Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

Как линии стандарта RS-232, так и 20-миллиамперные передатчики и при-

емники часто подключаются к устройствам через оптоизоляторы на светоизлу-

чающих диодах. Оптоизоляторы (гальваническая развязка на оптопарах) защи-

щают УАПП и микропроцессор от высокого напряжения и от наводок, которые

могут образоваться в линиях.

Интерфейсы программируемых приборов.

Общее построение интерфейса Hewlett-Packard

Взаимосвязь приборов в системе осуществляется при помощи магистрали,

состоящей из 16 сигнальных линий, сгруппированных по функциональному

признаку в три шины: информационную (шина данных), синхронизации, управ-

ления. К этим шинам подключаются приборы, общее число которых не должно

превышать 15. В любой момент времени каждый из конкретных приборов, под-

ключенных к магистрали, может выполнять функции источника, приемника,

контроллера или не участвовать в обмене данными. Устройство-источник вы-

дает на шину интерфейса информацию, которая передается на один или не-

сколько приемников (а не на контроллер) и воспринимается ими.

Контроллер только управляет потоком информации в магистрали, опреде-

ляя, какой из приборов должен посылать информацию, а какие – принимать.

Задачи приборов, не участвующих в обмене информацией, ограничиваются

контролем сигналов, проходящих по магистрали.

Интерфейсные функции (функции источника, приемника или контроллера)

могут быть произвольно распределены между приборами, входящими в систе-

му, а также совмещены в конкретных приборах.

По магистрали передаются: цифровые данные и приборные команды, сиг-

налы запроса связи и управления передачей данных, команды сопряжения.

В состав команд сопряжения входят: многопроводные адресные команды, уни-

версальные команды сопряжения, адресованные многопроводные команды со-

пряжения, вторичные многопроводные команды.

Сигнальные шины и передаваемые сигналы

Вся содержательная информация и многопроводные команды передаются

по восьми линиям информационной шины DIO (ЛД). Передача осуществляется

в оба направления, асинхронно и последовательно-параллельно: символом по

восемь разрядов параллельно и побайтно последовательно. Форма представле-

ния чисел сходна с обычной записью. Для обозначения конца записи чаще все-

го используют символы CR (ВК) и LF (ПС).

Управление передачей каждого байта сообщения осуществляют сигналы,

проходящие по линиям шины синхронизации:

1) DAV (СД) – информация достоверна, вырабатывается устройством-

источником и указывает на то, что установленные на шинах данные верны, и

можно принимать этот байт;

2) NRFD (ГП) – неготовность к приему информации, вырабатывается при-

емником;

3) NDAC (ДП) – информация не принята, вырабатывается приемником.

Управление работой магистрали осуществляется при помощи сигналов,

проходящих по пяти линиям шины управления:

1) ATN (УП) – вырабатывается контроллером, указывает, как следует ин-

терпретировать данные, поступающие по линиям DIO, – как интерфейсную ко-

манду или как содержательное сообщение;

2) IFC (ОК, ОИ) – очистить интерфейс, вырабатывается контроллером, что-

бы привести узлы приборов, связанные с интерфейсом, в исходное состояние;

3) SRQ (ЗО) – запрос на обслуживание, вырабатывается источником или

приемником и указывает на необходимость организации с ним связи для обме-

на информацией;

4) REN (ДУ) – разрешено дистанционное управление, вырабатывается кон-

троллером для задания режима работы устройств (переход на дистанционное

управление вместо управления от внутренних узлов устройств);

5) EOI (КП) – конец или идентификация, вырабатывается источником (что-

бы отметить конец многобайтного сообщения) или контроллером.

Адресация

Выбор адреса источника и приемника осуществляет контроллер посылкой

двух или более многопроводных команд по шине ЛД. Под их действием выби-

рается один (и только один) прибор, который затем будет передавать данные на

информационную шину. Запрещается выдача информации от всех других при-

боров и выбирается один или несколько приборов, которые затем будут прини-

мать данные. При адресации приборов контроллер использует семь линий ши-

ны ЛД (свободной остается линия самого старшего разряда – ЛД7). Это позво-

ляет использовать в качестве контроллера устройства, работающие в семираз-

рядном коде ASCII.

