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

Подождите немного. Документ загружается.

Применяя регистры с последовательной записью и параллельной выдачей

информации (8-Bit Serial-In, Parallel-Out Shift Register) – SN74HC595

[www.ti.com], SPI-интерфейс можно использовать и для многобайтовой па-

раллельной выдачи информации. В качестве примера на рис. 1.27 приведена

схема подключения шестиразрядного семисегментного индикатора к микро-

контроллеру. В отличие от предыдущей схемы, сигнал параллельного вывода

(PB1) необходимо сформировать после окончания передачи данных интер-

фейсом

SPI средствами, выходящими за рамки интерфейса. Например, алго-

ритм взаимодействия с интерфейсом должен предусматривать контроль ко-

личества переданных байтов данных, а после завершения передачи последне-

го байта необходимо дополнительно передать сигнал параллельного вывода.

2. ИНТЕРФЕЙСЫ "ближнего радиуса действия"

Под интерфейсами ближнего радиуса действия обычно понимают средст-

ва передачи данных на расстояние до нескольких метров. Универсальные

средства такого вида были разработаны относительно недавно, поэтому в

этих интерфейсах обычно реализуются классические функции современных

телекоммуникационных технологий. Задачи, решаемые в рамках этих интер-

фейсов, можно разбить на

две группы. Первая группа – передача данных для

подвижных объектов, вторая – передача данных между отдельными компо-

нентами устройств обработки и преобразования информации.

Первая группа интерфейсов обычно использует беспроводные каналы

связи: радиоканалы, инфракрасные, акустические. Вторая группа интерфей-

сов – либо технологии локальных промышленных сетей, либо их упрощен-

ные версии, так называемые внутриприборные интерфейсы

. Внутриприбор-

ные интерфейсы обладают простотой и низкой стоимостью реализации и

поддерживаются многими производителями интегральных схем – компонен-

тов для средств автоматизации.

2.1. Параллельные интерфейсы

Появление современных последовательных интерфейсов значительно со-

кратило области применения интерфейсов с параллельным форматом дан-

ных. Большое число сигналов и отдельных линий связи для их передачи счи-

тается

неэффективным, поэтому параллельные интерфейсы почти полностью

потеряли значение, как средство передачи данных. Ограниченный круг задач,

связанных с высокой скоростью доступа к данным, возможностью синхрони-

зации и постоянной готовностью к обмену данными, требует применения па-

раллельных интерфейсов. Такого рода задачи необходимо решать только при

взаимодействии отдельных элементов одного и того же

функционального

модуля. Следовательно, применение параллельного формата ограничено

внутренними приборными интерфейсами с особыми требованиями к алго-

ритмам обмена данными.

Классический пример внутреннего параллельного интерфейса – интер-

фейс оперативных запоминающих устройств, дополнительно подключаемых

к микроконтроллерам. Обмен данными в этом случае должен строго синхро-

низироваться микроконтроллером, скорость обмена должна соответствовать

скорости работы микроконтроллера, необходимо

обеспечить постоянную го-

товность и к чтению (RD), и к записи (WR) данных. Дополнительно интер-

фейсом должна поддерживаться адресация данных, средства адресации

обычно позволяют поддерживать адресацию не только данных, но и уст-

ройств. В таком интерфейсе несложно создавать многоточечные структуры с

одним управляющим устройством (Master), функции которого обычно вы-

полняет микроконтроллер. При многоточечных соединениях Master интер-

фейса (микроконтроллер) передает адрес данных, а дополнительный внеш-

ний селектор адреса производит по этому адресу формирование сигналов вы-

бора одного из устройств для обмена данными.

Рис. 2.1. Интерфейс внешней памяти микроконтроллера AVR

На рис. 2.1 приведена структура интерфейса внешней памяти микрокон-

троллера семейства AVR [www.atmel.com]. Данные в

параллельном формате

(один байт) передаются через порт ввода-вывода микроконтроллера по его

сигналам управления RD (чтение из памяти) и WR (запись в память). Адре-

сация данных производится 16-битовым адресом, также формируемым мик-

роконтроллером. Для уменьшения числа линий ввода-вывода младший байт

адреса и байт данных передаются поочередно через один и тот же

параллель-

ный порт микроконтроллера. Поочередная передача адреса и данных требует

записи и хранения младшего байта адреса во внешнем параллельном регист-

ре (рис. 2.1) на период передачи байта данных.

Временные диаграммы сигналов интерфейса для записи (write) и чтения

(read) приведены на рис. 2.2. Обмен данными начинается с передачи адреса и

записи его младшего байта во

внешний параллельный регистр по сигналу

ALE микроконтроллера. Только после подготовки адреса производится пере-

дача данных по сигналам управления RD или WR. Следовательно, обмен

данными выполняется в два этапа и требует не менее 2 тактов работы микро-

контроллера. Общее количество линий связи для передачи байта данных в

интерфейсе велико – 19. Достоинства параллельного интерфейса: постоянная

готовность к

обмену данными, быстрый цикл обмена (2 такта микроконтрол-

лера), отсутствие каких-либо операций преобразования данных для передачи.

