Bit, U-out, 2.5 мкс SOIC-14 www.ti.com

DAC8531 16-Bit, U-out, 10 мкс mSOP-8 www.ti.com

AD5446 14-Bit, I-out, 0.04 мкс mSOP-8 www.analog.com

AD7943 12-Bit, I-out, 0.6 мкс SOP-16 www.analog.com

MAX5443 16-Bit, U-out, 1 мкс mMAX-8

www.maxim-

ic.com

SRAM

DS1200 1024x1 Bit SO-16 www.dalsemi.com

Продолжение табл. 1.6

Тип

микросхе-

мы

Основные параметры

Тип

корпуса

Производитель

FRAM

FM25C160 16 кБит, 1 трлн SOP-8 www.ramtron.com

FM25CL04 4 кБит, неогр. SOP-8 www.ramtron.com

FM25CL25 64 кБит, неогр. SOP-8 www.ramtron.com

SEEPROM

M95256 256K, 32768x8, 0.1млн Cycles

SO-8,

TSSOP-8

www.st.com

AT25080 8К, 1024x8, 0.1млн Cycles

SOIC-8,

TSSOP-8

www.atmel.com

AT25640 16K, 8192x8, 0.1млн Cycles

SOIC-8,

TSSOP-8

www.atmel.com

AT25128 128K, 16384x8, 0.1млн Cycles

SOIC-8,

TSSOP-8

www.atmel.com

AT25256 256K, 32768x8, 0.1млн Cycles

SOIC-8,

TSSOP-8

www.atmel.com

Termosensor

ADT7301 13-bit, -40 to +150 C

(±0.5C

)

SOT-23,

mSOP

www.analog.com

Одна из проблем, которую часто приходится решать в средствах автома-

тизации, связана с ограниченным числом линий ввода-вывода микрокон-

троллеров. Обычно количество передаваемых сигналов существенно превы-

шает возможности параллельных портов, но алгоритмы обработки большин-

ства передаваемых сигналов допускают дополнительные временные задерж-

ки, связанные с их передачей в последовательном формате. В

этих случаях

эффективно применение стандартных последовательно-параллельных реги-

стров.

Например, интерфейс SPI может оказаться полезным для считывания ин-

формации о состоянии большого числа двухпозиционных датчиков или для

ввода многобитовых данных, поступающих в параллельном формате. Для

этих целей удобно использовать отдельные регистры с параллельной записью

и последовательным считыванием (8-Bit Parallel-In/Serial-Out Shift Register),

например CD74HCT166 (рис. 1.25).

Схема

подключения шестнадцати двухпозиционных датчиков (S1 – S16)

через SPI-интерфейс микроконтроллера показана на рис. 1.26. Следует отме-

тить, что перед стартом работы SPI-интерфейса необходимо сформировать

сигнал записи информации в регистры с параллельных входов D0-D7. Для

этого можно использовать один из выходов микроконтроллера, в данном

примере PC0.

Рис. 1.25. Функциональная схема регистра CD74HCT166

Рис. 1.26. Подключение двухпозиционных датчиков к SPI-интерфейсу

-PE

-CE -MR

D0 D7

-PE

-CE

-MR

D0 D7

MISO

SCK

PC0

S8 S9 S16

+5V

74HCT166

R16

Рис. 1.27. Подключение шестиразрядного индикатора к SPI-интерфейсу