Сообщение, поступающее на прибор с интерфейсной шины, воспринимает-

ся как команда, если оно сопровождается сигналом на линии УП. В противном

случае это сообщение интерпретируется как содержательное.

Если на линиях ЛД6 и ЛД5 установлены логические сигналы 00, то команда

воспринимается как универсальная (UC), если заданы сигналы 10, то как адрес

источника (ADT), если 01, то как адрес приемника (ADL) и если 11 – как вто-

ричная команда (SE). Посылкой в линиях ЛД0...ЛД4 кода сигнала 11111 обра-

зуются команды запрета: при признаке адреса источника ADT – запрещая при-

бору выдавать информацию (НЕ ПРД), при адресе приемника ADL – запрещая

прибору воспринимать информацию (НЕ ПРМ), и при признаке вторичной ко-

манды (SE) – запрещая выполнять команду.

Команда «Не принимать информацию» используется, когда необходимо

отключить все ранее выбранные приемники, а команда «Не выдавать информа-

цию» – когда необходимо отключить ранее выбранный источник.

При построении системы каждому прибору присваивают один или не-

сколько адресов, отличающихся от адресов всех других приборов. Однако при-

боры, которые должны одновременно воспринимать одни и те же данные, име-

ют одинаковый адрес.

Передача информации по магистрали

Передача информации от источника к приемнику происходит побайтно и

координируется при помощи трех сигналов: СД, ГП, ДП.

Обмен этими сигналами осуществляется по циклу: запрос-ответ-

подтверждение и может иметь место только после того, как выбран источник и

приемник информации и связь установлена.

Цикл передачи каждого байта состоит из трех фаз: 1) источник выдает но-

вый информационный байт и устанавливает соответствующие сигналы на ли-

ниях ЛД0...ЛД7; 2) приемник воспринимает данный байт и разрешает снять с

шины ЛД сигналы; 3) устройства подготавливаются к приему следующего бай-

та. Процесс передачи информации иллюстрируется на рис. 8.9.

Рис. 8.9. Временная диаграмма сигналов в приборном интерфейсе

Изменение логических сигналов на шинах и выполнение интерфейсных

операций осуществляются в следующей последовательности:

1. Исходное состояние устройств, в котором на линии СД установлен высо-

кий уровень сигнала (т. е. данные на шине ЛД не достоверны), а на линиях ГП и

ДП – низкий (т. е. ни один из приемников не готов к приему информации и не

принял ее).

2. Источник проверяет состояние приемника (его готовность к приему оче-

редного байта информации); если исходное состояние правильно, то он выстав-

ляет на шине ЛД байт данных; если же не верно – сигнализирует о наличии

ошибки и прекращает процесс обмена. Этому этапу соответствует момент вре-

мени t

–2

3. Приемники (в момент t

–1

) указывают на готовность принять данные, ме-

няя уровень на линии ГП с низкого на высокий.

4. Под действием высокого потенциала на линии ГП источник снижает

уровень сигнала СД (в момент t

). Это означает, что все данные выставлены и

верны, т. е. пригодны к приему.

5. Каждый из приемников в ответ на изменение сигнала СД в момент t

снимает сигнал ГП, указывая, что состояние готовности к приему сменяется на

прием данных. Вслед за этим осуществляется прием выставленного на шине ЛД

байта информации.

6. Приняв байт данных, приемник изменяет уровень на линии ДП с низкого

на высокий (указывая, что данные приняты). В зависимости от условий и быст-

родействия приемника смена уровня происходит в интервале времени t

-t

7. В ответ на повышение уровня на линии ДП источник изменяет уровень

сигнала СД с низкого на высокий. С момента t

данные не считаются более вер-

ными, о чем и сообщается приемникам.

8. Источник проверяет, есть ли еще информация. Если она есть, то подго-

тавливается к выдаче следующего байта данных, а если нет – цикл обмена за-

вершается.