Рис. 2.2. Временные диаграммы сигналов параллельного интерфейса

Средства управления обычно поддерживают на аппаратном уровне со-

временные универсальные интерфейсы с небольшим количеством линий свя-

зи и, как правило, не требуют применения параллельных интерфейсов. В от-

дельных случаях, когда такие средства могут производить передачу данных

только в параллельном формате, возможно применение специальных

микро-

схем – преобразователей интерфейсов. Со стороны параллельного интерфей-

са они работают по сигналам, аналогичным показанным на рис. 2.2, со сторо-

ны второго интерфейса – реализуют, как правило, более сложные процедуры

обмена данными. Примеры таких преобразователей интерфейсов уже рас-

сматривались для RS-232 и SPI, а также в дальнейшем будут рассматриваться

для других интерфейсов.

2.2. Беспроводные интерфейсы

Иногда в средствах передачи данных применение традиционных провод-

ных каналов связи по каким-либо причинам невозможно. В этих случаях не-

обходима передача данных с применением беспроводных интерфейсов. На-

ряду с известными в этой области средствами, в настоящее время разрабаты-

ваются и предлагаются новые средства. Наиболее отработаны и

стандартизо-

ваны беспроводные интерфейсы на основе оптических каналов связи и ра-

диоканалов дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Например, беспроводные Wi-Fi сети с использованием радиоканалов ста-

новятся все более популярными, число компьютерных периферийных уст-

ройств, поддерживающих эти интерфейсы, постоянно растет. Примерами

реализации являются уже широко применяемый интерфейс "Blue tooth" и

разрабатываемый в настоящее время UWB.

2.2.1 Оптический интерфейс IrDA

Для передачи данных между устройствами с интерфейсом RS-232 разра-

ботан протокол IrDA, использующий инфракрасный оптический канал связи

и обеспечивающий соединение "точка-точка". Этот интерфейс в основном

применяется для подключения различных периферийных устройств персо-

нального компьютера. Оптический канал связи требует, чтобы приемопере-

датчики интерфейса всегда находились в пределах прямой видимости, мак

симальное расстояние может достигать нескольких метров. Кодирование

сигналов стандартного UART-кадра обычно производится по SIR-протоколу

с использованием модуляции "3/16".

При модуляции "3/16" для сигнала логического нуля передается импульс

длительностью 3/16 битового интервала, для логической единицы – излуче-

ние отсутствует. Скорости передачи соответствуют стандартным скоростям

интерфейса RS-232. Для применения интерфейса IrDA выпускаются инте-

гральные схемы – приемо-передающие модули

преобразования стандартных

электрических сигналов RxD, TxD в оптические сигналы SIR-протокола.

В настоящее время IrDA – самый распространенный стандарт передачи

информации по открытому инфракрасному каналу. Принцип SIR-модуляции

"3/16" показан на рис. 2.3.

Длительность импульса, подаваемого на приемо-передающий модуль

IR_TXD, равна 3/16 от длительности номинального бита данных, формируе-

мого асинхронным приемо-передатчиком U_TXD. Кроме того, при SIR-

модуляции используется

инверсия бита данных. На рис. 2.4 показаны вре-

менные диаграммы сигналов при передаче данных.

Рис. 2.3. Принцип модуляции 3/16

Рис. 2.4. Временные диаграммы сигналов 3/16 при передаче данных

Длительность оптических сигналов меньше примерно в 5 раз, чем при по-

тенциальном кодировании NRZ. На приемной стороне необходимо восста-

новления сигналов NRZ. Демодуляция принятых оптических сигналов

IR_RXD осуществляется в соответствии с рис. 2.5. Битовый интервал содер-

жит 16 тактов, а длительность оптического сигнала составляет 3 такта.

На рис

. 2.6 показаны временные диаграммы сигналов при приеме данных.

Таким образом, канал передачи данных (рис. 2.7) должен состоять из двух

основных элементов: микросхемы, обеспечивающей модуляцию и демодуля-

цию поступающего двоичного сигнала, и инфракрасного приемо-

передающего модуля.

Рис. 2.5. Демодуляции сигналов 3/16

Рис. 2.6. Временные диаграммы сигналов при приеме данных

Рис. 2.7. Структурная схема IrDA-канала

Как правило, интерфейсы UART, встраиваемые в микроконтроллеры, со-

держат выводы для сигналов U_RXD и U_TXD и не предусматривают выхо-

да для сигнала тактового бод-генератора 16XCLK. Этого сигнала нет и в RS-

232, но некоторые микросхемы UART содержат этот вывод. В зависимости

от “исполнения” возможны два варианта подключения микросхемы управле-

ния

интерфейса IrDA. Так, например, микросхема HSDL-7001 фирмы

Hewlett-Packard поддерживает два режима тактирования: от внешнего (рис.

2.8 а) и от внутреннего (рис. 2.8 б) бод-генератора. Частота бод-генератора в

последней схеме определяется не только частотой кварцевого резонатора, но

и сигналами, задаваемыми на входах адреса A0-A2 (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1

ШИНА

ДАННЫХ

МИКРОСХЕМА

УПРАВЛЕНИЯ

ИНФРАКРАСНЫЙ

ПРИЕМО-

ПЕРЕДАЮЩИЙ

МОДУЛЬ

Оптический

вход

Оптический

выход

а)

б)

Рис. 2.8. Схемы включения HSDL-7001

Аналогичные по функциональному назначению микросхемы изготавли-

ваются фирмами TEMIC TELEFUNKEN и Texas Instruments. Микросхема

TOIM3000 (рис. 2.9) предназначена для подключения к UART, а микросхема

TOIM3232 (рис. 2.10) – к RS-232 (персональному компьютеру).

Рис. 2.9.. Схема включения TOIM3000

Рис. 2.10. Схема включения TOIM3232