9. Приемник под действием высокого уровня сигнала на линии СД меняет

уровень на линии ДП на низкий, подготавливаясь к следующему циклу обмена

(момент t

Этапы 1, 2, 3, 4 относятся к первой, 5, 6 – ко второй, 7, 8, 9 – к третьей фазе

цикла передачи очередного байта данных.

Поиск источников запроса

При появлении сигнала ЗО необходимо установить адрес прибора, запро-

сившего обслуживание. Такой поиск в системе можно проводить последова-

тельным и параллельным методами.

При последовательном методе поиска поочередно опрашивается каждый из

приборов, входящих в систему, пока не будет выявлено устройство, пославшее

запрос. Для ускорения поиска в системе предусмотрен параллельный опрос

группы приборов, проводимый контроллером.

Ответное сообщение, содержащее данные о требованиях запроса в каждом

из приборов или об отсутствии таковых, передается по шине ЛД. В этом режи-

ме каждый прибор приписывается к одной из линий ЛД, т. е. за одно обращение

может быть определено состояние восьми устройств. Наличие сигнала на соот-

ветствующей линии ЛД указывает, что данный прибор требует обслуживания.

Электрические условия

Сигналы на линиях магистрали соответствуют уровням схем ТТЛ: высокий

уровень – напряжению не менее +2,4 В, а низкий – напряжению не более

+0,8 В. В интерфейсе принята отрицательная логика, т. е. логическому нулю

соответствует высокий уровень напряжения в линии, а логической единице –

низкий уровень.

Такая логика позволяет для выбранной схемы выходных каскадов (с ра-

зомкнутым коллектором и резистивной нагрузкой) осуществить логическое

сложение сигналов, поступающих на линию от разных источников. Сложение

требуется, например, для линии запроса на обслуживание. Однако в двух лини-

ях – ГП и ДП – логика должна быть положительной, чтобы осуществить логи-

ческое умножение сигналов.

При работе с несколькими приемниками каждый из них может разновре-

менно вырабатывать сигнал готовности к приему данных. На линии ГП уровень

должен измениться только тогда, когда в состояние готовности переходит са-

мое медленное из устройств-приемников, т. е. будут готовы все приемники.

Аналогично должно производиться логическое умножение сигналов, сви-

детельствующих о приеме данных и приходящих по линии ЛД; информацион-

ный байт может быть заменен на новый или снят, только когда сообщение было

принято всеми устройствами-приемниками. Поэтому в магистрали в этих двух

линиях использованы инверсные по отношению к рассмотренным сигналы.

Сигнальная линия магистрали подключается в каждом приборе к средней

точке резистивного делителя, в котором один из резисторов с сопротивлением

3 кОм соединен с шиной +5 В, а другой резистор с сопротивлением 6,2 кОм – с

нулевой шиной.

Конструктивные условия

Приборы соединяют в систему при помощи гибких кабелей, на каждом

конце которых распаяны двусторонние штепсельные разъемы с винтовым кре-

плением.

Скорость передачи данных

При достаточно быстродействующих устройствах максимальная скорость

передачи информационных сообщений равна: 250 кбайт/с – при длине кабеля

до 20 м и ТТЛ-элементах с разомкнутым коллектором в выходных каскадах;

1 Мбайт/с – с магистральными усилителями в выходных каскадах, но при длине

кабеля не превышающей 1 м на каждый из используемых в системе приборов.

Интерфейсы системы КАМАК

Система КАМАК (CAMAC – Computer Automated Measurement and Control –

автоматизированные средства измерения и управления) разработана комите-

том ESONE, подготовившим подробные спецификации и выпустившим стан-

дарты, которые приняты также основными международными и отечественными

организациями по стандартизации. КАМАК представляет собой систему элек-

тронных модулей, предназначенную для построения цифровых измерительных

установок, управляемых от ЭВМ.

КАМАК удачно объединяет в себе, с одной стороны, богатый набор элек-

тронных функциональных модулей самого разнообразного назначения (усили-

тели, счетчики, таймеры, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразова-

тели, запоминающие устройства и т. д.), а с другой стороны, – средства связи

всей этой аппаратуры с ЭВМ, для чего предусмотрен специальный управляю-

щий модуль – контроллер КАМАК.

Всеми процессами на магистрали управляет (по командам от ЭВМ) кон-

троллер, однако, если в модуле возникла ситуация, требующая вмешательства

ЭВМ, модуль может послать в контроллер запрос на обслуживание.

Стандартизация модулей по конструкции, способу подсоединения к маги-

страли, характеристикам электрического питания, параметрам входных и вы-

ходных сигналов позволяет быстро собирать и модернизировать эксперимен-

тальные установки, комплектуя их требуемыми модулями, а единая система

команд существенно облегчает разработку алгоритмов управления системой.

Технические вопросы согласования модулей отпадают ввиду всесторонней

стандартизации системы.

Конструктивной основой системы КАМАК является специальный каркас –

крейт, содержащий 25 станций (направляющих, по которым в крейт вдвигаются

модули). В зависимости от сложности модуль может иметь единичную ширину

L=17,2 мм и занимать одно место в крейте, либо ширину, кратную L.

Контроллер обычно занимает два крайних правых места. На рис. 8.10 при-

ведено изображение магистрали крейта. Большая часть линий магистрали – па-

раллельные линии, соединяющие одноименные контакты всех разъемов. Сиг-

налы, передаваемые по этим линиям, доступны всем модулям.

Рис. 8.10. Магистраль крейта КАМАК

Рабочая информация в системе КАМАК передается 24-разрядным двоич-

ным параллельным кодом, для чего служат 24 линии чтения R (передача из мо-

дулей в контроллер) и 24 линии записи W (передача данных из контроллера в

модули).

Поскольку в каждом модуле могут размещаться несколько функциональ-

ных узлов (например, несколько счетчиков) и, кроме того, еще имеются много-

численные обслуживающие схемы, для адресации к элементам модуля служат

4 линии субадреса A, по которым номер узла в модуле или его субадрес переда-

ется также двоичным параллельным кодом. Всего, таким образом, в каждом

модуле может использоваться до 2

=16 субадресов.

В процессе обращения контроллера к модулю может быть задано выполне-

ние различных операций – чтение или запись информации, опрос состояния ре-

гистра и т. д. Код операции передается по 5 линиям функций F. Значения функ-

ций стандартизированы (см. таблицу 8.3.).

Группа параллельных линий отводится для управления и передачи служеб-

ных сигналов. Сюда относятся линии (и соответственно сигналы) Z, C, I, B, Q,

X, S1, S2. Некоторые из этих сигналов (B, S1, S2) генерируются контроллером

или модулями автоматически в процессе обмена информацией по магистрали,

на них нельзя воздействовать программным образом. Другие сигналы устанав-

ливаются, снимаются, контролируются программно, их назначение необходимо

понимать для правильного составления программ управления. Рассмотрим

кратко последнюю группу сигналов.

Таблица 8.3

Функции системы КАМАК

Номер Наименование Двоичный код

F(0)

F(1)

F(2)

F(3)

F(8)

F(9)

F(10)

F(11)

F(16)

F(17)

F(18)

F(19)

F(21)

F(23)

F(24)

F(25)

F(26)

F(27)

Чтение регистра первой группы

Чтение регистра второй группы

Чтение и сброс регистра первой группы

Чтение обратного кода регистра первой группы

Проверка запроса

Сброс регистра первой группы

Сброс запроса

Сброс регистра второй группы

Запись в регистр первой группы

Запись в регистр второй группы

Селективная установка регистра первой группы

Селективная установка регистра второй группы

Селективный сброс регистра первой группы

Селективный сброс регистра второй группы

Запрещение

Исполнение

Разрешение

Проверка статуса

00000

00001

00010

00011

01000

01001

01010

01011

10000

10001

10010

10011

10101

10111

11000

11001

11010

11011

Примечание: функции F с номерами 4, 6, 12, 14, 20, 22, 28, 30 не стандартизированы;

–

с номерами 5, 7, 13, 15, 29, 31 резервные

Сигнал Z (начальная установка) служит для приведения всей системы в ис-

ходное состояние. По этому сигналу сбрасываются (очищаются) регистры всех

модулей крейта, блокируются входы и выходы модулей и т. д.

Сигнал C (сброс) вызывает сброс регистров модулей крейта.

Сигнал I (запрет) запрещает любые действия в модулях. В отличие от сиг-

налов Z и C, имеющих импульсный характер, сигнал I может быть установлен в

магистрали на заданное время. После сброса сигнала I модули снова становятся

работоспособными.

Сигнал Q (ответ) генерируется модулем в ответ на адресуемые ему вопросы

о состоянии тех или иных узлов. Значение Q = 1 рассматривается как утверди-

тельный ответ, Q = 0 – как отрицательный.

Послав, например, в модуль команду «Проверка состояния входа», можно

по состоянию сигнала Q установить, открыт вход модуля (в этом случае Q = 1)

или закрыт (Q = 0). Если модуль имеет несколько входов, можно опросить их

последовательно и, анализируя состояние сигнала Q после каждого вопроса,

выявить, какие входы открыты и какие закрыты.

Сигнал X (команда принята) вырабатывается модулем всякий раз при полу-

чении им «законной» команды, которую данный модуль в состоянии выпол-

нить. Нулевое значение сигнала X (X = 0) указывает на наличие неисправности

(например, отсутствие адресуемого модуля) или серьезной ошибки в программе

обслуживания (в модуль послана команда, которую он не может выполнить).

Две группы линий (N и L) служат для установления связи контроллера с

определенным модулем. В отличие от остальных линий магистрали линии N и

L имеют радиальный характер. Каждый модуль связан с контроллером индиви-

дуальной парой линий N и L.

Когда контроллер генерирует команду обращения к какому-то модулю, он

устанавливает соответствующую функцию КАМАК на линиях F, требуемый

субадрес – на линиях A и возбуждает линию N, соответствующую адресуемому

модулю.

Сигналы F и A поступают во все модули. Однако воспринимает их только

тот модуль, который присоединен к возбужденной линии N, т. е. модуль, уста-

новленный на станции с номером N.

Если в модуле создалась ситуация, требующая вмешательства ЭВМ, модуль

может послать в контроллер запрос на обслуживание, установив логическую

«1» на линии L. Обычно возбуждение линии L (L-запрос) приводит к прерыва-

нию текущей программы и переходу на программу обработки прерывания от

данного модуля. Поскольку от каждого модуля в контроллер идет индивиду-

альная линия L, контроллер, получив запрос, может определить, из какого

именно модуля он пришел.

Команда, с которой контроллер обращается к какому-либо модулю, состоит

из трех элементов: функции F, субадреса A, номера адресуемого модуля N.

Управление аппаратурой КАМАК и заключается в выполнении последователь-

ности команд N A F (команд КАМАК), соответствующей заданному алгоритму

функционирования установки. Требуемая последовательность команд N A F

записывается в виде машинной программы. Выполнение ЭВМ группы машин-

ных команд, описывающих некоторую команду КАМАК, приводит к передаче

в контроллер всех трех элементов этой команды: N, A, F.

Контроллер, получив эту информацию, возбуждает соответствующие ли-

нии магистрали, чем и достигается выполнение команды.

К параллельной магистрали ветви ИВК можно подключить до семи крейтов

(локальные межсоединения). Последовательная магистраль ветви ИВК исполь-

зуется для конфигураций, содержащих до 62 крейтов КАМАК (распределенные

соединения, в условиях помех).

Структуры средств системного обмена

Средства системного обмена можно условно разделить на три группы:

1) средства межмашинной связи (СММС), 2) контроллеры ветвей (КВ),

3) адаптеры (А). Общим для всех этих средств (что и определило их выделение

в одну группу) является функциональное назначение, которое заключается в

обеспечении связи между аппаратурой, объединенной различными видами сис-

темного обмена. В дальнейшем средством системного обмена будем называть

любое средство, обеспечивающее связь между двумя интерфейсами, пусть даже

одинаковыми. Средства межмашинной связи и контроллеры ветвей связывают

между собой системные магистрали или радиальные интерфейсы. Адаптеры

связывают системный интерфейс с прибором или периферийным устройством.

Если один из интерфейсов является «верхним», а другой – «нижним» и

управление всегда производится «сверху вниз», то средство, связывающее та-

кие интерфейсы, является контроллером ветви.

Если в структуре системы иерархия интерфейсов не определена однознач-

но, и каждый из них может быть как «верхним», так и «нижним», то средство,

связывающее интерфейсы, является СММС, так как при такой организации не-

обходимо наличие «интеллекта» на обоих интерфейсах.

Контроллер ветви

Контроллером ветви будем называть средство, обладающее функциями

управления устройствами, подключенными к ветви, через ее интерфейс.

К одной ветви может быть подключено несколько контроллеров, однако управ-

ление ветвью в конкретный момент времени производится всегда одним кон-

троллером. Остальные контроллеры (если они есть) находятся в пассивном со-

стоянии. Структура контроллера ветви определяется требованиями согласова-

ния контроллера с интерфейсом ветви, которые реализуются на нескольких

уровнях: 1) физический, 2) логический (канальный), 3) управляющий (органи-

зует системное функционирование контроллера ветви).

Можно выделить два основных класса контроллеров: 1) контроллер верхне-

го уровня, 2) контроллер промежуточного уровня. На рис. 8.11 и 8.12 приведе-

ны обобщенные структурные схемы контроллеров обоих классов.

Рис. 8.11. Обобщенная структура контроллера

верхнего уровня системной иерархии

Первый уровень

Средства физического согласования с интерфейсом ветви обеспечивают

преобразование внутренних сигналов контроллера в сигналы интерфейса ветви,

параметры которых определены спецификациями данного интерфейса. Такие

средства реализуются на стандартных магистральных элементах и не зависят от

типа используемого контроллера.

Второй уровень

Средства логического согласования с интерфейсом ветви обеспечивают

прием и выдачу контроллером сигналов интерфейса в соответствии с времен-

ными и логическими соотношениями, заданными в спецификациях интерфейса.

Эти сигналы могут быть условно разделены на несколько групп в соответ-

ствии с интерфейсными функциями, выполняемыми средствами логического

согласования:

1) сигналы согласования обменом данными;

2) сигналы запроса и управления прерываниями;

3) сигналы запроса и управления прямым доступом к памяти;

4) сигналы управления интерфейсом ветви;

5) сигналы управления запросами, арбитражем и захватом магистрали

интерфейса ветви;

6) специальные сигналы (аварийные и т. п.).

Сигналы первой и четвертой групп присутствуют в любом контроллере

ветви. Сигналы остальных групп могут присутствовать в различных сочетаниях

в зависимости от типа интерфейса ветви и особенностей архитектуры системы,

в которой работает контроллер, а также от класса контроллера.

Обобщенная структура контроллера ветви часто включает в свой состав

буфер данных. Его использование целесообразно в случаях, когда имеется су-

щественная разница в быстродействии между верхним уровнем контроллера и

интерфейсом ветви. Включение буфера данных позволяет разделить во времени

обмен информацией и повысить эффективность работы контроллера.

Рис. 8.12. Обобщенная структура контроллера

промежуточного уровня системной иерархии

Третий уровень

Управляющий уровень реализуется по-разному. В контроллерах верхнего

уровня системной иерархии устройство управления (УУ) – это совокупность

программных и аппаратных средств стандартной (или специально разработан-

ной) ЭВМ. Управление этим уровнем осуществляется посредством совокупно-

сти сигналов, набор и синхронизация которых определяются спецификой при-

меняемого вычислительного средства, и являются индивидуальными для ЭВМ

каждого типа.